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Die Erfindung betrifft ein Membranventil mit einer randseitig zwischen zwei Gehäuseteilen eingespannten und zwei benachbarte Druckräume voneinander abtrennenden Elastomermembran, welche per Druckluftbeaufschlagung eine koaxial hieran angeordnete Kolbenstange axial betätigt.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf pneumatische Systeme, insbesondere pneumatische Bremssysteme für Fahrzeuge, deren Druck mit einem derartigen Ventil gesteuert wird. Im Rahmen pneumatischer Bremssysteme für den Schienenfahrzeugbau kann ein Membranventil beispielsweise als Relaisventil zum Einsatz kommen.
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Ein Relaisventil überträgt einen in einem Vorsteuerraum erzeugten Druckverlauf phasengleich auf ein größeres Volumen. Die Höhe des Druckes kann dabei gleich oder proportional dem Druck im Vorsteuerraum sein. Relaisventile mit zwei geschwindigkeits- oder stellungsabhängigen Druckstufen werden auch als Druckübersetzer bezeichnet.
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Bei einem Membranventil kann die Elastomermembran beidseits mit einem Druck beaufschlagt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass nur eine der beiden Druckräume druckluftbeaufschlagt wird, wogegen der gegenüberliegende Raum drucklos ist. In diesem Fall ist die Elastomermembran über eine Rückstellfeder in eine definierte Ausgangslage bringbar, wenn der einzige Druckraum entlüftet wird. Durch die einfach wirkende oder doppelt wirkende Druckbeaufschlagung der Elastomermembran wird in der Regel eine Kolbenstange axial bewegt, welche eine Ventilmechanik zur Steuerung eines Druckluftflusses betätigt.
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Aus der
DE 1 911 380 A1 geht ein gattungsgemäßes Memranventil hervor. Das Membranventil ist Bestandteil eines Bremskraftverteilers, der ein geteiltes Gehäuse aufweist, in welchem eine Elastomermembran eingespannt ist. Die Elastomermembran betätigt einen koaxial hierzu angeordneten Differentialkolben, welcher eine Ventilmechanik schaltet. Die Elastomermembran wird entweder von einem konstanten Vorratsbehälterdruck der Lufterzeugungsanlage beaufschlagt, oder aber direkt von einem veränderlichen, in Federelementen herrschenden Druck. Letzterenfalls ist die Lage des Schaltpunktes der Ventilmechanik, also der Beginn der Verschiebung des Differentialkolbens, vom jeweiligen Beladungszustand des Fahrzeuges abhängig. Die Elastomermembran wird in einem aus zwei Blechumformteilen bestehenden Gehäuse eingespannt, und ist entlang der außenradialen Einspannstelle materialverstärkt. Die Materialverstärkung ist in Form einer sich von beiden Seitenflächen aus erstreckenden Wulst ausgebildet.
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Zum Schutz der Elastomermembran vor Beschädigungen durch Risse und Brüche weist die Kolbenstange einen Stützteller auf, der zu einer Seite an der Elastomermembran zur Anlage kommt. Da derartige Mittel jedoch in den Übergangs- und Randzonen der Elastomermembran fehlen, kann aufgrund einer hohen Wechselbeanspruchung und Versprödung des Materials nach längerer Betriebszeit eine Beschädigung eintreten.
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Aus der
WO 2010/0012425 A1 geht eine technische Lösung hervor, bei welcher eine Beschädigung einer biegsamen Elastomermembran durch Risse und Brüche im Übergangs- oder Randbereich dadurch vermieden wird, dass seitens des einen Gehäuseteils eine gewölbte Stützkontur eingebracht ist, an welcher die obere Membranfläche der Elastomermembran in der oberen Anschlagposition flächig zur Anlage kommt. Die gewölbte Stützkontur beginnt dabei direkt am Übergang zwischen einer außenradialen Dichtwulst und der Membranfläche und erstreckt sich nach radial innen hin kantenfrei bis zum Rand einer zentralen Anschlussausnehmung für den Steuerdruck. Die untere Membranfläche der Elastomermembran ist durch einen ortsfest zum Gehäuse angeordneten Stützring abgestützt. Trotz der aufwändig geformten Stützkontur besteht eine eingeschränkte radiale Bewegungsfreiheit der Elastomermembran, da diese außenradial über eine Dichtwulst fest im Gehäuse eingespannt ist, so dass der Kolbenstangenhub durch diese Einspannstelle limitiert ist und die in Radialrichtung wirkenden Materialbeanspruchungen die Lebensdauer der Elastomermembran beeinträchtigen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Memranventil mit einer gehäuseseitig eingespannten Elastomermembran zu schaffen, das eine einfache konstruktive Gestaltung aufweist und den radialen Materialbeanspruchungen widersteht.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Membranventil gemäß dem Oberbegriff gemäß dem 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 die Elastomermembran des Membranventils außenradial zwischen zwei je einer der Gehäusehälften zugeordneten gegenüberliegenden Dichtkanten eingespannt ist, welche jeweils an sich zueinander streckenden ringförmigen Materialanformungen der Gehäusehälften angeformt sind.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die äußere Einspannung der Elastomermembran lediglich über die beiden schmalen einander gegenüberliegenden Dichtkanten erfolgt, so dass die Elastomermembran eine hinreichende radiale Bewegungsfreiheit erhält, um die in dieser Richtung wirkenden Beanspruchungen zu kompensieren. Hierdurch ist die Elastomermembran sehr leichtgängig und weist einen geringen Verformungswiderstand auf. Die Abdichtung der beiden gegenüberliegend an der Elastomermembran vorzugsweise angrenzenden Druckräume wirkt an den beiden gegenüberliegenden Dichtkanten druckverstärkend und damit selbstverstärkend. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Elastomermembran als auch deren äußere Einspannung mit einfachen Geometrien unter geringem fertigungstechnischen Aufwand herstellen.
