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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Ventil für von Fluid
durchströmten
Systemen, und insbesondere befaßt
sich die Erfindung mit einem verbesserten Radventil für ein zentrales
Reifenaufblassystem (CTI-System), welches auch als ein fahrzeugeigenes
Aufblassystem und Traktionssystem bezeichnet wird, bei dem der Aufblasdruck
der Fahrzeugreifen ausgehend von einer entfernt liegenden Stelle
vom Fahrzeug bei stehendem oder sich bewegenden Fahrzeug überwacht
und gesteuert werden kann.
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Verschiedene
Arten von System dieser Art wurden bisher vorgeschlagen, mittels
denen auf kontrollierte Weise Fahrzeugreifen während der Fahrt des Fahrzeugs
aufgeblasen und abgelassen werden können. Derartige Systeme umfassen
in typischer Weise eine unter Druck stehende Luftquelle und Steuereinrichtungen
zum selektiven Anheben und Herabsetzen eines vorhandenen Reifendrucks
und zum Überprüfen des
jeweiligen Reifendrucks, so daß der
vorhandene Reifendruck für
jeden Reifen bestimmt werden kann. Selektiv den Druck anheben und
herabsetzen zu können,
ist in Verbindung mit der Optimierung der Fahrzeugbetriebsverhältnisse
bei sich stark ändernden
Bedingungen wünschenswert, welche
Witterungsverhältnisse,
die Fahrzeugbeladung, den Untergrund und die Fahrzeuggeschwindigkeit
umfassen. Auch ist es erwünscht,
daß die
unter Druck stehende Luft in jedem Fahrzeugreifen gegenüber den
restlichen Einrichtungen des Systems isoliert ist, so daß eine Schwierigkeit,
wie das Leckwerden eines Reifens, den Luftdruck in den anderen Reifen
nicht beeinflusst. Ferner ist es in Verbindung mit einer solchen
Reifenisoliermaßnahme
auch erwünscht,
daß ein
von der Luftquelle des Systems kommende Luftleitung für unter
Druck stehende Luft zu einem Fahrzeugreifen im allgemeinen durch
eine feste Achse verläuft,
auf der der Reifen und die zugeordnete Radanordnung drehbar gelagert
sind. Ferner sollte eine Dichtungsanordnung zwischen den feststehenden
und den rotierenden Teilen vorhanden sein. Das den Reifen isolierende
Radventil ist vorzugsweise zwischen der Dichtungsanordnung und dem
Reifen derart vorgesehen, daß die
Dichtungsanordnung nicht dem unter Druck stehenden Luftsystem, abgesehen
von den Arbeitszeiten des Systems, ausgesetzt ist, wenn dieses ein
Aufblasen, ein Ablassen oder eine Druckprüfung vornimmt.
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CTI-Systeme
sind an sich bekannt, und hierzu sei auf die folgenden amerikanischen
Patente hingewiesen:
US-PS
5,253,687 ; 5,174,839; 5,273,064; 4,619,303; 4,754,792;
4,782,879; 4,825,925; 4,860,579; 4877,048; 4,883,105; 4,893,664; 4,898,216;
4,917,163; 4,922,946 und 4,294,926.
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Im
allgemeinen wurden bei üblichen CTI-Systemen
ein pneumatisch gesteuertes Radventil eingesetzt, welches fest an
jeder Fahrzeugradanordnung angebracht ist, um ein Aufblasen/Ablassen des
Reifens in Abhängigkeit
von Druck signalen von einer Luftsteuerschaltung zu bewirken. Die
Luftsteuerschaltung ist mit jedem Radventil über eine rotierende Dichtungsanordnung
verbunden, die dem jeweiligen Radventil zugeordnet ist. Rotierende
Dichtungen werden eingesetzt, die an einer gut geschützten fahrzeugeigenen
Stelle liegen (siehe
US-PS 4,434,833 ,
welche der vorliegenden Patentinhaberin gehört). Derartige rotierende Dichtungen
nutzen Ventile und Leitungen mit einer relativ widerstandsfähigen und
zuverlässigen
Konstruktion, welche an einer geschützten Stelle des Fahrzeugs
oder im Innern des Fahrzeugreifens zum Schutz derselben angeordnet sind.
Radventile isolieren automatisch jene Reifen von dem restlichen
Teil des Systems, welche einen niedrigeren als einen vorbestimmten
minimalen Bezugsdruck haben. Die Ventile arbeiten derart, daß sie einen
Innendruck an die rotierenden Dichtungen während des stationären Betriebszustands
des Systems anlegen.
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Das
Vorstehende wird durch das Vorsehen eines zentralen Reifenaufblassystems
für ein
Fahrzeug erreicht, bei dem eine Radventilanordnung zum Einsatz kommt,
welche ein Radventil und einen Absperrventil für einen niedrigen Reifendruck
an jeder Radendanordnung (üblicherweise
mit einem einzigen Reifen oder einem Zwillingsreifen) aufweist,
wobei die Ventilanordnung mit dem zentralen Steuersystem mittels
einer einzigen Druckleitung oder einer Leitungsanordnung verbunden
ist, die durch eine Drehdichtungsanordnung geht, und wobei die einzige
Druckleitung unter Druck gesetzt wird, um in effektiver Weise die
Verbindung zu dem Fahrzeugreifen zu öffnen und zu schließen, und
um ein Aufblasen und/oder Ablassen des Reifens auf einen gewünschten
Druck zu bewirken. Die Radventilanordnung kann außerhalb
des Reifens oder im Innern des Reifens angeordnet werden, beispielsweise
im Reifenverstärkungsteil
hiervon. Das Absperrventil für
den niedrigen Luftdruck arbeitet derart, daß automatisch der hiermit in
Verbindung stehende Reifen von dem restlichen Teil des zentralen
Reifenaufblassystems isoliert wird, wenn der Aufblasdruck niedriger
als ein vorbestimmter minimaler Bezugswert ist, oder wenn sich das
System in einer inaktiven Betriebsart befindet.
