DE102007050151A1

DE102007050151A1 - Druckentlastetes Schaltventil und Federanlage

Info

Publication number: DE102007050151A1
Application number: DE200710050151
Authority: DE
Inventors: Miro Gudzulic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: DE102007050151B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein druckentlastetes Schaltventil mit einer Schalteinheit (SE), welche einen der einen ersten Druckraum (18) von einem zweiten Druckraum (20) unterteilenden Ventilkolben (16) aufweist, wobei der zweite Druckraum (20) durch ein Dichtelement (26) abgedichtet ist, welches zwischen dem Ventilkolben (16) und einem zugeordneten Gehäusebereich (66) angeordnet ist, wobei das Dichtelement (26) mit einer Dichtseite (67) an einer Stirnseite (68) des Ventilkolbens (16) angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Federanlage, insbesondere für einen Kraftwagen bzw. einen Lastkraftwagen, mit wenigstens einem solchen druckentlasteten Schaltventil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein druckentlastetes Schaltventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Federanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 8 angegebenen Art.
Derartige druckentlastete Schaltventile werden insbesondere in Verbindung mit Federanlagen, insbesondere pneumatische oder fluidische Anlagen in Kraft- und Schienenfahrzeugen sowie allgemein bei der Steuerung von Luftfedern im Industriebereich eingesetzt. Ebenso ist der Einsatz derartiger Schaltventile bei Anlagen mit aggressiven Medien bekannt.
Dabei ist es bislang bekannt, einen Ventilkolben einzusetzen, welcher einen ersten und einen zweiten Druckraum voneinander unterteilt. Der Ventilkolben ist dabei mittels einer Aktuatoreinheit zu schalten und somit das Schaltventil zu öffnen bzw. zu schließen, welche beispielsweise einen mit einer ortsfesten Magnetspule zusammenwirkenden längsbeweglichen Anker aufweist. Damit bei höheren Drücken die Magnetspule bzw. der längsbewegliche Anker nicht übermäßig groß gestaltet werden müssen, sind der erste und der zweite Druckraum über einen Verbindungskanal miteinander verbunden. Hierdurch ergibt sich die erwünschte Druckentlastung, wobei jedoch sichergestellt werden muss, dass der zweite Druckraum entsprechend dicht ausgebildet ist, so dass insbesondere im Schließzustand das Medium nicht in Richtung des Ausgangs des Schaltventils entweichen kann, was gegebenenfalls ein unerwünschtes Befüllen der nachgeschalteten Luftfeder zur Folge hätte. Ein Problem hierbei ist jedoch, dass der zweite Druckraum zum längsbewegbaren Kolben hin äußerst schwer und über den Lebenszyklus des Schaltventils zuverlässig abzudichten ist. Bislang erfolgt die Abdichtung durch einen außenumfangsseitig des Ventilkolbens verlaufenden O-Ring, welcher eine dynamische Dichtung gegenüber dem Ventilkolben bildet. Eine derartige dynamische Dichtung ist aber dem Verschleiß ausgesetzt und dementsprechend schwierig über den Lebenszyklus des Schaltventils dicht zu gestalten. Eine weitere Problematik wird dadurch aufgeworben, dass die Dichtung bzw. der O-Ring mit einer erheblichen Vorspannung angeordnet ist, welche sich nicht zuletzt auf die Beweglichkeit des Ventilkolbens derart auswirkt, dass größere Kräfte erforderlich sind, um diesen zwischen seinem Dichtsitz und einer Offenstellung zu bewegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein druckentlastetes Schaltventil sowie eine Luftfederanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher eine einfachere und zuverlässigere Schaltung mittels des Schaltventils gegeben ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein druckentlastetes Schaltventil sowie eine Luftfederanlage mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Um ein druckentlastetes Schaltventil zu schaffen, bei welchem eine einfachere und zuverlässigere Schaltung möglich ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Dichtelement, welches den zweiten Druckraum abdichtet und zwischen dem Ventilkolben und einem zugeordneten Gehäusebereich angeordnet ist, mit einer Dichtseite an einer Stirnseite des Ventilkolbens anzuordnen. Im Unterschied zum bisherigen Stand der Technik, bei welchem das Dichtelement üblicherweise außenumfangsseitig des Ventilkolbens als O-Ring angeordnet ist, ist es somit nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen, das Dichtelement mit seiner entsprechenden Dichtseite an der zugehörigen Stirnseite des Ventilkolbens anzuordnen. Hierdurch ist es möglich, den längsbeweglichen Ventilkolben fest mit dem Dichtelement zu verbinden, so dass sich die Problematik eines Verschleißens des Dichtelements über den Lebenszyklus des Schaltventils in weitaus geringerem Maße ergibt. Vielmehr ist mit dem erfindungsgemäßen Dichtelement eine nicht dynamische Dichtung geschaffen, welche unmittelbar bzw. fest mit dem Ventilkolben verbunden ist. Es liegt also keine Relativbewegung zwischen der entsprechenden Dichtseite des Dichtelements und dem Ventilkolben vor, so dass ein entsprechender Austritt von unter Druck stehendem Medium in diesem Bereich nicht möglich ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn das Dichtelement auch als Federelement ausgebildet ist, mittels welchem der Ventilkolben in einen Dichtsitz zu bewegen bzw. in dem Dichtsitz zu halten ist. Mit anderen Worten ergibt sich eine besonders günstige Ausführungsform des Schaltventils, wenn das Dichtelement auch die Federfunktion übernimmt, so dass keine zusätzliche Druckfeder erforderlich ist.
