DE10025749C1 - Ventil für eine Kraftfahrzeug-Luftfeder mit Zusatzvolumen - Google Patents
Ventil für eine Kraftfahrzeug-Luftfeder mit ZusatzvolumenInfo
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Abstract
Ein Ventil (12) für eine Kraftfahrzeug-Luftfeder (2) mit Zusatzvolumen (6) soll bei geringem Verbrauch an elektrischer Energie ein fein dosiertes, stufenloses Öffnen bis zum vollen Querschnitt ohne Drosselung und ein stabiles Verhalten bei Strömungskräften aufweisen. DOLLAR A Dieses Ventil (12) ist gekennzeichnet durch eine "Sterndüse" (50), die die folgenden Merkmale aufweist: eine beliebige Anzahl von sich gegenseitig schneidenden Strahlen n¶S¶ (52) mit der Länge D¶S¶ (58) und der Breite s¶S¶ (56) sind konzentrisch angeordnet; DOLLAR A die Sterndüsen-Umfangslänge L¶US¶ (64) ist gegenüber der einen Runddüse L¶UR¶ vergrößert, wobei für den Ventilquerschnitt A¶VS¶ = L¶US¶ È H¶S¶ gilt; DOLLAR A der Durchgangsquerschnitt A¶DS¶ der Sterndüse (50) ist so groß, dass er mindestens dem Querschnitt A¶L¶ von Einlass (68) und Auslass (70) entspricht; DOLLAR A auf der Außenseite der Düse (50) ist jeweils zwischen zwei "Strahlen" (52) ein - vorzugsweise dreieckförmiges - Tal (66) vorhanden. DOLLAR A Der Dichtkörper (40) des Ventils (12) ist vorzugsweise als Manschette ausgebildet. Das Ventil (12) kann mit einer zweiten Manschette (74) versehen sein. DOLLAR A Das Sterndüsen-Ventil (12) ist ein allen Bereichen anwendbar, wo ein großer Querschnitt bei kleinen Schaltzeiten und Kräften voll freigegeben werden muss.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ventil für eine Kraftfahrzeug-
Luftfeder, die ein Zusatzvolumen aufweist.
Beim Einsatz von Luftfedern in Pkw ist für einen optimalen
Federungskomfort ein möglichst großes Luftvolumen zu
verwenden. Weil direkt am Rad durch Fahrwerksbauteile (z. B.
Längslenker, Bremse, Antriebswelle, . . .) meist nicht
genug Platz ist wird dieses große Luftvolumen in ein
Luftfeder- und ein Zusatzvolumen aufgeteilt (Fig. 1a). Das
Zusatzvolumen kann dann an einer Stelle in der Nähe (z. B.
im Motorraum, im Längsträger, im Kofferraum, . . .)
untergebracht werden. Beide Volumen werden dann mit einer
Leitung verbunden, deren Querschnitt derart groß ist, dass
ein Luftaustausch sehr schnell und ohne nennenswerten
Druckverlust stattfinden kann. Fährt das Fahrzeug z. B.
über Kopfsteinpflaster, so federt die Luftfeder
entsprechend der Fahrgeschwindigkeit mit einer hohen
Frequenz ein und aus. Jeder Ein- und Ausfedervorgang ist
mit einem Luftaustausch verbunden, welcher nicht behindert
werden darf, da ansonsten der Federungskomfort vermindert
wird.
Ein hoher Federungskomfort bedingt eine geringe
Federsteifigkeit. Diese wird (nach obigen Ausführungen)
mit einem großen Luftfedervolumen erreicht. Nachteilig ist
dabei aber, dass damit auch die Lenkung "schwammig" wird.
Ebenso verändert sich bei geringer Federsteifigkeit das
Fahrverhalten beim Bremsen, beim Beschleunigen, bei
Kurvenfahrt und schnellen Ausweichmanövern in Richtung
Instabilität, was unerwünscht ist, da damit die
Fahrsicherheit beeinträchtigt wird.
Um diesen Zielkonflikt zwischen komfortabler
Luftfederauslegung und Stabilität des Fahrverhaltens zu
lösen, wird die oben beschriebene Leitung mittels eines
Ventils absperrbar gestaltet (Fig. 1b). Während des
normalen Fahrzustandes ist das Ventil geöffnet und zwar
derart, dass es kein wesentliches Hindernis für den
Luftaustausch zwischen Luftfeder und Zusatzvolumen ist.
