DE3821044A1

DE3821044A1 - Elektropneumatisches stellglied fuer druckluftbremsen

Info

Publication number: DE3821044A1
Application number: DE19883821044
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Heller
Original assignee: BERLINER BREMSENWERK VEB
Current assignee: BERLINER BREMSENWERK VEB
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1989-06-15
Also published as: DD269977A3; CS372788A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Druckluft bremsanlagen für Fahrzeuge, insbesondere auf Druckluftbrems anlagen, bei denen Drücke auf elektrischem Weg, z. B. durch eine Mikroprozessorsteuerung, gesteuert oder geregelt werden. Es ist bekannt, den Druck im Bremszylinder als einen der möglichen Wirkungsräume, in denen der Druck gesteuert oder geregelt wird, durch elektropneumatische Stellglieder zu steuern.

Diese Stellglieder enthalten üblicherweise, wie z. B. der DE-PS 21 36 446 zu entnehmen ist, Membranen, bei denen auf einer Seite eine Steuerkammer liegt, die an ein elektro pneumatisches Vorsteuerventil angeschlossen ist, auf der anderen Seite eine Gegenkammer mit einem äußeren und einem inneren, etwa koaxial auf die Membran gerichteten Verbindungskanal zu den zu steuernden Anschlüssen.

Grundlegende Forderung an die Stellglieder, insbesondere wenn sie in Gleitschutzanlagen Anwendung finden, ist die Minimierung der Zeitverzögerung, die ihre ökonomische Begründung in der Schonung der Radlaufflächen und der Erhöhung der Sicherheit der Bremsung findet.

Es sind bereits Erfindungen bekannt, die die Gestaltung der Stellglieder zur Erfüllung dieser Forderung betreffen.

So ist aus der Patentschrift CH 3 93 014 bekannt, daß ein Ventil teller eine sich in Schließrichtung verjüngende Mantelfläche aufweist; die den Luftstrom in den Ausgangskanal lenkt. Aus der DE-PS 21 36 446 ist bekannt, daß in Kombination mit weiteren bekannten Merkmalen ein halsförmiger Ring zur Umlenkung der Luftströmung dient. Nachteil dieser Lösung ist, daß weiterhin plötzliche Richtungs- und Querschnittsänderungen und relativ große Bewegungen der Membrankolben auftreten, die eine solche Zeitverzögerung beim Schalten bewirken, daß z. B. bei elek tronischen Gleitschutzanlagen nicht der gewünschte geringe Verschleiß und die geringe thermische Beanspruchung der Rad lauffläche erreicht wird.

In DE 26 32 305 wird eine Anordnung dargestellt, bei der der Nachteil der großen Hübe nicht mehr auftritt. Ein Merkmal dieser Anordnung besteht darin, daß der Membrankolben mit Stößeln und anderen Elementen verbunden ist, die die Ventil funktion ausführen. Bei dieser Lösung vergrößert sich not wendigerweise die Masse der beim Schaltvorgang bewegten Teile, was einerseits zu einer Zeitverzögerung, andererseits besonders bei höheren Schaltfrequenzen zu einer starken Beanspruchung der Ventilsitze führt.

