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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine
schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil
in einer ersten Ausführungsform
als 2/2-Wegeventil;
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2 eine
schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil
in einer zweiten Ausführungsform
als 2/2-Wegeventil mit einem integrierten Sensorblock;
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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;
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4 eine
schematische Schnittansicht durch das druckentlastete Schaltventil
nach einer vierten Ausführungsform
als 2/2-Wegeventil;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 2 bis 4 zeigen
jeweils in einer schematischen Schnittansicht alternative Ausgestaltungsformen
des druckentlasteten Schaltventils, wobei jeweils gleiche Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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