Wird das Fahrzeug nun gebremst, beschleunigt, in Kurve
gefahren oder zu einem schnellen Ausweichmanöver
gezwungen, so wird durch ein Steuergerät (welches den
Fahrzustand mittels Sensoren erkennt) das Ventil
schlagartig geschlossen. Nun sind Luftfeder- und
Zusatzvolumen voneinander getrennt, mit der Folge, dass
nur noch das Luftfedervolumen für den Federvorgang zur
Verfügung steht. Die Federsteifigkeit ist daher höher und
das Fahrzeug hat ein stabileres Fahrverhalten.
Sobald das Steuergerät erkennt, dass keiner der
beschriebenen Fahrzustände mehr vorliegt, wird das Ventil
wieder geöffnet. Dieser Öffnungsvorgang muss derart sein,
dass sich eine zwischenzeitlich eventuell gebildete
Druckdifferenz zwischen Luftfeder- und Zusatzvolumen
langsam ausgleichen kann und so kein plötzliches Einsacken
oder Aufbocken des Fahrzeugs erfolgt. Erst wenn der
Druckausgleich ganz abgeschlossen ist, darf das Ventil
wieder ganz geöffnet werden.
Ventile für diesen Zweck sind bekannt. Sie werden meistens
(im Lkw-Bau) als Vorsteuerventile realisiert, wobei ein
kleines Elektromagnetventil ein großes pneumatisch
betätigtes Ventil schaltet (Fig. 2). Die Alternative ist
eine elektromagnetische Betätigung des Ventils. Im Pkw-Bau
ist jedoch keine entsprechend leistungsfähige
Druckluftquelle vorhanden, um das pneumatisch betätigte
Ventil zu schalten. Daher bleibt nur die
elektromagnetische Betätigung übrig (Fig. 3a).
Unabhängig von der Betätigungsart (Magnetventil oder
pneumatisch betätigtes Ventil) ist infolge des großen
Leitungsquerschnittes ein größer Ventilhub nötig, um den
Querschnitt voll freizugeben (Fig. 3b). Ist die
Querschnittsfläche der Leitung mit AL = DL 2 . π/4
definiert, so ist bei einem kreisrunden Ventilsitz der
offene Ventilquerschnitt mit AVR = LUR . HR = DR . π . HR
gekennzeichnet. Dies ergibt sich aus der Umfangslänge LUR
und dem Hub HR. Um keine Einschnürung zu erhalten, müssen
beide Querschnittsflächen AL und AVR gleich groß sein, so
dass sich ergibt HR = DR/4. In der Praxis bedeutet dies
bei DL = 20 mm einen Hub HR von etwa 5 mm.
Dieser große Hub ist mit zwei Nachteilen verbunden:
Erstens nimmt die Betätigungskraft eines Elektromagneten mit größer werdendem Abstand überproportional ab. Zur Ventilbetätigung ist daher ein Elektromagnet erforderlich, welcher eine große Anzahl von Windungen mit geringem elektrischen Widerstand und damit auch eine große Ventilmasse, großen Bauraum hat und hohe Kosten verursacht. Zweitens werden Anker und Dichtkörper des Ventils beim Abschalten des Betätigungsstromes von seiner Feder in Richtung auf den Ventilsitz beschleunigt. Infolge des großen Hubes werden große Geschwindigkeiten und beim Auftreffen auf den Ventilsitz große Verzögerungen wirksam, d. h. der Dichtkörper erzeugt beim Auftreffen auf den Ventilsitz ein Geräusch, das hammerschlagartig sein kann.
Erstens nimmt die Betätigungskraft eines Elektromagneten mit größer werdendem Abstand überproportional ab. Zur Ventilbetätigung ist daher ein Elektromagnet erforderlich, welcher eine große Anzahl von Windungen mit geringem elektrischen Widerstand und damit auch eine große Ventilmasse, großen Bauraum hat und hohe Kosten verursacht. Zweitens werden Anker und Dichtkörper des Ventils beim Abschalten des Betätigungsstromes von seiner Feder in Richtung auf den Ventilsitz beschleunigt. Infolge des großen Hubes werden große Geschwindigkeiten und beim Auftreffen auf den Ventilsitz große Verzögerungen wirksam, d. h. der Dichtkörper erzeugt beim Auftreffen auf den Ventilsitz ein Geräusch, das hammerschlagartig sein kann.
