DE3041185C2 - Druckmittelbetätigbarer Federspeicherzylinder - Google Patents

Description

Sinne ein Sicherheitsbauteil dar, wie es der Federspeicherzylinder als ein wesentliches Element einer Bremsanlage ist. Aus diesem Grund und weil sich ein Stoßdämpfer und ein Federspeicherzylinder hinsichtlich Aufbau, Funktion und Wirkungsweise grundlegend voneinander unterscheiden, hat der Facht iiann keine Veranlassung, ein an sich bekanntes Gaspolster bei einem Federspeicherzylinder anzuwenden. Außerdem ist der Fachmann an einer Realisierung derzeit durch ein gesetzlich fixiertes Vorurteil gehindert, gemäß welchem Feststellbremsen, die auf mechanischem Wege arbeiten, zugelassen sirei

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen druckmittelbetätigbaren Federspeicherzylinder der eingangs beschriebenen An derart weiterzubilden, daß die mechanische Stahlfeder mit ihren Nachteilen ganz oder teilweise vermieden wird.

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 ilI; dabei ist der Kolben als Stufenkolben ausgebildet, dessen durch die Gasfeder belasteter Kolbenteil einen kleineren Durchmesser als der vom Dnickmittel im Sinne des Bremslösens beaufschlagte Kolbenteil aufweist Wesentlich ist die Druckübersetzung, also das Verhältnis der Wirkflächen der beiden Kolbei.teile zueinander. Wird der Durchmesser des Kolbenteiis, dessen Teilwirkfläche von der Gasfeder beaufschlagt ist, halb so groß gewählt wie der Durchmesser des Kolbenteils, 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.

Zwar ist es auf dem Gebiet 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 Federspeicherbremszylindern durch eine insbesondere pneumatische Gasfeder steht jedoch das Vorurteil des Fachmannes entgegen, daß ein derart ausgestatteter 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 ausgesprochendes Sicherheitsbauteil handelt. 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.

Zusätzlich zu der Gasfeder kann eine mechanische Feder vorgesehen sein, die für die Minimalabbremsung bei Ausfall der Gasfeder ausgebildet sein kann. Dabei braucht die jetzt eingesetzte mechanische Feder nur vergleichsweise durchschnittlich belastet bzw. beansprucht zu werden. 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.

Die Gasfeder ist in einem abgedichteten Raum veränderlichen Volumens untergebi acht, wobei ein in den Raum hinein öffnendes Rückschlagventil vorgesehen sein sollte. Über dieses Rückschlagventil kann die Gasfeder aufgebaut, bereitgestellt oder ergänzt werden, je nach Einsatz des Federspeicherzylinders und Ausbildung einer zugehörigen Anlage.

An den die Gasfeder aufnehmenden Raum kann ein insbesondere fernsteuerbares Entlüftungsventil angeschlossen sein. Dieses Entlüftungsventil übernimmt dann die Aufgabe der mechanischen Löseeinrichtung, die selbst nicht mehr erforderlich oder sinnvoll ist, es sei denn, daß parallel zu der Gasfeder noch eine mechanische Feder für die Minimalabbremsung vorgesehen ist

Die Gasfeder kann mit einem zusätzlichen Gaspolster in Verbindung stehen, von dem es durch eine Membran abgetrennt ist Das zusätzliche Gaspolster kann z. B. aus Inertgas bestehen, während als Gasfeder Druckluft dient Auf diese Weise ist es möglich, immer das Volumen des Raumes der Gasfeder anzupassen und/oder eine Temperatur-Kompensation zu bewirken. Auf der Rückseite des vom Druckmittel beaufschlagten Kolbenteils kann eine Kammer vorgesehen sein, die an die Atmosphäre angeschlossen ist, damit bei Undichtigkeiten Druckmittel nicht aus der Gasfeder in die Lösekammer übertritt

Die Erfindung weist verschiedene 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

J5 teueren 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 Reif en Verschleißes. 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.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematisierten Schnitt durch einen kombinierten Federspeicherbremszylinder und

Fig.2 einen schematisierten Schnitt durch einen Federspeicherzylinder.

In einem Gehäuse 1 ist ein Kolbenteil 2 mit dem Durchmesser D1 und ein Kolbenteil 3 mit dem Durchmesser D 2 gleitend und verschiebbar unterge-

^b5 brache. Die beiden Kolbenteile 2 und 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 können

als starre Metallkolben oder auch als Membrankolben ausgebildet sein. Die Kolbenteile 2 und 3 bilden einen Stufenkolben 2,3. Eine zwischen den Kolbenteilen 2 und 3 liegende Kammer 7 ist entlüftet bzw. an die Atmosphäre angeschlossen. -,

Der Kolbenteil 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 ι ο 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. !·->

Die Gasfeder besteht beispielsweise aus Druckluft, und zwar aus Druckluft einer höheren Druckstufe, als es dem Lösedruck entspricht

Der Kolbenteil 2 teilt im Gehäuse eine Lösekammer 13 ab, die über den Anschluß 14 mit pneumatischem 2<> Druckmittel beaufschlagt bzw. an die Atmosphäre angeschlossen werden kann. Die übrigen Teile des kombinierten Federspeicherbremszylinders, insbesondere der Betriebsbremsteil 6 sind in üblicher Art und Weise ausgebildet und bedürfen daher keiner weiteren 2^r> Erläuterung.

