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Die
vorliegende Erfindung betrifft Bremssysteme für schwere Fahrzeuge, und im
Besonderen betrifft sie einen verbesserten Federspeicher-Bremszylinder
auf Membranbasis, der eine deutlich höhere Bremskraft von einer Federbremseneinheit
mit einer Größe bereitstellt,
die kleiner oder gleich groß ist
wie bereits bestehende Bremseneinheiten.
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Verschiedene
Ausführungen
pneumatischer Fahrzeug-Federspeicher-Bremszylinder
wurden über
die Jahre hinweg zur Verwendung in der Lastkraftwagenbranche vorgestellt
bzw. eingeführt.
Eine kennzeichnende Druckluftbremsen-Betätigungseinheit
mit doppelter Membran weist zwei Abschnitte bzw. Teilstücke auf:
einen durch den Benutzer geregelten Betriebsbremsenabschnitt, der
zum Verlangsamen oder Anhalten eines Fahrzeugs eingesetzt wird,
und einen Not- oder Parkbremsenabschnitt, der automatisch eingreift,
wenn der Luftdruck entfernt wird. Ein kennzeichnender Betriebsbremsenabschnitt
ist durch ein geschlossenes Gehäuse
gekennzeichnet, das eine bewegliche Membran aufweist, die über den
Innenraum gedehnt ist. Eine Seite der Membran ist eng einer zentral
angeordneten Druckplatte zugeordnet, die an einer verschiebbaren Stößelstange
angebracht ist, die sich aus dem Gehäuse erstreckt, zur Anbringung
an den Bremsen des Fahrzeugs. Auf der anderen Seite der Membran
ist eine dicht verschlossene Kammer in dem Gehäuse ausgebildet.
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Eine Öffnung ist
in der dicht verschlossenen Betriebsbremsenkammer zur Verbindung
mit einer pneumatischen (Luft) Druckquelle bereitgestellt, die für gewöhnlich durch
einen bordinternen Luftkompressor bereitgestellt wird. Die Bremsen
des Fahrzeugs können
betätigt
werden, indem ausreichender pneumatischer Druck in die dicht verschlossene Kammer
eingeführt
wird, um gegen die Betriebsbremsenmembran zu wirken, welche die
Platte bewegt und die Stößelstange
nach außen
drückt.
Eine kleine Rückholfeder
ist normalerweise innerhalb des Betriebsbremsengehäuses um
die Stößelstange
herum bereitgestellt und angrenzend an die Druckplatte, um diese
dazu zu zwingen, sich einzuziehen, wenn der Luftdruck hinter der
Membran reduziert wird.
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Ein
kennzeichnender Notbremsenabschnitt eines Luftbremsenstellglieds
ist in axialer Ausrichtung mit der Betriebsbremseneinheit angebracht oder
als Teil dieser ausgebildet. Die Notbremse stellt ein separates
geschlossenes Gehäuse
dar, das eine schwere Hauptdruckfeder und eine zweite bewegliche
Membran aufweist, die eine zweite geschlossene Kammer erzeugt. Die
Membran der Notbremse befindet sich in Kontakt mit einer zweiten
Druckplatte, die ebenfalls an der verschiebbaren Stößelstange
der Betriebsbremse angebracht oder dieser direkt zugeordnet ist.
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Die
dicht verschlossene Kammer ist innerhalb des Notbremsengehäuses auf
einer Seite der Membran ausgebildet, und die schwere Hauptdruckfeder
wird auf der anderen Seite eingesetzt. Ebenso wie bei der Betriebsbremse
ist die verschlossene Kammer der Notbremse mit der bordinternen
pneumatischen Quelle des Fahrzeugs verbunden. Solange ausreichend
Druckluft an die dicht verschlossene Kammer bereitgestellt wird,
verbleibt die Membran in der Notbremse vollständig erweitert, wodurch die große Feder
komprimiert bzw. zusammengedrückt wird.
Wenn der Druck jedoch fallen oder eine Undichtigkeit in der dicht
verschlossenen Kammer gegeben sein sollte, so ist die Membran nicht
in der Lage, die große
Druckfeder an der Verwendungsposition zu halten. Wenn dies eintritt,
ob schnell oder langsam, bewegt die große Druckfeder die zweite Druckplatte, was
bewirkt, dass die Stößelstange nach
außen
ausfährt,
wodurch die Bremsen des Fahrzeugs betätigt werden.
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Wenn
das Fahrzeug bei normalen Bedingungen parkt, wird der Luftdruck
an den Notbremsenabschnitt unterbrochen, wodurch bewirkt wird, dass
die große
Druckfeder die Bremsen betätigt.
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In
der Transport- bzw. Speditionsbranche wird es zunehmend wünschenswert,
dass leistungsfähigere
Federspeicher-Bremszylinder
bereitgestellt werden, ohne dabei deren Größe zu verändern. Zunehmende Lastgrößen, neue
Vorschriften und andere Faktoren haben zusätzliche Leistung von Federbremsen
erforderlich gemacht, bei gleich bleibendem Größenprofil wie bei den bereits
bestehenden Federbremsen mit zwei Membranen.
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Eine
stärkere
Federbremse, die den gleichen oder weniger Platz in Anspruch nimmt,
kann in der Transportindustrie große Einsparungen zur Folge haben.
Gemäß den zurzeit
geltenden Vorschriften muss ein beladener Lastkraftwagen in der
Lage sein, seine Bremsen zu betätigen
und seine Position auf einer Steigung von zwanzig Prozent (20%)
zu halten. Viele schwere Fahrzeuge können dies nur unter Verwendung
zusätzlicher
Bremsenbetätigungselemente und/oder
zusätzlicher
Achsen mit daran vorgesehenen Bremsenbetätigungseinrichtungen erreichen.
