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Druckluftventileinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge,
zur kontinuierlich lastabhängigen Änderung des Bremszylinderdruckes Die Erfindung
betrifft eine Druckluftventileinrichtung für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge,
zur kontinuierlich lastabhängigen Änderung des Verhältnisses zwischen Steuerdruck
und Bremszylinderdruck mittels einer mit zwei Wälzmembranen und einander entgegengesetzt
gerichteten konischen Kolben versehenen pneumatischen Rückführfederung und mittels
eines mit der Rückführfederung durch eine Kolbenstange verbundenen vom Bremszylinderdruck
beaufschlagbaren Kolbens konstanter Wirkungsfläche. Durch derartige, rein pneumatisch,
also ohne mechanische Hebeleinrichtung wirkende Ventileinrichtungen wird der Bremszylinderdruck
gegenüber dem vom Steuerventil eingesteuerten Druck lastabhängig geändert.
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Bei einer bekanntgewordenen Einrichtung dieser Gattung für Fahrzeuge
mit Luftfederung ist vorgesehen, daß der in der Luftfederung wirksame Luftdruck
im Zusammenwirken mit der ihm entgegengerichteten Kraft einer Feder die Lage eines
ersten Ventilsitzes bestimmt, der zusammen mit einem ersten Ventilkörper das Auslaßventil
bildet und daß ein zweiter Ventilsitz, der zusammen mit einem zweiten, mit dem ersten
fest verbundenen Ventilkörper das Einlaßventil bildet, mit einem Doppelkolbenglied
fest verbunden ist, dessen eines Kolbenglied vom Bremszylinderdruck in der das Einlaßventil
schließenden Richtung beaufschlagt wird, während in entgegengesetzter Richtung der
durch den Fahrzeugführer eingesteuerte Druck wirkt, der eine mit dem anderen Kolbenglied
gekuppelte Biegehaut beaufschlagt, deren wirksame Fläche sich entsprechend ihrer
Durchbiegung ändert, und zwar zunimmt, wenn das Kolbenglied dem Bremszylinderdruck
nachgibt. Nach einer Ausführungsform der bekannten Einrichtung ist spiegelbildlich
zu der Biegehaut, deren wirksame Fläche sich entsprechend ihrer Durchbiegung ändert,
eine zweite Biegehaut angeordnet. Hierdurch entsteht bei Druckbeaufschlagung der
zwischen den Biegehäuten gebildeten Kammer eine pneumatische Rückführfederung. Dieser
bekannte lastabhängige Bremskraftregler für die Druckluftbremseinrichtung an Fahrzeugen
weist den Nachteil auf, daß bei einem großen Lastverhältnis des beladenen zum unbeladenen
Fahrzeug die wünschenswerte Abstufungsgenauigkeit des Bremszylinderdruckes, insbesondere
bei leerem Fahrzeug nicht erreichbar ist. Der Steuerkolben konstanter Wirkungsfläche
wird zwar auf einer Seite vom Bremszylinderdruck beaufschlagt, auf der Gegenseite
aber nicht vom Steuerdruck, sondern nur von einer Feder und der pneumatischen Rückführfederung.
Die Wirkungsfläche der Rückführfederung wird mit sinkendem Bremszylinderdruck kleiner,
wogegen diejenige des Steuerkolbens konstant bleibt. Hierdurch werden die Steuerkräfte
in ungünstiger Weise unproportional verändert. Ferner ist bei dieser Einrichtung
folgender Umstand nachteilig: Obwohl in den Bremszylindei ein bestimmter Druck eingesteuert
wird, bevor die lastabhängige Regelung erfolgt, hat dieser Druck keinen konstanten,
sondern einen von der Fahrzeugbelastung abhängenden Wert. Mit der Fahrzeugbelastung
ändert sich nämlich die Lage des Auslaßventilsitzes und damit die wirksame Fläche
der Wälzhäute in der pneumatischen Rückführfederung. Damit ist nicht mit Sicherheit
vermieden, daß in einem Zugverband die belasteten Wagen frühzeitiger gebremst werden
als die unbelasteten. Weiterhin läßt die bekannte Einrichtung es nicht zu, den lastabhängigen
Bremszylinderdruck über den Steuerdruck hinaus zu erhöhen, weil der in die Rückführfederung
eingeleitete Steuerdruck in der Folge als Bremszylinderdruck wirksam wird.
