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Die Erfindung betrifft ein verstellbares Druckbegrenzungsventil für ein verstellbare Kolben-Zylinderaggregat gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 10 2018 221 158 A1 betrifft eine Pendelstütze, die bevorzugt für die Verbindung zwischen einem Stabilisator und einem Fahrzeugaufbau eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird. Die Pendelstütze umfasst einen Verdränger an einer axial beweglichen Kolbenstange, wobei der Verdränger zwei Arbeitsräume eines Zylinders voneinander trennt. Das bei einer Arbeitsbewegung des Verdrängers aus dem komprimierten Arbeitsraum ausströmende Druckmedium passiert auf dem Strömungsweg in den expandierenden Arbeitsraum ein einstellbares Druckbegrenzungsventil. Das Druckbegrenzungsventil ist mit einer Steuerleitung bestückt, sodass über einen Steuerdruck das Druckbegrenzungsventil in Durchflussrichtung freigeschaltet wird. Die Steuerleitung ist dabei in Fließrichtung an einer Druckmittelleitung zwischen dem komprimierten Arbeitsraum und dem Druckbegrenzungsventil angeschlossen. Dieses Hydraulikkonzept wird bei beiden Arbeitsräumen eingesetzt, so dass beide Druckbegrenzungsventile theoretisch jeweils nur eine Durchströmungsrichtung aufweisen.
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Insbesondere bei einer hochfrequenten Belastung der Pendelstütze können die Druckbegrenzungsventile zu träge hinsichtlich der Rückstellbewegung in die Sperrstellung sein. Dann tritt ein hydraulischer Kurzschluss für das parallelgeschaltete Druckbegrenzungsventil der entgegengesetzten Strömungsrichtung auf.
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Aus der
DE 695 25 896 T2 , der
US 5 085 299 A oder auch der
DE 10 2012 210 462 A1 sind verstellbare Dämpfventile innerhalb eines Schwingungsdämpfers bekannt, die aufgrund ihrer Anordnung innerhalb eines Kolbens an einer Kolbenstange in zwei Richtungen durchströmt werden. Die verstellbaren Dämpfventile weisen jeweils ein Hauptstufenventil und ein Vorstufenventil auf. Das Hauptstufenventil, an dem die Dämpfkraft erzeugt wird, wird in zwei Richtungen durchströmt. Ein Vorstufenventil, mit dem eine auf das Hauptstufenventil wirkende hydraulische Schließkraft eingestellt werden kann, wird unabhängig von der Anströmrichtung des Hauptstufenventil stets nur von einer Richtung angeströmt. Dazu dienen Rückschlagventile, die gegensinnig Strömungswege von den angeschlossenen Arbeitsräumen zum Vorstufenventil schalten.
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Aus der
DE 10 2014 215 199 A1 ist eine verstellbare Dämpfventileinrichtung bekannt, die zwischen einem Arbeitsraum und einem Ausgleichsraum eines Schwingungsdämpfers angeordnet ist. Eine derartige Dämpfventileinrichtung wird grundsätzlich nur ausgehend von dem einen Arbeitsraum angeströmt. Dem Vorstufenventil ist in Reihe ein Notbetriebsventil nachgeschaltet. Das Notbetriebsventil ist nur bei deaktivierter Energieversorgung einer Magnetspule zur Betätigung des Vorstufenventils wirksam, da es bei intakter Energieversorgung permanent in seiner maximalen Durchlassstellung gehalten wird. Auch der Abfluss aus dem Vorstufenventil ist an den Ausgleichsraum angeschlossen.
