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Die Erfindung betrifft ein Steuerventil, bei dem
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eine Eingangskraft über eine Abstufungsfeder auf einen Reaktionskolben
aufgebracht wird, der eine oder mehrere EinlaßjAuslaßventilanordnungen steuert,
die einen Höchstdruck liefern, der geringer als der Systemdruck ist.
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Bei solchen Ventilen öffnet sich das Einlaßventil oder öffnen sich
die Einlaßventile nie vollständig, um den vollen Eingangsdruck zu liefern, so daß
die inneren Teile des Steuerventils nur den Ventilstößelkräften unterworfen sind,
die gleich dem Produkt aus dem Höchstdruck und der wirksamen Fläche sind.
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Bei Ventilen dieser Art, insbesondere bei solchen mit kleinen Lagerflächen,
ist es bekannt, daß der Reaktionskolben infolge von Schmutz,Schleifabfall oder einer
schlechten Zentrierung des Ventilstößels blockiert oder sich festsetzt. Bei Bremssteuerventilen,wie
z. B. bei konzentrischen Doppelsteuerventilen, wie sie in der GB-PS 14 66 296 beschrieben
sind und in druckmittelbetriebenen Bremssystemen, die zwei unabhängige Bremskreise
aufweisen, verwendet werden, kann das Blockieren des Reaktionskolbens ein vollständiges
Bremsversagen mit katastrophalen Folgen hervorrufen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Steuerventil
so auszubilden, daß selbst bei einer Störung im Ventil ein vollständiges Versagen
der Bremsen vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Steuerventil dadurch
gelöst, daß die Eingangskraft
direkt auf den Reaktionskolben übertragbar
ist, wenn die Belastung der Abstufungsfeder einen vorbestimmten Wert übersteigt,
der mindestens gleich der Kraft ist, die im Normalbetrieb erforderlich ist, um den
Höchstdruck zu erreichen, wodurch die Eingangskraft auf ein zum Lösen des Reaktionskolbens
ausreichendes Niveau erhöht werden kann.
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Dies kann durch Ausbilden oder Einstellen des Ventils derart, daß
ein Betätigungsglied, auf das die Eingangskraft aufgebracht wird, sich auf dem Reaktionskolben
abstützt, um ein "Durchstoßen" zu erhalten, wenn die Belastung der Abstufungsfeder
einen vorbestimmten Wert übersteigt, erzielt werden.
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Eine Einstellung ist durch das Einsetzen von Beilegscheiben, durch
Schraubenverstellung oder auf eine andere geeignete Art und Weise möglich.
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Bei konzentrischen Doppelbremsventilen, wie sie in der GB-PS 14 66
296 beschrieben sind, wird durch den Anfangshub des Reaktionskolbens die Verbindung
zwischen der Drucköffnung oder den Drucköffnungen und dem Auslaß geschlossen und
durch den weiteren Hub das Öffnen der Einlaßventile bewirkt. Ein Überlappungszustand
des Einlaß/Auslaßventiles wird im Normalbetrieb bei einem dem Bedarf (d. h. der
Eingangspedalkraft) entsprechenden Ausgabedruck hergestellt. Ein Widerlager oder
ein Anschlag für den Federführungskolben ist aber auch vorgesehen, um sicherzustellen,
daß der Ausgabehöchstdruck nicht überstiegen wird.
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Um sicherzustellen, daß die Einlaßventile nie vollständig offen sind,
um den vollen Eingangs-
druck zu liefern, wird der "Durchstoßeffekt"
gemäß der Erfindung vorzugsweise wirksam, bevor der Führungskolben seinen Anschlag
erreicht, aber nur bis zu einem Abstand, der ausreichend ist, um den zum Erreichen
des Einlaß/Auslaßüberlappungszustandes (d.h. Schließen der Auslaßventile) notwendigen
Hub zuzulassen. Es wird als wichtig angesehen, sicherzustellen, daß die Einlaßventile
nie voll geöffnet sind, um den vollen Eingangsdruck zu liefern, da plötzliches Bremsen
unkontrolliertes Schleudern und andere Schwierigkeiten hervorrufen könnte.
