WO2015104169A1 - Schnellentlüftungsventilvorrichtung für pneumatische aktuatoren von pneumatischen einrichtungen sowie pneumatische einrichtung mit einer solchen schnellentlüftungsvorrichtung - Google Patents

Schnellentlüftungsventilvorrichtung für pneumatische aktuatoren von pneumatischen einrichtungen sowie pneumatische einrichtung mit einer solchen schnellentlüftungsvorrichtung Download PDF

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WO2015104169A1
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pressure
flow
active surface
diaphragm
pneumatic
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PCT/EP2014/078684
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Jan Grebe
Thomas Bemetz
Kai Werner
Dirk Brenner
Zsigmond Csoma
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Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T15/00—Construction arrangement, or operation of valves incorporated in power brake systems and not covered by groups B60T11/00 or B60T13/00
    • B60T15/02—Application and release valves
    • B60T15/36—Other control devices or valves characterised by definite functions
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    • F15B15/202—Externally-operated valves mounted in or on the actuator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2215/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another

Definitions

  • the invention is based on a quick exhaust valve device for pneumatic actuators of pneumatic devices according to claim 1 and of a pneumatic device including at least one such quick exhaust valve device according to claim 10.
  • air suspension devices or pneumatic clutch and / or transmission devices also include actuators, e.g. Air bellows, which must be ventilated and vented within a short time or with a certain gradient.
  • actuators e.g. Air bellows
  • ABS, ASR or ESP are on board, high demands are placed on the dynamics of pneumatic brake cylinders.
  • the pneumatic brake pressure in the brake cylinders is usually controlled by a relay valve, which is precontrolled by a control pressure of an electromagnetic inlet / outlet valve combination.
  • the relay valve can provide the required ventilation gradients and ventilation times, in some cases the bleeding requirements may not be met. In this case, a quick exhaust valve device is helpful, which is placed between the working output of the relay valve and the brake cylinder.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a quick exhaust device available, which as fast as possible Venting a pneumatic actuator allows a pneumatic device and it is simple in construction.
  • a quick exhaust device should also be arranged or used in a pneumatic device.
  • the invention is the first time a quick exhaust valve device for pneumatic actuators of pneumatic devices, with
  • a membrane valve disposed in the housing, which comprises at least one membrane acting together with a valve seat, wherein in an open position of the diaphragm valve, in which the membrane is lifted from the valve seat, a pressure sink is connected to the first port and in a closed position of the Diaphragm valve, in which the membrane is sealingly seated on the valve seat, this connection is interrupted, and wherein
  • a second active surface of the membrane which urges the diaphragm valve in the closed position under pressure, is loaded by a prevailing in the reduced flow cross-section at the constriction or throttle second pressure or by a in a second portion of the flow channel between the second port and the constriction or Throttling prevailing first pressure, and the diaphragm is urged by compression spring means in the closed position, wherein
  • the first active surface, the second active surface, the compression spring means and the flow cross sections in the first section, in the second section and at the constriction or throttle point of the flow channel are designed such that
  • the opening forces acting on the first effective surface originating at least from the third pressure, counteract the effect of the second pressure acting on the second effective surface, or from the first pressure as well as from the forces resulting from the compression springs closing forces keep the diaphragm valve in the open position or bring.
  • the second active surface of the membrane is loaded by the second pressure prevailing in the reduced flow cross-section at the constriction or throttling point.
  • the second active surface of the membrane is loaded by the first pressure prevailing between the second connection and the constriction or throttling point.
  • Both variants of the invention make use of the effect that, in the case of a flow through a flow channel, starting from a flow cross section through a contrasting smaller flow cross section at a constriction or throttle point according to the law of continuity at the constriction or throttle point, the flow velocity and thus the dynamic dynamic pressure increase. But the static pressure is reduced. Furthermore, the effect is used that results in the flow through the constriction or throttle point losses of flow energy, which in a
  • first, second and third pressures are essentially static pressures.
  • the expert can, on the basis of his specialist knowledge, determine the first effective area, the second effective area, the compression spring means and the flow cross sections in the first section, in the second section and at the constriction or throttle point. Design and dimension seistelle of the flow channel suitable for the desired effects described above occur.
  • a branch channel branches off from the first section of the flow channel, preferably in the vertical direction, which communicates at least with a part of the first active surface of the membrane.
  • the first effective area of the membrane is at least partially set below the third pressure which prevails between the first connection and the constriction or throttling point 25.
  • a partial flow of the vent flow through the flow channel and another partial stream of the vent flow over the branch channel to the pressure sink is formed accordingly.
  • the venting of the pneumatic actuator takes place on the one hand via the flow channel in the direction of the second port and the pressure source to and on the other hand via the branch channel and the pressure sink.
  • the vent partial flow which is passed through the flow channel and the second port, can then be vented in particular via a vent disposed between the second port and the compressed air source.
  • a relay valve is arranged between the second connection and the pressure source, then the partial ventilation stream conducted via the flow channel can be vented by means of the venting conventionally associated with such a relay valve.
  • the second effective area of the membrane under second pressure according to the first variant or under the first pressure according to the first variant can be set, for example, a limited by the second active surface of the membrane chamber by means of a connecting channel according to the first variant with the constriction or Throttle or according to the second variant with the second portion of the flow channel in connection.
  • the connecting channel can be arranged substantially perpendicular to the second section of the flow channel or to constricting or throttling point in order to control as possible only a static first or second pressure to the second effective surface of the membrane.
  • the membrane is held at its radially outer edge in the housing, for example between two housing halves of the housing, and cooperates via an axially movable radially inner portion with the valve seat.
  • the valve seat is formed as an edge of an orifice of a vent channel connected to the pressure sink in the housing, wherein the vent channel may for example be arranged perpendicular to the flow channel.
  • the vent channel may for example be arranged perpendicular to the flow channel.
  • arbitrary orientations of the venting channel or the central axis of the diaphragm valve with respect to the flow channel or its center axis are possible.
  • the invention also relates to a pneumatic or electro-pneumatic device of a vehicle which includes at least one high-speed ventilation valve device described above.
  • a pneumatic or electro-pneumatic device of a vehicle which includes at least one high-speed ventilation valve device described above.
  • Such a device can be, for example, a pneumatic or electro-pneumatic brake device, an air suspension device or a pneumatically actuated
  • Act 15 clutch and / or transmission device of a vehicle Of course, this list is not exhaustive, as one or more pneumatic actuators of any pneumatic or electro-pneumatic device can be vented by means of the quick-release device according to the invention.
  • the device is particularly preferably a pneumatic or electro-pneumatic brake device, wherein at least one clip-type ventilation device described above is arranged between a working connection of a relay valve and at least one brake cylinder, the first connection being provided with a ventilatable and brake chamber of the brake
  • the quick exhaust device separately, ie formed with its own housing or integrated into the housing of the brake cylinder.
  • the housing of the quick exhaust device can be designed as at least two-part housing, in which case the edge of the membrane of the diaphragm valve can be clamped between the two housing parts.
  • FIG. 1 is a side sectional view of a preferred embodiment of a first variant of the invention
  • FIG. 2 shows the lateral sectional view of Figure 1 with symbolized by arrows ventilation flow and venting flow.
  • FIG 3 is a side sectional view of a preferred embodiment of a second variant of the invention.
  • a preferred embodiment of a first variant of a quick exhaust valve device 1 shown in FIG. 1 is preferably used for rapid venting of a pneumatic brake cylinder (not shown here for reasons of scale) of a pneumatic or electro-pneumatic brake device of a vehicle, in particular of a commercial vehicle.
  • the quick exhaust valve device 1 here preferably forms a separate device with its own housing 2, a connectable with a ventilated and ventable brake chamber of the brake cylinder first port 4 and connected to a working port of a relay valve not shown here second port 6.
  • the relay valve is part of a in electro-pneumatic braking devices well-known pressure control module and is connected via a supply connection to a compressed air source, in particular with a compressed air reservoir and controls depending on the pending at its pneumatic control port, generated by an inlet / outlet valve control pressure working or braking pressure to its working port ,
  • a here preferably cylindrical and straight flow channel 8 is formed between the first port 4 and the second port 6, which is narrowed at a constriction or throttle point 10 by a reduced flow cross-section.
