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Ventilanordnung zur Druckregelung mit Sicherheitsventil, insbesondere
für Druckluftanlagen von Straßen- und Schienenfahrzeugen Die Erfindung betrifft
eine Ventilanordnung zur Druckregelung mit Sicherheitsventil zur Begrenzung des
Maximaldrucks, insbesondere für Druckluftanlagen von Straßen- und Schienenfahrzeugen,
für ein Druckmittel, das von einer ständig arbeitenden Pumpe wahlweise unter Zwischenschaltung
eines Rückschlagventils in einen Speicher oder mit höherem Druck in andere Druckräume
einzuspeisen ist, mit einem vom Speicherdruck beaufschlagten Vorsteuerventil für
einen federbelasteten Hilfskolben, der zur Druckregelung mittels eines Stößels betätigt
wird.
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Derartige Einrichtungen haben #-,ine Doppelfunktion zu erfüllen: Einerseits
müssen sie geeignet sein, die Förderun- eines Druckerzeugers in einen Speicher derart
zu beeinflussen, daß im Speicher ein bestimmter, mit der Einrichtung einstellbarer
Speicherdruck eingeregelt wird. Dies geschieht in der Weise, daß bei überschreitung
des Regeldruckes im angeschlossenen Speicher durch ein Ventil der Ventilanordnung
die vom Druckerzeuger kommende Förderleitung in die Atmosphäre entlüftet wird, so
daß der Druckerzeuger leer läuft, und daß bei Absinken des Speicherdrucks, meistens
um 10 1/o des gewünschten Regeldruckes im Speicher, die Förderleitung mit
dem Ventil wieder geschlossen wird, so daß die Förderung des Druckerzeugers wieder
in den Speicher erfolgt. Die zweite Funktion der Ventilanordnung besteht darin,
daß sie nach Abschalten des Speichers auf einer höheren Druckstufe den maximalen
Betriebsdruck der Anlage begrenzt, d. h., das Entlüftungsventil zur Atmosphäre
wirkt auf der höheren Druckstufe gleichzeitig als druckbegrenzendes Sicherheitsventil.
Das Sicherheitsventil wird dabei unmittelbar vom Förderdruck beaufschlagt und bei
Erreichen des maximal zulässigen Druckes geöffnet.
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Die höhere Druckstufe, bei der das Ventil als Sicherheitsventil wirkt,
wird z. B. erreicht, wenn entweder der Realer durch eine Störung ausfällt oder auch
dann, wenn die Regelung zeitweilig ausgeschaltet wird, um z. B. bei Verwendung der
Ventilanordnung für Druckluftanlagen an Kraftfahrzeugen die Fördermenge des Druckerzeugers
unter gegenüber dem Regeldruck höherem Druck einer Reifenfülleinrichtung zuzuführen.
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Eine derartige bekannte Ventilanordnung wird nachstehend an Hand der
F i g. 1 beschrieben: An ein Ventilgehäuse 1 ist beim Anschluß 2 eine
Pumpe als Druckerzeuger angeschlossen, die einen mittels der Dichtung
16 in einem Kolbenraum 11
dicht und axialbeweglich geführten Hilfskolben
3 sowie einen Ventilkörper 4, der auf einem Ventilsitz 15 abdichtend
aufsitzt, unmittelbar mit dem Pumpendruck beaufschlagt. Am Ventilkörper 4 greift
eine Druckfeder 13 an, die das Ventil 4 in die dargestellte geschlossene
Lage bewegt. über ein Rückschlagventil 5 erreicht das von der Pumpe geförderte
Druckmittel einerseits eine Anschlußleitung 6 eines Druckspeichers und andererseits
durch die Leitung 7 die Unterseite eines Vorsteuerventils 8, das in
der dargestellten Lage auf dem Ventilsitz 10 abdichtend aufliegt, gegen einen
oberen, entlüfteten Kolbenraum axialbeweglich abgedichtet ist und von einer Druckfeder
9, deren Spannung verstellbar ist, in der dargestellten Lage gehalten wird.