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Des Weiteren umfasst die Dämpfventileinrichtung ein Vorventil, dass in Strömungsrichtung zum Hauptstufenventil öffnet und auch bei entgegengesetzter Anströmung eine Öffnungsbewegung ausführt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aus dem Stand der Technik bekannte Problem zu beheben.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Hauptstufenventil für eine erste Durchströmungsrichtung über ein Vorstufenventil in der Steuerleitung angesteuert wird, indem für die erste Anströmrichtung des Druckmediums über das Vorstufenventil in einem Steuerraum des Hauptstufenventils ein Druckniveau eingestellt wird, das eine druckabhängige Schließkraft auf einen Hauptstufenventilkörper des Hauptstufenventils ausübt, wobei die Steuerleitung für eine entgegengesetzte zweite Anströmrichtung des Hauptstufenventils über mindestens ein Rückschlagventil blockiert ist. Über die Blockierung der Steuerleitung kann insgesamt die Durchströmung des Druckbegrenzungsventils minimiert werden, wobei man auf einen vergleichsweise kleinen Volumenstrom eingreifen muss. Würde man das Druckmedium im Leitungsbereich des Hauptstufenventils direkt blockieren, dann müssten Ventile mit einem sehr großen Strömungsquerschnitt verwendet werden, damit keine Drosseleffekte für die erste Strömungsrichtung auftreten.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Rückschlagventil in Reihe zum Vorstufenventil geschaltet. Damit kann der Strömungsweg für den Strom des Druckmediums einfach gehalten werden.
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Bei einer Ausführungsform ist das Rückschlagventil für die zweite Strömungsrichtung dem Vorstufenventil nachgeschaltet. Der Vorteil besteht darin, dass auch ein undefiniert geöffnetes Vorstufenventil keinen Einfluss auf die Blockierfunktion ausübt.
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Bevorzugt nimmt das Rückschlagventil bei einer Anströmung des Hauptstufenventils in der zweiten Anströmrichtung in Abflussrichtung aus dem Steuerraum eine Schließposition ein. Der Abfluss von Druckmedium aus dem Steuerraum in Richtung des Hauptstufenventils ist blockiert. Ist das Vorstufenventil leicht geöffnet, dann kann Druckmedium über das Vorstufenventil in den Steuerraum eintreten und eine zusätzliche Schließkraft auf den Hauptstufenventilkörper ausüben. Damit wirkt der Steuerstrom bezogen auf das Hauptstufenventil verstärkend.
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Um den Verstärkungseffekt eines Schließdrucks im Steuerraum unabhängig von der Position des Vorstufenventils zu realisieren, schaltet ein zweites Rückschlagventil bei einer Anströmung des Hauptstufenventils in der zweiten Anströmrichtung einen Zustrom in Richtung des Steuerraums frei.
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Auch hier wird dadurch, dass das zweite Rückschlagventil dem Vorstufenventil hydraulisch parallelgeschaltet ist, eine sehr einfache Form der Strömungswege gefunden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung verbindet das zweite Rückschlagventil einen Rückraum des Vorstufenventils mit dem Steuerraum. Der Rückraum ist damit Teil der Steuerleitung.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch weist das Druckbegrenzungsventil einen Gehäuseeinsatz auf, der das zweite Rückschlagventil trägt. Der Gehäuseeinsatz kann schon vor dem Einsetzen in das äußere Gehäuse des Druckbegrenzungsventils mit dem Rückschlagventil bestückt werden.
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Bei einer Ausführungsform beeinflusst das Vorstufenventil einen Steuerkanal in Abflussrichtung zwischen dem Steuerraum und einem Rückraum, wobei der Steuerkanal einen Abschnitt der Steuerleitung bildet, und das Rückschlagventil den Zustrom von Druckmedium bei einer Anströmung des Hauptstufenventils in der zweiten Strömungsrichtung in den Rückraum blockiert, indem das Rückschlagventil für die zweite Strömungsrichtung dem Vorstufenventil hydraulisch vorgeschaltet ist. Damit wird das Vorstufenventil von dem Druckvolumen der in den Steuerkanal eintreten könnte, geschützt. Druckspitzen resultierend aus der Anströmung des Steuerkanal können deshalb nicht auf das Vorstufenventil einwirken.