Das Dicht- und/oder Federelement ist dabei vorzugsweise als Faltenbalg, und insbesondere als Metallbalg gestaltet, um hierdurch eine beim Schalten des Schaltventils erforderliche Längsbewegung des Ventilkolbens auszugleichen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Dicht- und/oder Federelement mit einer Dichtseite an einer Stirnseite des Gehäusebereichs angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es somit möglich, das Dicht- und/oder Federelement auf der der Stirnseite des Ventilkolbens gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäusebereichs anzuordnen, so dass beispielsweise das Dicht- und/oder Federelement als im Wesentlichen zylinderförmiger Faltenbalg ausgebildet sein kann, welcher entsprechend einfach herstellbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Ventilkolben eine konische Dichtfläche auf, welche mit einem gehäuseseitigen Dichtteil korrespondiert. Insbesondere bei einer Flüssigkeit wie Öl als Medium ist eine derartige Ausgestaltung vorteilhaft, weil hierdurch beispielsweise im Bereich des gehäuseseitigen Dichtteils auf eine Dichtung, insbesondere eine Gummidichtung, verzichtet werden kann, da derartige Flüssigkeiten oftmals äußerst aggressiv sind. Ein weiterer Vorteil der konischen Dichtfläche besteht darin, dass beim anfänglichen Öffnen des Ventilkolbens eine gut kontrollierbare Menge an Medium überströmt. Das gehäuseseitige Dichtteil kann insbesondere ein Gehäusebereich sein, welcher durch eine entsprechende Metallfläche bzw. Metallkante gebildet ist. Gleichfalls wäre es in einer anderen Ausführungsform jedoch auch denkbar, dass es sich bei dem gehäuseseitigen Dichtteil um eine elastische Dichtung handelt. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn die Anbringung eines elastischen Dichtteils auf Seiten des Ventilkolbens sich als schwierig gestalten sollte. Ein weiterer Vorteil eines elastischen gehäuseseitigen Dichtteils kann darin bestehen, dass die durchströmende Menge an Medium äußerst gut dosiert bzw. geregelt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Aktuatoreinheit zum Bewegen des Ventilkolbens vorgesehen, welche einen Sensorblock und eine Steuereinrichtung umfasst. Mit anderen Worten ist es somit besonders vorteilhaft, wenn dem jeweiligen Schaltventil ein separater Sensorblock, beispielsweise mit einem Mikroprozessor, zugeordnet ist. Die jeweiligen Sensorblöcke der einzelnen Schaltventile können dann über entsprechende Steuerleitungen mit einer Masterschaltung verbunden sein, über welche die gesamte Luftfederanlage steuerbar ist. Eine solche Steuerleitung kann beispielsweise ein CAN-Bus sein. Die Steuereinrichtung bzw. der Mikroprozessor können auch genutzt werden, um ein Signal eines Höhensensors einer Luftfeder, welcher beispielsweise kontaktlos ist, auszuwerten bzw. zu verarbeiten, so dass das drucklose Schaltventil insgesamt mittels der Aktuatoreinheit betätigt werden kann, wenn ein entsprechendes Signal des Höhensensors der entsprechend zugeordneten Luftfeder vorliegt.
Als zudem vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Aktuatoreinheit einen Proportionalmagneten umfasst, mittels welchem der Ventilkolben zu schalten ist. Mit einem derartigen Proportionalmagneten steigt der Weg, welcher durch den Magneten bzw. den Anker auf den Ventilkolben übertragen wird, proportional zum anliegenden Strom an. Hierdurch ist eine besonders einfache und gleichmäßige Hubverstellung des Ventilkolbens möglich. Damit einhergehend kann dann der Durchfluss des Mediums, insbesondere der Luft, proportional zum am Magnet anliegenden Strom gesteuert werden. Ein weiterer Vorteil des Proportionalmagneten liegt darin, dass beispielsweise auf einfache Weise eine Regelung zu erreichen ist, bei welcher zunächst eine große oder maximale Durchflussmenge durch das Schaltventil eingestellt wird, bis beispielsweise 90% des Mediums, mit welchem die Luftfeder befüllt werden soll, das Schaltventil durchströmt hat. Die restlichen 10% können dann auf einfache Weise entsprechend verringert hindurchgelassen werden, um somit äußerst feindosiert an das gewünschte Endvolumen der Luftfeder zu gelangen.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem druckentlasteten Schaltventil beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für die Federanlage gemäß Patentanspruch 8. Diese zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass wenigstens ein druckentlastetes Schaltventil der vorstehend genannten Art eingesetzt ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht dabei vor, dass pro Luftfeder jeweils ein Schaltventil zum Belüften und ein Schaltventil zum Entlüften der jeweiligen Luftfeder vorgesehen ist. Hierdurch ergeben sich besonders schnelle Reaktionszeiten, so dass beispielsweise bei einem Kraftwagen eine Federung bereitgestellt werden kann, welche entsprechende Fahrbahnunebenheiten besonders günstig und schnell ausgleichen kann. Ein weiterer Vorteil einer solchen Luftfederanlage liegt darin, dass bei einem Kraftwagen in Kurvenfahrten entsprechend schnell gegengesteuert werden kann, indem ein entsprechendes Befüllen bzw. Entfüllen des Federelements – insbesondere ein Belüften bzw. ein Entlüften – vorgenommen wird. Somit wird beim Kraftwagen mit einer derartigen Federanlage ein besonders günstiges Fahrverhalten erreicht, welche sich dadurch auszeichnen, dass sowohl Fahrbahnunebenheiten wie auch entsprechende Wankbewegungen bei Kurvenfahrten – jedenfalls im merkbaren Maße – vermieden werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Federanlage dabei eine Rückleitung, über welche das aus der Luftfeder entlassene Medium, insbesondere die Luft, in einem Speicher zu sammeln ist. Somit ergibt sich ein geschlossenes System, so dass beispielsweise ein völlig kompakter Kompressor eingesetzt werden kann.
