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Die Erfindung betrifft einen Proportionalmodulator
zum Steuern des Drucks in einer Fluiddruckbremsanlage.
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Moderne elektronisch gesteuerte Bremsanlagen wie
beispielsweise Antiblockier-Bremsanlagen, Traktionssteuersysteme
und elektropneumatische Bremsanlagen erfordern einen
Fluiddruckmodulator, der ein elektrisches Signal von einer
elektronischen Steuereinheit des Fahrzeuges zu einem pneumatisch
Signal umwandelt, um die Basisbremsen zu betätigen. Bekannte
Modulatoren verwenden zwei An/Aus-Solenoide, um den Fluiddruck zu
steuern und die Basisbremsen zu betätigen. Diese Modulatoren
sind schwierig zu steuern, weil Variationen in Solenoidspulen
und Dichtungslosreißreibung überwunden werden müssen, um
Fluiddruck an die Basisbremsen zu liefern.
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In neuerer Zeit sind Proportionalsolenoide verfügbar
geworden, und ein Beispiel davon ist aus der DE-A-3 240 272
bekannt. Diese Proportionalsolenoide erzeugen einen Kraftausgang,
der über den Anker angelegt wird und der eine direkte Funktion
des Solenoidstromes ist und unabhängig von der Strecke ist,
über welche der Anker sich bewegt. Die vorliegende Erfindung
verwendet ein Proportionalsolenoid, um einen Abgabedruck
hervorzurufen, der zu dem an das Solenoid angelegten Strom direkt
proportional ist. Sowohl die Einlaßseite des Ventils und die
Abgabe- oder Ausgangsseite des Ventils sind druckausgeglichen,
und die Dichtungsreibung, die durch die O-Ringdichtungen
erzeugt wird, welche in zum Stand der Technik gehörende
Modulatoren verwendet werden, ist beseitigt, so daß ein Druckwert an
der Abgabeöffnung erzielt wird, der eine direkte Funktion des
Solenoidstromes ist. Die druckausgeglichenen Komponenten auf
der Abgabeseite des Ventils schaffen eine Rückkopplungskraft zu
der Betätigungseinrichtung für das Solenoid, gegen welche
durch das Solenoid erzeugte Kraft wirkt. Diese
Rückkopplungskraft wird erzeugt durch Fluiddruck an der Abgabeöffnung und
sie wird durch den Solenoidanker erfahren, so daß die an dem
Solenoidanker erzeugte Kraft eine Funktion der
Rückkopplungskraft ist, die eine Funktion des Abgabedrucks ist. Da die durch
das Solenoid erzeugte Kraft eine direkte Funktion des
Solenoidstromes ist, ist der Abgabedruck auch eine Funktion des
Solenoidstroms.
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Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
ersichtlich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichung, in welcher:
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Figur 1 eine Längsschnittansicht eines
Proportionalmodulators ist, der gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung
gebildet ist, wobei die Ventilelemente in der Position vollen
Auslasses bzw. gelöster Bremse dargestellt sind;
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Figur 2 eine Ansicht des umgrenzten Bereiches der
Figur 1 ist, wobei jedoch die Ventilelemente in der Position
vollen Anlegens gezeigt sind, in welcher direkte Verbindung
zwischen der Zufuhr- oder Einlaßöffnung und der Abgabeöffnung
geschaffen ist; und
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Figur 3 eine der Figur 2 ähnliche Ansicht des
umschriebenen Teils der Figur 1 ist, wobei jedoch die
Ventilelemente in der überlappten Position dargestellt sind, in welcher
sowohl die Zufuhröffnung als auch die Entleerungsöffnung von
den Abgabeöffnungen isoliert bzw. getrennt sind.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnung umfaßt
ein Proportionalmodulator, der allgemein mit dem Bezugszeichen
10 bezeichnet ist, ein Gehäuse 12, welches eine Zufuhr- oder
Einlaßöffnung 14, eine Abgabe- oder Auslaßöffnung 16 und eine
Entleerungsöffnung 18 hat. Die Entleerungsöffnung 18 ist mit
der Umgebungsatmosphäre verbunden. Die Zufuhröffnung 14 steht
mit einer Fluiddruckzufuhr in Verbindung, beispielsweise mit
einem üblichen Druckluftspeicherbehälter. Die Abgabe- oder
Auslaßöffnung 16 steht mit den Basisbremsen des Fahrzeugs in
Verbindung.
