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Die
Erfindung betrifft ein Reifendruckregelsystem insbesondere für
Fahrzeuge mit pneumatischen Reifen und ein Reifendruckregelverfahren. Dazu
weist das Reifendruckregelsystem zumindest einen Reifendrucksensor
und ein Reifenventil auf. Außerdem weist das Reifendruckregelsystem
mindestens einen Druckverteiler mit Schaltventilen und ein Steuer-
und Regelgerät sowie einen Hochdruckkompressor auf.
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Aus
der Druckschrift
EP 1 236 588 ist
ein Verfahren und ein System zur Reifendrucküberwachung
für mit Antiblockierschutzsystemen ausgerüsteten
Fahrzeugen bekannt. Dieses Reifendrucküberwachungssystem
weist neben den für das ABS notwendigen Antiblockiersensoren,
die in jedem Reifen angeordnet sind, um rotationsabhängige
Größen zu erfassen, zusätzlich ein Reifendruckmesssystem
auf, das den absoluten Reifenfülldruck der Räder
wenigstens einer Achse misst. Diese Messung bewirkt jedoch keine
Reifendruckregelung, sondern löst lediglich ein Warnignal
aus, wenn der gemessene Reifenfülldruck einen vorgegebenen
Solldruck unterschreitet. Mit einem derartigen Warnsignal wird der
Führer des Fahrzeugs lediglich darauf aufmerksam gemacht,
dass er an der nächstmöglichen Station halten
muss, um stationär den Reifendruck dem Solldruck anzupassen.
Das bekannte Verfahren und System hat den Nachteil, dass bei fahrendem
Fahrzeug ein Nachregeln des Reifendrucks nicht möglich ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Reifendruckregelsystem zu schaffen, mit
dem es möglich ist, auch während der Fahrt den
Reifendruck des Fahrzeugs an den befahrbaren Untergrund, die Temperaturbedingungen
von Reifen und Umgebung sowie an die Belastung des Fahrzeugs anzupassen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Reifendruckregelsystem für Fahrzeuge mit pneumatischen
Reifen und ein Reifendruckregelverfahren geschaffen. Dazu weist
das Reifendruckregelsystem zumindest einen Reifendrucksensor und
ein Reifenventil auf. Zumindest ein Druckverteiler mit Schaltventilen
wirkt mit einem Steuer- und Regelgerät zusammen, wobei
das Reifendruckregelsystem zumindest ein Reifendrucksteuerventil
und der Hochdruckkompressor einen elektrischen Antrieb mit einem
Solenoid aufweist.
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Dieses
Reifendruckregelsystem hat den Vorteil gegenüber Reifendruckregelsystemen,
bei denen lediglich eine Nachverstärkungsdruckpumpe wie
ein Booster vorgesehen ist, dass mit dem Solenoid betriebenen Hochdruckkompressorsystem
sowohl Zugfahrzeuge als auch Anhänger ausgerüstet
werden können und somit völlig unabhängig
voneinander den Reifendruck optimal den äußeren
Bedingungen des Fahrbetriebs anpassen können. Ein weiterer
Vorteil ist darüber hinaus, dass der mit einem Solenoid betriebene
Kompressor erzeugte Druck im Vergleich zu einem pneumatischen Booster
mit einem höheren Wirkungsgrad arbeitet.
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Der
höhere Wirkungsgrad ergibt sich aus der Tatsache, dass
ein Kompressor mit Solenoid-Antrieb kein Pressluftvolumen verbraucht,
wie ein pneumatisch betriebener Booster herkömmlicher Bauart. Während
Booster für eine Versorgung von Hochdruckreifen, wie sie
aus der Druckschrift
US 6,269,691
B1 bekannt sind, maximal unter Verlust von Pressluftvolumen
einen Systemdruck, wie er beispielsweise für den Bremsvorgang
des Fahrzeugs oder den Lenkvorgang des Fahrzeugs zur Verfügung steht,
verdoppeln können, ist der erzeugte Hochdruck eines Solenoid
betriebenen Kompressors gemäß der Erfindung nicht
derart begrenzt.
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Ferner
ist der erfindungsgemäße Solenoid betriebene Kompressor
nicht von einem mittleren Systemdruck abhängig wie der
pneumatisch betriebene Booster, sondern kann sogar ausgehend vom Umgebungsdruck
sowohl einen mittleren Systemdruck als auch einen Hochdruck, der
für Hochdruckreifen erforderlich ist, bereitstellen. Damit
ist es ferner in vorteilhafter Weise möglich, die Reifendruckkontrolle
und die Reifendruckregelung komplett von dem Systemdruck eines Fahrzeugs
abzukoppeln, indem der Hochdruck für Hochdruckreifen ausschließlich von
einem Normaldruck der Umgebung ausgehend erzeugt wird.
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Darüber
hinaus hat diese Lösung den Vorteil, dass unabhängig
von einem Systemdruck jederzeit durch eine intelligente Steuerung
der Druck in einem entsprechenden Hochdruckbehälter kontrolliert
und zu einem geeigneten Zeitpunkt auf den erforderlichen Hochdruck
erhöht werden kann. Somit ist das erfindungsgemäße
Reifendruckregelsystem mit einem Solenoid betriebenen Hochdruckkompressor die
geeignete Lösung für einen Kraftfahrzeuganhänger,
da diesem völlig autark und unabhängig von einem
Zugfahrzeug eine Reifendruckanpassung während der Fahrt
ermöglicht wird.
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Vorzugsweise
weist der Hochdruckkompressor eine Tandemkolbenverdichterstruktur
auf, wobei der Tandemkolben die Kompression ermöglicht
und wobei das Solenoid zwischen den beiden Einzelkolben des Tandemkolbens
angeordnet ist und den elektrischen Antrieb bildet.