Um dabei besonders schnelle Reaktionszeiten bei einer Federanlage für einen Kraftwagen zu erreichen, hat es sich des Weiteren als vorteilhaft gezeigt, wenn für jede Fahrzeugachse jeweils ein separater Speicher vorgesehen ist.
Alternativ zu einem geschlossenen System kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch eine Entlassungsleitung vorgesehen sein, über welche das aus der Luftfeder entlassene Medium, insbesondere die Luft, in die Umgebung zu entlassen ist.
Insgesamt ist somit erkennbar, dass vorliegend ein Schaltventil bzw. eine zugehörige Luftfederanlage möglich ist, welche sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass Ventile mit äußerst großen Nennweiten von beispielsweise 20 mm durch beispielsweise eine Aktuatoreinheit zu betätigen sind, deren Magnetspule beispielsweise eine äußerst geringe Leistung von zwischen 10 und 20 Watt aufweist, während derartige Magnetspulen bisher zumindest eine doppelt so große Leistung aufweisen mussten. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass zwischen dem Ventilkolben und dem Dichtelement keine dynamische Dichtung mehr erforderlich ist, sondern vielmehr eine statische.
Da hierdurch eine Aktuatoreinheit mit beispielsweise einer Magnetspule eingesetzt werden kann, deren Leistung viel geringer ist, ergibt sich eine äußerst kompakte Baueinheit bei einer hierauf bezogen äußerst großen Nennweite des Schaltventils. Somit eignet sich das vorliegende Schaltventil auch in besonders guter Weise, um bei aktuell bereits bestehenden Federanlagen, beispielsweise Luftfederanlagen von Kraftwagen, die bisherigen Ventile zu ersetzen. Da im Umkehrschluss ein Schaltventil mit einer – relativ gesehen – sehr großen Nennweite bereitgestellt werden kann, obwohl die Magnetspule bzw. deren Leistung relativ gering ist, ergeben sich hohe Durchflussmengen am Medium und somit ein äußerst schnelles Reagieren der Federanlage, beispielsweise einer Luftfederanlage.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1 eine schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil in einer ersten Ausführungsform als 2/2-Wegeventil;
2 eine schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil in einer zweiten Ausführungsform als 2/2-Wegeventil mit einem integrierten Sensorblock;
3 eine schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil in einer dritten Ausführungsform als 2/2-Wegeventil, bei welchem ein Ventilkolben eine konische Dichtfläche aufweist, welche mit einem gehäuseseitigen Dichtteil korrespondiert;
4 eine schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil nach einer vierten Ausführungsform als 2/2-Wegeventil;
5 einen Schaltplan einer Federanlage für einen Kraftwagen, insbesondere einen Lastkraftwagen, mit einer Mehrzahl von druckentlasteten Schaltventilen nach einer der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4; und in
6 einen Schaltplan einer weiteren Luftfederanlage für einen Kraftwagen, insbesondere einen Lastkraftwagen, mit einer Mehrzahl von druckentlasteten Schaltventilen nach einer der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 4.
In 1 ist in einer Schnittansicht ein druckentlastetes Schaltventil dargestellt, welches als wesentliche Baueinheiten eine Schalteinheit SE und eine Aktuatoreinheit AE umfasst. Die Schalteinheit SE umfasst dabei zwei Gehäuseteile 10, 12, welche miteinander verbunden sind. Eine Dichtung 14, welche vorliegend als O-Dichtung ausgestaltet ist, dichtet die beiden Gehäuseteile 10, 12 gegen einen Austritt des Mediums ab. Das Gehäuseteil 10 weist einen Eingangsanschluss E und einen Ausgangsanschluss A für das Medium, im vorliegenden Druckluft, auf. Des Weiteren ist innerhalb der beiden Gehäuseteile 10, 12 ein längsbeweglicher Ventilkolben 16 angeordnet, mittels welchem ein Weg durch einen ersten Arbeitsraum 18 freigegeben werden kann, so dass – das Medium vom Eingangsanschluss E zum Ausgangsanschluss A bzw. umgekehrt vom Ausgangsanschluss A zum Eingangsanschluss E überströmen kann.