In Verbindung mit stärkeren
Bremsenbetätigungseinrichtungen
sind weniger dieser Einrichtungen erforderlich, um ein derartiges
Fahrzeug zum Stillstand zu bringen oder im Stillstand zu halten,
wodurch Kosten für
zusätzliche
Bremsenbetätigungseinrichtungen und/oder
zusätzliche
Achsen eingespart werden können.
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Ebenso
benötigt
wird eine leistungsfähigere Federbremse,
die in kleinerem Raum Platz findet. Dieser Bedarf wird durch verschiedene
Faktoren gestärkt,
wie zum Beispiel die Installation von Luftfederungen in Fahrzeugen,
niedrigeren Bauhöhen
der Ladeflächen,
kürzeren
Radständen
und zusätzliche neue
und voluminöse
Karosserieeinrichtungen. All diese Faktoren beziehen sich auf den
gleichen Raum, der durch die Federbremse belegt wird.
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Eine
Federbremseneinheit geringerer Größe, welche die gleiche Leistung
bereitstellt wie eine größere Einheit,
reduziert zusätzlich
das Gewicht sowie die Kosten. Eine Sattelschlepperzugmaschine und
ein Anhänger
für Sattelschlepper
können
an ihren Achsen bis zu acht (8) Federspeicher-Bremszylinder einsetzen.
Der Austausch dieser durch kleinere Einheiten mit der gleichen Stärke, die
zwei Pfund weniger wiegen, reduziert das Gewicht insgesamt um 16
Pfund. Während
dies auf den ersten Blick nicht unbedingt signifikant erscheint,
ist nicht zu vergessen, dass ein Fahrzeug, das Flüssigkeiten
transportiert, häufig
bis genau auf die gesetzlich vorgeschriebene Grenze beladen wird. Über die
Lebensdauer des Fahrzeugs macht sich die Gewichtsreduzierung von
16 Pfund in tausenden von Dollar an Frachteinnahmen bezahlt.
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Starke
Bremseneinheiten, die in dem gleichen Raum eingesetzt werden, können die
Bremseigenschaften eines Fahrzeugs verbessern, wodurch das zulässige Bruttogewicht
für ein
Fahrzeug potenziell erhöht
werden kann (d.h. die Nutzlast erhöht sich).
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Bereits
bestehend Betriebsbremseneinheiten wurden zur Anbringung an dem
Bremssystem eines Schwerlastfahrzeugs entwickelt. Das Ende der Stößelstange
der Betriebsbremse ist für
gewöhnlich an
einem Zughaken angebracht, der wiederum an dem Ende eines Gestängestellerarms
angebracht ist, der sich an einer Nockenwelle befindet, die einen
Teil der Hauptbremse des Fahrzeugs bildet. Die Stößelstange
wird unter Verwendung von pneumatischem Druck in die Betriebsbremseneinheit
hinein und aus dieser heraus bewegt, wie dies vorstehend im Text beschrieben
worden ist, um die Bremsen des Fahrzeugs zu betätigen. Wenn dies eintritt,
beweben die Stößelstange
und der Zughaken das Ende des Gestängestellers in einem leicht
bogenförmigen
Pfad um die Nocke bewegen.
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Seit
Jahrzehnten sind die in bestehenden Federspeicher-Bremszylindern auf
Membranbasis verwendeten Druckplatten im Vergleich zu den Gesamtprofilen
dieser Einheiten verhältnismäßig klein. Bei
einer kennzeichnenden Bremsenbetätigungseinheit
weist die Druckplatte in der Betriebsbremsenkammer ungefähr den gleichen
Durchmesser auf wie die Druckplatte in der Notbremsenkammer. Die
Kanten bzw. die Ränder
der Druckplatten sind traditionell auf den zentralen Abschnitt der
Bremsenkammer beschränkt,
um ausreichend Platz um die Kanten der Platten zu ermöglichen,
damit sich die Membran umfalzen kann. Diese traditionell großen Toleranzen,
die sich über
die Zeit entwickelt haben, sind jedoch deutlich größer als
wie dies für
eine ordnungsgemäße Funktionstüchtigkeit
der Membran erforderlich ist, und sie weisen unnötige Einschränkungen
in Bezug auf die Größe der verwendeten
Druckplatten auf, und somit wird unnötig die potenzielle Kraft beschränkt, die
durch den Federspeicher-Bremszylinder
der Stößelstange
zugeführt
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung weicht von den herkömmlichen Federspeicher-Bremszylindereinheiten
auf Membranbasis ab und ermöglicht
die Zufuhr von mehr Kraft an die Stößelstange, ohne dabei die Größe der Betätigungseinheit
zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht
den Einsatz einer stärkeren,
schweren Hauptdruckfeder in der Notbremsenkammer, um mehr Kraft
der Not- oder Parkbremse auf die Stößelstange auszuüben. Erreicht
wird dies durch neuartige Veränderungen
des Designs bzw. der Bauweise der Notbremsenkammer, die es ermöglichen,
die Feder effizienter zurückzuhalten.
Eine stärkere
Notbremse bzw. Hilfsbremse gibt der Bremsenbetätigungseinrichtung zusätzliche
Kapazität,
ein Fahrzeug an der jeweiligen Position zu halten, während das
Fahrzeug an einer Steigung geparkt wird. Die vorliegende Erfindung
verwendet ähnliche
neuartige Veränderungen
des Designs der Betriebsbremsenkammer, die einen effizienteren Betrieb
ermöglichen,
wenn Bremsdruck zugeführt
wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die in dem Gehäuse
der Hilfsbremse oder dem Gehäuse der
Betriebsbremse eingesetzte Druckplatte oder beide deutlich größer als
die entsprechende(n) Platte(n), die in bereits bestehenden Einheiten
mit dem gleichen Größenprofil
eingesetzt wird bzw. werden. Die Platte(n) gemäß der vorliegenden Erfindung
weisen einen größeren Durchmesser
und einen größeren Umfang
auf, wodurch eine größere Fläche definiert
wird.