  • the flow channel 8 in a first flow channel section 12 between the first port 4 and the constriction or throttle point 10 and in a second flow channel section 14 between the constriction or throttle point 10 and the second port 6 each have a larger flow cross-section than at the Constriction or throttle point 10.
  • the transition from the respective larger flow cross section of the first flow channel section 12 and the second flow channel section 14 on the contrast smaller flow cross section of the constriction or throttle point 10 is preferably carried out here in a stepped manner. Alternatively, this transition can also be continuous and continuous.
  • a diaphragm valve 16 is arranged, which comprises at least one valve seat 18 with a cooperating membrane 20, wherein in an open position of the diaphragm valve 16, in which the membrane 20 is lifted from the valve seat 18, a pressure sink 22 with the first Terminal 4 is connected and in a closed position of the diaphragm valve 16, in which the membrane 20 is sealingly seated on the valve seat 18, this connection is interrupted, as can be easily imagined with reference to FIG.
  • the example circular-shaped membrane 20 is held at its radially outer edge in the housing 2 and clamped, for example, between two housing halves 2A, 2B of the housing 2.
  • the diaphragm 20 cooperates with the valve seat 18 via an axially movable radially inner portion and has a first active surface 24 and a second active surface 26 facing away from it.
  • the valve seat 18 is formed as an edge of an orifice of a connected to the pressure sink 22, for example, the atmosphere vent passage 28 in the housing 2, wherein the vent passage 28 is arranged for example perpendicular to the flow channel 8.
  • the vent channel 28 is formed for example in the here lower half of the housing 2B, in which also the valve seat 18 and the vent channel 28 are formed, wherein during assembly of the diaphragm valve 16, the membrane is placed on the lower half of the housing 2B under contact of the valve seat and then for fixing the membrane, the upper half of the housing 2A is mounted on the lower half of the housing 2B, with the interposition of the edge of the membrane 20th
  • the third pressure p3 can act on this annular surface 30 of the first active surface 24 of the membrane, branches from the first flow channel section 12 from a puncture channel 32, preferably in an initially vertical direction and then inclined at an acute angle to the vertical with respect to the flow channel 8, which is in communication with an annular chamber 34, which is bounded by the annular surface 30 of the first active surface 24 of the membrane 20.
  • the pressure forces based on the third pressure p3 therefore act against the first active surface 24 in the opening direction of the diaphragm valve 16.
  • this second active surface 26 is loaded by a second pressure p2 prevailing in the reduced flow cross section at the constriction or throttle point 10. So that the second active surface 26 of the membrane 20 can be set below the second pressure p2, for example, one is through the second active surface 26th
  • This connecting channel 40 is preferably arranged perpendicular to the flow channel 8, so that of the prevailing in the constriction or throttling point 10 total pressure (static pressure and dynamic dynamic pressure) substantially only
  • the diaphragm 20 is urged by a compression spring 42 in the closed position, which is supported on the one hand centrally on the diaphragm 20 and on the other hand at the bottom of the chamber 38, in which the connecting channel 40 opens.
  • the compression spring 42 is then, in order to exert compressive forces on the diaphragm 20 25 in the closing direction, installed between the bottom of the chamber 38 and the diaphragm 20 and the valve seat 18 supporting this biased. Consequently, the compressive forces acting on the second active surface 26 of the diaphragm 20 resulting from the compression spring 42 as well as the second pressure p2 urge the diaphragm 20 against the valve seat 18 to bring or hold the diaphragm valve in its closed position.
  • the flow cross section in the first flow channel section 12 may be slightly larger than the flow cross section in the second flow channel section 14.
  • these flow cross sections may equally well be the same or the inverse conditions exist.
  • the operation of the quick exhaust device 1 according to the first variant of FIG. 1 is as follows:
  • the first active surface 24, the second active surface 26, the compression spring 42 and the flow cross sections in the first flow channel section 12, in the second flow channel section 14 and at the constriction or throttling point 10 of the flow channel 8 are designed such that when starting from the second port 6 for first port 4 directed towards, in Fig.2
  • 2 p forms the static pressure, with: v flow velocity, p pressure, and p density of the fluid.
  • the venturi effect describes that the flow velocity v of a fluid flowing through a flow channel is inversely proportional to a changing tube cross section. This means that the flow velocity v of the fluid increases at cross-sectional constrictions because, according to the law of continuity, the same amount of fluid has to be discharged from any flow cross-section of a flow channel that has been introduced into it.
  • the effect is used that results in the flow through the necking or throttling point 10 losses of flow energy, which compared with the static pressure p1 or p3 before the constriction or throttling point 10 in passing after passing through the 15th ligation or throttling point 10 reduced static pressure p1 or p3 result.
  • the abovementioned laws for the ventilation flow 44 mean that the flow velocity vi, which prevails in the second flow channel section 14, at the inlet.
  • the flow velocity decreases from v2 to v3.
  • the third pressure p3 in the first flow channel section 12 no longer reaches the outlet pressure p1 in the second flow channel section 14 due to flow diversions and friction. Due to this relatively large energy loss, the third pressure p3 in the first flow channel section 12 is then even smaller than the second pressure p2 at the constriction or throttling point 10 and p3 ⁇ p2.
  • the relatively low third pressure p3 prevailing in the first flow channel section 12 can then act on the annular surface 30 of the first active surface 24 of the membrane 20 via the branch channel 32 and the annular chamber 34. Together with the compressive forces, which are loaded on the inner part 36 of the first effective surface and derived from the atmospheric pressure, the rela ⁇ tively low third pressure p3 but not, the diaphragm valve 16 against the action of acting on the second effective surface 26th to open from the relatively high second pressure p2 as well as from the forces resulting from the compression spring closing forces (with appropriate design), so that this remains in its secured by the compression spring 42 closed position or placed in this.
  • the above-described laws for the vent flow 46 taking place in the opposite direction mean that the flow velocity v3 prevailing in the first flow channel section 12 increases at the constriction or throttling point 10 to the comparatively greater flow velocity v2, and that in the first flow channel.
  • the purge flow 46 is p2 ⁇ p3.
  • This relatively low second pressure p2 is then applied via the connecting channel 40 to the second active surface 26 of the membrane 20.
  • the example shows that the ratio between the second pressure p2 and the third pressure p3 depends on the direction in which the flow channel 8 flows through and thus is different or countercurrent to the vent flow 44 and the vent flow 46.
  • the pneumatic brake device has a relay valve arranged between the second port 6 and the pressure source.
  • the partial deaeration stream 46A directed via the flow channel 8 can be deaerated by means of the deaeration usually associated with such a relay valve.
  • the second active surface 26 is not acted upon by the second pressure p 2 but by the first pressure p 1 via a connecting channel 40, which is formed between the second flow channel section 14 and the chamber 38. Also, this connection channel 40 is preferably arranged perpendicular to the flow channel 8.
  • the second active surface 26 of the diaphragm 20 of the first pressure p1 and the pressure forces of the compression spring 42 in the closing direction and the first Wirkflä- che 24 still burdened by the third pressure p3 and the atmospheric pressure in the opening direction.
  • the first active surface 24, the second active surface 26, the compression spring 42 and the flow cross sections in the first flow channel section 12, in the second flow channel section 14 and at the constriction or throttling point 10 of the flow channel 8 are designed such that when starting from the second port 6 for The first connection 4 directed toward Ventilation io flow for ventilation of the brake cylinder acting on the second active surface 26, from the first pressure p1 and from the spring 42 resulting from the compression forces against the action of acting on the first active surface 24, from the third pressure p3 and the atmospheric pressure resulting opening forces keep the diaphragm valve 16 in the closed position or brin-
  • the prevailing in the first flow channel section 12 relatively low third i o pressure p3 can then act on the puncture channel 32 and the annular chamber 34 on the annular surface 30 of the first active surface 24 of the diaphragm 20.
  • This relatively low first pressure p1 is then applied to the second active surface 26 of the membrane 20 via the connecting channel 25.