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Dabei
sind der Kompressor und der Tandemkolben sowie der Solenoid vorzugsweise
in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse angeordnet. Das
hat den Vorteil, dass die Tandemkolbenverdichterstruktur mitsamt
dem Solenoidantrieb radialsymmetrisch aufgebaut sein kann und somit
in Hohlachsen oder auch in Naben von Fahrzeugen einsetzbar ist.
Das zylindrische Gehäuse weist dabei mindestens einen Niederdruckeingang
und einen Hochdruckausgang auf.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse dreiteilig mit einem ersten Kompressionsraum
eines ersten Einzelkolbens, mit einem zweiten Kompressionsraum eines
zweiten Kolbens und einem dazwischen angeordneten Antriebsbereich
mit einer Verbindungsstange, welche die beiden Einzelkolben der
Kompressionsräume verbindet. Diese Verbindungsstange ist bei
dieser Ausführungsform von einem zylindrischen Dauermagneten
umgeben, der seinerseits in dem am Gehäuse befestigten
Solenoid gleitend angeordnet ist. Somit kann der Tandemkolben mit
verbindender gradliniger Verbindungsstange und aufgebrachtem zylindrischen
Dauermagneten hin- und herbewegt werden, wobei lediglich die Stromrichtung
in der Spule des Solenoids bei Erreichen eines Anschlags umzupolen
ist.
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Die
beiden Kompressionskammern des Tandemkolbens weisen jeweils ein
Einlass- und ein Auslassventil auf, wobei das Einlassventil mit
Umgebungsluft über ein Luftfiltersystem zur Umgebungsluft
verbunden sein kann, während das Auslassventil über
eine Hochdruckleitung mit einem Hochdruckbehälter in Verbindung
steht. Dazu öffnen die Auslassventile bei einem Druckanstieg über
einen bereits anstehenden Hochdruck auf der Hochdruckseite hinaus und
zum Einlassen von gereinigter Umgebungsluft schließen die
Auslassventile und die Einlassventile öffnen.
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Das
Wechseln zwischen Offenstellung und Schließstellung von
Einlassventil bzw. Auslassventil erfolgt automatisch, ohne eine
externe Steuerung. Gesteuert wird lediglich die Stromrichtung durch
das Solenoid, wozu in dem Antriebsbereich eine Umschaltelektronik
angeordnet ist, die bei Erreichen eines Anschlags für den
Tandemkolben den Stromfluss in dem Solenoid umkehrt. Die Umschaltelektronik
ist dazu mit einem Lagesensor verbunden, der bei Erreichen des Anschlags
ein Schaltsignal an die Umschaltelektronik übermittelt.
Ein derartiger Lagesensor kann ein elektromechanischer Schalter
sein. Andererseits ist es in vorteilhafter Weise auch möglich,
einen rein elektronischen Hallsensor einzusetzen oder einen induktiven
Geber vorzusehen. Auch ein kapazitiver Geber kann anstelle eines
elektromechanischen Gebers eingesetzt werden. Dabei haben Lagesensoren
auf der Basis von einem Hallsensor, einem induktiven oder einem
kapazitiven Geber den Vorteil, dass sie berührungsfrei
arbeiten und damit auch nicht verschleißen.
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Die
Umschaltelektronik kann durch eine Logikschaltung mit einem integrierten
Schaltkreis in Zusammenwirken mit Leistungstransistoren realisiert werden,
wobei die Leistungstransistoren für den hohen Strombedarf
des Solenoides vorgesehen sind. Technisch wäre es auch
möglich, für die Umschaltelektronik sowohl für
den Logikbereich als auch für den Stromversorgungsbereich
eine Relaisschaltung vorzusehen.
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Wie
bereits eingangs erwähnt, kann der Hochdruckkompressor
auf seiner Niederdruckseite mit einer Mitteldruckzuleitung verbunden
sein, um einen vorgegebenen Systemdruck des Fahrzeugs zu verwenden
und auf diesen aufbauend, mit hohem Wirkungsgrad ein Hochdruckvolumen
beispielsweise für einen Hochdruckbehälter zu
erzeugen. Dieses Reifendruckregelsystem, das mit einer Mitteldruckzuleitung
zusammenwirkt, hat den Vorteil, dass die Luft an der Niederdruckseite
des Hochdruckkompressors bereits gereinigt und getrocknet ist.
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Um
sicherzustellen, dass der Hochdruckbehälter auch bei Abschalten
des Hochdruckkompressors den Hochdruck beibehält ist zwischen
Hochdruckkompressor und dem Hochdruckbehälter ein Rückschlagventil
angeordnet. Dieser Hochdruckbehälter kann ein Achsrohr
sein oder auch ein Behälter, der in einem Achsrohr angeordnet
ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Hochdruckkompressor über
ein zentrales Reifendrucksteuerventil mit den Reifen direkt verbunden
ist und der Hochdruckbehälter durch die pneumatischen Reifen
gebildet ist.
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Der
Solenoid-Antrieb kann mit einem Steuer- und Regelgerät
elektrisch in Verbindung stehen, wobei das Steuer- und Regelgerät
ein integraler Bestandteil eines Bremssteuergerätes des
Fahrzeugs wie ein ABS (Antiblockiersystem) oder ein EPS (elektronic
safety programm) sein kann.
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Außerdem
ist es für einen autarken Betrieb eines Reifendruckregelsystems
von Vorteil, wenn der Hochdruckkompressor mit Umgebungsluft arbeitet, die
jedoch vorher ein Luftfiltersystem aus Filtersätzen zum
Ausfiltern von Partikeln durchlaufen hat. In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist das Fahrzeug mehrere Hochdruckkompressoren auf,
die mit ihren Hochdruckseiten mit Gruppen von Hochdruckreifen in
Wirkverbindung stehen. Dabei kann es von Vorteil sein, dass achsweise
der Reifendruck überwacht und geregelt wird.