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Im Hinblick auf eine platzsparende Anordnung ist das Rückschlagventil in einem Ventilring angeordnet, der konzentrisch zum Hauptstufenventil angeordnet ist.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 Prinzipdarstellung einer Fahrzeugachse
- 2 Hydraulikschaltbild für ein Kolben-Zylinderaggregat nach 1
- 3 u. 4 Druckbegrenzungsventile nach 2 in einer Schnittdarstellung
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Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Fahrzeugachse in der Ausführung einer McPherson-Achse. Jeweils ein Schwingungsdämpfer in der Bauform eines Federbeins ist über einen Radträger 5 mit einem Fahrzeugrad 7; 9 verbunden. Des Weiteren sind die beiden Fahrzeugräder 7; 9 der Fahrzeugachse 1 über einen querliegenden Stabilisator 11 miteinander verbunden. Der Stabilisator 11 stützt sich über mindestens ein Gelenklager 13 an einem nicht dargestellten Fahrzeugaufbau 15 ab. Abgewinkelte Enden des Stabilisators sind über Kolben-Zylinderaggregate 17 in der Funktion einer Pendelstütze radseitig verbunden. Die radseitige Anbindung kann über den Radträger 5, dem Schwingungsdämpfer 3 oder einem ggf. weiteren Achslenker erfolgen.
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Bei einer synchronen Einfederungsbewegung der beiden Fahrzeugräder 7; 9 wird der Stabilisator in seinen Gelenklagern 13 verschwenkt und übt keine Reaktionskraft auf die Fahrzeugräder 7; 9 oder den Fahrzeugaufbau 15 aus. Federt nur eines der beiden Fahrzeugräder 7; 9 ein, dann übt dieses Fahrzeugrad ein Torsionsmoment auf den Stabilisator 11 aus, wodurch eine Gegenkraft erzeugt wird, die der Rollbewegung des Fahrzeugaufbaus 15 entgegenwirkt. Bei einer Geradeausfahrt des Fahrzeugs ist die Wirkung des Stabilisators 11 nicht immer gewünscht, da mit dem Einsatz des Stabilisators 11 auch ein Verlust an Fahrkomfort verbunden ist.
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Die Pendelstützen 17 sind verstellbar ausgeführt, s. 2, so dass über die Steuerung der Pendelstützen 17 ein zielgerichteter Einsatz des Stabilisators 11 erreicht und damit der Zielkonflikt zwischen Fahrsicherheit und Fahrkomfort zumindest reduziert werden kann.
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Die 2 zeigt die Pendelstütze 17 als Komponente in einem Hydrauliksystem 19. Die Pendelstütze 17 ist bevorzugt als ein Kolben-Zylinderaggregat ausgeführt, in dessen Zylinder 21 eine Kolbenstange 23 mit einem Verdränger 25 axial beweglich geführt ist. Der Verdränger 25 unterteilt den Zylinder 21 in vollständig mit einem Druckmedium gefüllte Arbeitskammern 27; 29. Die Kolbenstange 23 durchdringt den Zylinder 21 in jeder Hublage des Verdrängers 25, so dass eine Volumenverkleinerung, z.B. der Arbeitskammer 27, zu einer Volumenvergrößerung der anderen Arbeitskammer 29 im selben Umfang führt.
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Die Kolbenstange 23 und der Zylinder 21 verfügen jeweils über eine Gelenkanbindung 31; 33 der Pendelstütze 17 zwischen dem Stabilisator 11 und einem achsseitigen Bauteil, z. B. dem radseitigen Bauteil des Schwingungsdämpfers oder dem Radträger. Die Einbaulage der Pendelstütze ist für die Funktion innerhalb der Fahrzeugachse 1 unerheblich.