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In
Bezug auf die Hilfsfederbremse ist die Größe der Druckplatte direkt proportional
zu der Größe der Kraft,
die erforderlich ist, um die große Druckfeder in dem Hilfs-
bzw. Notbremsengehäuse
zurückzuhalten.
Gemäß der Formel
F = PA ist die auf die Druckfeder ausgeübte Kraft (F) gleich dem Wert
des Druckes (P), der auf die Kammer ausgeübt wird, multipliziert mit
der Fläche
(A) der Druckplatte, über
welcher er ausgeübt
wird. Somit erhöht
ein Anstieg der Größe der Druckplatte
die Fläche
(A), über
welche der Druck (P) ausgeübt
wird, wodurch die Kraft (F) auf die Feder erhöht wird. Zu Veranschaulichungszwecken
und lediglich als Beispiel und ohne den Umfang der anhängigen Ansprüche einzuschränken, führt ein
Druck (P) in Höhe
von 414 Kpa (60 Pfund je Quadratzoll) (60 psi), der auf eine Druckplatte
in dem Hilfsbremsengehäuse
mit einer Fläche
von 194 cm2 (30 Quadratzoll) zu einer Kraft
von 8 KN (1.800 Pfund). Wenn in dem vorliegenden Beispiel die Fläche der
Druckplatte auf 226 cm2 (35 Quadratzoll)
erhöht
wird, steigt die resultierende Kraft der Feder, die zurückgehalten
werden kann, auf 9,34 KN (2.100 Pfund) an. Durch einfaches Vergrößern der
Mantelfläche
der Druckplatte kann somit in dem vorliegenden Beispiel eine Hilfsbremsenfeder
verwendet werden, die um mehr als 14% stärker ist (d.h. Rückhaltekraft).
Kennzeichnende Zunahmen, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt
werden, liegen im Bereich von etwa zwanzig Prozent (20%).
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Die
Verfügbarkeit
eines höheren
Drucks (P) erhöht
auch die Höhe
der verfügbaren
Kraft (F), um die Notbremsenfeder zurückzuhalten. Durch eine Vergrößerung des
Oberflächenbereichs
(A) der Druckplatte alleine oder in Verbindung mit der Erhöhung des
verfügbaren
Drucks (P) kann in der Hilfs- bzw. Notbremse eine deutlich stärkere Feder
eingesetzt werden.
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In
Bezug auf die Hilfsbremse ist die Größe der darin vorgesehenen Druckplatte
direkt proportional zu der Höhe
der auf die Stößelstange
ausgeübten Kraft.
Unter Verwendung der Formel F = PA ist somit die auf die Stößelstange
ausgeübte
Kraft (F) gleich dem Wert des Druckes (P), der durch die Kammer ausgeübt wird,
multipliziert mit der Fläche
(A) der Druckplatte, über
welche dieser ausgeübt
wird. Eine Erhöhung
der Größe der Druckplatte
vergrößert somit
die Fläche
(A), über
welche der Druck (P) ausgeübt
wird, wodurch die auf die Stößelstange
ausgeübte
Kraft (F) erhöht
wird. Zu Veranschaulichungszwecken und ausschließlich als Beispiel und ohne
den Umfang der gegenständlichen
Ansprüche
einzuschränken,
führt ein
Druck (P) in Höhe
von 414 Kpa (60 Pfund je Quadratzoll) (60 psi), der auf eine Druckplatte
in dem Betriebsbremsengehäuse
mit einer Fläche
von 194 cm2 (30 Quadratzoll) zu einer Kraft
von 8 KN (1.800 Pfund), die auf die Stößelstange ausgeübt wird.
Wenn in dem vorliegenden Beispiel die Fläche der Druckplatte auf 226
cm2 (35 Quadratzoll) erhöht wird, steigt die resultierende
Kraft auf die Stößelstange
auf 9,34 KN (2.100 Pfund) an. Durch einfaches Vergrößern der
Mantelfläche
der Druckplatte kann somit in dem vorliegenden Beispiel eine Betriebsbremsenfeder
verwendet werden, die um mehr als 14% effizienter ist (d.h. stärker). Kennzeichnende Zunahmen,
die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, liegen
im Bereich von etwa zwanzig Prozent (20%).