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Ein
Verfahren zur Reifendruckregelung weist die nachfolgenden Verfahrensschritte
auf. Zunächst wird die Luft mit Hilfe eines Solenoid angetriebenen Kompressors
komprimiert. Die komprimierte Luft wird anschließend in
einem Hochdruckbehälter gespeichert. Parallel wird der
Reifendruck bei fahrendem Fahrzeug erfasst und ein Vergleich durchgeführt,
indem der Reifendruck gemessen wird und mit einer Tabelle verglichen
wird, die den optimalen Reifendruck in Abhängigkeit von
der Straßenbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit,
der Außentemperatur, der Fahrzeugbeladung und der extrapolierten Reifen-
und Fahrbahntemperatur vorgibt. Je nach der Differenz zwischen dem
Reifendruck und dem optimalen Reifendruck wird anschließend
der Reifendruck erhöht oder vermindert bis eine Übereinstimmung
zwischen Ist- und Sollreifendruck erreicht ist.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass eine optimale Kraftübertragung
zwischen Reifen und Fahrbahngrund gewährleistet wird. Dabei
können die Tabellen auf empirisch ermittelten Werten beruhen. Diese
Tabellen können darüber hinaus in einer zentralen
Recheneinheit eines Steuer- und Regelgerätes gespeichert
sein. Diese zentrale Recheneinheit kann zu einem ABS-System, einem
ESP-System oder einem anderen Fahrzeugführungssystem integriert werden.
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In
einer weiteren Durchführungsform der Erfindung werden mit
der durch den von einem Solenoid angetriebenen Hochdruckkompressor
komprimierten Druckluft die übrigen druckluftabhängigen
Systeme eines Fahrzeugs betrieben. Vorzugsweise sind die Bremsbetätigung
und/oder die Bremsverstärkung davon betroffen. Auch für
die Lenkverstärkung kann diese Druckluft eingesetzt werden.
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Zur
Erfassung des Reifendrucks kann ein zentraler stationärer
Reifendrucksensor in dem zentralen Druckverteiler für alle
Fahrzeugreifen oder für eine Fahrzeugreifengruppe den Reifendruck
erfassen. Dieses hat den Vorteil, dass der Reifendrucksensor stationär
angeordnet sein kann. Andererseits ist es auch möglich,
einen mitrotierenden Reifendrucksensor in jedem der Reifen zu installieren.
Das hat den Vorteil, dass der Reifendruck unverfälscht dem
Steuer- und Regelgerät und damit einer zentralen Recheneinheit
zugeführt werden kann, welche die Messwerte auswertet und
entsprechend die Schaltventile des Druckverteilers zum Erhöhen
oder zum Vermindern des Reifendrucks während der Fahrt
kontrolliert. Bei einer dezentralen Erfassung des Reifendrucks durch
Reifendrucksensoren, die direkt in den Reifen angeordnet sind, kann
eine Übertragung der Werte draht los erfolgen, indem entsprechende
Sende-/Empfangseinheit mit den Drucksensoren in den Reifen kommunizieren.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines dreiachsigen Fahrzeuganhängers
mit einem Reifendruckregelsystem einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers
mit einem Reifendruckregelsystem gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers
mit einem Reifendruckregelsystem gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Solenoid betriebenen
stationären Hochdruckkompressor mit Tandemkolbenverdichterstruktur
für ein Reifendruckregelsystem;
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5 zeigt
eine Prinzipskizze einer elektromechanischen Umschaltelektronik;
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6 zeigt
eine schematische Darstellung im Detail zur Reifendruckregelung
gemäß der ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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7 zeigt
ein schematisches Diagramm unterschiedlicher Betriebsphasen des
Reifendruckregelsystems gemäß 1;
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8A bis 8C zeigen
schematische Querschnitte durch Reifendrucksteuerventile;
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8A zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Reifendrucksteuerventil,
das über Druckflanken gesteuert werden kann und dazu eine bistabile
Tellerfeder aufweist;
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8B zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Reifendrucksteuerventil,
bei dem die Bistabilität des Ventilkolbens durch einen
Permanentmagneten erreicht wird;
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8C zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Reifendrucksteuerventil, bei
dem die Bistabilität des Ventilkolbens durch zwei unterschiedliche
Schraubenfedern erreicht wird.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers 19 mit
einem Reifendruckregelsystem 1 einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung
wird ein Fahrzeuganhänger 19 an ein Luftdrucksystem
eines Zugfahrzeugs über eine Anhängerdruckluftkupplung 30 angeschlossen. Dabei
weist das Drucksystem des Zugfahrzeugs einen Mitteldruckbehälter 7 auf,
in dem ein mittlerer Luftdruck gespeichert wird, der ausreicht,
um pneumatische Bremsen, Bremsverstärker oder Lenkverstärker
zu versorgen.
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Für
die an den drei Achsen 31 angeordneten Hochdruckreifen 4 reicht
der Systemdruck der Zugmaschine, der über die Druckluftkupplung 30 zur
Verfügung gestellt wird, nicht aus, um eine Reifendruckregelung
während der Fahrt für den Anhänger 19 zu gewährleisten.
Dabei können die pneumatischen Reifen 4 auch Zwillingsreifen
auf entsprechenden Zwillingsfelgen darstellen. Um den erhöhten
Druck, der über die Druckluftkupplung 30 aufgrund
von Sicherheitsstandards nicht an einen Anhänger transferiert
werden darf, im Bereich des Anhängers 19 zu erzeugen,
weist diese erste Ausführungsform der Erfindung einen Hochdruckkompressor 13 auf,
der ein Solenoid für einen elektrischen Antrieb 14 aufweist.