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Die beiden Arbeitskammern 27; 29 des Kolben-Zylinderaggregats 17 sind über drei parallele Hydraulikleitungen 35; 37; 39 miteinander verbunden. In einer ersten Hydraulikleitung 35 ist ein erstes Druckbegrenzungsventil 41 angeordnet, das in Strömungsrichtung von der Arbeitskammer 27 in die Arbeitskammer 29 öffnet. Dabei wird über eine Steuerleitung 43 eine Verstellkraft auf das Druckbegrenzungsventil 41 ausgeübt. Zusätzlich ist ein elektromagnetischer Aktuator 45 vorgesehen, über den eine Schaltbewegung des Druckbegrenzungsventils 41 eingeleitet werden kann. Der Aktuator 45 erhält einen Stellstrom von einem Steuergerät 47, von dem wiederum auf Basis einer nicht dargestellten Sensorik entsprechende Verstellsignale an das Druckbegrenzungsventil 41 ausgehen. In der Grundeinstellung ist das Druckbegrenzungsventil 41 verschlossen und kann nur in eine Richtung durchströmt werden.
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In einer zweiten Hydraulikleitung 37 ist ein zweites Druckbegrenzungsventil 47 angeordnet, das nur ausgehend von einer Strömung von der Arbeitskammer 29 in die Arbeitskammer 27 öffnet. Der grundsätzliche Aufbau dieses Druckbegrenzungsventils 47 ist funktional identisch wie das Druckbegrenzungsventil 41 in der ersten Hydraulikleitung 35.
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In einer optionalen dritten Hydraulikleitung 39 ist ein Speicher 49 eingebunden, der insbesondere dem thermischen Volumenausgleich des Druckmediums innerhalb des Hydrauliksystems 19 dient.
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In der 3 ist eine erste Variante eines Druckbegrenzungsventils 41; 47 nach 2 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Das Druckbegrenzungsventil 41; 47 verfügt über den Aktuator 45 in der Bauform einer Magnetspule 51, deren Magnetanker 53 gegen die Kraft mindestens einer Rückstellfeder 55 auf ein Vorstufenventil 57 eine Verstellkraft ausübt. Mit dem Vorstufenventil 57 wird über den Abflussquerschnitt aus einem Steuerraum 59 eine hydraulische Schließkraft auf einen Hauptstufenventilkörper 61 eines Hauptstufenventils 63 ausgeübt. Der Steuerraum 59 wird dabei von einem topfförmigen Gehäuseeinsatz 65 des Druckbegrenzungsventils 41; 47 und einem Boden 67 des Hauptstufenventilkörpers 61 gebildet.
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In dem Hauptstufenventilkörper 61 ist eine Ventilöffnung 69 ausgeführt, die einen Eintrittsanschluss 70 der Hydraulikleitung 35; 37 mit dem Steuerraum 59 verbindet. Diese Ventilöffnung 69 ist Teil der Steuerleitung 43, die die Schaltstellung des Hauptstufenventils 63 bestimmt. Die Ventilöffnung 69 bildet mit einem Ventilkörper beliebiger Bauform ein Rückschlagventil 71, das in Strömungsrichtung zum Steuerraum 59 öffnet. Der Steuerraum 59 ist über einen Steuerkanal 73 in einem Führungszapfen 75 des Hauptstufenventilkörpers 61 mit dem Vorstufenventil 57 verbunden. Eine endseitige Stirnfläche des Führungszapfens 75, der einen Boden 77 des Gehäuseeinsatzes 65 durchdringt, bildet eine Ventilsitzfläche des Vorstufenventils 57.
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Der Boden 77 des Gehäuseeinsatzes 65 trennt den Steuerraum 59 von einem Rückraum 79, der von einem Zwischenboden 81 zu dem Aktuator 45 getrennt ist. Diesem Rückraum 79 schließt sich mindestens ein Axialkanal 83 zwischen dem Gehäuseeinsatz 65 und einem äußeren Gehäuse 85 des Druckbegrenzungsventils 41; 47 an. Der Rückraum 79 und der mindestens eine Axialkanal 83 bilden weitere Abschnitte der Steuerleitung 43. In einem Ringraum 87 münden abflußseitig die Volumenströme des Hauptstufenventils 63 und des Vorstufenventils 57. Von diesem Ringraum 87 erstreckt sich mindestes ein Abflusskanal 89 in Richtung der saugseitigen Arbeitskammer bezogen auf dieses Druckbegrenzungsventil 41; 47.