Weitere technische Lösungen sind in den DE-OS 33 45 080 und 34 08 123 dargestellt. Hierbei ergeben sich trotz entgegenge setzter Bestrebungen Nachteile für die Luftführung neben technologischen Nachteilen für Herstellung und Instandhaltung insbesondere daraus, daß alle Elemente auf engem Raum in einem komplizierten Gehäuse konzentriert sind, wo hingegen es wünschenswert ist, daß das Stellglied leicht montier- und zerlegbar ist und aus austauschbaren, im Ventil mehrfach vorhandenen normierten Teilen besteht, wobei elektrischer und pneumatischer Teil klar gegliedert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektropneumatisches Stellglied für Druckluftbremsen mit Membrankolben, auf deren einer Seite sich die mit einem elektropneumatischen Vorsteuer ventil geringen Querschnitts verbundene Steuerkammer befindet, auf der anderen ein innerer und ein äußerer Luftweg münden, strömungstechnisch und in den Bewegungsverhältnissen seiner mechanisch beweglichen Teile so auszubilden, daß es bei Ver wendung in einer elektronischen Gleitschutzanlage mit mini maler Zeitverzögerung auf Blockierneigung der Räder reagieren kann, wobei es aus einfach herzustellenden und zu montierenden Teilen besteht, rauhen Betriebsbedingungen widersteht und eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten hat.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Stell glied in zwei im wesentlichen gleiche Baugruppen gegliedert ist, wobei bei jeder Baugruppe ein innerer und ein äußerer Luftweg als konzentrische Zylinder ausgebildet sind, die in Richtung auf den Membrankolben in solche Rotationskörper übergehen, bei denen der innere Luftweg seinen Durchmesser allmählich erweitert und der äußere Luftweg seinen Durchmesser verringert und beide in einem stumpfen, nahezu gestreckten Winkel auf einander und auf die Ebene des Membrankolbens treffen und den Luftwegen am Membrankolben eine trichter- oder scheiben förmige flache Steuerkammer gegenüberliegt, die durch eine Wand begrenzt wird, an die das elektropneumatische Vor steuerventil unmittelbar angeflanscht ist.

Dabei sind folgende pneumatische Verbindungen vorhanden:
An der ersten Baugruppe sind der äußere Luftweg mit einer Druckluftquelle, der innere Luftweg mit einem Bremszylinder oder anderen Wirkungsraum, die Steuerkammer entweder über das stromlose Vorsteuerventil mit der Druckluftquelle; an der zweiten Baugruppe der äußere Luftweg mit dem Bremszylinder, der innere mit der Umgebung sowie die Steuerkammer entweder über das stromlose Vorsteuerventil mit dem Bremszylinder oder über das erregte Vorsteuerventil mit der Umgebung verbunden. Außer dem führt an der ersten Baugruppe von der Vorsteuerkammer eine pneumatische Verbindung über ein Rückschlagventil zur Druck luftquelle.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Sicherung einer einfach zu fertigenden und strömungsgünstigen Lösung bei Montage eines standardisierten elektropneumatischen Vorsteuerventils mit drei pneumatischen Anschlüssen, von denen zwei an einem Flansch enden, weisen erfindungsgemäß die äußeren Wände der äußeren Luftwege je zwei Luftkanäle auf, von denen je ein erster auf der dem Membrankolben abgewandten Seite im äußeren Luftweg, ein zweiter an einem Träger und Luftver teiler endet und die auf der dem Membrankolben zugewandten Seite an diesem vorbei führen und an der Seite des Flansches so enden, daß durch Verdrehung des Flansches um 180° entweder der erste oder der zweite Luftkanal mit einem der am Flansch liegenden Anschlüsse des Vorsteuerventils in Verbindung steht, während der jeweils verbleibende Luftkanal durch ein Luft führungsteil mit dem dritten gegenüberliegenden Anschluß des Vorsteuerventils verbunden ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur rationellen Gestaltung des Luftführungsteils bei gleich zeitigem Schutz des Vorsteuerventils vor Umwelteinflüssen wird das Luftführungsteil durch eine Kappe gebildet, die das Vorsteuerventil druckdicht umschließt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zur zusätzlichen Beschleunigung der Wirksamkeit des Stell gliedes dem elektropneumatischen Vorsteuerventil eine Induktivi tät, eine Kapazität und ein kombinierter Schalter vorgeschaltet, wobei der Schalter wechselweise die Induktivität und das elektro pneumatische Vorsteuerventil mit einer Spannungsquelle verbindet; die Kapazität parallel zum Schalter und in Reihe zur Induk tivität liegt, durch Dioden gegen Entladung über die Spannungs quelle gesichert ist und durch den kombinierten Schalter gleich sinnig und gleichzeitig zur Spannungsquelle mit dem Vorsteuer ventil verbunden wird.

Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 erfindungsgemäße Darstellung der Baugruppen,

Fig. 2 Darstellung der Gestaltung der Luftwege in den Bau gruppen,

Fig. 3 Darstellung der elektrischen Schaltung.

Es zeigt sich folgende Anordnung:

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht das Stellglied aus einer ersten Baugruppe I und einer zweiten Baugruppe II, die an einem gemeinsamen, hier nicht dargestellten Träger und Luftverteiler montiert sind. Jede Baugruppe enthält einen Membrankolben 1, an dem ein innerer Luftweg 3 und ein äußerer Luftweg 4 münden, die als konzentrische Zylinder ausgebildet sind, die in Richtung auf den Membrankolben 1 in solche Rotationskörper übergehen, bei denen der innere Luftweg 3 seinen Durchmesser allmählich verringert und beide in einen stumpfen, nahezu gestreckten Winkel aufeinander und auf die Ebene des Membrankolbens 1 treffen. Die Wandung zwischen den Luftwegen 3 und 4 besteht aus Metall und Gummi, wobei seine Kontur keine wesentlichen Kanten oder Nuten enthält. Das Gummiteil gewährleistet eine gute und gegen Einfrieren sichere Abdichtung mit dem Membran kolben 1 und gestattet die Arbeit des Stellgliedes mit hohen Schaltfrequenzen, wie sie für den Betrieb von Gleitschutz anlagen vorteilhaft sind. Durch die Ausrundung der Wandung ist der Durchmesser der Berührungsfläche mit dem Membran kolben 1 größer als der des inneren Luftweges 3, wodurch als wichtige Voraussetzung der Schnelligkeit des Stellgliedes ein geringer Membranhub bei großem Öffnungsquerschnitt gewähr leistet wird.

Auf der anderen Seite des Membrankolbens 1 liegt eine trichter- oder scheibenförmige flache Steuerkammer 5, deren geringer Raum inhalt ebenfalls zur Schnelligkeit des Ventils beiträgt. Die Steuerkammer 5 wird durch eine Wand 18 begrenzt, die einen Flansch 7 trägt, an dem das Vorsteuerventil 6 unmittelbar angeflanscht ist, damit eine möglichst kurze pneumatische Verbindung gewährleistet ist.

Die Vorsteuerventile 6 haben am Flansch 7 zwei Anschlüsse E und F sowie einen dritten G auf der gegenüberliegenden Seite. Folgende pneumatische Verbindungen sind ausgeführt:

An der ersten Baugruppe I sind der äußere Luftweg 4 über einen Anschluß D mit der Druckluftquelle, der innere Luftweg 3 über einen Anschluß C mit dem Bremszylinder, die Kammer 5 entweder über das stromlose Vorsteuerventil 6, einen Anschluß G und den Anschluß C mit dem Bremszylinder oder über das erregte Vorsteuerventil 6, den Anschluß E und den Anschluß D mit der Druckluftquelle verbunden. Außerdem befindet sich an der ersten Baugruppe I zwischen Steuerkammer 5 und dem Anschluß D eine Verbindung mit einem in Richtung Anschluß D öffnenden Rückschlagventil 11.

Bei der zweiten Baugruppe II sind der äußere Luftweg 4 über den Anschluß C mit dem Bremszylinder, der innere Luftweg 3 mit der Umgebung O sowie die Steuerkammer 5 entweder über das stromlose Vorsteuerventil 6, den Anschluß G und den Anschluß C mit dem Bremszylinder oder über das erregte Vor steuerventil 6 und den Anschluß E mit der Umgebung O verbunden.