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Die
einzige Druckleitung, die zu der rotierenden Dichtung an der Fahrzeugnabenanordnung führt, ist
mit einer Quelle für
Druckfluid über
eine Mehrzahl von Steuerventilen verbunden, welche derart arbeiten,
daß eine
Verbindung mit dem Reifen geöffnet
wird, um die vorhandene Druckbeaufschlagung zu messen, ein Aufblasen
oder Ablassen des Reifens gegebenenfalls zu bewirken, eine Verbindung
mit dem Reifen von dem zentralen Reifenaufblassystem zu sperren
oder eine Verbindung zu demselben herzustellen, und um die einzige
Druckleitung während
des stationären
Betriebszustands des Reifenaufblassystems zu entlasten, und den
Druck von den rotierenden Dichtungen zu nehmen. Vorzugsweise werden
die Steuerventile, welche gesondert vorgesehen sein können, oder
zu einem einzigen Ventilblock zusammen gefaßt sein können, mittels einer Steuereinrichtung,
vorzugsweise einer Microprozessorsteuereinrichtung, betrieben, welche
den Reifenaufblasdruck, welcher von der Bedienungsperson gewählt ist,
erfaßt,
sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit und den momentanen Druckzustand
der Reifendrücke,
das Fahrzeugluftbremssystem und den Vorratsbehälter für das Aufblassystem erfaßt.
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Obgleich
diese üblichen
CTI-Systeme sich bisher als funktionsfähig erwiesen haben, wurden neue
Anwendungsgebiete für
CTI-Systeme vorgeschlagen, die die Doppelerfordernisse bezüglich von schnellen
Ablassraten und das Vermögen
des Aufblasens der Reifen mit hohen Luftdrücken (75psig und größer) erfüllen. Obgleich
einige übliche
Systeme beide dieser Betriebsanforderungen erfüllen, sind derartige Systeme
unerwünscht
kompliziert, und machen in typischer Weise Mehrfachmembranventile und/oder
ein Entlüften
oder ein Ausleiten am Rad erforderlich. Weniger komplizierte, mit
einem einzigen Membranventil auskommende Systeme ohne Entlüftung oder
Ableitung am Rad konnten bisher vollständig nur eine der beiden Betriebsanforderungen
erfüllen.
Bisherige Einzelmembran-Ventilsysteme konnten schnellere Ablassraten
unter Einsatz eines Radventils mit einer größeren Sitzöffnung ermöglichen, über die größere Luftvolumina abgegeben
werden können.
Die Vergrößerung der
Sitzöffnung
bewirkt, daß größere Druckkräfte auftreten,
welche versuchen, das Radventil offen zu halten, wenn eine Hochdruckabsperrung
erwünscht
ist, so daß man
ein ungünstiges
und weniger genaues Absperrverhalten und einen geringeren maximalen
Reifenaufblasdruck in Kauf nehmen muß.
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Da
die Ablassrate sich exponentiell mit der Druckdifferenz zwischen
dem Reifen und der Umgebungsluft ändert, wird die Ablassrate
beträchtlich langsamer,
wenn sich niedrigere Reifendrücke
einstellen. Um ein relativ schnelles Ablassen bei diesen niedrigeren
Reifendrücken
aufrecht zu erhalten, muß die Öffnung des
Ablassventils einen relativ großen Querschnitt
haben, um den entsprechenden Luftstrom auszuleiten.
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Eine
große
Querschnittsfläche
führt aber
zu großen
Kräften,
wenn der Luftdruck einen hohen Wert annimmt, da die beim Schließen des
Ventils erzeugte Kraft proportional zu der Querschnittsfläche ist.
Insbesondere ist die Kraft im wesentlichen gleich dem Luftdruck
multipliziert mit der Querschnittsfläche. Wenn daher ein Auslassventil,
das eine große Querschnittsfläche hat,
für das
schnelle Ablassen der Reifen erforderlich ist, dann werden große Kräfte erzeugt,
wenn der Auslaß bei
hohen Drücken
abzusperren ist. Wenn man übliche
Ventile einsetzt, haben diese Kräfte
die verfügbare
Schließkraft überschritten,
und das Auslassventil bleibt trotz des Absperrbefehls offen. Somit
ist es also von Bedeutung, wie man ein schnelles Ablassen bei niedrigen
Reifendrücken
erreichen kann, und dennoch die durch den Druck induzierten Kräfte begrenzen
kann, die von dem Radventil bei hohem Druck beherrscht werden müssen.
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Eine
weitere Schwierigkeit bei üblichen
Radventilen ist darin zu sehen, daß sie zur Umgebung oder Atmosphäre hin entlüften. Die
Entlüftung
am Radventil stellt eine Öffnung
bereit, über
die kontaminierende Stoffe, wie Staub und/oder Sand in das Ventil
eingesaugt werden können,
so daß das
Ventil nicht mehr arbeiten kann.
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Somit
ist ein verbessertes Einzelmembranventil erforderlich, das ohne
Ablassen oder Entlüften am
Rad die neuen CTI-Systemanwendungen erfüllen kann, gemäß denen
man sowohl schnelle Ablassraten als auch das Vermögen wünscht, daß man eine zuverlässige Ventilabsperrung
bei hohen Druckwerten vornehmen kann.
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In
DE-A-195 28 451 ist eine Drosseleinrichtung für eine Hydraulikpumpe beschrieben.
Die Drosseleinrichtung weist einen Kolben auf, welcher in Richtung auf
einen Sitz entgegen einer Druckdifferenz vorbelastet ist. Wenn dieser
in Kontakt mit dem Sitz ist, kann eine Strömung durch einen zentralen Durchgang
des Kolbens hindurchgehen. Wenn die Druckdifferenz ausreichend groß ist, um
den Kolben vom Sitz abzurücken,
tritt zusätzlich
zu der Strömung durch
den zentralen Durchgang auch eine Strömung über den Zwischenraum um den
Kolben auf.
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In
FR-A-12 360 014 ist ein Druckkompensator zur Druckentlastung beschrieben.
Der Druckkompensator weist einen Kolben auf, welcher primäre und sekundäre Öffnungen
hat. Der Kolben ist von einem Sitz weg vorbelastet. Wenn die Druckdifferenz am
Kolben gering ist, wird der Kolben von dem Sitz weg bewegt, und
die Strömung
geht durch die primären
und sekundären Öffnungen
und durch einen Zwischenraum um den Kolben. Wenn die Druckdifferenz ausreichend
hoch ist, arbeitet der Kolben mit dem Sitz zusammen, um den Zwischenraum
abzusperren. Ein weiterer Druckanstieg verformt progressiv einen
elastischen Körper,
um die Strömung
durch die sekundären Öffnungen
zu begrenzen.