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Bei einer Anströmung des Druckbegrenzungsventils 41; 47 in einer ersten Strömungsrichtung über den Eintrittsanschluss 70 wirkt innenseitig auf den Boden 67 des Hauptstufenventilkörpers 61 eine Öffnungskraft. Über das geöffnete Rückschlagventil 71 kann das Druckmedium in dem Steuerraum 59 ein Druckniveau aufbauen, das über die Bemessung des Abflussquerschnitts am Vorstufenventil 57 eingestellt wird. Dieses Druckniveau bildet eine hydraulische Schließkraft. Der Hauptstufenventilkörper 61 ist hinsichtlich der Flächendimensionierung der druckbeaufschlagten Flächen derart ausgelegt, dass eine Schließfläche des Hauptstufenventilkörpers 61 zum Steuerraum 59 größer ist als die Öffnungsfläche des Hauptstufenventilkörpers 61 in Richtung des Eintrittsanschlusses 70. Folglich kann über das Vorstufenventil nicht nur eine vollständige Blockierung der Steuerleitung 43, sondern auch eine Blockierung des Druckbegrenzungsventils 41; 47 erreicht werden, z. B. um die maximale Rückstellkraft des Stabilisators 11 auszunutzen.
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Bei einer Richtungsumkehr der Arbeitsbewegung der Pendelstütze 17 wird das Druckbegrenzungsventil 41; 47 in einer zweiten Strömungsrichtung über seinen Abflusskanal 89 angeströmt. Das Druckmedium übt dabei in dem Ringraum 87 auf einen äußeren Rand 91 des Hauptstufenventilkörpers 61 eine Öffnungskraft aus. Der Arbeitsdruck in dem Ringraum 87 pflanzt sich über den mindestens einen Axialkanal 83 in den Rückraum 79 fort. Je nach Einstellung des Vorstufenventils 57 kann Druckmedium in den Steuerraum 59 eintreten. Das Rückschlagventil 71 in dem Hauptstufenventilkörper 61 nimmt eine Schließposition ein und verhindert den Abfluss von Druckmedium aus dem Steuerraum 59. Damit ist die Steuerleitung 43 für eine entgegengesetzte zweite Anströmrichtung des Hauptstufenventils über das Rückschlagventil 71 blockiert. Folglich kann der Hauptstufenventilkörper 61 keine Abhubbewegung ausführen.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Rückschlagventil 71 für die zweite Strömungsrichtung dem Vorstufenventil 57 nachgeschaltet ist, spielt der Betriebszustand des Vorstufenventils keine Rolle hinsichtlich der hydraulischen Blockierung des Volumens im Steuerraum 59.
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Optional kann das Druckbegrenzungsventil 41; 47 ein zweites Rückschlagventil 93 innerhalb der Steuerleitung 43 aufweisen. Das zweite Rückschlagventil 93 schaltet bei einer Anströmung des Hauptstufenventils 63 in der zweiten Anströmrichtung einen Zustrom in Richtung des Steuerraums 59 frei. Dabei ist das zweite Rückschlagventil 93 dem Vorstufenventil 57 hydraulisch parallelgeschaltet und verbindet den Rückraum 79 des Vorstufenventils 57 mit dem Steuerraum 59. Das zweite Rückschlagventil 93 ist bevorzugt in dem Gehäuseeinsatz 65 angeordnet. Unabhängig von der Größe des Abflussquerschnitt des Vorstufenventils 57 kann das Druckmedium bei einer Anströmung in der zweiten Strömungsrichtung in den Steuerraum 59 übertreten und einen zusätzlichen Schließdruck auf den Hauptstufenventilkörper 61 ausüben. Bei einer Anströmung des Hauptstufenventils in der ersten Strömungsrichtung nimmt das zweite Rückschlagventil 93 wieder eine Blockierstellung ein, um die Funktion des Vorstufenventils 57 nicht zu verschlechtern.
