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Druckverhältnisventil für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckverhältnisventil für Bremsanlagen
von Kraftfahrzeugen, mit einem auf seiner kleinen Wirkfläche vom Steuer druck und
auf seiner größeren Wirkfläche vom ausgesteuerten Druck beaufschlagten Differenzialkolben
sowie mit einem vom Steuerdruck auf einer Wirkfläche beaufschlagten, auf einer Feder
gehäuseseitig abgestützten Hilfskolben, der beim Überschreiten des durch die Feder
festgelegten Druckwertes durch den Steuerdruck eine kraftschlüssige Verbindung mit
dem Differenzialkolben unter Addition der Wirkflächen des Differenzialkolbens und
des Hilfskolbens eingeht.
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Derartige Druckverhältnisventile sind aus der US-PS 3 492 052 oder
der DE-AS 16 55 774 bekannt. In dem Differenzialkolben ist dabei ein Doppelventilkörper
federnd aufgehängt, der mit dem Gehäuse ein Auslaßventil und mit dem Differenzialkolben
ein Einlaßventil bildet. Wenn der Differenzialkolben durch eine gehäuseseitig abgestützte
Feder im öffnungssinne des Einlaßventiles vorgespannt gegen Anschläge gehalten wird,
wird damit erreicht, daß das Einlaßventil bei Beginn einer Druckluftdurchsteuerung,
also bei Beginn einer Bremsung, offensteht, so daß der eingesteuerte Druck als ausgesteuerter
Druck durchgesteuert wird. Fehlt eine solche Feder, dann wird von Anfang an eine
Druckuntersetzung entsprechend den Wirkflächen des Differenzialkolbens erreicht.
Der ausgesteuerte Druck wächst also in einem ersten Druckbereich schwächer als der
eingesteuerte Druck. In einem zweiten Druckbereich soll der ausgesteuerte Druck
wieder stärker ansteigen als der eingesteuerte Druck. Schließlich soll der ausgesteuerte
Druck gleich dem eingesteuerten Druck sein.
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Eine solche Kennlinie des ausgesteuerten Druckes über dem eingesteuerten
Druck ist insbesondere für die Abbremsung einer Vorderachse eines Kraftfahrzeuges
unter Beachtung der Verhältnisse der Auslegung der jeweiligen Radbremsen und der
dynamischen Achslastverlagerung
beim Bremsen sinnvoll. Eine derartige
Kennlinie wird bei den bekannten Druckverhältnisventilen bereits erreicht. Jedoch
muß die den Hilfskolben gehäuseseitig abstützende Feder relativ stark ausgebildet
sein, weil der Hilfskolben von Anfang an auf seiner dem Steuerdruck zugekehrten
Wirkfläche beaufschlagt wird. Bei einer Steigerung des Steuerdruckes bleibt der
Hilfskolben infolge der ihn belastenden Feder zunächst in Ruhe und es bewegt sich
nur der Differenzialkolben, wobei aufgrund der væschiedenen Wirkflächen der ausgesteuerte
Druck weniger stark ansteigt als der eingesteuerte Druck. Oberhalb eines bestimmten
Steuerdruckes wird die Kraft der den Hilfskolben belastenden Feder überwunden, so
daß der Hilfskolben in Richtung auf den Differenzialkolben verschoben wird. Nach
tberwindung des Abstandes zwischen den zueinander gehörigen Anschlägen des Hilfskolbens
und des Differenzialkolbens geht der Hilfskolben eine kraftschlüssige Verbindung
mit dem Differenzialkolben ein. Der auf diese Weise gebildete Kolbenverbund weist
auf der Seite des Steuerdruckes eine größere Fläche als auslaßseitig auf. Damit
wird eine Kennlinie erreicht, bei der der ausgesteuerte Druck entsprechend abgeknickt.
Da sich bei diesen bekannten Druckverhältnisventilen zu Beginn der Drucksteigerung
nur der Differenzialkolben bewegt, der Hilfskolben jedoch zunächst in Ruhe bleibt,
muß der Hilfskolben nachfolgend einen von der jeweiligen Stellung des Differenzialkdbens
abhängigen Weg zurücklegen, bis er in Anlage an dem Anschlag am Differenzialkolben
gelangt. Dadurch ist dort ein exaktes Einhalten desjenigen Druckwertes, bei dem
der Übergang vom untersetzten zum übersetzten Druckbereich erfolgt (Knickpunkt),
nicht möglich.
