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Steuerventileinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Steuerventileinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 Derartige Steuerventileinrichtungen werden als übliche druckmittelbetätigte
Relaisventile verwendet, wenn der ausgesteuerte Arbeitsdruck den als Relaiskolben
ausgebildeten Steuerkolben beaufschlagt.
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Aufgabe solcher in Druckmittelanlagen und- Einrichtungen verwendeten
Relaisventile ist es, in Abhängigkeit von vorgegebenen Stellgrößen den Stellgrößen
entsprechende Drücke auszusteuern. Der ausgesteuerte Druck ist dabei abhängig vom
Steuerdruck und vom Flächenverhältnis der einander entgegengerichteten Wirkflächen
des Relaiskolbens.
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Derartige als Relaisventil ausgebildete Steuerventile sind jedoch
nicht ohne weiteres für Einsatzzwecke geeignet, bei denen eine feinfühlige Drucksteuerung
erforderlich ist. Dies ist z.B. bei der achslastabhängigen Bremsdruckregelung in
der Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs notwendig.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Steuerventileinrichtung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche es ermöglicht, sowohl den Druckaufbau
als auch den Druckabbau in einer Druckmittelanlage bzw.
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in einer druckmittelbetätigten Einrichtung stufenlos verändern zu
können.
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Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung
gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in
den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, den Öffnungsquerschnitt
des Einlaßventils und des Auslaßventils zwecks feinfühliger Drucksteuerung stufenlos
verändern zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mit
dem Einlaßventilsitz zusammenwirkende Ventilkörper aus elastischem Material gefertigt
und wird von einer Feder auf seinem Ventilsitz gehalten, so daß das Einlaßventil
der Steuerventileinrichtung nicht auf kleine Drucksprünge in der Steuerdruckkammer,
die aus den Totzeiten der Magnetventile resultieren, reagiert.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachstehend
näher erläutert.
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Die Abbildung zeigt eine Steuerventileinrichtung, deren mit einem
Ventilsitz versehener Steuerkolben über ein Magnetventil mit Druckluft beaufschlagbar
und gegen die Kraft einer Feder verschiebbar ist. Der Steuerkolben ist mit einem
Doppelventilkörper in Wirkverbinaung bringbar, welcher mit einem gehäusefesten Ventilsitz
und dem am Steuerkolben angeordneten Ventilsitz ein kombiniertes Einlaß- und Auslaßventil
bildet, über welches der Druck in einem Verbraucher stufenlos aufgebaut bzw. abgesenkt
werden kann.
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In einem Ventilgehäuse 1 , ist ein Steuerkolben 5 mittels eines Dichtringes
4 abgedichtet verschiebbar angeordnet. Der Steuerkolben 5 begrenzt mit seiner dem
Deckel 2 zugewandten Seite eine Steuerkammer 6, welche über einen Kanal 3 mit einer
in der Wandung des Ventilgehäuses 1 angeordneten Magnetventileinrichtung 39 verbunden
ist. Die Magnetventileinrichtung besteht aus einem Magnet-Einlaßventil und einem
Magnet-Auslaßventil. Das Magnet-Einlaßventil steht über eine Bohrung 38 mit einer
Eingangskammer 35 in Verbindung. Über einen Druckmitteleingang 36 ist die Eingangskammer
35 mit einer nicht dargestellten Druckmittelquelle verbunden.
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Der Steuerkolben 5 weist auf seiner der Steuerkammer 6 abgewandten
Seite einen Fortsatz 8 auf, welcher an seinem freien Ende eine konisch ausgebildete
Anformung 17 besitzt. Die Anformung 17 bildet zusammen mit einer diese umgebenden
Ringfläche 16 einen Ventilsitz 16, 17.
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Der Fortsatz 8 des Steuerkolbens 5 erstreckt sich durch eine Ausnehmung
42 eines im Ventilgehäuse 1 angeordneten topfförmigen Einsatzes 13 hindurch in eine
Ausgangskammer 19, die von dem Einsatz 13 begrenzt wird. Die Aus-
gangskammer
19 steht über einen Druckmittelausgang 20 und eine Druckmittelleitung 21 mit einem
hier nicht dargestellten Verbraucher in Verbindung.
