DE69707274T2

DE69707274T2 - Bremsventilanordnung für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE69707274T2
Application number: DE1997607274
Authority: DE
Inventors: Daniel Brillant; Scott N. Griffin; Ronald C. Kurtz
Original assignee: Westinghouse Air Brake Co
Current assignee: Westinghouse Air Brake Co
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2017-05-21
Also published as: EP0888943A1; DE69707274D1; EP0888943B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen fluidbetätigte Bremssysteme, wie beispielsweise des Typs, der häufig an Eisenbahnfahrzeugen installiert wird. Die Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte Ventilbaugruppe, die in einem derartigen Bremssystem eingesetzt werden kann.
Obwohl seine grundlegenden Prinzipien vor vielen Jahren entwickelt wurden, ist das Luftbremssystem nach wie vor weit verbreitet im Einsatz, und zwar insbesondere in der Eisenbahnindustrie. Wie der Name bereits sagt, wird bei Luftbremssystemen Druckluft eingesetzt, um die entsprechenden Bremsen eines Fahrzeugs, so beispielsweise eines Eisenbahnfahrzeugs, zu betätigen. Diese Luft wird normalerweise aus einem Behälter zugeführt, der sich an Bord des Fahrzeugs befindet und auf einen gewünschten Fluiddruck "geladen" wird.
Der Strom von Luft zwischen dem Behälter und der Bremse wird durch ein relativ großes Fluidventil gesteuert. Das Ventil selbst ist im Allgemeinen so aufgebaut, dass es zwei oder mehr innere Ventile aufweist, die mehrere Zustände der Fluidübertragung ermöglichen. Normalerweise werden diese inneren Ventile einzeln durch elektrische Solenoide gesteuert.
US-A-5 454 399 offenbart beispielsweise eine Ventilbaugruppe, die einen Hauptventilabschnitt und einen elektropneumatischen Steuerventilabschnitt aufweist. Brems- und Löse-Solenoidventile in dem Steuerventilabschnitt werden so betätigt, dass der Hauptventilabschnitt gesteuert wird, um den Bremszylindern eines Eisenbahnfahrzeugs Druckluft zuzuführen, sie darin zu halten und aus ihnen abzulassen.
EP-A-0 845 397, das nur nach Artikel 54 (3) EPC relevant ist, offenbart lediglich eine Drucksteuervorrichtung, bei der zwei Elektromagnete eingesetzt werden, die von einer elektronischen Steuereinheit unter Verwendung von Rückkopplung von einem Drucksensor gesteuert betätigt werden, um die Bewegung von zwei Ventilkolben zu steuern und damit einen Bremszylinder unter Druck zu setzen bzw. zu entlüften.
Aufgrund von Betriebsspannungsbeschränkungen erzeugen die Brems-Solenoide häufig eine relativ geringe Betätigungskraft. Dies stellt einen Gegensatz zu der relativ großen Kraft dar, die aufgrund des Fluiddrucks häufig auf den internen Ventilmechanismus ausgeübt wird. Die Fluidkraft kann die Solenoidkraft häufig um mehr als das Zehnfache übersteigen.
In der Vergangenheit ist die Diskrepanz zwischen der Fluidkraft und der Solenoidkraft häufig überwunden worden, indem eine Steuerventilkonstruktion eingesetzt wurde. Statt direkt auf das Ventil zu wirken, steuert das Solenoid bei dieser Konstruktion ein kleineres Ventil, das die Steuerzufuhr reguliert. Luft von der Steuerzufuhr wiederum betätigt einen Kolben, der mit dem größeren Ventilmechanismus verbunden ist. Bewegung des Kolbens bewirkt so, dass sich der größere Ventilmechanismus in Eingriff mit dem dazugehörigen Ventilsitz bzw. aus diesem heraus bewegt.
Obwohl mit der Steuerventilkonstruktion die Diskrepanz zwischen der Fluidkraft und der Solenoidkraft aufgehoben werden kann, weist sie verschiedene Nachteile auf. Insbesondere ist für diese Konstruktion eine zusätzliche Luftzufuhr, d. h. die Steuerzufuhr, erforderlich, die ansonsten für den Bremsvorgang nicht notwendig ist. Des Weiteren sind verschiedene Teile in dem Ventil selbst erforderlich, um die Funktion der zusätzlichen Luftzufuhr zu regulieren.
Weiterhin bewegt sich der Ventilmechanismus nicht sofort bei Betätigung des Solenoids. Stattdessen wird das größere Ventil erst dann betätigt, wenn die Steuerzufuhr eine ausreichende Kraft auf den Kolben ausübt. Diese sequentielle Funktion beschränkt die Ansprechzeit des größeren Ventils.
Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, geeignete, direkt wirkende Ventile zu schaffen, indem das Fluid-Ungleichgewicht in dem Ventil verringert wurde, um so die Auswirkung der Fluidkraft aufzuheben. Bei einigen dieser Konstruktionen wurden Dichtungen eingesetzt, um den Fluiddruck in dem Ventil auszugleichen. Diese Dichtungen haben jedoch häufig eine relativ starke Reibung verursacht, die das Solenoid sowie jede etwaige Rückstellfeder überwinden müssen, wenn der Ventilmechanismus bewegt wird.
Bei anderen direkt wirkenden Ventilen sind Membranen eingesetzt worden, um die Fluidkräfte auszugleichen. Aufgrund des Aufbaus der Membran können diese Ventile jedoch nach wie vor ein unerwünschtes Kräfteungleichgewicht in bestimmten Situationen aufweisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung werden die oben stehenden Nachteile und weitere von Konstruktionen und Verfahren nach dem Stand der Technik berücksichtigt und gelöst. Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Fluidventil zu schaffen.
Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Bremsventilbaugruppe zu schaffen, die sich insbesondere für den Einsatz bei Eisenbahnfahrzeugen eignet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Bremsventilbaugruppe zu schaffen, bei der eine Steuerzufuhr überflüssig wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Bremsventilbaugruppe zu schaffen, mit der eine relative kurze Ansprechzeit erreicht wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Bremsventilbaugruppe zu schaffen, mit der im Wesentlichen Gleichgewicht während ihrer gesamten Funktion erreicht wird.
Einige dieser Aufgaben werden mit einer verbesserten Bremsventilbaugruppe gelöst, die sich in vielen Ausführungen für den Einsatz an einem Eisenbahnfahrzeug eignet, wie dies in den Ansprüchen dargestellt ist. Die Ventilbaugruppe enthält ein Ventilgehäuse, das eine Zuführöffnung, eine Speiseöffnung, eine Austrittsöffnung und eine Verbindungsleitung aufweist. Die Verbindungsleitung stellt Fluidverbindung zwischen einer ersten und einer zweiten Ventilvorrichtung in dem Ventilgehäuse her. Die Ventilvorrichtungen können mit entsprechenden elektrischen Solenoiden gesteuert werden, um mehrere Zustände der Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung, der Speiseöffnung und der Austrittsöffnung herzustellen.