Wie ersichtlich, ist damit zwischen den beiden Ventilkörpern 3, 8 und dein
Gehäuse 1 der aus mehreren miteinander in Verbindung stehenden Teilen bestehender
Kolbenraum 11
abdichtend abgegrenzt, der über eine Drossel- bzw. Entlüftungsleitung
12 des Gehäuses 1 ständig in die Atmosphäre entlüftet ist.
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Wie ersichtlich, ist der Kolben 3 an seiner dem Ventil 4 zuaekehrten
Seite mit einer axialen Ausnehmung versehen, die an ihrem unteren Ende durch ein
Schraubelement
3 a verschlossen ist. Das Schraubelement weist einen axialen Durchlaß für
einen am Ventil 4 vorgesehenen Betätigungsstößel 4 a auf, der sich bis ins Innere
der Ausnehmung im Kolben 3 erstreckt. Im Innern der Ausnehmung im Kolben
3 ist eine weitere Druckfeder 14 vorgesehen, die sich einerseits gegen das
Schraubelement und andererseits gegen Anschläge 4b am Betätigungsstößel 4a des Ventils
4 abstützt, derart, daß in der dargestellten La-e der Ventilanordnung, in der das
Vorsteuerventil 8 geschlossen ist, der Hilfskolben 3 durch das bei
2 eintretende Druckmittel in seiner obersten, am Gehäuse anliegenden Lage gehalten
wird. Das gleichzeitig geschlossene, am Ventilsitz 15 abdichtend anliegende
Ventil 4 über den Betätigungsstößel 4a erfährt durch die Druckfeder 14 eine zusätzliche
Kraftkomponente in Schließrichtung, so daß die Anpressuno, des Ventils 4 am Sitz
15 durch die Summe der Kräfte der Druckfedem 13, 14 erfolgt.
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Die zusätzliche Anordnum, der Druckfeder 14 im Hilfskolben
3 hat folgende Gründe: Da das Ventil 4 Cr Crenüber dem bei 2 eingespeisten
Pumpendruck ge', auch dann ausreichend abdichten muß, wenn der Druck auf die erwähnte
höhere Druckstufe bis etwa zum maximalen Betriebsdruck der Anlage ansteigt, muß
die Anpreßkraft des Ventils 4 verhältnismäßig C
,groß sein. Da jedoch andererseits,
wie schon erwähnt, das Ventil 4 bei niedrigerer Druckstufe auch für die Regelung
des Drucks benutzt wird, wobei es nach Ö C
ffnen des Vorsteuerventils
8 durch Beaufschlagung der Oberseite des Hilfskolbens 3 über den Betätizu
a , ngsstößel nur eine relativ geringe öffnungskraft erfährt, die durch den
unmittelbar am Ventilkörper4 angreifenden Druck wegen der geringen Angriffsfläche
nur relativ wenig unterstützt wird, darf die Druckfeder 13 nicht sehr stark
dimensioniert sein. Um trotzdem eine ausreichende Anpreßkraft des Ventils 4 zu erreichen,
ist bei der bekannten Ausführung die Druckfeder14 vorgesehen, die zwar in der dargestellten
Lage der Ventilanordnung eine zusätzliche Schließkraft auf das Ventil 4 ausübt,
jedoch dann in ihrer Wirkung auf das Ventil 4 ausgeschaltet wird, wenn der Hilfskolben
3 während der Regelfunktion durch den Speicherdruck in Richtung auf einen
Anschlag 17 nach unten bewegt wird. Der auf das Ventil 4 wirkenden öffnungskraft
steht daher - nachdem sich der Kolben 3 um ein gewisses Maß nach unten
bewegt hat - nur noch die Druckkraft der Feder 13 entgegen. Damit
ist der auf dem Ventilkörper 4 lastende Pumpendruck in der Lage das Ventil 4 zu
öffnen, so daß dieses seine Regelfunktion ausüben kann.