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Gemäß einem
Aspekt nach der Erfindung wird eine Radventilanordnung zur Einstellung
des Luftdrucks in einem Luftreifen eines Fahrzeugs nach Anspruch
1 bereitgestellt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Einstellen
des Luftdrucks in einem Luftreifen eines Fahrzeugs nach Anspruch
14 bereitgestellt. Bei der Erfindung wird ein Luftstromsteuerventil
vorgesehen, welches eine relativ große Öffnung bei niedrigen Arbeitsdrücken hat.
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Ferner
wird nach der Erfindung ein Luftstromsteuerventil bereitgestellt,
welches eine relativ große Öffnung hat,
die bei jedem beliebigen Betriebsdruck zuverlässig abgesperrt werden kann.
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Ferner
wird nach der Erfindung ein Luststromsteuerventil für ein zentrales
Reifenaufblassystem bereitgestellt, bei dem stromabwärtige Strömungsdrosselungen
erfolgen.
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Ferner
wird nach der Erfindung ein Luftstromsteuerventil bereitgestellt,
welches eine relativ große Öffnung für den Betrieb
bei niedrigen Arbeitsdrücken
und eine relativ kleine Öffnung
für den
Betrieb bei hohen Arbeitsdrücken
hat.
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Gemäß einer
Weiterbildung nach der Erfindung wird ein Luftstromsteuerventil
für ein
zentrales Reifenaufblassystem bereitgestellt, welches eine relativ
große Öffnung für den Betrieb
bei niedrigen Reifendrücken
und eine kleinere Öffnung
für den
Betrieb bei hohen Reifendrücken
hat.
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Ferner
wird nach der Erfindung ein Luftstromsteuerventil für ein zentrales
Reifenaufblassystem bereitgestellt, welches eine relativ große Öffnung für den Betrieb
bei niedrigen Reifendrücken
und eine kleinere Öffnung
für den
Betrieb bei hohen Reifendrücken
hat, ohne daß eine
Entlüftung
nach außen hin
erfolgt.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
einer Radventilanordnung gemäß einer
Ausführungsform
nach der Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Kolbens oder der Strömungsregelanordnung
der Radventilanordnung nach 1 in ihrer
Grundposition.
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3 ist
eine Ansicht der Kolbenanordnung nach 2 zur Verdeutlichung
der geschlossenen Stellung und der Strömungsdrosselstellung.
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4 ist
eine Schnittansicht eines Teils der Kolbenanordnung nach 3 längs der
Linie IV-IV.
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5 ist
eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung eines Beispiels eines
zentralen Reifenaufblassystems für
Fahrzeuge, bei dem die Erfindung vorgesehen ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In
der nachstehenden Beschreibung der Erfindung werden einige Bezeichnung
nur zu Referenzzwecken genommen, und haben keinen beschränkenden
Charakter. Die Bezeichnung "aufwärts", "abwärts", "rechts" und "links" beziehen sich auf
die in der Zeichnung angegebenen Richtungen, wenn auf diese Bezug
genommen wird. Die Bezeichnungen "nach innen" und "nach außen" beziehen sich jeweils auf die Richtungen
in Richtung jeweils auf den geometrischen Mittelpunkt der beschriebenen
Einrichtung hin oder von diesem weg gerichtet. Die Bezeichnungen "aufblasen" und "ablassen" beziehen sich jeweils
auf eine Vergrößerung oder
Herabsetzung der Druckbeaufschlagung des Reifens und dergleichen. Diese
Terminologie umfaßt
insbesondere die zuvor erwähnten
Bezeichnungen und alle hierzu ähnlichen Bezeichnungen.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist eine vergrößerte Schnittansicht
einer Radventilanordnung 10 gezeigt, welche nach der Erfindung
ausgelegt ist. Die Anordnung 10 weist ein Ventilgehäuse 13 auf,
welches einen Gehäusekörper 12 umfaßt, welcher
eine Kolbenbohrung 15 hat, welche darin ausgebildet ist, und
eine Gehäuseabdeckung 14 hat.
Eine Steueröffnung 16 ist
in ständiger
kommunizierender Verbindung mit einer Einlassöffnung 11 (die mit
der Leitung 100 über
eine Ringkammer 82 am Achsgehäuse 86, siehe 5 verbunden
ist). Ferner sind ein Kanal 18, eine Reifen- oder Auslassöffnung 20 und
eine Ventileinrichtung 22 vorgesehen, welche derart arbeitet, daß sowohl
eine Luftverbindung zwischen der Steueröffnung 16 und der
Reifenöffnung 20 hergestellt wird,
oder diese unterbrochen wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform
ist die Ventileinrichtung 22 ein Membranventil, wie dies
zuvor beschrieben worden ist. Der Gehäusekörper 12 und die Gehäuseabdeckung 14 sind
miteinander mittels einer Mehrzahl von Befestigungsmitteln 24 verbunden.
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Eine
Membranventileinrichtung 22 umfaßt eine Federkammer 28,
eine flexible Membrane 26, welche die Federkammer 28 von
der Steueröffnung 16 trennt,
ein starres, becherförmiges
Teil 30, welches in der Federkammer 28 gleitbeweglich
angeordnet ist und mittels einer Feder 32 gegen die Membrane 26 vorbelastet
ist, ein Ventilelement 34, welches von einem zentralen
Teil der Membrane 26 gebildet wird, und einen Ventilsitz 36,
welcher an einem Ende eines Durchgangs 38 angeordnet ist,
welcher mit seinem anderen Ende in kommunizierender Verbindung mit
der Öffnung 20 über einen
Kanal 18 steht. Die Feder 32 belastet das Ventilelement 34 in
eine Schließstellung
oder in eine dicht schließende
Stellung im Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 36 mit einer
so ausreichenden Kraft vor, daß der
Dichtungszustand aufrecht erhalten wird, wenn ein höchster auftretender
Reifendruck vorhanden ist.