Zu den mehreren Zuständen der Fluidverbindung gehört vorzugsweise ein Fluid- Speisezustand, in dem ein erster Fluidstromweg zwischen der Zuführöffnung und der Speiseöffnung hergestellt wird. Ein Fluidaustrittszustand wird ebenfalls vorzugsweise hergestellt, wobei darin ein zweiter Fluidstromweg zwischen der Speiseöffnung und der Austrittsöffnung hergestellt wird. Es kann ein Überlappungszustand hergestellt werden, in dem Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung, der Speiseöffnung und der Austrittsöffnung gesperrt wird.
Jede der inneren Ventilvorrichtungen enthält ein Ventilelement, das sich direkt in Eingriff mit einem dazugehörigen Ventilsitz und aus diesem herausbewegt, wenn das entsprechende Solenoid betätigt wird. Um innere Fluidkräfte auszugleichen, enthält jede der Ventilvorrichtungen des Weiteren wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe. Bei einer beispielhaften Ausführung kann die erste Ventilvorrichtung mit einer einzelnen Ausgleichsbaugruppe versehen sein, wobei die zweite Ventilvorrichtung ein Paar einander entgegengesetzt gerichteter Ausgleichsbaugruppen aufweist.
Jede der Ausgleichsbaugruppen ist funktionell in Fluidgegenstrom mit dem Ventilelement verbunden, wenn Eingriff mit dem Ventilsitz besteht. So erzeugt die Ausgleichsbaugruppe eine Fluidkraft entgegengesetzt zu der, die auf das in Eingriff befindliche Ventilelement ausgeübt wird. Vorteilhafterweise bleibt die wirksame Fläche einer entsprechenden Ausgleichsbaugruppe ebenfalls vorzugsweise über den gesamten vorgegebenen axialen Bereich, über den sich das Ventilelement bewegt, gleich der des dazugehörigen Ventilsitzes.
Bei beispielhaften Ausführungen umfasst jede Ausgleichsbaugruppe eine flexible rollende Membran, die an ein Membran-Folgeglied angrenzend angeordnet ist. Das Membran-Folgeglied kann mit einem zylindrischen Schalenabschnitt versehen sein, der sich integral in einen Flansch-Randabschnitt vor dem Ventilsitz erstreckt.
Bei Mehrfachzustand-Ausführungen kann die erste Ventilvorrichtung ein Paar Ventilsitze enthalten, die jeweils mit der Zuführöffnung und der Austrittsöffnung verbunden sind. Ein einzelnes Ventilelement kann in diesen Ausführungen vorhanden sein und sich zwischen dem Paar Ventilsitze hin- und herbewegen. Die zweite Ventilvorrichtung kann einen einzelnen Ventilsitz enthalten, der mit der Speiseöffnung verbunden ist.
Weitere Aufgaben der Erfindung werden mit einer Ventilbaugruppe zum wahlweisen Regulieren des Stroms eines Fluidmediums erfüllt. Die Ventilbaugruppe enthält ein Ventilgehäuse, das eine erste Fluidöffnung, eine zweite Fluidöffnung und einen ersten Fluidstromweg dazwischen aufweist. Eine Solenoidvorrichtung, die ein axial bewegliches Ankerelement enthält, ist ebenfalls vorhanden, um Verbindung zu einer Quelle elektrischer Energie herzustellen. Ein Ventilschaft ist funktionell mit dem Ankerelement der Solenoidvorrichtung verbunden und bewegt sich direkt axial damit.
Die Ventilbaugruppe enthält des Weiteren einen ersten Ventilsitz, der auf dem ersten Fluidstromweg angeordnet ist. Ein Ventilelement ist an dem Ventilschaft angebracht und bewegt sich in und aus Eingriff mit dem ersten Ventilsitz. Wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe mit einer wirksamen Fläche, die im Wesentlichen äquivalent zu einer vorgegebenen wirksamen Fläche des ersten Ventilsitzes ist, ist ebenfalls vorhanden. Die Ausgleichsbaugruppe ist so aufgebaut, dass ihre wirksame Fläche im Wesentlichen über den gesamten axialen Bereich, über den sich der Ventilsitz funktionell bewegt, konstant ist.
Bei einigen beispielhaften Ausführungen umfasst die Ventilbaugruppe des Weiteren eine Feder, die funktionell mit dem Ventilschaft verbunden ist. Die Feder drückt den Ventilschaft in einer axialen Richtung entgegengesetzt zu der, die durch die Betätigung des Solenoids erzeugt wird. Ein ringförmiges Führungselement kann ebenfalls an dem Ventilschaft angebracht sein, um Instabilität in Querrichtung während des Einsatzes zu vermeiden.
Das Ventilgehäuse kann des Weiteren so aufgebaut sein, dass es weiterhin eine dritte Fluidöffnung aufweist. Bei derartigen Ausführungen kann sich ein zweiter Ventilsitz auf einem zweiten Fluidstromweg zwischen der dritten Fluidöffnung und der zweiten FluidÖffnung befinden. Der zweite Ventilsitz ist vorzugsweise dem ersten Ventilsitz axial gegenüberliegend angeordnet, so dass sich das Ventilelement dazwischen hin- und herbewegt. Weitere Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden mit verschiedenen Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Elemente geschaffen, die im Folgenden ausführlicher erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine vollständige und informierende Offenbarung der vorliegenden Erfindung einschließlich der besten Ausführungsform derselben für den Fachmann wird im Rest der Patentbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, die die Grundbestandteile eines fluidbetätigten Bremssystems zeigt, wie es an einem Eisenbahnfahrzeug installiert werden kann;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht einer verbesserten Bremsventilbaugruppe ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht des Ventilschaftes und dazugehöriger Bauteile ist, die in dem linken Ventil in Fig. 2 dargestellt ist;
Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht des in Fig. 2 gekennzeichneten Bereiches ist; und
Fig. 5 eine vergrößerte Teilschnittansicht des in Fig. 2 gekennzeichneten Bereiches ist.
Der wiederholte Gebrauch von Bezugszeichen in der vorliegenden Patentbeschreibung und den Zeichnungen dient der Darstellung gleicher oder analoger Merkmale bzw. Elemente der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungen

Der Fachmann weiß, dass die folgende Erläuterung lediglich eine Beschreibung beispielhafter Ausführungen ist und nicht dazu dient, die allgemeineren Aspekte der vorliegenden Erfindung einzuschränken, wobei diese allgemeineren Aspekte in den beispielhaften Konstruktionen ausgeführt sind. Die Erfindung wird beispielsweise der Übersichtlichkeit und der Einfachheit der Erläuterung halber unter Bezugnahme auf ein Eisenbahnfahrzeug beschrieben. Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Erfindung nicht nur auf den Einsatz bei Eisenbahnsystemen beschränkt ist.
Fig. 1 zeigt die wichtigsten funktionellen Bestandteile eines typischen Luftbremssystems, das häufig an Eisenbahnfahrzeugen eingesetzt wird, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Das System enthält einen Luftbehälter 10, in dem ein Vorrat an Druckluft für den Gebrauch gespeichert wird. Ein oder mehrere Bremszylinder, wie beispielsweise Bremszylinder 12, sind ebenfalls vorhanden und jeweils mit einer entsprechenden Fahrzeugbremse verbunden. Jeder der Bremszylinder betätigt die entsprechende Bremse, wenn ihm Druckluft zugeführt wird. Umgekehrt wird die Bremse gelöst, wenn Luft aus dem dazugehörigen Bremszylinder abgelassen wird.
Ein Bremsventil 14 ist vorhanden, um den Strom von Luft in dem Bremssystem zu steuern. Fluidverbindung zwischen Behälter 10 und Ventil 14 wird durch eine geeignete Leitung 16 hergestellt. Desgleichen wird Fluidverbindung zwischen Ventil 14 und Bremszylinder 12 durch eine Leitung 18 hergestellt. Ein Ablassrohr, das mit 20 gekennzeichnet ist, ist ebenfalls mit Ventil 14 verbunden.
Wie bei vielen Ventilen nach dem Stand der Technik ermöglicht Bremsventil 14 Funktion in drei Zuständen: (1.) Speisen; (2.) Überlappen; und (3.) Ablassen. Im Speisezustand wird Luft aus Behälter 10 über Ventil 14 Bremszylinder 12 zugeführt. Dadurch steigt die Bremskraft stetig an, bis ihr maximaler Pegel erreicht ist. Im Ablasszustand wird die Ventilbremse schnell gelöst, indem die Druckluft in Bremszylinder 12 über Austrittsrohr 20 an die Umgebung abgelassen wird. Im Überlappungszustand enthält Ventil 14 die Druckluft, die bereits in Bremszylinder 12 vorhanden ist. Dadurch wird die Bremse weder gelöst noch weiter angezogen, sondern in ihrem gegenwärtigen Zustand gehalten.
Eine bevorzugte Konstruktion eines Bremsventils 14 kann unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben werden. Ventil 14 enthält, wie zu sehen ist, einen Gehäuseblock 22, der verschiedene Fluidöffnungen aufweist. Eine Bodenplatte 24 ist mit Gehäuseblock 22 verbunden, um die Montage der inneren Ventilbauteile zu erleichtern. Eine Abdeckung 26 kann ebenfalls vorhanden sein, um den oberen Abschnitt von Ventil 14 in Funktion einzuschließen.
Ventil 14 enthält zwei innere Ventile, die durch entsprechende Solenoide 28 und 30 gesteuert werden. Zu Erläuterungszwecken werden die beiden inneren Ventile hier als, in der Ansicht in Fig. 2 gesehen, das "linke Ventil" und das "rechte Ventil" bezeichnet. In diesem Fall enthält das linke Ventil ein Ventilelement 32, das axial in und aus Eingriff mit Ventilsitz 34 bewegt werden kann. Das rechte Ventil enthält ein Ventilelement 36, das axial in und aus Eingriff miteinander gegenüberliegenden Ventilsitzen 38 und 40 bewegt werden kann. Aus Gründen, die aus der folgenden Erläuterung ersichtlich werden, haben die Ventilsitze 38 und 40 vorzugsweise ungefähr den gleichen Durchmesser und daher äquivalente wirksame Flächen.
Gehäuse 14 weist, wie wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 1 ersichtlich ist, eine Zuführöffnung 42 auf. In Funktion ist Zuführöffnung 42 mit Leitung 16 verbunden, so dass Fluidverbindung zu Behälter 10 besteht. Eine Speiseöffnung 44 ist desgleichen mit Leitung 18 verbunden, um Fluidverbindung mit Bremszylinder 12 herzustellen. Eine Austrittsöffnung 46 ist desgleichen mit Austrittsrohr 20 verbunden. Fluidverbindung zwischen dem linken und dem rechten Ventil wird durch eine Verbindungsleitung 48 hergestellt, die daher selbst als Öffnung für die entsprechenden innere Ventile betrachtet werden kann.
Es ist zu sehen, dass Gehäuse 22 zwei Fluidstromwege durch seinen Innenraum hindurch aufweist. Der erste dieser Stromwege erstreckt sich von Zuführöffnung 42 über Verbindungsleitung 48 zu Speiseöffnung 44. Der zweite dieser Fluidstromwege erstreckt sich von Speiseöffnung 44 zurück über Verbindungsleitung 48 zu Austrittsöffnung 46. Die Kombination dieser Fluidstromwege und der Aufbau des linken und des rechten Ventils ermöglicht die mehrfachen Zustände der Fluidübertragung, die oben beschrieben sind.
So wird der Speisezustand beispielsweise erreicht, wenn sich die Ventilelemente 32 und 36 in ihren jeweiligen "Ruhe"-Positionen befinden, wie dies Fig. 2 dargestellt ist. Druckluft, die über Zuführöffnung 42 eintritt, wird über den ersten Fluidstromweg direkt zu Speiseöffnung 44 geleitet. Der dargestellte Aufbau bewirkt damit Anziehen der Bremse beim Nichtvorhandensein eines Betätigungssignals an den Solenoiden 28 und 30, wie dies häufig gewünscht ist.