In Lkw-Luftfederanlagen existieren Ventile für
schlagartiges Schließen und langsames Öffnen auf Basis
pneumatischer Betätigung.
In Pkw-Luftfedern sind Magnetventile bekannt, die auf den
größeren Leitungsquerschnitt angepasst wurden. Zusätzlich
hat man eine "Druckentlastung" vorgesehen, um die
wirkenden Kräfte zu verringern. Allerdings sind alle diese
Lösungen mit Reibung behaftet und lassen damit eine
einwandfreie Verstellung/Regelung nicht zu. Im Lkw-Bau
sind die Ventile pneumatisch betätigt, weil die Pneumatik
eine hohe Energiedichte besitzt. Der hohe Energieverbrauch
(Druckluft entweicht) spielt dort keine wesentliche Rolle.
Ebenso spielt dort das Schaltgeräusch keine große Rolle.
Die Aufgabe der Erfindung, wie sie im wesentlichen mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst ist, besteht in der
Schaffung eines Ventils für eine Kraftfahrzeug-Luftfeder.
Dieses Ventil soll die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- - klein, geringe Masse;
- - geringer Verbrauch an elektrischer Energie;
- - voller Querschnitt ohne Drosselung;
- - sehr kurze Reaktionszeit;
- - stabiles Verhalten bei Strömungskräften;
- - dichtes Absperren der Leitung;
- - fein dosiertes, stufenloses Öffnen;
- - keine lästigen Geräusche; und
- - kostengünstig.
Erfindungsgemäß wird statt eines kreisrunden Ventilsitzes
eine "Sterndüse" verwendet. Diese Sterndüse (Fig. 5) ist
dadurch charakterisiert, dass eine beliebige Anzahl von
Strahlen nS mit der Länge DS und der Breite sS konzentrisch
angeordnet sind, wobei sie sich gegenseitig schneiden. Als
Sonderfall ist eine Düse mit nS = 1 anzusehen, bei welcher
es sich um einen langen, schmalen Schlitz handelt. Die
Sterndüsen-Umfangslänge LUS ist gegenüber der der Runddüse
LUR vergrößert und somit für den Ventilquerschnitt AVS = LUS
. HS gilt. Der erforderliche Hub HS ist bei entsprechender
Gestaltung (nS, DS, sS, RS) der Sterndüse wesentlich
kleiner als der Hub HR der Runddüse. Der
Durchgangsquerschnitt ADS der Sterndüse muss so groß sein,
dass er mindestens dem Querschnitt AL der Leitung
entspricht. Auf der Außenseite der Düse ist jeweils
zwischen zwei "Strahlen" ein Tal mit dreieckiger
Querschnittsfläche vorhanden. Dieses dient dazu, der
zuströmenden Luft den Zugang zum inneren Teil des Sterns
zu ermöglichen. Infolge der Sterndüse kann der Ventilhub
wesentlich geringer sein. Deshalb reichen wenige Windungen
eines Elektromagneten (bei gleichem Strom) aus. Infolge
weniger Windungen ist das Ventil kostengünstiger, kleiner
und leichter. Oder es kann infolge des kleineren Hubes der
Strom reduziert werden, so dass weniger Energie verbraucht
wird. Wegen des kleineren Hubes werden Dichtkörper und
Anker beim Auftreffen auf den Ventilsitz weniger stark
abgebremst, wodurch ein geringeres Geräusch entsteht.
Infolge des geringen Hubes kann der Elektromagnet in
seinem steilsten Kennlinienteil betrieben werden. Das
Ventil ist damit unempfindlich gegen Strömungskräfte und
besitzt eine stabile Kennlinie.
Der Dichtkörper ist durch die Form der Manschette (Fig. 4)
gegen Verdrehen gesichert. Infolge der Verdrehsicherheit
kommt jede Einprägung im Dichtkörper immer auf dieselbe
Stelle der Sterndüse. Dauerhafte Verformungen (Gummi-
Druckverformungsrest) haben daher keine negativen
Auswirkungen. Da die Manschette aus Gummi ist, wird die
Bewegung durch die Materialdämpfung gedämpft, was günstig
für die Geräuschentwicklung ist.
Die Sterndüse kann schräg gestellt werden (Fig. 6).