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Das
Ventilelement 34 wird in eine Offenstellung entgegen der
Kraft der Feder 32 in Abhängigkeit von einem vorbestimmten,
minimal positiven Luftdruck der Steueröffnung 16 bewegt,
welcher auf eine Membranfläche 26a einwirkt.
Ein solcher Luftdruck kann von irgendeiner geeigneten Luftsteuerschaltung
bereitgestellt werden, welche an sich auf diesem Gebiet bekannt
ist. Auf diese Weise kann ein Auflasen oder Ablassen eines Fahrzeugreifens
bewirkt werden. Wenn der Luftdruck, der auf die Membranfläche 26a wirkt,
größer als
der Luftdruck der Reifenöffnung 20 (und
wenigstens als der vorbestimmte minimale positive Luftdruck zum Öffnen des
Ventilelements 34) ist, dann strömt die Luft in den Reifen,
so daß dieser
aufgeblasen wird. Wenn der Luftdruck, der auf die Membranfläche 26a wirkt,
kleiner als der Reifendruck und der Reifenöffnung 20 (aber wenigstens
gleich dem vorbestimmten oder minimalen positiven Luftdruck zum Öffnen des
Ventilelements 34) ist, dann strömt Luft aus dem Reifen aus,
und der Reifen wird somit abgelassen.
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Die
Membranventileinrichtung 22 umfaßt auch einen Kolben oder eine
Strömungsregulieranordnung 40,
welche in dem Durchgang 38 angeordnet ist. Wie detaillierter
in 2 und 3 gezeigt ist, weist die Kolbenanordnung 40 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
einen Kolben 42 auf, welcher gleitbeweglich in der Kolbenbohrung 15, ausgehend
von einem offenendigen Gehäuse 44,
angeordnet ist, und der von dem Sitz 46 weg mittels eines
federnd nachgiebi gen Teils vorbelastet ist, welches vorzugsweise
von einer Feder 48 gebildet wird. Anschläge 49 sind
im Gehäuse 44 vorgesehen,
um den Bewegungsbereich des Kolbens 42 zu begrenzen. Wie
nachstehend noch näher
beschrieben werden wird, hängt
die Kompressionsgröße der Feder 48 und
somit die Position des Kolbens 42 von der Druckdifferenz
zwischen dem oberen oder dem ersten Abschnitt 42a und dem
Boden oder dem zweiten Abschnitt 42b des Kolbens 42 ab.
Der Kolben 42 hat innenliegende Kanäle oder Durchgänge, welche
darin axial verlaufen, und welche einen primären oder Hauptströmungsdurchgang 52 und
einen sekundären
Strömungsdurchgang 54 umfassen.
Das Fluid kann in jede beliebige Richtung durch diese Strömungsdurchgänge gehen,
wie dies nachstehend noch näher
erläutert
werden wird. 4 zeigt eine Querschnittsansicht
des kolbenähnlichen
Elements 42 längs
der Linie IV-IV in 3, wodurch die Gestalt und die
Auslegung der parallelen Strömungsdurchgänge 52 und 54 bei
bevorzugten, nicht beschränkenden
Ausführungsformen
verdeutlicht werden.
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2 zeigt
die Kolbenanordnung 40 in der Position "mit größer werdendem Durchfluß", wobei die Feder 48 den
vollständig
expandierten Zustand einnimmt, und sowohl die ersten als auch die
zweiten Strömungsdurchgänge 52 und 54 offen
sind. Die Kolbenanordnung 40 wird in eine vollständige Offenstellung
bewegt, in der der Kolben 42 die Anschläge 49 kontaktiert.
Wenn der Reifen mit Luft gefüllt
ist, strömt das
Fluid in Abwärtsrichtung
zum Auffüllen
des Reifens, der Kolben 42 wird in Richtung der Anschläge 49 durch
die Wirkung der Feder 48 bewegt, und sowohl die Strömungsdurchgänge 54 als
auch die primären
oder ersten Strömungsdurchgänge 52 sind durchströmt. 3 zeigt
die Kolbenanordnung 40 in der geschlossenen Position oder
in der Position "mit reduziertem
Durchfluß", wobei die Feder 48 sich
in ihrem vollständig
komprimiertem Zustand befindet, und die zweiten Strömungsdurchgänge 54 im
wesentlichen geschlossen sind.
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Der
obere Abschnitt 42a des Kolbens 42 ist in geeigneter
Weise derart ausgelegt, daß er
zu dem Kolbensitz 46 passt, wenn sich der Kolben 42 an
seiner obersten Stellung seines möglichen Bewegungsweges befindet.
Bei der bevorzugten, nicht beschränkenden Ausführungsform
nach den 1 bis 3 ist die Passzuordnung
des oberen Abschnitts 42a und des Sitzes 46 kegelstumpfförmig gestaltet.
Die Passzuordnung bewirkt, daß die
beiden Strömungsdurchgänge 54 wenigstens
teilweise geschlossen werden, so daß das Fluid im wesentlichen
nur durch die ersten Strömungsdurchgänge 52 strömt, wenn das
Fluid in Aufwärtsrichtung
strömt,
wodurch der Reifendruck in dem CTI-System abgesenkt wird. Die Feder 48 ist
im wesentlichen komprimiert und ermöglicht, daß die Passzuordnung zwischen
dem Abschnitt 42a und dem Kolbensitz 46 immer
dann erreicht wird, wenn der Druck an oder in der Nähe des Bodenabschnitts 42b des
Kolbens 42 den Druck an oder in der Nähe des oberen Abschnitts 42a des
Kolbens 42 um wenigstens eine vorbestimmte Größe überschreitet. Dies bedeutet,
daß ein
solcher Betriebszustand immer dann eingenommen wird, wenn wenigstens
eine vorbestimmte Fluiddruckdifferenz vorhanden ist.