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Wie
dies in dem U.S. Patent US-A-5.771.774 dargestellt ist, das das
verwandteste Dokument gemäß dem Stand
der Technik darstellt, können
die zylindrischen Wände
des Federbremsengehäuses
vertikal gestaltet werden, parallel zu der Ausrichtung der Stößelstange
und senkrecht zu der Ausrichtung der Druckplatte innerhalb des Gehäuses. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Zwischenraum zwischen der äußeren umfänglichen Kante der Druckplatte
und der Innenseite der zylindrischen Wand des Bremsengehäuses (dieser
Raum wird nachstehend teilweise als „Zwischenraum" bezeichnet) auf
eine Größe verkleinert
werden, die so klein ist, dass sie etwa dem Zweieinviertelfachen
(2,25fachen) der Dicke der Membran angrenzend an die Druckplatte
entspricht, wodurch Platz für
eine größere Druckplatte bereitgestellt
wird. Die vorliegende Erfindung erleichtert die Vergrößerung der
Größe der Druckplatte
der Hilfsplatte oder der Druckplatte der Betriebsbremse oder beider
Druckplatten. Die Membran selbst kann aus einem sehr dünnen Material
hergestellt werden, um die Größe des vorstehend
beschriebenen Zwischenraums weiter zu minimieren, um die Größe der Druckplatte
zu maximieren. Als nächstes
kann die axiale Bewegung der Hauptdruckfeder dadurch minimiert werden,
dass die durch die genante Feder ausgeübte Seitenbelastung so gering
wie möglich
gehalten wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Abschnitt
der Oberflächen
der Endfederspulen (die Spulen am oberen und unteren Ende der Feder) abgeschliffen
wird, so dass die Spulen besser vorhersehbar an dem Gehäuse und
der Druckplatte sitzen. Die Konfiguration der Form der Druckplatte,
so dass sie mit einer Adapterplatte verschachtelnd eingreift, die
an dem zentralen Schaft der Bremsenbetätigungseinheit angeordnet ist,
unterstützt
es schließlich,
dass die Druckplatte in zentraler Ausrichtung gehalten wird. Eine
Durchführungs-/Dichtungs-Halteeinrichtung
kann ebenfalls in der Mitte des Federgehäuses eingesetzt werden, um
die Ausrichtung der größeren Druckplatte
zu unterstützen,
um es zu verhindern, dass diese seitwärts abgelenkt wird. Jedes dieser
Merkmale der bevorzugten Ausführungsbeispiele,
ob alleine oder in Verbindung miteinander verwendet, ermöglicht den
Einsatz einer größeren Druckplatte,
die danach zum Zurückhalten
einer starken Feder in dem Notbremsengehäuse verwendet werden kann,
oder um mehr Kraft auf die Stößelstange
in dem Hilfsbremsengehäuse
auszuüben.
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Der
Einsatz von vertikaleren zylindrischen Wänden erhöht die innere Querschnittsfläche des Hilfsbremsengehäuses, wodurch
es ermöglicht
wird, dass auch der Oberflächenbereich
der Druckplatte vergrößert wird.
Dies wird erreicht, ohne die Höhe oder
die Breite des Zylinders zu erhöhen;
somit bleibt das Gesamtprofil der Bremsenbetätigungseinheit unverändert.
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Durch
Versuche konnte bestimmt werden, dass die Größe der Druckplatte vergrößert werden kann,
bis der vorstehend beschriebene Zwischenraum zwischen der umfänglichen
Kante der Druckplatte und der Innenwand des Gehäuses lediglich dem Zweieinviertelfachen
(2,25fachen) der Dicke des Materials der Membran entspricht, ohne
jegliche signifikante Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der
Membran. Bereits existierende Bremsenbetätigungseinheiten stellen unnötig deutlich
größere Zwischenräume zwischen
den Rändern
bzw. den Kanten der Druckplatte und den Wänden des Gehäuses bereit,
die zwischen dem Viereinhalbfachen (4,5fachen) und dem Siebenfachen
(7fachen) der Dicke des Materials der Membran liegen. In der vorliegenden
Erfindung ist der Oberflächenbereich
der Druckplatte, der durch Schließen dieses Zwischenraums erreicht wird,
erheblich. In Kombination mit vertikaleren zylindrischen Wänden wird
der Druckplatte deutlich mehr Platz zur Verfügung gestellt.
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Der
Einsatz eines dünneren
Membranmaterials ermöglicht
es, dass sich die Kanten der Druckplatte noch näher an den zylindrischen Wänden des Gehäuses erstrecken,
wodurch eine noch größere Vergrößerung des
Oberflächenbereichs
bzw. der Mantelfläche
der Druckplatte ermöglicht
wird. Bereits bestehende Bremsenbetätigungseinheiten verwenden
Membranmaterialien mit einer durchschnittlichen Dicke von 3,2 mm
(0,125 Zoll), mit einem engen Zwischenraum von 14,5 mm (0,57 Zoll)
zwischen der Kante der Druckplatte und der Wand des Gehäuses (etwa
dem Viereinhalbfachen der Dicke der Membran). Dieser Zwischenraum
kann wie vorstehend gemäß der vorliegenden
Erfindung bis auf das Zweieinviertelfache der Membrandicke reduziert
werden (2,25 × 3,2
= 7,2 mm (2,25 × 0,125
= 0,2813 Zoll)). Zu Veranschaulichungszwecken und lediglich als
Beispiel und ohne den Umfang der anhängigen Ansprüche einzuschränken wird
dann noch mehr Raum für eine
größere Druckplatte
bereitgestellt, wenn die Dicke des Materials der Membran auf 0,09
Zoll reduziert wird, wobei der Zwischenraum in diesem Fall weiter
reduziert werden kann auf 2,25 × 2,3
mm = 5,2 mm (2,25 × 0,09
= 0,2025 Zoll).
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Die
Aufrechterhaltung der zweckmäßigen Ausrichtung
der größeren Druckplatte
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist wichtig. Dies kann auf eine oder verschiedene Wege
erreicht werden. Erstens kann eine Adapterplatte an dem zentralen
Schaft der Bremsenbetätigungseinheit
auf einer Seite der Membran eingesetzt werden, welche in Verbindung
mit einem ausgesparten Bereich auf der Unterseite der Druckplatte
auf der anderen Seite der Membran zusammenwirkt. Wenn sich die Druckplatte
nach oben und nach unten bewegt, setzt sich die Adapterplatte durch
die Membran in dem ausgesparten Bereich, wodurch die zentrale Ausrichtung
der Druckplatte aufrechterhalten wird. Die Ausrichtung kann auch durch
den Einsatz einer Laufbuchsen-/Dichtungs-Halteeinrichtung in der
Mitte des Federgehäuses
verbessert werden. Die Ausrichtung kann dadurch weiter verbessert
werden, dass die Seitenbelastung der Hauptdruckfeder reduziert wird,
in dem die äußeren Oberflächen der
Endspulen der Feder abgeschliffen werden. Traditionell weisen derartige Federn
eine Seitenbelastung zwischen 6 und 8 Prozent auf, wobei in dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine Reduzierung dieser Belastung auf
2 oder 3 Prozent die Ausrichtung der Hauptfeder in dem Hilfsgehäuse stark
verbessert.