Dadurch entsteht praktisch ein Getriebe und der
Öffnungsvorgang kann noch feiner dosiert werden.
Die Sterndüse kann mit einer zweiten Membran (Fig. 7) oder
vorzugsweise mit zwei Rollmembranen (gemäß Patentanmeldung
"Kraftfahrzeug-Luftfeder mit einem Zusatzvolumen" vom
selben Anmeldetag) versehen werden, welche ebenfalls mit
Druck beaufschlagt wird und so zur Druckentlastung führt.
Aufgrund der dadurch verringerten Druckdifferenzen sind
die Kräfte kleiner, was zu einer zusätzlichen Reduktion
der Baugröße führt. Gegenüber den üblichen
Druckentlastungen hat diese Art der Druckentlastung den
Vorteil, dass keine Toleranzprobleme und keine Reibkräfte
entstehen.
Die Sterndüse kann grundsätzlich mit jedem Antrieb
verbunden werden. Vorteilhaft sind: Schrittmotor als
Linearmotor, Piezo-Stapel-Aktor (auch mit Wegübersetzer),
Piezo-Biegeelement-Aktor (Torque-Block), elektrochemischer
Aktor, pneumatischer Aktor (Vorsteuerventil).
Mit einem Schrittmotor ist eine sehr genaue Positionierung
und Energieabschaltung nach Erreichen der Sollposition
möglich; mit Piezo-Aktor: sehr geringe Energieaufnahme,
sehr hohe Positionsgenauigkeit und sehr kurze
Reaktionszeiten; mit elektrochemischem Aktor: sehr geringe
Energieaufnahme, sehr hohe Haltekräfte, hohe
Positionsgenauigkeit auch nach Abschalten der
Energieversorgung, definierter Fail-safe-Zustand; mit
pneumatischem Aktor: sehr kurze Stellzeiten, klein
bauendes Steuerventil.
Insgesamt weist das erfindungsgemäße Sterndüsen-Ventil die
folgenden vorteilhaften Eigenschaften auf: geringer
Bauraum, geringe Masse, kurze Schaltzeiten, geringe
Geräuschentwicklung, geringe Herstellungskosten, geringe
Leistungsaufnahme, gute Funktionsstabilität.
Das erfindungsgemäße "Sterndüsen"-Ventil ist in allen
Bereichen anwendbar, wo ein großer Querschnitt bei kleinen
Schaltzeiten und Kräften voll freigegeben werden muss.
Anhand der Abbildungen wird die erfindungsgemäße
"Sterndüse" näher erläutert.
Fig. 1a und Fig. 1b zeigen Prinzipdarstellungen von
Luftfedern, jeweils mit Zusatzvolumen;
es zeigt:
Fig. 2 den Längsschnitt durch ein herkömmliches Lkw-
Luftfeder-Ventil (sogen. "Vorsteuerventil");
Fig. 3a/3b ein herkömmliches elektromagnetisch
betätigbares Luftfeder-Ventil, im Längsschnitt;
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes, mit Sterndüse versehenes
Ventil, im Längsschnitt;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Sterndüse:
- a) in perspektivischer Ansicht,
- b) im Längsschnitt und
- c) von oben;
Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Ventil mit schräg gestellter
Sterndüse, im Längsschnitt;
Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Ventil mit zweiter Membran,
im Längsschnitt.
Bei beengten Platzverhältnissen weist eine komfortable
Kraftfahrzeug-Luftfeder 2 vorzugsweise außer dem
Luftfeder-Volumen 4 ein Zusatzvolumen 6 auf (Fig. 1a).
Dabei sind das Luftfedervolumen 4 der Luftfeder 2 und das
Luftvolumen 6 eines Zusatzbehälters über eine Leitung 8
mit großem Querschnitt miteinander verbunden.
Um bei kritischen Fahrsituationen die normalerweise
komfortable Luftfeder 2 härter einstellen zu können, ist
die Verbindungsleitung 8 zwischen Luftfedervolumen 4 und
Zusatzvolumen 6 mittels eines Ventils (Gesamtventil 10)
absperrbar (Fig. 1b). Dies hat zur Folge, dass die
Federwirkung dann ausschließlich mit dem Luftfedervolumen
4 realisiert wird.
Die in den Fig. 2, 3a und 3b dargestellten
herkömmlichen Ventile für Luftfedern 2 mit Zusatzvolumen 6
weisen die eingangs geschilderten Nachteile auf.