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Der
Wert der vorbestimmten und zuvor erwähnten Fluiddruckdifferenz für eine spezielle
Strömungsregulieranordnung 40 hängt von
vielen Einflußgrößen ab,
welche ohne Beschränkung
die Oberflächenbereiche
und die Auslegungsformen der oberen und unteren Abschnitte 42a und 42b des
Kolbens 42, die Abmessungen der ersten und der zweiten Strömungsdurchgänge 52 und 54 und
das Federungsvermögen
des Federelements 48 umfassen. Diese Charakteristika sind
in den 1 bis 3 nur an Hand einer bevorzugten
Ausführungsform
einer Kolbenanordnung 40 gezeigt. Durch Einstellung dieser
Faktoren kann man geeignete Werte für die vorbestimmte Fluiddruckdifferenz
bei einer gegebenen Situation einstellen, so daß sicher gestellt wird, daß die Stellung
mit vermindertem Durchfluß zu
der gewünschten
Zeit eingenommen wird, um ein geeignetes Absperren zu erreichen.
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Die
geeigneten Abmessungen der ersten und zweiten Strömungsdurchgänge 52 und 54 hängen von
dem Anwendungsgebiet ab. Bei einem Fahrzeug-Reifendrucksystem, dessen Arbeitsweise
im Zusammenhang mit der Erfindung nachstehend näher erläutert wird, sollte der erste
Strömungsdurchgang 52 so
ausreichend klein bemessen sein, daß bei den höchstens zu erwartenden Druckwerten
das Fluidvolumen, das durch diesen strömt, keinen unerwünscht großen Gegendruck
in dem Ventilelement 34 zeugt, wenn die Kolbenanordnung 40 in
der Stellung mit vermindertem Durchfluß ist. Ein übermäßiger Gegendruck hängt von
der Auslegung am Oberflächenbereich
des Ventilselements 34 der Membrane 26 und von
den Ursachen für
die Strömungsbegrenzung,
wie rotierende Dichtungen 78 und 70 (siehe 5)
ab. Die zweiten Strömungsdurchgänge 54 sollten
derart bemessen sein, daß dann,
wenn die Kolbenanordnung 40 in der normalen Stellung mit vergrößertem Durchfluß (siehe 2)
ist, der Strömungsdurchgang
durch die Durchgänge 54 in
Kombination mit dem Strömungsdurchgang
durch den ersten Strömungsdurchgang 52 ein
schnelles Ablassen mit einer gewünschten
Rate ermöglicht,
wenn mittlere bis niedrige Reifendrücke vorhanden sind.
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Der
Kolben 42 umfaßt
vorzugsweise, aber nicht notwendiger Weise einen O-Ring 50,
welcher vorzugsweise aus einem üblichen
Polymermaterial hergestellt ist, welches ein dichtes Zusammenarbeiten
zwischen dem Kolben 42 und den Seiten des Kolbengehäuses 44 ermöglicht,
wobei jeglicher Fluiddurchgang durch die Ventileinrichtung 22 nur
durch den Strömungsdurchgang 52 und "möglicherweise" durch die Strömungsdurchgänge 54 erfolgt.
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Im
Betriebszustand der Radventilanordnung 10 bei einem Fahrzeug-Reifendrucksystem
befindet sich die Kolbenanordnung 40 in der Stellung mit
starker Durchströmung
(wie jene, die in 2 gezeigt ist) während eines
Aufblaszyklusses infolge der Kraft, die durch die Feder 48 erzeugt
wird. Am Ende eines Aufblasvorganges, wenn ein Absperren statt findet, wird
der Luftdruck, welcher auf die Membranoberfläche 26a wirkt, kleiner
als der vorbestimmte minimale positive Luftdruck, welcher erforderlich
ist, um das Ventilelement 34 offen zu halten. In diesem
Absperrzustand hängt
die Position der Kolbenanordnung 40 von dem Druck ab, auf
den der Reifen aufgeblasen worden ist. Wenn die Druckdifferenz infolge
des Luftstroms durch das Ventil 10 hoch genug ist, dann überschreitet
der Druck am Bodenabschnitt 42b des Kolbens 42 den
Druck an dem oberen Abschnitt 42a um wenigstens die vorbestimmte
Größe. Hierdurch wird
bewirkt, daß die
Kolbenanordnung 40 die in 3 gezeigte
Position mit vermindertem Durchfluß einnimmt. In der Position
mit vermindertem Durchfluß kann
das Fluid im wesentlichen nach außen strömen (von der Reifenöffnung 20 zu
der Einlassöffnung)
nur durch den ersten Strömungsdurchgang 52,
wodurch der Gegendruck reduziert wird, der auf das Ventilele ment 34 durch
den relativ hohen Reifendruck wirkt. Hierdurch kann das Ventilelement 34 geschlossen werden,
so daß man
ein verbessertes Absperrverhalten erhält, wodurch man einen vergrößerten spezifischen,
maximalen Reifenaufblasdruck in genauer Weise einhalten kann. Es
sollte noch erwähnt
werden, daß das
Schließen
des Ventilelements 34 bewirkt, daß sich der Druck auf beiden
Seiten des Kolbens 42 mit der Zeit ausgleicht, so daß die Kolbenanordnung 40 gegebenenfalls
die Position mit vergrößertem Durchfluß einnehmen
kann, wie dies in 2 verdeutlicht ist, und zwar
infolge der Kraft, die durch die Feder 48 erzeugt wird.
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Wenn
andererseits der Reifendruck an der Reifenöffnung 20 beim Absperren
zum Aufblasen nicht hoch genug ist, um zu bewirken, daß der Druck am
Bodenabschnitt 42b des Kolbens 42 den Druck am
oberen Abschnitt 42a um wenigstens die vorbestimmte Größe überschreitet,
dann bleibt die Kolbenanordnung 40 in der Position mit
größerem Durchfluß, wie dies
in 2 gezeigt ist. Obgleich das Fluid durch alle Strömungsdurchgänge in dieser
Situation strömen
kann, ist der Gegendruck, welcher auf das Ventilelement 34 wirkt,
relativ gering infolge des niedrigen Reifendrucks, Somit kann das
Ventilelement 34 nach wie vor noch schließen, und
man erhält
ein gutes Absperrverhalten, und das Ventil gestattet, daß man ein
genaues Aufblasen auf spezielle Reifendrücke vornehmen kann.
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Bei
einem Ablassvorgang ist der Luftdruck, welcher auf die Membranfläche 26a wirkt,
kleiner als der Reifendruck der Reifen 25. Somit ist der
Druck am Bodenabschnitt 42b des Kolbens 42 größer als der
Druck an dem oberen Abschnitt 42a. Die Position der Kolbenanordnung 40 hängt davon
ab, ob diese Fluiddruckdifferenz wenigstens gleich der vorbestimmten
Fluiddruckdifferenz der vorstehend beschriebenen Art ist oder nicht.