  • this relatively small first pressure p1 together with the compression spring forces of the compression spring 42 can not prevent the membrane 20, due to the pressure forces acting in the opposite direction from the then relatively large third pressure p3 and the atmospheric pressure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schnellentlüftungsventilvorrichtung (1) für pneumatische Aktuatoren mit a) einem Gehäuse (2,) b) einem mit einer be- und entlüftbaren Kammer des Aktuators verbindbaren ersten Anschluss (4), und c) einem mit einer Druckluftquelle direkt oder indirekt verbindbaren zweiten Anschluss (6), d) einem im Gehäuse (2) ausgebildeten Strömungskanal (8) zwischen dem ersten Anschluss (4) und dem zweiten Anschluss (6), welcher an einer Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) durch einen verminderten Strömungsquerschnitt verengt ist, e) einem im Gehäuse (2) angeordneten Membranventil (16), welches wenigstens eine mit einem Ventilsitz (18) zusammen wirkende Membrane (20) umfasst, wobei in einer Öffnungsstellung des Membranventils (16), in der welcher die Membrane (20) von dem Ventilsitz (18) abgehoben ist, eine Drucksenke (22) mit dem ersten Anschluss (4) verbunden ist und in einer Schließstellung des Membranventils (16), in der welcher die Membrane (20) auf dem Ventilsitz (18) dichtend aufsitzt, diese Verbindung unterbrochen ist, und wobei f) wenigstens ein Teil einer ersten Wirkfläche (24) der Membrane (20), welche unter Druckbelastung das Membranventil (16) in Öffnungsstellung drängt, wenigstens durch einen in einem ersten Abschnitt (12) des Strömungskanals (8) zwischen dem ersten Anschluss (4) und der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) herrschenden dritten Druck (p3) belastet ist, und g) eine zweite Wirkfläche (26) der Membrane (20), welche unter Druckbelastung das Membranventil (16) in Schließstellung drängt, durch einen in dem verminderten Strömungsquerschnitt an der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) herrschenden zweiten Druck (p2) belastet ist oder durch einen in einem zweiten Abschnitt (14) des Strömungskanals (8) zwischen dem zweiten Anschluss (6) und der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) herrschenden ersten Druck (p1), und die Membrane (20) durch Druckfedermittel (42) in die Schließstellung gedrängt ist, wobei die erste Wirkfläche (24), die zweite Wirkfläche (26), die Druckfedermittel (42) sowie die Strömungsquerschnitte im ersten Abschnitt (12), im zweiten Abschnitt (14) sowie an der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) des Strömungskanals (8) derart ausgelegt sind, dass bei einer ausgehend vom zweiten Anschluss (6) zum ersten Anschluss (4) hin gerichteten Belüftungsströmung (44) zur Belüftung des pneumatischen Aktuators durch die Druckluftquelle die auf die zweite Wirkfläche (26) wirkenden, aus dem zweiten Druck (p2) oder aus dem ersten Druck (p1) sowie aus den von den Druckfedermitteln (42) herrührenden Schließkräfte gegen die Wirkung der an der ersten Wirkfläche (24) wirkenden, wenigstens aus dem dritten Druck (p3) herrührenden Öffnungskräfte das Membranventil (16) in Schließstellung halten oder bringen, während bei einer ausgehend vom ersten Anschluss (4) zum zweiten Anschluss (6) hin gerichteten Entlüftungsströmung (46) zur Entlüftung des pneumatischen Aktuators die auf die erste Wirkfläche (24) wirkenden, wenigstens aus dem dritten Druck (p3) herrührenden Öffnungskräfte gegen die Wirkung der an der zweiten Wirkfläche (26) wirkenden, aus dem zweiten Druck (p2) oder aus dem ersten Druck (p1) sowie aus den von den Druckfedermitteln (42) herrührenden Schließkräfte das Membranventil (16) in Öffnungsstellung halten oder bringen.

Description

Schnellentlüftungsventilvorrichtung für pneumatische Aktuatoren von pneumatischen Einrichtungen sowie pneumatische Einrichtung mit einer solchen Schnellentlüftungsvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung geht aus von einer Schnellentlüftungsventilvorrichtung für pneumatische Aktuatoren von pneumatischen Einrichtungen gemäß Anspruch 1 sowie von einer pneumatischen Einrichtung beinhaltend wenigstens eine solche Schnellentlüftungsventilvorrichtung gemäß Anspruch 10.
Bei Nutzfahrzeugen existieren neben pneumatischen Bremszylindern von pneumatischen oder elektro-pneumatischen Bremseinrichtungen als Aktuatoren auch Luftfederungseinrichtungen oder pneumatische Kupplungsund/oder Getriebeeinrichtungen Aktuatoren, z.B. Luftfederbälge, welche innerhalb kurzer Zeiträume bzw. mit einem bestimmten Gradienten be- und entlüftet werden müssen. Insbesondere wenn Fahrdynamiksysteme wie ABS, ASR oder ESP an Bord sind, werden hohe Anforderungen an die Dynamik von pneumatischen Bremszylindern gestellt.
Bei pneumatischen oder elektro-pneumatischen Bremseinrichtungen wird der pneumatische Bremsdruck in den Bremszylindern meist von einem Relaisventil ausgesteuert, welches von einem Steuerdruck einer elektromagnetischen Ein- lass-/Auslassventilkombination vorgesteuert wird. Auch wenn das Relaisventil die geforderten Belüftungsgradienten und Belüftungszeiten gewährleisten kann, können die Entlüftungsanforderungen in manchen Fällen nicht erfüllt werden. In diesem Fall ist eine Schnellentlüftungsventilvorrichtung hilfreich, welche zwischen den Arbeitsausgang des Relaisventil und des Bremszylinders angeordnet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schnellentlüftungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eine möglichst schnelle Entlüftung eines pneumatischen Aktuators einer pneumatischen Einrichtung ermöglicht und dabei einfach aufgebaut ist. Darüber hinaus soll eine solche Schnellentlüftungsvorrichtung auch in einer pneumatischen Einrichtung angeordnet bzw. verwendet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 10 gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt erstmals eine Schnellentlüftungsventilvorrichtung für pneumatische Aktuatoren von pneumatischen Einrichtungen vor, mit
a) einem Gehäuse,
b) einem mit einer be- und entlüftbare Kammer des Aktuators verbindbaren ersten Anschluss, und
c) einem mit einer Druckluftquelle direkt oder indirekt verbindbaren zweiten Anschluss,
d) einem im Gehäuse ausgebildeten Strömungskanal zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss, welcher an einer Einschnürungsoder Drosselstelle durch einen reduzierten Strömungsquerschnitt verengt ist,
e) einem im Gehäuse angeordneten Membranventil, welches wenigstens eine mit einem Ventilsitz zusammen wirkende Membran umfasst, wobei in einer Öffnungsstellung des Membranventils, in der welcher die Membrane von dem Ventilsitz abgehoben ist, eine Drucksenke mit dem ersten Anschluss verbunden ist und in einer Schließstellung des Membranventils, in der welcher die Membrane auf dem Ventilsitz dichtend aufsitzt, diese Verbindung unterbrochen ist, und wobei
f) wenigstens ein Teil einer ersten Wirkfläche der Membrane, welche unter Druckbelastung das Membranventil in Öffnungsstellung drängt, wenigstens durch einen in einem ersten Abschnitt des Strömungskanals zwischen dem ersten Anschluss und der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden dritten Druck belastet ist, und
eine zweite Wirkfläche der Membrane, welche unter Druckbelastung das Membranventil in Schließstellung drängt, durch einen in dem verminderten Strömungsquerschnitt an der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden zweiten Druck belastet ist oder durch einen in einem zweiten Abschnitt des Strömungskanals zwischen dem zweiten Anschluss und der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden ersten Druck, und die Membrane durch Druckfedermittel in die Schließstellung gedrängt ist, wobei
die erste Wirkfläche, die zweite Wirkfläche, die Druckfedermittel sowie die Strömungsquerschnitte im ersten Abschnitt, im zweiten Abschnitt sowie an der Einschnürungs- oder Drosselstelle des Strömungskanals derart ausgelegt sind, dass
11 ) bei einer ausgehend vom zweiten Anschluss zum ersten Anschluss hin gerichteten Belüftungsströmung zur Belüftung des pneumatischen Ak- tuators durch die Druckluftquelle die auf die zweite Wirkfläche wirkenden, aus dem zweiten Druck oder aus dem ersten Druck sowie aus den von den Druckfedermitteln herrührenden Schließkräfte gegen die Wirkung der an der ersten Wirkfläche wirkenden, wenigstens aus dem dritten Druck herrührenden Öffnungskräfte das Membranventil in Schließstellung halten o- der bringen, während
12) bei einer ausgehend vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss hin gerichteten Entlüftungsströmung zur Entlüftung des pneumatischen Ak- tuators die auf die erste Wirkfläche wirkenden, wenigstens aus dem dritten Druck herrührenden Öffnungskräfte gegen die Wirkung der an der zweiten Wirkfläche wirkenden, aus dem zweiten Druck oder aus dem ersten Druck sowie aus den von den Druckfedermitteln herrührenden Schließkräfte das Membranventil in Öffnungsstellung halten oder bringen. Gemäß einer ersten Variante ist die zweite Wirkfläche der Membrane durch den in dem verminderten Strömungsquerschnitt an der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden zweiten Druck belastet.