Das Gesamtventil (Fig. 2, Fig. 3a bzw. 3b und 4) besteht
aus dem Ventil 12 und einer Betätigungseinrichtung 14. Die
Betätigungseinrichtung 14 kann beispielsweise ein
Elektromagnet sein, wie in den Fig. 2, 3a, 3b und 4
dargestellt. Beim Elektromagnet 14 sind folgende Teile
vorhanden: Anker 16, Polstück 18, Joch 20, Jochscheibe 22,
Spulenträger 24, Spule 26, Feder 28, Führungsrohr 30,
Verbindungsstange 32 zum Ventilkörper 34. Diese Teile sind
unabhängig vom verwendeten Betätigungsprinzip und somit
austauschbar.
Das Ventil 12 besteht aus Ventilgehäuse 36, Ventilkörper
34, Ventilsitz 38 und Dichtung 40.
Im Grundzustand ist das Ventil 12 geschlossen. Hierbei
drückt die Feder 28 den Anker 16 nach unten, wobei dieser
über die Verbindungsstange 32 den Ventilkörper 34 nach
unten bewegt, bis dieser auf dem Ventilsitz 38 aufsitzt.
Der Ventilsitz 38 ist so positioniert, dass der Hub 44
nicht größer sein wird als nötig. Der durch das Ventil 12
freigegebene Querschnitt 46 soll so groß sein wie der
Leitungsquerschnitt 48. Der freigegebene Querschnitt 46
ergibt sich aus Hub . DS . SS . nS. Der Hub 44 soll nicht
größer sein als vorstehend berechnet, da ansonsten beim
schnellen Schließen mehr Hub 44 durchfahren werden muss,
was länger dauert und somit die Schließzeit vergrößert.
Kern der Erfindung ist eine "Sterndüse" 50 (Fig. 5).
Theoretisch besteht diese aus beliebig vielen Strahlen 52,
die einen gemeinsamen Mittelpunkt 54 und eine gleichmäßige
Winkelverteilung haben. In der Praxis scheint es sinnvoll
zu sein, zwei bis sechs Strahlen zu verwenden.
Jeder Strahl 52 hat eine bestimmte Breite 56. Diese Breite
56 bildet, multipliziert mit der Länge 58 einen Schlitz
mit der Schlitzfläche 60 (Fig. 5a). Die Summe aller
Schlitzflächen 60 ist der Ventilquerschnitt 46, welcher
mindestens dem Leitungsquerschnitt 48 entsprechen muss, da
ansonsten eine Einschnürung des Luftstromes stattfindet.
Dies ist die erste Bedingung.
Die zweite Bedingung ist, dass die Luft auch in die
Schlitze 52 eintreten kann. Hierzu muss der Ventilkörper
34 abgehoben werden. Die Umfangsfläche 62 muss dann gleich
dem Leitungsquerschnitt 48 sein. Wenn nicht, wäre der
Luftstrom eingeschnürt.
Bezugszeichen 64 gibt den Umfang der Sterndüse an. Hebt
man den Ventilkörper 34 vom Ventilsitz um den Hub HS, 44
ab (Fig. 5b), ergibt sich eine ringsum laufende
Umfangsfläche 62. Dies ist die Durchtrittsfläche für die
Luft. Je mehr Strahlen 52, umso mehr Umfangsfläche 62
steht zur Verfügung und umso weniger Hub 44 ist nötig, um
eine große Umfangsfläche 62 zu erhalten.
Gegenüber einer zylindrischen Düse hat die Sterndüse 50
bei gleichen Abmessungen mehr Umfang, daher kann der Hub
44 verringert werden, ohne die Umfangsfläche 62 unter
Leitungsquerschnitt 48 zu bringen. Damit besteht nun die
Möglichkeit, mit kleinem Magnethub große
Querschnittsflächen freizugeben.
Selbstverständlich muss auch die Luft an den Schlitz 52
herantreten können, und zwar auch im Innern der Sterndüse
50, dort, wo sich die Strahlen 52 schneiden. Sonst könnte
die Umfangsfläche 62 nicht genutzt werden. Um der Luft den
Zutritt zum Innern der Sterndüse 50 zu ermöglichen, sind
zwischen den Schlitzen 52 dreieckförmige Täler 66
angebracht. Durch diese Täler 66 strömt die Luft, tritt
durch die Umfangsfläche 62 hindurch und dringt dann in den
Schlitz 52 ein, wo sie durch die Schlitzfläche 60
hindurchtritt.