Der erste Druckraum 18 ist durch den Ventilkolben 16 von einem zweiten Arbeitsraum 20 unterteilt, welcher sich in 1 rechts des ersten Arbeitsraums 18 befindet. Der zweite Arbeitsraum 20 wird dabei durch einen Innenraum 22 des etwa hülsenförmigen Ventilkolbens 16 sowie durch einen weiteren Innenraum 24 eines Dichtelements 26 gebildet.
Die beiden Arbeitsräume, der erste Arbeitsraum 18 und der zweite Arbeitsraum 20, sind über einen Verbindungskanal 28 miteinander verbunden, welcher in einen Deckel 30 des Ventilkolbens 16 eingebracht ist. Hierdurch ergibt sich die nachfolgend noch näher beschriebene Druckentlastung des Schaltventils bzw. der Schalteinheit SE.
Der Deckel 30 des Ventilkolbens 16 weist an seiner dem ersten Arbeitsraum 18 zugewandten Seite eine Ringdichtung 32 auf, welche in der hier gezeigten Schließstellung des Ventilkolbens 16 für einen zuverlässigen Dichtsitz sorgt. Hierzu liegt die Ringdichtung 32 in der in 1 gezeigten Schließstellung des Ventilkolbens 16 dichtend an einer Ringschulter 38 des ersten Gehäuseteils 10 an. Auf der der Ringdichtung 32 abgewandten Seite des Deckels 30 ist eine Dämpfungsscheibe 34 angeordnet, welche beim vollständigen Öffnen des Ventilkolbens 16 an einer Gegenfläche 36 des zweiten Gehäuseteils 12 dämpfend in Anlage kommt.
Die Aktuatoreinheit AE umfasst einen separaten Gehäuseteil 40, welcher mit dem Gehäuseteil 10 der Schalteinheit SE fest verbunden ist, und zwar unter Zwischenanordnung einer Dichtung 42, welche hier als O-Ring ausgebildet ist. Durch eine Öffnung 46 einer Wand 44 des Gehäuseteils 40 erstreckt sich ein Ankerstößel 48 eines Ankers 50, welcher sich innerhalb eines Ankerraums 52 der Aktuatoreinheit AE befindet. Der Ankerstößel 48 steht dabei mit dem Deckel 30 des Ventilkolbens 16 in Kontakt. Unter Kontakt kann dabei zu verstehen sein, dass der Ankerstößel 48 fest mit dem Deckel 30 verbunden, oder aber von diesem getrennt ausgebildet ist und lediglich bei entsprechender Betätigung der Magnetspule 58 derart auf den Deckel 30 des Ventilkolbens 16 drückt, dass dieser aus seinem Dichtsitz bewegt wird. Der Ankerraum 52 ist gegenüber einem nicht weiter dargestellten, aber ortsmäßig definierten Wegsensor 45 über eine Wand 56 aus Kunststoffmaterial abgetrennt. In 1 im linken oberen Bereich ist ein Stecker 60 zu erkennen, an welchem eine Leitung zur Übermittlung von Signalen von einer nicht gezeigten Steuerung an eine ortsfest innerhalb des Ankerraums 52 angeordneten Magnetspule 58 geleitet werden können. Mit dem Stecker 60 ist eine Leiterplatte 62 welche mit einem Mikroprozessor 64 zusammenarbeitet, angeordnet. Der Anker 50 und die Magnetspule 58 sind durch die Wand 44 druckdicht vom Wegsensor 54 getrennt angeordnet. Elektrische Anschlüsse für die Magnetspule 58 und den Wegsensor 54 sind mit der Leiterplatte 62 verbunden. Über den elektrischen Stecker 60 folgt die Kommunikation der abgebildeten Vorrichtung mit einer nicht gezeigten Steuerung.
