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Bremsventil für Diuckluftbremsanlagen in Motorfahrzeugen Die Erfindung
betrifft Bremsventile für Druckluftbremsanlagen in Motorfahrzeugen, bei denen ein
durch Muskelkraft zu verschiebendes Glied über eine Feder, die mit zunehmender Belastung
steifer wird, auf ein die Ein- und Auslaßventile steuerndes Glied einwirkt, welches
mit einem Kolben verbunden ist, der durch den Druck in der Auslaßkammer in der Schließrichtung
des Einlaßventils beaufschlagt wird.
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Bei solchen Bremsventilen bestand die Feder aus kegeligen Schraubenfedern
oder Gummiringen oder ganz allgemein aus Federn mit einer progressiven Charakteristik,
wobei aber im Bereich der höheren Bremskräfte ein zu langer Bremspedalweg erforderlich
war, so daß der Fahrer nicht das Gefühl von Sicherheit beim Bremsen hatte und im
Gefahrenfalle die Bremse zu spät ansprach.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bremsventil der eingangs
genannten Art mit einer elastischen Feder zu schaffen, die im Bereich der niedrigen
Bremskräfte einen normal großen Pedalweg erfordert, während dieser Pedalweg im Bereich
höherer Bremskräfte sehr schnell kleiner wird und die Härte der Feder an der übergangsstelle
zu den höheren Bremskräften plötzlich zunimmt.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Feder in bekannter
Weise aus einem Gummiring besteht, der zwischen einer Platte, auf die die Betätigungskraft
eingeleitet wird, und dem durch den Druck in der Auslaßkammer beaufschlagten Kolben
axial zusammendrückbar angeordnet ist, daß der Gummiring nur auf einem Teil der
Höhe, die er im unbelasteten Zustand einnimmt, am Rand eingeschlossen ist und eine
mittlere Aussparung zur Aufnahme des durch die axiale Druckbelastung verformten
Gummis aufweist und daß an der Unterseite des Gummiringes eine derart angeordnete
und ausgebildete kegelstumfförmige Ausnehmung vorgesehen ist, daß bei nicht betätigtem
Bremsventil nur eine schmale Kreisringfläche des Gummiringes mit der Oberseite des
Kolbens in Berührung steht, während mit zunehmender Druckbelastung die ringförinige
Berührungsfläche in an sich bekannter Weise zunimmt.
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Infolge der kegelstumpfförmigen Ausnehmung kommt bei zunehmender Belastung
ein immer größerer ringförmiger Teil dieser Ausnehmung zur Auflage, so daß die Druckbeanspruchung
immer größer wird, bis sie plötzlich bei vollständiger Auflage dieser Ausnehmung
sehr stark ansteigt. Dabei entspricht der Teil des Pedalweges, der notwendig ist,
um die kegelstumpfförmige Ausnehmung zur vollständigen Auflage auf den Kolben zu
bringen, dem Bereich der niedrigen Bremskräfte, während der plötzliche übergang
zu dem Bereich der höheren Druckkräfte dem Zustand entspricht, wo die gesamte kegelstumpfförnüge
Ausnehmung zur Auflage gebracht worden ist. Dadurch ergibt sich der normale Pedalweg
im Bereich der niederen Bremskräfte, während höhere Bremskräfte durch geringes Weiterbewegen
des Bremspedals unter entsprechend verstärkter Fußkraft erzielt werden können, wenn
beispielsweise im Gefahrenfall ein starkes Abbremsen erforderlich ist. Das Sicherheitsgefühl
des Fahrers wird dadurch erheblich gesteigert.