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In dem unwahrscheinlichen, aber nicht undenkbaren Fall eines Versagens
der Abstufungsfeder würde das Einlaßventil oder würden die Einlaßventile nicht öffnen
und ein vollständiges Bremsversagen verursachen, obgleich durch den Durchstoßeffekt
der Reaktbnskolben den Auslaß schließen und die Einlaß/Auslaßüberlappungsstellung
erreichen kann.
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In einer solchen Notsituation kann es jedoch besser sein, ein Schleudern
oder Rutschen zu riskieren, als die Bremsen überhaupt nicht betätigen zu können.
Eine solche Situation könnte beispielsweise beim Versagen der Abstufungsfeder auftreten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher der Anschlag für
den Federführungskolben versetzbar oder sonstwie ausgebildet, um eine Bewegung über
die normale Endstellung hinaus beim Aufbringen einer Eingangskraft, die diejenige
übersteigt, die im Normalbetrieb zum Erzielen des Höchstdruckes erforderlich ist,
zuzulassen.
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Der Anschlag ist vorzugsweise federbelastet. Bei einem erfindungsgemäßen
Steuerventil kann daher in einer Notsituation, z. B. wenn die Abstufungsfeder versagt,
eine erhöhte Eingangskraft direkt auf den Reaktionskolben aufgebracht werden, wobei
eine Bewegung über die normale Endstellung hinaus zugelassen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt eines
bekannten Steuerventils der genannten Art, genauer ausgedrückt eines konzentrischen
Doppelbremsventils, Fig. 2 eine Einzelheit des in Fig. 1 gezeigten Ventils in einem
größeren Maßstab, Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, jedoch von einem
konzentrischen Doppelbremsventil gemäß der Erfindung und Fig. 4 eine Einzelheit
eines konzentrischen Doppelbremsventils gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,
wobei das Ventil ansonsten wie das in Fig. 1 aufgebaut ist.
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Das in Fig. 1 gezeigte Ventil wird durch ein Fußpedal (nicht gezeigt)
betätigt, wie durch den Pfeil A angezeigt ist. In einem abgedichteten Gleitsitz
ist in dem oberen Ende des Gehäuses 1 ein Reaktions- oder Ventilträgerkolben 10
angeordnet, dessen unteres Ende einen nach innen gerichteten
Flansch
hat, an dessen Oberseite ein ringförmiger Sitz 12 ausgebildet ist, der durch denTeller
eines gummibeschichteten tellerventilartigen Einlaßventilelementes 14 besetzbar
ist. Das Ventilelement 14 hat einen Gleitsitz an einer Buchse 7, die in dem Ventilträgerkolben
10 eingeklemmt ist, um sich mit ihm zu bewegen, wobei eine Abstufungsfeder 16 zwischen
dem Trägerkolben 10 und einem Betätigungsglied in Form eines Führungskolbens 17
für die Abstufungsfeder, über den der Druck des Fußpedals auf den Trägerkolben 10
übertragen wird, angeordnet ist. Der Raum 18 oberhalb des ringförmigen Sitzes 12
steht mit einer Einlaßöffnung 20 in der Gehäusewand in Verbindung, während der Raum
22 unter dem Sitz mit einer Abgabe- bzw. Drucköffnung 24 in der Wand in Verbindung
steht, wobei diese Öffnungen einem der Bremskreise zugeordnet sind. An dem unteren
Ende des Gehäuses befindet sich eine zweite Einlaßventilanordnung mit einem ähnlichen
Aufbau, die die Verbindung zwischen einer Einlaßöffnung 26 und einer Abgabe-bzw.
Drucköffnung 28, die mit dem zweiten Bremskreis verbunden ist, steuert, wobei der
Tellerdes Ventilelements 30 in diesem Fall an einem Sitz 32 am oberen Ende eines
Sitzträgers 34 anliegt, der fest ist, indem er vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse
ausgebildet ist. Das Ventilelement 30 gleitet auf einem rohrförmigen Führungsteil
36, das in dem unteren Teil des Gehäuses befestigt ist.