Wird nun am Eingangsanschluss E ein Medium, hier Druckluft, angelegt, strömt dieses zunächst in den ersten Arbeitsraum 18 und über den Verbindungskanal 28 in den zweiten Arbeitsraum 20 ein. Hierdurch entsteht der erwünschte Druckausgleich der beiden Arbeitsräume 18, 20, welcher dazu führt, dass der Ventilkolben 16 mit einer relativ geringen Kraft der Magnetspule 58 bzw. des Ankers 50 betätigt werden kann. Da die beiden Arbeitsräume 18, 20 einen zumindest annähernd identischen Durchmesser aufweisen, besteht hierdurch die Möglichkeit, dass der Ventilkolben 16 mit einer relativ geringen Kraft betätigt werden kann. Im Ergebnis führt dies dazu, dass eine relativ klein dimensionierte Magnetspule 58 bzw. ein entsprechender Anker 50 verwendet werden können, auch wenn äußerst hohe Arbeitsdrücke erforderlich sind. Soll das druckentlastete Schaltventil beispielsweise bei einer Luftfederanlage eines Kraftwagens, insbesondere eines Lastkraftwagens, zum Einsatz kommen, so treten beispielsweise an der Eingangsseite bzw. dem Eingangsanschluss E Luftdrücke von etwa 16 bar auf. Am Ausgangsanschluss A, welcher mit der im Weiteren noch näher erläuterten zugehörigen Luftfeder verbunden ist, liegt beispielsweise ein Druck von dann etwa 10 bar an. Aufgrund von Fahrbahnunebenheiten bzw. Fahrwerksbewegungen können dabei auch Spitzendrücke bis zu 25 bar am Ausgangsanschluss A, welcher mit der Luftfeder in Verbindung steht, auftreten. Obwohl dies äußerst hohe Drücke sind, kann die Magnetspule 58 und der Anker 50 – und somit die Aktuatoreinheit AE insgesamt – äußerst kompakt dimensioniert werden.
Die Besonderheit des vorliegenden druckentlasteten Schaltventils liegt nun in der konkreten Gestaltung des Dichtelements 26. Dieses Dichtelement 26, welches zwischen dem Ventilkolben 16 und einem zugeordneten Gehäusebereich 66 des Gehäuseteils 12 angeordnet ist, ist mit einer Dichtseite 67 an einer Stirnseite 68 des Ventilkolbens 16 auf dessen dem Deckel 30 abgewandten Seite angeordnet. Auf einer anderen Dichtseite 69 ist das Dichtelement 26 am Gehäusebereich 66, und zwar an dessen Stirnseite, festgelegt. Insgesamt ist somit erkennbar, dass das Dichtelement 26 im Wesentlichen zylinderförmig gestaltet ist.
Das Dichtelement 26 ist dabei als Faltenbalg gestaltet. In der hier gezeigten besonderen Ausführungsform ist das Dichtelement 26 darüber hinaus auch als Federelement ausgebildet, mittels welchem der Ventilkolben in seinen in 1 erkennbaren Dichtsitz zu bewegen bzw. in dem Dichtsitz zu halten ist. Aus diesem Grund ist das Dichtelement 26 vorliegend als federnd nachgiebiger bzw. als Feder wirkender Metallbalg gestaltet.
Da zwischen den beiden Arbeitsräumen 18, 20 ein Druckausgleich – über den Verbindungskanal 28 – vorliegt, sorgt das Dichtelement 26 mit seiner federnden Wirkung somit dafür, dass der Ventilkolben 16 sicher in seinem Dichtsitz gehalten ist. Wird nun der Ventilkolben 16 durch den Ankerstößel 48 – nach entsprechendem Anlegen eines Stroms an die Magnetspule 58 – betätigt, so muss dieser im Wesentlichen lediglich die Federkraft des Dichtelements 26 überwinden, um den Dichtsitz zwischen dem Ventilkolben 16 bzw. dessen Ringdichtung 32 und der Ringschulter 38 des Gehäuseteils 10 zu lösen bzw. zu öffnen.
Wird demzufolge an der Magnetspule 58 Strom angelegt, bewegt sich der Anker 50 in 1 nach rechts gegen den Ventilkolben 16 gegen die Federkraft des Dichtelements 26 und hebt den Ventilkolben 16 aus seinem Dichtsitz. Das am Eingangsanschluss E angelegte Medium, hier die Druckluft, strömt jetzt vom Eingangsanschluss E (Druckluftquelle) zum Ausgangsanschluss A (Verbraucher bzw. Luftfeder). Der Anker 50 bewegt den Ventilkolben 16 so lange, bis die Dämpfungsscheibe 34 an der Gegenfläche 36 aufliegt. Der Ventilkolben 16 bewegt sich in der hier abgebildeten Darstellung um den maximalen Ventilkolbenhub S1. Aufgrund der Tatsache, dass der Hub S des Ankers 50 größer ist als der Hub S1 des Ventilkolbens 16 bleibt immer ein Spalt zwischen dem Anker 50 und der Magnetspule 58. Mit anderen Worten kann der Anker 50 mit einer Ankerplatte 70 nicht an der Magnetspul 58 kleben bleiben. Die Druckluft strömt so lange vom Eingangsanschluss E bis zum Ausgangsanschluss A, wie der Strom zur Magnetspule 58 fließt. Wird der Strom abgeschaltet, dann wird der Anker 50 kraftlos und unter der Wirkung der Federkraft des Dichtelements 26 über den Ventilkolben 16 in die in 1 dargestellte Iststellung zurückbewegt. Der Ventilkolben 16 liegt dann wieder auf dem Ventilsitz auf und die Strömung der Druckluft vom Eingangsanschluss E zum Ausgangsanschluss A wird unterbrochen.