Der Ablasszustand wird bei der dargestellten Konstruktion durch die Betätigung von Solenoid 30 hergestellt. Das heißt, Betätigung von Solenoid 30 bewirkt, dass Ventilelement 36 mit Ventilsitz 38 in Eingriff kommt. Dadurch bewegt sich Ventilelement 36 aus seinem "Ruhe"-Eingriff mit Ventilsitz 40. Das bewirkt, dass Druckluft in dem Bremszylinder über den zweiten Fluidstromweg von Speiseöffnung 44 zur Austrittsöffnung 46 geleitet wird.
Der Überlappungszustand wird durch Betätigung von Solenoid 28 erreicht. Das heißt, Betätigung von Solenoid 28 bewirkt, dass sich Ventilelement 32 aus seiner "Ruhe"- Position in Eingriff mit Ventilsitz 34 bewegt. Wenn Ventilelement 32 auf diese Weise in Eingriff gebracht wird, wird bereits in dem Bremszylinder vorhandene Druckluft eingeschlossen. So bleibt die durch die dazugehörige Bremse ausgeübte Bremskraft im Wesentlichen konstant.
Im Folgenden wird die Konstruktion der inneren Ventile auch unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 5 im Einzelnen erläutert. Jedes der Ventilelement 32 und 36 ist in diesem Fall als eine Scheibe aufgebaut, um die herum ein Elastomerring angebracht ist, der mit dem dazugehörigen Ventilsitz in Eingriff kommt und eine wirkungsvolle Abdichtung damit erzeugt. So weist das Ventilelement 32 einen einzelnen Elastomerring 50 auf, der an seiner Unterseite angebracht ist und mit Ventilsitz 34 in Eingriff kommt. Desgleichen weist Ventilelement 36 zwei Elastomerringe 52 und 54 auf, die an seinen entsprechenden Seiten angebracht sind und mit den Ventilsitzen 38 und 40 in Eingriff kommen.
Die Ventilelemente 32 und 36 selbst sind, wie zu sehen ist, an entsprechenden Ventilschaffen 56 und 58 angebracht. Die Solenoide 28 und 30 bewegen die Ventilschafte 56 und 58 axial nach unten (im Bezugsrahmen von Fig. 2), während die Federn 60 und 62 die Ventilschafte 56 und 58 axial nach oben drücken. Bei der dargestellten Ausführung werden die Federn 60 und 62 so ausgewählt, dass sie ausreichend Federkraft erzeugen, um die entsprechenden Ventilelemente 32 und 40 in ihre "Ruhe"-Positionen zurückzuführen, wenn die Solenoide 28 und 30 entaktiviert werden. Feder 62 sollte ebenfalls ausreichend Federkraft erzeugen, um eine wirkungsvolle Abdichtung zwischen Elastomerring 54 und Ventilsitz 40 zu bewirken.
Solenoid 28 enthält einen stationären Spulenabschnitt 64, einen beweglichen Anker 66 und ein stationäres Polstück 68. Ein Drückbolzen 70, der sich durch Polstück 68 hindurcherstreckt, ist an Anker 66 angebracht. Drückbolzen 70 ist, wie dargestellt, mit einem Schaftkopf 72 in Kontakt, der sich an einem Ende von Ventilschaft 56 befindet. Daher bewirkt ein elektrischer Strom, der an Spulenabschnitt 64 angelegt wird, dass Anker 66 von Polstück 68 angezogen wird, wodurch Drückbolzen 70 Ventilschaft 56 axial bewegt.
Desgleichen enthält Solenoid 30 einen stationären Spulenabschnitt 74, einen beweglichen Anker 76 und ein stationäres Polstück 78. Ein Drückbolzen 80 ist in diesem Fall vorhanden, um mit einem Schaftkopf 82 in Kontakt zu kommen, der sich an einem Ende von Ventilschaft 58 befindet.
Der Fluiddruck in Ventil 14 übersteigt, wie oben erläutert, häufig die axiale Kraft erheblich, die problemlos von einem typischen Solenoid oder einer Rückstellfeder erzeugt werden kann. Bei einer nicht im Gleichgewicht befindlichen Ventilkonstruktion wirkt ein erheblicher Teil dieser Fluidkraft der axialen Bewegung des Ventilschaftes entgegen. So kann die Fluidkraft auf das Ventilelement beispielsweise in einer Richtung entgegengesetzt zu der wirken, die auftritt, wenn das Solenoid aktiviert wird, oder entgegengesetzt zu der Richtung der Rückstellfeder. Das Solenoid oder die Feder ist, wenn sie nicht sehr groß ausgeführt sind, möglicherweise nicht in der Lage, ausreichende axiale Kraft zu erzeugen, um diese Fluidkraft zu überwinden.
Um die Auswirkungen der Fluidkraft aufzuheben, enthalten das linke und das rechte innere Ventil von Ventil 14 jeweils eine Ausgleichsbaugruppe. Vorzugsweise ist eine Ausgleichsbaugruppe für jeden Ventileinlass vorhanden, der zu bestimmten Zeitpunkten während seiner Funktion einen Druck über dem atmosphärischen Druck zuführt. So hat das linke Ventil zwei Ausgleichsbaugruppen, da Druckluft sowohl von der Zuführöffnung 42 (über Verbindungsleitung 48) als auch von Speiseöffnung 44 ausgeglichen werden muss. Das rechte Ventil hingegen kann eine einzelne Ausgleichsbaugruppe haben, die Druckluft von der Zuführöffnung 42 ausgleicht. Austrittsöffnung 46 benötigt möglicherweise keine Ausgleichsbaugruppe, wenn der Austritt zur Atmosphäre hin vorhanden ist.
