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Die
Erfindung betrifft einen Druckregler oder einen Druckminderer, insbesondere
für eine
Bremsvorrichtung eines Schienenfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Bei
bekannten Druckregelventilen, beispielsweise bei Relaisventilen,
wird eine Steuerkammer mit Steuerdruckluft eines Vorsteuerkreises
be- oder entlüftet,
wobei der Vorsteuerkreis ein relativ kleines Druckluftvolumen beinhaltet.
Abhängig
vom Vorsteuerdruck be- oder entlüftet
ein Doppelsitzventil einen an einen Verbraucherkreis mit demgegenüber größerem Druckluftvolumen
angeschlossenen Verbraucher, wie beispielsweise einen Bremszylinder.
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Ein
gattungsgemäßer Druckregler
ist in der
DE 4 64 418
C offenbart. Der zwischen den beiden Kolben gebildete Raum,
in welchem auch eine Feder untergebracht ist, steht über einen
Auslass mit der Umgebung in Verbindung. Zur Druckerhöhung in
einem Verbraucherkanal ist ein Auslassventil des Doppelsitzventils
geschlossen, während
durch das geöffnete
Einlassventil Druckmittel in den Verbraucherkanal einströmt. Zum
Druckhalten im Verbraucherkanal ist das Doppelsitzventil in Abschlussstellung
geschaltet. In beiden Fällen
herrscht in dem Raum zwischen den beiden Kolben Umgebungsdruck,
nicht jedoch während
des Drucksenkens, bei welchem durch das geöffnete Auslassventil Druckmittel
unter relativ hohem Druck in den Raum zwischen den beiden Kolben eingespeist
wird, von wo aus sie sich dann durch den Auslass hindurch allmählich auf
Umgebungsdruck entspannt. Die sich aufgrund der schlagartigen Einspeisung
in den zwischen den beiden Kolben gebildeten Raum ergebenden Druckschwankungen
resultieren in Kolbenschwingungen und damit in einem ungünstigen
dynamischen Verhalten bzw. in Regelabweichungen des Druckreglers.
Angesichts der heutzutage hohen Anforderungen an die Regelgenauigkeit
solcher Druckregler ist ein solches Verhalten jedoch als äußerst nachteilig
zu bewerten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen
Druckregler oder Druckminderer der eingangs erwähnten Art derart weiter zu
bilden, dass die oben genannten Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Indem
der Raum zwischen der von der ersten Druckkammer abgewandten Seite
des ersten Kolbens und der von der zweiten Druckkammer abgewandten
Seite des zweiten Kolbens stets unter Atmosphärendruck steht, können nun
in keinem Betriebszustand mehr von dem zwischen den beiden Kolben
befindlichen Raum Druckstöße auf die
beiden Kolben ausgeübt
werden. Insgesamt ergibt sich dadurch ein stark verbessertes Regelverhalten
des Druckreglers.
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Anstatt über einen
eigenen pneumatischen Vorsteuerkreis wird der erfindungsgemäße Druckregler
oder Druckminderer durch ein mechanisches oder ein elektro-mechanisches
Stellglied betätigt,
beispielsweise durch einen manuellen oder motorischen Antrieb. Der
Sollwert für
den vom Druckregler auszusteuernden Druck wird dabei durch ein mechanisches
und/oder elektrisches Signal für
den Antrieb vorgegeben. Dies bringt wegen der geringeren Kosten
gegenüber
einem pneumatischen Vorsteuerkreis Kostenvorteile. Weiterhin verspricht
insbesondere eine elektro-mechanische Betätigung eine höhere Dynamik
des Druckreglers oder des Druckminderventils. Gegenüber einem
im Hinblick auf Leckagen anfälligen
pneumatischen Vorsteuerkreis arbeitet eine mechanische oder elektro-mechanische
Betätigung
zudem in der Regel zuverlässiger.