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Das Gehäuse 12 bestimmt eine Kammer 20, in welcher
Ventilkomponenten angeordnet sind, die allgemein mit dem
Bezugszeichen 22 bezeichnet sind. Die Ventilkomponenten 22
umfassen ein Auslaß/Entleerungsventil 24, welches in der Kammer 20
verschiebbar angebracht ist und einen Ventilsitzbereich bzw.
eine Ventilsitzfläche 26 trägt. Eine Feder 29 drückt das
Einlaß/Entleerungsventil 24 gemäß den Figuren nachgiebig nach
links, so daß die Ventilsitzfläche 26 nachgiebig in
Dichtungseingriff mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Ventilsitz 28 gedrückt ist, der die Kammer 20 umgibt. Eine sich in
Umfangsrichtung erstreckende Dichtungsmembran 30 erstreckt sich
zwischen dem Einlaß/Entleerungsventil 20 in dem Gehäuse 12, um
dadurch die Verbindung zwischen der Kammer 20 und der
Entleerungsöffnung 18 abzudichten. Das Einlaß/Entleerungsventil 24
umfaßt einen Führungsteil 31, der mit einer Bohrung 32 gleitbar
in Eingriff steht, wodurch die Entleerungsöffnung 18 bestimmt
ist. Das Ventil 24 bestimmt einen Durchgang 34, der die Kammer
20 mit der Entleerungsöffnung 18 verbindet.
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Die Ventilkomponenten 22 umfassen weiterhin einen
Ventilkolben 36. Der Ventilkolben 36 trägt einen sich in
Umfangsrichtung erstreckenden Ventilsitz 38, der mit der
Ventilsitzfläche 26 zusammenarbeitet, um Verbindung zwischen der
Abgabeöffnung 16 und der Entleerungsöffnung 18 zu steuern. Der
Kolben 36 umfaßt einen Teil 40, der in einem Durchgang 34
geführt ist, wobei jedoch ein Abschnitt des Teils 40
weggeschnitten ist, um Verbindung über den Durchgang 34 zu der
Entleerungsöffnung 18 zu ermöglichen. Eine Feder 42 drückt den Kolben
36 nachgiebig gemäß Figur 1 nach links.
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Ein Proportionalsolenoidgebilde des dem Fachmann
bekannten Typs, welches allgemein mit dem Bezugszeichen 44
bezeichnet ist, ist ebenfalls in dem Gehäuse 12 angebracht. Das
Solenoidgebilde 44 umfaßt eine Spule 46, die um einen Anker 48
gewickelt ist, und ein stationäres Polstück 50. Der Anker 48
ist in der Spule 46 gleitbar bzw. verschiebbar angebracht und
er ist durch einen Teil 51 mit dem Kolben 36 verbunden derart,
daß Bewegung des Ankers 48 direkt übertragen wird, um den
Kolben 36 zu bewegen. Das Polstück 50 und der Anker 48 sind in
einer dem Fachmann gut bekannten Weise derart konturiert, daß die
von dem Anker 48 an den Kolben 36 angelegte Kraft eine direkte
Funktion des an die Spule 46 angelegten Stromes unabhängig von
Bewegung des Ankers 48 ist. Eine handbetätigte
Überlaufeinrichtung 52 ist vorgesehen, um den Anker 48 zu betätigen, um
dadurch die Ventilkomponenten 22 für Systemdiagnose und Wartung
zu betätigen.
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Eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Membran 54
erstreckt sich zwischen dem Kolben 36 und dem Gehäuse 12. Die
Membran 54 schafft nicht nur eine Abdichtung zwischen dem
Kolben 36 und dem Gehäuse 12, sondern sie schafft auch eine
Rückkopplungskraft, die der Bewegung des Ankers 48 entgegenwirkt.
Eine Seite der Membran 54 ist dem Druckwert in der
Abgabeöffnung 16 ausgesetzt, und die gegenüberliegende Seite der Membran
54 ist über das Solenoidgebilde 44 zur Atmosphäre entlüftet.