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Durch die DE-PS 23 33 556 ist ein Druckverhältnis einer anderen Gattung
bekannt, dessen Differenzialkolben auf seiner größeren
Wirkfläche
vom Steuerdruck und auf seiner kleineren Wirkfläche vom ausgesteuerten Druck beaufschlagt
wird. Ein Hilfskolben ist über einen Anschlag und eine Feder an dem Differenzialkolben
abgestützt, so daß der Hilfskolben bei Bewegungen des Differenzalkolbens diese Bewegungen
mitmacht. Damit wird zwar erreicht, daß die Vorspannung der Feder durch die Bewegung
des Differenzialkolbens nicht beeinflußt wird. Es ist auch für den Hilfskolben nicht
erforderlich, zunächst einen Weg zurückzulegen, ehe er kraftmäßig auf den Differenzialkolben
einwirkt; nachteilig aber ist bei dieser Gattung, daß der Hilfskolben ausgangsseitig
auch bereits zu Beginn einer Bremsung beaufschlagt wird und damit Kräfte über die
Feder auf den Differenzialkolben überträgt.
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Dies behindert das feinfühlige Arbeiten des Differenzialkolbens im
untersetzten Bereich der Kennlinie.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckverhältnisventil
der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß eine genauere Knickpunktsfestlegung
und -einhaltung als bisher möglich ist. Dabei kommt es darauf an, den Knickpunkt
bei Erreichen schnell zu durchlaufen, also eindeutiger und reproduzierbarer zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Hilfskolben zusätzlich
zu seiner vom Steuerdruck beaufschlagten ersten Wirkfläche auf der gleichen Seite
eine weitere, ebenfalls vom Steuerdruck beaufschlagbare Wirkfläche aufweist und
daß die beiden Wirkflächen durch ein Durchlaßventil voneisnder getrennt sind.
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Die Erfindung geht von der Vorstellung aus, dem Hilfskolben auf seiner
dem Steuerdruck zugekehrten Seite zwei Wirkflächen zu geben, von denen zu Beginn
einer Bremsung zunSchsthur die eine Wirkfläche mit dem Steuerdruck beaufschlagt
wird. Hierdurch ist es möglich, die relativ stark bemessene Feder, die sich am Gehäuse
abstützt und die aus dem Stand der Technik ist, durch eine relativ weiche Feder
zu ersetzen, die auf diese erste Wirkfläche abgestimmt
ist. Damit
wird also der Knickpunkt festgelegt. Wird aber die durch die Feder festgelegte Kraft
bzw. der über die erste Wirkfläche damit festgelegte Druck ansteuerseitig erreicht,
dann öffnet das Durchlaßventil, so daß zusätzlich die zweite Wirkfläche vom Steuerdruck
einlaßseitig beaufschlagt wird. Durch diese vergrößerte Fläche, auf dem der Steuerdruck
lastet, wird die Strecke, die bis zur Anlage des Hilfskolbens am Differenzialkolben
zurückgelegt werden muß, sehr schnell und schlagartig überwunden. Insbesondere werden
dabei auch unterschiedliche Reibungsverhältnisse des Hilfskdbens im Gehäuse und/oder
am Differenzialkolben in ihren schädlichen Auswirkungen gemindert.
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Das Druckverhältnisventil führt bei Erreichen dieses bestimmten Druckwertes
eine eindeutige Schaltfunktion aus, durch die der Knickpunkt exakter und besser
festgelegt wird als bisher. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung wird vorteilhaft
die Verwendung einer relativ schwachen Feder möglich, auf der der Hilfskolben gehäuseseitig
abgestützt ist. Durch die zweite Wirkfläche wird ein schnelleres Anlegen des Hilfskolbens
am Differenzialkolben erreicht.
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Das Durchlaßventil kann von einem gehäuseseitigen eingezogenen Rand
in Verbindung mit dem Hilfskolben und der gehäuseseitig abgestützten Feder gebildet
sein. Auch andere Realisierungsmöglichkeiten sind denkbar. Der Hilfskolben kann
auch mit dem Differenzialkolben durch eine Membran verbunden sein, die mit dem eingezogenen
Rand zugleich das Durchlaßventil bildet. Dabei ist also die Membran einerseits im
Differenzialkolben und andererseits im Hilfskolben eingespannt. Der Hilfskolben
ist außen zusätzlich normalerweise gedichtet. Besonders einfach wird die Konstruktion,
wenn der Hilfskolben einen Federteller und eine Membran aufweist, die einerseits
gehäuseseitig eingespannt und andererseits an dem Differenzialkolben befestigt ist
und die mit ihrer Oberseite und dem gehäuseseitigen eingezogenen Rand das Durchlaßventil
bildet. Damit übernimmt die Membran
gleichzeitig sämtliche Dichtfunktionen
des Hilfskolbens sowie auch die Dichtfunktion des Durdtaßventiles.