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In einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut des Fortsatzes 8 ist
ein Dichtring 9 gelagert, welcher dichtend an der die Ausnehmung 42 des Einsatzes
13 begrenzenden Wandung anliegt. Auf dem an das Ventilgehäuse 1 angrenzenden Rand
des Einsatzes 13 stützt sich eine starkte Druckfeder 12 ab, welche den Steuerkolben
5 in Richtung auf die Steuerkammer 6 zu beaufschlagt. Über eine in der Ventilgehäusewandung
vorgesehene Atmungsbohrung 15 ist der Federraum 14 mit der Atmosphäre verbunden.
Eirl Dichtring 18, welcher in einer Umfangsnut des Einsatzes 13 gelagert ist und
dichtend an der InnenwandFdes Ventilgehäuses 1 anliegt, verhindert das Austreten
von Druckmittel aus der Ausgangskammer 19 über den Federraum 14 und Atmungsbohrung
15 zur Atmosphäre hin.
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Am Steuerkolben 5 ist ein sich radial nach außen erstreckender Vorsprung
11 vorgesehen, der an einer Stufe 10 des Ventilgehäuses 1 zur Anlage bringbar ist,
wodurch der Hub des Steuerkolbens 5 in Richtung auf die Steuerkammer 6 zu begrenzt
wird. In Richtung von der Steuerkammer 6 weg wird der Hub des Steuerkolbens 5 von
dem dem Steuerkolben 5 zugewandten Randbereich 43 des Einsatzes 13 begrenzt. Die
Eingangskammer 35 der Steuerventileinrichtung ist durch eine im Ventilgehäuse 1
angeordnete Wand 26, 40 von der Ausgangskammer 19 getrennt. Die Wand 26, 40 weist
eine koaxial zum Fortsatz 8 des Steuerkolbens 5 angeordnete Führungsbohrung für
einen Doppelventilkörper auf. An der die Führungsbohrung begrenzenden Wandung ist
ein sich in Richtung auf die Eingangskammer 35 zu erstreckender umlaufender Vorsprung
vorgesehen, welcher als Einlaßventil~
sitz 37 ausgebildet ist.
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Der Doppelventilkörper besteht aus einem als Entlüftungsrohr 33 ausgebildeten
Trägerrohr1 an welchem ein in Umfangsrichtung verlaufender erster Dichtkörper 34
und ein ebenfalls in Umfangsrichtung verlaufender zweiter Dichtkörper 41 angeordnet
sind. Der erste Dichtkörper 34 bildet zusammen mit dem gehäusefesten Ventilsitz
37 ein Einlaßventil 34, 37 und der zweite Dichtkörper 41 bildet zusammen mit dem
am Fortsatz 8 des Steuerkolbens 5 angeordneten Ventilsitz 16, 17 ein Auslaßventil
41, 16, 17.
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Über das Einlaßventil 34, 37 ist die Eingangskammer 35 mit der Ausgangskammer
19 und über das Auslaßventil 41, 16, 17 ist die Ausgangskammer 19 über das Entlüftungsrohr
33 mit der Atmosphäre verbindbar. Das Entlüftungsrohr 33 wird zusätzlich in einem
am Boden des Ventilgehäuses 1 befestigten'mit einem Rand versehenen rohrförmigen
Körper 29 mittels eines Dichtringes 32 abgedichtet geführt. Auf dem Rand 27 des
rohrförmigen Körpers 29 stützt sich eine Druckfeder 28 mit ihrem einen Ende ab und
beaufschlagt mit ihrem anderen Ende den ersten Dichtkörper 34 in Richtung auf den
Einlaßventilsitz 37 zu. Der erste Dichtkörper 34 ist aus elastischem Material gefertigt,
so daß geringe Verschiebebewegungen des Doppelventilkörpers nicht zum Öffnen des
Einlaßventils 34, 37 führen.