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Die bildliche Ausführung des Druckbegrenzungsventils 41; 47 gemäß der 4 ist hinsichtlich des Aktuators 45 und des Vorstufenventils 57 identisch mit den Ausführungen zur 3. Ein erster Unterschied besteht darin, dass im Boden 67 des Hauptstufenventilkörpers 61 keine Ventilöffnung, sondern eine einfache Durchlassöffnung 95 vorliegt. Damit ist der Steuerraum 59 permanent mit dem Eintrittsanschluss 70 des Druckbegrenzungsventils 41; 47 verbunden.
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In der Ausführung nach 3 ist im Zustand der zweiten Strömungsrichtung das Rückschlagventil 71 dem Vorstufenventil 57 hydraulisch nachgeschaltet. In dem Druckbegrenzungsventil nach 4 ist das Rückschlagventil 71 für die zweite Strömungsrichtung dem Vorstufenventil 57 hydraulisch vorgeschaltet. Das Rückschlagventil 71 ist in einem Ventilring 97, der konzentrisch zum Hauptstufenventil 63 angeordnet ist, verhindert schon den Eintritt von Druckmedium in den mindestens einen Axialkanal 83. Damit wird für die zweite Strömungsrichtung verhindert, dass Druckmedium über das Vorstufenventil 57 und den Steuerraum 59 das Hauptstufenventil 63 hydraulisch überbrücken kann.
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Die Drosselwirkung der Durchlassöffnung 95 sorgt für einen Gegendruck im Steuerraum 59 bei einer Abhubbelastung auf den Rand 91 des Hauptstufenventilkörpers 61. Sollte im Einzelfall die Drosselwirkung der Durchlassöffnung 95 nicht ausreichen, dann kann der Einsatz eines Rückschlagventils anstelle der einfachen Durchlassöffnung dieses Problem lösen. Dann wäre der Steuerraum 59 hydraulisch blockiert zwischen dem Rückschlagventil im Boden 67 des Hauptstufenventilkörpers 61 und dem Rückschlagventil 71 im Ventilring 97, das bei einer Anströmung in der zweiten Strömungsrichtung von dem Druckmedium in der Blockierstellung gehalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugachse
- 3
- Schwingungsdämpfer
- 5
- Radträger
- 7
- Fahrzeugrad
- 9
- Fahrzeugrad
- 11
- Stabilisator
- 13
- Gelenklager
- 15
- Fahrzeugaufbau
- 17
- Kolbenzylinderaggregat
- 19
- Hydrauliksystem
- 21
- Zylinder
- 23
- Kolbenstange
- 25
- Verdränger
- 27
- Arbeitskammer
- 29
- Arbeitskammer
- 31
- Gelenkanbindung
- 33
- Gelenkanbindung
- 35
- Hydraulikleitung
- 37
- Hydraulikleitung
- 39
- Hydraulikleitung
- 41
- erstes Druckbegrenzungsventil
- 43
- Steuerleitung
- 45
- Aktuator
- 47
- zweites Druckbegrenzungsventil
- 49
- Speicher
- 51
- Magnetspule
- 53
- Magnetanker
- 55
- Rückstellfeder
- 57
- Vorstufenventil
- 59
- Steuerraum
- 61
- Hauptstufenventilkörper
- 63
- Hauptstufenventil
- 65
- Gehäuseeinsatz
- 67
- Boden des Hauptstufenventilkörper
- 69
- Ventilöffnung
- 70
- Eintrittsanschluss
- 71
- Rückschlagventil
- 73
- Steuerkanal
- 75
- Führungszapfen
- 77
- Boden des Gehäuseeinsatzes
- 79
- Rückraum
- 81
- Zwischenboden
- 83
- Axialkanal
- 85
- Gehäuse des Druckbegrenzungsventils
- 87
- Ringraum
- 89
- Abflusskanal
- 91
- Rand des Hauptstufenventilkörpers
- 93
- zweites Rückschlagventil
- 95
- Durchgangsöffnung
- 97
- Ventilring