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In dem Differenzialkolben kann ein druckentlasteter Doppelventilkörper
federnd aufgehängt sein. Damit ergibt sich eine große Feinfühligkeit des Doppelventilkörpers
im Differenzialkolben und ein entsprechend exaktes Arbeiten des Druckverhältnisventiles.
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Dies unterstützt damit auch die genaue Einhaltung des Knickpunktes.
Der Doppelventilkörper ist zum Zwecke der Entlüftung hohl ausgebildet, wobei der
Differenzialkolben eine radiale Durchbrechung aufweisen kann, über die der die Feder
des Hilfskolbens aufnehmende Federraum entlüftet ist. Auf diese Weise wird es vermieden,
den Federraum des Hilfskolbens durch eine gesonderte Bohrung an die Atmosphäre anzuschließen,
durch die die Gefahr einer Verschmutzung gegeben wäre.
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Am Gehäuse können ein Anschlag und eine öffnungsfeder für den Differenzialkolben
vorgesehen sein, so daß das Druckverhältnisventil in der Ausgangsstellung, in der
kein Steuerdruck ansteht, bereits geöffnet zt. Die abgeknickte Kennlinie wird damit
etwas nach oben verschoben.
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Der Differenzialkolben kann auf einem Fortsatz am Gehäuse undicht
geführt sein. Dies ist zweckmäßig, weil der Differenzialkolben bei Verwendung einer
Membran an sich nur über die Dichtung an seiner größeren Wirkfläche einfach geführt
ist und eine solche Führung allein nicht ausreicht.
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Die Feder und/oder die öffnungsfeder können einstellbar angeordnet
sein, um das Druckverhältnisventil an die unterschiedlichen Kraftfahrzeugtypen anpassen
und auf diese einstellen zu können.
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Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbei spiele weiter erläutert,
und zwar zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch das Druckverhältnisventil in einer ersten
Ausführungsform, Fig. 2 einen Schnitt durch das Druckverhältnisventil in einer zweiten
Ausführungsform, Fig. 3 ein Kennliniendiagramm ohne Verwendung einer öffnungsfeder
und Fig. 4 ein Kennliniendiagramm mit Verwendung einer öffnungsfeder.
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Das in Fig. 1 dargestellte Druckverhältnisventil besitzt ein zweckmäßig
mehrteilig ausgebildetes Gehäuse 1 mit einem Eingangsanschluß 2 und einem Ausgangsansch.Luß
3. Zum Eingangsanschluß 2 führt die Steuerleitung 4 eines Bremskreises bzw. einer
Achse, und zwar über ein Zweikreisbremsventil 5, dessen beide Kreise von den Vorratsbehältern
6 und 7 versorgt werden.
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Im Gehäuse 1 des Druckverhältnisventiles ist ein Differenzialkolben
8 mit Hilfe einer Dichtung 9 dichtend und gleitend geführt. In dem Differenzialkolben
8 ist ein Doppelventilkörper 10 über eine Ventilfeder 11 aufgehängt, der mit einem
Rand 12 am Differenzialkolben ein Einlaßventil 10, 12 und mit einem hohlen Fortsatz
13 des Gehäuses 1 ein Auslaßventil 10, 13 bildet. Im Differenzialkolben um den Doppelventilkörper
10 herum ist ein Raum 14 gebildet, der über einen Kanal 15 mit einer Steuerkammer
16 in Verbindung steht, die über den Eingangsanschluß 2 an die Steuerleitung 4 angeschlossen
ist. Andererseits besitzt der hohle Fortsatz 13 einen Kanal 17, der über einen Filter
18 und ein Flatterventil 19 in die Atmosphäre führt und Entlüftungszwecken dient.
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Unterhalb des Differenzialkolbens 8 ist eine Bremskammer 20 angeordnet,
die über den Ausgangsanschluß 3 und eine Leitung 21 zum Bremszylinder 22 bzw. zu
den Bremszylindern 22 einer Achse, insbesondere der Vorderachse eines Kraftfahrzeuges
führt.
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Um den Differenzialkolben herum ist ein Hilfskolben 23 mit Hilfe der
Dichtungen 24 und 25 dichtend und verschiebbar gelagert; der Hilfskolben 23 stützt
sich gehäuseseitig über eine Feder 26 ab und wird andererseits zusätzlich über eine
Offnungsfeder 27 belastet, die auf dem Differenzialkolben 8 abgestützt ist, der
sich wiederum an einem gehäuseseitigen Anschlag 28 abstützt.