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Wird
der erste Kolben durch das Stellglied im Gehäuse in Richtung auf den zweiten
Kolben verschoben, so übt
die sich komprimierende Druckfeder auf den zweiten Kolben eine Kraft
aus, woraufhin dieser das Doppelsitzventil betätigt und eine Verbindung zwischen
dem Druckmittelanschluss und dem Verbraucheranschluss schafft. Hierdurch
wird der Verbraucher, beispielsweise ein Bremszylinder einer Bremsvorrichtung
eines Schienenfahrzeugs belüftet. Da
aufgrund der druckleitenden Verbindung zwischen der ersten Druckkammer
und der zweiten Druckkammer auf den ersten Kolben und auf den zweiten
Kolben stets der gleiche Druck wirkt, befindet sich der erste Kolben
im Hinblick auf die auf ihn wirkende Druckkraft und Federkraft immer
im Kräftegleichgewicht.
Infolgedessen werden zur Verschiebung des ersten Kolbens nur geringe
Kräfte
benötigt, so
dass ein als Stellglied verwendeter Motor sehr klein bauen kann,
was sich wiederum günstig
auf die Fertigungskosten auswirkt.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in dem
unabhängigen Patentanspruch
angegebenen Erfindung möglich. Die
genaue Funktionsweise des erfindungsgemäßen Druckreglers oder Druckminderers
wird am besten anhand der nun folgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
deutlich.
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Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
stark schematisierte Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Druckreglers gemäß der Erfindung
mit einer elektro-mechanischen Betätigung;
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2 – 5 den
Druckregler von 1 in verschiedenen Betriebszuständen,
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2a – 5a Kraft-Weg-Diagramme,
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6 eine
weitere Ausführungsform
eines Druckreglers gemäß der Erfindung,
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7 eine
weitere Ausführungsform
eines Druckreglers gemäß der Erfindung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
in 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform eines Druckreglers 1 wird
beispielsweise zur Regelung eines Bremsdrucks in einem aus Maßstabsgründen nicht
gezeigten Bremszylinder einer Bremsvorrichtung eines Schienenfahrzeugs
verwendet. Alternativ könnte
der Druckregler 1 auch zur Druckregelung in einer Hauptluftleitung
der Bremsvorrichtung eines Schienfahrzeugverbands eingesetzt werden,
um dort einen Druck von beispielsweise 0 bar bis 5 bar einzustellen.
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Der
Druckregler 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf,
in welchem kopfseitig ein mechanisches oder elektro-mechanisches
Stellglied 4 untergebracht ist, welches beispielsweise
durch einen Schrittmotor gebildet wird. Ein Läufer des Schrittmotors 4 ist
mit einer zentralen Gewindespindel 8 drehgekoppelt, die
mit einem komplementär
ausgebildeten Innengewinde in einem zentralen Durchgangsloch eines
ersten Kolbens 6 in Verwirklichung eines Spindel-Mutter-Triebs 10 derart
zusammenwirkt, dass der erste Kolben 6 durch Antrieb des
Schrittmotors 4 in dem Gehäuse 2 linear in Richtung
einer Gehäuseachse 12 verschoben
wird. Genauer wird der Schrittmotor 4 durch eine elektronische
Schaltung im Impulsbetrieb abhängig
von einem elektrischen Sollwert-Signal gespeist, welches einen vom
Druckregler 1 auszuregelnden Solldruck vorgibt. Bei Fortschreiten
der Ansteuerung um einen Schritt führt der Schrittmotor 4 in
bekannter Weise eine Drehung um einen Schrittwinkel aus, wodurch
der erste Kolben 6 um einen bestimmten Weg aus seiner oberen
Totpunktlage 14 nach unten verschoben wird. Andererseits
bewirkt eine Drehung in Gegenrichtung eine Bewegung des Kolbens 6 nach
oben.
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Das
Gehäuse 2 ist
vorzugsweise innen und außen
glattzylindrisch ausgebildet. Der erste Kolben 6 begrenzt
druckdicht zwischen sich, dem Gehäuse 2 und einer den
Schrittmotor 4 kapselnden Trennwand 16 eine erste
Druckkammer 18. Weiterhin ist der erste Kolben 6 in
dem Gehäuse 2 linear
verschieblich, druckdicht und koaxial geführt. Unterhalb des ersten Kolbens 6 angeordnet,
beinhaltet der Druckregler 1 einen zweiten Kolben 20,
welcher in dem Gehäuse 1 ebenfalls
koaxial druckdicht verschieblich geführt ist. Der zweite Kolben 20 begrenzt druckdicht
mit seiner vom ersten Kolben 6 abgewandten Seite eine zweite Druckkammer 22,
welche einen mit dem Bremszylinder in Verbindung stehenden Verbraucheranschluß 24 aufweist.