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Ein besonderer Vorteil des gemäß der Erfindung gestalteten Bremsventils
ist in dem geringen Raumbedarf der verwendeten Gummifeder zu sehen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 ist ein senkrechter Schnitt durch ein Bremsventil
gemäß der Erfindung; F i g. 2 zeigt das nachgiebige Abstufungsglied (die
Gummifeder) in einem Schnitt in vergrößertem Maßstab; F i g. 3 zeigt in einem
weiterhin vergrößerten Maßstab die Art, in welcher die Gummifeder unter den verschiedenen
Betriebsbedingungen verformt wird; F i g. 4 zeigt in einer graphischen Aufzeichnung
den Gegensatz zwischen der Wirkungsweise eines Bremsventils nach der Erfindung und
einer bestimmten früheren Ausführungsforin.
Nach F i g. 1
ist das Ventilgehäuse 10 an einer Grundplatte 12 durch eine Schraube 14 befestigt.
Das Gehäuse ist in eine untere Einlaßkammer 16 mit mit einerStrömungsdruckquelle,
beispielsweise einem nicht dargestellten Druckluftbehälter, verbundenen Einlaßöffnungen
17 und eine obere Auslaßkammer 1.8 unterteilt, die mit Auslaßöffnungen
19 versehen ist, welche mit den zu betätigenden Bremszylindern verbunden
sind. Die Kammern 16, 18 sind voneinander durch eine eine Öffnung 22 enthaltende
Unterteilung 20 getrennt, deren untere ringförmige Kante einen Ventilsitz für ein
auf dem oberen Ende eines Tauchkolbens 26 angeordnetes Ventil 24 bildet.
Der Kolben 26 ist mit einem axialen Auspuffkanal 28
versehen und gleitend
in einer Bohrung 30 eines Führungsgliedes 32 angeordnet, welches in
der Einlaßkammer 18 durch einen Sprengring 34 gehalten wird. Das untere Ende
der Bohrung 30 ist ständig mit der Atmosphäre durch eine gitterartige Öffnung
36 verbunden, die normalerweise durch einen biegsamen Staubschutz
37 abgedeckt ist. Eine zwischen einer Schulter an dem Führungsglied
32 und dem Ventil 24 angeordnete Feder 38 hält dieses in abdichtendem
Eingriff mit seinem Sitz, so daß die Einlaß- und Auslaßkammern 16, 18 normalerweise
voneinander getrennt sind. Damit der das Ventil 24 tragende Kolben 26 und
das Führungsglied 32 als eine Einheit während des Ein- und Ausbauens behandelt
werden können, ist ein nach oben stehendes federkielartiges Glied 39 aus
Federmaterial an dem Glied 32 befestigt und mit einem hakenförrnigen oberen
Ende 40 versehen, welches mit einer nach unten und außen schrägen Schulter 41 in
dem Kanal 28 des Tauchkolbens 26 im Eingriff steht. Die Anordnung
ist so getroffen, daß vor dem Einbau in den Ventilkörper die Feder 38 den
Kolben 26 und das Führungsglied 32 voneinanderdrückt, der Haken 40
des federkielartigen Gliedes 39 aber durch Eingriff mit der Schulter 41 diese
Glieder zusammenhält, so daß sie als eine Einheit in den Ventilkörper eingefügt
werden können. Wenn die Glieder zu Ausbesserungs- oder Auswechslungszwecken entfernt
werden sollen, so kommt das federkielartige Glied39 wiederum mit der Schulter 41
in Eingriff, so daß beide Glieder als eine Einheit entfernt werden können, wodurch
ein mögliches Verlorengehen des Tauchkolbens 26 nach der Entfernung der Führung
32 vermieden wird. Beim Einbau wird der Haken normalerweise außer Eingriff
mit der Schulter gehalten und hat keine zusätzliche Funktion.