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Während
somit über eine Mittel- oder Systemdruckleitung 11 die
Niederdruckseite 15 des Hochdruckkompressors 13 mit
einem mittleren Luftdruck versorgt wird, kann auf der Hochdruckseite 16 ein
entsprechend hoher Druck über ein Rückschlagventil 17 einem
Hochdruckbehälter 12 zugeführt werden.
Stromaufwärts des Hochdruckbehälters 12 ist ein
Druckverteiler 5 angeschlossen, der in dieser Ausführungsform
der Erfindung einen zentralen Luftdrucksensor 20 aufweist,
welcher den Hochdruck in den Hochdruckzuleitungen 44 zu
den Reifen 4 überwacht und bei Bedarf über
die Steuerleitung 9 das Steuer- und Regelgerät 10 aktiviert,
das mit einem zentralen Reifendrucksteuerventil 21 in dem
Druckverteiler 5 zusammenwirkt.
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Dabei
ist das Reifendrucksteuerventil 21 einerseits mit Hilfe
des Druckverteilers 5 in der Lage, bei zu geringem Reifendruck
die Reifen 4 aufzupumpen, beispielsweise bei einem Wechsel
der Fahrbahn von einem Schotterweg zu einer asphaltierten Straße,
andererseits bei zu hohem Reifendruck, beispielsweise bei einem
Fahrbahnwechsel von einem Asphaltweg auf einen Schotterweg, auch
den zu hohen Reifendruck wieder abzulassen und den überhöhten
Reifendruck beim Ablassen über die Mitteldruckzuleitung 11 dem
Mitteldruckbehälter 7 zur Energierückgewinnung
zuzuführen, was durch eine gestrichelte Linie 45 in 1 angedeutet
wird.
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Ein
derartiges Reifendruckregelsystem für einen Anhänger 19 hat
den Vorteil, dass es für die Reifendruckregelung einen
Solenoid betriebenen Kompressor aufweist, der einen deutlich höheren Wirkungsgrad
hat als ein pneumatisch betriebener Booster bzw. eine Drucknachverstärkungspumpe, bei
der für den Antrieb Druckluft aus dem Systemdruck bzw.
der mittleren Druckversorgung verbraucht wird. Des weiteren hat
dieses System den Vorteil, dass das Steuer- und Regelgerät 10 beispielsweise in
einer Antiblockiersteuerung oder in einem ESP (electronic safety
programm) des Fahrzeugs mit integriert sein kann. Darüber
hinaus zeichnet sich das System durch eine überschaubare
Anzahl von Komponenten aus, zumal es lediglich ein einziges Reifendrucksteuerventil 21 und
einen einzigen Reifendrucksensor 20 in dem Druckverteiler 5 benötigt,
um alle Reifen 4 oder eine Gruppe von Reifen des Anhängers 19 auf
einen angepassten optimalen Luftdruck zu regeln.
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Dieser
optimale Luftdruck kann in einer Sollwerttabelle innerhalb des Steuer-
und Regelgeräts 10 abgelegt sein, wobei dieser
Sollreifendruck von der Beladung, von der Fahrbahnbeschaffenheit
wie oben erwähnt oder von der Temperatur der Umgebung im
Verhältnis zur Reifentemperatur und/oder von der Geschwindigkeit
des Fahrzeugs abhängig ist. Derartige Werte können
durchaus empirisch ermittelt werden und als Vergleichswerte für
die Messwerte des zentralen Sensors 20 herangezogen werden.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers 19 mit
einem Reifendruckregelsystem 2 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen
Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Diese zweite Ausführungsform
der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch,
dass der Solenoid betriebene Hochdruckkompressor 13 mit
dem Druckverteiler 5 eine Einheit bildet und beide in einem
gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist der Hochdruckkompressor 13 wiederum
mit einem Solenoid für den Antrieb 14 ausgestattet. Über
eine Steuer- und Stromzuführung 8 wird der Solenoid-Antrieb
für den Kompressor von dem Steuer- und Regelgerät 10 bei Bedarf
betätigt. Auf einen Hochdruckbehälter wie in der
ersten Ausführungsform der Erfindung wird hierbei verzichtet,
vielmehr werden die Reifen 4 mit ihrem Volumen als gemeinsamer
Hochdruckbehälter betrieben.
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Dazu
ist es erforderlich, dass wiederum ein zentraler Sensor 20 in
dem Druckverteiler 5 angeordnet ist und ein zentrales Reifendrucksteuerventil 21 ebenfalls
dort positioniert ist. Alternativ können bei der Ausführungsform
gemäß 2 auch die Hohlrohre der Achsen 31 als
Hochdruckspeicher dienen und jeder der Reifen 4 mit einem
mitrotierenden Reifendrucksteuerventil ausgestattet sein. Während auch
in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung der Solenoid
betriebene Hochdruckkompressor mit einem Systemdruck eines Zugfahrzeugs über eine
Mitteldruckleitung versorgt wird, ist es auch möglich,
einen Solenoid angetriebenen Kompressor für ein autarkes
Luftdruckversorgungssystem eines Fahrzeughängers 19,
wie es die nachfolgende 3 zeigt, einzusetzen.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines drei-achsigen Fahrzeuganhängers 19 mit
einem Reifendruckregelsystem 3 einer dritten Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung
ist die Niederdruckseite 15 des Solenoid angetriebenen
Hochdruckkompressors 13 mit der Umgebungsluft 18 verbunden,
die auf normalem Luftdruck liegen kann, wobei durch den elektrischen Antrieb 14 der
Hochdruckkompressor 13 über ein Luftaufbereitungssystem 6 und
ein Rückschlagventil 17 einen Hochdruckbehälter 12 auf
gleich bleibend hohem Druck hält.