Demgemäß hat die Membran 54 eine wirksame Nettofläche, die in
der Zeichnung als Fläche A angegeben ist, gegen welche der
Druck an der Abgabeöffnung 16 wirkt. Die Kraft, die der
Bewegung des Ankers 48 entgegenwirkt, ist daher eine Funktion des
Druckwertes an der Auslaß- oder Abgabeöffnung 16, der gegen die
Fläche A wirkt, so daß die von dem Solenoidgebilde 44
geforderte Kraft zum Betätigen der Ventilkomponenten 22, um den
Druckwert an der Abgabeöffnung 16 zu erhöhen, sich erhöht, wenn der
Druckwert an der Abgabeöffnung 16 sich erhöht, wodurch stärkere
Stromwerte in der Spule 46 erforderlich sind, um den
geforderten Kraftausgang zum Betätigen der Ventilkomponenten 22 zu
erreichen. Demgemäß ist der Druckwert an der Abgabeöffnung 16
eine Funktion des an die Spule 46 angelegten Stromes.
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Hinsichtlich des Betriebs sind die verschiedenen
Komponenten des Modulators 10 in Figur 1 in den Positionen
dargestellt, die sie einnehmen, wenn kein Strom an die Spule 46
angelegt ist und der Abgabedruck an der Abgabeöffnung 16 im
wesentlichen der Atmosphärendruck ist. In diesem Zustand ist die
Ventilsitzfläche 38 von dem Einlaß/Entleerungsventil 24
getrennt, so daß die Abgabeöffnung 16 über die Entleerungsöffnung
18 und den Durchgang 34 zur Atmosphäre entlüftet ist. Die Feder
42 spannt die Ventilsitzfläche 38 in die getrennte Position
vor, wie es dargestellt ist. Gleichzeitig spannt die Feder 29
das Einlaß/Entleerungsventil 24 in Dichtungseingriff mit dem
Ventilsitz 28 vor, wodurch die Zufuhr- oder Einlaßöffnung 14
geschlossen wird. Die wirksame Fläche B der Ventilsitzfläche
38, die auf den Druckwert an der Zufuhröffnung 14 anspricht,
ist im wesentlichen die gleiche wie die wirksame Fläche C der
Membran 30, die ebenfalls dem Fluiddruckwert an der Zufuhr-
oder Einlaßöffnung 14 ausgesetzt ist. Da die durch den
Fluiddruck erzeugten Kräfte, die gegen die Flächen B und C wirken,
einander entgegengesetzt sind, heben sich die Fluiddruckkräfte,
die durch Druck an der Einlaßöffnung 14 erzeugt sind und gegen
das Einlaß/Entleerungsventil 24 wirken, einander auf, so daß
das Ventil durch die Kraft der Feder 29 geschlossen gehalten
ist. Durch Beseitigen der Kräfte als Folge der
Fluiddruckeinlaßöffnung 14 derart, daß das Ventil durch die Feder 29
geschlossen gehalten ist, ist die Kraft, die erforderlich ist, um
das Einlaß/Entleerungsventil 24 zu öffnen, unabhängig gemacht
von den Änderungen des Fluiddrucks an der Zufuhr- oder
Einlaßöffnung 14. Da der Kraftausgang des Solenoidgebildes 44 sich
nur über einen relativ begrenzten Bereich ändern kann, ist es
üblicherweise erwünscht, daß die Kraft, die erforderlich ist,
um das Einlaß/Entleerungsventil 24 zu öffnen, so konstant wie
möglich gehalten wird.