In Fig. 2 sind weitere Einzelheiten zur Ausführung der Luft wege dargestellt. Die äußeren Wände 19.1 und 19.2 der äußeren Luftkanäle 4.1 und 4.2 weisen je zwei Luftkanäle 8.1 und 9.1 bzw. 8.2 und 9.2 auf, von denen je ein erster 8.1 bzw. 8.2 auf der dem Membrankolben 1 abgewandten Seite im äußeren Luftweg 4.1 bzw. 4.2, je ein zweiter 9.1 bzw. 9.2 an einem hier nicht dargestellten Träger und Luftverteiler endet und die auf der dem Membrankolben 1 zugewandten Seite an diesem vorbei an der Seite des Flansches 7.1 bzw. 7.2 so enden, daß bei der Baugruppe I der erste Luftkanal 8.1, bei der Baugruppe II durch Drehung des Flansches um 180° jedoch der zweite Luft kanal 9.2 mit den Anschlüssen E ₁ bzw. E ₂ des Vorsteuerventils in Verbindung stehen, während der jeweils verbleibende Luft kanal durch ein Luftführungsteil 10.1 bzw. 10.2 mit dem Anschluß G ₁ bzw. G ₂ des Vorsteuerventils in Verbindung stehen. Das Luftführungsteil 10.1 bzw. 10.2 ist dabei als Kappe ge staltet, die das Vorsteuerventil druckdicht umschließt und dadurch zuverlässig vor Umwelteinflüssen schützt.

Die elektrischen Anschlüsse 12.1 und 12.2 stehen mit dem nicht dargestellten steuernden Mikrorechner in Verbindung.

Wie in Fig. 3 dargestellt, sind bei Baugruppe II eine Induk tivität 13, eine Kapazität 14 und ein kombinierter Schalter 15 als Bestandteile der Ausgangsschaltung des Mikrorechners vor handen, wobei der Schalter 15 wechselweise die Induktivität 13 und über den elektrischen Anschluß 12.2 das elektropneumatische Vorsteuerventil 6 mit der Betriebsspannung verbindet, die Kapa zität 14 parallel zum Schalter 15 und in Reihe zur Induktivität 13 liegt, durch Dioden 16 gegen Entladung über die Spannungs quelle 17 gesichert ist und durch den kombinierten Schalter 15 gleichsinnig und gleichzeitig zur Spannungsquelle 17 mit dem Vorsteuerventil 6 verbunden wird.

Durch die Anwendung der Erfindung gemäß Ausführungsbeispiel wird erreicht, daß der an einem druckluftgebremsten Fahrzeug mit dem Anschluß C verbundene Bremszylinder aus einem mit dem Anschluß D verbundenen Steuerventil gefüllt bzw. über dieses entleert werden und das ein mit den Anschlüssen 12.1, 12.2 verbundener Mikrorechner den Bremszylinderdruck absenken und wieder erhöhen kann, z. B. um den Schlupf der Räder zu regeln. Die Geschwindigkeit und Präzision der Arbeit des erfindungs gemäßen Stellgliedes hat dabei wesentliche Folgen für Ökonomie und Sicherheit des Betriebes der Fahrzeuge.

Es ergibt sich folgende Funktion:

Im Grundzustand sind die Vorsteuerventile 6.1, 6.2 stromlos. Bei Bremsbeginn tritt am Anschluß D Druckluft in den äußeren Luftweg 4.1. Da die Steuerkammer 5.1 über die Anschlüsse F ₁ und G ₁, das Luftführungsteil 10.1, den Luftkanal 9.1 und den Anschluß C mit dem Bremszylinder verbunden ist, kann die Druck luft im äußeren Luftweg 4.1 den Membrankolben 1.1 nieder drücken und in den Bremszylinder strömen. Von dort gelangt der Druck über den äußeren Luftweg 4.2, den Luftkanal 8.2, das Luftführungsteil 10.2, die Anschlüsse G ₂ und F ₂ zur Steuer kammer 5.2 der Baugruppe II, wo infolge dessen der Membran kolben 1.2 nach oben gedrückt wird und keine Luft aus dem Bremszylinder vom äußeren Luftweg 4.2 über den inneren Luft weg 3.2 zur Umgebung O entweichen kann.