Am Beginn eines typischen Ablassvorganges und wenn ein hoher Reifendruck
vorhanden ist, ist die Fluiddruckdifferenz größer als die vorbestimmte Fluiddruckdifferenz,
wodurch bewirkt wird, daß die
Kolbeanordnung 40 in die Position mit reduziertem Strömungsdurchgang
nach 3 gelangt. Obgleich diese Position einen geringeren
Beitrag zum Ablassen leistet, da die Strömung gedrosselt wird, hat diese
keinen nennenswerten Einfluß auf
die Ablasszeiten, da die großen
Druckdiffe renzkräfte
die Luft schnell über
den ersten Strömungsdurchgang 52 ausleiten.
Es sollte noch erwähnt
werden, daß die
Reduktion bei der nach außen gerichteten
Strömung
bewirkt durch die Bewegung und die Position mit reduziertem Durchfluß bewirkt, daß die Druckdifferenz über den
vorbestimmten Fluiddruckdifferenzwert ansteigt, wodurch wenigstens ein
temporäres "geöffnet verharren" der Kolbenanordnung 40 in
dieser Position erreicht wird. Wenn jedoch der Ablassvorgang fortgesetzt
wird, könnte eventuell
die Fluiddruckdifferenz niedriger als der zuvor bestimmte Differenzdruckwert
werden, wodurch bewirkt wird, daß die Kolbenanordnung 40 die
Position mit vergrößerter Durchströmung einnimmt,
wie dies in 2 gezeigt ist. In dieser Situation
kann die kleinere Druckdifferenz nicht die Luft mit einer Kraft wie
zuvor ausleiten, da die Durchflußrate exponentiell mit dem
Druck kleiner wird. Der zusätzliche
Strömungsbereich
durch die zweiten Strömungsdurchgänge 54 kompensiert
diese kleinere Druckdifferenz und ermöglicht, daß das Ablassen mit einer vergrößerten Rate
fortgesetzt werden kann.
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Bei
der Beendigung eines Ablassvorgangs erfolgt eine Absperrung, wobei
der auf die Membranfläche 26a wirkende
Luftdruck kleiner als der vorbestimmte, minimale positive Luftdruck
wird, welcher erforderlich ist, um das Ventilelement 34 offen
zu halten. Ähnlich
wie beim Absperren hängt
beim Aufblasen die Position der Kolbenanordnung 40 beim
Absperren wie beim Ablassen von dem Druck ab, auf den der Reifen
abgelassen werden soll. Wenn der Reifendruck an der Reifenöffnung 20 hoch
genug ist, dann überschreitet
der Druck an dem Bodenabschnitt 42b des Kolbens 42 den
Druck an dem oberen Abschnitt 42a um wenigstens die vorbestimmte Größe. Hierdurch
wird bewirkt, daß die
Kolbenanordnung 42 in die Position nach 3 mit
vermindertem Durchfluß gelangt.
In dieser Position mit vermindertem Durchfluß kann das Fluid im wesentlichen
nur durch den ersten Strömungsdurchgang 52 ausströmen, wodurch
der Gegendruck reduziert wird, welcher auf das Ventilelement 34 durch
den relativ hohen Reifendruck wirkt. Hierdurch kann das Ventilelement 34 schließen, und
man erhält
ein verbessertes Absperrverhalten und die Eigenschaft, daß ein Ablassen
auf vorbestimmte Reifendrücke
genau erfolgen kann.
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Wenn
andererseits der Reifendruck an der Reifenöffnung 40 nicht ausreichend
hoch bei der Absperrung beim Ablassen ist, um zu bewirken, daß der Druck
am Bodenabschnitt 42b des Kolbens 42 den Druck
an dem oberen Abschnitt 42a um wenigstens die vorbestimmte
Größe überschreitet,
dann nimmt die Kolbenanordnung 40 die Position mit vergrößertem Durchfluß ein, wie
dies in 2 gezeigt ist. Obgleich das
Fluid durch alle Strömungsdurchgänge in diesem
Zustand strömen
kann, ist der auf das Ventilelement 34 ausgeübte Gegendruck
infolge des niedrigeren Reifendrucks relativ gering. Hierdurch wird ermöglicht,
daß das
Ventilelement 34 wiederum schließt, so daß man ein gutes Absperrverhalten
und die Eigenschaft erhält,
daß man
ein Ablassen auf vorbestimmte Reifendrücke genau vornehmen kann.
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Obgleich
die bevorzugte Ausführungsform nach
der Erfindung derart ausgelegt ist, daß zwei zweite Strömungsdurchgänge 54 in
dem kolbenähnlichen
Teil 42 ausgebildet sind, sollte noch darauf hingewiesen
werden, daß auch
ein einziger derartiger zweiter Strömungsdurchgang oder drei oder
mehrere zweite Strömungsdurchgänge gegebenenfalls
in Betracht kommen. Obgleich die Strömungsdurchgänge 52 und 54 irgendeine
beliebige Gestalt oder Form haben können, und der Kolben 46 und
der obere Abschnitt 42a des Kolbens 42 mit irgendeiner
beliebigen Passzuordnung ausgestaltet sein können, wodurch wenigstens ein
zweiter Strömungsdurchgang
im wesentlichen geschlossen ist, wenn der Kolben 42 einen
oberen möglichen
Bewegungsweg einnimmt, können
die hierfür
vorgesehenen Verhältnisse
im wesentlichen beliebig gewählt
werden. Obgleich ferner bei der bevorzugten Ausführungsform eine Feder 48 vorgesehen
ist, sollte noch darauf hingewiesen werden, daß irgend ein anderes geeignetes,
federnd nachgiebiges Element an Stelle hiervon gegebenenfalls eingesetzt
werden kann.
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Obgleich
der Kolben oder die Strömungsregulieranordnung 40 bei
der bevorzugten Ausführungsform
mit einem einzigen Membranventil verwirklicht ist, kann natürlich die
Strömungsregelanordnung 30 auch
mehrere Membranventile oder andere Bauarten von Strömungsregelventilen
gegebenenfalls umfassen.
