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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Drehdurchführung für ein Arbeitsmedium, insbesondere ausgelegt für den Einsatz als Bestandteil einer Reifendruckregulierungsanlage, umfassend einen ersten Leitungskanal, einen zweiten Leitungskanal, eine Übergabekammer und ein in der Übergabekammer angeordnetes Dichtelement zur Abdichtung der Übergabekammer sowie eine Reifendruckregulierungsanlage mit einer entsprechenden Drehdurchführung.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei luftbereiften Fahrzeugen und insbesondere bei Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Traktoren, ist es wünschenswert und vorteilhaft, den Luftdruck in den Reifen den Bodenbeschaffenheiten anpassen zu können. Ermöglicht wird dies durch sogenannte Reifendruckregulierungssysteme oder Reifendruckregulierungsanlagen, die typischerweise derart ausgestaltet sind, dass zur Reduzierung des Luftdrucks in den Reifen die Reifenventile angesteuert und somit geöffnet werden, so dass Luft aufgrund des Überdruckes in die Umgebung entweicht, und dass zur Erhöhung des Luftdruckes Druckluft aus einer an der Karosserie des Fahrzeuges positionierten Druckluftquelle in die Reifen eingeleitet wird.
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Hierbei besteht das Problem, dass die zur Druckerhöhung in den Reifen genutzte Druckluft von der Karosserie an die im Betrieb relativ zur Karosserie rotierenden luftbereiften Räder übergeben werden muss, damit die Druckluft über die mitrotierenden Ventile in die Luftreifen eingeleitet werden kann.
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Eine bekannte Lösung dieses Problems stellen beispielsweise sogenannte Galgensysteme dar, bei denen die Druckluft von der Karosserie ausgehend zunächst über eine starre Leitung außen am jeweiligen Rad herangeführt wird und von dort aus über eine einfache drehbare Steckverbindung in das Ventil des entsprechenden Luftreifens eingeführt wird. Ein wesentlicher Nachteil derartiger Galgensysteme besteht darin, dass diese aufgrund der Positionierung auf der Radaußenseite beispielsweise im Fahrbetrieb durch Kontakt mit hochwachsenden Pflanzen beschädigt werden können.
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Eine alternative Lösung stellen sogenannte Drehdurchführungen dar, die auf der der Karosserie zugewandten Seite des jeweiligen Rades positioniert sind. Entsprechende Drehdurchführungen weisen typischerweise einen mit der Karosserie verbundenen Stator, einen mit dem jeweiligen Rad verbundenen Rotor und ein zwischen diesen wirksames Dichtelement auf, wobei das Dichtelement mittels einer Anpresskraft an eine Wandung des Rotors oder des Stators gepresst wird. Aufgrund der Rotation des Rotors relativ zum Stator und somit aufgrund der Rotation der Wandung relativ zum Dichtelement unterliegt das Dichtelement typischerweise einem recht hohen durch Reibungswärme oder Abrieb verursachten Verschleiß, was zu einer relativ kurzen Lebensdauer des entsprechenden Dichtelements führt.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Drehdurchführung und eine Reifendruckregulierungsanlage mit einer vorteilhaften Drehdurchführung anzugeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die auf die Drehdurchführung bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drehdurchführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Die Drehdurchführung dient hierbei zur Durchführung eines Arbeitsmediums und ist insbesondere ausgelegt für den Einsatz als Bestandteil einer Reifendruckregulierungsanlage, bei der als Arbeitsmedium Druckluft genutzt wird. Sie umfasst einen ersten Leitungskanal, einen zweiten Leitungskanal, eine Übergabekammer sowie ein in der Übergabekammer angeordnetes Dichtelement zur Abdichtung der Übergabekammer insbesondere gegen die Umgebung. Dabei weist das Dichtelement eine dem ersten Leitungskanal zugewandte erste Wirkfläche und eine dem zweiten Leitungskanal zugewandte zweite Wirkfläche auf, wobei die beiden Wirkflächen unterschiedlich gestaltet und insbesondere unterschiedlich groß sind.