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Die Druckluftventileinrichtung nach der Erfindung enthält eine bekannte
Rückführfede rung für pneumatische Regelventile. Diese besteht aus zwei einander
gegenüberliegenden, sich an kegeligen Gehäuseflächen abwälzenden, durch Kolben abgestützte
Membranen, die eine druckmittelgefüllte Kammer abschließen, zwangläufig durch eine
gemeinsame Kolbenstange verbunden sind und spiegelbildlich zueinander gegen die
Kegelflächen der Kolbenstange und des den Rand der Membranen haltenden Gehäuses
derart
anliegen, daß bei einer Verschiebung der Kolbenstange die Größe der wirksamen Fläche
der einen Membran sich umgekehrt wie die wirksame Fläche der anderen Membran ändert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
zu vermeiden und eine Druckluftventileinrichtung zu schaffen, die den Bremszylinderdruck
gegenüber dem Steuerdruck in jedem praktisch erforderlichen Verhältnis sowohl erhöht
als auch verringert. Auch bei geringen Bremszylinderdrücken soll die Druckabstufung
feinfühlig beherrschbar sein. Die Aufgabe umschließt ferner die Forderung, daß der
Bremszylinderdruck erst nach Erreichen eines Bremsanlegedruckes von konstanter Größe
lastabhängig gesteuert wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch erreicht
worden, daß der gegenüber dem mit dem Kolben konstanter Wirkungsfläche verbundenen
Auslaßventilsitz bewegbare Einlaßventilsitz eines an sich bekannten Regelventils
lastabhängig verschiebbar ist, dessen Kolben entgegen dem Bremszylinderdruck vom
Steuerdruck und dessen zwischen den Wälzmembranen gebildete Kammer vom Bremszylinderdruck
beaufschlagbar ist.
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Zusammengefaßt weist diese Einrichtung folgende Vorteile auf: Schwere
und verschleißempfindliche mechanische Bauteile entfallen, da die Bremseinrichtung
mit pneumatischen Mitteln arbeitet. Bei einem großen Lastverhältnis von beladenem
zu leerem Fahrzeug und niedrigen Bremsdrücken bei letzterem ergeben sich keine Schwierigkeiten
in der Druckabstufung, weil diese lediglich von der Wirkungsfläche des reaktionsempfindlichen
Membrankolbens konstanter Wirkungsfläche abhängt. Infolgedessen kann der Bremsdruck
gegenüber dem Steuerdruck in jedem praktisch erforderlichen Verhältnis sowohl erhöht
als auch verringert werden. Die lastabhängige Wirkung setzt erst nach Erreichen
eines konstant bleibenden Bremsanlegedruckes ein.
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In der Zeichnung ist ein -Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Druckluftventileinrichtung und F
i g. 2 ein Diagramm für drei Fälle des Druckverlaufes in der Bremseinrichtung.
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Ein Relaisventil 1 ist mit einer pneumatischen Rückführfederung 2
versehen, die in einem Gehäuse 3 koaxial zueinander angeordnet und durch eine Zwischenwand
4 voneinander getrennt sind. Zu der Druckluftventileinrichtung gehören ferner Schaltventile
19 und 30.
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Im Relaisventil l ist mit einem Membrankolben konstanter Wirkungsfläche
5 eine hohle Kolbenstange 6 fest verbunden, welche die Zwischenwand 4 sowie die
obere Gehäusewand des Gehäuses 3 gleitend und dichtend durchdringt; die Kolbenstange
endet offen in der Atmosphäre. Das entgegengesetzte Ende der hohlen Kolbenstange
6 trägt in einer Kammer 7 einen Auslaßventilsitz B. Ein Einlaßventilsitz 9 ist mittels
einer ins Freie führenden Stange 10 axial und proportional zur Laständerung verschiebbar.
