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Umschaltventil für Druckluftbremsen, insbesondere an Schienenfahrzeugen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Umschaltventil für Druckluftbremsen, insbesondere für Schienenfahrzeuge mit einem Druckluft-Kraftschalter, der durch dieses in Abhängigkeit von der Fahrzeugbelastung gesteuerte Ventil mit Druckluft aus der Bremsanlage gefüllt bzw. wieder entleert wird, um die Bremse durch einen vom Kraftschalter betätigten Umstellmechanismus je nach der Fahrzeugbelastung auf höhere oder geringere Bremskraft einzustellen. Das durch die Erfindung zu lösende Problem ist, eine einfache und in befriedigender Weise wirkende Ausbildung der Ventilvorrichtung zu schaffen, bei der die überwachte Füllung und die Entleerung des Kraftschalters, abweichend von dem Vorschlag in der österr.
Patentschrift Nr. 164139, nicht von einer Stelle des Bremssystems aus erfolgt, die bei Beginn des Bremsens unter Druck gesetzt und beim Bremslösen wieder drucklos wird, sondern der Kraftschalter an eine stets unter Druck stehende Stelle des Bremssystems angeschlossen ist und die in Abhängigkeit von der Fahrzeugbelastung gesteuerte Ventilvorrichtung sowohl die Entleerung wie die Füllung des Kraftschalters überwachen muss. Solche Fälle ergeben sich, wenn das Druckluftbremssystem infolge seiner Ausrüstung mit einem der neuzeitlichen Steuerventile nicht mehr eine leicht zugängliche Stelle aufweist, die bei Beginn des Bremsens unter Druck gesetzt und beim Bremslösen wieder drucklos wird. Es ist dann vorzuziehen, die in den Kraftschalter zu füllende Druckluft z.
B. aus dem Hilfsluftbehälter des Druckluftbremssystems zu entnehmen, obgleich dies die in der österr. Patentschrift Nr. 164139 vorgeschlagene Verwendung eines einfachen Rückschlagventils für die Entleerung des Kraftschalters nicht mehr gestattet, sondern zu einer Ausbildung der in Abhängigkeit von der Fahrzeugbelastung gesteuerten Ventilvorrichtung als Dreiwegeventil führt.
Die Steuerung dieses Dreiwegeventils in Abhängigkeit von der Fahrzeugbelastung soll in bekannter Weise durch einen Hebel erfolgen, der von einem Anteil des auf den Tragfedern des Fahrzeuges ruhenden Fahrzeuggewichtes in der einen und von Federkraft in der andern Richtung beaufschlagt wird, beim Überschreiten einer gewissen Fahrzeugbelastung das Ventil in eine von zwei Endlagen bewegt und beim Überschreiten dieser Fahrzeugbelastung das Ventil die andere Endlage einnehmen lässt. In der erstgenannten Lage soll das Ventil den Kraftschalter mit der Druckluftquelle und in der andern Lage mit der Aussenluft verbinden.
Das durch die Erfindung zu lösende Problem ist unter anderem die Schaffung eines in obgenannter Weise angeordneten und gesteuerten Dreiwegeventils, das in jeder der beiden Stellungen, die es nach Massgabe der jeweiligen statischen Fahrzeugbelastung jeweils einnimmt, verharrt, ohne unter der Einwirkung der während der Fahrt des Fahrzeuges zwischen Rad und Schiene sowie zwischen Fahrzeuguntergestell und Rad auftretenden dynamischen Kräfte in betriebsstörender Weise hin und zurück umgestellt zu werden und in seiner Stellung auch dann bleibt, wenn sich die statische Fahrzeugbelastung in der Nähe der Grösse befindet, bei deren Überschreiten oder Unterschreiten sich das Ventil umzustellen hat.
Dieses Ziel lässt sich erreichen, wenn erfindungsgemäss das Umschaltventil als ein zwischen zwei Endlagen umstellbares Dreiwegeventil ausgebildet ist, welches in seinem Gehäuse zwei zwischen den beiden Endlagen bewegliche, je einen der Wege zwischen Kraftschalter und Aussenluft und zwischen Druckluftquelle und Kraftschalter überwachende, mit dem Ventilgehäuse durch je eine Membran verbundene Ventilkörper enthält, die in der einen Umstellrichtung durch die Kraft von ihnen im Ventilgehäuse zugeordneten Federn beaufschlagt, in der andern Umstellrichtung durch eine sich mit der Fahrzeugbelastung ändernde Kraft zu beaufschlagen und zusammen mit den ihnen zugeordneten Membranen durch die Druckluft derart beaufschlagbar ausgebildet und im Ventilgehäuse angeordnet sind,
dass jede durch die Änderung der Stellung der Ventilkörper zueinander und zum Gehäuse bedingte Änderung der druckluftbeaufschlagten Flächen den die Umstellung bewirkenden Überschuss an Umstellkraft in der jeweiligen Umstellrichtung vermehrt.