Wenn durch den Mikrorechner angesteuert wird, daß der Brems zylinderdruck nicht zu erhöhen ist, erfolgt dies durch Erregung des Vorsteuerventils 6.1, wobei der Anschluß F ₁ vom Anschluß G ₁ getrennt und mit dem Anschluß E ₁ verbunden wird, wodurch der Druck vom Anschluß D über den äußeren Luftweg 4.1 und den Luft kanal 8.1 in die Steuerkammer 5.1 gelangt und den Membran kolben mit Unterstützung einer Druckfeder in der Steuerkammer nach oben drückt, so daß das Nachströmen von Druckluft in den Bremszylinder vom äußeren über den inneren Luftweg 4.1 bzw. 3.1 unterbrochen wird. Eine extrem kurze Totzeit des Schaltvorganges ergibt sich dabei nicht nur durch die günstige Gestaltung der Teile, sondern auch die vorteilhafte pneumatische Schaltung, bei der der Druck in der Steuerkammer 5.1 zum Umschalten nur wenig erhöht werden braucht.

Wenn durch den Mikrorechner angesteuert wird, daß der Brems zylinderdruck abzusenken ist, erfolgt dies durch zusätzliche Erregung des Vorsteuerventils 6.2 der Baugruppe II, wobei der Anschluß F ₂ vom Anschluß G ₂ getrennt und mit dem Anschluß E ₁ verbunden wird, wodurch die Steuerkammer 5.2 über den Luft kanal 9.2 entlüftet wird, so daß der Membrankolben 1.2 nach unten gedrückt wird und die Luft aus dem Bremszylinder über äußeren und inneren Luftweg 4.2 bzw. 3.2 in die Umgebung o entweicht.

Vor Beginn der Erregung des Vorsteuerventils 6.2 wird zunächst durch den kombinierten Schalter 15 der Stromfluß durch die Induktivität 13 unterbrochen, wodurch die Kapazität 14 auf eine hohe Spannung aufgeladen wird, die bei weiterer Umschaltung des kombinierten Schalters 15 an das Vorsteuerventil 6 angelegt wird, wodurch die Umsteuerung entsprechend beschleunigt wird. Durch die genannten Merkmale des Ausführungsbeispieles ist gewährleistet, daß die Arbeitsgeschwindigkeit des Stellgliedes der eines Mikrorechners bei der Berechnung der Regelantwort der Schlupfregelung entspricht, so daß die Vorteile des Mikro rechnereinsatzes voll wirksam werden können.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1, 1.1, 1.2 = Membrankolben
3, 3.1, 3.2 = Luftweg
4, 4.1, 4.2 = Luftweg
5, 5.1, 5.2 = Steuerkammer
6, 6.1, 6.2 = Vorsteuerventil
7, 7.1, 7.2 = Flansch
8, 8.1, 8.2 = Luftkanal
9, 9.1, 9.2 = Luftkanal
10, 10.1, 10.2 = Luftführungsteil
11 = Rückschlagventil
12, 12.1, 12.2 = Anschlüsse
13 = Induktivität
14 = Kapazität
15 = Schalter
16 = Dioden
17 = Spannungsquelle
18 = Wand
19, 19.1, 19.2 = Wand

I, II = Baugruppe

C = Anschluß
D = Anschluß
E, E ₁, E ₂ = Anschluß
F, F ₁, F ₂ = Anschluß
G, G ₁, G ₂ = Anschluß

