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Druckmittelbetätigbarer Federspeicherzylinder
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Die Erfindung bezieht sich auf einen druckmittelbetätigbaren Federspeicherzylinder,
insbesondere kombinierten Federspeicherbremszylinder, für Kraftfahrzeugbremsanlagen,
mit einem auf ein Bremsgestänge einwirkenden Kolben, der einerseits im Sinne des
Bremslösens mit Druckmittel beaufschlagt wird und andererseits durch eine Speicherfeder
belastet ist.
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Derartige Federspeicherzylinder sind zahlreich bekannt, beispielsweise
aus der DE-AS 1 555 557, der DE-PS 1 655 742, der DE-AS 19 21 622, der DE-OS 17
55 396 und anderen. Sämtliche derartigen Federspeicherzylinder, insbesondere kombinierte
Federspeicherbremszylinder, besitzen einen Kolben, der entweder als starrer metallischer
Kolben oder auch als Membrankolben ausgebildet sein kann. Dieser Kolben trennt eine
Federkammer, in der eine Speicherfeder untergebracht ist, von einer Lösekammer,
die im Sinne des Bremslösens mit Druckmittel beaufschlagbar ist und zum Zwecke des
Bremsens entlüftet wird. Die eingesetzte Speicherfeder besteht bisher aus einer
oder mehreren Stahlfedern, die als Zylinderfeder, als Tonnen-oder auch als Kegelfeder
ausgebildet sein können. Diese mechanischen Speicherfedern bestimmen letztendlich
die Bremskraft des Federspeicherzylinders. Um klein bauen zu können, werden die
mechanischen Speicherfedern bis an die Grenze ihrer Materialeigenschaften ausgenutzt.
Die mechanischen Speicherfedern werden teilweise mit variablen Querschnitt hergestellt.
Die Oberfläche wird oft durch Kugel strahlen zusätzlich verfestigt und manchmal
auch mit einem aufwendigen Korrosionsschutz versehen, damit die extrem hohen Federkräfte
erreicht und über einen Langzeitbetrieb erhalten wurden. Die bekannten Stahlfedern
sind damit sehr teuer und aufwendig in ihrer Herstellung
Bei den
bekannten Federspeicherzylindern ist der Raum, in welchem die mechanische Speicherfeder
untergebracht ist, entlüftet bzw. an die Atmosphäre angeschlossen. Dies führt dazu,
daß durch den Luftaustausch in dem Raum Kondensat anfällt, welches sowohl die Zylinderinnenwandung
als auch die Stahlfeder beeinträchtigt und damit zu Korrosionsangriffen führt. Um
diesem Problem entgegenzuwirken, sind verschiedene Maßnahmen bekannt, beispielsweise
bei kombinierten Federspeicherbremszylindern Atmungskanäle vorgesehen. Es ist auch
bekannt, einen Korrosionsschutz durch eine Kunststoffbeschichtung herbeizuführen.
Auch diese Maßnahmen sind aufwendig und letztlich damit teuer.
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Die bekannten Federspeicherzylinder, die unter Verwendung einer Stahlfeder
als Speicherfeder arbeiten, müssen eine mechanische Lösevorrichtung besitzen, um
bei Druckluftausfall die Lösestellung erreichen zu können. Dies stellt einen weiteren
erheblichen mechanischen Aufwand dar, ganz abgesehen davon, daß die mechanischen
Lösevorrichtungen schlecht handhabbar im Bereich der Achsen unter dem Fahrzeug angebracht
sind. Schließlich stellen die Stahlfedern selbst auch ein erhebliches Gewicht dar,
welches, insbesondere im Falle von kombinierten Federspe-icherbremszylindern, relativ
weit von der Befestigungskonsole entfernt ist, so daß die Gefahr besteht, daß Brüche
an der Konsole eintreten können. Auch die Stahlfedern selbst sind der Gefahr des
Bruches, insbesondere Dauerbruches, unterworfen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen druckmittelbetätigbaren
Federspeicherzylinder der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß
die mechanische Stahlfeder mit ihren Nachteilen ganz oder teilweise vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Speicherfeder
eine Gasfeder ist, also ein abgedichteter volumenveränderlicher Raum, der mit einem
unter Druck stehenden Gas gefüllt bzw. füllbar ist. Nar ist es auf dem Gebiete der
Federung von Kraftfahrzeugen bekannt, neben mechanischen Federn auch pneumatische
Federn einzusetzen bzw. derartige pneumatische Federn, insbesondere Luftfederbälge,
allein anzuwenden. Dem Ersatz der mechanischen Stahlfedern bei Federspeicherbremszylinde
durch eine insbesondere pneumatische Gasfeder steht jedoch das Vorurteil des Fachmannes
entgegen, daß ein derart ausgestattete Federspeicherzylinder nicht beherrschbar
bzw. nicht mit der erforderlichen Sicherheit handhabbar sei. Dieses Vorurteil wird
noch dadurch unterstrichen, daß es sich bei der Kraftfahrzeugbremsanlage um ein
ausgesprochenes Sicherheitsbauteil handelt.