Gemäß einer weiteren Variante ist die zweite Wirkfläche der Membrane durch 5 den zwischen dem zweiten Anschluss und der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden ersten Druck belastet.
Beide Varianten der Erfindung nutzen den Effekt, dass bei einer Strömung durch einen Strömungskanal ausgehend von einem Strömungsquerschnitt durch einen demgegenüber kleineren Strömungsquerschnitt an einer Einschnü- i o rungs- oder Drosselstelle nach dem Kontinuitätsgesetz an der Einschnürungsoder Drosselstelle zwar die Strömungsgeschwindigkeit und damit der dynamische Staudruck ansteigen, sich aber der statische Druck reduziert. Weiterhin wird der Effekt genutzt, dass sich bei der Durchströmung der Einschnürungsoder Drosselstelle Verluste an Strömungsenergie ergeben, welche in einem
15 verglichen mit dem statischen Druck vor der Einschnürungs- oder Drosselstelle reduzierten statischen Druck resultieren. Der oben erwähnte erste, zweite und dritte Druck stellt dabei im Wesentlichen statische Drücke dar.
Je nach Strömungsrichtung im Strömungskanal - Belüftungsströmung oder Entlüftungsströmung - und je nach Anordnung eines Verbindungskanals, in wel- 20 ehern je nach Variante entweder der erste Druck oder der zweite Druck ansteht, welcher dann die zweite Wirkfläche der Membrane belastet, ergeben sich unterschiedliche Drücke, mit welchen die Wirkflächen der Membrane des Membranventils belastet und damit die Öffnungs- oder die Schließstellung hervorgerufen wird.
25 Der Fachmann kann aufgrund seines Fachwissens die erste Wirkfläche, die zweite Wirkfläche, die Druckfedermittel sowie die Strömungsquerschnitte im ersten Abschnitt, im zweiten Abschnitt sowie an der Einschnürungs- oder Dros- seistelle des Strömungskanals geeignet auslegen und dimensionieren, damit die gewünschten, oben beschriebenen Wirkungen eintreten.
Es wird angenommen, dass sich die Drücke zwischen den Anschlüssen und der Einschnürungs- oder Drosselstelle bzw. zwischen der Einschnürungs- oder 5 Drosselstelle und den Anschlüssen nicht signifikant ändern, obwohl durch Reibung tatsächlich Druckverluste entstehen. Wenn daher oben von einem„in einem zweiten Abschnitt des Strömungskanals zwischen dem zweiten Anschluss und der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden ersten Druck" und von einem„in einem ersten Abschnitt des Strömungskanals zwischen dem ers- i o ten Anschluss und der Einschnürungs- oder Drosselstelle herrschenden dritten Druck" die Rede ist, so wird idealisiert davon ausgegangen, dass der erste Druck entlang des zweiten Abschnitts und der dritte Druck entlang des ersten Abschnitts jeweils etwa gleich groß bleiben.
Genaueres hierzu geht aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen her- 15 vor.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Ausführungsform zweigt von dem 20 ersten Abschnitt des Strömungskanals ein Stichkanal ab, vorzugsweise in senkrechter Richtung, welcher zumindest mit einem Teil der ersten Wirkfläche der Membrane in Verbindung steht. Auf diese Weise wird die erste Wirkfläche der Membrane wenigstens teilweise unter den dritten Druck gesetzt, welcher zwischen dem ersten Anschluss und der Einschnürungs- oder Drosselstelle 25 herrscht.
Besonders bevorzugt fließen zumindest in der Öffnungsstellung des Membranventils ein Teilstrom der Entlüftungsströmung durch den Strömungskanal und ein weiterer Teilstrom der Entlüftungsströmung über den Stichkanal zur Drucksenke. Hierzu sind die Geometrie und Anordnung des ersten Abschnitts des Strömungskanals und des Stichkanals und insbesondere deren Strömungsquerschnitte entsprechend ausgebildet. Dann erfolgt die Entlüftung des pneumatischen Aktuators einerseits über den Strömungskanal in Richtung auf den zweiten Anschluss und die Druckquelle zu and andererseits über den Stichkanal und die Drucksenke. Der Entlüftungsteilstrom, der über den Strömungskanal und den zweiten Anschluss geleitet wird, kann dann insbesondere über eine zwischen dem zweiten Anschluss und der Druckluftquelle angeordnete Entlüftung entlüftet werden. Wenn beispielsweise im Falle einer pneumatischen oder elektro-pneumatischen Bremseinrichtung zwischen dem zweiten Anschluss und der Druckquelle ein Relaisventil angeordnet ist, so kann der über den Strömungskanal geleitete Teilentlüftungsstrom mittels der einem solchen Relaisventil üblicherweise zugeordneten Entlüftung entlüftet werden.
Damit die zweite Wirkfläche der Membrane unter zweiten Druck gemäß der ersten Variante bzw. unter den ersten Druck gemäß der ersten Variante gesetzt werden kann, steht beispielsweise eine durch die zweite Wirkfläche der Membrane begrenzte Kammer mittels eines Verbindungskanals gemäß der ersten Variante mit der Einschnürungs- oder Drosselstelle oder gemäß der zweiten Variante mit dem zweiten Abschnitt des Strömungskanals in Verbindung.
Dabei kann der Verbindungskanal im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Abschnitt des Strömungskanals oder zur Einschnürungs- oder Drosselstelle angeordnet sein, um möglichst nur einen statischen ersten oder zweiten Druck an die zweite Wirkfläche der Membrane zu steuern.
Besonders bevorzugt ist die Membrane an ihrem radial äußeren Rand im Gehäuse gehalten, beispielsweise zwischen zwei Gehäusehälften des Gehäuses, und wirkt über einen axial beweglichen radial inneren Abschnitt mit dem Ventilsitz zusammen. Gemäß einer Weiterbildung ist der Ventilsitz als Rand einer Mündung eines mit der Drucksenke verbundenen Entlüftungskanals im Gehäuse ausgebildet, wobei der Entlüftungskanal beispielsweise senkrecht zum Strömungskanal angeordnet sein kann. Mithin sind aber beliebige Ausrichtungen des Entlüftungska- 5 nals bzw. der Mittelachse des Membranventils in Bezug zum Strömungskanal bzw. zu dessen Mittelachse möglich.