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In
einem vorzugsweise unter Atmosphärendruck ∞ stehenden
Raum 26 zwischen dem ersten Kolben 6 und dem zweiten
Kolben 20 ist wenigstens eine vorzugsweise als Schraubenfeder
ausgebildete Druckfeder 28 mit Federkonstante c untergebracht, welches
sich einendseitig auf der von der ersten Druckkammer 18 abgewandten
Seite des ersten Kolbens 6 und anderendseitig auf der von
der zweiten Druckkammer 22 abgewandten Seite des zweiten Kolbens 20 abstützt. Beide
Kolben haben vorzugsweise beidseitig die gleiche Kolbenfläche A.
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Im
Bereich des Bodens weist das Gehäuse 2 des
Druckreglers 1 einen Druckmittelanschluß 30 auf, welcher
mit einem unter Vorratsdruck stehenden Vorratsdruckbehälter oder
mit einer Hauptluftbehälterleitung
des Schienenfahrzeugs in Verbindung steht. Weiterhin ist das Gehäuse 2 mit
einem bodenseitig ausgebildeten Entlüftungsanschluß 32 versehen.
Ein an sich bekanntes Doppelsitzventil 34, welches ein
durch eine Ventilfeder 36 gegen einen äußeren Ventilsitz 38 vorgespanntes
Ventilglied 40 sowie einen am zweiten Kolben 20 gehaltenen,
mit einem inneren Ventilsitz 42 zusammenwirkenden, zentralen Stößel 44 beinhaltet,
verbindet abhängig
von der Lage des zweiten Kolbens 20 den Druckmittelanschluß 30 mit
der zweiten Druckkammer 22 oder Letztere mit dem Entlüftungsanschluß 32.
Das Ventilglied 40 ist beispielsweise hülsenförmig und weist eine zentrale
Durchgangsbohrung 46 auf, durch welche die zweite Druckkammer 22 bei
vom inneren Ventilsitz 42 abgehobenem Stößel 44 mit
dem Entlüftungsanschluß 32 verbunden
ist. In der in 1 gezeigten Abschlußstellung
sperrt das Doppelsitzventil 34 die zweite Druckkammer 22 gegen
den Duckmittelanschluß 30 und
gegen den Entlüftungsanschluss 32 ab.
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Schließlich ist
zwischen der ersten Druckkammer 18 und der zweiten Druckkammer 22 eine druckleitende
Verbindung 48 vorhanden, so dass der Druck in beiden Druckkammern 18, 22 stets
ausgeglichen ist und mit p bezeichnet wird. Vor diesem Hintergrund
ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Druckreglers 1 wie
folgt Wenn sich der erste Kolben 6 in seiner oberen Totpunktlage 14 und
das Doppelsitzventil 34 in Abschlußstellung befinden, ist die Druckfeder 28 vorzugsweise
entspannt und weist die Länge 1 auf,
d.h. sie übt
weder auf den ersten Kolben 6 noch auf den zweiten Kolben 20 eine
Federkraft aus. Mit x sei der momentane Abstand des ersten Kolbens 6 vom
zweiten Kolben 20 bezeichnet.
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Ausgegangen
wird von einer Situation, bei welcher der Schrittmotor 4 abhängig von
einem elektrischen Sollwert-Signal von der elektronischen Schaltung
zur Drehung um einen bestimmten Drehwinkel angesteuert wird, welchen
der Spindel-Mutter-Trieb 10 in eine axiale Bewegung des
ersten Kolbens 6 in Richtung auf den zweiten Kolben 20 umsetzt.