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Überraschenderweise hat es sich aber gezeigt, daß eine Gasfeder durchaus
in der Lage ist, eine mechanische Speicherfeder zu ersetzen, wobei zusätzlich noch
verschiedene Vorteile auftreten. Trotz unterschiedlicher einwirkender Temperaturen
und trotz der Expansion des Raumes, in dem die Gasfeder untergebracht ist, ist die
Gasfeder geeignet, die bisher von einer mechanischen Speicherfeder ausgeübten Bremskräfte
bereitzustellen.
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Die Speicherfeder kann aus einer Gasfeder und einer mechanischen Feder
bestehen, wobei die mechanische Feder für die Minimalabbremsung bei Ausfall der
Gasfeder ausgelegt sein kann. Dabei braucht die jetzt eingesetzte mechanische Feder
nur vergleichsweise durchschnittliche belastet bzw. beansprucht zu werden.
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Eine Spezialverfestigung der Oberfläche der Feder ist entbehrlich.
Andererseits kann diese Feder aber bei Ausfall der Gasfeder noch eine Minimalabbremsung
bewirken. Als Nachteil ist damit verbunden, daß wiederum eine mechanische Löseeinrichtung
für diese mechanische Feder vorgesehen sein sollte.
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Der durch die Gas feder belastete Kolben weist einen kleineren Durchmesser
als der vom Druckmittel im Sinne des Bremslösens beaufschlagte Kolben auf. Selbstverständlich
können die beiden Kolben an einem Stufenkolben zusammengefaßt sein oder sonstwie
über die Kolbenstange miteinander in Verbindung stehen. Die Kolben können als starre
Metallkolben oder auch als Membrankolben ausgebildet sein. Wesentlich ist die Druckübersetzung,
also das Verhältnis der Wirkflächen der beiden Kolben zueinander. Wird der Durchmesser
des Kolbens, dessen Teilwirkfläche von der Gasfeder beaufschlagt ist, halb so groß
gewählt wie der Durchmesser, der vom Druckmittel im Sinne des Bremslösens beaufschlagt
wird, dann wird schon eine Übersetzung von 1 : 4 erreicht, d.h. die Gasfeder muß
in komprimiertem Zustand den vierfachen Lösedruck aufweisen.
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Die Gasfeder ist in einem abgedichteten Raum veränderlichen Volumens
untergebracht, wobei ein in den Raum hinein öffnendes Rückschlagventil vorgesehen
ist. über dieses Rückschlagventil kann die Gas feder aufgebaut, bereitgestellt oder
ergänzt werden, je nach Einsatz des Federspeicherzylinders und Ausbildung einer
zugehörigen Anlage.
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An den die Gas feder aufnehmenden Raum kann ein insbesondere fernsteuerbares
Entlüftungsventil angeschlossen sein. Dieses Entlüftungsventil übernimmt dann die
Aufgabe der mechanischen Löseeinrichtung, die selbst nicht mehr erforderlich ist,
es sei denn, daß parallel zu der Gas feder noch eine mechanische Feder für die Minimalabbremsung
vorgesehen ist.
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Die Gasfeder besteht zweckmäßig aus Druckluft, und zwar aus Druckluft
einer höheren Druckstufesals es dem Lösedruck entspricht.
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Die Gasfeder kann mit einem zusätzlichen Gaspolster aus einem anderen
Gas, insbesondere Inertgas, beispielsweise Stickstoff, in Verbindung stehen. Auf
diese Weise ist es möglich, das Volumen des Raumes der Gasfeder anzupassen und/oder
durch verschiedene Gase, voneinander getrennt eine Kompensation in irgendeiner Hinsicht
zu bewirken.
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Die Kammer zwischen den beiden Abdichtungen der Kolben ist zweckmäßig
an die Atmosphäre angeschlossen, damit bei Undichtigkeiten Druckmittel nicht aus
der Gasfeder in die Lösekammer übertritt.