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Wie
in 1 versorgt der in 3 gezeigte Hochdruckbehälter 12 einen
Druckverteiler 5. Jedoch ist die Druckluft mit Hilfe eines
Luftaufbereitungssystem 6 von Aerosolpartikeln gereinigt
und von Feuchtigkeit befreit, bevor sie in dem Hochdruckbehälter 12 gespeichert
wird. Schaltventile des Druckverteilers 5 stehen über
die Steuerleitung 9 mit dem Steuer- und Regelgerät 10 in
Wirkverbindung und erzeugen Druckimpulse bzw. Druckimpulssteuerflanken,
mit denen zumindest ein Reifend rucksteuerventil geschaltet wird.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Solenoid betriebenen
stationären Hochdruckkompressor 13 mit Tandemkolbenverdichterstruktur 22 für
ein Reifendruckregelsystem. Der Hochdruckkompressor 13 ist
in einem dreiteiligen zylindrischen Gehäuse 27 untergebracht,
das im linken Bereich einen ersten Kompressionsraum 32 eines
ersten Einzelkolbens 25 aufweist. An dem rechten Ende des
zylindrischen Gehäuses 27 ist ein zweiter Kompressionsraum 33 mit
einem zweiten Einzelkolben 26 angeordnet. Die beiden Einzelkolben 25 und 26 bilden
zusammen einen Tandemkolben 24, indem sie über
eine Verbindungsstange 35 miteinander fixiert sind. Diese
Verbindungsstange 35 weist einen sie umgebenden Permanentmagneten oder
Dauermagneten 36 auf, der mit einem zwischen den Kompressionskammern 32 und 33 angeordneten
Solenoid 23 zusammenwirkt.
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Wird
das Solenoid 23 von einem Strom durchflossen, so wird der
Dauermagnet 36 in den Bereich der Spule des Solenoids 23 eingezogen
und gleichzeitig der Einzelkolben 26 von der Verbindungsstange 35 in
Pfeilrichtung B bewegt, wodurch die Luft in dem Kompressionsraum 33 komprimiert wird
und bei Überschreiten eines bereits vorhandenen Druckes
in einem Hochdruckbehälter 12 über die Auslassventile 38 dem
Hochdruckbehälter 12 zugeführt wird.
Gleichzeitig wird mit der Bewegung in Richtung B des Tandemkolbens 24 der
Kompressionsraum 32 vergrößert und Umgebungsluft 18 über ein
Luftfiltersystem 90 und eines der Einlassventile 37 in
die erste Kompressionskammer 32 eingelassen.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird
lediglich prinzipiell die Wirkungsweise einer Umschaltelektronik 42 mit
Hilfe von Relaisschaltungen dargestellt. Dazu ragt in den Raum zwischen
dem Antriebsbereich 34 und dem zweiten Kompressionsraum 33 ein
Lagesensor 40 hinein, der in dieser Ausführungsform
der Erfindung elektromechanisch arbeitet, jedoch auch durch elektronische Lagesensoren
wie Hallgeneratoren oder induktive oder kapazitive Geber ersetzt
werden kann. Falls ein auf der Verbindungsstange 35 angeordnetes
Schaltelement 47 bei der Bewegung des Tandemkolbens 24 in
Richtung B den Anschlag 30 erreicht, wird der elektromechanische
Geber 41 in eine zweite Schaltposition umgelegt.
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Damit
wird der Stromdurchfluss durch das Solenoid 23 umgepolt
und der Dauermagnet 36 aus dem Spulenkern des Solenoids 23 in
eine entgegen gesetzte Richtung A beschleunigt, sodass nun die Luft
in dem Kompressionsraum 32 kombiniert wird. Wenn das auf
der Verbindungsstange 35 angeordnete Schaltelement 48 des
zweiten Einzelkolbens 26 nun den elektromechanischen Geber 41 erneut
umlegt und damit eine Stromumkehr in dem Solenoid 23 bewirkt,
erfolgt der Kompressionsreyklus erneut. Dieser Kompressor 13 kann
auch von einem Systemdruck eines Fahrzeugs ausgehend betrieben werden,
indem über eine Mitteldruckzuleitung 11 die Einlassventile 37 und
damit die Kompressionskammern 32 und 33 wechselseitig
mit gereinigter und vorkomprimierter Druckluft versorgt werden.
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5 zeigt
eine Prinzipskizze einer elektromechanischen Umschaltelektronik.
Eine derartige Umschaltelektronik 42 kann in gleicher Funktionsweise
auch mit einem Logikbaustein einer integrierten Schaltung und entsprechend
dimensionierten Leistungstransistoren zur Stromführung
durch die Spule realisiert werden. An stelle des elektromechanischen Gebers 41 können
auch Lagesensoren 40 eingesetzt werden, die berührungsfrei
arbeiten. Die Funktion der Umschaltung 42 ist jedoch mit
dieser hier gezeigten Relaisversion in einfacher Folge darstellbar.
Für die in 5 dargestellte Version ist zunächst
ein stromloser neutraler Zustand gezeigt, der jedoch hier nicht
gegeben ist, da der elektromechanische Geber 41 bistabil
ist und entweder in einer ersten Schaltposition 61 oder
in einer zweiten Schaltposition 62 verharrt, bis er durch
die Bewegung des Tandemkolbens umgeschaltet wird.