Die Erfindung ist an Hand einer bevorzugten Ausführungsform im folgenden näher beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt ist. In dieser zeigt Fig. l eine Ansicht der Anordnung des Ventils und seiner Steuerung, und Fig. 2 und 3 je einen Längsschnitt des Ventils in der einen bzw. andern seiner beiden Endlagen.
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Das Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse 1 mit Anschlüssen 2 und 3. Der obere Anschluss 2, steht mit dem nicht gezeigten Kraftschalter und der untere Anschluss 3, mit der ebenfalls nicht gezeigten Druck- luftquelle in Verbindung. Durch den halsförmig ausgebildeten oberen Teil des Gehäuses erstreckt sich ein verschiebbarer Ventilstössel 4, auf dessen aus dem Hals heraustretendem, oberen Ende ein Kopf 5 befestigt ist. Der Ventilstössel 4 hat an seinem unteren Ende eine Erweiterung 6, die in einer durchgehenden
Bohrung in einem von unten in das Ventilgehäuse eingesetzten, zylindrischen Einsatz 7 bewegbar ist und am Umfang ihrer unteren Stirnfläche einen ringförmigen, schneidenartig vorstehenden Rand 8 auf- weist.
Zwischen dem Kopf 5 des Ventilstössels 4 und dem Gehäuse 1 ist eine im halsförmigen oberen
Teil des Gehäuses untergebrachte Druckfeder 9 eingespannt, welche den Ventilstössel in der in Fig. 2 gezeigten, oberen Endlage zu halten sucht, die durch einen mit einem Ansatz 10 im Gehäuse 1 zusammen- wirkenden Anschlagflansch 11 an dem Ventilstössel bestimmt ist. Die Bohrung des Einsatzes 7 ist an ihrem oberen Ende durch eine unter dem Anschlagflansch 11 dicht den Ventilstössel 4 umschliessende und an ihrem äusseren Umfang zwischen dem Einsatz 7 und dem Gehäuse 1 eingespannte Membran 12 abge- schlossen. Der untere Endteil der Bohrung ist erweitert und unten durch eine Membran 13 abgeschlossen.
Diese Membran 13 ist an ihrem äusseren Umfang zwischen dem Einsatz 7 und einem darunter in das Ge- häuse eingesetzten Bodenstück 14 eingespannt und umschliesst dicht einen in der Erweiterung der Bohrung des Einsatzes 7 beweglichen Ventilkörper 15. Dieser Ventilkörper ist mit einer Durchbohrung 16 versehen, die durch eine verhältnismässig enge, als Drossel ausgebildete Öffnung 14 a im Bodenstück 14 mit der
Aussenluft in Verbindung steht. Die Erweiterung 6 dient als Ventilkörper zum Abschliessen der Durch- bohrung 16 und wirkt zu diesem Zwecke durch den Rand 8 mit der aus Gummi od. dgl. bestehenden oberen
Stirnfläche des Ventilkörpers 15 zusammen.
Wenn diese obere Stirnfläche an einem ringförmigen, schneiden- artig vorstehenden Rand 17 am Innenrand der oberen Stirnwand der Erweiterung im Einsatz 7 anliegt, ist der untere Teil der Bohrung im Einsatz 7 von deren oberem Teil abgeschlossen. Eine zwischen dem Bodenstück 14 und dem Ventilkörper 15 eingesetzte Druckfeder 18 drückt den Ventilkörper 15 mit seiner oberen Stirnfläche zur Anlage gegen den Rand 17. Der Einsatz 7 ist an seiner äusseren Mantelfläche mit zwei Ringnuten 19, 20 versehen, von denen die eine, 19, mit dem Anschluss 2, die andere, 20, mit dem Anschluss 3 in Verbindung steht. Zur Abdichtung des Einsatzes 7 im Gehäuse 1 zwischen den Ringnuten 19 und 20 dient ein in eine dazwischenliegende Ringnut eingelegter O-Ring 21.
Die Ringnut 19 steht mit dem zwischen der Membran 12 und der Erweiterung 6 des Ventilstössels 4 befindlichen Teil, die Ringnut 20 mit dem den Ventilkörper 15 enthaltenden, erweiterten unteren Teil der Bohrung des Einsatzes 7 in Verbindung.
