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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Derartige Luftversorgungsanlagen werden beispielsweise
für die
Niveauregelung von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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Eine
solche Luftversorgungsanlage ist aus der
EP 1 243 447 A2 bekannt.
Diese Luftversorgungsanlage besteht gemäß ihrer
1 im Wesentlichen aus einer Luftversorgungseinheit
und mehreren Luftfedern zur Abstützung
des Fahrzeugaufbaus.
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Zur
Luftversorgungseinheit gehören
in der Hauptsache ein Kompressor und ein Luftspeicher. Dabei ist
der Kompressor saugseitig mit der Atmosphäre und druckseitig über einen
Lufttrockner und einem ersten 2/2-Wegeventil mit dem Luftspeicher
verbunden. Damit versorgt der Kompressor den Luftspeicher mit frischer
Luft aus der Atmosphäre.
Der Kompressor besitzt saugseitig über ein zweites 2/2-Wegeventil
Anschluss an die Luftfedern. Damit füllt der Kompressor über das
erste 2/2-Wegeventil Druckluft aus den Luftfedern in den Luftspeicher
um. Der Kompressor ist auch saugseitig über ein drittes 2/2-Wegeventil
mit dem Luftspeicher und druckseitig über ein viertes 2/2-Wegeventil mit den
Luftfedern verbunden. Dadurch wird Druckluft aus dem Luftspeicher
in die Luftfedern befördert.
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Die
Luftfedern sind parallel zueinander angeordnet, wobei jeder Luftfeder
ein 2/2-Wegeventil
zugeordnet ist und alle 2/2-Wegeventileinheiten über eine Sammelleitung mit
der Luftversorgungseinheit verbunden sind. In der gemeinsamen Sammelleitung der
Wegeventileinheit befindet sich ein Drucksensor.
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Solche
geschlossenen Luftversorgungsanlagen arbeiten innerhalb eines vorher
festgelegten Leistungsbereiches, deren Grenzen oft dadurch unterschritten
werden, dass eine Druckluftmenge durch eine Leckage entweicht oder
deren Grenzen oft dadurch überschritten
werden, dass sich die Druckluftmenge durch einen Temperaturanstieg
erhöht.
Das hat innerhalb der Niveauregelung des Fahrzeuges die Auswirkungen,
dass sich das Anheben des Fahrzeugaufbaus verlangsamt, wenn die
Druckluftmenge zu gering ist, und dass sich das Absenken des Fahrzeugaufbaus
verlangsamt, wenn die Druckluftmenge zu hoch ist.
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Zur
Sicherstellung des Leistungsbereiches in seinen zulässigen Grenzen
muss daher immer eine ausreichende Druckluftmenge in der Luftversorgungsanlage
vorhanden sein. Dazu wird mit Hilfe des Drucksensors ständig der
Druck in den Luftfedern und im Luftspeicher gemessen und daraus
der Überschuss
oder der Bedarf an zusätzlicher
Druckluftmenge errechnet. Bei einem Überschuss wird eine Druckluftmenge
aus der Luftversorgungsanlage abgelassen und bei einem Bedarf an
einer Druckluftmenge wird der Luftspeicher mit frischer Luft aufgefüllt.
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Dieses
genannte Verfahren wird den technischen Anforderungen gerecht. Allerdings
ist der gerätetechnische
Aufwand relativ hoch: So wird der Einsatz eines Drucksensors mit
einer entsprechenden Verkabelung erforderlich. Das verursacht zusätzliche Kosten.
Weiterhin benötigt
der Drucksensor mit seiner Verkabelung einen erheblichen Einbauraum,
der in der Fahrzeugtechnik in der Regel nicht vorhanden ist und
der daher bei der Realisierung der Luftversorgungsanlage zu Kompromissen
führt.
Auch das führt zu
höheren
Kosten.