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Zwischen den beiden Ventilanordnungen befindet sich ein koaxial angeordnetes,
rohrförmiges Bauteil 38, dessen Enden ringförmige Auslaßventilelemente 40 bilden
und mit den Tellern der
Einlaßventile 14, 30 auf einem kleineren
Durchmesser als dies die Einlaßventilsitze 12, 32 tun, jeweils zusammenwirken. Das
Auslaßventilbauteil wird von einem Druckausgleichskolben 42 getragen, der in einer
in dem Gehäuse gebildeten Kammer 44 verschiebbar ist, wobei die Räume an den entgegengesetzen
Seiten des Kolbens mit den beiden Drucköffnungen 24, 28 jeweils in Verbindung stehen.
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Die Bohrungen des Auslaßventilbauteiles 38 und des unteren Einlaßventiles
30 bilden zusammen einen axialen Auslaßdurchgang 46, der dauernd an seinem unteren
Ende mit der Umgebung über einen Auslaßwinkel 55 in Verbindung steht.
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Normalerweise liegen die Teller der Einlaßventile 14, 30 an ihren
Sitzen 12, 32 an, sind aber von den Außlaßventilelementen 40 beabstandet, wodurch
die Einlaßöffnungen 20, 26 abgedichtet, die Drucköffnungen 24, 28 aber in Verbindung
mit dem axialen Außlaßdurchgang sind. Durch Niederdrücken des Fußpedales und die
damit verbundene- Bewegung des Abstufungsfederführungskolbens 17, der über die Abstufungsfeder
16 wirkt, wird der Trägerkolben 10 und Sitzträger verschoben, wobei er das obere
Einlaßventil 14, das durch Federkraft an seinen Sitz 12 gedrückt ist, mitnimmt.
Das Einlaßventil 14 greift dann an dem rohrförmigen Auslaßbauteil an und bringt
es durch Verschiebung in Eingriff mit dem unteren Einlaßventil 30. Das rohrförmige
Auslaßbauteil 38 ist zwischen benachbarten Enden der Ventile 14 und 30 angeordnet
und wirkt in Betrieb als Schubqlied, das Kräfte zwischen ihnen überträgt. Somit
ist der axiale Auslaß- -durchgang von den beiden Drucköffnungen getrennt
und
bewegt sich, bei fortgesetztem Niederdrücken des Fußpedales, der Sitz 12 am oberen
Ende des Gehäuses weg von dem zugehörigen Einlaßventil 14, während an dem unteren
Ende des Gehäuses das Einlaßventil 30 von seinem mit ihm zusammenwirkenden Sitz
32 durch das verschobene Auslaßventilbauteil wegbewegt wird, wodurch beide Einlaßöffnungen
mit ihren jeweiligen Druck- bzw. Ausgabeöffnungen verbunden werden und Druckluft
zu den Bremsen geführt wird.
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Im Betrieb des Ventils tritt eine Auslaßdrossel 48, die an dem Abstufungsfederführungskolben
17 durch eine Schraubengewindeeinrichtung 49 angebracht ist, in den Auslaßdurchgang
46 in dem Druckausgleichskolben 42 ein. Der Abstand zwischen dem äußeren Durchmesser
der Au-slaßdrossel 48 und der Bohrung des Auslaßdurchganges 46 ist in der Größenordnung
von 0,254 mm, das eine Drosselung (des Fluidstromes durch den Auslaßdurchgang) annähernd
wie eine Blende mit einem Durchmesser von 3 mm bewirkt. Durch eine weitere Bewegung
nach unten werden das erste und das zweite Einlaßventil 14, 36 gleichzeitig geöffnet
und die Ausgangsöffnungen unter Druck gesetzt. Bei zunehmendem Hub dringt die Auslaßdrossel
48 tiefer in den Auslaßkanal 46 des Druckausgleichskolbens ein, so daß infolge von
Strömungsverlusten der Widerstand für den Auslaßstrom bei der Freigabe der Bremsen
mit zunehmender Eindringtiefe größer wird. -Dieser Widerstand für den Auslaßstrom
von der Druck öffnung 24 erhöht den Druck oberhalb des Druckausgleichskolbens 42,
der so eine entsprechende Begrenzung des Auslaßstromes von der Drucköffnung 28 bewirkt.