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In Bezug auf die vorliegende Erfindung besteht das wesentliche Merkmal
der bekannten Ventilanordnung also darin, die Anpreßkraft des Sicherheitsventils
4 auf der höheren Druckstufe durch eine relativ schwache Druckfeder 13 und
durch eine zweite Druckfeder 14 zu erzeugen, die in dem hohlen Hilfskolben
3 angeordnet ist, über einen Betätigungsstößel in Schließrichtung auf das
Ventil 4 wirkt, jedoch dann wirkungslos wird, wenn der Hilfskolben 3 vom
Vorsteuerventil 8 mit dem Speicherdruck beaufschlagt sich nach unten bewegt,
wodurch sich das Ventil 4 öffnet.
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Zwar ist durch die beschriebenen Maßnahmen die Funktionsfähigkeit
der bekannten Ventilanordnung gegeben. Jedoch ist die bekannte Anordnung mit folgenden
Nachteilen behaftet: Da die Feder 14 auf Ventil 4 über den zugehörigen Betätigungsstößel
4a eine Kraft in Schließrichtung des Ventils 4 ausüben muß, die bei Verstellung
des Hilfskolbens 3 nach unten wirkungslos werden soll, muß die Feder 14
- im Rahmen einer brauchbaren konstruktiven Lösung - innerhalb des
Hilfskol. bens 3 untergebracht werden. Der Kolben 3 muß daher relativ
aroß ausgeführt sowie mit einem von außen zugänglichen, jedoch verschließbaren Hohlraum
zur Aufnahme von Feder 14 und Betätigungsstößel ausgebildet sein. was einen erheblichen
Bau-und Montageaufwand mit sich bringt. Im übrigen besteht der Kolben
3 aus mehreren Einzelteilen, die gegen den Widerstand der Druckfeder 14 zusammengebaut
werden müssen, was die Montage der Teile erschwert. Auch muß die Feder 14 (durch
Verstellung des Schraubelementes im Kolben 3) auf eine bestimmte Vorspannung
eingestellt werden, die gerade diejenige Kraft aufhebt, die der zulässige Höchstdruck
auf die Stellfläche des Ventils 4 ausübt. Für eine solche Ein- oder Nachstellung
muß bei der bekannten Ventilanordnung die ganze Einrichtung zerlegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile
zu vermeiden. Sie besteht darin, daß die Feder des Hilfskolbens etwas schwächer
bemessen ist als die Schließfeder des Sicherheitsventils und sich als außerhalb
des Hilfskolbens angeordnete Druckfeder am Hilfskolben und an einem Teil des Ventilgehäuses
abstützt, derart, daß die Federkraft die vom Hilfskolben auf das Sicherheitsventil
ausgeübte öffnungskraft vergrößert.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Druckfeder entfallen komplizierte
Maßnahmen am Hilfskolben, um zu erreichen, daß der Hilfskolben nur zeitweilig durch
eine zusätzliche Federkraft belastet ist. Der Hilfskolben kann daher einfach und
raumsparend ausgebildet sein, so daß auch die gesainte Ventilanordnung noch kompakter
wird. Die Zusammensetzung der Gesamtanordnung aus Hilfskolben mit Druckfeder sowie
Sicherheitsventil mit Druckfeder ist insgesamt einfacher, so daß sich eine leichte
Montage ergibt. Da durch die erfindungsgemäße Anordnung der Druckfeder das Sicherheitsventil
mit einer zusätzlichen öffnungskraft beaufschlagt wird, kann eine Schließfeder am
Sicherheitsventil, die der Druckfeder des Hilfskolbens entgegenwirkt, so stark ausgebildet
sein, daß das Sicherheitsventil erst beim zulässigen Maximaldruck öffnet. Ein Einstellen
der Druckfeder am Hilfskolben entf ällt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erflndung, bei der der
Hilfskolben mit einer Bohrung zur Aufnahme und Abstützung des Betätigungsstößels
für das Sicherheitsventil ausgebildet ist, weist das den Stößel abstützende Ende
der Bohrung des Hilfskolbens einen Durchlaß zum Kolbenraum auf, und der Stößel ist
in der Bohrung abgedichtet, z. B. mittels einer ringförmigen Dichtlippe, axial beweglich