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Hiermit
wird festgestellt, dass die verbesserte Leistung der erfindungsgemäßen Bremsenbetätigungseinheiten
auf Membranbasis unter Verwendung der gleichen umfänglichen
Abmessungen erreicht wird, wie sie in bereits bestehenden Bremsenbetätigungseinheiten
gegeben sind, welche übliche Materialien
für die
Membran verwenden. Die Membran muss nicht in der Mitte der Betätigungseinheit
angebracht werden, sie benötigt
keine sich bewegende Wand und sie erfordert auch keine Öffnung oder
kein Loch in ihrer Mitte.
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Traditionell
ist der effektive Oberflächenbereich
bzw. die effektive Mantelfläche
der Druckplatten von Federbremsen in verschiedene Typen (9, 12,
16, 20, 24, 30 und 36) standardisiert, wobei jeder Typ eine inkremental
höhere
Bremsstärke
bereitstellt. Dies ermöglicht
die Herstellung von genormten Komponenten und Bauteilen für jeden
Typ. Für
jeden Typ existiert ferner ein inkremental größeres zugeordnetes Profil (Größe) für die Bremsenbetätigungseinheit. Unter
Verwendung des Designs bzw. der Bauweise gemäß der vorliegenden Erfindung
kann ein kleinerer Typ (z.B. 24) mit einem kleineren Profil die
Stärke
eines größeren Typs
mit einem größeren Profil
aufweisen (z.B. 30). Eine kleinere Einheit, welche die Merkmale
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, kann als Ersatz für einen größeren Typ eingesetzt werden
und gleichzeitig weniger Platz in Anspruch nehmen. In einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung steht ferner eine neue Einheit vom Typ
43 in dem Raum zur Verfügung,
der durch einen Typ 36 belegt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine stärkere Federbremsen-Betätigungseinheit
auf Membranbasis bereitzustellen, ohne die Gesamtgröße der Einheit
zu erhöhen.
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Nachstehend
sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung lediglich in Bezug auf die Abbildungen
der 1 bis 9 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer kennzeichnenden Bremsenbetätigungseinheit
in der normalen Fahrstellung, wobei die Hilfsbremse durch den Druck
der oberen Kammer zurückgehalten
wird;
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2 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer kennzeichnenden Bremsenbetätigungseinheit
in der normalen Fahrstellung, wobei die Hilfsbremse durch den Fahrer
des Fahrzeugs betätigt
wird;
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3 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer kennzeichnenden Bremsenbetätigungseinheit
in der Parkstellung, wobei die Hilfsfederbremse betätigt wird;
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4 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer kombinierten Hilfs- und Betriebsbremsenbetätigungseinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
Querschnitts-Seitenansicht einer kombinierten Hilfs- und Betriebsbremsenbetätigungseinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die absteigenden Positionen der Druckplatten an jeder
Betätigungseinheit
dargestellt sind;
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6 eine
Seitenansicht der vorliegenden Erfindung, wobei deren Profil mit
einer bereits bestehenden, konkurrierenden Bremseneinheit (dargestellt
durch gestrichelte Linien) verglichen wird;
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7 eine
vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht
einer Hilfsbremsenkammer gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die Kräuselung
der Membran innerhalb des Gehäuses
mit absteigender Druckplatte dargestellt ist;
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8 eine
vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht
einer Betriebsbremsenkammer gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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9 eine
vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht
einer kennzeichnenden dem Stand der Technik entsprechenden Betätigungseinheit.
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In
folgendem Bezug auf die Zeichnungen, in denen ähnliche oder identische Teile
in den verschiedenen Ansichten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet
sind, und in Besonderem Bezug auf die dem Stand der Technik entsprechende
Betätigungseinheit
aus den Abbildungen der 1 bis 3, ist es
ersichtlich, dass eine kennzeichnende Luftbremsen-Betätigungseinheit
mit zwei Membranen, allgemein mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet,
eine Betriebsbremseneinheit umfasst, die allgemein mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet
ist, und eine Hilfsbremseneinheit, die allgemein mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet
ist. Während
jede dieser Einheiten unabhängig
von der anderen eingesetzt werden kann, befinden sich die Betriebsbremseneinheit
und die Notbremseneinheit, wenn sie kombiniert werden, in axialer
Ausrichtung zueinander entlang des Pfads einer Stößelstange 21,
die sich von der Mitte eines Endes der Betriebsbremseneinheit nach
außen
erstreckt.
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Das
distale Ende der Stößelstange 21 erstreckt
nach außen
aus der Schale 25 des unteren Betriebsbremsengehäuses und
ist an einem Zughaken 23 angebracht, der wiederum ein einem Gestängesteller 24 angebracht
ist, der an einer Stange oder Nocke 26 angebracht ist,
welche den Bremsen eines Fahrzeugs zugeordnet ist. Wenn sich die
Stößelstange 21 somit
in die Betriebsbremseneinheit 30 und aus dieser heraus
bewegt, übt
sie Kraft auf die Bremsen des Fahrzeugs aus. Das proximale Ende
der Stößelstange 21 ist
an einer Druckplatte 29 angebracht oder dieser eng zugeordnet,
welche sich innerhalb der Betriebsbremseneinheit 30 befindet.