Um nun die Druckluft vom Verbraucher, insbesondere der Luftfeder, zu entleeren, wird wiederum Strom an die Magnetspule 58 angelegt, und der Anker 50 sowie der Ventilkolben 16 werden gegen die Federkraft des Dichtelements 16 bewegt, so dass dieser von seinem Dichtsitz abgehoben wird. In der Folge strömt die Druckluft vom Ausgangsanschluss A zum Eingangsanschluss E, und zwar wiederum so lange, bis der Strom an der Magnetspule 58 abgeschaltet wird, so dass der Anker 50 kraftlos wird und die Federkraft des Dichtelements 26 dafür sorgt, dass der Ventilkolben 16 zurück in seinen Dichtsitz kommt. Über den Wegsensor 54 kann dabei der Hub S des Ankers 50 ständig gemessen und mit Hilfe des Mikroprozessors 64 oder anderer nicht gezeigter Mittel ausgewertet und analysiert sowie für weitere Steuerungen verwendet werden.
Die 2 bis 4 zeigen jeweils in einer schematischen Schnittansicht alternative Ausgestaltungsformen des druckentlasteten Schaltventils, wobei jeweils gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 insbesondere dadurch, dass das dortige Dichtelement 26 selbst nicht als Federelement gestaltet ist, wie dies bei der Ausführungsform gemäß 1 der Fall ist. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist vorliegend nämlich das Dichtelement 26 nicht zusätzlich auch als Federelement ausgestaltet, sondern vielmehr ist eine separate Druckfeder 72 vorgesehen, mittels welcher der Ventilkolben 16 in seinem Dichtsitz, welcher durch die Ringdichtung 32 und die Ringschulter 38 bestimmt ist, gehalten wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Dichtelement 26 wiederum als Faltenbalg, jedoch beispielsweise aus einem Kunststoff- oder Gummimaterial, beschaffen sein.
Eine weitere Besonderheit der Ausführungsform gemäß 2 besteht darin, dass die dortige Aktuatoreinheit AE einen Sensorblock 72 mit einer Steuereinrichtung, welche beispielsweise einen Mikroprozess umfasst, an der der Schalteinheit SE abgewandten Seite der Aktuatoreinheit AE angeordnet ist. Bei einer derartigen Luftfederanlage kann beispielsweise jedem druckentlasteten Schaltventil ein derartiger Sensorblock 74 zugeordnet sein, wobei die einzelnen Sensorblöcke dann über elektrische Steuerleitungen mit einer Masterschaltung verbunden werden können. Eine solche Steuerleitung könnte beispielsweise einen CAN-Bus umfassen. Des Weiteren umfasst der Sensorblock 74 einen Wegsensor 76, welcher nach Art des Wegsensors 45 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 funktioniert.
Die Magnetspule 58 ist vorliegend als Proportionalmagnet gestaltet, mittels welchem der Ventilkolben 16 zu schalten ist. Mit einem derartigen Proportionalmagneten steigt der Weg, welcher durch den Magneten bzw. den Anker 50 auf den Ventilkolben 16 übertragen wird, proportional zum anliegenden Strom an. Hierdurch ist eine besonders einfache und gleichmäßige Hubverstellung – messbar durch den Wegsensor 76 – des Ventilkolbens 16 möglich. Damit einhergehend kann dann somit der Durchfluss des Mediums, insbesondere der Luft, proportional zum am Magnet 58 anliegenden Strom gesteuert werden. Ein weiterer Vorteil des Proportionalmagneten 58 liegt dann, dass beispielsweise auf einfache Weise eine Regelung zu erreichen ist, bei welcher zunächst eine große oder maximale Durchflussmenge durch das Schaltventil eingestellt wird, bis beispielsweise 90% des Mediums, mit welchem die Luftfeder befüllt werden soll, das Schaltventil durchströmt hat. Die restlichen 10% können dann auf einfache Weise entsprechend verringert hindurchgelassen werden, um somit äußerst feindosiert an das gewünschte Endvolumen der Luftfeder zu gelangen.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 weist der Ventilkolben 16 eine konische Dichtfläche 78 auf, welche mit einem gehäuseseitigen Dichtteil 80 zusammenwirkt. Bei einer derartigen konusförmigen Ausgestaltung der Dichtfläche 78 kann gegebenenfalls auf eine Dichtung, wie diese beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß 1 mit der Dichtung 32 erfolgt, verzichtet werden. Vielmehr kann hier der aus Metall bestehende Ventilkolben 16 unmittelbar am Dichtteil 80 an seinem Dichtsitz aufliegen. Dies ist insbesondere bei aggressiven Medien, beispielsweise bei Flüssigkeiten, von Vorteil, weil hierbei Gummidichtungen oder dergleichen einem erhöhten Verschleiß unterliegen. Ein weiterer Vorteil einer derartigen konischen Dichtfläche liegt darin, dass schon bei geringen Hüben ein Durchfluss erreicht wird, welcher äußerst genau zu steuern ist. Somit eignet sich das druckentlastete Schaltventil gemäß 3 insbesondere auch beim Einsatz von Hydrauliköl. In 3 ist darüber hinaus eine Ringdichtung 81 gestrichelt angedeutet, welche an Stelle des gehäuseseitigen Dichtteils 80 vorgesehen sein kann. Mit anderen Worten ergibt sich dann eine Ausführungsform, bei welcher die konische Dichtfläche 78 des Ventilkolbens 16 mit der Ringdichtung 81 zusammenwirkt. Die Ringdichtung 81 kann dabei beispielsweise elastisch gestaltet sein, um einen besonders zuverlässigen Dichtsitz des Ventilkolbens 16 zu gewährleisten. Ein Vorteil einer derartigen Ringdichtung 81 ist es, dass hierdurch eine Durchflussmenge an Medium äußerst genau dosiert werden kann.