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Das
Regelventil und die zugeordnete Durchflussregelanordnung nach der
Erfindung kann bei irgendeinem beliebigen Durchflusssteuersystem
eingesetzt werden, wobei unter Fluid irgend ein Medium zu verstehen
ist, welches im wesentlichen einen gasförmigen oder flüssigen Zustand
haben kann. Die Erfindung wird nachstehend insbesondere unter Bezugnahme
auf Radventile für
Fahrzeugreifen und deren Luftdrucksystemen erläutert, und zwar insbesondere
im Zusammenhang mit Einzelmembran-Radventilen, was aber nur zu Erläuterungszwecken dient.
Aufgrund der generellen Auslegungsform und Funktion derartiger Reifendrucksysteme,
welche an sich bekannt sind, werden die Komponenten dieser Systeme
abgesehen von den Radventilen nicht näher erläutert.
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Die
pneumatischen Komponenten des zentralen Reifenaufblassystems
60 werden
eingesetzt, um den Aufblasdruck eines einzigen Reifens
62 zu steuern,
wie aus
5 zu ersehen ist. Der aufblasbare
Reifen
62 ist an einer Reifennabe
64 angebracht, welche
an der Radnabenanordnung
66 drehbeweglich an einem äußeren Ende
eines Achsgehäuses
68 mit
Hilfe von Lagern
70 gelagert ist. Eine Achswelle (nicht
gezeigt), welche durch übliche
Einrichtungen drehangetrieben ist, wie beispielsweise ein Differential
(nicht gezeigt), erstreckt sich von dem Achsgehäuse
68 weg und umfaßt einen
Flansch (nicht gezeigt), welcher eine Antriebsverbindung von Achswelle
und Radnabe herstellt. Wie detailliert aus
US-PS 4,434,833 zu ersehen ist, welche
ebenfalls der Patentinhaberin gehört, kann eine ringförmige Hülse
74 auf
das Achsgehäuse
an einer Stelle von den Lagern
70 nach innen liegend aufgepresst
sein, und die Radnabe kann nach innen weisend einen hülsenförmingen,
ringförmigen
Flansch
76 bilden, welcher teleskopartig die Hülse
74 umgibt.
Ein Paar von rotierenden Dichtungen
78 und
80 verläuft radial zwischen
dem äußeren Umfang
der Hülse
74 und dem
inneren Umfang des hülsenähnlichen
Flansches
76, um eine ringförmige, dicht geschlossene Kammer
82 dazwischen
zu bilden. Die Hülse
74 ist
mit einem Einlaß
84 und
einem Durchgang
86 versehen, welcher sich zu der Kammer
82 öffnet. Der
hülsenähnliche
Flansch
76 ist mit einem im allgemeinen radial verlaufenden
Durchgang
88 versehen, welcher sich von der dicht geschlossenen,
ringförmigen
Kammer
82 zu der äußeren Durchmesserfläche erstreckt.
Ein einziger Durchgang
90 kann in dem radialen Flanschabschnitt
92 der
Radnabe
66 für
den Durchgang einer Druckleitung vorgesehen sein. Die vorstehen de Konstruktion
ist in
US-PS 4,434,833 beschrieben
und bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Es ist natürlich selbstverständlich,
daß die
Erfindung auch in gleicher Weise bei Radnaben/Achsgehäuseanordnung
eingesetzt werden kann, die auch auf andere Weise ausgestaltet sein
können
(derartige Anordnungen werden auch als "Radendanordnungen" bezeichnet).
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Das
zentrale Reifenaufblassystem 60 kann derart betrachtet
werden, daß es
zwei Komponenten, eine stationäre
Komponente 96, welche fest mit dem Fahrzeugchassis verbunden
ist, und eine drehbare Komponente 98 aufweist, welche drehfest
mit der Radnabe 66 und dem Reifen 62 verbunden
ist. Die stationäre
Komponente 96 ist in Fluidverbindung mit der drehbaren
Komponente 98 mittels einer ringförmigen Kammer 82,
die von den drehbaren Dichtungen 78 und 80 begrenzt
wird. Kurz gesagt, ist die Fluidleitung 100 von der stationären Komponente 96 in fluidleitender
Verbindung mit dem Einlaß 84 des Durchgangs 86,
welcher in der Hülse 74 ausgebildet ist,
während
die Fluidleitung 102, die zu der sich drehenden Komponente 98 führt, in
fluidleitender Verbindung mit dem Durchgang 88 ist, welcher
in dem hülsenähnlichen
Flansch 76 ausgebildet ist, und durch die Öffnung 90 geht,
welche in dem Flansch 92 der Nabe 66 ausgebildet
ist. Zum Schutz der Leitung 102 ist ein Balg oder eine
Buchse 104 vorgesehen, welche in der Öffnung 90 vorgesehen
sein kann, oder die Öffnung 90 kann
durch eine Bohrung in der Radwelle gebildet werden. Natürlich kann
alternativ ein Durchgang in der Nabe 66 vorgesehen sein,
welcher sich zur Außenseite
hin öffnet.
Somit ist zu ersehen, daß für das Anbringen
des Systems 60 an einer Radendanordnung keine Bohrbearbeitungen
des Achsgehäuses 68 erforderlich
sind und nur eine einzige Öffnung 90 durch
den Radialflansch 92 der Radnabe 66 gebohrt zu
werden braucht. Es ist noch zu erwähnen, daß die rotierenden Dichtungen 68 und 80 und die
Leitung 100, die zu der Radendanordnung führt, innerhalb
der Lager 70 an einer relativ geschützten Stelle am Fahrzeug untergebracht
werden können.
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Die
sich drehende Komponente 98 des Systems 60 umfaßt ein Niederdruck-Absperrventil 106, ein
Steuerventil 108, welches mit einer Radventilanordnung 10 nach 1 kombiniert
werden kann, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, und ein
manuelles Aufblas- und Druckprüfventil 60.
Die Radven tilanordnung 10 (das Niederdruckventil 106 und
das Steuerventil 108) können
im Innern des Reifens 62 angeordnet sein.