In der Schließstellung des Membranventils werden demzufolge ein Teil der ersten Wirkfläche durch den dritten Druck und ein weiterer Teil durch Atmosphärendruck belastet. i o Die Erfindung betrifft auch eine pneumatische oder elektro-pneumatische Einrichtung eines Fahrzeugs, welche wenigstens eine oben beschriebene Schnel- lentlüftungsventilvorrichtung beinhaltet. Bei einer solchen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine pneumatische oder elektro-pneumatische Bremseinrichtung, eine Luftfederungseinrichtung oder eine pneumatisch betätigte
15 Kupplungs- und/oder Getriebeeinrichtung eines Fahrzeugs handeln. Diese Aufzählung ist selbstverständlich nicht abschließend, da ein oder mehrere pneumatische Aktuatoren jeglicher pneumatischen oder elektro-pneumatischen Einrichtung mittels der erfindungsgemäßen Schnellentlüftungsvorrichtung entlüftet werden können.
20 Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Einrichtung um eine pneumatische oder elektro-pneumatische Bremseinrichtung, wobei wenigstens eine oben beschriebene Schellentlüftungsvorrichtung zwischen einem Arbeitsan- schluss eines Relaisventils und wenigstens einem Bremszylinder angeordnet ist, wobei der erste Anschluss mit einer be- und entlüftbaren Bremskammer des
25 Bremszylinders und der zweite Anschluss mit dem Arbeitsanschluss des Relaisventils verbunden ist.
Dabei kann die Schnellentlüftungsvorrichtung separat, d.h. mit eigenem Gehäuse ausgebildet oder in das Gehäuse des Bremszylinders integriert sein. Der Vorteil einer separaten Ausbildung der Schnellentlüftungsvorrichtung liegt darin, die restlichen Komponenten der Einrichtung nicht verändert werden müssen und insbesondere die Schnellentlüftungsvorrichtung auf einfache Weise nachgerüstet werden kann. Weiterhin kann dann auch das Gehäuse der Schnellentlüftungsvorrichtung als wenigstens zweiteiliges Gehäuse ausgeführt werden, wobei dann der Rand der Membrane des Membranventils zwischen den beiden Gehäuseteilen geklemmt werden kann.
Zeichnung
Nachstehend ist jeweils ein Ausführungsbeispiel von Varianten der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig.1 eine seitliche Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer ersten Variante der Erfindung;
Fig.2 die seitliche Schnittdarstellung von Fig.1 mit durch Pfeile symbolisierter Belüftungsströmung und Entlüftungsströmung;
Fig.3 eine seitliche Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer zweiten Variante der Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine in Fig.1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform einer ersten Variante einer Schnellentlüftungsventilvorrichtung 1 dient bevorzugt zum schnellen Entlüften eines hier aus Maßstabsgründen nicht gezeigten pneumatischen Bremszylinders einer pneumatischen oder elektro-pneumatischen Bremseinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs.
Die Schnellentlüftungsventilvorrichtung 1 bildet hier bevorzugt eine separate Vorrichtung mit einem eigenen Gehäuse 2, einem mit einer be- und entlüftbaren Bremskammer des Bremszylinders verbindbaren ersten Anschluss 4 und einem mit einem Arbeitsanschluss eines hier nicht gezeigten Relaisventils verbundenen zweiten Anschluss 6. Das Relaisventil ist beispielsweise Teil eines bei elektro-pneumatischen Bremseinrichtungen hinlänglich bekannten Druckregelmoduls und ist über einen Versorgungsanschluss mit einer Druckluftquelle, insbesondere mit einem Druckluftvorrat verbunden und steuert abhängig von dem an seinem pneumatischen Steueranschluss anstehenden, von einer Einlass-/Auslassventilkombination erzeugten Steuerdruck einen Arbeits- oder Bremsdruck an seinen Arbeitsanschluss aus.
In dem Gehäuse 2 ist ein hier bevorzugt zylindrischer und gerader Strömungskanal 8 zwischen dem ersten Anschluss 4 und dem zweiten Anschluss 6 ausgebildet, welcher an einer Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 durch einen verminderten Strömungsquerschnitt verengt ist. Mit anderen Worten weist der Strömungskanal 8 in einem ersten Strömungskanalabschnitt 12 zwischen dem ersten Anschluss 4 und der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 sowie in einem zweiten Strömungskanalabschnitt 14 zwischen der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 und dem zweiten Anschluss 6 jeweils einen größeren Strömungsquerschnitt auf als an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10. Der Übergang von dem jeweils größeren Strömungsquerschnitt des ersten Strömungskanalabschnitts 12 und des zweiten Strömungskanalabschnitts 14 auf den demgegenüber geringeren Strömungsquerschnitt der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 erfolgt hier bevorzugt in gestufter Weise. Alternativ kann dieser Übergang aber auch stetig und kontinuierlich verlaufen.
Anstatt gerade kann der Strömungskanal 8 aber auch beliebig gekrümmt oder teilweise gerade mit Knickstellen ausgebildet sein.
In dem Gehäuse 2 ist ein Membranventil 16 angeordnet, welches wenigstens eine mit einem Ventilsitz 18 zusammen wirkende Membran 20 umfasst, wobei in einer Öffnungsstellung des Membranventils 16, in der welcher die Membrane 20 von dem Ventilsitz 18 abgehoben ist, eine Drucksenke 22 mit dem ersten Anschluss 4 verbunden ist und in einer Schließstellung des Membranventils 16, in der welcher die Membrane 20 auf dem Ventilsitz 18 dichtend aufsitzt, diese Verbindung unterbrochen ist, wie anhand von Fig.1 leicht vorstellbar ist. Besonders bevorzugt ist die beispielsweise kreisflächenförmige Membrane 20 an ihrem radial äußeren Rand im Gehäuse 2 gehalten und beispielsweise zwischen zwei Gehäusehälften 2A, 2B des Gehäuses 2 geklemmt. Die Membrane 20 wirkt über einen axial beweglichen radial inneren Abschnitt mit dem Ventilsitz 18 zusammen und weist eine erste Wirkfläche 24 und eine von dieser weg weisende zweite Wirkfläche 26 auf.
Bevorzugt ist der Ventilsitz 18 als Rand einer Mündung eines mit der Drucksenke 22, beispielsweise der Atmosphäre verbundenen Entlüftungskanals 28 im Gehäuse 2 ausgebildet, wobei der Entlüftungskanal 28 beispielsweise senkrecht zum Strömungskanal 8 angeordnet ist. Der Entlüftungskanal 28 ist beispielsweise in der hier unteren Gehäusehälfte 2B ausgebildet, in welchem auch der Ventilsitz 18 und der Entlüftungskanal 28 ausgebildet sind, wobei bei der Montage des Membranventils 16 die Membrane auf die untere Gehäusehälfte 2B unter Kontakt des Ventilsitzes aufgelegt wird und dann zur Fixierung der Membrane die obere Gehäusehälfte 2A auf der unteren Gehäusehälfte 2B montiert wird, unter Zwischenordnung des Randes der Membrane 20.
Unter Druckbelastung der ersten Wirkfläche 24 der Membrane 20 wird das Membranventil 16 in Öffnungsstellung gedrängt, in welcher die Membrane 20 vom Ventilsitz 18 abgehoben ist. In der gezeigten Schließstellung des Membranventils ist eine innen vom Ventilsitz 18 und außen von dem geklemmten Rand begrenzte Ringfläche 30 der ersten Wirkfläche 24 durch einen in dem ersten Strömungskanalabschnitt 12 zwischen dem ersten Anschluss 4 und der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 herrschenden dritten Druck p3 belastet. Damit der dritte Druck p3 auf diese Ringfläche 30 der ersten Wirkfläche 24 der Membrane wirken kann, zweigt von dem ersten Strömungskanalabschnitt 12 ein Stichkanal 32 ab, vorzugsweise in zunächst senkrechter Richtung und dann in spitzem Winkel zur Senkrechten in Bezug auf den Strömungskanal 8 geneigt, welcher mit einer Ringkammer 34 in Verbindung steht, welche durch die Ringfläche 30 der ersten Wirkfläche 24 der Membrane 20 begrenzt wird. Die auf dem dritten Druck p3 basierenden Druckkräfte wirken gegen die erste Wirkfläche 24 daher in Öffnungsrichtung des Membranventils 16.
Weiterhin wirkt in der Schließstellung über den Entlüftungskanal 28 Atmosphärendruck auf den außen durch den Ventilsitz 18 begrenzten inneren Teil 36 der 5 die ersten Wirkfläche 24. Die auf dem Atmosphärendruck basierenden Druckkräfte wirken gegen die erste Wirkfläche 24 daher in Öffnungsrichtung des Membranventils 16.