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Auf diese Weise dient das Dichtelement nicht nur zur Abdichtung der Übergabekammer, sondern wirkt darüber hinaus im Betrieb als Kraftwandler. Hierdurch ist die Anpresskraft, mit der das Dichtelement zur Abdichtung an eine Wandung der Übergabekammer angepresst wird, bei vorgegebenem Arbeitsdruck im Arbeitsmedium reduziert. Durch den Kraftwandler wird also insbesondere der Betrag der Anpresskraft vorteilhaft angepasst, wobei die mittels des Kraftwandlers realisierte Kraftübersetzung durch die Gestaltung des Dichtelements konstruktiv vorgegeben wird. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass je nach Betriebszustand der Reifendruckregulierungsanlage sowohl im ersten Leitungskanal als auch im zweiten Leitungskanal jeweils ein bestimmter Luftdruck vorherrscht, der auf die jeweils zugewandte Wirkfläche des Dichtelements einwirkt. Aufgrund der unterschiedlichen Gestaltung der Wirkflächen resultieren aus den jeweiligen Produkten aus Wirkfläche und Luftdruck vom Betrag her unterschiedliche und bezogen auf die Richtung einander entgegengesetzte Kräfte, deren Resultierende als Anpresskraft wirkt und das Dichtelement zur Abdichtung der Übergabekammer an eine Wandung der selbigen anpresst. Durch eine geeignet gewählte Ausgestaltung der Wirkflächen und somit durch eine geeignete Wahl der Kraftübersetzung lässt sich bei gegebenem Arbeitsdruck im Arbeitsmedium eine bezogen auf den Betrag günstige Anpresskraft vorgeben. Die Anpresskraft wird dann so gewählt, dass einerseits eine ausreichende Dichtigkeit der Übergabekammer gewährleistet ist und andererseits der Verschleiß am Dichtelement gering gehalten ist, wodurch die Lebenserwartung des Dichtelements signifikant erhöht werden kann.
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Bevorzugt wird das Dichtelement dabei derart gestaltet, dass mit diesem eine Kraftübersetzung mit einem Verhältnis zwischen 1:10 und 2:5 konstruktiv vorgegeben wird. Im Falle von Reifendruckregulierungsanlagen beispielsweise wird häufig eine Druckluftquelle mit einem Arbeitsdruck im Bereich von 8 bar gearbeitet, was ohne Nutzung eines entsprechenden Kraftwandlers eine unerwünscht hohe Anpresskraft zur Folge hat. Mithilfe des Kraftwandlers wird dementsprechend bevorzugt eine Reduzierung der Anpresskraft vorgenommen.
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Da der Arbeitsdruck im Bereich der ersten Wirkfläche in der Regel in guter Näherung dem Arbeitsdruck im Bereich der zweiten Wirkfläche entspricht, lässt sich das Verhältnis für die Kraftübersetzung durch das Größenverhältnis der beiden Wirkflächen relativ zueinander vorgeben. Als Wirkfläche ist in diesem Zusammenhang jedoch nicht zwingend eine Oberfläche des Dichtelements zu verstehen, sondern vielmehr die bezogen auf die durch den Arbeitsdruck hervorgerufene Kraft effektiv wirksame Fläche, also insbesondere die Projektion der entsprechenden Oberfläche des Dichtelements auf eine Ebene. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich das Dichtelement bei vorgesehenem Arbeitsdruck im Wesentlichen nicht verformt und dass im Wesentlichen nur Kräfte parallel zur Oberflächennormalen eines Flächen-Flächen-Kontaktes zwischen Dichtelement und der Wandung der Übergabekammer bei der Abdichtung wirken.
