DE10025749C1 - Ventil für eine Kraftfahrzeug-Luftfeder mit Zusatzvolumen - Google Patents

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 A_L = D_L ² . π/4 definiert, so ist bei einem kreisrunden Ventilsitz der offene Ventilquerschnitt mit A_VR = L_UR . H_R = D_R . π . H_R gekennzeichnet. Dies ergibt sich aus der Umfangslänge L_UR und dem Hub H_R. Um keine Einschnürung zu erhalten, müssen beide Querschnittsflächen A_L und A_VR gleich groß sein, so dass sich ergibt H_R = D_R/4. In der Praxis bedeutet dies bei D_L = 20 mm einen Hub H_R 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.

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 n_S mit der Länge D_S und der Breite s_S konzentrisch angeordnet sind, wobei sie sich gegenseitig schneiden. Als Sonderfall ist eine Düse mit n_S = 1 anzusehen, bei welcher es sich um einen langen, schmalen Schlitz handelt. Die Sterndüsen-Umfangslänge L_US ist gegenüber der der Runddüse L_UR vergrößert und somit für den Ventilquerschnitt A_VS = L_US . H_S gilt. Der erforderliche Hub H_S ist bei entsprechender Gestaltung (n_S, D_S, s_S, R_S) der Sterndüse wesentlich kleiner als der Hub H_R der Runddüse. Der Durchgangsquerschnitt A_DS der Sterndüse muss so groß sein, dass er mindestens dem Querschnitt A_L 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 . D_S . S_S . n_S. 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 H_S, 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 H_S, 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 F_LD und F_LM. Wenn Dichtsitz-Fläche Δ_S und Membran- Wirkfläche Δ_W gleich groß sind, dann sind auch die beiden Kräfte F_LD und F_LM 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 Δ_W gleich Δ_S gewählt (durch konstruktive Maßnahmen), so sind auch die beiden Kräfte F_ZVA und F_ZVM 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 Δ_W mit der Lebensdauer ändert. Grund ist die Verlängerung der Membran 78 durch Dauerbeanspruchung. Ebenso ändert sich Δ_W 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 D_W 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.

Bezugszeichenliste

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:

• - Die Sterndüse (50) stellt einen Ventilsitz (38) dar;
• - eine Anzahl von zwei bis sechs sich gegenseitig schneidenden Strahlen n_S (52) mit der Länge D_S (58) und der Breite s_S (56) ist konzentrisch angeordnet;
• - die Sterndüsen-Umfangslänge L_US (64) ist gegenüber der einer Runddüse L_UR vergrößert, wobei für den Ventilquerschnitt A_VS (46) = Umfangslänge L_US (64) . Sterndüsenhub H_S (44) gilt, woraus folgt: H_S = A_VS/L_US, mit L_US (64) = D_S (58) . s_S (56) . n_S (52);
• - der Durchgangsquerschnitt A_DS (46) der Sterndüse (50) (= Ventilquerschnitt A_VS, 46) ist so groß, dass er mindestens dem Querschnitt A_L (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 n_S (52) mit der Länge D_S (58) und der Breite s_S (56) ist konzentrisch angeordnet;
• - die Sterndüsen-Umfangslänge L_US (64) ist gegenüber der einer Runddüse L_UR vergrößert, wobei für den Ventilquerschnitt A_VS (46) = Umfangslänge L_US (64) . Sterndüsenhub H_S (44) gilt, woraus folgt: H_S = A_VS/L_US, mit L_US (64) = D_S (58) . s_S (56) . n_S (52);
• - der Durchgangsquerschnitt A_DS (46) der Sterndüse (50) (= Ventilquerschnitt A_VS, 46) ist so groß, dass er mindestens dem Querschnitt A_L (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.