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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil für selbsttätige Druckluftbremsen zur Bildung eines Bremszylinderdruckes nach Maßgabe einer Druckdifferenz zwischen einem Druck in der durchgehenden Hauptluftleitung eines Zuges und einem gespeicherten Referenzdruck, der vom Druck in der Hauptluftleitung abgeleitet ist.
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Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist der Schienenfahrzeugbau. Schienenfahrzeuge haben meist eine selbsttätige (automatische) Druckluftbremse, bei der die Absenkung des Druckes in einer Hauptluftleitung ausgehend von einem Regelbetriebsdruck die Ausbildung eines Bremszylinderdruckes hervorruft. Die Übertragungsfunktion vom sinkenden Druck in der Hauptluftleitung zum steigenden Bremszylinderdruck und umgekehrt wird von Steuerventilen ausgeführt.
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Daneben haben Steuerventile weitere Funktionen, die mit der Füllung, dem Abschluss und der Entlüftung von Volumen mit gespeicherter Druckluft, mit der Einstellung bestimmter statischer Kennlinien des Bremszylinderdruckes und mit der Beschleunigung der Übertragung von als Druckhöhe kodierten Signalen in der Hauptluftleitung zusammenhängen. Schließlich kommen Funktionen hinzu, die auch bei schneller und starker Änderung des Druckes in der Hauptluftleitung eine nur allmähliche Änderung des Druckes in den Bremszylindern sichern, um den auftretenden Ruck an den Fahrzeugen und die Längskräfte innerhalb des Zuges zu begrenzen.
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Aus dem Fachbuch Asadtschenko, V. R.: Avtomatitscheskije Tormosa podvishnogo Sostawa sheleznogo Transports (russ.), Moskau 2002, Seite 71 ff geht das allgemeine Prinzip eines Steuerventils hervor. Das Steuerventil ist gewöhnlich an einem Ventilträger angebracht und die notwendigen Druckluftverbindungen werden mit den betreffenden Anschlüssen am Ventilträger hergestellt. Innerhalb des Trägers befinden sich Kammern für einen Steuerdruck S (Schieberkammer-Druck) und den Referenzdruck A. Das Steuerventil besteht hier aus einem Hauptteil und einem Leitungsteil. Die Erzeugung des Bremszylinderdruckes obliegt dem Hauptteil, während das Leitungsteil den Steuerdruck S erzeugt.
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Beide Drücke, A und S, dienen zur Steuerung des Hauptteils, wobei der Druck A beim Anlegen der Bremse die Referenz zum Regelbetriebsdruck, also des ursprünglichen Druckes in der Hauptluftleitung in Fahrtstellung, der Druck S die zeitkorrigierte Referenz zum aktuellen Druck in der Hauptluftleitung während der Bremsung herstellt Wesentliche Bestandteile des Hauptteils sind ein Steuerkolben, eine auf diesen wirkende Druckfeder, ein integriertes Doppelsitzventil zum Be- oder Entlüften des angeschlossenen Bremszylinders sowie ein Ausgleichskolben, der vom Bremszylinderdruck gegen die Kraft zweier einstellbarer Druckfedern bewegt wird, wobei eine dieser Druckfedern mit über ein exzentrisches Element, welches Bestandteil des Steuerventilträgers ist, in drei Positionen zustellbar ist, Diese Positionen dienen der Einstellung unterschiedlicher Bremszylinderdrücke für ein leeres Fahrzeug, ein Fahrzeug mittlerer Beladung oder eines beladenen Fahrzeuges.
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Weiter sind ein Einlassventil zur Füllung des Bremszylinders aus einem Vorratsluftbehälter und ein Auslassventil zur Entlüftung des Bremszylinders in die Atmosphäre vorhanden.
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Beim Bremsen wird der Druck in der Hauptluftleitung abgesenkt. Dementsprechend sinkt auch der am Steuerkolben anstehende Druck S, während der gegenüberliegende Referenzdruck A im Wesentlichen unverändert bleibt. Die resultierende Bewegung des Steuerkolbens gegen die Druckfeder führt zu einem Öffnen des Einlassventils. Dabei strömt Druckluft aus einem Reservoir über Querbohrungen einer hohl gebohrten Kolbenstange des Steuerkolbens zum Einlassventil und über dieses zum Bremszylinder.
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Der sich einstellende Bremszylinderdruck wird dadurch bestimmt, dass der Ausgleichskolben unter der Wirkung des entstehenden Bremszylinderdruckes ausweicht, bis das Einlassventil wieder schließt. Welcher Druck sich einstellt, hängt von der Stellung der Druckfedern am Ausgleichskolben ab, die durch das exzentrische Element im Träger des Steuerventils handbedient umstellbar sind.