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Aus
der
DE 101 22 567
C1 ist ein weiteres Verfahren zur Luftmengenregelung bekannt,
bei dem der Einfluss der momentanen Belastung bei der Regelung der
Luftmenge ausgeschlossen wird und damit eine Luftmengenregelung
nur bei einer durch Leckage oder Temperaturschwankung begründeten Abweichung
vom ausgelegten Luftmengenband vorgenommen wird.
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Dabei
werden die momentanen Druckluftmengen im Luftspeicher und in den
Luftfedern ermittelt, in dem die Drücke mit Hilfe eines Drucksensors gemessen
und mit dem bekannten Volumen des Luftspeichers sowie mit dem über eine
Wegmessung ermittelten Volumen der Luftfedern multipliziert werden. Diese
so ermittelte Druckluftmenge der Luftversorgungsanlage wird mit
der für
einen ausgelegten Belastungsfall optimalen Druckluftmenge verglichen.
Ist die ermittelte Druckluftmenge kleiner als eine minimal erforderliche
Druckluftmenge, dann muss eine bestimmte Druckluftmenge aufgefüllt werden,
ist sie größer als
eine maximal zulässige
Druckluftmenge, dann muss eine bestimmte Druckluftmenge abgelassen
werden. Aus einer bekannten Regelgeschwindigkeits-Druckluftmengen-Kennlinie
wird die für
das Auffüllen
bzw. für
das Ablassen erforderliche Zeit ermittelt und die entsprechenden
Ventile bzw. der Kompressor in der Luftversorgungsanlage für diese
Zeitspanne aktiviert.
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Auch
dieses Verfahren erfordert das Vorhandensein eines Drucksensors
mit allen seinen bereits beschriebenen Nachteilen. Dazu kommt, dass
dieses Verfahren softwaretechnisch relativ aufwendig ist, weil zur
Ermittlung der für
das Auffüllen
bzw. für
das Ablassen erforderlichen Zeit stets die tatsächliche Volumenmenge berechnet
werden muss.
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Es
besteht daher die Aufgabe, das gattungsgemäße Verfahren zur Luftmengenregelung
in einer geschlossenen Luftversorgungsanlage zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis
6. Das neue Verfahren beseitigt die genannten Nachteile des Standes
der Technik. Dabei liegt der besondere Vorteil des neuen Verfahrens
darin, dass zur Ermittlung der fehlenden oder der überschüssigen Druckluftmenge
keine aufwendige Druckmessung mehr notwendig ist, sondern lediglich der
Weg und/oder die dafür
benötigte
Zeit während eines
Auf- und/oder Abregelvorhangs gemessen werden müssen. Eine solche Weg- oder Zeitmessung
ist mit relativ einfachen und in der Regel zur technischen Anlagenausstattung
gehörenden
Mitteln möglich.
Das vereinfacht die gerätetechnische
Ausstattung der Luftversorgungsanlage und verringert die dafür notwendigen
Kosten. Dieser gerätetechnische
Aufwand kann noch weiter verringert werden, wenn für die Bewegung der
Luftfeder zum Beispiel der Weg vorgegeben wird. Dann muss nur noch
die Zeit gemessen werden.
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Das
neue Verfahren zur Luftmengenregelung lässt sich natürlich auch
bei anderen Luftversorgungsanlagen anwenden.
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Das
neue Verfahren soll an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen die
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1:
einen Schaltplan einer geschlossenen Luftversorgungsanlage,
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2:
eine graphische Darstellung über
das Weg-/Zeitverhalten der Luftfeder beim Einfedern der Luftfeder,
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3:
eine graphische Darstellung nach der 2 beim Ausfedern
der Luftfeder und
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4:
eine graphische Darstellung von Aufregelgeschwindigkeiten in Abhängigkeit
vom Druck im Luftspeicher und vom Belastungsfall.
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Wie
die 1 zeigt, besteht die Luftversorgungsanlage im
Wesentlichen aus einer Antriebseinheit 1, aus einer Rückschlagventilkombination 2,
aus mindestens zwei Luftfedern 3, 4 sowie aus
einem Luftspeicher 5.