Bei gegenwärtig bevorzugten Ausführungen erzeugen die Ausgleichsbaugruppen eine im Wesentlichen konstante Ausgleichskraft während des Auf-und-Ab-Hubes des dazugehörigen Ventilelementes. Das heißt, die Ausgleichsbaugruppe erzeugt eine bestimmte Ausgleichskraft nicht nur an den Endpunkten des Hubes, d. h. in vollständig geschlossenem oder vollständig geöffnetem Zustand, sondern an axialen Positionen dazwischen. Dadurch wird Ventil 14 leichter mit geringerer Solenoid- oder Federkraft gesteuert, als dies ansonsten erforderlich wäre.
Zu diesem Zweck ist jede der Ausgleichsbaugruppen vorzugsweise so aufgebaut, dass sie eine flexible Rollenmembran aufweist, die von einem komplementären Membran- Folgeglied getragen wird. Eine dünne Membran wird besonders bevorzugt, da sie zu relativ geringerer Reibung beiträgt, die das Solenoid und die Feder überwinden müssen. Eine Membran mit einer Dicke von nicht mehr als ungefähr 0,508-0,762 mm (20-30 mil) ist für diesen Zweck im Allgemeinen geeignet.
Die Ausgleichsbaugruppe, die an Schaftkopf 72 angrenzend angeordnet ist, enthält, wie in Fig. 4 dargestellt, Membran 84 und Membran-Folgeglied 86. Folgeglied 86 ist so aufgebaut, dass es einen schalenförmigen unteren Abschnitt 88 aufweist, der sich integral in einen oberen Flansch-Randabschnitt 90 erstreckt. Es ist zu sehen, dass sich Membran 84 weitgehend an die Außenabmessungen von Folgeglied 86 anpasst.
In Funktion behält Membran 84 eine im Wesentlichen konstante wirksame Fläche bei, wenn Folgeglied 86 axial mit Ventilschaft 56 bewegt wird. (Die wirksame Fläche der Membran wird als der Durchmesser an der Position definiert, an der sie umgeschlagen ist, in diesem Fall direkt unter dem Randabschnitt 90 von Folgeglied 86.) Um die auf Ventilelement 32 beim Eingriff mit Ventilsitz 34 wirkende Fluidkraft im Wesentlichen auszugleichen, entspricht die wirksame Fläche vorzugsweise im Wesentlichen der wirksamen Fläche von Ventilsitz 34 (die anhand ihres wirksamen Durchmessers D bestimmt werden kann).
Da die wirksame Fläche von Membran 84 im Wesentlichen konstant bleibt, wenn sie axial mit Ventilschaft 56 (aufgrund von Folgeglied 90) bewegt wird, bleibt auch die axiale Kraft, die durch das Fluid auf Membran 84 ausgeübt wird, im Wesentlichen konstant (mit der Ausnahme, dass der Fluiddruck selbst variieren kann). So trägt Membran 84 zu einer gesteuerten, nach oben gerichteten Ausgleichskraft während des Auf- und Ab- Hubes von Ventilschaft 56 bei. Dies stellt einen Unterschied zu vielen Ventilkonstruktionen nach dem Stand der Technik dar, bei denen sich die wirksame Fläche der Membran ändern kann, wenn sich der Ventilschaft bewegt. Diese Veränderung der wirksamen Fläche kann eine damit einhergehende Veränderung der Kraftkomponente bewirken, die durch die Membran beigesteuert wird. Es liegt auf der Hand, dass eine derartig sich ändernde Kraft zu unerwünschten Funktionszuständen in dem Ventil führen kann.
Die anderen Ausgleichsbaugruppen von Ventil 14 wirken auf ähnliche Weise. Fig. 5 zeigt dabei die untere Ausgleichsbaugruppe des linken Ventils, die eine Membran 92 und ein Folgeglied 94 enthält. Aufgrund des Aufbaus von Folgeglied 94 bleibt die wirksame Fläche von Membran 92 während des Hubs von Ventilschaft 56 im Wesentlichen konstant. Dadurch wird eine gesteuerte, nach unten gerichtete Ausgleichskraft erzeugt, wenn sich Ventilelement 32 axial mit Ventilschaft 56 bewegt. Wie bei der oberen Ausgleichsbaugruppe entspricht die wirksame Fläche der unteren Ausgleichsbaugruppe ebenfalls vorzugsweise ungefähr der von Ventilsitz 34.
Die einzelne Ausgleichsbaugruppe des rechten Ventils enthält, wie in Fig. 2 dargestellt, gleichfalls Membran 96 und Folgeglied 98. Folgeglied 98 gewährleistet, dass die wirksame Fläche von Membran 96 im Wesentlichen konstant bleibt, wenn Ventilschaft 58 bewegt wird. So erzeugt auch diese Ausgleichsbaugruppe eine gesteuerte Ausgleichskraft während des gesamten Auf-und-Ab-Hubes von Ventilelement 36. In diesem Fall entspricht die wirksame Fläche vorzugsweise annähernd der von Ventilsitz 38 (und Ventilsitz 40).
Die Funktion des linken und des rechten Ventils, die durch die verschiedenen Ausgleichsbaugruppen unterstützt wird, wird im Folgenden beschrieben. Wenn sich Ventilelement 32 und Ventilelement 36 in ihren entsprechenden "Ruhe"-Positionen befinden, strömt Druckluft über Zuführöffnung 42 zu Speiseöffnung 44, wie dies oben beschrieben ist. Diese Fluidkraft übt eine bestimmte axiale Kraft auf Membran 84 nach oben in axialer Richtung aus. Jedoch wird eine äquivalente Fluidkraft auch auf Membran 92 in der entgegengesetzten axialen Richtung nach unten ausgeübt. Daher gleichen Membran 84 und Membran 92 einander aus, wie dies gewünscht wird.
Die Druckluft aus Zuführöffnung 42 übt ebenfalls eine nach unten gerichtete axiale Kraft auf Membran 96 aus. Des Weiteren wird eine nach oben gerichtete axiale Kraft auf Ventilelement 36 ausgeübt, wie sie durch die wirksame Fläche von Ventilsitz 34 definiert wird. Da die Membran 96 und Ventilsitz 40 jedoch die gleiche wirksame Fläche haben, werden die Fluidkräfte im Wesentlichen aufgehoben.