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Wesentliche Bestandteile des mit dem Hauptteil korrespondierenden Leitungsteils sind ein Steuerkolben, welcher durch den Druck aus der Hauptluftleitung L und den Steuerdruck S beaufschlagt ist. Weiter ist ein Ventil der zusätzlichen Entlüftung der Hauptluftleitung vorhanden. Die zusätzliche Entlüftung der Hauptluftleitung durch das Steuerventil dient der Beschleunigung der Druckänderung in langen Zügen, da die Druckänderung allein durch ein an der Zugspitze befindliches Führerbremsventil keine ausreichend schnelle Wirkung im ganzen Zug entfalten kann. Die aus diesem Ventil austretende Druckluft wird über einen Kanal der zusätzlichen Entlüftung dem Hauptteil zugeführt und trifft dort auf die Einrichtung, welche den Kanal nach dem Beginn der Bremsung abschließt, um die zusätzliche Entlüftung auf das richtige Maß zu begrenzen.
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Der Steuerkolben des Leitungsteils ist gewöhnlich als ein Membrankolben ausgeführt, welcher außenradial ortsfest am Gehäuse befestigt ist und im Zentrum an einer Kolbenstange fixiert ist, welche das Ventil der zusätzlichen Entlüftung betätigt. Da der Membrankolben starken Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, kann das Elastomermaterial im Laufe der Zeit brüchig werden, so dass frühzeitig eine Reparatur erforderlich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerventil mit einem als Membrankolben ausgebildeten Steuerkolben des Leitungsteils dahingehend weiter zu verbessern, dass mit geringem technischen Aufwand eine lange Lebensdauer erzielt wird.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Steuerventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Steuerkolben des Leitungsteils eine aus einem Elastomermaterial bestehende Topfmembran aufweist, welche durch an beide Seitenflächen hieran zur Anlage kommende und an der Kolbenstange befestigte Druckteller gestützt ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass der Elastomermembran dank der beiden Druckteller bei Druckbeaufschlagung eine Stützkontur zugeordnet wird, welche ein übermäßiges Durchbiegen der Topfmembran sowie eine hohe Wechselbeanspruchung während des Betriebs verhindert. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer der Topfmembran erheblich.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Topfmembran einen zentralen Durchbruch für die Befestigung der Kolbenstange aufweist, an dem ein innerer Materialverstärkungsring angeformt ist. Der innere Materialverstärkungsring besitzt vorzugsweise eine 1,5 bis 2-fache Dicke gegenüber der normalen Membrandicke, welche an dem inneren Materialverstärkungsring angrenzt. Durch den inneren Materialverstärkungsring erfolgt eine lokale Materialverstärkung an der Stelle der Einspannung der Kolbenstange, wodurch auch eine optimale Verpressung im inneren Einspannbereich erzielt wird. Materialverschleiß an der Einspannstelle wird hierdurch entgegengewirkt.
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Analog hierzu kann die Topfmembran auch im Randbereich einen äußeren Materialverstärkungsring aufweisen, welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 2 bis 4-fach dicker ist als die normale Membrandicke. Hierdurch wird auch die äußere Einspannung der Topfmembran widerstandsfähiger.
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Gemäß einer diesen Aspekt weiterbildenden optionalen Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der äußere Materialverstärkungsring gleichzeitig auch eine statische Gehäusedichtung zwischen einem Gehäuseoberteil und einem Gehäuseunterteil des Leitungsteils des Steuerventils bildet. Somit kann an dieser Stelle auf eine separate Ringdichtung verzichtet werden. Der äußere Materialverstärkungsring wird vorzugsweise in eine korrespondierende Ausnehmung zwischen Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil eingelegt und bei der Montage von Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil verspannt.
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Versuche haben ergeben, dass eine lange Lebensdauer der Topfmembran erzielt wird, wenn der Durchmesser der Bodenfläche ca. 6 bis 10-fach größer als die Höhe der Mantelfläche der Topfmembran ist. Durch diese Größenverhältnisse werden die während des Betriebes auftretenden Spannungen gering gehalten und es wird ein hinreichend großer Kolbenhub erzielt.
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Die beiden die Topfmembran beidseitig stützenden Druckteller bestehen vorzugsweise aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, die als Schmiedeteile gefertigt sind. Die geschmiedeten Druckteller gewährleisten ein Höchstmaß an Festigkeit gepaart mit minimalem Einsatzgewicht.