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Wenn
der Hauptschalter 59 durch das Steuer- und Regelgerät
betätigt wird, weil der Hochdruck in einem Hochdruckbehälter
aufzufrischen ist, und der elektromechanische Geber 41 die
erste Schaltposition 61 eingenommen hat, schiebt die stromdurchflossene
Relaisspule 57 die Schaltkontakte 63 und 64 in
eine Schließposition, so dass das Solenoid 23 in
einer ersten Stromrichtung durchflossen wird, bis eines der in 4 gezeigten
Schaltelemente, nämlich das Schaltelement 47,
den elektromechanischen Geber 41 umlegt, so dass dieser
in einer zweiten Schaltposition 62 die Relaisspule 57 stromlos setzt
und die Relaisspule 55 mit den Batteriepolen der Batterie 28 verbindet
und die Schaltkontakte 65 und 66 in ihre Schließposition
verbringt, womit ein Umschalten der Stromrichtung in dem Solenoid 23 verbunden
ist. Durch die Wechselwirkung zwischen Tandemkolben mit den Schaltelementen 47 und 48, die
in 4 gezeigt werden, und dem Schaltpositionswechsel
des elektromechanischen Gebers 41 wird somit der Tandemkolben
in dem zylindrischen Gehäuse 27, das in 4 gezeigt
wird, hin- und herbewegt und damit Luft in den in 4 gezeigten Kompressionsräumen 32 und 33 verdichtet.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung im Detail zur Reifendruckregelung
gemäß der ersten Ausführungsform der
Erfindung. Im Unterschied jedoch zur ersten Ausführungsform
der Erfindung wird hier der Reifendruck individuell für
jeden einzelnen Reifen 4 oder für eine Gruppe
von Reifen beispielsweise einer Achse dadurch geregelt, dass der
Reifen jeweils von einem mitrotierenden Reifendrucksteuerventil 21 versorgt
wird. Dabei ist es sinnvoll, den Reifendruck auch individuell mittels
mitrotierenden Drucksensoren 20 zu überwachen
und zu prüfen.
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In
dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß 6 ist
für die Übertragung der Sensormesswerte der mitrotierenden
Reifendrucksensoren 20 eine drahtlose Verbindung zwischen
einer nabenseitigen Sende- und Empfangseinheit 49 und einer
Sende- und Empfangseinheit 50 in dem Steuer- und Regelgerät
vorgesehen. Dieses Steuer- und Regelgerät 10 steuert über
Steuerleitungen 9 einzelne Schaltventile 51 bis 54,
beispielsweise den Druckluftbedarf für vier Achsen oder
vier Reifen, wobei die Schaltventile 51 bis 54 lediglich
schematisch für eine Anordnung mehrerer Schaltventile eines
Druckverteilers 5 stehen, die im Zusammenwirken mit den
Reifendrucksteuerventilen 21 in der Lage sind, sowohl während
der Fahrt den Reifendruck zu erhöhen als auch den Reifendruck
durch entsprechende Schaltstellungen der Schaltventile zu vermindern
oder auch die Reifendrucksteuerventile bei Erreichen eines Sollreifendruckes
abzusperren.
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Dieser
Reifendruck für die Hochdruckreifen 4 wird von
einem Hochdruckkompressor 13 zur Verfügung gestellt,
dessen Solenoid-Antrieb über die Steuer- und Stromzufuhrleitung 8 versorgt
wird. Dabei kann der Hochdruckkompressor 13 bei dieser Ausführung
gemäß 6 entweder an eine Mitteldruckzuleitung 11,
die ihn mit gereinigter und getrockneter Luft versorgt, angeschlossen
sein oder über ein Luftreinigungssystem 6 mit
der Umgebungsluft 18 in Wirkverbindung stehen. Alternativ
kann das Achsrohr 29 auch als Hochdruckbehälter
eingesetzt werden, jedoch ist dann der Druckverteiler 5 vorzugsweise
an der Radnabe 43 des Rades 56 mitrotierend angeordnet
und über eine mitrotierende Hochdruckleitung 46 mit
dem Reifendrucksteuerventil 21 pneumatisch verbunden.
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7 zeigt
ein schematisches Diagramm unterschiedlicher Betriebsphasen des
Reifendruckregelsystems gemäß den in den 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsformen. Dazu ist auf der Abszisse die Zeit t
aufgetragen, beginnend mit der Zeit t0 und
den weiteren Zeitstufen t1, t2,
t3, t4, t5 und t6. Auf der
Ordinate ist der Druck D aufgetragen, der mit RD das
Niveau des Reifendruckes des auf der rechten Seite des Diagramms
schematisch dargestellten Reifens 4 darstellt.
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Mit
HD wird der Bereich des Hochdrucks gekennzeichnet,
wie er in dem auf der rechten Seite des Bildes schematisch gezeichneten
Hochdruckbehälter 12 in den unterschiedlichen
Phasen vorhanden ist. Unterhalb des Reifendruckes RD ist
ein mittlerer Druck MD vorgesehen, der für
die übrigen Verbraucher eines Fahrzeugs, wie beispielsweise
der Bremsbetätigung, der Bremsverstärkung oder
der Lenkungsverstärkung, erforderlich ist. Dabei weist
jeder dieser drei Druckbereiche, nämlich der Mitteldruckbereich
MD, der Reifendruckbereich RD und
der Hochdruckbereich HD, einen oberen Wert
und einen unteren Wert auf. Die Abszisse des Diagramms liegt auf
einem Normaldruck ND, der in der Umgebung
des Fahrzeugs herrscht.
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In
der Anfangsphase I zwischen t0 und t1 wird angenommen, dass der Hochdruckbehälter 12 noch nicht
mit Hochdruck beladen ist und der Reifendruck seinen Sollreifendruck
RDS aufweist. Auch der Mitteldruck MD, der hier mit einer gestrichelten Linie
markiert ist, zeigt ein mittleres Niveau. Dabei soll dieses Diagramm
sowohl für den Fall, dass der Hochdruckkompressor mit dem
Normaldruck ND auf der Niederdruckseite
versorgt wird, was in diesem Diagramm in den Phasen I und II mit
einer durchgezogenen Kurve a gekennzeichnet ist, als auch für
den Fall, dass der Kompressor mit Solenoid-Antrieb mit einem Mitteldruck
MD auf seiner Niederdruckseite versorgt
wird, welches durch die Kurve b mit gestrichelten Linien in den
Phasen I und II markiert ist, gelten.