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Vorzugsweise weisen beide miteinander korrespondierenden ringförmigen Materialanformungen seitens beider Gehäuseteile einen im Wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt auf. Dies bedeutet, dass die einander gegenüberliegenden Dichtkanten eine Dichtlinie bilden und sich von hier aus in Richtung des Gehäuseteils erweitert. Hierdurch werden stabile Dichtkanten geschaffen, welche vorzugsweise im Kantenbereich mit einer Abflachung versehen sind, die an der Elastomermembran zur Anlage kommt. Hierdurch wird verhindert, dass sich die Dichtkanten in das Material der Elastomermembran schneidend eindrücken und diese dann beschädigen könnten.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Voraussetzung dafür, dass die Elastomermembran mit einer konstanten Dicke hergestellt werden kann. Dies bedeutet, dass zusätzliche Dichtwulste entbehrlich sind, so dass der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung der Elastomermembran gering ist.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Elastomermembran mit einer Verstärkungseinlage versehen ist. Eine derartige Verstärkungseinlage kann beispielsweise ein textiles Gewebe sein, welches vom Elastomermaterial umgossen ist, um der Elastomermembran eine höhere Festigkeit zu verleihen.
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Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass die Elastomermembran randseitig in einer zwischen den beiden Gehäusehälften gebildeten Ringkammer hineinragt. Dies bedeutet, dass die beiden im Randbereich auf die Elastomermembran einwirkenden Dichtkanten in einem geringfügigen Abstand zum Rand angeordnet werden, so dass das verbleibende freie Ende in die besagte Ringkammer hineinragt. Hierdurch wird die radiale Bewegungsfreiheit der Elastomermembran erhöht. Zusätzlich sollte in Radialrichtung zwischen dem äußeren Rand der Elastomermembran und der Wandung der Ringkammer ein Spalt S verbleiben, so dass die Elastomermembran nicht direkt an der Wandung der Ringkammer zur Anlage kommt. Denn hierbei wäre die radiale Bewegungsfreiheit über den durch die Wandung gebildeten Endanschlag eingeschränkt.
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Zusätzlich zu den auf die Elastomermembran einwirkenden Dichtkanten sollte eine separate statische Dichtung zwischen beiden Gehäusehälften vorgesehen werden, welche zur Abdichtung der Druckräume dient. Denn die beiden auf die Elastomermembran gegenüberliegend einwirkenden Dichtkanten dienen nicht dazu, die Elastomermembran absolut fest zwischen den Gehäusehälften einzuspannen, so dass die Dichtkanten auch als statische Gehäusedichtung genutzt werden könnten. Vielmehr sollen die Dichtkanten nur an der Elastomermembran zur Anlage kommen, damit die radiale Bewegungsfreiheit der Elastomermembran gewahrt bleibt.
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Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an der Kolbenstange ein sich in Radialrichtung hiervon weg erstreckender Aufnahmeteller für die Elastomermembran angeformt ist, der in Zusammenwirkung mit den beiden Gehäuseteilen zur beidseitigen Hubbegrenzung dient. in Kombination mit diesem Aufnahmeteller kann die Elastomermembran ringscheibenförmig ausgebildet sein und im einfachsten Falle als Stanzteil aus einer Gummimatte ausgestanzt werden. Die Montage am Aufnahmeteller der Kolbenstange erfolgt durch Einknöpfen in eine randseitig des Aufnahmetellers ausgebildeten Umfangsnut.