Diese Auslenkung des ersten Kolbens 6 führt vermittels der Kraftübertragung
der Druckfeder 28 zu einer auf den zweiten Kolben 20 wirkenden
Kraft FF, weil der zweite Kolben 20 durch
die Ventilfeder 36 in Position gehalten wird und sich die
Feder 28 auf eine Federlänge x2 verkürzt, wie
das Kraft-Weg-Diagramm gemäß 2a zeigt.
Diese Kraft FF wirkt ebenso auf den ersten
Kolben. Die Federkennlinie der Druckfeder 28 ist vorzugsweise
linear, so dass die beiden Größen Federlänge x und
Federkraft FF voneinander linear abhängig sind.
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In
der Druckkammer 18 und aufgrund der druckleitenden Verbindung 48 auch
in der Druckkammer 22 soll ein Druck herrschen, der die
folgende Bedingung erfüllt FF =
(1 – x)·c (1)und p·A = FF (2)
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In
diesem Zustand nimmt der untere Kolben 20 zusammen mit
dem Ventilglied 40 eine Stellung ein, bei welcher der äußere Ventilsitz 38 und
der innere Ventilsitz 42 geschlossen sind und sich dadurch der
Druckregler 1 in der Abschlußstellung befindet.
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Die
durch eine weitere Aktivierung des Schrittmotors 4 hervorgerufene
Auslenkung des ersten Kolbens 6 in Richtung auf den zweiten
Kolben 20 ruft eine weitere Verkürzung der Feder auf den Wert x3 und an dem zweiten Kolben 20 folglich
eine Kraftsteigerung ΔFF hervor, wie 3a zeigt.
Daher wird die Kraft FF größer als
die durch den Druck p in der zweiten Druckkammer 22 hervorgerufene
Druckkraft und es gilt p·A < FF (3)
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Die
der Federlänge
x3 entsprechende Kraft FF vermag
nun gegen die Wirkung der Ventilfeder 36 das Ventilglied 40 vom äußeren Ventilsitz 38 abzuheben,
wodurch Druckluft vom Druckmittelanschluß 30 in die zweite
Druckkammer 22 einströmen
und dort den Druck p erhöhen
kann, welcher nun gleichzeitig am Verbraucheranschluß 24 ansteht
und deshalb den Bremszylinder belüftet (Druck-Aufbau), wie aus 3 hervorgeht.
Je nach Ausführung
des Bremszylinders wird die Bremse dadurch zugespannt oder gelöst.
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Die
Drucksteigerung in der zweiten Druckkammer 22 führt zu einer
Erhöhung
der den zweiten Kolben 20 nach oben drängenden Kraft p·A, welche nun
den zweiten Kolben 20 gegen die Wirkung der Druckfeder 28 nach
oben drängt.
Hingegen verbleibt der erste Kolben 6 in der Position gemäß 3,
wodurch sich die Federlänge
auf den Wert x4 verkürzt. Durch die Aufwärtsbewegung
des zweiten Kolbens 20 kommt das Ventilglied 40 wieder
am äußeren Ventilsitz 38 zur
Anlage, um das Doppelsitzventil 34 wieder in Abschlußstellung
zu bringen, wie 4 zeigt. Da dann kein Druckmittel
mehr vom Druckmittelanschluß 30 über die
zweite Druckkammer 22 zum Verbraucheranschluß 24 strömen kann,
wird der Druck p gehalten (Druck-Halten). An dem nun ausgewogenen
zweiten Kolben 20 gilt wieder das Kräftegleichgewicht p·A = FF (4)
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Zum
Druck-Abbau wird der Schrittmotor 4 in entgegengesetzter
Drehrichtung betrieben, wodurch der erste Kolben 6 nach
oben bewegt wird, wodurch er sich vom zweiten Kolben 20 entfernt
und sich demzufolge die Feder 28 um einen Weg Δx auf die
Länge x5 entspannt. Infolgedessen wird die Kraft
FF um einen Wert ΔFF reduziert
(siehe 5a) und folglich kleiner als
die durch den nach wie vor unverändert hohen
Druck p in der zweiten Druckkammer 22 hervorgerufene Druckkraft
und es gilt p·A < FF (5)
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Demzufolge
hebt der Stößel 44 von
dem inneren Ventilsitz 42 ab und gibt die zentrale Durchgangsbohrung 46 des
Ventilglieds 40 frei, wodurch Druckmittel aus der zweiten
Druckkammer 22 durch den Entlüftungsanschluß 32 ins
Freie strömen
kann. Hierdurch sinkt der Druck p in der zweiten Druckkammer 22 und
folglich auch am Verbraucheranschluß 24, was in einer
Entlüftung
des Bremszylinders resultiert (Druck-Abbau). Gegen den sinkenden Druck in der
zweiten Druckkammer 22 vermag nun die Federkraft FF den zweiten Kolben 20 nach unten,
in die Schließposition
des Doppelsitzventils 34 zu drängen, in welcher der Stößel 44 am
inneren Ventilsitz 42 dichtend anliegt (Druck-Halten).