Eine Sterndüse 50 ohne Täler 66 könnte also nicht
einwandfrei funktionieren, weil die Luft die größere
Umfangsfläche 62 nicht ausnutzen könnte.
In Fig. 4 ist ein Ventil 12 mit elektromagnetischer
Betätigung 14 dargestellt. Fließt Strom durch die Spule
26, so entsteht eine Kraft, welche den Anker 16 zum
Polstück 18 zieht. Infolge der Verbindungsstange 32 wird
dabei der Ventilkörper 34 mit nach oben bewegt. Der
Ventilkörper 34 hebt also um den Hub HS, 44 vom Ventilsitz
38 ab. Die Luft kann nun strömen, so wie zu Fig. 5
beschrieben.
Nach Abschalten des Spulenstromes fällt das Magnetfeld
zusammen. Die Feder 28 drückt den Anker 16 nach unten und
damit auch den Ventilkörper 34, so dass dieser auf den
Ventilsitz 38 (oder die Sterndüse 50) gedrückt wird. Die
Verbindung zwischen Einlass 68 und Auslass 70 ist
unterbrochen.
Es ist nun denkbar, dass der Ventilkörper 34 nicht als
Membran (wie in Fig. 4) ausgebildet ist sondern wie in
Fig. 3a dargestellt. In diesem Falle könnte er sich um
seine Längsachse 72 verdrehen. Geht man davon aus, dass
der Gummi des Ventilkörpers 34 längere Zeit auf der
Sterndüse 50 saß (durch die Feder 28 aufgedrückt), so
können kleine Vertiefungen dort zurückbleiben, wo der
Ventilkörper 34 die Sterndüse 50 berührte. Wenn sich nun
der Ventilkörper 34 verdreht, so kann das Ventil 12 in
Ruhestellung nicht mehr einwandfrei dichten. Dem kann mit
einer Membran 74 (Fig. 7) abgeholfen werden. Die
Verwendung einer Membran 74 ist die eleganteste, aber
nicht die denkbar einzige Lösung. Es könnte beispielsweise
auch eine Nut im Anker 16 und eine Nase im Führungsrohr 30
eingebracht werden, so dass sich der Anker 16 und damit
der Dichtkörper 40 nicht mehr verdrehen kann.
Fig. 6: Hier gilt dasselbe wie bei Fig. 4. Allerdings ist
nun die Sterndüse 50 schräg gestellt. Hebt man den
Dichtkörper 4D ein wenig an, so wird der Dichtkörper 40
auf der einen Seite vom Ventilsitz 38 abgehoben. Auf der
Gegenseite bleibt er sitzen. Es ergibt sich also nur der
halbe Öffnungsquerschnitt. Dies kann solange fortgeführt
werden, bis der Ventilkörper 34 auch auf der Gegenseite
vom Ventilsitz 38 abhebt. Dieser Hubbereich ist also
besonders fein verstellbar, weil pro Hubeinheit nur der
halbe Querschnitt freigegeben wird. Dies ist insbesondere
dann von Bedeutung, wenn ein langsamer Druckausgleich
zwischen Luftfeder 2 und Zusatzvolumen 6 angestrebt wird.
Man hat also ein Getriebe für einen bestimmten Hubbereich
eingefügt.
Die Fig. 7 zeigt lediglich zusätzlich zu Fig. 4 eine
Druckentlastung. Daher soll nur diese beschrieben werden.
Angenommen, dass das Ventil 12 nach Fig. 4 (ohne
Druckausgleich) geschlossen ist. Weiterhin wird
angenommen, dass nach dem Schließen des Ventils 12 die
Luftfeder eingefedert wurde, sei es, weil das Fahrzeug
über einen Buckel fährt. Nun hat die Luftfeder 2 infolge
des durch den Einfedervorgang verminderten Volumens einen
höheren Druck als zuvor. Dieser Druck ist größer als der
Druck im Zusatzvolumen 6.
Infolge der Druckdifferenz zwischen Luftfeder 2 (30 bar)
und Zusatzvolumen 6 (10 bar) muss die Federkraft so groß
sein, dass der Ventilkörper 34 trotzdem ausreichend fest
auf den Ventilsitz 38 gedrückt wird und somit dicht ist.
