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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft pneumatische Stromregelventile und
insbesondere Einlass-/Auslassventile, die dazu verwendet werden, das
Leiten des pneumatischen Fluids zu unterstützen.
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Einlass-/Auslassventile
werden herkömmlicherweise
als Tellerventile in pneumatischen Steuerventilen zum Leiten von
pneumatischem Fluid verwendet. Herkömmliche Einlass-/Auslassventile
weisen Gummi- oder geklebte Gleitringdichtungsausführungen
auf, die einen Gummisitz zum Berühren
der Aufsetzfläche
verwenden und eine angemessene Dichtung bereitstellen. Bei diesen
Ausführungen
wird im Allgemeinen ein teures Klebverfahren verwendet, um den Gummisitz
am Einlass-/Auslassventil
zu befestigen. Klebverfahren können
unzuverlässig
sein und die Klebverbindungsqualität kann nur durch Zerstörungsanalyse überprüft werden.
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Leckage-
und Leistungsschwankungen aufgrund von Temperaturänderungen,
Verunreinigung und/oder Beschädigung
des Gummisitzes sind bei diesen Gleitringdichtungsausführungen
für die
Einlass-/Auslassventile
typisch. Des Weiteren sind die Strömungseigenschaften dieser Ausführungen
unter anderem aufgrund von flachen Sitzen und scharfen Kurven des
Luftstroms allgemein turbulent. Durch diese Turbulenzen wird der
Luftstrom durch das Ventil verlangsamt.
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Die
herkömmlichen
Ausführungen
erfordern in der Regel eine enge Führung, um zu gewährleisten,
dass die Passteile genau sitzen, um Leckage auf ein Minimum zu verringern.
Des Weiteren weisen die Gummisitzausführungen aufgrund der Komprimierung
des Gummisitzes und der Notwendigkeit seiner Dekomprimierung vor
dem vollständigen Öffnen eine inhärente Hysterese
auf.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung offenbart ein Ventil zur Verwendung in einem
Druckluftbremssystem mit einem Gehäuse, das mindestens eine Versorgungsöffnung,
eine Steueröffnung,
eine Zufuhröffnung
und eine Auslassöffnung
zur Strömung
des pneumatischen Fluids dadurch aufweist. Ein Kolben im Gehäuse reagiert
auf Druck von einem pneumatischen Steuerfluid, der zur Verbindung
mit dem Einlass-/Auslass-Tellerventil über die Steueröffnung angelegt
wird, um die Versorgungsöffnung,
die Zufuhröffnung
und die Auslassöffnung
gezielt zu öffnen
und zu schließen.
Das Einlass-/Auslassventil weist einen zylindrischen Teil mit einem
sich dadurch erstreckenden Hohlraum auf, der einen Innendurchmesser
und einen Außendurchmesser
bereitstellt. Ein erster Ventilsitz ist an einem ersten Ende des
zylindrischen Teils am Außendurchmesser
ausgebildet und weist eine abgerundete Aufsetzfläche, vorzugsweise eine kugelförmige und
besonders bevorzugt eine konvexe Fläche auf. Das Einlass-/Auslassventil
weist am Innendurchmesser des zylindrischen Teils einen zweiten
Ventilsitz mit einer abgerundeten Aufsetzfläche, vorzugsweise einer kugelförmigen und
besonders bevorzugt einer konkaven Fläche auf. Die Einlass-/Auslassventilsitze
sind zur Selbstausrichtung auf entsprechende Aufsetzflächen, mit
denen sie in Eingriff gelangen, abgerundet.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen pneumatischen Steuerventils
mit einem Einlass-/Auslassventil;
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Einlass-/Auslassventils gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine vergrößerte und
getrennte Ansicht des Einlass-/Auslassventils nach 2;
und
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4 ist
eine vergrößerte Teilansicht
des Einlass-/Auslassventils nach 3.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf ein Luftbremssystem beschrieben,
wie es zum Beispiel für
Schwerfahrzeuge verwendet wird. Obgleich die Erfindung für diese
Verwendung eingesetzt werden kann, ist sie nicht auf die hier beschriebenen
besonderen Ausführungsformen
beschränkt,
und die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsformen können wie
von anderen Anwendungen gerechtfertigt modifiziert werden, ohne
vom Gedanken oder Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Obgleich zum
Beispiel eine sich auf Druckluftbremsen beziehende bevorzugte Ausführungsform
im Einzelnen dargestellt wird, kann die vorliegende Erfindung in
einem beliebigen System zum Leiten eines Fluids durch verschiedene
Strömungswege
verwendet werden. Der Begriff „oder", wie er hier verwendet
wird, ist hier als ,einschließlich' und nicht ,ausschließlich' zu verstehen, siehe
BRYAN A. GARNER, A DICTIONARY OF MODERN LEGAL USAGE 624 (2. Ausgabe, 1995).