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In
der Phase II zwischen t1 und t2 wird
der Hochdruckkompressor durch Einschalten des Solenoid-Antriebs
in Betrieb genommen. Dabei steigt in Phase II der Druck gemäß Kurve
a vom Normaldruck ND auf den maximalen Druck
HDO in dem Druckbehälter 12 an
und wird von dem Drucksensor 58 im Hochdruckbehälter 12 überwacht.
Wird der Solenoid angetriebene Hochdruckkompressor niederdruckseitig an
den Mitteldruck MD eines Mitteldruckbehälters 7 oder
einer Mitteldruckzuleitung angeschlossen, so steigt in der Betriebsphase
II beim Einsetzen des Hochdruckkompressors dieser Druck auf der
Hochdruckseite des Kompressors auf den maximalen oberen Hochdruck
HDO gemäß der gestichelten
Kurve b. Dabei wird jedoch Luftdruck aus dem Mitteldruckbehälter 7 verbraucht,
so dass der Druck hier entsprechend der Kurve c leicht absinkt.
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Wird
darüber hinaus angenommen, dass in dieser Phase II auch
der Reifendruck gemäß der Kurve d auf einen Minimalwert
von RDU abnimmt, indem beispielsweise ein
Fahrbahnwechsel, ein Geschwindigkeitswechsel, ein Temperaturwechsel
oder ein Belastungswechsel in der Betriebsphase II auftritt, so kann
der Reifendruck RDU gemäß Kurve
d seinen tiefsten Punkt erreichen, wenn noch kein neuer Sollwert
festgelegt ist.
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In
der Phase III zwischen t2 und t3 wird
der Reifendruck RD auf einen neuen Sollwert
RDS mit Hilfe der Hochdruckluft aus dem
Hochdruckbehälter 12 aufgepumpt, so dass dieser
beispielsweise auf seinen minimalen Wert HDU absinkt.
Da in dieser Phase III der Mitteldruckbehälter 13 nicht
belastet wird, bleibt dort der Mitteldruck MD konstant,
wie es die Kurve c zeigt. In der Phase IV zwischen t3 und
t4 wird nun angenommen, dass der Reifendruck
RD auf seinem Sollwert liegt und beibehalten
werden kann, während durch die Wirkungsweise des Solenoid
betriebenen Hochdruckkompressors der Hochdruckbehälter 12 erneut
auf den höchsten Druck HDO aufgeladen
wird und dabei der Druck im Mitteldruckbehälter 7 sich
weiter durch den Luftdruckverbrauch vermindert. Dieser Luftdruckverbrauch
passiert jedoch nicht wie bei pneumatischen Antrieben aufgrund einer pneumatischen
Antriebskinematik, sondern lediglich aufgrund der Versorgung der
Komprimierungsräume des Luftdruckkompressors mit Tandemverdichterstrucktur.
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Da
der Hochdruckbehälter 12 in der Phase IV wieder
sein volles Druckvolumen aufweist, kann in der Phase V nun Druckluft
in den Mitteldruckbehälter 7 abgegeben werden,
bis auch dieser wieder seinen Sollwert erreicht hat. Falls es die äußeren
Randbedingungen erfordern, kann der Reifendruck RD auch genauso
gut erneut erhöht werden. In der letzten Phase VI wird
der Hochdruck in dem Hochdruckbehälter 12 beibehalten,
während der Reifendruck einen Maximalwert einnimmt und
zum Zeitpunkt t5 den höchstzulässigen
Druckwert erreicht hat und nun seinen Druck beispielsweise in den
Mitteldruckbehälter ableiten kann, was einer Energierückgewinnung
entspricht.
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8A bis 8C zeigen
schematische Querschnitte durch Reifendrucksteuerventile 60, 70 und 80.
Dazu zeigt 8A ein Reifendrucksteuerventil 80,
das über Druckflanken gesteuert werden kann und dazu eine
bistabile Tellerfeder 87 aufweist, die Bypassöffnungen 86 besitzt,
wobei ein Ventilkolben 84 durch eine Schließfeder 85 und
die Tellerfeder 87 auf einen Ventilsitz 83 gepresst
wird. Damit wird die Einlassöffnung 81 des Reifendrucksteuerventils 80 durch
die Federkräfte von Tellerfeder 87 und Schließfeder 85 in
einer Schließposition gehalten. Die Auslassöffnung 82,
die zum Reifen hin gerichtet ist, wird somit ebenfalls verschlossen
gehalten. Da die Tellerfeder 87 ein bistabiles Bauelement
ist, das zwei stabile Positionen aufweist, wird bei einer entsprechenden
Druckflanke oder einem Druckimpuls an der Einlassöffnung 81 die
Tellerfeder 87 in ihre zweite stabile Position verbracht
und das Ventil gegen die Kraft von der Schließfeder 85 und
der Tellerfeder 87 geöffnet.
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Dabei
wird die Schließfeder 85 zusammengepresst und
die Tellerfeder 87 in ihre zweite stabile Position gepresst. Über
die Bypassöffnungen 86 in der Tellerfeder 87 kann
nun Druckluft über die Auslassöffnung 82 in
den Reifen gepumpt werden, wobei in dieser zweiten stabilen Position
der Tellerfeder 87 auch Überdruck aus dem Reifen über
die Auslassöffnung 82 und den Bypass 86 sowie
die Einlassöffnung 81 abgegeben werden kann, solange
an der Einlassöffnung 81 keine steile Druckabstiegsflanke
anliegt. In dem Augenblick, in dem eine steile Druckabstiegsflanke
an der Einlassöffnung 81 steht, fällt
die Tellerfeder 87 in ihre erste stabile Position zurück
und das Reifendrucksteuerventil 80 schließt, indem
der Ventilkolben 84 auf den Ventilsitz 83 gepresst
wird, wie es in 8A gezeigt wird.