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Kernstück der Antriebseinheit 1 ist
ein Kompressor 6, der von einem Elektromotor angetrieben wird
und der einerseits über
ein Saugventil 7 mit der Atmosphäre verbunden ist. Druckseitig
hat der Kompressor 6 über
eine Speicherdruckleitung 8 Verbindung zum Luftspeicher 5.
In dieser Speicherdruckleitung 8 befinden sich ein Lufttrockner 9,
ein in Richtung zum Luftspeicher 5 öffnendes Drosselrückschlagventil 10 und
ein erstes druckseitiges 2/2-Wegeventil 11. Der Kompressor 6 ist
obendrein saugseitig über
ein erstes saugseitige 2/2-Wegeventil 12 mit dem Luftspeicher 5 verbunden.
Druckseitig steht der Kompressor 6 weiterhin über eine
Verbraucherdruckleitung 13 einerseits über ein Ablassventil 14 mit
der Atmosphäre
und andererseits über
ein zweites druckseitiges 2/2-Wegeventil 15 und der Rückschlagventilkombination 2 mit
den Luftfedern 3, 4 in Verbindung. Der Kompressor 6 ist
auch saugseitig über
ein zweites saugseitiges 2/2- Wegeventil 16 und
der Rückschlagventilkombination 2 mit
den Luftfedern 3, 4 verbunden. Die Rückschlagventilkombination 2 ist so
aufgebaut, dass sie in Abhängigkeit
von der Bewegungsrichtung der Luftfedern 3, 4 eine
Verbindung zur Druckseite oder zur Saugseite des Kompressors 6 herstellt.
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Zur
Befüllung
des Luftspeichers 5 mit frischer Luft aus der Atmosphäre sind
die beiden saugseitigen 2/2-Wegeventile 12, 16 und
das druckseitige 2/2-Wegeventil 15 sowie das Ablassventil 14 gesperrt
und das erste druckseitige 2/2-Wegeventil 11 geöffnet. Der
Kompressor 6 saugt die frische Luft über das Saugventil 7 aus
der Atmosphäre
an und fördert
sie über
den Lufttrockner 9, dem sich öffnenden Drosselrückschlagventil 10 und
dem geöffneten ersten
druckseitigen 2/2-Wegeventil 11 in den Luftspeicher 5.
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Zur
Befüllung
der Luftfedern 3, 4 mit komprimierter Druckluft
aus dem Luftspeicher 5 werden das erste druckseitige 2/2-Wegeventil 11,
das zweite saugseitige 2/2-Wegeventil 16 und das Ablassventil 14 geschlossen.
Dagegen wird das erste saugseitige 2/2-Wegeventil 12 und das zweite
druckseitige 2/2-Wegeventil 15 des Kompressors 6 geöffnet, sodass
der Kompressors 6 die Luft aus dem Luftspeicher 5 ansaugt
und sie über
die Verbraucherdruckleitung 13 und der Rückschlagventilkombination 2 zu den
Luftfedern 3, 4 befördert.
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Zur
Umfüllung
nicht benötigter
und trockener Druckluft aus den Luftfedern 3, 4 in
den Luftspeicher 5 werden das erste saugseitige 2/2-Wegeventil 12, das
zweite druckseitige 2/2-Wegeventil 15 sowie das Ablassventil 14 geschlossen
und das zweite saugseitige 2/2-Wegeventil 16 und das erste
druckseitige 2/2-Wegeventil 11 geöffnet. Dadurch gelangt die
Luft aus den Luftfedern 3, 4 über die Rückschlagkombination 2,
dem Kompressor 6 und dem ersten druckseitigen 2/2-Wegeventil 11 in
den Luftspeicher 5.
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Zur
Regenerierung des Trockner 10 mit nicht benötigter und
trockener Druckluft aus dem Luftdruckspeicher 5 werden
die beiden saugseitigen 2/2-Wegeventile 12, 16 sowie
das zweite druckseitige 2/2-Wegeventile 15 geschlossen
und das erste druckseitige 2/2-Wegeventil 11 und
das Ablassventil 14 geöffnet.