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Zur weiteren Erhöhung der Festigkeit der geschmiedeten Druckteller wird vorgeschlagen, dass diese auf der der Topfmembran abgewandten Seite mehrere radial verlaufende Verstärkungsrippen aufweisen.
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Ferner kann auch seitens des Ventilgehäuses eine Stützkontur für die Topfmembran erzeugt werden, welche vorzugsweise auf beiden Seiten der Topfmembran im Ventilgehäuse ausgebildet ist.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein pneumatisches Steuerventil als Stellglied für eine geregelte Druckluftbeaufschlagung eines Bremszylinders nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Steuerkolbens mit Kolbenstange,
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3 einen Detailschnitt im Bereich der außenradialen Einspannstelle der Topfmembran im Gehäuse, und
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4 einen Längsschnitt durch die Topfmembran gemäß 2.
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Gemäß 1 besteht ein Steuerventil aus einem Hauptteil 1, einem Träger 2 und einem Leitungsteil 3. Es ist an einem hier nicht dargestellten Schienenfahrzeug montiert. Am Träger 2 sind Verbindungen zu einem Bremszylinder 4, einem Vorratsluftbehälter 5 und einer Hauptluftleitung 6 angeschlossen.
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Im Träger 2 oder an diesen angeschlossen sind je ein Volumen 23 für einen Steuerdruck S und 24 für einen Referenzdruck A. Weiter enthält der Träger 2 Verbindungen für den Druck R aus dem Vorratsluftbehälter 5 und einen Kanal der zusätzlichen Entlüftung KZE zur Leitung von Druckluft zwischen dem Hauptteil 1 und dem Leitungsteil 3.
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An einer beliebigen Stelle des Steuerventils befinden sich ein nicht dargestelltes Rückschlagventil zur Füllung des Vorratsluftbehälters 5 aus der Hauptluftleitung 6, sowie ein Ventil zur manuellen Entlüftung des Referenzdruckes A.
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Das Leitungsteil 3 dient dazu, mit nicht näher dargestellten Mitteln aus dem Druck der Hauptluftleitung L den Steuerdruck S und den Referenzdruck A abzuleiten, welche an das Hauptteil 1 weitergeleitet werden. Weiterhin steuert das Leitungsteil 3 bei Beginn einer Bremsung eine Verbindung von der Hauptluftleitung L zum Kanal der zusätzlichen Entlüftung KZE.
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Das Hauptteil 1 beinhaltet in einem Ventilgehäuse 9 einen Steuerkolben 7, einen Ausgleichskolben 8, ein Doppelsitzventil 10, ein Ventil 11 für den Abschluss des Kanals KZE und eine Verstelleinrichtung 12 für die Einstellung der Laststellung des Steuerventils sowie weitere Elemente wie Druckfedern, Siebe (Filter) und Dichtungen. Das Doppelsitzventil 10 besteht aus einen Auslassventil 101, einem Ventilkörper 102, einem Einlassventil 103 und einer Druckfeder 104.
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Der Steuerkolben 7 ist durch die gegenüberliegenden Drücke A und S belastet, auf der Seite des S-Druckes wirkt eine Druckfeder 13. Er arbeitet mit einer Dichtung 14 zusammen, welche beide Drücke gegeneinander abdichtet. Zu dieser Dichtung ist ein Bypass über eine Düse 15 wirksam, solange der Steuerkolben 7 sich nahe seiner Ausgangslage befindet. Die Dichtung 14 befindet sich im Ventilgehäuse 9 und die Düse 15 im Steuerkolben 7.
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Der Steuerkolben 7 besitzt weiter eine Kolbenstange 16, die zwischen zwei Dichtungen 17 und 18 eine oder mehrere Querbohrungen 28 aufweist, die in eine Längsbohrung 27 mündet, welche sich bis zum Doppelsitzventil 10 fortsetzt. In Ausgangsstellung liegen die Querbohrungen 28 nur durch einen Freiraum getrennt einer Zuführung 25 der Druckluft aus dem Vorratsluftbehälter 5 gegenüber.
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Die Kolbenstange 16 ist gegenüber dem Ventilgehäuse 9 über eine Gleitbuchse 26 axial geführt.
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Am Ende der Kolbenstange 16 befindet sich das Doppelsitzventil 10, welches den Druck aus dem Vorratsluftbehälter R in den Bremszylinder 4, Druck C, einlässt oder aus diesem in die Umgebung 4 auslässt.