Es wird nunmehr davon ausgegangen, dass Ventil 14 in den Überlappungszustand übergehen soll. In diesem Fall bewegt sich Ventilelement 32 aus seiner "Ruhe"-Position in Eingriff mit Ventilsitz 34, wie dies oben beschrieben ist. Da die wirksamen Flächen von Membran 84 und Membran 92 während der axialen Bewegung von Ventilschaft 56 gleich bleiben, bleiben auch die Fluidkräfte, die ansonsten axialer Bewegung von Ventilschaft 56 entgegenwirken würden, im Wesentlichen ausgeglichen. Dieses Gleichgewicht bleibt im Wesentlichen während des gesamten Hubes aufrechterhalten, den Ventilelement 32 axial durchläuft.
Wenn Ventilelement 32 mit Ventilsitz 34 in Eingriff kommt, wird eine Fluidkraft darauf ausgeübt, die proportional zu einer Druckdifferenz zwischen Zuführöffnung 42 und Speiseöffnung 44 sowie zur wirksamen Fläche von Ventilsitz 34 ist. Da Membran 84 die gleiche wirksame Fläche hat wie Ventilsitz 34 wirkt Membran 84 der auf Ventilelement 32 durch unter Druck stehendes Fluid, das über Speicheröffnung 44 wieder eintritt, erzeugten Fluidkraft entgegen. Desgleichen gleicht Membran 92 die auf Ventilelement 32 durch über Zuführöffnung 42 eintretendes Fluid ausgeübte Kraft aus.
Es wird nunmehr davon ausgegangen, dass Ventil 14 in den Ablasszustand eingetreten ist. In diesem Fall befindet sich Ventilelement 32 in seiner "Ruhe"-Position, in der die Membranen 84 und 92 einander wie oben beschrieben im Gleichgewicht halten. Des Weiteren bewegt sich jedoch Ventilelement 36 aus seiner "Ruhe"-Position an Ventilsitz 40 in Eingriff mit Ventilsitz 38. Dadurch übt unter Druck stehendes Fluid, das über Zuführöffnung 42 eintritt, gleiche und einander entgegengesetzte Kräfte auf Membran 96 und die Unterseite von Ventilelement 36 aus. Auch hier wird die Fluidkraft, wie gewünscht, im Wesentlichen ausgeglichen.
Die dargestellte Konstruktion enthält, wie wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 2 zu sehen ist, des Weiteren ein zylindrisches Führungselement 100, das an Ventilschaft 56 angebracht ist. Führungselement 100 weist einen Außendurchmesser auf, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Innenbohrung, durch die sich Ventilschaft 56 hindurch erstreckt. Dadurch stabilisiert Führungselement 100 Ventilschaft 56 während seiner axialen Bewegungen in Querrichtung. Ein gleichartiges Führungselement 102 ist an Ventilschaft 58 angebracht.
Zur weiteren Beschreibung des Aufbaus von Ventil 14 wird nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen. Das heißt, Fig. 3 stellt dar, wie die verschiedenen Bauteile bei der dargestellten Ausführung an Ventilschaft 56 angebracht werden können. Obwohl in dieser Zeichnung nur Ventilschaft 56 dargestellt ist, liegt auf der Hand, dass Ventilschaft 58 auf ähnliche Weise zusammengebaut werden kann.
Das erste Bauteil, das an Ventilschaft 56 angebracht wird, ist, wie dargestellt, Folgeglied 86. Dann wird Membran 84 an Ventilschaft 56 angebracht, worauf eine Stützscheibe 104 folgt. Ventilelement 32 und Haltebuchse 106 werden als nächstes installiert.
Führungselement 100 wird durch einen Sicherungsring 108 in Position gehalten. Sicherungsring 108 selbst wird in einer Nut 110 gehalten, die an der entsprechenden Position um Ventilschaft 58 herum ausgebildet ist. Nachdem Führungselement 100 installiert worden ist, werden Membran 92 und Folgeglied 94 auf Ventilschaft 56 angeordnet. Schließlich wird eine Haltemutter 112 an einem Gewindeabschnitt 114 am Ende von Ventilschaft 56 befestigt.
Es ist zu sehen, dass die vorliegende Erfindung eine Ventilbaugruppe schafft, die die verschiedenen Nachteile des Standes der Technik überwindet. Aufgrund des ausgeprägten Gleichgewichtes, das im Ventilinneren hergestellt wird, können die axialen Kräfte, die sowohl durch das Solenoid als auch die Rückstellfeder erzeugt werden, sehr klein sein. Die Kraft der Rückstellfeder kann auf den geringen Betrag der Membranreibung sowie die Kraftkomponente beschränkt werden, die erforderlich ist, um festen Eingriff zwischen dem Ventilelement und seinem dazugehörigen Ventilsitz zu erreichen. Das Solenoid sollte so dimensioniert sein, dass diese Kraftkomponenten und ausreichende Kraft zum Überwinden der Rückstellfeder erzeugt werden.
Es sollte des Weiteren klar verständlich sein, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung nicht auf Ventile mit mehreren inneren Ventilen beschränkt sind, sondern verschiedene Einzelventilkonstruktionen einschließen. Obwohl bevorzugte Ausführungen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, können Abwandlungen und Veränderungen daher vom Fachmann daran vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er im Einzelnen in den beigefügten Ansprüchen dargestellt ist. Des Weiteren können verschiedene Ausführungen der Erfindung ganz oder teilweise gegeneinander ausgetauscht werden. Weiterhin liegt für den Fachmann auf der Hand, dass die obenstehende Beschreibung nur beispielhaft ist und die Erfindung nicht einschränken soll, die weitergehend in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist.