Unter Druckbelastung der zweiten Wirkfläche 26 der Membrane 20 wird das Membranventil 16 in Schließstellung gedrängt, in welcher die Membrane 20 auf i o dem Ventilsitz 18 dichtend aufliegt. Diese zweite Wirkfläche 26 ist bei der Variante von Fig.1 durch einen in dem verminderten Strömungsquerschnitt an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 herrschenden zweiten Druck p2 belastet. Damit die zweite Wirkfläche 26 der Membrane 20 unter den zweiten Druck p2 gesetzt werden kann, steht beispielsweise eine durch die zweite Wirkfläche 26
15 der Membrane 20 begrenzte Kammer 38 mittels eines Verbindungskanals 40 mit der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 in Verbindung. Dieser Verbindungskanal 40 ist bevorzugt senkrecht zum Strömungskanal 8 angeordnet, so dass von dem in der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 herrschenden Gesamtdruck (statischer Druck und dynamischer Staudruck) im Wesentlichen nur
20 der statische Druck p2 in der Kammer 38 ansteht.
Weiterhin wird die Membrane 20 durch eine Druckfeder 42 in die Schließstellung gedrängt, welche sich einerseits zentral an der Membrane 20 und andererseits am Boden der Kammer 38 abstützt, in welchen der Verbindungskanal 40 mündet. Die Druckfeder 42 ist dann, um Druckkräfte auf die Membrane 20 25 in Schließrichtung ausüben zu können, zwischen dem Boden der Kammer 38 und der Membrane 20 bzw. dem diese stützenden Ventilsitz 18 vorgespannt eingebaut. Folglich drängen die auf die zweite Wirkfläche 26 der Membrane 20 wirkenden Druckkräfte, die aus der Druckfeder 42 sowie aus dem zweiten Druck p2 herrühren, die Membrane 20 gegen den Ventilsitz 18, um das Membranventil in seine Schließstellung zu bringen oder dort zu halten. Demgegenüber versu- 5 chen die auf die erste Wirkfläche 24 wirkenden Druckkräfte, welche auf dem dritten Druck p3 und auf dem Atmosphärendruck basieren, die Membrane 20 vom Ventilsitz anzuheben und das Membranventil 16 in seine Öffnungsstellung zu bringen bzw. dort zu halten.
Wie in Fig.1 gezeigt, kann der Strömungsquerschnitt im ersten Strömungska- i o nalabschnitt 12 etwas größer sein als der Strömungsquerschnitt im zweiten Strömungskanalabschnitt 14. Genauso gut können diese Strömungsquerschnitte aber auch gleich groß sein bzw. die umgekehrten Verhältnisse vorliegen.
Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise der Schnellentlüftungsvorrich- tung 1 gemäß der ersten Variante von Fig.1 wie folgt:
15 Die erste Wirkfläche 24, die zweite Wirkfläche 26, die Druckfeder 42 sowie die Strömungsquerschnitte im ersten Strömungskanalabschnitt 12, im zweiten Strömungskanalabschnitt 14 sowie an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 des Strömungskanals 8 sind derart ausgelegt, dass bei einer ausgehend vom zweiten Anschluss 6 zum ersten Anschluss 4 hin gerichteten, in Fig.2
20 durch den ersten Pfeil 44 symbolisierten Belüftungsströmung zur Belüftung des Bremszylinders die auf die zweite Wirkfläche 26 wirkenden, aus dem zweiten Druck p2 sowie aus den von der Druckfeder 42 herrührenden Schließkräfte gegen die Wirkung der auf die erste Wirkfläche 24 wirkenden, aus dem dritten Druck p3 und dem Atmosphärendruck herrührenden Öffnungskräfte das Memb-
25 ranventil 16 in Schließstellung halten oder bringen.
Hingegen halten oder bringen bei einer ausgehend vom ersten Anschluss 4 zum zweiten Anschluss 6 hin gerichteten, in Fig.2 durch einen zweiten Pfeil 46 symbolisierten Entlüftungsströmung zur Entlüftung des Bremszylinders die auf die erste Wirkfläche 24 wirkenden, aus dem dritten Druck p3 und dem Atmosphärendruck herrührenden Öffnungskräfte gegen die Wirkung der auf die zweite Wirkfläche 26 wirkenden, aus dem zweiten Druck p2 sowie aus der Druckfeder 42 herrührenden Schließkräfte das Membranventil 16 in Öffnungs- 5 Stellung.
Ohne Belüftungsströmung 44 und ohne Entlüftungsströmung 46 vermögen die Druckkräfte der vorgespannten Druckfeder 42 das Membranventil 16 in Schließstellung zu halten.
Die oben beschriebenen Wirkungen rühren daher, dass bei der Strömung i o durch den Strömungskanal 8 ausgehend von einem großen Strömungsquerschnitt in den Strömungskanalabschnitten 12, 14 durch einen demgegenüber kleineren Strömungsquerschnitt an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 nach dem Kontinuitätsgesetz an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 zwar die Strömungsgeschwindigkeit v2 und damit der dynamische Staudruck 15 ansteigen, sich aber der statische zweite Druck p2 reduziert.
Dieser Effekt wird allgemein durch das Gesetz von Bernoulli beschrieben, welches die Beziehung zwischen der Fließgeschwindigkeit v eines Fluids und dessen statischen Druck p beschreibt: v2 p
1— = const
2 p
20 wobei der Term — den dynamischen Druck oder Staudruck und der Term —
2 p den statischen Druck bildet, mit: v Fließgeschwindigkeit, p Druck, und p Dichte des Fluids.
Dabei wird von einer Inkompressibilität des Fluids sowie von einer weitgehenden Reibungsfreiheit der Strömung ausgegangen.
Analog beschreibt der Venturi-Effekt, dass sich die Fließgeschwindigkeit v ei- 5 nes durch einen Strömungskanal strömenden Fluids zu einem sich verändernden Rohrquerschnitt umgekehrt proportional verhält. Das heißt, dass die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids an Querschnittsverengungen zunimmt, weil nach dem Kontinuitätsgesetz aus jedem beliebigen Strömungsquerschnitt eines Strömungskanals dieselbe Fluidmenge austreten muss, die in ihn eingeführt i o worden ist.
Weiterhin wird bei der Erfindung der Effekt genutzt, dass sich bei der Durchströmung der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 Verluste an Strömungsenergie ergeben, welche verglichen mit dem statischen Druck p1 bzw. p3 vor der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 in einem nach Passieren der Ein- 15 schnürungs- oder Drosselstelle 10 reduzierten statischen Druck p1 bzw. p3 resultieren.
Bezogen auf das Beispiel von Fig.1 bedeuten die oben genannten Gesetzmäßigkeiten für die Belüftungsströmung 44, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit vi , welche im zweiten Strömungskanalabschnitt 14 herrscht, an der Ein-
20 schnürungs- oder Drosselstelle 10 auf eine demgegenüber größere Strömungsgeschwindigkeit v2 erhöht, der im zweiten Strömungskanalabschnitt 14 herrschende statische Druck p1 an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 aber auf einen den demgegenüber niedrigeren zweiten Druck p2 reduziert wird. Nachdem sich der Strömungsquerschnitt auf den größeren Strömungsquer-
25 schnitt im ersten Strömungskanalabschnitt 12 aufweitet, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit von v2 auf v3. Jedoch erreicht der dritte Druck p3 im ersten Strömungskanalabschnitt 12 nicht mehr den Ausgangsdruck p1 im zweiten Strömungskanalabschnitt 14, bedingt durch Strömungsumlenkungen und Rei- bungsverluste an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10. Aufgrund dieses relativ großen Energieverlusts ist der dritte Druck p3 im ersten Strömungskanalabschnitt 12 dann sogar kleiner als der zweite Druck p2 an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 und es gilt: p3 < p2.