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Das obere Ende der Auslaßkammer 18 ist erweitert und hat eine
Kolbenhöhlung 42, in der ein Kolben 44 mit einem einteilig sich nach unten erstreckenden
Tauchkolben 46 gleitend angeordnet ist. Der Tauchkolben 46 befindet sich in axialer
Ausrichtung mit dem Ventil 24, steht aber mit ihm nicht in Berührung. Die Oberfläche
des Ventils erstreckt sich ringförmig nach innen über die innere Kante des Ventilsitzes
hinaus, so daß das Ventil mit dem unteren ringförinigen Rand 48 des Tauchkolbens
46 in abdichtendem Eingriff steht, wenn er sich nach unten im Eingriff mit dem Ventil
bewegt. Der Kolben 44 und damit der Tauchkolben wird üblicherweise in seiner oberen
Lage gemäß der Zeichnung durch eine Feder 50 gehalten, die zwischen einem
Führungsglied 52 für den Tauchkolben in der Kammer 1.8 und der unteren
Seite des Kolbens 44 angeordnet ist. Die obere Seite des Kolbens 44 ist mit einer
mittleren ringförmigen Höhlung 54 versehen, die einen nach oben vorstehenden hohlen
mittleren Hals 56 umgibt. Die Höhlung 54 öffnet sich in eine erweiterte,
verhältnismäßig flache Ausnehmung 58. In der Höhlung 54 ist ein elastisches
Glied 60 aus Gummi od. dgl. angeordnet. Mit der Oberfläche des elastischen
Gliedes 60 steht eine Platte 62 im Eingriff, die mit einem Mittelloch
versehen ist, durch die sich der Hals 56
mit einem Innengewinde zur Aufnahme
einer Schraube 64 erstreckt. Diese Schraube hält beim Aufschrauben die Platte
62 in ihrer Betriebsstellung und dient zum Vorspannen der Gummifeder
60. Die Platte 62 hat einen kleineren Durchmesser als die flache Ausnehmung
58 und kann sich entsprechend dem Spielraum zwischen der Unterseite der Platte
62
und dem Boden der Ausnehmung 58 hin- und herbewegen, wie weiter
unten beschrieben ist. Eine zur Befestigung dienende Platte 65 mit nach innen
gebogenen Spitzen oder Zinken 65a, die mit einem Flansch um das obere Ende des Gehäuses
10 in Eingriff kommen, überdeckt den Kolben 44 und hält ihn und ihm zugeordnete
Teile im zusammengebauten Zustand zurück, wenn der Ventilkörper von der Platte 12
entfernt und als Einheit behandelt wird.
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Der Ventilmechanismus wird durch einen Fußhebel 66 gesteuert,
welcher schwenkbar mit der Platte 12 durch ein einen Drehzapfen 70 tragendes
Lager 68 verbunden ist. Der Fußhebel ist mit einer Rolle 72 versehen,
die in kraftschlüssiger Verbindung mit dem oberen Teil eines hohlen Tauchkolbens
74 steht, der in einer öffnung 76 der Platte 12 gleitend angeordnet ist.
Eine nachgiebige Kappe 78 greift in ringförmige Nuten 80, 82 in dem
Kolben 74 und um die Öffnung 76 herum ein. In der in F i g. 1 dargestellten
Lage befindet sich der Fußhebel in der Bremslösestellung und wird entgegen dem Uhrzeigersinn
durch die Feder 50 belastet, so daß das linke Ende 84 des Fußhebels mit einem
Puffer 86
aus Gummi oder ähnlichem Material im Eingriff steht.
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Die nachgiebige Abstufungsfeder60 hat eine charakteristische Form
und ist in F i g. 2 in nicht zusammengedrücktem Zustand dargestellt, wo sie
einen im wesentlichen zylindrischen Kreisring mit senkrechten Innen- und Außenwänden
88, 90 bildet. Der Boden der Feder ist mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung
92 versehen, deren unterer Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Gliedes
60
ist, so daß an dem Boden der Feder zwischen der Ausnehmung 92 und
der äußeren Wand 88 eine ebene ringförmige Fläche 94 gebildet wird. Die obere
ringförmige Fläche 96 ist nach innen und oben abgeschrägt und kurvenförmig
ausgebildet.