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In einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist die Übergabekammer der Drehdurchführung einerseits und das Dichtelement andererseits ringförmig ausgestaltet. Eine derartige Grundgeometrie ist gerade bei Drehdurchführungen, die Bestandteil einer Reifendruckregulierungsanlage sind, sehr verbreitet.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Dichtelement als Ringkörper mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist und wenn in einer der Flanken des Ringkörpers eine umlaufende Nut positioniert ist. Hierdurch ist die Drehdurchführung einerseits einfach gehalten, was sich positiv auf den technischen und finanziellen Aufwand bei der Herstellung entsprechender Dichtelemente auswirkt, und andererseits lässt sich die Drehdurchführung recht robust gestalten, was wiederum der Lebenserwartung der Drehdurchführung zugute kommt.
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Die Ausgestaltung der Nut wird dabei bevorzugt an das Herstellungsverfahren für das Dichtelement angepasst, wobei z.B. berücksichtigt wird, ob das Dichtelement als Formteil quasi in einem Arbeitsschritt hergestellt wird oder ob ein mehrstufiger Herstellungsprozess vorgesehen ist, bei dem insbesondere die Nut quasi nachträglich eingearbeitet wird. Hierbei ist eine Nut mit U-förmigen Querschnitt bevorzugt.
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Da das Dichtelement der Drehdurchführung in der Regel zur Abdichtung der Übergabekammer gegen die Umgebung dient, so dass das Arbeitsmedium über die Übergabekammer aus dem ersten Leitungskanal in den zweiten Leitungskanal überführt werden kann, ist es zweckmäßig, wenn zumindest ein Verbindungskanal zur Durchleitung des Arbeitsmediums von einer Flanke des Ringkörpers, also des Dichtelements, zur anderen geführt ist, welcher in der Nut mündet. In vorteilhafter Weiterbildung sind mehrere Verbindungskanäle nach Art einer Gleichteilung über den Umfang des Dichtelements verteilt angeordnet, so dass die Durchleitung des Arbeitsmediums zusätzlich begünstigt ist.
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Wie zuvor beschrieben wirkt das Dichtelement als Kraftwandler, wodurch sich die Anpresskraft, mit der das Dichtelement zur Abdichtung an die Wandung der Übergabekammer anpressbar ist, bei vorgegebenem Arbeitsdruck vorteilhaft vorgeben lässt. Dabei ist die Grundidee der Erfindung darin zu sehen, dass für die Anpresskraft unabhängig vom Arbeitsdruck, dessen Wert in der Regel als vorgegeben angesehen wird, ein vorteilhafter Wert gewählt wird, wobei zur Realisierung des gewählten Wertes der zu erwartende oder vorgegebene Arbeitsdruck bei der konstruktiven Gestaltung der Drehdurchführung berücksichtigt wird.
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Alternativ oder ergänzend zur Nutzung des Dichtelementes selbst als Kraftwandler zur Vorgabe des gewählten Wertes für die Anpresskraft weist die Drehdurchführung ein Federelement auf, welches derart am Dichtelement angreift, dass dieses bei der Abdichtung der Übergabekammer durch das Dichtelement gegen seine Rückstellkraft verformt ist. In diesem Fall wird dann der gewählte Wert für die Anpresskraft zumindest teilweise durch das Federelement vorgegeben. Auch wenn eine kombinierte Nutzung des Dichtelements als Kraftwandler einerseits und des Federelements andererseits zur Vorgabe eines Wertes für die Anpresskraft bevorzugt ist, so ist je nach Anwendungsfall auch eine alleinige Nutzung des Federelementes zur Vorgabe eines gewählten Wertes für die Anpresskraft möglich, weswegen die Nutzung eines solchen Federelements als eigenständiger und unabhängiger Lösungsansatz betrachtet wird. Eine auf diesen Aspekt gerichtete Teilanmeldung bleibt daher vorbehalten.