Die Ausführungsform gemäß 4 zeigt eine der Ausführungsform gemäß 1 weitestgehend ähnliche Anordnung, wobei das Dichtelement 26 wiederum auch als Federelement dient und demzufolge als federnd nachgiebiger Metallbalg gestaltet ist. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist jedoch vorliegend das Dichtelement 26 auf der der Aktuatoreinheit AE zugewandten Seite des Ventilkolbens 16 angeordnet. Die Bewegung des Ventilkolbens 16 bzw. des Ankerstößels 48 erfolgt dabei in kinematischer Umkehr zu den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3.
Die 5 und 6 zeigen jeweils einen Schaltplan einer Federanlage für einen Kraftwagen, insbesondere einen Lastkraftwagen, bei welcher vier Federelement 82 – jeweils pro Fahrzeugachse zwei – vorgesehen sind. Die Federanlage umfasst dabei einen Kompressor 84, mittels welchem Druckluft zu erzeugen ist, welche von der Umgebung über einen Filter 86 angesaugt werden kann. Über einen Trockner 88 sind hierdurch zwei Druckluftspeicher 90, 92 befüllbar, wobei für jede Fahrzeugachse jeweils einer der Druckluftspeicher 90, 92 vorgesehen ist. Des Weiteren umfasst die Federanlage eine Spülleitung 94, welche durch ein Ventil 96 zu schalten ist und mittels welcher der Trockner 88 zu spülen ist.
Jedem der Federelemente 82 bzw. Luftfedern sind vorliegend zwei druckentlastete Schaltventile 98, 100 nach einer der Ausführungsformen gemäß in 1 bis 4 zugeordnet, wobei jeweils ein Schaltventil 98 zum Belüften und das andere Schaltventil 100 zum Entlüften des korrespondierenden Federelements 82 vorgesehen ist. Die Schaltventile 98 zum Belüften der Luftfeder 82 sind dabei mit dem korrespondierenden Speicher 90 bzw. 92 verbunden. Die Schaltventile 100 zum Entlüften der Federanlage sind vorliegend über eine jeweilige, gestrichelt angedeutete Rückleitung 102 wiederum mit der Eingangsseite des Kompressors 84 verbunden. Demzufolge handelt es sich vorliegend um ein geschlossenes System, bei welchem die aus den Luftfedern 82 abgelassene Druckluft wieder in das System zurückgeleitet wird.
In das jeweilige Federelement 82 – vorliegend in Form der Luftfeder – ist jeweils ein Höhensensor 104 integriert, mittels welchem eine entsprechende Luftfederhöhe des Federelements 82 zu ermitteln ist. Die durch den jeweiligen Höhensensor 104 ermittelten Werte wurden beispielsweise entsprechend an die Steuereinrichtung mit dem Mikroprozessor 64 oder an den Sensorblock 74 mit einer entsprechenden Steuereinrichtung weitergegeben. Aufgrund der durch den jeweiligen Höhensensor 104 ermittelten Werte können somit die zugehörigen Schaltventile 98, 100 geschaltet bzw. deren jeweilige Magnetspulen 58 bestromt werden. Die Informationen der jeweiligen Höhensensoren 104 werden auch zu der Masterschaltung der Federanlage weitergegeben, um entsprechend weiterverarbeitet zu werden. Die Masterschaltung sorgt dann über entsprechende Signale für das Zusammenwirken der jeweiligen Schaltventile 98, 100. Insgesamt bleibt somit festzuhalten, dass die eigentliche Verarbeitung der Signale, welche durch die Höhensensoren 104 ermittelt werden, innerhalb der Schaltventile 98, 100 selbst erfolgt. Die Masterschaltung hingegen dient lediglich zur Vorgabe einer beispielsweise durch den Fahrer wählbaren Fahrzeughöhe, welche sich beispielsweise nach Belastungen oder dergleichen richtet.
Aufgrund der ermittelten Werte können somit die beiden Schaltventile 98, 100 des jeweiligen Federelements 82 geschaltet werden. Insbesondere wenn dabei jedes Schaltventil einen separaten Sensorblock 74 umfasst, erfolgt dies äußerst schnell. Die einzelnen Sensorblöcke 74 sind dann bevorzugt über die Masterschaltung miteinander verbunden. Hierdurch sind äußerst schnelle Schaltzeiten der Schaltventile 98, 100 möglich, wodurch sich eine äußerst reaktionsschnelle Federanlage ergibt.