Der Begriff „pneumatisches
Fluid", wie er hier verwendet
wird, bedeutet die Verwendung eines Gases oder einer Flüssigkeit
oder diese betreffend. Das bevorzugte pneumatische Fluid ist Luft.
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In 1 wird
ein herkömmliches
pneumatisches Steuerventil 10 der in einem Luftbremssystem für Schwerfahrzeuge
verwendeten Art gezeigt. Das pneumatische Steuerventil 10 weist
ein Gehäuse 12 auf,
das eine Versorgungsöffnung 14,
eine Auslassöffnung 16,
eine Zufuhröffnung 18 und
eine Steueröffnung 20 enthält. Ein
Steuersignal wird durch die Steueröffnung 20 übertragen
und wirkt dahingehend auf einen Kolben 30, sich gegen die
durch das pneumatische Fluid in der Zufuhröffnung 18 ausgeübte Kraft
nach unten zu bewegen (wie in 1 dargestellt – die tatsächliche
Richtung hängt
von der vom Benutzer gewählten
bestimmten Ventilkonfiguration ab). Es kann eine Differentialfeder 32 installiert
sein, wenn zum Beispiel zwischen dem Druck des Fluids der Steueröffnung 20 und
dem Druck des Fluids der Zufuhröffnung 18 ein
zusätzlicher
Differentialdruck erwünscht
ist. Wenn keine Differentialfeder 32 vorhanden ist, dann
bestimmt das Kräftegleichgewicht um
den Kolben 30 herum bezüglich
der durch die Steueröffnung 20 und
der Zufuhröffnung 18 ausgeübten Drücke die
Bewegung und die Position des Kolbens 30. Für diese
Besprechung wird angenommen, dass die Differentialfeder 32 vorgesehen
ist, und der Schutzbereich und der Gedanke der Erfindung werden
durch das Vorsehen oder Fehlen der Differentialfeder 32 nicht
geändert.
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Das
Steuersignal kann durch Niederdrücken eines
(nicht gezeigten) Bremspedals aktiviert werden und wird im Allgemeinen über ein
pneumatisches Steuerfluid übertragen,
bei dem es sich gegebenenfalls um das gleiche Fluid wie das pneumatische
Fluid, für
das das pneumatische Steuerventil zur Bereitstellung von Regelung
ausgeführt
ist, handeln kann. Dadurch wird ein Auslasssitz 34 in Eingriff
mit einem Einlass-/Auslassventil 40 gedrückt.
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Das
Einlass-/Auslassventil 40 enthält eine radiale Schulter 42,
auf die ein Gummisitz 44 geklebt ist. Der Eingriff zwischen
dem Auslasssitz 34 und dem Gummisitz 44 schließt eine
Verbindung zwischen der Zufuhröffnung 18 und
der Auslassöffnung 16 aus.
Durch eine weitere Bewegung des Kolbens 30 nach unten wird
der Gummisitz 44 des Einlass-/Auslassventils 40 von
einem zugehörigen
Sitz 46 am Gehäuse 12 bewegt
und bildet eine Verbindung zwischen der Versorgungsöffnung 14 und
der Zufuhröffnung 18.
Wenn dieser Strömungsweg
geöffnet
ist, wird dem Bremszylinder oder einer anderen pneumatischen Last
durch die Zufuhröffnung 18 pneumatisches
Fluid zugeführt.
Bei Abgabe des Steuersignals über
die Steueröffnung 20 üben die Rückstellfeder 32 (und
das pneumatische Fluid in der Zufuhröffnung 18) eine Kraft
auf den Kolben 30 aus, die ihn in eine Aufwärtsrichtung
bewegt und es dem Gummisitz 44 gestattet, den zugehörigen Sitz 46 wieder
zu berühren,
wodurch der Strömungsweg
des pneumatischen Fluids von der Versorgungsöffnung 14 zur Zufuhröffnung 18 unterbrochen
wird. Durch eine weitere Bewegung des Kolbens 30 in eine
Aufwärtsrichtung
als Reaktion auf die Änderung
des Kräftegleichgewichts
unter Verringerung des Steuerdrucks wird der Auslasssitz 34 vom
Gummisitz 44 außer
Eingriff gebracht und öffnet
einen Strömungsweg zwischen
der Zufuhröffnung 18 und
der Auslassöffnung 16,
so dass pneumatisches Fluid durch die Auslassöffnung 16 abgelassen
wird.
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2 zeigt
ein Einlass-/Auslassventil 50 gemäß der vorliegenden Erfindung,
das allgemein zylindrisch ist und in dem ein mittlerer Durchgang 52 ausgebildet
ist. Eine sich radial erstreckende Schulter 54 ist an einem
Ende vorgesehen und weist eine Fläche 56 auf, die durch
eine Vorbelastungsfeder 58 in Eingriff genommen wird, um
das Einlass-/Auslassventil 50 und insbesondere einen ersten
oder Einlasssitz 60 zu einer ersten Aufsetzfläche 61 am
Ventilgehäuse 64 zu
drücken.