F i g. 2 zeigt einen Federspeicherzylinder, also gleichsam den rechten Teil der Fig. 1, also ohne den Betriebsbremsteil. Dieser Federspeicherzylinder ist ähnlich aufgebaut. Im Gehäuse 1 ist zusätzlich zu der jo 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 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 Federspeicherzylindern einer Doppelachse gemeinsam zugeordnet wird und diesbezüglich eine Leitungsverbindung zwischen einem zentral angeordneten Entlüftungsventil 17 und den Räumen 8 vorzusehen ist

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 p\ = 5,1 bar in der Lösekammer i3 aus und setzt man weiterhin voraus, daß die Wirkfläche des Kolbenteils 2 doppelt so groß wie die Wirkfläche des Kolbenteils 3 ist, also der Durchmesser D\ dann ergibt sich nach der Gleichung

2 D 2 ist.

ρ,

F₂

ein Druck von P₂ = 20,4 bar im Raum 8 in der Bremslösestellung, also bei beaufschlagter Lösekammer 13. Geht man weiterhin von einem Durchmesser DX = 158 mm bzw. D 2 = 79 mm aus, dann ergibt sich die auf die Kolbenstange 4 einwirkende Kraft zu P\ ■ Fi = P₂ ■ F₂ — 999,4 kg. Dabei wurde eine Temperatur von 20⁰C angenommen. Für tiefe bzw. hohe Temperaturen ergeben sich nach der Zustandsgieichung der Gase für V= konstant

Pi · T₂ = Pj · Ti

Bei —40⁰C entsprechend 233° K ergibt sich somit ein Druck P₂ von 16,2 bar. Bei +8O⁰C entsprechend 353°K ergibt sich ein Druck von 24,5 bar. Wie man sieht, sind dies alles Drücke, die durchaus beherrschbar sind.

Bisher wurde der Druck im Raum 8 (P₂) im komprimierten Zustand betrachtet, also bei Druckbeaufschlagung der Lösekammer 13. Da die Kolbenteile 2 und 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. 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 I 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 infoige Volumenvergrößerung immer noch ausübt. Bei —40⁰C ergibt dies einen Druck von 13,25 bar, bei +8O⁰C einen Druck von 10,1 bar.

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 —40° C eine Kraft von 649,1 kg und bei +8O⁰C eine Kraft von 983,7 kg. Als zugehörige Lösedrücke wurde ein Druck Pi in der Lösekammer 13 von 5,1 bar bei 20⁰C vorausgesetzt Bei —40⁰C beträgt der Lösedruck 4,05 bar und bei +80° C 6,1 bar.

Die obige Rechnung zeigt ganz eindeutig, daß die Gasfeder 9 physikalisch für die Temperaturspanne von -4O⁰C bis +8O⁰C durchaus die erforderliche Leistung bzw. die erforderlichen Kräfte aufbringen kann. Dies gilt auch unter Beachtung von Temperatur und Hub. Es vesteht sich, daß durch das frei wählbare Übersetzungsverhältnis der Durchmesser der Kolbenteile 2 und 3 zueinander noch eine bessere Anpassung erfolgen kann. Auch kann das Zusatzvolumen des Gaspolsters 15 mit herangezogen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Zusammenfassung

   Ein druckmittelbetätigbarer Federspeicherzylinder, insbesondere kombinierter Federspeicherbremszylinder, für Kraftfahrzeugbremsanlagen besitzt üblicher- weise einen auf ein Bremsgestänge einwirkenden Kolben, der einerseits im Sinne des Bremslösens mit Druckmittel beaufschlagt wird und andererseits durch eine Speicherfeder belastet ist, die bisher aus einer oder mehreren mechanischen Federn besteht

   Um die Nachteile der mechanischen Speicherfeder zu beseitigen, wird eine Gasfeder (9) an deren Stelle eingesetzt Außerdem ist der Kolben als Stufenkolben (2, 3) ausgebildet, dessen durch die Gasfeder (9) belasteter Kolbenteil (3) einen kleineren Durchmesser is (DT) als der vom Druckmittel im Sinne des Bremslösens beaufschlagte Durchmesser (Di) des Kolbenteils (2) aufweist