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Die erfindungsgemäße Gasfeder anstelle der mechanischen Speicherfeder
weist veschiedene Vorteile auf: Federbrüche sind nicht mehr möglich, so daß diesbezüglich
eine erhöhte Sicherheit gegeben ist. Die Bereitstellung des geschlossenen volumenveränderlichen
Raumes für die Gasfeder ist technisch mit durchaus einzuhaltender Reproduzierbarkeit
sicher. Es ergibt sich eine beachtliche Verbilligung infolge des Wegfalles der teuren
Stahlfedern. Da der Federraum geschlossen ist, tritt hier keine Korrosion auf. Die
umständlich bedienbaren mechanischen Lösevorrichtungen werden ersetzt, indem an
den die Gasfeder aufnehmenden Raum ein Entlüftungsventil angeschlossen wird. Ein
derartiges Entlüftungsventil läßt sich sehr leicht fernsteuern, so daß damit auch
ein schnelles Lösen möglich wird, was zu einer Erhöhung der Sicherheit beiträgt.
Es entfällt weiterhin eine aufwendige Innenbehandlung des Federspeichergehäuses,
wie es bisher durch Einbrennen, Lackieren, Kunststoffüberzug usw. üblich war. Schließlich
wird der gesamte Federspeicherzylinder durch den Wegfall der Masse der mechanischen
Stahlfeder leichter. Dies ergibt eine Verringerung der ungefederten Massen, eine
erhöhte Laufruhe und eine Verringerung
des Reifenverschleißes. Außerdem
wird die Gefahr der Rißbildung an den Befestigungskonsolen bzw. an dem Gehäuse des
Federspeicherzylinders stark gemindert. Die erfindungsgemäße Ausbildung läßt sich
bei Kolben jeder Bauart auch bei Membrankolben, oder auch bei gemischter Bauweise,
verwirklichen.
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Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen schematisierten Schnitt durch einen kombinierten Federspeicherbremszylirr
und Fig. 2 einen schematisierten Schnitt durch einen Federspeicherzylinder.
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In einem Gehäuse 1 ist ein Kolben 2 mit dem Durchmesser Dl und ein
Kolben 3 mit dem Durchmesser D2 gleitend und verschiebbar untergebracht. Die beiden
Kolben 2, 3 sind über eine Kolbenstange 4 miteinander verbunden, die dichtend durch
eine Stirnwand 5 im Anschluß an den Betriebsbremsteil 6 vorgesehen ist, geführt.
Die Kolben 2, 3 bilden einen Stufenkolben. Die zwischen den Kolben 2, 3 liegende
Kammer 7 ist entlüftet bzw. an die Atmosphäre angeschlossen.
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Der Kolben 3 teilt im Gehäuse einen Raum 8 ab, in welchem eine Gasfeder
9, also ein unter Druck stehendes Gaspolster, und eine mechanische Feder 10 untergebracht
sind. An den Raum 8 ist ein Rückschlagventil 11 angeschlossen, welches in den Raum
8 hinein öffnet, so daß über die Leitung 12 die Gasfeder 9 druckmäßig im Raum 8
aufgebaut werden kann. Die mechanische Feder 10 ist so ausgelegt, daß sie für die
Minimalabbremsung
bei Ausfall der Gasfeder 9 zur Verfügung steht.
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Der Kolben 2 teilt im Gehäuse eine Lösekammer 13 ab, die über den
Anschluß 14 mit pneumatischem Druckmittel beaufschlagt bzw. an die Atmosphäre angeschlossen
werden kann.
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Die übrigen Teile des kombinierten FederspeicherbremszylindeJ insbesondere
der Betriebsbremsteil 6, sind in üblicher Art ui Weise ausgebildet und bedürfen
daher keiner weiteren Erläuterung.
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Fig. 2 zeigt einen Federspeicherzylinder, also gleichsam den rechten
Teil der Fig. 1, also ohne den Betriebsbremsteil.