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Im Falle der Nutzung eines Federelements wird eine Ausführung der Drehdurchführung bevorzugt, bei der das Federelement ringförmig ausgestaltet ist und an einer Außenseite zwischen den beiden Flanken des Ringkörpers angreift.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer Schnittdarstellung eine Drehdurchführung,
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2 in einer vergrößerten Schnittdarstellung die Drehdurchführung,
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3 in einer Seitenansicht ein Dichtelement der Drehdurchführung,
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4 in einer perspektivischen Ansicht das Dichtelement der Drehdurchführung,
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5 in einer vergrößerten Schnittdarstellung eine alternative Drehdurchführung,
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6 in einer vergrößerten Schnittdarstellung ein alternatives Dichtelement mit zwei Federelementen der alternativen Drehdurchführung in einer ersten Stellung und
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7 in einer vergrößerten Schnittdarstellung das alternative Dichtelement mit den zwei Federelementen der alternativen Drehdurchführung in einer zweiten Stellung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Eine nachfolgend exemplarisch beschriebene und in 1 in einer Querschnittsdarstellung gezeigte Drehdurchführung 2 ist Bestandteil einer nicht vollständig mit abgebildeten Reifendruckregulierungsanlage eines luftbereiften Traktors. Dabei umfasst die Reifendruckregulierungsanlage je eine Drehdurchführung 2 für jedes der luftbereiften Räder, welche, wie in 1 angedeutet, auf der der Karosserie des Traktors zugewandten Innenseite der Radnabe 4 des entsprechenden Rades angeordnet ist.
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Jede dieser Drehdurchführungen 2 umfasst einen Stator 6, der starr mit der Karosserie des Traktors verbunden ist, und einen Rotor 8, welcher mit der Radnabe 4 starr verbunden ist, so dass der Rotor 8 im Fahrbetrieb des Traktors Rotationsbewegungen relativ zum Stator 6 ausführt.
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Innerhalb des Stators 6 verläuft ein erster Leitungskanal 10, der mit einer nicht gezeigten und an der Karosserie platzierten Druckluftquelle mit einem Arbeitsdruck von 8 bar verbunden ist und in eine Übergabekammer 12 im Zwischenbereich zwischen Stator 6 und Rotor 8 einmündet. Von der Übergabekammer 12 führt ein zweiter Leitungskanal 14 durch den Rotor 8 in Richtung des an der Radnabe 4 befestigten Rades, so dass Druckluft aus der Druckluftquelle als Arbeitsmedium bei Bedarf über den ersten Leitungskanal 10 in die Übergabekammer 12 eingeleitet werden kann und von dort über den zweiten Leitungskanal 14 zu einem Ventil am Luftreifen des an der Radnabe 4 befestigten Rades geführt werden kann.
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Die den ersten Leitungskanal 10 mit dem zweiten Leitungskanal 14 gasleitend verbindende Übergabekammer 12 weist eine ringförmige Grundgeometrie auf und ist koaxial zur Radnabe 4 angeordnet. Der Querschnitt der ringförmigen Übergabekammer 12 ist wie aus der vergrößerten Darstellung gem. 2 hervorgeht rechteckig gestaltet und zur Abdichtung der Übergabekammer 12 gegen die Umgebung ist in der Übergabekammer 12 ein Dichtelement 16 angeordnet.
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Das Dichtelement 16 wird durch den im ersten Leitungskanal 10 vorherrschenden Druck in Richtung Rotor 8 gedrückt und liegt aufgrund dessen mit seinen Verschleißflächen am Rotor 8 an. Durch die Rotationsbewegungen des Rotors 8 gegen den Stator 6 werden die Verschleißflächen 18 im Fahrbetrieb durch Reibung abgenutzt, was die Lebenserwartung des Dichtelements 16 begrenzt. Die Stärke der Abnutzung hängt dabei von der wirkenden Anpresskraft ab, mit der die Verschleißflächen 18 an den Rotor 8 angedrückt werden. Um die Abnutzung der Verschleißflächen 18 möglichst gering zu halten wird bei der hier vorgestellten Drehdurchführung 2 ein möglichst geringer Wert für die Anpresskraft vorgegeben, der gerade noch ausreicht, um die Übergabekammer 12 ausreichend gegen die Umgebung abzudichten. Um dies zu gewährleisten ist das Dichtelement 16 derart ausgestaltet, dass dieses nicht nur abdichtend, sondern auch als Kraftwandler wirkt.