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Der
erste oder Einlasssitz 60 des Einlass-/Auslassventils 50 ist
abgerundet, vorzugsweise allgemein sphäroidisch und besonders bevorzugt eine
konvexe Fläche.
Die erste Aufsetzfläche 61 ist
in der Regel abgerundet, und der abgerundete erste oder Einlasssitz 60 sitzt
abdichtend auf der abgerundeten ersten Aufsetzfläche 61 auf.
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Wenn
pneumatischer Steuerdruck über
die Steueröffnung 90 am
Kolben 80 angelegt wird, bewegt sich der Kolben 80 und
nimmt das Einlass-/Auslassventil 50 an einem Auslasssitz 62 in
Eingriff, der am Innendurchmesser des Einlass-/Auslassventils 50 an
der zweiten Aufsetzfläche 72 vorgesehen
ist. Die zweite Aufsetzfläche 72,
die den Auslasssitz 62 in Eingriff nimmt, ist in der Regel
abgerundet und vorzugsweise kugelförmig, und die abgerundete zweite Aufsetzfläche 72 nimmt
den abgerundeten Auslasssitz 62 abdichtend in Eingriff,
um den Strömungsweg des
pneumatischen Fluids zwischen der Zufuhröffnung 88 und der
Auslassöffnung 86 zu
unterbrechen.
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Bei
weiterem Anlegen des pneumatischen Steuerdrucks an die Fläche des
Kolbens 80 bewegt der Kolben 80 das Einlass-/Auslassventil 50 in
einer Aufwärtsrichtung
gegen die Vorbelastungskraft der Vorbelastungsfeder 58,
wobei die Kraft des pneumatischen Fluids auf das Einlass-/Auslassventil 50 wirkt (nach
der Darstellung in 2 nach oben – die tatsächliche Richtung hängt von
der vom Benutzer gewählten
bestimmten Ventilkonfiguration ab). Dies stellt einen Strömungsweg
zwischen der Versorgungsöffnung 84 und
der Zufuhröffnung 88 bereit,
so dass das pneumatische Fluid dort hindurch strömen kann.
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Bei
Abgabe des Steuerdrucksignals von der Steueröffnung 90 an den Kolben 80 übt die Vorbelastungsfeder 58 eine
Kraft gegen die Fläche 56 aus, und
der auf die gegenüberliegende
Seite des Kolbens 80 wirkende Austrittsdruck bewegt das
Einlass-/Auslassventil 50 und den Kolben 80 in
einer Abwärtsrichtung,
so dass der Einlasssitz 60 wieder die erste Aufsetzfläche 61 in
Eingriff nimmt, wodurch der Strömungsweg
zwischen der Versorgungsöffnung 84 und
der Zufuhröffnung 88 unterbrochen
wird. Der Druck von der Zufuhröffnung 88 (und
einer Differentialfeder, falls vorhanden) übt weiter eine Abwärtskraft auf
den Kolben 80 aus, so dass die zweite Aufsetzfläche 72 außer Eingriff
vom Auslasssitz 62 gelangt, wodurch zwischen der Zufuhröffnung 88 und
der Auslassöffnung 86 ein
Strömungsweg
bereitgestellt wird.
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Wie
bei einer in den 2, 3 und 4 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
gezeigt, sind der erste oder der Einlasssitz 60 und der
zweite oder der Auslasssitz 62 am gleichen Ende des Einlass-/Auslassventils 50 vorgesehen.
Bei anderen Konfigurationen kann in Abhängigkeit von der Konfiguration
des Rests der pneumatischen Steuerventilanordnung entweder der Einlasssitz 60 oder
der Auslasssitz 62 am gegenüberliegenden Ende des Einlass-/Auslassventils 50 vorgesehen
sein. Bei anderen Konfigurationen können sich die Sitze 60, 62 in einer
beliebigen Position entlang dem Zylinder befinden, je nachdem, wie
vom Benutzer bevorzugt und in Abhängigkeit von den Umständen der
bestimmten Anwendung, einschließlich
der besonderen Konfigurationen der pneumatischen Steuerventilanordnung. Wie
in 3 gezeigt, ist der erste oder Einlasssitz 60 vorzugsweise
abgerundet, allgemein kugelförmig und
konvexer Form. Der zweite oder Auslasssitz 62 ist vorzugsweise
abgerundet, allgemein kugelförmig mit
konkaver Form.