5 Der im ersten Strömungskanalabschnitt 12 herrschende relativ niedrige dritte Druck p3 kann dann über den Stichkanal 32 und die Ringkammer 34 auf die Ringfläche 30 der ersten Wirkfläche 24 der Membrane 20 wirken. Zusammen mit den Druckkräften, welche auf dem auf dem inneren Teil 36 der ersten Wirkfläche lasten und aus dem Atmosphärendruck abgeleitet sind, vermag der rela- i o tiv geringe dritte Druck p3 aber nicht, das Membranventil 16 gegen die Wirkung der auf die zweite Wirkfläche 26 wirkenden, aus dem relativ hohen zweiten Druck p2 sowie aus den von der Druckfeder herrührenden Schließkräfte (bei entsprechender Auslegung) zu öffnen, so dass dieses in seiner von der Druckfeder 42 gesicherten Schließstellung verbleibt oder in diese gebracht wird.
15 Andererseits bedeuten die oben beschriebenen Gesetzmäßigkeiten für die in Gegenrichtung statt findende Entlüftungsströmung 46, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit v3, welche im ersten Strömungskanalabschnitt 12 herrscht, an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 auf die demgegenüber größere Strömungsgeschwindigkeit v2 erhöht, und der im ersten Strömungska-
20 nalabschnitt 12 herrschende statische Druck p3 an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 auf den demgegenüber niedrigeren zweiten Druck p2 reduziert wird. Deshalb gilt für die Entlüftungsströmung 46: p2 < p3.
Dieser relativ niedrige zweite Druck p2 steht dann über den Verbindungskanal 40 an der zweiten Wirkfläche 26 der Membrane 20 an.
25 Somit können bei einer ausgehend vom ersten Anschluss 4 zum zweiten An- schluss 6 hin gerichteten, in Fig.2 durch den zweiten Pfeil 46 symbolisierten Entlüftungsströmung zur Entlüftung des Bremszylinders die an der ersten Wirkfläche 24 wirkenden, aus dem relativ großen dritten Druck p3 und dem Atmo- sphärendruck herrührenden Öffnungskräfte gegen die Wirkung der an der zweiten Wirkfläche 26 wirkenden, aus dem relativ niedrigen zweiten Druck p2 sowie aus den von der Druckfeder 42 herrührenden Schließkräfte das Membranventil in Öffnungsstellung halten oder zu bringen.
5 Das Beispiel zeigt, dass das Verhältnis zwischen dem zweiten Druck p2 und dem dritten Druck p3 von der Richtung abhängt, in welcher der Strömungskanal 8 durchströmt wird und demnach für die Belüftungsströmung 44 und die Entlüftungsströmung 46 unterschiedlich bzw. gegenläufig ist.
Besonders bevorzugt fließen in der Öffnungsstellung des Membranventils 16 i o ein Strömungskanal 8 geleitete Teilentlüftungsstrom 46A der Entlüftungsströmung 46 durch den Strömungskanal 8 und ein weiterer Strömungskanal 8 geleitete Teilentlüftungsstrom 46B der Entlüftungsströmung 46 über den Stichkanal 32 zum Entlüftungskanal 28. Im hier vorliegenden Fall einer pneumatischen oder elektro-pneumatischen Bremseinrichtung ist, wie oben bereits be- 15 schrieben wurde, zwischen dem zweiten Anschluss 6 und der Druckquelle ein Relaisventil angeordnet. So kann der über den Strömungskanal 8 geleitete Teilentlüftungsstrom 46A mittels der einem solchen Relaisventil üblicherweise zugeordneten Entlüftung entlüftet werden.
Bei einer in Fig.3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform einer zweiten Vari- 20 ante der Schnellentlüftungsvorrichtung 1 sind gleiche und gleich wirkende Bauteile und Baugruppen mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet.
Im Unterschied zur ersten Variante wird die zweite Wirkfläche 26 nicht mit dem zweiten Druck p2, sondern mit dem ersten Druck p1 über einen Verbindungskanal 40 beaufschlagt, welcher zwischen dem zweiten Strömungskanalab- 25 schnitt 14 und der Kammer 38 ausgebildet ist. Auch dieser Verbindungskanal 40 ist bevorzugt senkrecht zum Strömungskanal 8 angeordnet. Damit werden die zweite Wirkfläche 26 der Membrane 20 von dem ersten Druck p1 und von den Druckkräften der Druckfeder 42 in Schließrichtung und die erste Wirkflä- che 24 nach wie vor vom dritten Druck p3 und vom Atmosphärendruck in Öffnungsrichtung belastet.
Vor diesem Hintergrund ist die Funktionsweise der Schnellentlüftungsvorrich- tung nach Fig.3 wie folgt:
5 Die erste Wirkfläche 24, die zweite Wirkfläche 26, die Druckfeder 42 sowie die Strömungsquerschnitte im ersten Strömungskanalabschnitt 12, im zweiten Strömungskanalabschnitt 14 sowie an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 des Strömungskanals 8 sind derart ausgelegt, dass bei einer ausgehend vom zweiten Anschluss 6 zum ersten Anschluss 4 hin gerichteten Belüftungs- i o Strömung zur Belüftung des Bremszylinders die auf die zweite Wirkfläche 26 wirkenden, aus dem ersten Druck p1 sowie aus den von der Druckfeder 42 herrührenden Schließkräfte gegen die Wirkung der auf die erste Wirkfläche 24 wirkenden, aus dem dritten Druck p3 und dem Atmosphärendruck herrührenden Öffnungskräfte das Membranventil 16 in Schließstellung halten oder brin-
15 gen.
Hingegen halten oder bringen bei einer ausgehend vom ersten Anschluss 4 zum zweiten Anschluss 6 hin gerichteten Entlüftungsströmung zur Entlüftung des Bremszylinders die auf die erste Wirkfläche 24 wirkenden, aus dem dritten Druck p3 und dem Atmosphärendruck herrührenden Öffnungskräfte gegen die 20 Wirkung der auf die zweite Wirkfläche 26 wirkenden, aus dem ersten Druck p1 sowie aus den von der Druckfeder 42 herrührenden Schließkräfte das Membranventil in Öffnungsstellung.
Bezogen auf das Beispiel von Fig.3 rührt dies daher, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit vi , welche im zweiten Strömungskanalabschnitt 14 herrscht, 25 an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 auf die demgegenüber größere Strömungsgeschwindigkeit v2 erhöht, der im zweiten Strömungskanalabschnitt 14 herrschende statische Druck p1 an der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 aber auf einen den demgegenüber niedrigeren zweiten Druck p2 reduziert wird. Nachdem sich der Strömungsquerschnitt wieder auf den Strömungsquerschnitt im ersten Strömungskanalabschnitt 12 aufweitet, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit von v2 auf v3. Jedoch erreicht der dritte Druck p3 im ersten Strömungskanalabschnitt 12 nicht mehr den Ausgangsdruck p1 im zweiten 5 Strömungskanalabschnitt 14, bedingt durch Strömungsumlenkungen und Rei- bungsverlustean der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10. Aufgrund dieses Energieverlusts ist der dritte Druck p3 im ersten Strömungskanalabschnitt 12 kleiner als der erste Druck p1 im zweiten Strömungskanalabschnitt 14: p3 < p1 .
Der im ersten Strömungskanalabschnitt 12 herrschende relativ niedrige dritte i o Druck p3 kann dann über den Stichkanal 32 und die Ringkammer 34 auf die Ringfläche 30 der ersten Wirkfläche 24 der Membrane 20 wirken.
Somit können bei der Belüftungsströmung die an der zweiten Wirkfläche 26 der Membrane 20 wirkenden, aus dem relativ großen ersten Druck p1 sowie aus den von der Druckfeder 42 herrührenden Schließkräfte (bei entsprechender 15 Auslegung) gegen die Wirkung der an der ersten Wirkfläche 24 wirkenden, aus dem dritten Druck p3 und dem Atmosphärendruck herrührenden Öffnungskräfte das Membranventil 16 in Schließstellung halten oder bringen.