geführt. Dadurch wird die unmittelbar mit dem Erzeuger- bzw. Förderdruck beaufschlagte
Stellfläche des Sicherheitsventils um die Querschnittsfläche des Betätigungsstößels
verringert, und es ist möglich, auch bei sehr hohen zulässigen Betriebsdrücken die
Vorspannung der Schließfeder des Sicherheitsventils nich zu groß wählen zu müssen,
so daß auch die dieser Spannung entgegenwirkende Kraft der Druckfeder am Hilfskolben
nicht zu groß bemessen werden muß,
für sehr hohe zulässige Drücke,
insbesondere auch zur Speisung einer Reifenfülleinrichtungr, geeignet.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die an Hand der F i
g. 2 und 3 nunmehr beschriebenen Ausfübrun-sbeispiel. Es zeigt F i
g. 2 einen Hauptschnit' , durch die erfindungsgemäße Ventilanordnung,
F i g. 3 einen Teilschnitt entsprechend F i a. 2, je-
doch mit
einer abaewandelten Form der Einrichtung im Bereich des Hilfskolbens 3.
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Die in F i g. 2 dargestellte Ventilanordnung stimmt im grundsätzlichen
Aufbau mit der an Hand der F i 1 bereits beschriebenen Anordnung überein,
je-
doch ist die Feder 14 des Hilfskolbens 3 entsprechend der Erfindung
angeordnet.
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In drucklosem Zustand der Zufuhrleitung 2 wird das Ventil 4 durch
die Wirkung der Druckfeder 13
wie gemäß F i g. 1 geschlossen gehalten,
erfährt aber C, ZD gleichzeitig infolge der andersartigen Anordnung der Feder 14
über den am Ventilstößel des Ventils 4 dann anliegenden Hilfskolben 3 eine
Kraftkomponente in öffnun-srichtung, derart, daß das Ventil 4 nur mit relativ geringer
Schließkraft gegen den Sitz 15 -edrückt wird. Bei Druckerhöhung in der Förderleitung
2 ergibt sich zunächst eine Stellkraft, die den Ventilkörper 4 ge 'gen die Kraft
der Feder 13 in Öff-
nungsrichtung drücken will. Gleichzeitig erfährt
je-
doch der am Betätigungsstößel des Ventils 4 anliegende Hilfskolben
3 eine Stellkraft, die den Hilfskolben 3 entgegen der Wirkung der
Druckfeder 14 beeinflußt, einen Teil dieser Federwirkung aufhebt und dadurch eine
teilweise Entlastung der Ventilfeder 13 von der Wirkung der Feder 14 mit
sich bringt. Ist - wie dargestellt - die Stellfläche am Hilfskolben
3 größer ausgelegt als die des Ventilkörpers 4, so steigt die Schließkraft
des Ventils 4, 15
automatisch mit zunehmendem Druck im Bereich der
Leitung 2.
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Bei Erreichen des Regeldrucks, der durch Verstellung der Vorspannung
der Feder 9 am Vorsteuerventil 8 einstellbar ist, wird der Vorsteuerkolben
8
vom Sitz 10 abgehoben und der Kolbenraum 11 des Hilfskolbens
3 mit dem unter Regeldruck stehenden Druckmittel beaufschlagt. Da sich die
Federn 13 und 14 in ihrer Kraftwirkung nur geringfügig unterscheiden, genügt
trotz der an sich starken Ventilfeder 13
ein relativ geringer Regeldruck im
Kolbenraum 11,
um den Hilfskolben 3 und damit den Ventilkörper 4 in
dessen Öffnungsrichtung nach unten zu verstellen (begrenzt durch den Anschlag
17 des Hilfskolbens 3),
so daß der Pumpendruck durch das geöffnete
Ventil 4, 15 in die Atmosphäre entlüftet wird. Die gleichzeitig am Hilfskolben
3 entstehende Druckdifferenz hält das Sicherheitsventil 4, 15 offen,
bis der Druck in der Leitung 6 zum Speicher so weit gefallen ist, daß das
Vorsteuerventil 8, 10 schließt und der Kolbenraum 11 we 'gen der Drosselbohrung
12 drucklos wird. Tritt dies ein, so verstellt die Feder 13 Ventil 4 und
Hilfskolben 3 gegen die Kraft der Feder 14 wieder nach oben, so daß das Ventil
4, 15 wieder 1
schließt. Das Ventil 4, 15 hat also damit seine
erste Funktion im Zusammenhang mit der Regelung des Speicherdrucks auf eine Druckstufe
unterhalb des maximal zulässigen Betriebsdrucks der Anlage ausgeübt.