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Dazu weist das Dichtelement 16 eine dem ersten Leitungskanal 10 zugewandte erste Wirkfläche 20 an einer der beiden Flanken des Dichtelements 16 auf, auf welche der im ersten Leitungskanal 10 wirkende Druck einwirkt. Hieraus resultiert eine Kraft auf das Dichtelement 16 in Richtung des Rotors 8. Des Weiteren ist auf der gegenüberliegenden Flanke des Dichtelements 16 eine zweite Wirkfläche 22 vorhanden und aufgrund des im zweiten Leitungskanal 14 vorherrschenden Druckes wirkt eine hieraus resultierende Kraft auf das Dichtelement 16 in Richtung Stator 6. Obwohl in beiden Leitungskanälen 10, 14 ein nahezu identischer Druck vorherrscht, sind die beiden einander entgegenwirkenden Kräfte vom Betrag her unterschiedlich groß, da die beiden Wirkflächen 20, 22 unterschiedlich groß gestaltet sind. Dementsprechend wirkt die Resultierende der beiden Kräfte als Anpresskraft, die das Dichtelement 16 in Richtung Rotor 8 presst. Das Größenverhältnis zwischen beiden Wirkflächen 20, 22 wird dabei in Abhängigkeit des vorgesehenen Arbeitsdruckes, also des vorgesehenen Druckes in den beiden Leitungskanälen 10, 12 im entsprechenden Betrieb der Reifendruckregulierungsanlage, und in Abhängigkeit des gewünschten Wertes für die Anpresskraft gewählt.
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Eine separate Darstellung des Dichtelements 16 ist in 3 und 4 gezeigt. Hieraus ist zu erkennen, dass das ringförmige Dichtelement 16 zum einen eine ebene Flanke aufweist, die die erste Wirkfläche 20 bildet, und zum anderen eine Flanke aufweist, in die eine umlaufende Nut 24 mit U-förmigem Querschnitt eingearbeitet ist. Die zweite Wirkfläche 22 ist somit durch die Projektion der Oberfläche dieser Flanke in eine Ebene gegeben. Zur Übergabe der Druckluft aus dem ersten Leitungskanal 2 an den zweiten Leitungskanal 14 weist das Dichtelement 16 mehrere nach Art einer Gleichteilung über den Umfang verteilt angeordnete Verbindungskanäle 26 auf, die jeweils in die Nut 24 münden. Auf diese Weise erfolgt eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der Druckluft auf den gesamten Umfang der Übergabekammer 12 im Bereich des zweiten Leitungskanals 14.
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Die Reifendruckregulierungsanlage umfasst des Weiteren mehrere ansteuerbare Ventile, von denen zumindest eines der Druckluftquelle zugeordnet ist, so dass die Druckluftquelle lediglich bei Bedarf Druckluft in ein Zuleitungssystem einspeist, wobei der erste Leitungskanal 10 einer jeder Drehdurchführung 2 Teil dieses Systems ist. Außerdem weist jeder Luftreifen ein ansteuerbares Ventil auf, welches standardmäßig geschlossen ist und lediglich für eine Änderung des Luftdruckes im entsprechenden Luftreifen geöffnet wird. Im geöffneten Zustand ist dieses dann gasleitend mit dem zweiten Leitungskanal 14 verbunden.