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Ein Federraum 29 ist über eine radiale Durchbrechung 30, den hohlen
Doppelventilkörper 10 und den Kanal 17 an die Atmosphäre angeschlossen und damit
entlüftet. Der Hilfskolben 23 besitzt auf seiner Oberseite eine Gummieinlage 31,
die mit einem gehäuseseitig vorgesehenen eingezogenen Rand 32 ein Durchlaßventil
31, 32 bildet.
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Der Differenzialkolben 8 wird auf seiner großen Wirkfläche 33, die
sich entsprechend aus der Durchmesserdifferenz zwischen der Dichtung 9 und dem hohlen
Fortsatz 13 ergibt, ausgangsseitig beauf schlagt. Seine kleinere Wirkfläche 34 ergibt
sich entsprechend aus der Durchmesserdifferenz zwischen der Dichtung 24 und dem
hohlen Fortsatz 13. Er wird hier eingangsseitig vom Steuerdruck beaufschlagt. Der
Hilfskolben 23 besitzt eine erste Wirkfläche 35, die entsprechend aus der Differenz
der Durchmesser des Durchlaßventiles 31,32 und der Dichtung 24 gebildet wird. Weiterhin
besitzt der Hilfskolben 23 eine zweite Wirkfläche 36 entsprechend dem Durchmesser
der Dichtung 25 und dem Durchlaßventil 31, 32.
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Die Funktion des Druckverhältnisventiles gemäß Fig. 1 ist folgende:
Fig.
1 zeigt die Stellung der Teile bei nichtbetätigtem bzw.
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entlüftetem Bremsventil 5, also in drucklosem Zustand. Die Feder 26
und die öffnungsfeder 27 halten das Durchlaßventil 31, 32 geschlossen. Die öffnungsfeder
27 drückt den Differenzialkolben 8 auf den Anschlag 28, so daß unter Überwindung
der Kraft der Ventilfeder 11 das Einlaßventil 10, 12 geöffnet ist, während das Auslaßventil
10, 13 geschlossen ist. Bei Betätigung des Bremsventiles 5 gelangt Druckluft über
die Steuerleitung 4 in die Steuerkammer 16, über den Kanal 15, das geöffnete Einlaßventil
10, 12 in die Bremskammer 20 und von dort über die Leitung 21 zu den Bremszylindern
22. Der eingesteuerte Druck ist gleich dem ausgesteuerten Druck, wie dies in Fig.
4 anhand der Kennlinie in einem ersten Abschnitt a dargestellt ist. Der Differenzialkolben
wird auf seiner kleineren Wirkfläche 34 wie auch auf seiner größeren Wirkfläche
33 vom Steuerdruck beaufschlagt. Bei weiterer Druckerhöhung bewegt sich der Differenzialkolben
8 entgegen der öffnungsfeder 27 und erreicht schließlich im Punkt I eine erste Abschlußstellung,
bei der das Einlaßventil 10, 12 und das Auslaßventil 10, 13 geschlossen ist.
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Bei weiterer Erhöhung des Steuerdruckes tritt eine Druckuntersetzung
des ausgesteuerten zum eingesteuerten Druck ein, und zwar entsprechend der Linie
b in Fig. 4. Diese Druckuntersetzung richtet sich nach dem Verhältnis der Wirkflächen
33 und 34 zueinander sowie nach der Bemessung der öffnungsfeder 27. Während dieser
Zeit belastet der Steuerdruck in der Steuerkammer 16 auch bereits die erste Wirkfläche
35 des Hilfskolbens 23, infolge des geschlossenen Durchlaßventiles 31, 32 jedoch
noch nicht die zweite Wirkfläche 36 des Hilfskolbens 23. Die Feder 26 bzw., sofern
die öffnungsfeder 27 überhaupt vorhanden ist, diese beiden Federn 26 und 27, die
beide relativ schwach ausgelegt sein können, bestimmen in Verbindung mit der Größe
der ersten Wirkfläche.35 den Steuerdruck in der Steuerkammer 16, bei dem der Abknickpunktflerreicht
wird. Wird dieser Druck in der
Steuerkammer 16 erreicht, dann öffnet
das Durchlaßventil 31, 32, so daß auch die zweite Wirkfläche 36 vom Steuerdruck
in der Steuerkammer 16 beaufschlagt wird, so daß nun der Hilfskolben 23 unter Zusammendrückung
der Federn 26 und 27 relativ zu dem Differenzialkolben 8 bewegt wird. Diese Bewegung
findet im Sinne einer Schaltbewegung beschleunigt statt, so daß der Hilfskolben
23 sehr schnell auf einem Anschlag 37 am Differenzialkolben 8 zur Anlage kommt,
so daß dann ein gemeinsames Kolbengebilde vorliegt, welches auf der Seite der Steuerkammer
16 insgesamt eine größere Wirkfläche aufweist als die große Wirkfläche 33 des Differenzialkolbens
auf der Bremskammerseite.