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Gleichzeitig übt das Ventil 4, 15 die Funktion eines Sicherheitsventils
aus; sollte bei Erreichen des mit der Feder 9 eingestellten Regeldrucks das
Vorsteuerventil 8, 10 durch eine Störung nicht ansprechen, wird schon vor
Erreichen des maximal zulässigen Drucks der Hilfskolben 3 entgegen der Wirkung
der Feder 14 beeinflußt und die Ventilfeder 13 je nach Auslegung des Hilfskolbens
3 weitestgehend oder gänzlich vom Einfluß der Feder 14 entlastet; bei endgültigem
Erreichen des maximal zulässigen Drukkes wird bei entsprechender Auswahl der Feder
13
der Ventilkörper 4 entgegen der Schließfederkraft geöffnet, so daß das
Druckmittel ausströmen kann. Diese Funktion des Ventils 4, 15 als
Druck-begrenzungsventil für den Maximaldruck tritt auch dann ein, wenn durch eine
hierfür vorgesehene Einrichtung der Speicher abgeschaltet und das Ventil
8 ständig geschlossen gehalten wird, um die Regelfunktion zeitweilig auszuschalten,
mit dem Zweck, das Druckmittel mit dem dann entstehenden höheren Druck unmittelbar
einem Verbraucher, z. B. einer Reifenfülleinrichtung, zuzuführen.
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Insbesondere bei Verwendung der Ventilanordnung zum Reifenfüllen kann
der zulässige Maximaldruck gegenüber dem mit der Druckfeder 9 einstellbaren
Regeldruck sehr hoch sein. Die Vorspannung der Druckfeder 13 am Sicherheitsventil
4, 15 muß dann groß sein, was bedingt, daß auch die ausgleichende Vorspannung
der Feder 14 relativ groß sein muß, um es dem wesentlich kleineren Regeldruck zu
gestatten, Hilfskolben 3 sowie Ventilkörper 4 bei Ausübung der Regelfunktion
zu öffnen. Um diese ungünstig hohen Vorspannwerte zu vermeiden, kann nach einer
in F i g. 3 dargestellten Abwandlungsform der Hilfskolbenanordnung der Ventilkörper
4 mit seinem Betätigungsstößel in der Ausnehmung des Hilfskolbens 3 mittels
eines Dichtungselementes 18
axial abdichtend und beweglich geführt sein. Wie
aus F i g. 3 ersichtlich, steht dabei die Ausnehmung des Hilfskolbens
3 durch einen Durchbruch mit dem Kolbenraum 11 in Verbindung. Dadurch
wird die Funktion der Hilfskolbenanordnung nicht verändert, sondern nur die Druckangriffsfläche
am Ventilkörper 4 um den Querschnitt des in den Hilfskolben eingreifenden Betätigungsstößels
verkleinert und damit auch das die Stärke der Sicherheitsventilfeder 13 bestimmende
Produkt aus wirksamer Druckangriffsfläche am Ventilkörper 4 und dem zulässigen Maximaldruck.
Entsprechend den zu regelnden bzw. zu begrenzenden Drücken kann wahlweise die Ausführungsform
nach F i g. 2 oder 3 verwendet werden.