Eine flexible Betriebsbremsenmembran 31 ist innerhalb der
Einheit 30 oberhalb der Platte 29 vorgesehen und
an den Kanten dicht verschlossen, so dass in Verbindung mit dem
oberen äußeren Gehäuse 35 eine Kammer 33 definiert
wird.
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Wenn
Druckluft in die Kammer 33 eingeführt wird, erweitert sich die
Membran 31, wobei Druck auf die Platte 29 ausgeübt wird,
wodurch die Stange 21 aus der Einheit 30 gedrückt wird,
wie dies in der Abbildung aus 2 dargestellt
ist. Die Ausübung
von Druck auf die Kammer 33 der Betriebsbremseneinheit 30 wird
durch die Bedienungsperson des Fahrzeugs über die normale Betätigung der
Bremsen geregelt. Das Ausmaß des
auf die Kammer 33 ausgeübten
Drucks kann variiert werden, was zu einer größeren oder kleineren Erweiterung
der Stange 21 führt sowie
zu einer stärkeren
oder geringeren Betätigung der
Fahrzeugbremsen. Eine Rückholfeder 37 ist
in dem unteren Gehäuse 25 um
die Stange 21 vorgesehen, um die Platte 29 und
die Stange 21 zurück
in die Einheit 30 zu drücken,
wenn der Luftdruck von der Kammer 33 entfernt wird, wie
dies in der Abbildung aus 1 dargestellt
ist.
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Die
Hilfsbremseneinheit 50 weist eine untere Gehäuseschale 45 und
eine obere Gehäuseschale 55 auf.
Eine Membran ist innerhalb der Einheit 50 bereitgestellt,
welche dicht verschließend
an ihren Kanten zwischen den oberen und unteren Schalen 45 und 55 angebracht
ist, so dass in Verbindung mit der unteren Gehäuseschale 45 eine
Kammer 53 definiert wird. Eine Teleskopstange 61 mit
dem gleichen Durchmesser und den gleichen Eigenschaften wie die
Stößelstange 21 ist
in der Mitte der Einheit 50 und in der Kammer 53 vorgesehen,
axial ausgerichtet mit der Stößelstange 21.
Das distale Ende der Stange 61 erstreckt sich durch die
verschlossene Öffnung
in der Mitte der unteren Gehäuseschale 45 und
in die obere Gehäuseschale 35 der
Betriebsbremseneinheit 50. Das distale Ende der Stange 61 ist
an einer kleinen Platte 52 in der Betriebseinheit 30 angebracht.
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Das
proximale Ende der Stange 61 ist ebenfalls an einer Stößelstangenplatte 62 eines
kleinen Adapters angebracht, die in der Kammer 53 angeordnet
ist. Oberhalb der Membran 51 befindet sich die Druckplatte 59 der
Hilfsbremse, oberhalb der wiederum die Hauptdruckfeder 58 angeordnet
ist. Die untere Oberfläche
der Druckplatte 59 weist einen Vertiefungsbereich 54 auf.
Durch vollständiges
unter Druck setzen der Kammer 53 wird die Membran 51 erweitert
und gegen die Druckplatte 59 gedrückt, wobei die Hauptfeder 58 in
das obere Ende der Gehäuseschale 55 zusammengedrückt wird,
wie dies in den Abbildungen der 1 und 2 dargestellt
ist. Wenn der Druck von der Kammer 53 gelöst wird,
entweder durch Anhalten des Fahrzeugs oder durch einen Fehler in
dem Drucksystem, drückt
die Hauptfeder 58 nach unten gegen die Platte 59,
wobei die Membran 51, die Platte 62 und die Stange 61 nach
unten gedrückt
werden. Die Kraft der Hauptfeder 58 auf die Platte 59 wird über die
Membran 51 auf die Platte 62, die Stange 61,
die Platte 52, die Membran 31, die Platte 29 und
die Stange 21 auf die Bremsen des Fahrzeugs übertragen,
wie dies in der Abbildung aus 3 dargestellt
ist. Wenn diese Kraft ausgeübt wird,
setzt sich die Platte 62 in dem Vertiefungsbereich 54 der
Druckplatte 59.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildungen der 4 und 5 ist
es ersichtlich, dass die obere Druckplatte 59 gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
groß ist,
und dass die Kanten der Platte 59 sehr dicht an die zylindrischen
Seitenwände
der Schalen 45 und 55 gelangen. Diese Seitenwände sind
vertikal oder nahezu vertikal (d.h. sie sind parallel oder nahezu
parallel zu der Stange 61 und senkrecht oder nahezu senkrecht
zu der Platte 59). Die zylindrische Wand der Schale 55 ist
nur oberhalb der obersten Position der Platte 59 konisch,
wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt
ist. Die aufrechten zylindrischen Wände der Schalen 45 und 55 stellen
einen breiteren Raum innerhalb der Einheit 50 bereit, durch
den die Druckplatte 59 angehoben und gesenkt werden kann
(siehe 5). Der Zwischenraum zwischen der äußeren peripheren
Kante der Platte 59 und der Innenseite der zylindrischen
Wände der Schalten 45 und 55 ist
in der Abbildung aus 5 als „G" dargestellt. Dieser Zwischenraum kann
dem Zweieinhalbfachen der Breite (Dicke) der Membran 51 entsprechen
oder kleiner sein. Dies ermöglicht
einen ausreichenden Raum für
die Membran 51, so dass diese sich umfalzen kann (d.h.
der Raum entspricht der doppelten Breite), wenn sich die Platte 59 hoch
und runter bewegt, plus eines kleinen zusätzlichen Raums (der Hälfte der
Breite oder nur einem Viertel der Breite, wenn die Membran 51 aus
bestimmten reibungsarmen Werkstoffen hergestellt wird), um unnötige Reibung
zu vermeiden. Siehe dazu die Abbildung aus 7.