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Bei einer teilweise Wegnahme der Eingangslast werden die Einlaßventile
auf ihrem Sitz sein und sich die Auslaßventile öffnen, wobei sie die erforderliche
Menge an Luft freigeben.
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Jedoch hängt nun die für die Freigabe erforderliche Zeit von der verfügbaren
Freigabeöffnung und davon ab, wie weit die Drossel in den Außlaßdurchgang 46 eingedrungen
ist. Die Größe und Form des Drosseltauchkolbens kann variiert werden (um das Spiel
und die Eindringtiefe einzustellen), um eine erforderliche Freigabecharakteristik
zu erhalten.
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Es sollte festgehalten werden, daß bei einer Zunahme des Ausgabedruckes
der Grad der Drosselung (d.h. der Strömungswiderstand) an dem Auslaßstrom entsprechend
erhöht wird.
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Die Drosselung erzeugt eine Verzögerung beim Ansprechen der Fahrzeugbremsen
auf eine Verminderung der Pedallast, so daß eine schwingende Rückwirkung (feedback),
die beispielsweise durch "Fahrerhausnicken" bei großen Nutzfahrzeugen entsteht,
weitgehend verhindert wird. Keine Drosselung des Auslaßstromes gibt es, wenn das
Bremspedal vollständig freigegeben ist.
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Wie oben beschrieben,bewegt sich bei niedergedrücktem Bremspedal der
Reaktions- oder Ventilträgerkolben 10, auf den die Pedalkraft über die Abstufungsfeder
16 übertragen wird, nach unten, bis die Einlaß/Auslaßventilanordnungen 16 und 18
einen Überlappungszustand herstellen, um den Bremskammern über die Öffnungen 24
und 28 einen Druck entsprechend dem Bedarf (d. h. der Pedalkraft) zuzuführen.
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Der maximale Hub, der durch den Pedalanschlag 50
bestimmt
wird, wird durch Einsetzen von Beilegscheiben oder durch eine sonstige Einstellung
der Lage des Pedalanschlages voreingestellt, so daß das Ventil beim maximalen Hub
(wie in Fig.
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2 gezeigt ist) einen begrenzten Höchstdruck (z. B.
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8 bar) unter dem Systemdruck (z. B. 11 bar) liefert.
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Sollte der Ventilträgerkolben 10 infolge von Schmutz, Schleifabf all
oder einer schlechten Zentrierung des Ventilstößels festsitzen, wird er sich bei
einer Pedalkraftzufuhr nicht nach unten bewegen, mit der Folge, daß die EinlaB/Auslaßventilüberlappungsstellung
nicht erreicht wird, in der Tat keine der Einlaß/Auslaßventilanordnungen werden
betätigt, mit der Folge, daß die Bremsen nicht betätigt werden können.
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Bei dem Ventil gemäß der Erfindung, wie dargestellt in Fig. 3, ist
eine Widerlagereinrichtung vorgesehen, derart, daß, wenn der Ventilträgerkolben
10 festsitzen sollte, kann eine maximale Eingangskraft von bis zu 11120,5 N (2500
lbf) aufgebracht werden, um den Ventilträgerkolben zu lösen oder zu bewegen. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Eeilegscheiben 52 zwischen der Federführung
54 an dem Ventilträgerkolben 10 und dem Federführungskolben 17 eingelegt, derart,
daß ein Durchstoßen zwischen dem Federführungskolben 17 und dem Ventilträgerkolben
10 bei einer Eingangskraft von z. B. 2224,1 N (500 Ibf) auftritt, die die zum -Erzeugen
des gewünschten Ausgangsdruckes im Normalbetrieb erforderliche Kraft leicht übersteigt.