Die Federkraft muss also größer als die Druckkraft-
Differenz sein. Es handelt sich hier um relativ zur
Baugröße große Kräfte!
Angenommen, die Druckdifferenz entfällt wieder, weil die
Luftfeder 2 wieder ihre Normalstellung eingenommen hat
(Druck in Luftfeder dann wieder 10 bar). Es wird weiterhin
angenommen, dass jetzt das Ventil 12 geöffnet werden soll,
Dazu muss die Magnetkraft größer als die Federkraft sein.
Um die (wegen obigem) relativ große Federkraft zu
überwinden, müsste eine noch größere Magnetkraft
aufgebracht werden. Bei den hier auftretenden Kräften und
dem beschränkten Bauraum liegt dies außerhalb der
physikalischen Grenzen, d. h., es ist kein entsprechender
Magnet realisierbar.
Die Lösung dieses Dilemmas besteht darin, dass eine
Druckentlassung geschaffen wird, so wie in Fig. 7
dargestellt. Ein Druckstoß von der Luftfeder 2 her wirkt
sowohl auf den Ventilkörper 34 als auch auf die
Druckausgleichs-Membran 74. Dies geschieht mittels der
Kräfte FLD und FLM. Wenn Dichtsitz-Fläche ΔS und Membran-
Wirkfläche ΔW gleich groß sind, dann sind auch die beiden
Kräfte FLD und FLM gleich groß und heben sich aufgrund der
Verbindung mittels der Verbindungsstange 32 gegenseitig
auf.
Wird auch der Druck des Zusatzvolumens 6 mittels einer
Druckausgleichsbohrung 76 auf den Anker 16 und auf die
Druckausgleichs-Membran 74 geleitet und zudem die Membran-
Wirkfläche ΔW gleich ΔS gewählt (durch konstruktive
Maßnahmen), so sind auch die beiden Kräfte FZVA und FZVM
gleich groß. Sie heben sich daher auch gegenseitig auf. Da
nun alle Druckkräfte gegenseitig ausgeglichen sind, wirkt
nun nur noch die Federkraft auf den Anker 16. Die
Federkraft kann gering sein, weil sie nicht gegen
Druckkräfte anarbeiten muss. Der Magnet 14 kann nun so
ausgelegt sein, dass er nur die kleine Federkraft
überwinden muss, also braucht auch der Magnet 14 keine
großen Kräfte zu erzeugen. Er kann demzufolge klein,
leicht und kostengünstig ausgelegt werden.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Lösung mittels einer
Tellermembran 78 ergibt sich jedoch das Problem, dass sich
die Wirkfläche ΔW mit der Lebensdauer ändert. Grund ist
die Verlängerung der Membran 78 durch Dauerbeanspruchung.
Ebenso ändert sich ΔW mit der Ventilstellung und der
Einfluss von Fertigungstoleranzen ist groß. Ein
vollständiger Druckausgleich ist daher mit einer
Tellermembran 78 nicht möglich.
Ersetzt man die Tellermembran 78 jedoch durch zwei
Rollmembranen (wie in der Patentanmeldung "Kraftfahrzeug-
Luftfeder mit einem Zusatzvolumen", mit gleichem
Anmeldedatum, Fig. 9, dargestellt), dann ist der
Wirkdurchmesser DW konstant. Er ist zudem nicht so
empfindlich gegen Fertigungstoleranzen. Nachteilig ist
nur, dass zwei Roll- statt einer Tellermembran 78 benötigt
werden, was höhere Kosten verursacht.