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In
Bezug auf das in den Abbildungen der 4 und 5 dargestellte
Betriebsbremsengehäuse
ist es ersichtlich, dass die obere Druckplatte 29 gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenfalls sehr groß ist
und dass die Kanten der Platte 29 sehr nah an die zylindrischen
Wände der
Schalen 25 und 35 gelangen. Diese Seitenwände sind
ebenfalls vertikal oder nahezu vertikal (d.h. sie sind parallel
oder nahezu parallel zu der Stange 21, und sie sind senkrecht oder
nahezu senkrecht zu der Platte 59). Die aufrechten zylindrischen
Wände der
Schalen 35 und 25 stellen einen deutlich breiteren
Raum innerhalb der Einheit 30 bereit, durch den die Druckplatte 29 angehoben
und gesenkt werden kann (siehe 5). Der Zwischenraum
zwischen der äußeren umfänglichen Kante
der Platte 29 und der Innenseite der zylindrischen Wände der
Schalen 25 und 35 ist in der Abbildung aus 5 als
G' dargestellt.
Dieser Zwischenraum kann lediglich dem Zweieinhalbfachen (2,5fachen)
der Breite (Dicke) der Membran 31 entsprechen oder noch
kleiner sein. Dies ermöglicht
einen ausreichenden Raum für
die Membran 31, um umzufalzen (d.h. das Zweifache deren
Breite), wenn sich die Platte 29 hoch und runter bewegt,
plus eines kleinen zusätzlichen
Raums (der Hälfte
der Breite oder nur einem Viertel der Breite, wenn die Membran 51 aus
bestimmten reibungsarmen Werkstoffen hergestellt wird).
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Die
Membrane 31 und 51 können aus einem sehr dünnen Material
bestehen. An Stelle einer durchschnittlichen Breite von 3,2 mm (0,125
Zoll) werden Membranmaterialien erfolgreich verwendet, die bis zu
2,3 mm (0,09 Zoll) dünn
sind, und wobei sogar noch dünnere
Membranmaterialien verwendet werden können. Unter Verwendung einer
Standardmembran mit 3,2 mm (0,125 Zoll) können die Zwischenräume G und
G' (bei dem Zweieinhalbfachen ihrer
Dicke) bis zu 7,94 mm (0,3125 mm) klein sein. Eine Reduzierung der
Membrandicke auf 2,3 mm (0,09 Zoll) führt zu einem 5,72 mm (0,225
Zoll) kleinen Zwischenraum G oder G'. Der Einsatz von reibungsarmem Material
kann einen Zwischenraum G oder G' mit
der Zweieinviertelfachen der Dicke ermöglichen, der für die Membran
mit 2,3 mm zu einem sehr kleinen Zwischenraum G oder G' von 5,14 mm (0,2025
Zoll) führen
kann. Ein dünneres
Membranmaterial reduziert den Zwischenraum G oder G' noch weiter. Jede
dieser Modifikationen ermöglicht
es gemeinsam oder alleine eingesetzt, eine größere Druckplatte innerhalb
des Gehäuses
zu installieren.
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Der
kleinste bekannte Zwischenraum G oder G' in einem existierenden Bremsenbetätigungselement
entspricht 14,5 mm (0,57 Zoll) unter Verwendung einer Membran mit
einer Dicke von 3,2 mm (0,125 Zoll) (siehe 9). Dies
führt zu
einem Verhältnis
der Membrandicke zu der Größe des Zwischenraums
von 1:4,56. Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ein kleineres Verhältnis,
das bis zu 1:2,25 klein sein kann. Ausführungsbeispiele mit einem Verhältnis der
Membrandicke zu der Zwischenraumgröße im Bereich von 1:4,56 bis
1:2,5 oder kleiner ermöglichen
einen immer größeren Raum
für größere und
größere Druckplatten 29 und 59.
Dies sorgt für
einen Bereich der Druckplattengrößen und
entsprechenden Stärken
für die
Hauptdruckfeder 58 innerhalb des Hilfsgehäuses sowie
für die verfügbare Bremsstärke in dem
Betriebsgehäuse.
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Die
Fläche
(A) eines Kreises wie etwa der Druckplatten 29 und 59 des
vorliegenden Ausführungsbeispiels
wird gemäß der allgemein
bekannten Formel A = πR2 bestimmt, wobei (R) den Radius des durch
die Druckplatte definierten Kreises darstellt, und wobei π ungefähr gleich
3,14159 ist. Diese Formel kann auch als A = 1/4πD2 ausgedrückt werden, wobei
(D) den Durchmesser des durch die Druckplatte definierten Kreises
bezeichnet. Siehe dazu die Abbildung aus 5, in der
D und R für
die Platte 59 verwendet werden und D' und R' für
die Platte 29. Der innere Querschnitt der zylindrischen
Gehäuseschalen
(55 und 45 in dem Hilfsbremsengehäuse und 35 und 25 in
dem Betriebsbremsengehäuse)
kann ebenfalls durch die gleichen Formeln definiert werden, wobei
D dem Durchmesser der verfügbaren
inneren umfänglichen
Wand der Schalen 55 und 45 in dem Hilfsbremsengehäuse entspricht,
und wobei D' dem Durchmesser
für die
Schalen 35 und 25 in dem Betriebsbremsengehäuse entspricht.