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Dem Funktionsprinzip der Reifendruckregulierungsanlage entsprechend wird zur Reduzierung des Luftdruckes in einem Luftreifen das entsprechende Ventil am Luftreifen geöffnet und ein Teil der Luft strömt aus dem Reifen in den zweiten Leitungskanal 14 in Richtung Übergabekammer 12, wodurch das Dichtelement 16 in Richtung Stator 6 gedrückt wird, so dass die aus dem Luftreifen strömende Luft durch einen Spalt 28 zwischen dem Stator 6 und dem Rotor 8 in die Umgebung entweichen kann. Zur Erhöhung des Luftdrucks in einem Luftreifen hingegen wird nicht nur das Ventil am entsprechenden Luftreifen geöffnet, sondern darüber hinaus auch das der Druckluftquelle zugeordnete Ventil. Da der Arbeitsdruck, also der Luftdruck in der Druckluftquelle, höher ist als der vorgesehene maximale Druck in einem der Luftreifen, wird das Dichtelement 16 in diesem Fall in Richtung Rotor 8 gepresst, wodurch die Übergabekammer 12 gegen die Umwelt abgedichtet wird. Dadurch strömt die Druckluft aus der Druckluftquelle über den ersten Leitungskanal 10, die Übergabekammer 12 und schließlich den zweiten Leitungskanal 14 in den Luftreifen, so dass sich der Luftdruck in diesem erhöht.
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Bei einem derartigen Arbeitsprinzip der Reifendruckregulierungsanlage ist ein Anliegen der Verschleißflächen 18 des Dichtelements 16 am Rotor 8 zur Abdichtung der Übergabekammer 12 lediglich dann nötig, wenn der Luftdruck im einem der Luftreifen erhöht werden soll. In den übrigen Betriebsphasen ist ein entsprechender Kontakt nicht notwendig und da eine Abnutzung der Verschleißflächen 18 nur dann erfolgt, wenn die Verschleißflächen 18 in Kontakt mit dem Rotor 8 stehen, wird bei einer modifizierten und in den Abbildungen 5 bis 7 dargestellten Drehdurchführung 2 mit Hilfe zweier Federelemente 30 pro Dichtelement 16 dafür Sorge getragen, dass das Dichtelement 16 nur dann mit seinen Verschleißflächen 18 am Rotor 8 anliegt, wenn im ersten Leitungskanal 8 ein deutlich höherer Druck vorherrscht als im zweiten Leitungskanal 14 einerseits und als in der Umgebung andererseits.
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Die beiden Federelemente 30 sind jeweils ringförmig gestaltet und weisen einen rechteckigen Querschnitt auf. Sowohl an der äußeren Mantelfläche als auch an der inneren Mantelfläche des Dichtelements 16 greift jeweils ein Federelement 30 an, wobei die Federelemente 30 jeweils in eine Vertiefung 32 in der entsprechenden die beiden Flanken des Dichtelements 16 verbindende Mantelfläche hinragen. Bei einem ausreichend großen Druck im ersten Leitungskanal 10 wird das Dichtelement 16 in Richtung Rotor 8 verschoben, wodurch die Federelemente 30 gegen ihre jeweilige Rückstellkraft verformt werden. Diese Situation ist in 7 dargestellt. Wird der Druck im ersten Leitungskanal 10 wieder reduziert, so bewirken die Rückstellkräfte der Federelemente 30 eine Rückkehr der Federelemente 30 in ihre Ausgangsform, wodurch das Dichtelement 16 wieder vom Rotor 8 weggezogen wird, so dass die Verschleißflächen 18 nicht mehr am Rotor 8 anliegen.
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Die ansteuerbaren Ventile der Luftreifen werden im Ausführungsbeispiel nicht elektrisch angesteuert, sondern pneumatisch, wobei auch hierfür die Druckluftquelle genutzt wird. Dementsprechend weist jede Drehdurchführung 2 zusätzlich zu den Leitungskanälen 10, 14 Steuerkanäle 34 auf, wobei auch für die Steuerkanäle 34 eine Übergabekammer 12 vorgesehen ist zur Übergabe von Druckluft vom Stator 6 an den Rotor 8.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Drehdurchführung
- 4
- Radnabe
- 6
- Stator
- 8
- Rotor
- 10
- erster Leitungskanal
- 12
- Übergabekammer
- 14
- zweiter Leitungskanal
- 16
- Dichtelement
- 18
- Verschleißfläche
- 20
- erste Wirkfläche
- 22
- zweite Wirkfläche
- 24
- Nut
- 26
- Verbindungskanal
- 28
- Spalt
- 30
- Federelement
- 32
- Vertiefung
- 34
- Steuerkanal