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Im Zeitpunkt, in dem der "Durchstoß" eintritt,
ist
daher der Federführungskolben 17 von dem Pedalanschlag um eine Strecke entfernt,
die gleich dem Hub ist, der erforderlich ist, um die Verbindung zwischen den Drucköffnungen
24 und 28 und dem Auslaß zu schließen, d. h. um den Einlaß/Auslaßüberlappungszustand
zu erreichen, so daß der gewünschte Ausgabehöchstdruck erzielt werden kann.
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Wenn der Durchstoßkontakt vor dieser Stellung, d.h. bei einer Eingangskraft
von weniger als (1245,5 N (280 lbf)) diejenige, die zum Erzielen des Ausgabehöchstdruckes
im Normalbetrieb erforderlich ist) hergestellt war, würde der beim "Duuchstoßen"
verfügbare Hub denjenigen übertreffen, der notwendig ist, um den Auslaß zu schließen,
mit der Folge, daß das Einlaßventil sich öffnen würde, um den vollen Systemdruck
zu liefern.
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Der Durchstoßkontakt wird nur hergestellt, wenn der Ventilträgerkolben
10 an irgendeiner Stelle auf seinem Weg zu dem Einlaß/Auslaßüberlappungszustand
festsitzt und nur wenn die Abstufungsfeder 16 an dieser Stelle nicht in der Lage
ist, den Kolben zu bewegen.
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Wenn der Kolben 10 gelöst ist, wird das Ventil die in Fig. 2 gezeigte
Stellung einnehmen und den begrenzten Höchstdruck (von beispielsweise 8bar) auf
dieselbe Art und Weise wie ein herkömmliches Ventil liefern.
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Sollte die Abstufungsfeder 16 versagen, ist es klar, daß der Federführungskolben
17 bis zu der normalen Pedalendstellung hinunterbewegt
werden kann,
so daß die Auslaßventile geschlossen werden können. Ohne die Abstufungsfeder können
sich die Einlaßventile trotz der Beilegscheiben nicht öffnen, die, wie in den Figuren
3 und 4 gezeigt, eingelegt sind, um den Reaktionskolben 10 in die Einlaß/Auslaßüberlappungsstellung
für den begrenzten Höchstdruck zu bewegen.
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Zum Schutz gegen ein vollständiges Versagen der Bremsen im Falle eines
Abstufungsfederversagens, ist der Pedalanschlag 50 durch eine Reihe von Scheibenfedern
64 federbelastet (wie in Fig. 4 gezeigt ist), die auf einem Absatz 66 im Gehäuse
angeordnet sind und eine weitere Bewegung des Federführungskolbens 17 (d.h. einen
Hub über die normale Pedalendstellung hinaus) um eine Strecke zulassen, die ausreichend
ist, um die Einlaßventile zu öffnen. Die Federn 64 sind derart, daß die zum Erreichen
einer weiteren Bewegung erforderliche Eingangskraft die maximale Eingangskraft im
Normalbetrieb (z. B. 2224,1 N (500 lbf)) beträchtlich, vorzugsweise um 50% oder
mehr,übersteigt. Typischerweise wird die Eingangskraft in der Gegend von 3558, 56
N (800 lbf) sein und auf 5337,84 N (1200 lbf) beim maximalen weiteren Hub zunehmen.
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Auch in Fig. 4 tritt der Durchstoßkontakt ein, wenn der Federführungskolben
17 zu dem Pedalanschlag 50 einen Abstand hat, der gleich dem Auslaßhub ist, so daß
der erforderliche Pedalanschlaghub gleich dem Auslaßhub plus dem zum Öffnen der
Einlaßventile erforderlichen Hub ist. Wenn die Beilegscheiben 52 nicht eingebaut
wären, wäre der erforderliche Pedalanschlaghub (bei einem Ventil, wie es in Fig.
1 gezeigt ist)
um den Betrag größer, der gleich dem Abstand zwischen
dem unteren Ende des Federführungskolbens 17 und dem Federträger 54 an dem Reaktions-oder
Ventilträgerkolben 10 ist, wenn im Normalbetrieb der Federführungskolben 17 an dem
Pedalanschlag anliegt.