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Der Ausgleichskolben 8 wird durch den Druck C aus dem Bremszylinder 4 belastet, ihm gegenüber steht der Umgebungsdruck 0. Auf der Seite des Umgebungsdruckes befindet sich eine oder mehrere Druckfedern 19, 20. Mindestens eine der Druckfedern kann durch die Verstelleinrichtung 12 in Richtung des Ausgleichskolbens 8 verstellt werden. Die Wirkungsweise der Anordnung beim Bremsen des Schienenfahrzeuges ist folgende:
Zum Bremsen wird durch den Lokführer oder andere Mittel der Druck in der Hauptluftleitung, ausgehend von einem Regelbetriebsdruck, abgesenkt. Diese Absenkung wird durch das Leitungsteil 3 auf den Steuerdruck S übertragen, der Referenzdruck A bleibt zunächst unverändert. Ist die Drucksenkung ausreichend schnell und stark, um die Wirkung des Druckausgleich über die Düse 15 sowie die Anfangskraft der Druckfeder 13 zu überwinden, kommt es zu einer Bewegung des Steuerkolbens 7 in Richtung des Ausgleichskolbens 8. Diese Bewegung ist gerade so groß, dass ein Gleichgewicht von Druck- und Federkräften am Steuerkolben 7 wieder hergestellt wird. Durch die Annäherung der Kolben kommt es zu einer Berührung des Auslassventils 101 mit dem Ventilkörper 102 des Doppelsitzventils 10.
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Bei einer weiteren Bewegung in diese Richtung hebt der Ventilkörper 102 vom Einlassventilsitz 103 ab, so dass Druckluft aus dem Vorratsluftbehälter 5 über die Zuführung 25, die Querbohrungen 28 und die Bohrung 27 in der Kolbenstange 16 zum Bremszylinder 4 strömen kann.
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Eine der Funktionen des Leitungsteils 1 besteht darin, bei Beginn einer Bremsung eine Verbindung von der Hauptluftleitung 2 zum Kanal der zusätzlichen Entlüftung KZE zu öffnen. Dadurch strömt Druckluft aus der Hauptluftleitung L über den Kanal KZE und das geöffnete Ventil 111 zum Bremszylinder und, solange das Auslassventil 102 noch geöffnet ist, gleichzeitig auch in die Umgebung 0.
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Infolge des Ansteigens der Druckdifferenz A–S bewegt sich der die Kolbenstange 16 mit dem Anschlag 115, der Stange 114 und dem Ventilkörper 111 nach unten bis sich letzterer auf den Ventilsitz 113 setzt und das Ventil somit geschlossen ist. Bei einem weiteren Hub des Kolbens 7 kommen die genannten Teile außer Eingriff und es entsteht ein Spiel zwischen Stange 114 und Anschlag 115 oder zwischen Stange 114 und Ventilkörper 111.
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Damit ist das Ausströmen von Druckluft aus der Hauptluftleitung L bei Bremsbeginn auf diesem Weg unterbrochen, wobei sich die durch Druckfeder 13 und Fläche des Steuerkolbens 7 bestimmte Druckdifferenz A–S, somit auch ein vorbestimmter anfänglicher Bremszylinderdruck eingestellt hat. Diese Funktion dient der Beschleunigung der Fortpflanzung der Druckabsenkung in der Hauptluftleitung L auf der Zuglänge und sichert ein schnelles und richtig dosiertes erstes Anlegen der Bremse.
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Der sich aufbauende Druck C übt eine Kraft auf den Ausgleichskolben 8 aus, der sich bis zur Erreichung eines Kräftegleichgewichts mit der Kraft der Druckfedern 19, 20 bewegt. Somit entspricht jede Bremsstufe, durch den Wert der Absenkung des Druckes in der Hauptluftleitung L gesteuert, einem bestimmten Weg des Steuerkolbens 7. Sobald der vorbestimmte Bremsdruck C erreicht ist, hat auch der Ausgleichskolben 8 eine entsprechende Bewegung ausgeführt – nach welcher sowohl Ein- als auch Auslassventil geschlossen sind (Abschlussstellung).
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Die Verstelleinrichtung 12 für die Einstellung der Laststellung des Steuerventils besteht aus einer Welle 121, welche ein exzentrisches Element 122 trägt. Die Welle kann von einer Seite des Steuerventils durch einen Bediensteten der Eisenbahn gedreht werden, um das Steuerventil an die aktuelle Beladung des Wagens anzupassen. Dabei wird das exzentrische Element an einen Anschlag für die Druckfeder 19 angenähert oder von dieser entfernt. Dies hat zur Folge, dass bei gleichem Weg des Ausgleichskolbens 8 durch die Druckfeder 13 eine größere oder eine kleinere Kraft ausgeübt wird. Insbesondere kann die Druckfeder 19 in der entfernten Position „leer” einen Abstand zum Ausgleichskolben 8 aufweisen, der auf dem ganzen möglichen Arbeitshub das Entstehen einer Federkraft verhindert.