Dadurch wird entgegen der Befüllungsrichtung
Luft aus dem Luftspeicher 5 über die Speicherdruckleitung 8,
dem ge drosselten Drosselrückschlagventil 10,
dem Lufttrockner 9, der Verbraucherdruckleitung 16 und
dem Ablassventil 14 in die Atmosphäre geleitet.
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Zur
Absicherung all dieser Funktionen ist es erforderlich, dass in der
Luftversorgungsanlage innerhalb eines Luftmengentoleranzbandes eine
ausreichende Druckluftmenge für
einen Auslegungsfall der Fahrzeugbelastung vorhanden ist.
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Bei
einer Unterschreitung der ausgelegten Druckluftmenge außerhalb
des Luftmengentoleranzbandes muss die Luftversorgungsanlage mit
einer erforderlichen Druckluftmenge aufgefüllt werden. Dagegen wird bei
einer Überschreitung
der ausgelegten Druckluftmenge außerhalb des Luftmengentoleranzbandes
eine bestimmte Druckluftmenge aus der Luftversorgungsanlage abgelassen.
In beiden Fällen wird
erreicht, dass sich der beladene Fahrzeugaufbau mit einer tolerierten
Geschwindigkeit anhebt oder absenkt.
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Zur
Regelung der Luftmenge in der geschlossenen Luftversorgungsanlage
wird das neue Verfahren in einem ersten Ausführungsbeispiel vorgestellt.
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Dabei
wird zunächst
die Druckluftmenge der Luftversorgungsanlage so festgelegt, dass
bei der Auslegungslast die Drücke
im Luftspeicher 5 und in den Luftfedern 3, 4 gleich
groß sind,
sodass sich bei einer Verbindung von dem Luftspeicher 5 zu
den Luftfedern 3, 4 keine Verschiebung der Luftfedern 3, 4 einstellt.
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Zur
Ermittlung der Abweichung der Druckluftmenge vom Druckluftmengentoleranzband
des Auslegungsfalles werden alle saugseitigen und druckseitigen
2/2-Wegeventile 11, 12, 15, 16 geöffnet, während das
Ablassventil 14 geschlossen bleibt. Dadurch sind die Luftfedern 3, 4 und
der Luftspeicher 5 so miteinander verbunden, dass ein Luftmengenaustausch
in beiden Richtungen stattfinden kann. Je nach dem Belastungsfall
an den Luftfedern 3, 4 werden die Luftfedern 3, 4 unter
das normale Höhenniveau
NN einfedern, wie es die 2 zeigt, oder gemäß der 3 über das
normalen Höhenniveau
NN ausfedern, oder unverändert
bleiben. Dabei gibt die Richtung der Bewegung der Luftfedern 3, 4 zunächst Aufschluss
darüber,
ob der aktuelle Belastungsfall größer oder kleiner als der Auslegungsfall
ist und/oder die aktuelle Druckluftmenge kleiner oder größer als
die optimale Druckluftmenge für
den Auslegungsfall ist.
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Eingefederte
Luftfedern 3, 4 werden gemäß der 2 unmittelbar
im Anschluss mit Hilfe des Kompressors 6 wieder auf das
normale Höhenniveau NN
aufgeregelt, wobei der zurückgelegte
Weg s1 und die dazu benötigte Zeit t1 gemessen
werden. Daraus wird eine mittlere Aufregelgeschwindigkeit errechnet und
mit einer im Steuerungsteil der Luftversorgungsanlage abgelegten
Soll-Aufregelgeschwindigkeit verglichen. Ist die mittlere Aufregelgeschwindigkeit
kleiner als die Aufregelgeschwindigkeit für die minimale Druckluftmenge
des Luftmengenbandes, dann ist die Druckluftmenge in der Luftversorgungsanlage
zu klein. Durch eine entsprechende Schaltung der 2/2-Wegeventile 11, 12, 14, 15 und 16 erfolgt über eine
definierte Zeit eine Speicherfüllung
mit frischer Druckluft.