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Unter
Verwendung der vorstehenden Formeln reichen die möglichen
Flächen
(A) für
die Druckplatte 59 im Verhältnis zu dem durch das vorliegende
Ausführungsbeispiel
definierten Zwischenraum G von einer Größe von etwa Π(R – 2,5x)2 bis lediglich etwa π(R – 4,56x)2,
wobei „R" den Radius der inneren
umfänglichen
Wand der Schalen 55 und 45 bezeichnet, durch den
sich die Platte 59 bewegt, und wobei „x" der Dicke der Membran 51 entspricht.
Ausgedrückt
durch die andere Formel reicht der Bereich von etwa 1/4π(D – 5x)2 bis etwa 1/4π(D – 9,12x)2. Wenn
zu Veranschaulichungszwecken und lediglich als Beispiel und ohne
den Umfang der anhängigen Ansprüche einzuschränken, der
verfügbare
Innendurchmesser (D) der Gehäuseschalen 45 und 55 203 mm
(8 Zoll) entspricht, und eine Membran 51 mit einer Dicke „x" von 3,2 mm (0,125
Zoll) eingesetzt wird, reichen die möglichen Größen der Fläche (A) für die durch das vorliegende
Ausführungsbeispiel
definierte Platte 59 von etwa 275,6 cm2 bis
238,5 cm2 (42,718 bis etwa 36,961 Quadratzoll)
[1/4π(7,375)2 bis 1/4π(6,86)2]. Der Einsatz einer Membran 51 mit
einer Dicke „X" von 2,3 mm (0,09
Zoll) führt
in diesem Beispiel zu einem größeren Bereich
der Fläche
(A) für die
Platte 59 von zwischen etwa 288,9 cm2 und
etwa 261,2 cm2 (44,77 und 40,48 Quadratzoll).
Das Geraderichten der Außenwände der
Schalen 45 und 55 zur Erzeugung eines verfügbaren Durchmessers
von mehr als 203 mm (acht Zoll) erhöht die verfügbare Fläche (A) für die Platte 50 zusätzlich.
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Die
gleichen Grundsätze
gelten auch für
die durch die Schalen 25 und 35 definierte Betriebsbremseneinheit 30 sowie
unter Verwendung der Druckplatte 29. Unter Verwendung der
vorstehenden Formeln reichen die möglichen Flächen (A) für die Druckplatte 29 im
Verhältnis
zu dem durch das vorliegende Ausführungsbeispiel definierten
Zwischenraum G' von
einer Größe von etwa π(R' – 2,5x)2 bis zu
einer Größe von nur
etwa π(R' – 4,56x)2,
wobei R' dem Radius
der inneren umfänglichen
Wand der Schalen 35 und 25 entspricht, durch den
die Platte 29 verläuft,
und „x" steht für die Dicke
der Membran 31. Ausgedrückt
durch die andere Formel liegt dieser Bereich zwischen etwa 1/4π(D' – 5x)2 bis
etwa 1/4π(D' – 9,12x)2.
Der Einsatz einer dünneren
Membran 31 und/oder das Geraderichten der Außenwände der Schalen 35 und 25 zum
Erzeugen eines größeren verfügbaren Innendurchmessers
erhöht
die verfügbare
Fläche
(A) für
die Platte 29 weiter.
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Der
Umfang der Platte 59 (oder 29) ist durch die Formel
2πR (2πR' für die Platte 29)
oder πD
(πD' für die Platte 29)
definiert. Unter Verwendung dieser Formel liegt in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
der Bereich des Umfangs für
die Platte 59 von einer Größe von 2π(R – 2,5x) bis zu einer Größe von etwa
2π(R – 4,56x),
wobei R dem Radius der inneren umfänglichen Wand der Schalen 45 und 55 entspricht,
durch den sich die Platte 59 bewegt, und wobei „x" die Dicke der Membran 51 darstellt.
Die gleichen Formeln gelten für
das Ausführungsbeispiel
der Betriebsbremse unter Verwendung von R' für
die innere umfängliche
Wand der Schalen 25 und 35, durch den sich die
Platte 29 bewegt, und wobei „x" die Dicke der Membran 31 bezeichnet:
etwa 2π(R' – 2,5x') bis etwa nur 2π(R' – 4,56x').
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Ausgedrückt durch
die andere Formel liegt der Bereich des Umfangs für die Platte
zwischen etwa π(D – 5x) und
etwa π(D' – 9,12x). Der Einsatz einer
dünneren
Membran 32 (oder 51) und/oder das Geraderichten
der Außenwände der
Schalen 35 und 25 (oder 45 und 55)
zur Erzeugung eines größeren verfügbaren Innendurchmessers
erhöhen
den verfügbaren
Umfang für
die Platte 29 (oder 59) noch weiter.
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Die
Verbesserungen gemäß der vorliegenden
Erfindung können
auf ein unabhängiges
Betriebsbremsen-Betätigungselement
mit einer einzigen Membran, auf ein unabhängiges Hilfsbremsen-Betätigungselement
mit einer einzigen Membran oder auf ein kombiniertes Betriebs- und
Hilfsbremsen-Betätigungselement
angewandt werden.
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Hiermit
wird festgestellt, dass Abänderungen und
Modifikationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne dabei vom
Umfang der Erfindung abzuweichen. Hiermit wird ferner festgestellt,
dass die vorliegende Erfindung nicht durch die hierin offenbarten
besonderen Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, sondern nur durch die anhängigen
Ansprüche,
wenn diese in Bezug auf die vorstehende Beschreibung gelesen werden.