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Wie bereits beschrieben, entspricht der Bremszylinderdruck C infolge des Kräftegleichgewichtes am Ausgleichskolben 8 der auf die Kolbenfläche bezogenen Kraft der Druckfedern. Somit kann eine hohe Federkraft zur Erzielung eines hohen Bremszylinderdruckes C für ein beladenes Fahrzeug eingestellt werden, für ein leeres oder teilbeladenes Fahrzeug durch entgegengesetzte Verstellung des exzentrischen Elementes 122 eine geringere.
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Die Verminderung des Bremszylinderdruckes C zum Lösen der Bremse erfolgt, gesteuert durch ansteigenden Druck in der Hauptluftleitung L und/oder abfallenden Druck A, in umgekehrte Richtung. Nahe der Ausgangsstellung öffnet das Ventil 11 für den Abschluss des Kanals KZE wieder. Das Steuerventil ist dann für ein erneutes beschleunigtes Einbremsen bereit, sobald das Leitungsteil 3 einen Bremsbeginn erkennt und den Weg für die Druckluft aus der Hauptluftleitung L zum Kanal KZE freigibt.
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Das Leitungsteil 3 beinhaltete einen Steuerkolben 31, von dem aus eine Kolbenstange 32 zur Betätigung eines Ventils 34 ausgeht. Der Steuerkolben 31 ist von einer Seite her durch den Steuerdruck S beaufschlagt und von der gegenüberliegenden Seite wirkt der Hauptluftleitungsdruck L auf den Steuerkolben 31. Zusätzlich zum Steuerdruck S ist der Steuerkolben 31 mit einer Druckfeder 33 belastet.
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Gemäß 2 besteht der Steuerkolben 31 im Wesentlichen aus einer elastomeren Topfmembran 34, welche durch zu beiden Seiten hieran angeordnete Druckteller 35 und 36 gestützt ist. Durch die Druckteller 35 und 36 verläuft im montierten Zustand die Kolbenstange 32. Über eine Verschraubung 38 werden die beiden Druckteller 35 und 36 miteinander verschraubt, wobei die Topfmembran 34 dazwischen eingespannt wird. Jeder Druckteller 35 und 36 weist an der der Topfmembran 34 abgewandten Seite mehrere radial verlaufende Verstärkungsrippen 42 auf.
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Gemäß 3 weist die Topfmembran 34 im Randbereich einen äußeren Materialverstärkungsring 39 auf. Der äußere Materialverstärkungsring 39 bildet auch eine statische Gehäuseabdichtung zwischen einem Gehäuseoberteil 40 und einem Gehäuseunterteil 41 des – nicht weiter dargestellten – Leitungsteils 3.
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Sowohl das Gehäuseoberteil 40 als auch das Gehäuseunterteil 41 weist im Anlagebereich der Topfmembran 34 eine gehäuseseitige Stützkontur 42 bzw. 43 auf. Durch die Stützkontur 42 und 43 wird der Bewegungsbereich der Topfmembran 34 entlang des Hubs begrenzt.
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Gemäß 4 weist die Topfmembran 34 neben dem äußeren Materialverstärkungsring 39 auch einen inneren Materialverstärkungsring 44 auf. Der innere Materialverstärkungsring 44 ist um einen zentralen Durchbruch 45 der Topfmembran für die Befestigung der – nicht weiter dargestellten – Kolbenstange 32 vorgesehen. Der innere Materialverstärkungsring 44 und der äußere Materialverstärkungsring 39 dienen einer Erhöhung der Dauerbelastbarkeit der Topfmembran 34. Hierzu tragen auch die geometrischen Abmessungen der Topfmembran 34 bei, nach welchen der Durchmesser der Bodenfläche 46 der Topfmembran 34 um das ca. 7 bis 9-fache größer als die Höhe der Mantelfläche 47 dimensioniert ist.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass andere innerhalb des Steuerventils befindliche Steuerkolben mit Hilfe einer erfindungsgemäß durch die beiden Druckteller verstärkten Topfmembran ausgebildet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Asadtschenko, V. R.: Avtomatitscheskije Tormosa podvishnogo Sostawa sheleznogo Transports (russ.), Moskau 2002, Seite 71 ff [0004]