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Ausgefederte
Luftfedern 3, 4 werden gemäß der 3 unmittelbar
im Anschluss wieder auf das normale Höhenniveau NN abgeregelt, wobei
der zurückgelegte
Weg s2 und die dazu benötigte Zeit t2 gemessen
werden. Daraus wird eine mittlere Abregelgeschwindigkeit errechnet
und mit einer im Steuerungsteil der Luftversorgungsanlage abgelegten Soll-Abregelgeschwindigkeit
verglichen. Ist die mittlere Abregelgeschwindigkeit größer als
die Abregelgeschwindigkeit für
die maximale Druckluftmenge des Luftmengenbandes, dann ist die Druckluftmenge in
der Luftversorgungsanlage zu groß und es muss eine bestimmte
Druckluftmenge aus dem Luftspeicher 5 abgelassen werden.
Durch eine entsprechende Schaltung der 2/2-Wegeventile 11 und 14 wird über eine
definierte Zeit überschüssige Druckluft über den
Trockner 9 aus dem Luftspeicher 5 abgelassen.
Damit enthält
die Luftversorgungsanlage wieder eine innerhalb des Druckluftmengenbandes
für den Auslegungsfall
liegende Druckluftmenge.
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Bleiben
die Niveaulagen der Luftfedern 3, 4 unverändert, dann
entspricht die Beladung und die Druckluftmenge dem Auslegungsfall.
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Die
Regelung der Luftmenge in der geschlossenen Luftversorgungsanlage
nach dem neuen Verfahren ist auch mit einem zweiten Ausführungsbeispiel
möglich.
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Dazu
werden zunächst
auf empirischer Weise die Aufregelgeschwindigkeiten einer Leerlast,
einer Volllast und einer Auslegungslast aus dem normalen Höhenniveau
NN über
einen vorbestimmten Weg bei unterschiedlichen Drücken im Luftspeicher 5 er mittelt
und in einem Diagramm veranschaulicht. Ein solches Diagramm ist
in der 4 dargestellt. Eine definierte zulässige Luftmengenabweichung legt
einen zulässigen
minimalen Luftspeicherdruck ps min und einen
maximalen Luftspeicherdruck ps max fest. Diese
Grenzdrücke
werden in das Diagramm übernommen.
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Zur
Regelung der Druckluftmenge der im Betrieb befindlichen Luftversorgungsanlage
wird in einem aktuellen Belastungsfall eine definierte Aufregelung über einen
vorbestimmten Weg vorgenommen. Dabei wird die dafür benötigte Zeit
gemessen und aus dem definierten Weg und der beanspruchten Zeit die
mittlere aktuelle Aufregelgeschwindigkeit errechnet. Diese Aufregelgeschwindigkeit
wird mit Hilfe des Diagramms gemäß der 4 mit
allen drei Belastungskennlinien für die Leerlast, die Auslegungslast und
die Volllast verglichen.
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Liegt
die errechnete Aufregelgeschwindigkeit innerhalb der Belastungskennlinien
für die
Volllast und die Leerlast, dann ist eine ausreichende Druckluftmenge
in der Luftversorgungsanlage vorhanden.
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Liegt
dagegen die errechnete Aufregelgeschwindigkeit unterhalb der Volllastkennlinie
beim Speicherdruckes p s,min, dann befindet
sich eine zu geringe Druckluftmenge in der Luftversorgungsanlage. Für eine definierte
Zeit werden der Kompressor und die entsprechenden 2/2-Wegeventile
aktiviert, um Luft aus der Umgebung in den Luftspeicher 5 zu
füllen.
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Umgekehrt
verhält
es sich, wenn sich die errechnete Aufregelgeschwindigkeit oberhalb
der Leerlast-Kennlinie beim Speicherdruck ps,
max befindet, dann ist eine zu hohe Druckluftmenge in der
Luftversorgungsanlage vorhanden. Für eine definierte Zeit werden
die entsprechenden 2/2-Wegeventile aktiviert, um Luft aus dem Luftspeicher 5 in
die Umgebung abzulassen.