Gemäss der in Fig. l gezeigten Anordnung und Steuerung des Ventils ist das Ventilgehäuse 1 mit seinem unteren Ende in einem am einen Längsträger des Fahrzeuguntergestells befestigten Tragglied 22 angebracht, an welchem ein Steuerhebel 23 gelagert ist. Der Steuerhebel 23 ist in bekannter Weise über ein Gestänge mit einem Anteil des auf den Tragfedern des Fahrzeuges aufruhenden Gewichtes belastet.
Unter dieser Belastung stützt sich der Steuerhebel in bekannter Weise gegen das aufragende Ende der Kolbenstangen eines von einer vorgespannten Druckfeder unterstützten Kolbens im Zylinder 24 einer zur Dämpfung der Bewegung des Steuerhebels dienenden Flüssigkeitsbremse. Der Zylinder 24 ist zweckmässig in bekannter Weise mit dem Tragglied 22 einstückig ausgebildet.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Umschaltventils ist die folgende :
Wenn das Fahrzeug so weit beladen worden ist, dass der auf den Steuerhebel 23 übertragene Anteil des Tragfederdruckes ausreicht, um die Kraft der Druckfeder im Zylinder 24 zu überwinden, bewegt sich bei zunehmender Fahrzeugbelastung der Steuerhebel 23 nach unten, legt sich gegen den Kopf 5 an und drückt diesen schliesslich zur Anlage gegen das obere Ende des Gehäuses 1. Wenn das Fahrzeug unbeladen ist oder die Fahrzeugbelastung noch nicht ausreicht, um den Kopf 5 durch den Steuerhebel23 niederzudrücken, steht das Ventil in der in Fig. 2 gezeigten oberen Endstellung, in welcher der Kraftschalter entleert und die Bremse auf die niedrigere Bremskraftstufe eingestellt ist. Druckluft von z. B.
5 atü (dem für Druckluftbremsen normalen Betriebsdruck) befindet sich im Anschluss 3 und in dem durch die Membran 13 nach unten abgeschlossenen Raum. Die Druckluft wirkt einerseits auf die von dem ringförmigen Rand 17 umschriebene Kreisfläche und drückt den Ventilkörper 15 nach oben, anderseits auf die Druckfläche der Membran 13 und drückt dabei den Ventilkörper nach unten. Diese beiden einander entgegenwirkenden und den beaufschlagten Flächen proportionalen Kräfte sind von annähernd derselben
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jedoch so gross bemessen, dass die Wirkung der Feder 18 ein wenig unterstützt wird.
Der obere Anschluss 2, mit welchem der Kraftschalter verbunden ist, steht mit der Aussenluft über den Spielraum zwischen der Erweiterung 6 des Ventilstössels 4 und der Wandung der Bohrung im Einsatz 7 und über die Bohrung 16 des Ventilkörpers 15 und die enge Öffnung 14 a im Bodenstück 14 in Verbindung. Die Feder 9 drückt den Ventilstössel 4 aufwärts.
Wenn das Fahrzeug so weit beladen ist, dass die Kraft der Feder im Zylinder 24 überwunden wird, beginnt der Steuerhebel 23 sich nach unten zu bewegen und gegen den Kopf 5 zu drücken. Der vom Ventilstössel 4 dargebotene Widerstand ist zunächst hauptsächlich nur die Kraft der Feder 9. Wenn diese so weit zusammengedrückt wird, dass sich die Erweiterung 6 mit ihrem vorstehenden Rand 8 gegen die obere Stirnfläche des Ventilkörpers 15 anlegt und dadurch die Verbindung zwischen dem Kraftschalter
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und der Aussenluft sperrt, stösst ein weiteres Niederdrücken des Ventilstössels 4 durch den Steuerhebel 23 zunächst auf den sich zum Widerstand der Feder 9 addierenden Widerstand der Feder 18.
Beim Überwinden dieser beiden Widerstände drückt der Steuerhebel den Ventilkörper 15 nach unten aus der dichtenden Anlage gegen den Rand 17 und Druckluft strömt durch den Spielraum zwischen der Erweiterung 6 und der Wandung der Bohrung im Einsatz 7 in den Raum unter der Membran 12 und in den Kraftschalter, welcher demzufolge die Druckluftbremse auf die höhere Bremskraftstufe stellt. Während dieses Verlaufes ändern sich die auf das Ventil einwirkenden Kräfte wie folgt :
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der Membran 13 beaufschlagenden Druckluft erzeugte Kraft, welche im wesentlichen unverändert bleibt.