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Der Durchmesser des Aufnahmetellers ist vorzugsweise so bemessen, dass dessen äußerer Rand in Radialrichtung beabstandet von den die Dichtkanten ausbildenden Materialanformungen endet. Hierdurch behindert der Aufnahmeteller nicht die Funktion der Dichtkanten und der zwischen den Dichtkanten und dem äußeren Rand des Aufnahmetellers bestehende Abstand bestimmt die Flexibilität der Elastomermembran.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen teilweise Längsschnitt durch das Gehäuse eines Membranventils.
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Gemäß Figur besteht das Membranventil im Wesentlichen aus zwei Gehäusehälften 1 und 2, zwischen denen eine Elastomermembran 3 angeordnet ist. Das erste Gehäuseteil 1 bildet mit der einen Seite der Elastomermembran 3 einen oberen Druckraum Do und das zweite Gehäuseteil 2 bildet mit der unteren Seite der Elastomermembran 3 einen unteren Druckraum Du. Die Elastomermembran 3 ist an einer Kolbenstange 4 befestigt. Wird der obere Druckraum Do mit Druckluft beaufschlagt, so bewegt sich die Kolbenstange 4 in Richtung des unteren Gehäuseteils 2. Wird dagegen der andere Druckraum Du mit Druckluft beaufschlagt, so bewegt sich die Kolbenstange 4 in Richtung des oberen Gehäuseteils 1.
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Zur Befestigung der Elastomermembran 3 an der Kolbenstange 4 ist hieran ein sich in Radialrichtung weg erstreckender Aufnahmeteller 5 angeformt. Der Aufnahmeteller 5 besitzt eine Umfangsnut, in welcher die Elastomermembran 3 gehalten ist. Der Aufnahmeteller 5 dient daneben auch einer beidseitigen Hubbegrenzung der Kolbenstange 4, indem der Aufnahmeteller 5 bei Druckbeaufschlagung des unteren Druckraums Du in Endlagenposition am Gehäuseteil 1 zur Anlage kommt. Analog hierzu kommt der Aufnahmeteller 5 bei Druckbeaufschlagung des oberen Druckraums Do in der Endposition am unteren Gehäuseteil 2 zur Anlage. Dabei ist der Durchmesser des Aufnahmetellers 5 so bemessen, dass dessen äußerer Rand in Radialrichtung beabstandet von der äußeren Einspannung der Elastomermembran 3 endet.
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Zur äußeren Einspannung der Elastomermembran 3 dienen erfindungsgemäß zwei je einer der Gehäusehälften 1 und 2 zugeordnete gegenüberliegende Dichtkanten 6 bzw. 7. Die beiden Dichtkanten 6 und 7 sind durch jeweils an sich zueinander erstreckende ringförmige Materialanformungen 8 bzw. 9 der Gehäusehälften 1 und 2 gebildet. Die ringförmigen Materialanformungen weisen im Wesentlichen einen dreieckförmigen Querschnitt auf, wovon die beabstandete Kante die Dichtkante 6 bzw. 7 bildet, welche mit einer Abflachung versehen ist, damit die Dichtkanten 6 und 7 nicht schneidend in das Material der Elastomermembran 3 eindringen. Die Elastomermembran 3 weist eine konstante Dicke auf und ist mit einer Verstärkungseinlage 10 aus einem textilen Gewebe versehen.
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Die Elastomermembran 3 ragt randseitig jenseits der beiden Dichtkanten 6 und 7 in eine Ringkammer 11 hinein, welche zwischen den beiden Gehäusehälften 1 und 2 gebildet ist. Zwischen dem äußeren Rand der Elastomermembran 3 und der Wandung der Ringkammer 11 verbleibt hierbei ein Spalt 5, um die radiale Bewegbarkeit der Elastomermembran 3 während des Betriebes zu garantieren.
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Die Abdichtung der beiden Druckräume Do und Du nach außen hin erfolgt nicht über die Elastomermembran 3, sondern über eine separate statische Dichtung 12, welche zwischen den beiden Gehäusehälften 1 und 2 angeordnet ist. Die statische Dichtung 12 ist in Form eines Dichtrings ausgebildet.
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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 das Membranventil mit nur einem Druckmittel betätigbaren Druckraum Do oder Du ausgeführt ist, wogegen der andere Druckraum Du bzw. Do entweder drucklos ist, oder mit einer mechanischen Rückstellfeder eine Rückstellung der Kolbenstange 4 in eine definierte Ausgangslage gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Gehäusehälfte
- 2
- zweite Gehäusehälfte
- 3
- Elastomermembran
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Aufnahmeteller
- 6
- erste Dichtkante
- 7
- zweite Dichtkante
- 8
- erste Materialanformung
- 9
- zweite Materialanformung
- 10
- Verstärkungseinlage
- 11
- Ringkammer
- 12
- statische Dichtung
- S
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1911380 A1 [0005]
- WO 2010/0012425 A1 [0007]