2
(Kraftfahrzeug-)Luftfeder
4
Luftfedervolumen
6
Zusatzvolumen
8
Leitung
10
Gesamtventil
12
Ventil
14
Betätigungseinrichtung, z. B. Elektromagnet
16
Anker
18
Polstück
20
Joch
22
Jochscheibe
24
Spulenträger
26
Spule
28
Feder
30
Führungsrohr
32
Verbindungsstange
34
Ventilkörper
36
Ventilgehäuse
38
Ventilsitz (Dichtsitz)
40
Dichtung (Dichtungsmanschette), Dichtkörper
42
Anschlag
44
Hub
46
(Ventil-)Querschnitt
48
Leitungsquerschnitt
50
"Sterndüse"
52
Strahlen (= Schlitze)
54
Mittelpunkt
56
(Schlitz-)Breite, (Strahlen-)Breite
58
(Schlitz-)Länge, (Strahlen-)Länge
60
(Schlitz-)Fläche
62
Umfangsfläche
64
Umfangslänge
66
Tal
68
Einlass
70
Auslass
72
Längsachse
74
Membran, Druckausgleichs-Membran, zweite Manschette
76
Druckausgleichsbohrung
78
Tellermembran
Claims (7)
1. Ventil (12) für eine Kraftfahrzeug-Luftfeder (2) mit
Zusatzvolumen (8),
wobei das Ventil (12) zwischen Luftfedervolumen (4) und Zusatzvolumen (6) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
eine Sterndüse (50) mit folgenden Merkmalen:
wobei das Ventil (12) zwischen Luftfedervolumen (4) und Zusatzvolumen (6) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
eine Sterndüse (50) mit folgenden Merkmalen:
- - Die Sterndüse (50) stellt einen Ventilsitz (38) dar;
- - eine Anzahl von zwei bis sechs sich gegenseitig schneidenden Strahlen nS (52) mit der Länge DS (58) und der Breite sS (56) ist konzentrisch angeordnet;
- - die Sterndüsen-Umfangslänge LUS (64) ist gegenüber der einer Runddüse LUR vergrößert, wobei für den Ventilquerschnitt AVS (46) = Umfangslänge LUS (64) . Sterndüsenhub HS (44) gilt, woraus folgt: HS = AVS/LUS, mit LUS (64) = DS (58) . sS (56) . nS (52);
- - der Durchgangsquerschnitt ADS (46) der Sterndüse (50) (= Ventilquerschnitt AVS, 46) ist so groß, dass er mindestens dem Querschnitt AL (48) von Einlass (68) und Auslass (70) entspricht;
- - auf der Außenseite der Düse (50) ist jeweils zwischen zwei Strahlen (52) ein Tal (66) vorhanden; und
- - die Sterndüse (50) ist in einem Winkel zur Längsachse (72) des, Ventils (12) schräg ausgerichtet.
2. Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
gekennzeichnet durch
eine Sterndüse (50) mit folgenden Merkmalen:
- - die Sterndüse (50) stellt einen Ventilsitz (38) dar;
- - eine Anzahl von zwei bis sechs sich gegenseitig schneidenden Strahlen nS (52) mit der Länge DS (58) und der Breite sS (56) ist konzentrisch angeordnet;
- - die Sterndüsen-Umfangslänge LUS (64) ist gegenüber der einer Runddüse LUR vergrößert, wobei für den Ventilquerschnitt AVS (46) = Umfangslänge LUS (64) . Sterndüsenhub HS (44) gilt, woraus folgt: HS = AVS/LUS, mit LUS (64) = DS (58) . sS (56) . nS (52);
- - der Durchgangsquerschnitt ADS (46) der Sterndüse (50) (= Ventilquerschnitt AVS, 46) ist so groß, dass er mindestens dem Querschnitt AL (48) von Einlass (68) und Auslass (70) entspricht;
- - auf der Außenseite der Düse (50) ist jeweils zwischen zwei Strahlen (52) ein Tal (66) vorhanden; und
- - das Ventil (12) ist mit einer zweiten Manschette (Membran 74) (oder mit zwei zusätzlichen Rollmembranen) versehen, die über eine Verbindungsstange (32) mit der ersten Manschette (Dichtkörper 40) axial in Wirkverbindung steht, wobei die eine Seite der zweiten Manschette (74) mit dem Auslass (70) und die andere Seite über eine Ausgleichsbohrung (76) mit dem Einlass (68) verbunden ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die jeweils zwischen zwei Strahlen (52) angeordneten
Täler (66) einen dreieckigen oder trapezförmigen
Querschnitt aufweisen.
4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dichtkörper (40) des Ventils (12) als Manschette
ausgebildet ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Manschette (Dichtkörper 40) aus elastischem
Werkstoff (z. B. Gummi oder Polyurethan) besteht.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dichtkörper (40) von einem Elektromagneten (14)
antreibbar ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dichtkörper (40) von einem Schrittmotor als
Linearaktuator, Piezo-Stapel-Aktor - auch mit
Wegübersetzer-, Piezo-Biegeelement-Aktor (Torque-Block),
elektromagnetischer Aktor oder als pneumatischer Aktor
antreibbar ist.
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