Andererseits bedeuten dies für die in Gegenrichtung statt findende Entlüftungsströmung, dass aufgrund der Reibungs- und Strömungsumlenkeffekte an 20 der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 der nach der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 herrschende erste Druck p1 kleiner ist als der vor der Einschnürungs- oder Drosselstelle 10 im ersten Strömungskanalabschnitt 12 herrschende dritte Druck p3. Deshalb gilt für die Entlüftungsströmung: p1 < p3.
Dieser relativ niedrige erste Druck p1 steht dann über den Verbindungskanal 25 40 an der zweiten Wirkfläche 26 der Membrane 20 an. Somit vermag dieser relativ geringe erste Druck p1 zusammen mit den Druckfederkräften der Druckfeder 42 die Membrane 20 nicht hindern, aufgrund der in Gegenrichtung wirkenden Druckkräfte aus dem dann relativ großen dritten Druck p3 und dem Atmo- sphärendruck vom Ventilsitz 18 abzuheben, wodurch wiederum ein Teilentlüftungsstrom durch den Strömungskanal 8 und ein weiterer Teilentlüftungsstrom durch den Entlüftungskanal 28 entlüftet wird.
Bezuqszeichenliste
Schnellentlüftungsvorrichtung
Gehäuse
A Gehäusehälfte
B Gehäusehälfte
erster Anschluss
zweiter Anschluss
Strömungskanal
0 Einschnürungs- oder Drosselstelle2 erster Strömungskanalabschnitt4 zweiter Strömungskanalabschnitt6 Membranventil
8 Ventilsitz
0 Membrane
2 Drucksenke
4 erste Wirkfläche
6 zweite Wirkfläche
8 Entlüftungskanal
0 Ringfläche
2 Stichkanal
4 Ringkammer
6 innerer Teil
8 Kammer
0 Verbindungskanal 42 Druckfeder
44 Belüftungsströmung 46 Entlüftungsströmung 46A Teilstrom
46B Teilstrom

Claims

Patentansprüche
Schnellentlüftungsventilvorrichtung (1 ) für pneumatische Aktuatoren von pneumatischen Einrichtungen, mit
einem Gehäuse (2)
einem mit einer be- und entlüftbare Kammer des Aktuators verbindbaren ersten Anschluss (4), und
einem mit einer Druckluftquelle direkt oder indirekt verbindbaren zweiten Anschluss (6),
einem im Gehäuse (2) ausgebildeten Strömungskanal (8) zwischen dem ersten Anschluss (4) und dem zweiten Anschluss (6), welcher an einer Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) durch einen verminderten Strömungsquerschnitt verengt ist,
einem im Gehäuse (2) angeordneten Membranventil (16), welches wenigstens eine mit einem Ventilsitz (18) zusammen wirkende Membrane (20) umfasst, wobei in einer Öffnungsstellung des Membranventils (16), in der welcher die Membrane (20) von dem Ventilsitz (18) abgehoben ist, eine Drucksenke (22) mit dem ersten Anschluss (4) verbunden ist und in einer Schließstellung des Membranventils (169, in der welcher die Membrane (20) auf dem Ventilsitz (18) dichtend aufsitzt, diese Verbindung unterbrochen ist, und wobei wenigstens ein Teil einer ersten Wirkfläche (24) der Membrane (20), welche unter Druckbelastung das Membranventil (16) in Öffnungsstellung drängt, wenigstens durch einen in einem ersten Abschnitt (12) des Strömungskanals (8) zwischen dem ersten Anschluss (4) und der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) herrschenden dritten Druck (p3) belastet ist, und
eine zweite Wirkfläche (26) der Membrane (20), welche unter Druckbelastung das Membranventil (16) in Schließstellung drängt, durch einen in dem verminderten Strömungsquerschnitt an der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) herrschenden zweiten Druck (p2) belastet ist oder durch einen in einem zweiten Abschnitt (14) des Strömungskanals (8) zwischen dem zweiten Anschluss (6) und der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) herrschenden ersten Druck (p1 ), und
die Membrane (20) durch Druckfedermittel (42) in die Schließstellung gedrängt ist, wobei
die erste Wirkfläche (24), die zweite Wirkfläche (26), die Druckfedermittel (42) sowie die Strömungsquerschnitte im ersten Abschnitt (12), im zweiten Abschnitt (14) sowie an der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) des Strömungskanals (8) derart ausgelegt sind, dass
11 ) bei einer ausgehend vom zweiten Anschluss (6) zum ersten Anschluss (4) hin gerichteten Belüftungsströmung (44) zur Belüftung des pneumatischen Aktuators durch die Druckluftquelle die auf die zweite Wirkfläche (26) wirkenden, aus dem zweiten Druck (p2) oder aus dem ersten Druck (p1 ) sowie aus den von den Druckfedermitteln (42) herrührenden Schließkräfte gegen die Wirkung der an der ersten Wirkfläche (24) wirkenden, wenigstens aus dem dritten Druck (p3) herrührenden Öffnungskräfte das Membranventil (16) in Schließstellung halten oder bringen, während
12) bei einer ausgehend vom ersten Anschluss (4) zum zweiten Anschluss (6) hin gerichteten Entlüftungsströmung (46) zur Entlüftung des pneumatischen Aktuators die auf die erste Wirkfläche (24) wirkenden, wenigstens aus dem dritten Druck (p3) herrührenden Öffnungskräfte gegen die Wirkung der an der zweiten Wirkfläche (26) wirkenden, aus dem zweiten Druck (p2) oder aus dem ersten Druck (p1 ) sowie aus den von den Druckfedermitteln (42) herrührenden Schließkräfte das Membranventil (16) in Öffnungsstellung halten oder bringen. Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Abschnitt (12) des Strömungskanals (8) ein Stichkanal (32) abzweigt, welcher zumindest mit einem Teil (30) der ersten Wirkfläche (24) der Membrane (20) in Verbindung steht.
Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Öffnungsstellung des Membranventils (16) ein Teilstrom (46A) der Entlüftungsströmung (46) durch den Strömungskanal (8) und ein weiterer Teilstrom (46B) der Entlüftungsströmung (46) über den Stichkanal (32) zur Drucksenke (22) entlüftet wird.
Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die zweite Wirkfläche (26) der Membrane (20) begrenzte Kammer (38) mittels eines Verbindungskanals (40) mit der Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) oder mit dem zweiten Abschnitt (14) des Strömungskanals (8) in Verbindung steht.
Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (40) im Wesentlichen senkrecht zum zweiten Abschnitt (14) des Strömungskanals (8) oder zur Einschnürungs- oder Drosselstelle (10) angeordnet ist.
Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (20) an ihrem radial äußeren Rand im Gehäuse (2) gehalten ist und mit einem axial beweglichen radial inneren Abschnitt mit dem Ventilsitz zusammen wirkt.
7. Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (18) als Rand einer Mündung eines mit der Drucksenke (22) verbundenen Entlüftungskanals (28) im Gehäuse (2) ausgebildet ist.
8. Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (28) senkrecht zum Strömungskanal (8) angeordnet ist.
Schnellentlüftungsventilvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schließstellung des Membranventils (16) ein Teil (30) der ersten Wirkfläche (24) durch den dritten Druck (p3) und ein weiterer Teil (36) durch Atmosphärendruck belastet ist.
10. Pneumatische Einrichtung beinhaltend wenigstens eine Schnellent- lüftungsventilvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1 . Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine pneumatische oder elektro-pneumatische Bremseinrichtung, eine Luftfederungseinrichtung oder eine pneumatisch betätigte Kupp- lungs- und/oder Getriebeeinrichtung eines Fahrzeugs ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine pneumatische oder elektro-pneumatische Bremseinrichtung eines Fahrzeugs ist und wenigstens eine Schellentlüftungsvorrichtung (1 ) zwischen einem Arbeitsanschluss eines Relaisventils und we- nigstens einem Bremszylinder angeordnet ist, wobei der erste An- schluss (4) mit einer be- und entlüftbaren Bremskammer des Bremszylinders und der zweite Anschluss (6) mit einem Arbeitsanschluss des Relaisventils verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellentlüftungsvomchtung (1 ) separat ausgebildet oder in das Gehäuse des Bremszylinders integriert ist.
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