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F i g. 3 zeigt in überlagerten Ansichten die Feder
60 vor dem Einbau, in eingebautem und in voll zusammengedrücktem Zustand.
Die gestrichelte Linie 60' zeigt die Feder in ihrem nicht zusammengedrückten
Zustand vor dem Einbau. Es ist ersichtlich, daß die Feder in diesem Zustand einen
kleineren Durchmesser als die Ausnehmung 54 hat, so daß sie sich in ihrem normalen
eingebauten vorgespannten Zustand, der mit der voll ausgezogenen Linie
60 dargestellt ist, durch die zusammendrückende Kraft der Platte
62 radial nach innen und außen ausdehnt, so daß die äußere Federwand dicht
mit der Wand der usnehmung 54 abschließt, sie sich aber nicht in dem Spielraum zwischen
der Unterseite der Platte 62
und dem Boden der Ausnehmung
58 ausdehnt. Die innere Wandung 90 der Feder bewegt sich nach innen
auf den Hals 56 zu.
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Im Betrieb bewegt der Kolben 74 aus der in Fig. 1 dargestellten
Lage der Teile des Ventilmechanismus, wenn der Fußhebel 66 niedergedrückt
wird, die Platte 62 nach unten entgegen der Feder 60, die ihrerseits
auf den Boden der Höhlung 54 drückt und den Kolben 44 und seinen Tauchkolben 46
nach unten gegen das Ventil 24 drückt und damit zuerst den Auspuffkanal
28 abschließt und dann das Ventil 24 öffnet, so daß der Strömungsdruck von
der Kammer 16 durch die Öffnung 22 in die Kammer 18
und von dort durch
die Auslaßöffnungen 19 zu den Bremszylindem fließt. Es sei angenommen, daß
das Ventil 24 in eine offene Lage bewegt und dort gehalten wird, wobei der Abstand
zwischen dem Ventil und seinem Sitz kleiner als der Abstand zwischen der unteren
Fläche der Platte 62 und dem Boden der Ausnehmung 58 ist. Bei solchen
Verhältnissen fließt Druckluft in die Auslaßkammer 18, bis der auf den Kolben
44 wirkende Druck ihn unter Zusammendrücken der Feder 60 nach oben bewegt,
bis sich das Ventil 24 schließt, wodurch dann keine weitere Druckluft zu der Kammer
18 gelangt und das Ventil sich sowohl mit der Einlaßöffnung 22 und dem geschlossenen
Auspuffkanal 28 überdeckt. Sollte der Fahrer den Fußhebel um einen weiteren
Betrag niederdrücken, so daß sich der Kolben 46 in die Einlaßkammer 16 um
einen größeren Betrag als der zwischen der Platte 62 und dem Boden der Ausnehmung
58 erstreckt, übt der in der Auslaßkammer 18 sich aufbauende höhere
Luftdruck eine nach oben wirkende Kraft gegen den Kolben 44 aus, bewegt ihn so nach
oben und drückt die Feder 60 weiter zusammen, so daß sie die mit gestrichelten
Linien 60"
in F i g. 3 dargestellte Form einnimmt und die Platte
62 sich auf den Boden der Ausnehmung 58 abstützt, wodurch das Ende
des Federabstufungsbereiches gebildet wird, so daß sich das Ventil 24 nicht infolge
der Zusammendrückung der Feder 60 vollkommen schließen kann. Auf diese Weise
baut sich in der Auslaßkammer 18 weiter der Druck auf, und wenn der Fahrer
die gleiche Kraft auf den Fußhebel ausübt, mit der er ihn um den vergrößerten Weg
zuerst bewegte, wird der Fuß durch den sich in der Kammer 18 aufbauenden
Druck entgegen dem Uhrzeigersinn in F i g. 1 bewegt, bis sich das Ventil
wieder überdeckt, wenn der Fahrer es nicht vorzieht, eine größere Kraft auf den
Fußhebel auszuüben. Sollte der Fahrer überlegt haben, daß eine noch höhere Bremskraft
erforderlich ist, so könnte er, ohne das Pedal weiter niederzudrücken, seinen Fuß
nur in der Lage mit vergrößerter Kraft halten, bis er merkt, daß das Fahrzeug genügend
verlangsamt wird, woraufhin er entweder seinen Fuß entlasten kann, bis der Druck