O = Umgebung

Claims

1. Elektropneumatisches Stellglied für Druckluftbremsen, insbe sondere zur Ansteuerung durch einen Mikroprozessor, mit Mem brankolben, auf deren einer Seite sich eine mit einem elektro pneumatischen Vorsteuerventil geringen Querschnitts verbundene Steuerkammer befindet, auf der anderen ein innerer und ein äußerer Luftweg münden, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell glied in zwei im wesentlichen gleiche Baugruppen (I, II) ge gliedert ist, in denen jeweils die Luftwege (3 und 4) als kon zentrische Zylinder ausgebildet sind, die in Richtung auf den Membrankolben (1) in solche Rotationskörper übergehen, bei denen der innere Luftweg (3) seinen Durchmesser allmählich erweitert und der äußere Luftweg (4) seinen Durchmesser allmählich ver ringert und beide in einem stumpfen nahezu gestreckten Winkel aufeinander und auf die Ebene des Membrankolbens (1) treffen und den Luftwegen (3 und 4) am Membrankolben (1) eine trichter- oder scheibenförmige flache Steuerkammer (5) gegenüberliegt, die durch eine Wand (18) begrenzt wird, an die das elektro pneumatische Vorsteuerventil (6) unmittelbar angeflanscht wird.

2. Elektropneumatisches Stellglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an der ersten Baugruppe (I) der äußere Luftweg (4) über einen Anschluß (D) mit der Druckluftquelle, der innere Luftweg (3) über einen Anschluß (C) mit dem Bremszylinder oder einem anderen Wirkungsraum, die Steuerkammer (5) entweder über das stromlose Vorsteuerventil (6), einem Anschluß (G) und den Anschluß (C) mit dem Bremszylinder oder über das erregte Vor steuerventil (6), einen Anschluß (E) und den Anschluß (D) mit der Druckluftquelle verbunden ist, daß zwischen Steuerkammer (5) und Anschluß (D) ein in Richtung Anschluß (D) öffnendes Rückschlagventil (11) angeordnet ist und das an der zweiten Baugruppe (II) der äußere Luftweg (4) über den Anschluß (C) mit dem Bremszylinder, der innere Luftweg (3) mit der Umgebung (O) sowie die Steuerkammer (5) entweder über das stromlose Vor steuerventil (6), den Anschluß (G) und den Anschluß (C) mit dem Bremszylinder oder über das erregte Vorsteuerventil (6) und den Anschluß (E) mit der Umgebung (O) verbunden ist.

3. Elektropneumatisches Stellglied nach Anspruch 1 und 2, ge kennzeichnet dadurch, daß die äußeren Wände (19.1, 19.2) der äußeren Luftwege (4.1, 4.2) je zwei Luftkanäle (8.1 und 9.1 bzw. 8.2 und 9.2) aufweisen, von denen je ein erster (8.1, 8.2) auf der dem Membrankolben (1) abgewandten Seite im äußeren Luftweg (4.1, 4.2), ein zweiter (9.1, 9.2) an einem Träger und Luftverteiler enden und die auf der dem Membran kolben (1) zugewandten Seite an diesem vorbei führen und an der Seite des Flansches (7.1, 7.2) so enden, daß durch Ver drehung des Flansches um 180° entweder der erste oder der zweite Luftkanal mit dem Anschluß (E ₁, E ₂) des Vorsteuer ventils (6.1, 6.2) in Verbindung steht, während der jeweils verbleibende durch ein Luftführungsteil (10.1, 10.2) mit dem Anschluß (G ₁, G ₂) verbunden ist.

4. Elektropneumatisches Stellglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Luftführungsteil (10.1, 10.2) durch eine Kappe gebildet wird, die das Vorsteuerventil (6.1, 6.2) druckdicht umschließt.

5. Elektropneumatisches Stellglied nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens einem Vorsteuerventil (6) eine Induk tivität (13), eine Kapazität (14) und ein kombinierter Schalter (15) vorgeschaltet ist, wobei der Schalter (15) wechselweise die Induktivität (13) und das Vorsteuerventil (6) mit einer Spannungsquelle (17) verbindet, die die Kapazität (14) parallel zum Schalter (15) und in Reihe zur Induktivität (13) liegt, durch Dioden (16) gegen Entladung über die Spannungsquelle (17) gesichert ist und durch den kombinierten Schalter (15) gleich sinnig und gleichzeitig zur Spannungsquelle (17) mit dem Vor steuerventil (6) verbunden wird.