Aufwärts wirkt auf dieses System vor der Öffnung des Ventils 15 die von der Druckluft auf die vom Rand 17 umschriebene wirksame Kreisringfläche ausgeübte Kraft, welche im Augenblick des Öffnens durch die von der Druckluft auf die wirksame Fläche der Membran 12 ausgeübte Kraft ersetzt wird.
Um beim Öffnen des Ventils eine Vermehrung der in der Öffnungsrichtung gerichteten Gesamtkraft und eine entsprechende Verminderung der aufwärts gerichteten Kraft auf das bewegliche System zum
Offenhalten des Ventils zu erreichen, muss die wirksame Fläche der Membran 12 kleiner sein als die durch den Rand 17 umschriebene wirksame Fläche. Ist diese Bedingung erfüllt, so wird beim Öffnen des Ven- tils 15 das Gleichgewicht der auf den Steuerhebel wirkenden Kräfte nur in dem Sinne gestört, dass sich der aufwärts gerichtete Widerstand gegen die Umstellbewegung vermindert. Der Hebel 23 wird sich demzufolge auch bei unverändertem Druck auf den Kopf 5 weiter nach unten bewegen, bis die beweg- lichen Teile des Ventils die in Fig. 3 gezeigte untere Endlage einnehmen.
Die beim Wegdrücken des Ventilkörpers 15 vom Rand 17 eintretende Änderung der Druckluftbeauf- schlagung des Ventils darf aber unter keinen Umständen das sichere Anliegen des Ventilkörpers 15 gegen den Rand 8 des Ventilstössels 4 stören. Wie schon erwähnt, gilt für die obere Endlage des Ventils (Fig. 2), dass die durch den Rand 17 abzüglich des Nabenquerschnittes des Ventils 15 gegebene Fläche und die wirksame Kreisringfläche der Membran 13 ungefähr gleich sein sollen. Die Anliegekraft des Ventils 15 gegen den Rand 17 wird also hauptsächlich durch die Kraft der Feder 18 bestimmt.
Für die untere Endlage des Ventils gilt, dass die Kreisringfläche innerhalb des Randes 8 und die wirksame Kreisringfläche der
Membran 13 von derselben Grösse sein müssen, so dass die Kraft der Feder 18 noch mit Sicherheit aus- reicht, um den Ventilkörper 15 gegen den Rand 8 angedrückt zu halten. Dies bedeutet wiederum, dass der Durchmesser des Randes 17 und der des Randes 8 bei gleichen Ventilhalsquerschnittsflächen einander ziemlich nahe liegen müssen, d. h. die Erweiterung 6 des Ventilstössels 4 muss die Bohrung im Einsatz 7 ziemlich vollständig, aber nicht dichtend ausfüllen. Ist diese weitere Bedingung erfüllt, wird, vom Öffnen des Ventils an, der Ventilkörper 15 sicher gegen den Rand 8 des Ventilstössels 4 angehalten.
Beim Entladen des Wagens ist die Ausgangslage der Ventilteile die in Fig. 3 dargestellte. Wenn das
Entladen so weit fortgeschritten ist, dass sich der Steuerhebel 23 nach oben zu bewegen beginnt, bewegen sich auch die beweglichen Teile im Ventilgehäuse 1 zusammen nach oben, bis sich der Ventilkörper 15 wieder gegen den vorstehenden Rand 17 des Einsatzes anlegt. Weil nun die Mitwirkung der Feder 18 an der Aufwärtsbewegung des Ventilstössels 4 aufhört, wird die weitere Aufwärtsbewegung des Ventil- stössels 4 sowie des Steuerhebels 23 vorübergehend unterbrochen. Wenn sich der Steuerhebel 23 wieder aufwärtsbewegt, wird nur der Ventilstössel 4 an dieser Bewegung teilnehmen. Folglich brauchen von nun an nur die auf den Ventilstössel 4 wirkenden Kräfte und deren Änderung betrachtet zu werden.
Bevor sich der vom Stössel getragene Ventilkörper 6 von der dichtenden Anlage gegen den Ventil- körper 15 abgehoben hat, steht die Druckluft mit ihrem vollen Druck im Raum oberhalb des Randes 17 und im Kraftschalter. Dieser Druck wirkt auf den Ventilstössel 4 in zwei Richtungen : nach unten auf die vom Rand 8 begrenzte Kreisringfläche und nach oben auf die von den Durchmessern der Membran 13 bestimmte wirksame Ringfläche. Wenn sich nun der Rand 8 aus seiner Anlage gegen den Ventilkörper 15 hebt, wird der Raum im Einsatz 7 oberhalb des Randes 17 und auch der Kraftschalter über die Bohrung 16 und die gedrosselte Öffnung 14 a entlüftet. Von nun an bleibt die Kraft der Feder 9 als einzige aufwärts gerichtete Kraft auf den Ventilstössel 4 übrig.