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4 zeigt
den Eingriff zwischen dem abgerundeten Einlasssitz 60 und
der abgerundeten ersten Aufsetzfläche 61 sowie den Eingriff
zwischen dem abgerundeten Auslasssitz 62 und der abgerundeten zweiten
Aufsetzfläche 72 des
Kolbens 80. Wenn sich der Kolben 80 weiter abwärts bewegt,
wird, wie in 4 dargestellt, der Dichtungssitz
zwischen dem Einlasssitz 60 und der ersten Aufsetzfläche 61 unterbrochen,
wodurch dort hindurch ein Strömungsweg bereitgestellt
wird. Wenn sich der Kolben 80 in einer Aufwärtsrichtung
in 4 bewegt, dann wird der Dichtungssitz zwischen
dem abgerundeten Auslasssitz 62 und der abgerundeten zweiten
Aufsetzfläche 72 unterbrochen,
wodurch dort hindurch ein Strömungsweg
bereitgestellt wird.
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Die
abgerundeten Konfigurationen des Einlasssitzes 60 und des
Auslasssitzes 62 gestatten eine Selbstausrichtung dieser
Sitze auf ihre jeweiligen Aufsetzflächen 61, 72.
Es ist keine zusätzliche Führung erforderlich,
um zu gewährleisten,
dass die Sitze 60, 62 die Aufsetzflächen 61, 72 abdichtend
in Eingriff nehmen, weil der abgerundete Teil der Sitze 60, 62 einen
Selbstausrichtungseingriff der abgerundeten Aufsetzflächen 61, 72 ohne
das Erfordernis zusätzlicher
Führungen
gestattet. Diese abgerundeten Konfigurationen gewährleisten
eine Sitzabdichtung mit einer Linienkontaktdichtung, wenn die Teile
nicht ganz genau ausgerichtet sind, was zu einer gleichmäßigeren
Einheitslast führt.
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Bei
dem Einlass-/Auslassventil 50 handelt es sich vorzugsweise
um ein einziges Teil, das besonders bevorzugt aus Kunststoff hergestellt
ist, es kommen aber in Abhängigkeit
von den Umständen
für jede
bestimmte Ventilanordnung auch andere Konfigurationen in Betracht.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Einlass-/Auslassventils 50 ist Formen,
wie zum Beispiel Spritzgießen
des Kunststoffteils. Das Einlass-/Auslassventil 50 kann
auch aus anderen Materialen, seien sie metallisch oder nicht metallisch,
hergestellt sein und kann auch so ausgeführt sein, dass die Aufsetzflächen oder
die Schulter 54 aus einem anderen Material als der Körper des
Einlass-/Auslassventils 50 hergestellt ist. Durch Verzicht
auf den Gummisitz 44 vom herkömmlichen Einlass-/Auslassventil,
wie in 1 gezeigt, wird Hysterese durch Komprimierung
des Gummisitzes 44 verringert und die Kalttemperaturleistung
gegenüber
den herkömmlichen
flachen Gummisitzventilen verbessert. Darüber hinaus ermöglicht die
Verwendung eines einstückigen
Kunststoffeinlass-/-auslassventils einem Benutzer, einen Kunststoff
auszuwählen,
der gegenüber
der Verwendung eines Gummisitzes 44 eine verbesserte chemische
Beständigkeit
aufweist, wodurch die Lebensdauer des Teils für jene Anwendungen, die eine
verbesserte chemische Beständigkeit
erfordern, verlängert
wird.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung durch die obige Beschreibung von Ausführungsformen
dargestellt worden ist und die Ausführungsformen detailliert beschrieben
worden sind, soll der Schutzbereich der Erfindung durch solche Details
nicht eingeschränkt
oder auf irgendeine Weise begrenzt werden. Für den Fachmann liegen zusätzliche
Vorteile und Modifikationen auf der Hand. Deshalb ist die Erfindung
gemäß ihren
allgemeineren Aspekten nicht auf die bestimmten Details, die beispielhafte
Vorrichtung und die beispielhaften Verfahren und Veranschaulichungsbeispiele,
die gezeigt oder beschrieben sind, beschränkt. Demgemäß kann von solchen Details
abgewichen werden, ohne vom Gedanken oder Schutzbereich des allgemeinen
oder Erfindungskonzepts der Anmelder abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Es
wird ein Einlass-/Auslassventil, das einen zylindrischen Teil (50)
mit einem dadurch ausgebildeten Hohlraum zur Verwendung in einem
pneumatischen Steuerventil aufweist, offenbart. Das Einlass-/Auslassventil
weist mindestens zwei Sitze (60, 62) auf, von
denen sich einer an einem Innendurchmesser des zylindrischen Teils
(50) und der andere (60) an einem Außendurchmesser
des zylindrischen Teils befindet. Beide Sitze sind zum selbstausgerichteten
Aufsetzen auf entsprechende Aufsetzflächen (61, 72)
abgerundet.