Durch ihn werden die Kammern 7 und 31 getrennt. Fest miteinander verbunden und von
einer Ventilfeder 11 in Richtung auf ihre Ventilsitze gemeinsam belastet sind ein
Einlaßventilteller 12 und ein Auslaßventilteller 13.
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Die pneumatische Rückführfederung 2 besteht aus einem zur Mitte seiner
Längsausdehnung sich beidseitig konisch verjüngenden Kolben 14, 14a, der mit der
hohlen Kolbenstange 6 und daher auch mit dem Membrankolben 5 des Relaisventils 1
verbunden ist. Das Gehäuse 3 bildet zwei zum Kolben 14, 14a entgegengesetzt konische
Ringflächen 15 und 15a. Zwei Wälzmembranen 16 und 16a sind mit ihrem
Innenrand im verengten Teil des konischen Kolbens 14, 14 a und mit ihrem Außenrand
im Gehäuse 3 eingespannt und legen sich formschlüssig an die vier konischen Kolben-
bzw. Gehäuseflächen an. Zwischen den Wälzmembranen wird eine luftdichte Kammer 17
gebildet, die ständig über eine Leitung 18 mit der vom Bremszylinderdruck beaufschlagbaren
Kammer 7 verbunden ist. Auch auf ihrer Außenseite sind die Wälzmembran 16a aus einer
Kammer 20 und die Wälzmembran 16 aus einer Kammer 21 von Druckluft beaufschlagbar.
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Das Schaltventil 19 ist durch einen Kolben 28 und das Schaltventil
30 durch einen Kolben 29 betätigbar. Beide Kolbenkammern 33 und 34 der Schaltventile
sind miteinander verbunden und an eine Leitung 27 angeschlossen. Auf der Gegenseite
des Kolbens 28 wirkt eine Feder 40, deren Kraft das Ventil 19 erst dann schließen
läßt, wenn in der Kammer 33 der Bremsanlegedruck überschritten wird. Im Schaltventil
30 dagegen wirkt eine schwächere Feder 32 auf den Kolben 29. Dieses Ventil schließt
bzw. öffnet daher bei einem erheblich niedrigeren, in der Kolbenkammer 34 wirkenden
Druck. Die Federkammern beider Schaltventile stehen mit der Atmosphäre in Verbindung,
ebenso eine Ventilkammer 36 des Schaltventils 30.
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Im Relaisventil 1 steht in der Kammer 31 bis zum Einlaßventil 12 der
Druck des nicht dargestellten Bremsbehälters an. Durch eine Leitung 25 gelangt der
Steuerdruck in die Steuerkammer 26, des Relaisventils 1 von hier über die Leitung
27 in die Kolbenkammern 33 und 34 der Schaltventile 19 bzw. 30. Der in die Kammer
7 einzusteuernde Bremszylinderdruck gelangt über eine Leitung 37 in den Bremszylinder
39 und durch eine Leitung 24 in die Einlaßkammer 38 beider Schaltventile 19 und
30. Bei geöffnetem Schaltventil 19 beaufschlagt der Bremszylinderdruck ferner durch
Leitungen 22 und 23 auch die Kammern 20 bzw. 21 der Rückführfederung 2.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Druckluftventileinrichtung
soll nach der gestellten Aufgabe eine Abhängigkeit des Bremszylinderdruckes p, vom
Steuerdruck pst beispielsweise nach dem Diagramm der F i g. 2 ergeben. Bei halber
Belastung des Fahrzeuges möge das Verhältnis p. : p,=1., bei voller Belastung
2 und ohne Fahrzeugbelastung gleich 0,5 sein. Es können jedoch auch andere Druckverhältnisse
vorbestimmt werden. Aus der F i g. 2 ist ferner ersichtlich, daß bis zum Bremsanlegedruck
p", keine lastabhängige Beeinflussung des Bremszylinderdruckes stattfinden soll.