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8B zeigt
ein Reifendrucksteuerventil 60, wobei Komponenten mit gleichen
Funktionen wie in 8A mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet werden und nicht extra erörtert werden.
Die bistabile Position für den Ventilkolben 84 wird
diesmal nicht mit einer Tellerfeder erreicht, sondern mit einem
Permanentmagneten 67, der nach Anlegen eines Druckimpulses
an die Einlassöffnung 81 den Kolben 84 in einer
Offenposition hält, wobei die Schließfeder 85 zusammengepresst
wird und eine Gegenkraft erzeugt, die jedoch nicht ausreicht, um
den Ventilkolben 84 zurück in die Schließposition
zu bringen, solange an der Einlassöffnung 81 kein steiler
Druckabfall auftritt. Somit kann nicht nur über die Einlassöffnung 81 Druckluft
in den Reifen über die Auslassöffnung 82 gepumpt
werden, sondern auch Druckluft aus dem Reifen über die
Auslassöffnung 82 und die Einlassöffnung 81 an
das Energiemanagement des Fahrzeugs zurückgegeben werden.
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8C zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Reifendrucksteuerventil 70,
bei dem die Bistabilität des Ventilkolbens 84 durch
zwei unterschiedliche Schraubenfedern erreicht wird, nämlich
der Schließfeder 85, gegen die mit einer schwächeren
Federkraft eine Haltefeder 77 drückt. Sobald ein
Druckimpuls z. B. eine Druckanstiegsflanke an der Einlassöffnung 81 anliegt,
wird der Ventilkolben 84 gegen einen Arretierungssitz 78 gepresst,
so dass durch den Bypass 86 entweder Druckluft in Richtung
auf die Auslassöffnung 82 in den dort nicht gezeigten
Reifen strömen kann oder umgekehrt in Richtung auf die
Einlassöffnung 81 aus dem Reifen abgegeben werden
kann, solange keine steile Druckabstiegsflanke an der Einlassöffnung 81 anliegt.
Durch das Anlegen einer derartig steilen Druckabstiegsflanke an
die Einlassöffnung 81 fällt der Ventilkolben 84 in
seine Schließstellung auf dem Ventilsitz 83 zurück,
so dass das Reifendrucksteuerventil geschlossen ist.
-
Verbesserungen
des Reifendrucksteuerventils können durch einen verbesserten
Ventilsitz beispielsweise mittels gummielastischen Dichtelementen
oder durch Verlegen des Bypasses aus dem Ventilkolben oder der Tellerfeder
in den Bereich des Ventilgehäuses erfolgen.
-
- 1
- Reifendruckregelsystem
- 2
- Reifendruckregelsystem
- 3
- Reifendruckregelsystem
- 4
- Reifen
- 5
- Druckverteiler
- 6
- Luftaufbereitungssystem
- 7
- Mitteldruckbehälter
- 8
- Steuer-
und Stromzufuhr
- 9
- Steuerleitung
für 10
- 10
- Steuer-
und Regelgerät
- 11
- Mitteldruckzuleitung
- 12
- Hochdruckbehälter
- 13
- Hochdruckkompressor
- 14
- elektrischer
Antrieb
- 15
- Niederdruckseite
von 13
- 16
- Hochdruckseite
von 13
- 17
- Rückschlagventil
- 18
- Umgebungsluft
- 19
- Fahrzeuganhänger
- 20
- Reifendrucksensor
- 21
- Reifendrucksteuerventil
- 22
- Tandemkolbenverdichterstruktur
- 23
- Solenoid
- 24
- Tandemkolben
- 25
- erster
Einzelkolben
- 26
- zweiter
Einzelkolben
- 27
- zylindrisches
Gehäuse
- 28
- Batterie
bzw. Gleichstromquelle
- 29
- Achsrohr
- 30
- Anschlag
- 31
- Achse
- 32
- erster
Kompressionsraum
- 33
- zweiter
Kompressionsraum
- 34
- Antriebsbereich
- 35
- Verbindungsstange
- 36
- Dauermagnet
- 37
- Einlassventil
- 38
- Auslassventil
- 39
- Anschlag
- 40
- Lagesensor
- 41
- elektronischer
Geber
- 42
- Umschaltelektronik
- 43
- Radnabe
- 44
- Hochdruckleitung
- 45
- gestrichelte
Linie
- 46
- mitrotierende
Hochdruckleitung
- 47
- Schaltelement
- 48
- Schaltelement
- 49
- Sender
- 50
- Empfänger
- 51
- Schaltventil
- 52
- Schaltventil
- 53
- Schaltventil
- 54
- Schaltventil
- 55
- Relaisspule
- 56
- Fahrzeugrad
- 57
- Relaisspule
- 58
- Drucksensor
- 59
- Hauptschalter
- 60
- Reifendrucksteuerventil
(Ausführungsform)
- 61
- erste
Schaltposition
- 62
- zweite
Schaltposition
- 63
- Schaltkontakt
- 64
- Schaltkontakt
- 65
- Schaltkontakt
- 66
- Schaltkontakt
- 67
- Permanentmagnet
- 70
- Reifendrucksteuerventil
(Ausführungsform)
- 77
- Haltefeder
- 78
- Arretierungssitz
- 80
- Reifendrucksteuerventil
(Ausführungsform)
- 81
- Einlassöffnung
- 82
- Auslassöffnung
- 83
- Ventilsitz
- 84
- Ventilkolben
- 85
- Schließfeder
- 86
- Bypass
- 87
- stabile
Tellerfedersperre
- 90
- Luftfiltersystem
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1236588 [0002]
- - US 6269691 B1 [0007]