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Dieser Federepeicherzylinder ist ähnlich aufgebaut. Im Gehäuse 1 ist
zusätzlich zu der Gasfeder 9 ein weiteres Gaspolster 15 untergebracht, welches durch
eine Membran 16 von der Gasfeder 9 getrennt ist, aber druckmäßig auf diese einwirkt.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Gase für die Gasfeder 9 und für das Gaspolster
15 kann in gewisser Weise eine Kompensation erzielt werden. Am Gehäuse 1 bzw. an
dem Raum 8, der die gasfeder 9 aufnimmt, ist ein Entlüftungsventil 17 angeordnet,
welches zweckmäßig fernsteuerbar ausgelöst werden kann, so daß sich dann die Gasfeder
9 bzw. das dort eingeschlossene Gas in die Atmosphäre entspannt. Es ist auch möglich,
daß das Entlüftungsventil 17 den zwei Federspeicherzylindern einer Achse oder den
vier Feder speiche zylinder einer Doppel achse gemeinsam zugeordnet wird und dies
bezüglich eine Leitungsverbindung zwischen einem zentral ange ordneten Entlüftungsventil
17 und den Räumen 8 vorzusehen.
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Um die Wirkungsweise der Gasfeder 9 genauer zu betrachten sei bezüglich
der folgenden Ausführungen die Anordnung der mechanischen Feder 10 vernachlässigt,
da diese im übrigen ja auch gänzlich fehlen kann:
Geht man beispielsweise
von einem üblichen Lösedruck p1 = 5,1 bar in der Lösekammer 13 aus und setzt man
weiterhin voraus, daß die Wirkfläche des Kolbens2 doppelt so groß wie die Wirkfläche
des Kolbens 3 ist, also der Durchmesser D1 = 2 D2 ist, dann ergibt sich nach der
Gleichung P1 . B1 = P2 2 'P ein Druck von p2 = 20,4 bar im Raum 8 in der Bemslösestellung,
also bei beaufschlagter Lösekammer 13. Geht man weiterhin von einem Durchmesser
D1 = 158 mm bzw. D2 = 79 mm aus, dann ergibt sich die auf die Kolbenstange 4 einwirkende
Kraft zu p1 F1 = P2 F2 = 999,4 kg. Dabei wurde eine Temperatur von 200C angenommen.
Für tiefe bzw. hohe Temperaturen ergeben sich nach der Zustandsgleichung der Gase
für V = konstant P1 T2 = P2 T1 T2 Bei -400C entsprechend2330K ergibt sich somit
ein Druck P2 von 16, 2 bar. Bei +80dz entsprechenj353°K ergibt sich 24,5 bar. Wie
man sieht, sind dies alles Drücke, die durchaus beherrschbar sind.
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Bisher wurde der Druck im Raum 8 (P2) im komprimierten Zustand betrachtet,
also bei Druckbeaufschlagung der Lösekammer 13. Da die Kolben 2, 3 aber einen Hub
ausführen, expandiert die Gasfeder 9 im Raum 8. Der Hub möge 64 mm betragen, wie
dies im Rahmen üblicher Federspeicherzylinder auftritt.
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Weiterhin sei vorausgesetzt, daß der Druckabfall durch Hub als ein
isothermer Vorgang angesehen werden kann. Wenn das Volumen des Raumes 8 in komprimiertem
Zustand 1, 4 1 beträgt und der zugehörige Druck beispielsweise 20,4 bar, dann ergibt
sich in der Bremsstellung bei einem Hub von 64 mm ein Volumen
von
1,7 1. Dies entspricht einem Druck von 16, 6 bar, den das Gaspolster 9 dann infolge
Volumenvergrößerung immer noch ausübt. Bei -400C ergibt dies einen Druck von 13,
25 bar bei +800C einen Druck von 20, 1 bar.
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Eine Berechnung der Kräfte, die die Gasfeder 9 nach einem Hub von
64 mm noch ausüben kann, ergibt bei Raumtemperatur eine Kraft von 816,5 kg, bei
-400C eine Kraft von 649,1 kg und bei +800C eine Kraft von 983, 7 kg. Als zugehörige
Lösedrücke wurzeln Druck Pl in der Lösekammer 13 von 5, 1 bar bei 200C vorausgesetzt.
Bei -400C beträgt der Lösedruck 4, 05 bar und bei +800C 6, 1 bar.
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Die obige Rechnung zeigt ganz eindeutig, daß die Gasfeder 9 physikalisch
für die Temperaturspanne von -400C bis +800C durchaus die erforderliche Leistung
bzw. die erforderlichen Kräfte aufbringen kann. Dies gilt auch unter Beachtung-
von Temperatur und Hub. Es versteht sich, daß durch das frei wählbare Ubersetzungsverhältnis
der Durchmesser der Kolben 2 und 3 zueinander noch eine bessere Anpassung erfolgen
kann.
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Auch kann das Zusatzvolumen des Gaspolster 15 mit herangezogen werden.
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