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Wenn ein vorbestimmter Fluiddruckwert an der
Abgabeöffnung 16 gefordert wird, wird ein vorbestimmter Stromwert zu
der Spule 46 übertragen, wodurch ein vorbestimmter Kraftausgang
am Anker 48 hervorgerufen wird. Demgemäß wird der Kolben 36
gemäß Figur 1 nach rechts bewegt, wobei zuerst die
Ventilsitzfläche 38 gegen den Ventilsitz 26 geschlossen wird, um die
Verbindung zwischen der Abgabeöffnung 16 und der Entleerungsöffnung
18 zu beenden, und danach die Ventilsitzfläche 26 von der
Ventilsitzfläche 28 weg in die offene Stellung gebracht wird, um
Verbindung von der Zufuhröffnung 14 zur Abgabeöffnung 16 zu
ermöglichen, wodurch der Druck an der Abgabeöffnung 16 erhöht
wird. Wenn der Druck an der Abgabeöffnung 16 sich erhöht,
erhöht sich auch die Kraft, die an der wirksamen Fläche A der
Membran 54 wirkt. Der sich erhöhende Druck an der Abgabeöffnung
16 wirkt auch an der wirksamen Fläche D zwischen dem Ventilsitz
38 und der Ventilsitzfläche 28. Demgemäß drücken die Kraft der
Feder 42 und die Kraft, die gegen die wirksame Fläche A wirkt,
den Kolben 36 gemäß Figur 1 nach links; die Kraft des
Solenoides und die an der wirksamen Fläche D wirkende Kraft haben das
Bestreben, die Ventilkomponenten 22 gemäß Figur 1 nach rechts
zu drücken. Wenn diese Kräfte sich ausgleichen, bewegen sich
die Ventilkomponenten 22 in die in Figur 3 dargestellte
überlappte Position, in welcher die Ventilsitzfläche 26 einen
Abschluß schafft gegen den Ventilsitz 28 und die Ventilsitzfläche
38, so daß Verbindung zwischen der Abgabeöffnung 16 und der
Entleerungsöffnung 18 und der Zufuhreinlaßöffnung 14 beendet
ist. Der Kraftausgleich an den Ventilkomponenten 22 ist durch
die nachstehende Gleichung gegeben:
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FSolenoid + Ffläche D + FFläche A - FFeder = 0
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Die Ventilkomponenten 22 verbleiben in diesem
überlappten Zustand, bis der durch die obige Gleichung gegebene
Kraftausgleich aufgehoben ist. Wenn beispielsweise die
Bedienungsperson einen höheren Druck an der Abgabeöffnung 16
wünscht, wird der Strom in der Solenoidspule 46 verstärkt,
wodurch die Ventilkomponenten 22 gemäß den Figuren nach rechts
gedrückt werden, um die Ventilsitzfläche 26 von der
Ventilsitzfläche 28 weg in die offene Position zu bringen, wodurch
zusätzliche Verbindung zwischen der Zufuhröffnung 14 zu der
Abgabeöffnung 16 ermöglicht ist, um den Druckwert an der
Abgabeöffnung 16 zu erhöhen. Dieser erhöhte Druckwert an der
Abgabeöffnung 16 wirkt über der Fläche A, entgegengesetzt zu der von dem
Solenoidgebilde 44 erzeugten Kraft. Wenn die Kräfte wiederum
ausgeglichen sind, wie es durch die obige Gleichung gegeben
ist, bewegen sich die Ventilkomponenten 22 zurück in den
überlappten Zustand.
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In ähnlicher Weise wird, wenn die Bedienungsperson es
wünscht, den Druckwert an der Abgabeöffnung 16 zu verringern,
der Strom zum Solenoid 46 verringert, so daß der Druckwert an
der Abgabeöffnung 16, der über die Fläche A der Membran 54
wirkt, als Folge der verringerten Solenoidkraft in der Lage
ist, den Ventilkolben 36 gemäß den Figuren nach links zu
bewegen, wodurch der Ventilsitz 38 von dem Ventilsitz 26 weg
geöffnet wird, um dadurch einen gewissen Teil des Drucks an der
Abgabeöffnung 16 über die Entleerungsöffnung 18 zur Atmosphäre
abzulassen. Wenn der Druck an der Abgabeöffnung 16 derart
verringert ist, daß der Kraftausgleich, gegeben durch die obige
Gleichung, wiederhergestellt ist, schließt sich die Sitzfläche
38 wiederum gegen die Sitzfläche 26, so daß die
Ventilkomponenten 22 in den überlappten Zustand zurückgeführt werden, der in
Figur 3 dargestellt ist.
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Wenn die Bedienungsperson es wünscht, den Druckwert
an der Abgabeöffnung 16 zu entlüften, wird der Strom zur Spule
46 abgespaltet, so daß der Druckwert an der Abgabeöffnung 16,
der über die Fläche A wirkt, den Kolben 36 in die in Figur 1
dargestellte Position zurückführt. Gleichzeitig führt die Feder
29 das Einlaß/Entleerungsventil 24 zurück in Eingriff mit der
Ventilsitzfläche 28, wodurch die Zufuhr- oder Einlaßöffnung 14
abgesperrt wird, während die Abgabeöffnung 16 zur
Entleerungsöffnung 18 entlüftet wird.