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In
sämtlichen
Stellungen des ersten Kolbens 6 ist bedingt durch die druckleitende,
pneumatische Verbindung 48 der Druck p in der ersten Druckkammer 18 und
in der zweiten Druckkammer 22 ausgeglichen. Da dann auf
dem ersten Kolben 6 stets der gleiche Druck p wie auf dem
zweiten Kolben 20 lastet, befindet sich der erste Kolben 6 immer
im Kräftegleichgewicht.
Dann wirkt auf den ersten Kolben 6 von unten die Federkraft
FF und von oben die Druckkraft p·A plus
die vom Stellglied ausgeübte
Kraft Fs, wie 1 zeigt: p·A + Fs = FF (6)
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Da
die Druckkraft p·A
die Stellkraft Fs am ersten Kolben 6 unterstützt, genügen bereits
geringe Stellkräfte
Fs, um den ersten Kolben 6 zur Steuerung des Doppelsitzventils 34 auszulenken.
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Die
Erfindung ist nicht auf einen Druckregler 1 beschränkt, sie
kann vielmehr auch bei einem Druckminderer angewandt werden, bei
welchem dann ein Druck in Abhängigkeit
eines in das Stellglied 4 eingesteuerten Sollwerts eingestellt
werden kann. Weiterhin kann das Stellglied 4 auch ein rein
mechanisches Stellglied sein, wie das Ausführungsbeispiel von 6 zeigt.
Dort wird der erste Kolben 6 über eine Hebelmechanik 50 linear
betätigt,
welche einen Handhebel 52 für den Fahrzeugführer beinhaltet. Wesentlich
ist lediglich, dass das mechanische oder elektro-mechanische Stellglied 4 den
ersten Kolben 6 zu betätigen
vermag.
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In
Abänderung
der beschriebenen Ausführungsformen
kann die Druckfeder 28 mit einem Getriebe zusammenwirken,
beispielsweise mit einem Hebelgetriebe 54, um die Bewegung des
ersten Kolbens 6 auf den zweiten Kolben 20 übertragen,
wie 7 zeigt. Bei entsprechender Wahl der Getriebeübersetzung
kann die Feder 28 dann kleiner dimensioniert werden. Die
Erfindung ist nicht auf einen pneumatischen Druckregler oder Druckminderer
beschränkt,
vielmehr kann sie auch bei entsprechenden hydraulischen Geräten angewandt
werden.
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- 1
- Druckregler
- 2
- Gehäuse
- 4
- Stellglied
- 6
- erster
Kolben
- 8
- Gewindespindel
- 10
- Spindel-Mutter-Trieb
- 12
- Gehäuseachse
- 14
- Totpunktlage
- 16
- Trennwand
- 18
- erste
Druckkammer
- 20
- zweiter
Kolben
- 22
- zweite
Druckkammer
- 24
- Verbraucheranschluß
- 26
- Raum
- 28
- Druckfeder
- 30
- Druckmittelanschluß
- 32
- Entlüftungsanschluß
- 34
- Doppelsitzventil
- 36
- Ventilfeder
- 38
- äußerer Ventilsitz
- 40
- Ventilglied
- 42
- innerer
Ventilsitz
- 44
- Stößel
- 46
- Durchgangsbohrung
- 48
- druckleitende
Verbindung
- 50
- Hebelmechanik
- 52
- Handhebel
- 54
- Getriebe