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Ein
Hauptleitungsabschnitt 112 der Leitung 102 verbindet
die Öffnungen 114 und 116 der
Ventile 106 und 108 jeweils miteinander und mit
der Leitung 100 über
die Kammer 82, während
eine Hauptleitung 118 die Öffnungen 120 und 122 der
Ventile 106 und 108 jeweils miteinander verbindet,
so daß das
manuelle Aufblas- und Prüfventil 110 und
die Innenkammer 124 des aufblasbaren Luftreifens 62 verbunden
sind. Die vorliegende Erfindung kombiniert das Absperrventil 106 mit
dem Steuerventil 108 in einer Radventilanordnung 10,
welche eine Einlaßöffnung 111 und eine
Auslassöffnung 123 hat.
Eine Leitung 126 verbindet die Öffnungen 128 und 130 der
Ventile 106 und 108 jeweils miteinander. Wenn
Zwillingsreifen eingesetzt werden, kann die Hauptleitung 118 stromab
von dem Ventil 110 aufgeteilt sein, und es können manuelle
Absperrventile vorgesehen sein, um die Reifen gegebenenfalls voneinander
hinsichtlich den Luftdruckverhältnissen
zu trennen.
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Der
relativ stationäre
Abschnitt 96 des zentralen Reifenaufblassystems 60 ist
an geeigneten Stellen des Fahrzeugschassis angebracht, vorzugsweise
oberhalb des Zugangsbereichs des Fahrzeugs und ist in Fluidverbindung
mit dem rotierenden Abschnitt 98 mit Hilfe einer einzigen
Leitung 100 und einer einzigen, rotierenden Dichtungskammer 82.
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Der
relativ stationäre
Abschnitt 96 umfaßt eine
Quelle 142 für
Druckfluid, bei dem es sich typischerweise um ein Fahrzeugluft-Kompressorsystem handelt,
oder vorzugsweise um einen Vorratsbehälter für Druckluft, welcher vom Kompressor
gespeist wird. Schwerlastfahrzeuge sind typischerweise mit einem
Luftkompressor für
ein fahrzeugeigenes Druckluftsystem ausgestattet, welches die Luftbremsen,
die Luftübertragungseinrichtungen
und/oder Achsschalteinrichtungen und/oder Steuereinrichtungen, Luftfederung
und dergleichen umfaßt.
Wenn das Fahrzeug nicht anderweitig mit einem Luftsystem ausgestattet
ist, kann ein gesonderter Kompressor und/oder ein gesonderter Vorratsbehälter für das zentrale
Reifenaufblassystem 60 vorgesehen sein.
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Die
Druckfluidquelle liefert Druckluft zu einer geteilten Leitung 144,
welche die Abzweigungen 146 und 148 bilden, die
zu den Einlässen 150 und 152 des
Aufblasventils 154 und des Druckreglers 156 jeweils
führen.
Der Druckregler 156 bildet einen Auslaß 158, welcher mit
einer Leitung 160 verbunden ist, die zu dem Auslaß 142 des
Ablassventils 164 führt.
Der Auslaß 166 des
Aufblasventils 154 und der Einlaß 168 und das Ablassventil 164 sind
jeweils mit einer Hauptleitung 170 verbunden. Die Hauptleitung 170 ist
auch mit dem Einlaß 172 des
Absperrventils 174 verbunden. Das Absperrventil 174 hat
einen Auslaß 166,
welcher mit dem Ausgang verbunden ist. Die Hauptleitung 170 ist
auch mit einer Öffnung 178 für ein Schnellablassventil 180 verbunden.
Ein Druckwandler 186 ist dem Druck in der Leitung 170 mit
Hilfe einer Zweigleitung 188 ausgesetzt.
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Das
Schnellablassventil 180 bildet eine Öffnung 182, welche
mit dem Auslaß verbunden
ist, und eine Öffnung 184,
welche mit der Leitung 100 verbunden ist, die zu der Radendanordnung
führt.
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Der
Druckregler 156 kann auf irgend eine beliebige Weise ausgestaltet
sein, und begrenzt den Druck, welcher durch denselben strömt, und
in die Leitung 160 gelangt, auf einen relativ niedrigen
Druck von etwa 8–18
psi. Ferner umfaßt
der Druckregler 156 eine Auslaßöffnung 190, die zum
Auslaß führt. Somit
ist zu ersehen, daß der
Einlaß 150 zu
dem Auslassventil 154 einen Versorgungsdruck erhält, während der
Auslaß 162 des
Ablasventils 164 in kommunizierender Verbindung mit einem
geregelten Druck von etwa 8–18
psi ist. Wie hieraus zu ersehen ist, regelt der Druckregler 156 das
Schnellablassventil 180 und regelt den minimalen Druck,
auf welchen das System 60 den Reifen 62 abläßt.
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Das
Aufblasventil 154, das Ablaßventil 164 und das
Absperrventil 174 sind jeweils Zwei-Wege-Ventile mit geringem
Durchfluß,
und vorzugsweise handelt es sich um magnetgesteuerte Ventile üblicher
Bauart. Die Ventile 154, 164 und 174 haben
eine erste Position oder eine Schließposition, in der der Fluidstrom
zwischen dem Einlaß und
dem Auslaß gesperrt
ist, und eine zweite Stellung oder Offenstellung, in welcher der
Fluidstrom zwischen den Einlaß- und
Auslaßöffnungen
durchgehen kann. Üblicherweise
sind die Zwei-Wege- Magnetventile 154 und 164 in
die Schließstellung
vorbelastet, während
das Ventil 174 in die Offenstellung vorbelastet ist.
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Wie
zuvor angegeben worden ist, stellt die Erfindung ein verbessertes
Durchflussventil und eine zugeordnete Durchflussregelanordnung bereit.
Insbesondere stellt die Erfindung ein verbessertes Radventil mit
einer einzigen Membrane bereit, welches schnelle Ablassraten ermöglicht und
das Vermögen besitzt,
daß die
Reifen auf hohe Druckwerte aufgeblasen werden können.
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Während die
Erfindung zuvor an Hand von näheren
Einzelheiten beschrieben worden ist, sind natürlich selbstverständlich Modifikationen
und Abänderungen
möglich,
die der Fachmann aus der Beschreibung und dem Verständnis der
Beschreibung entnimmt.