Schließlich zeigt der Schaltplan gemäß 6 eine im Wesentlichen identisch funktionierende Federanlage. Diese unterscheidet sich von derjenigen gemäß 5 insbesondere dadurch, dass von den Schaltventilen 100, welche zum Entlüften der jeweils zugehörigen Luftfeder 82 dienen, eine jeweilige Rückleitung 102 nicht vorgesehen ist. Vielmehr wird Luft, welche aus den Federelementen 82 bzw. Luftfedern abgelassen wird, nach den Schaltventilen 100 über jeweilige Entlassungsleitungen ins Freie entlassen. Es ist klar, dass dies nur bei einem entsprechenden Medium wie beispielsweise Druckluft möglich ist.
Als im Rahmen der Erfindung mitumfasst ist es insbesondere zu betrachten, dass die in den 1 bis 4 beschriebenen Bauteile über alle Ausführungsformen variiert bzw. kombiniert werden können. So ist es insbesondere auch denkbar, einen Sensorblock 74 bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 3 und 4 einzusetzen. Ebenso im Rahmen der Erfindung als mitumfasst ist es zu betrachten, dass die Federanlage pro Federelement 82 natürlich auch lediglich mit einem druckentlasteten Schaltventil zu betätigen wäre. Die Ausgestaltung mit zwei druckentlasteten Schaltventilen 98, 100 hat jedoch insbesondere den Vorteil von besonders schnellen Schalt- bzw. Reaktionszeiten.

10, 12: Gehäuseteil
14: Dichtung
16: Ventilkolben
18: erster Arbeitsraum
20: zweiter Arbeitsraum
22, 24: Innenraum
26: Dichtelement
28: Verbindungskanal
30: Deckel
32: Ringdichtung
34: Dämpfungsscheibe
36: Gegenfläche
38: Ringschulter
40: Gehäuseteil
42: Dichtung
44: Wand
46: Öffnung
48: Ankerstößel
50: Anker
52: Ankerraum
54: Wegsensor
56: Wand
58: Magnetspule
60: Stecker
62: Leiterplatte
64: Mikroprozessor
66: Gehäusebereich
67: Dichtseite
68: Stirnseite
69: Dichtseite
70: Ankerplatte
72: Druckfeder
74: Sensorblock
76: Wegsensor
78: Dichtfläche
80: Dichtteil
81: Dichtung
82: Federelement
84: Kompressor
86: Filter
88: Trockner
90, 92: Druckluftspeicher
94: Spülleitung
96: Ventil
98, 100: Schaltventil
102: Rückleitung
104: Höhensensor
A: Anschluss
AE: Aktuatoreinheit
E: Anschluss
SE: Schalteinheit

Claims

Druckentlastetes Schaltventil mit einer Schalteinheit (SE), welche einen der einen ersten Druckraum (18) von einem zweiten Druckraum (20) unterteilenden Ventilkolben (16) aufweist, wobei der zweite Druckraum (20) durch ein Dichtelement (26) abgedichtet ist, welches zwischen dem Ventilkolben (16) und einem zugeordneten Gehäusebereich (66) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (26) mit einer Dichtseite (67) an einer Stirnseite (68) des Ventilkolbens (16) angeordnet ist.
Druckentlastetes Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (26) auch als Federelement ausgebildet ist, mittels welchem der Ventilkolben (16) in einen Dichtsitz zu bewegen bzw. in dem Dichtsitz zu halten ist.
Druckentlastetes Schaltventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dicht- und/oder Federelement (26) als Faltenbalg, insbesondere als Metallbalg, ausgebildet ist.
Druckentlastetes Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dicht- und/oder Federelement (26) mit einer Dichtseite (69) an einer Stirnseite des Gehäusebereichs (66) angeordnet ist.
Druckentlastetes Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (16) eine konische Dichtfläche (78) aufweist, welche mit einem gehäuseseitigen Dichtteil korrespondiert.
Druckentlastetes Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aktuatoreinheit (AE) vorgesehen ist, welche einen Sensorblock (74) mit einer Steuereinrichtung umfasst.
Druckentlastetes Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Proportionalmagnet (58) vorgesehen ist, mittels welchem der Ventilkolben (16) zu schalten ist.
Federanlage, insbesondere für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem Federelement (82), insbesondere einer Luftfeder, welches über wenigstens ein Schaltventil (98, 100) zu belüften und/oder zu entlüften ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (98, 100) als druckentlastetes Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
Federanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei druckentlastete Schaltventile (98, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 pro Federelement (82) vorgesehen sind, wobei ein Schaltventil (98) zum Belüften und ein Schaltventil (100) zum Entlüften des Federelements (82) vorgesehen ist.
Federanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückleitung (102) vorgesehen ist, über welche das aus dem Federelement (82) entlassene Medium, insbesondere die Luft, in einem Speicher (90, 92) zu sammeln ist.
Federanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanlage bei einem Kraftwagen eingesetzt ist, wobei für jede Fahrzeugachse jeweils ein Speicher (90, 92) vorgesehen ist.
Federanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlassungsleitung vorgesehen ist, über welche das aus dem Federelement (82) entlassene Medium, insbesondere die Luft, in die Umgebung zu entlassen ist.