in der Kammer 18 seinen Fuß in genügendem Maße bewegt und das Ventil zum
überdecken bringt, oder er könnte seinen Fuß unabhängig von dem Kolben bewegen und
dem Tauchkolben 46 die Möglichkeit geben, sich von dem Ventil 24 wegzubewegen, um
so die Bremszylinder mit der Atmosphäre in Verbindung zu bringen. In F i
g. 4 zeigt die Kurve 100 die früher im allgemeinen gewünschte Abhängigkeit
zwischen Pedalweg und Bremsdruck, und in F i g. 1 zeigt der Winkela den Pedalweg,
der zur Erzielung eines vollen Behälterauslaßdruckes bei der früher vorwiegend verwendeten
Art von Bremsventilen erforderlich war. Dazu war eine metallische Feder von beträchtlicher
Länge mit einem gleichmäßigen Wegbelastungsverhältnis erforderlich, so daß das Bremsventil
verhältnismäßig lang sein mußte. Diese übermäßige Länge ist nicht nur wegen des
Einbauproblems von Nachteil, sondern der erforderliche Bremspedalweg bei einer solchen
Ausführungsfonn verursacht viel schneller und in erhöhtem Maße eine Ermüdung des
Fahrers und beeinträchtigt infolgedessen die Aufmerksamkeit des Fahrers beim Fahren.
Neben diesen Bremsventilen mit einer Feder mit konstanter Charakteristik sind allerdings
auch schon die eingangs beschriebenen Bremsventile mit einer Feder mit progressiver
Charakteristik bekanntgeworden, bei denen die angegebenen Nachteile nur in geringerem
Maße auftreten.
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Umfangreiche Versuche haben gezeigt, daß eine federgesteuerte Abstufung
nur in dem am häufigsten verwendeten Druckbereich erforderlich ist und daß oberhalb
dieses Bereiches eine Abstufung direkt durch den Fuß des Fahrers ohne wesentlichen
Fußhebelweg ausreicht. In F i g. 4 zeigt die Kurve 102 die durch ein Bremsventil
gemäß der Erfindung angestrebte und erreichte Wirkung.
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Ein Vergleich der Kurven 100 und 102 läßt die Unterschiede
in den Wirkungsweisen eines Bremsventils mit einem konstanten Federwert und eines
Bremsventils mit einem veränderlichen Federwert erkennen. Beachtlich sind die gleichen
Intervalle des Pedalweges bzw. des Weges des Tauchkolbens 74 für jedes folgende
Intervall der Druckerhöhung über den Abstufungsbereich des herkömmlichen Ventils
entsprechend Kurve 100. Demgegenüber ist die aufeinanderfolgende Abnahme
des Pedalweges für jedes folgende Intervall der Druckerhöhung innerhalb des Abstufungsbereiches
des Ventils entsprechend Kurve 102 zu beachten. In dem am häufigsten verwendeten
Druckbereich zwischen 0 und 2,9 kg/cm2 (30 psi) wird eine Abstufung
durch die Gummifeder nüt der Gesamtbewegung des Ventiltauchkolbens in diesem Bereich
nicht über 5 mm erhalten, und der Fußhebelweg geht nicht über den Winkel
ß in F i g. 1 hinaus. Jede etwas größere Bewegung als diese veranlaßt
die Platte 62, sich gegen den Boden der Ausnehmung 58
zu legen, wie
in F i g. 3 mit gestrichelten Linien 62'
dargestellt ist, und das Ventil
24 wird geöffnet, als wenn die Feder 60 nicht vorhanden wäre. Wenn das Ventil
in dieser offenen Lage beibehalten wird, baut sich in der Kammer 18 der Behälterdruck
auf und übt eine vergrößerte, nach oben gerichtete Kraft auf den Kolben 44 aus,
der der Fahrer mit erhöhter Kraft entgegenwirken muß, wenn das Ventil geöffnet bleiben
soll. Die Fußkraftänderung ohne weiteren Bremspedalweg ist durch die Kurve 104 in
F i g. 4 dargestellt. Bei den älteren Bremsventilen mit konstanter Federcharakteristik
mußte gemäß Kurve 106 nicht nur die erforderliche Fußkraft verändert, sondern
auch die Änderung der Fußkraft durch eine entsprechende Veränderung der FußhebeRage
begleitet werden.