Claims

1. Bremsventilbaugruppe, die umfasst:

ein Ventilgehäuse, das eine Zuführöffnung (42), eine Speiseöffnung (44), eine Austrittsöffnung (46) und eine Verbindungsleitung (48) aufweist;

eine erste und eine zweite Ventilvorrichtung, die entsprechende Solenoide (28, 30) zur Steuerung derselben aufweisen, wobei die Ventilvorrichtungen über die Verbindungsleitung (48) miteinander in Fluidverbindung stehen und entsprechende Ventilelemente (32, 36) aufweisen, die axial in und aus Eingriff mit dazugehörigen Ventilsitzen (34, 38, 40) bewegt werden können;

wobei die Ventilvorrichtungen des Weiteren so ausgeführt sind, dass Steuerung derselben durch wahlweises Betätigen der entsprechenden Solenoide (28, 30) mehrfache Zustände der Fluidverbindung zwischen der Zuführöffnung (42), der Speiseöffnung (44) und der Austrittsöffnung (46) herstellt; und

jede der Ventilvorrichtungen so aufgebaut ist, dass das entsprechende Ventilelement (32, 36) derselben bei Betätigung des entsprechenden Solenoids (28, 30) direkt axial bewegt werden kann;

wobei jede der Ventilvorrichtungen wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe aufweist, die eine flexible rollende Membran (84, 92, 96) enthält, die an ein Membran- Folgeglied (86, 94, 98) angrenzend angeordnet und funktionell mit dem entsprechenden Ventilelement (32, 36) verbunden ist und sich in Fluid-Gegenstrom dazu befindet, wenn es mit dem dazugehörigen Ventilsitz (34, 38, 40) in Eingriff kommt, um eine über eine der Öffnungen (42, 44, 46) darauf ausgeübte Fluidkraft auszugleichen, wobei die wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe eine wirksame Fläche hat, die im Wesentlichen einer wirksamen Fläche entspricht, die durch den dazugehörigen Ventilsitz (34, 38, 40) gebildet wird.

2. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die mehrfachen Zustände der Fluidverbindung umfassen:

einen Fluid-Speisezustand, in dem ein erster Fluidstromweg zwischen der Zuführ- öffnung (42) und der Speiseöffnung (44) gebildet wird;

einen Fluid-Austrittszustand, in dem ein zweiter Fluidstromweg zwischen der Speiseöffnung (44) und der Austrittsöffnung (46) gebildet wird; und

einen Überlappungszustand, in dem Fluidverbindung in die Speiseöffnung (44) hinein und aus ihr heraus unterbrochen ist.

3. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 2, wobei die erste Ventilvorrichtung ein Paar Ventilsitze (38, 40) aufweist, die mit der Zuführöffnung (42) bzw. der Austrittsöffnung (46) verbunden sind.

4. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 3, wobei das entsprechende Ventilelement der ersten Ventilvorrichtung ein einzelnes Ventilelement (36) aufweist, das zwischen dem Paar Ventilsitze (38, 40) hin und her bewegt werden kann.

5. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 3, wobei die zweite Ventilvorrichtung einen einzelnen Ventilsitz (34) aufweist, der mit der Speiseöffnung (44) verbunden ist.

6. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die wirksame Fläche der Ausgleichsbaugruppe über einen gesamten vorgegebenen axialen Bereich, in dem sich das entsprechende Ventilelement (32, 36) in Funktion bewegt, im Wesentlichen konstant bleibt.

7. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Membran-Folgeglied (86, 94, 98) einen zylindrischen Schalenabschnitt aufweist, der sich integral in einen Flansch-Randabschnitt vor dem Ventilsitz (34, 38, 40) erstreckt.

8. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe der ersten Ventilvorrichtung eine einzelne Ausgleichsbaugruppe aufweist und die wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe der zweiten Ventilvorrichtung des Weiteren durch ein Paar entgegengesetzt gerichteter Ausgleichsbaugruppen gekennzeichnet ist.

9. Bremsventilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die flexible rollende Membran (84, 92, 96) eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 0,76 mm hat.

10. Ventilbaugruppe zum wahlweisen Regulieren des Stroms eines Fluidmediums, wobei die Ventilbaugruppe umfasst:

ein Ventilgehäuse, das eine erste Fluidöffnung (42), eine zweite Fluidöffnung (44) und einen ersten Fluidstromweg (48) dazwischen aufweist;

eine Solenoidvorrichtung, die mit einer Quelle elektrischer Energie verbunden werden kann, wobei die Solenoidvorrichtung (28, 30) ein axial bewegliches Ankerelement (66, 76) enthält;

einen Ventilschaft (56, 58), der funktionell mit dem Ankerelement (66, 76) der Solenoidvorrichtung (28, 30) verbunden ist und sich damit direkt axial in wenigstens einer ersten axialen Richtung in einem vorgegebenen axialen Bereich bewegt;

einen ersten Ventilsitz (34, 38), der auf dem ersten Fluidstromweg angeordnet ist, wobei der erste Ventilsitz (34, 38) eine vorgegebene wirksame Fläche aufweist;

und

ein Ventilelement (32, 36), das an dem Ventilschaft (56, 58) angebracht ist und sich in und aus Eingriff mit dem ersten Ventilsitz (34, 38) bewegt;

wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe, die eine flexible Membran (84, 92, 96) enthält, die an ein Membran-Folgeglied (86, 94, 98) angrenzend angeordnet und funktionell mit dem Ventilschaft (56, 58) verbunden ist, so dass sie sich in Fluid- Gegenstrom zu dem Ventilelement (32, 36) befindet, wenn es mit dem Ventilsitz (34, 38, 40) in Eingriff kommt, wobei die Ausgleichsbaugruppe eine wirksame Fläche hat, die im Wesentlichen über den gesamten vorgegebenen axialen Bereich äquivalent zu der vorgegebenen wirksamen Fläche des ersten Ventilsitzes (34, 38) ist.

11. Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, wobei die flexible Membran (84, 92, 96) eine rollende Membran ist.

12. Ventilbaugruppe nach Anspruch 11, wobei das Membran-Folgeglied (86, 94, 98) einen zylindrischen Schalenabschnitt hat, der sich integral in einen Flansch- Randabschnitt vor dem Ventilsitz (34, 38) erstreckt.

13. Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, die eine Feder (60,62) aufweist, die funktionell mit dem Ventilschaft (56, 58) verbunden ist und den Ventilschaft (56, 58) in einer zweiten axialen Richtung entgegengesetzt zu der ersten axialen Richtung spannt.

1. 4. Ventilbaugruppe nach Anspruch 13, wobei das Ventilelement (32, 36) mit dem ersten Ventilsitz (34, 38) in Eingriff kommt, wenn es in der ersten axialen Richtung bewegt wird, und von dem ersten Ventilsitz (34, 38) gelöst wird, wenn es in der zweiten axialen Richtung bewegt wird.

15. Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Ausgleichsbaugruppe eine entsprechende erste und zweite Ausgleichsbaugruppe hat, die mit dem Ventilschaft (56) an einander gegenüberliegenden Seiten des Ventilelementes (32) funktionell verbunden ist.

16. Ventilbaugruppe nach Anspruch 15, wobei die erste und die zweite Ausgleichsbaugruppe jeweils eine flexible Membran (84, 92, 96) aufweisen, die an ein Membran-Folgeglied (86, 94, 98) angrenzend angeordnet ist.

17. Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass:

das Ventilgehäuse des Weiteren eine dritte Fluidöffnung (46) aufweist;

sich ein zweiter Ventilsitz (40) auf einem zweiten Fluidstromweg zwischen der dritten Fluidöffnung (46) und der zweiten Fluidöffnung (44) befindet; und

der zweite Ventilsitz (40) dem ersten Ventilsitz (38) axial gegenüber angeordnet ist, so dass sich das Ventilelement (36) dazwischen hin und her bewegt, wobei der vorgegebene axiale Bereich durch einen axialen Abstand zwischen dem ersten Ventilsitz (38) und dem zweiten Ventilsitz (40) bestimmt wird.

18. Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, die ein ringförmiges Führungselement (100,102) aufweist, das an dem Ventilschaft (56, 58) angebracht ist.

19. Ventilbaugruppe nach Anspruch 10, wobei die flexible rollende Membran (84, 92, 96) eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 0,76 mm hat.