Um beim Schliessen des Ventils eine Vergrösserung der
Gesamtkraft auf den Stössel 4 in der Schliessrichtung zu erreichen, muss der Durchmesser der wirksamen
Fläche der Membran 12 kleiner sein als der des Randes 8.
Damit das Ventil die gewünschte Wirkungsweise erhält, muss es also drei Bedingungen erfüllen.
Die wirksame Ringfläche der Membran 12 muss kleiner sein als die durch den Rand 17 gegebene Fläche, wodurch die beim Öffnen des Ventils auf den Ventilstössel nach unten gerichtete Kraft vergrössert wird.
Ferner muss diese Ringfläche der Membran 12 kleiner sein als die durch den Rand 8 bestimmte Fläche, wodurch beim Schliessen des Ventils die auf den Ventilstössel aufwärts gerichtete Kraft vergrössert wird.
Schliesslich müssen die Durchmesser des Randes 17 und des Randes 8 einander naheliegen, damit die beiden Ventilkörper bei der Umstellbewegung mit Sicherheit einander folgen.
Sind diese drei Bedingungen erfüllt, wird das Dreiwegeventil während jeder Umstellung einen Kraftzuschuss in der jeweiligen Umstellrichtung erhalten.
Der Grund für die Ausbildung als Drossel der ins Freie führenden Druckluftaustrittsöffnung 14 a ist folgender : Sobald sich der Rand 8 beim Entladen des Fahrzeuges vom Ventilkörper 15 abhebt, breitet sich die Druckluft vorübergehend über die gesamte obere Stirnfläche des Ventilkörpers 15 aus, und die so entstehende, abwärts gerichtete Kraft auf den Ventilkörper könnte zusammen mit der von der Membran
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ausgeübten abwärts gerichteten Kraft gegebenenfalls ausreichen, um den Ventilkörper 15 entgegen der Kraft der Feder 18 niederzudrücken. Hiedurch würde erneut Druckluft in den Raum im oberen Teil des Einsatzes 7 eingelassen werden, und der Ventilkörper 15 würde sich dann entweder unruhig verhalten oder in niedergedrückter Lage stehenbleiben, was ein Ausblasen der Druckluft ins Freie zur Folge hätte.
Dies wird in einfacher Weise verhindert, wenn die Durchbohrung 16 des Ventilkörpers 15 verhältnismässig weit, die Austrittsöffnung 14 a dagegen verhältnismässig eng gemacht wird, wodurch eine gleichmässige Verteilung der Wirkung der beim Abheben des Randes 8 vom Ventilkörper 15 bei der Umstellung des Ventils in die obere Endlage ausströmenden Druckluft auf die beiden Stirnflächen des Ventilkörpers 15 sofort eintritt und die Gefahr eines unruhigen Verhaltens des Ventilkörpers 15 beseitigt.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Umschaltventil für Druckluftbremsen, insbesondere an Schienenfahrzeugen, zum Be- und Entlüften eines über dieses Ventil an die Druckluftquelle des Bremssystems und an die Aussenluft angeschlossenen Kraftschalters je nachdem die Fahrzeugbelastung ein gewisses Bdastungsgebiet über-bzw. unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil als ein zwischen zwei Endlagen umstellbares Dreiwegeventil ausgebildet ist, welches in seinem Gehäuse (1) zwei zwischen den beiden Endlagen bewegliche, je einen der Wege zwischen Kraftschalter und Aussenluft und zwischen Druckluftquelle und Kraftschalter überwachende, mit dem Ventilgehäuse (1) durch je eine Membran (12 bzw.
13) verbundene Ventilkörper (6, 15) enthält, die in der einen Umstellrichtung durch die Kraft von ihnen im Ventilgehäuse (1) zugeordneten Federn (9, 18) beaufschlagt, in der andern Umstellrichtung durch eine sich mit der Fahrzeugbelastung ändernde Kraft zu beaufschlagen und zusammen mit den ihnen zugeordneten Membranen (12, 13) durch die Druckluft derart beaufschlagbar ausgebildet und im Ventilgehäuse (1) angeordnet sind, dass jede durch die Änderung der Stellung der Ventilkörper zueinander und zum Gehäuse bedingte Änderung der druckluftbeaufschlagten Flächen den die Umstellung bewirkenden Überschuss an Umstellkraft in der jeweiligen Umstellrichtung vermehrt.