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Damit findet im folgenden eine Druckuntersetzung entsprechend der
Linie c in Fig. 4 statt, bis schließlich im Punkt III die 450-Linie wieder erreicht
wird. Von dort an bleibt auch bei weiterer Druckerhöhung das Einlaßventil 10, 12
immer offen, so daß gemäß der Linie d der eingesteuerte Druck gleich dem ausgesteuerten
Druck ist.
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Wird der Steuerdruck in der Steuerkammer 16 weggenommen bzw.
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über das Bremsventil 5 an die Atmosphäre angeschlossen, dann wirkt
das Druckverhältnisventil als Schnellöseventil, indem nämlich durch den Druck in
der Bremskammer 20 der Differenzialkolben 8 nach oben verschoben wird, so daß das
Einlaßventil 10, 2 schließt und das Auslaßventil 10, 13 öffnet. Die Druckluft aus
den Bremszylindern 22 wird damit in die Atmosphäre abgelassen. Die Bremsung ist
beendet.
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Sofern die öffnungsfeder 27 weggelassen wird, ergibt sich eine Kennlinie,
wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. In der Ausgangslage sind sowohl das Einlaßventil
10, 12 als auch das Auslaßventil 10, 13 geschlossen. Der in der Steuerkammer 16
einströmende Steuerdruck öffnet das Einlaßventil 10, 12, so daß sofort ausgangsseitig
ein untersetzter Druck gemäß der Linie b ausgesteuert wird. Im übrigen verhält sich
dieses Ventil dann analog zu der vorherbeschriebenen Wirkungsweise. Lediglich der
öffnungsdruck
des Durchlaßventiles 31 32 wird hier - bei fehlender Öffnungsfeder 27 - allein durch
die Feder 26 bestimmt.
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Das Durchlaßventil 31, 32 kann auch in anderer Weise realisiert werden.
Beispielsweise ist es möglich, den Hilfskolben 23 nach oben am Gehäuse 1 anschlagen
zu lassen und als Dichtung fir das Durchlaßventil 31, 32 eine Art vorgespannte Manschette
auf den Hilfskolben 23 aufzusetzen, so daß eine eindeutige Abdichtkraft des Durchlaßventiles
in der Schließstellung gegeben ist . Auch andere Realisierungsmöglichkeiten sind
denkbar.
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Fig. 2 zeigt noch eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausbildung.
Für gleiche oder konstruktiv ähnliche Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Der Doppelventilkörper 10 ist hier jedoch nicht druckentlastet. Er besitzt auch
keine hohle Durchgangsbohrung, so daß die Entlüftung des Federraumes 29 über einen
Kanal 38 erforderlich wird. Der Hilfskolben 23 weist hier einen einfachen nicht
abgedichteten Federteller 39 auf und wird im übrigen von einer Membran 40 gebildet,
die im Gehäuse 1 und im Differenzialkolben 8 eingespannt ist. Diese Membran 40 bildet
nicht nur sämtliche Dichtungen des Hilfskolben 23 und den Ventilkörper bzw. Dichtkörper
des Durchlaßventiles, sondern auch die Dichtung zwischen dem hier geteilten Gehäuse.
Die erste Wirkfläche 35 des Hilfskolbens 23 wird hier im Bereich der Membran 40
in einem durchhängenden Bereich gebildet. In Verbindung mit dem Federteller 39 bildet
die Membran 40 auch die zweite Wirkfläche 36 des Hilfskolbens 23. Die kleine Wirkfläche
34 des Difirenzialkolbens 8 wird hier ebenfalls teilweise von der Membran 40 gebildet
und erstreckt sich bis zum Durchmesser des Einlaßventiles 10, 12. Da der Differenzialkolben
8 im oberen Bereich über den Hilfskolben 23 keine Führung aufweist, ist er undicht
an einem Fortsatz 41 am Gehäuse 1 geführt. Zusätzlich kann noch eine Bohrung 42
zu der Steuerkammer 16 führen.
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Die Wirkungsweise des Druckverhältnisventiles gemäß Fig. 2 ist analog
der Wirkungsweise, wie sie anhand von Fig. 1 und 4 beschrieben wurde.
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L e e r s e i t e