Bis dahin sind für jeden Belastungszustand des Fahrzeuges Steuerdruck und Bremszylinderdruck
gleich groß. Erst oberhalb dieses Punktes wird der Bremszylinderdruck lastabhängig
gesteuert, und zwar in linear verlaufender Beziehung zum Steuerdruck.
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Diese Wirkungsweise wird mit den Mitteln der in F i g. 1 dargestellten
Druckluftventileinrichtung erreicht, in der die Rückführfederung 2 folgende wichtige
Rolle spielt: Wird die hohle Kolbenstange 6 mit dem konischen Kolben 14, 14a aus
der dargestellten Mittelstellung in der Zeichnung nach oben verschoben,
so
vergrößert sich die am Kolbenteil 14 a anliegende Wirkungsfläche der Wälzmembran
16a, während sich zugleich die am Kolbenteil 14 anliegende Wirkungsfläche der Wälzmembran
16 verkleinert. Da beide Wirkungsflächen von dem in der Kammer 17 herrschenden Druck
beaufschlagt werden, entsteht eine der Wirkflächenveränderung proportionale, zur
Mittelstellung zurückstrebende Rückstellkraft. Der analoge Vorgang vollzieht sich
in umgekehrtem Sinne, wenn der Kolben 14, 14a in der Zeichnung nach unten verschoben
wird. Die Größe der Rückstellkraft steigt erstens mit der vom Kolbenweg abhängigen
Zunahme der Wirkungsfläche der Wälzmembranen, zweitens mit der die jeweilige Wirkungsfläche
beaufschlagenden Druckhöhe in der Kammer 17. Die Rückstellkraft kann jedoch nur
entstehen, wenn der Druck in der Kammer 17 größer ist als der in den Kammern 20
und 21. Auch bei gleichem Druck in diesen drei Kammern und bei unterschiedlichen
Wirkungsflächen der Wälzmembranen 16, 16a heben sich die an jeder von ihnen wirkenden
Kräfte auf, so daß keine Rückstellkraft an der hohlen Kolbenstange 6 entsteht. Wird
eine in der Zeichnung abwärts gerichtete Rückstellkraft wirksam, so verstärkt sie
die in der Steuerkammer 26 vom Steuerdruck auf den Kolben 5 ausgeübte Kraft, während
eine aufwärts gerichtete Rückstellkraft sie vermindert. Die an sich bekannte Rückführfederung
2 besitzt die für den Erfindungsgegenstand unentbehrliche günstige Eigenschaft,
daß ihre Federkonstante c (kg/cm) den Druckänderungen in der Kammer 17 entsprechend
veränderlich ist. Hierdurch ist eine stets linear verlaufende Beziehung zwischen
Federkraft und Federweg bei stark unterschiedlichen Belastungen der Feder möglich.
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Von einem mit halber Last beladenen Fahrzeug ausgehend, wird angenommen,
daß die Stange 10 und der Einlaßventilsitz 9 die gezeichnete Lage einnehmen mögen,
der Kolben konstanter Wirkungsfläche 5 sowie der konische Kolben
14, 14a haben dabei ebenfalls ihre dargestellte Mittelstellung inne. Die
Aus- und Einlaßventilteller 12 bzw. 13 sind bei dieser Mittellage der Kolben in
Abschlußstellung. Bis auf den in der Kammer 31 anstehenden Bremsluftbehälterdruck
soll die Einrichtung vollständig entlüftet sein (Lösezustand). Die Schaltventile
19 und 30 sind mithin geöffnet. Nach dem Einspeisen eines Steuerdruckes bis
zur Höhe des Bremsanlegedruckes in die Steuerkammer 26 sowie in die Kolbenkammer
33 und 34 schließt das Schaltventil 30 sofort, während das Schaltventil 19
geöffnet bleibt. Zugleich bewegt sich der beaufschlagte Kolben 5 abwärts und öffnet
das Einlaßventil 9, 12. Ist der Bremszylinderdruck in der Kammer 7 bis zur Steuerdruckhöhe
angestiegen, so geht das Ein- und Auslaßventil 9, 12
bzw. 8, 13 durch Zurückbewegen
des Steuerkolbens 5 in Abschlußstellung. Der eingesteuerte Bremszylinderdruck herrscht
nun auch in der Kammer 17 sowie - da das Schaltventil 19 noch geöffnet ist
- in den Kammern 20 und 21. Da mithin in diesen drei Kammern der Rückführfederung
2 gleicher Druck herrscht, erzeugt sie keine auf den Kolben 5 wirkende Rückstellkraft.