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Es ist hervorzuheben, daß das Ventil 24 ein sogenanntes »druckentlastetes«
Ventil ist, bei welchem nur eine ringförmige Schulter dem vollen Behälterdruck in
der Kammer 16 ausgesetzt ist. Infolgedessen kann das Ventil verhältnismäßig
leicht in seine offene Stellung bewegt werden. Druckentlastete
Einlaßventile
sind schon bei anderen Bremsventilen verwendet worden.
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Eine metallische Feder könnte nicht in der gleichen Weise in dem gleichen
Raum wie eine Gummifeder arbeiten und gleiche Abstufungswirkungen erzielen. Eine
metallische Feder würde eine ganz besondere und kostspielige Ausführungsform verlangen,
damit sie ein veränderliches Verhältnis und eine Lebensdauer gleich der erhalten
könnte, die als Gummifeder in dem gleichen zur Verfügung stehenden Raum arbeitet.
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Die gewünschte Abhängigkeit des Pedalweges vom Bremsdruck, wie sie
durch die Kurve 102 in F i g. 4 dargestellt ist, kann auch durch eine im
Rahmen des Anspruchs 1 abgeänderte Federforin erreicht werden. Die Nachgiebigkeit
des Gummis kann verschieden gewählt werden. Jedoch darf der Gummi, wenn er durch
den Tauchkolben 74 zusammengedrückt wird, sich unter keinen Umständen aus der Höhlung
54 herausdrücken lassen oder so zwischen oder um irgendwelche Teile herum fließen,
daß relative Bewegungen zwischen den Ventilteilen verhindert werden. Die Feder
60 in der beschriebenen Form ergibt die gewünschte Wirkungsweise. Aus F i
g. 3 ist zu ersehen, daß die kegelstumpffönnige Ausnehmung 92
ein Zusammendrücken
der Feder nach unten mit einer gewissen Schwenkbewegung um die untere Fläche 94
ermöglicht. Wenn die Feder axial nach unten zusammengedrückt wird, bewegt sich der
obere Teil der senkrechten Seitenkanten 88 radial nach innen weg von der
Wand der Höhlung 54, während die Innenwand 90 der Feder sich in Richtung
auf den Hals 56 zu bewegt, ohne jedoch wirksam mit ihm in Eingriff zu kommen,
wenn die Feder vollkommen zusammengepreßt ist, wie es mit gestrichelten Linien
60" dargestellt ist, Während das Fedrrmaterial genügend Platz hat, um sich
in dem den Hals 56 umgebenden ringförmigen Raum zu bewegen, während gleichzeitig
die äußere Kante 88 von der Höhlungsseitenwand wegbewegt wird, baucht sich
die Feder in keiner Weise nach außen in den Zwischenraum zwischen der Platte
62 und dem Boden der Höhlung 58 aus. Da die Bremswirkung oberhalb
des federgesteuerten abgestuften Bereiches durch die Fußkraft ohne wesentliche Fußhebelbewegung
gesteuert wird, gleicht die durch das erfindungsgemäße Ventil erreichte Wirkungsweise
in hohem Maße der Wirkungsweise, die durch hydraulisch betätigte Bremsen erzielt
wird.