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Damit
enthält
die Luftversorgungsanlage wieder eine innerhalb des Druckluftmengenbandes für den Auslegungsfall
liegende Druckluftmenge.
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Die
Regelung der Luftmenge in der geschlossenen Luftversorgungsanlage
nach dem neuen Verfahren kann auch mit einem dritten Ausführungsbeispiel
vorgenommen wer den. Dieses Ausführungsbeispiel
wird angewendet, wenn der Druck im Luftspeicher 5 kleiner
als der Druck in den Luftfedern 3, 4 ist.
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Zunächst wird
innerhalb der Luftversorgungsanlage ein abgeschlossener Kontrollraum
ausgewählt,
wozu sich am besten das Kurbelgehäuse des Kompressors 6 und
der Lufttrockner 9 eignet. Dieser Kontrollraum wird auf
ein definiertes Druckniveau gebracht. So ist es zweckmäßig, diesen
Kontrollraum mit Hilfe des 2/2-Wegeventils 14 mit der Atmosphäre zu verbinden,
sodass sich im Kontrollraum der atmosphärische Druck einstellt. Anschließend wird
das 2/2-Wegeventil 16 für
eine definierte Zeit geöffnet,
sodass bis zum Druckausgleich eine Druckluftmenge von den druckhöheren Luftfedern 3, 4 in den
druckminderen Kontrollraum strömt.
Danach wird die Luftversorgungsanlage wieder aufgeregelt, bis sich
die Fahrzeugachse wieder in der NN-Ausgangsstellung befindet. Dabei
wird der zurückgelegte Weg
der Luftfedern 3, 4 und die dafür benötigte Zeit gemessen.
Aus diesem Weg und der gemessenen Zeit wird eine mittlere Aufregelgeschwindigkeit
errechnet. Aus einer Simulation oder aus einer Messung ergibt sich
je nach dem Beladungszustand ein charakteristischer Geschwindigkeitsbereich
vmin ≤ v ≤ vmax
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Die
errechnete Aufregelgeschwindigkeit wird nun mit den zulässigen Aufregelgeschwindigkeiten verglichen.
Wird festgestellt, dass die errechnete Aufregelgeschwindigkeit innerhalb
der zulässigen Aufregelgeschwindigkeiten
vmin ≤ v ≤ vmax liegt, dann ist eine ausreichende Druckluftmenge
vorhanden.
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Liegt
die errechnete Aufregelgeschwindigkeit unterhalb der zulässigen Aufregelgeschwindigkeit
vmin, dann ist eine zu geringe Druckluftmenge
in der Luftversorgungsanlage. Für
eine definierte Zeit werden der Kompressor 6 und die entsprechenden 2/2-Wegeventile aktiviert
und Luft aus der Umgebung in den Luftspeicher 5 gefüllt.
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Umgekehrt
verhält
es sich, wenn sich die errechnete Aufregelgeschwindigkeit oberhalb
der zulässigen
Aufregelgeschwindigkeit vmax befindet, dann ist
eine zu hohe Druckluftmenge in der Luftversorgungsanlage vorhanden.
Für eine
definierte Zeit werden wieder die entsprechenden 2/2-Wegeventile
aktiviert, um Luft aus dem Luftspeicher 5 in die Umgebung
abzugeben.
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Damit
enthält
die Luftversorgungsanlage wieder eine innerhalb des Druckluftmengenbandes für den Auslegungsfall
liegende Druckluftmenge.
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Rückschlagventilkombination
- 3
- Luftfeder
- 4
- Luftfeder
- 5
- Luftspeicher
- 6
- Kompressor
- 7
- Saugventil
- 8
- Speicherdruckleitung
- 9
- Lufttrockner
- 10
- Drosselrückschlagventil
- 11
- erstes
druckseitige 2/2-Wegeventil
- 12
- erstes
saugseitige 2/2-Wegeventil
- 13
- Verbraucherdruckleitung
- 14
- Ablassventil
- 15
- zweites
druckseitige 2/2-Wegeventil
- 16
- zweites
saugseitige 2/2-Wegeventil