Infolgedessen ist der Bremszylinderdruck gleich dem Steuerdruck. Überschreitet bei
weiterer Erhöhung der Bremswirkung der Steuerdruck den Bremsanlegedruck, so schließt
in diesem Augenblick das Schaltventil 19 und bewirkt, daß in den Kammern 20 und
21 der Bremsanlegedruck nicht überschritten wird, jedoch erhalten bleibt. Die Kammer
17 hingegen wird über die Leitung 18 von der jeweiligen Höhe des Bremszylinderdruckes
beaufschlagt. Damit sind in der Rückführfederung zwar die bereits erwähnten Druckverhältnisse
gegeben, die bei einer Verschiebung des konischen Kolbens 14, 14a eine Rückstellkraft
erzeugen. Da jedoch noch die Annahme gilt, daß bei halber Fahrzeugbelastung das
Ein- und Auslaßventil 9, 12 bzw. 8, 13 seine Abschlußstellung bei der Mittellage
des konischen Kolbens 14, 14a und des Kolbens 5 einnimmt, findet eine Verschiebung
des ionischen Kolbens nicht statt. Infolgedessen wird bei halber Fahrzeugbelastung
auch bei höheren Bremsstufen keine Rückstellkraft erzeugt, so daß der Bremszylinderdruck
über den gesamten Bremsbereich dem Steuerdruck gleich bleibt. Es ergibt sich also
die in F i g. 2 mit »Halbe Last« bezeichnete lineare Kennlinie 1:1.
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Es wird nun ein voll belastetes Fahrzeug angenommen. Der Einlaßventilsitz
9 ist mittels der Stange 10
um einen zur Lasterhöhung proportionalen
Weg in Richtung zum Kolben 5 verschoben. In der Abschlußstellung des Ein- und Auslaßventils
9, 12 bzw. 8, 13 sind der Kolben 5 sowie der konische Kolben 14, 14a um den gleichen
Weg in der Zeichnung nach oben bewegt. Die Wirkungsfläche der Wälzhaut 16 ist verkleinert,
die der Wälzhaut 16a
vergrößert. Dadurch wird eine auf den Kolben 5 wirkende,
den Steuerdruck unterstützende Rückstellkraft erzeugt, nachdem sich das Schaltventil
19 wie beschrieben geschlossen hat. Während also die Kennlinie »Volle Last«
(F i g. 2) bis zum Punkte Psta=Pza wiederum im Verhältnis 1:1 verläuft, steigt sie
danach beispielsweise im Verhältnis 2:1 linear an.
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In dem dritten Beispiel eines Fahrzeuges »Ohne Last« ist der Einlaßventilsitz
9 mittels der Stange 10 gegenüber der Darstellung in F i g. 1 abwärts verschoben.
In der Abschlußstellung des Ein- und Auslaßventils 9, 12 bzw. 8, 13
sind der Kolben 5 sowie der konische Kolben 14, 14a um den gleichen Weg nach unten
bewegt. Die Wirkungsfläche der Wälzhaut 16 ist vergrößert, die der Wälzhaut 16a
verkleinert. Dadurch wird eine auf den Kolben 5 wirkende, die Kraft des Steuerdruckes
vermindernde Rückstellkraft erzeugt, nachdem sich das Schaltventil 19 geschlossen
hat. Wiederum verläuft die Kennlinie »Ohne Last« (F i g. 2) bis zum Punkt p"" =p",
im Verhältnis 1:1 und steigt danach beispielsweise im Verhältnis 0,5:1 linear an.
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Das zweite Schaltventil 30 dient lediglich als Restdruckentferner
in der Bremslösestellung der Ventileinrichtung.