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Im Boden des Ventilgehäuses 1 ist in einer Entlüftungsöffnung einGummiteller
31 vorgesehen, welcher an einem Gehäusesteg 30 befestigt ist. An die den Druckmittelausgang
20 mit dem Verbraucher verbindende Druckmittelleitung 21 ist eine Auswerte- und
Regelschaltung 22 an-
schlossen. Über Signalleitungen 24, 25 ist
der Ausgang der Auswerte- und Regelschaltung 22 mit der Magnetventileinrichtung
39 verbunden. Der Eingang der Auswerte-und Regelschaltung 22 steht über eine Signalleitung
23 mit einem nicht dargestellten Soll-Wert-Geber in Verbindung.
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Die Funktion der im vorstehenden beschriebenen Steuerventileinrichtung
wird nachstehend näher erläutert.
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Es wird angenommen, daß die Steuerventileinrichtung in der Bremsanlage
eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, bei welchem die Bremskraft in Abhängigkeit
von der Achslast geregelt werden soll.
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Bei Betätigen des Bremsventils wird gleichzeitig eine Spannung an
das Magnet-Einlaßventil der Magnetventileinrichtung 39 angelegt. Das Magnet-Einlaßventil
gelangt in die Offenstellung. Von der Eingangskammer 35 strömt Druckluft durch die
Bohrung 38, das geöffnete Magnet-Einlaßventil und den Kanal 3 in die Steuerkammer
6. Der sich in der Steuerkammer 6 aufbauende Druck verschiebt den Steuerkolben 5
und somit auch den mit dem Ventilsitz 16, 17 versehenen Fortsatz 8 des Steuerkolbens
5 gegen die Kraft der Feder 12 in Richtung auf den Doppelventilkörper 41, 34, 33
zu. Sobald der Auslaßventilsitz 16, 17 am Dichtkörper 41 zur Anlage kommt, ist das
Auslaßventil 16, 17, 41 geschlossen.
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Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 5 wird der Doppelventilkörper
41, 34, 33 vom Fortsatz 8 des Steuerkolbens 5 mitgenommen. Der Dichtkörper 34 hebt
vom Einlaßventilsitz 37 ab. Durch das jetzt geöffnete Einlaßventil 34, 37 strömt
Druckluft aus der Eingangskammer 35 in die Ausgangskammer 19 und weiter durch den
Druckmittelausgang 20 sowie die Druckmittel-
leitung 21 zu den
Radbremszylindern der Hinterachse des Fahrzeugs.
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Ist der einer bestimmten Achslast zugeordnete Druck in den Radbremszylindern
der Hinterachse erreicht, so wird von der Auswerte- und Regelschaltung 22 ein Steuersignal
auf die Magnetventileinrichtung 39 gegeben, welches bewirkt, daß das Magnet-Einlaßventil
schließt und das Magnet-Auslaßventil öffnet. Der Druck in der Steuerkammer 6 wird
jetzt soweit abgebaut, daß der von der Feder 12 in Richtung auf die Steuerkammer
6 zu bewegte Steuerkolben eine Stellung erreicht, in welcher der Dichtkörper 34
des Doppelventilkörpers 41, 34, 33 am Ventilsitz 37 zur Anlage kommt. Das Einlaßventil
34, 37 ist jetzt geschlossen und der Druck in den Radbremszylindern wird gehalten.
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Verringert sich die Belastung der Hinterachse während des Bremsvorganges,
so daß die Gefahr des Blockierens der Räder der Hinterachse besteht, so wird von
einer Sensoreinrichtung (Achslast-Sensor) ein entsprechendes Signal auf die Auswerte-
und Regelschaltung 22 gegeben.
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In der Auswerte- und Regelschaltung wird der vom Sensorsignal angesprochene
Soll-Druckwert mit dem Ist-Druckwert verglichen. Liegt der Ist-Druckwert über dem
Soll-Druckwert, so wird das Magnet-Auslaßventil der Magnetventileinrichtung 39 angesteuert
und in die Offenstellung gebracht. Der Druck in der Steuerkammer 6 sinkt weiter
ab und der Steuerkolben 5 fährt weiter nach oben.
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Dabei wird der Ventilsitz 16, 17 vom Ventilkörper 41 abgehoben. Über
das jetzt geöffnete Auslaßventil 16, 17, 41 sowie das Entlüftungsrohr 33 wird der
Druck in der Ausgangskammer 19 und somit auch der Druck in den Radbremszylindern
abgesenkt.
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Nähert sich der Ist-Druckwert dem Soll-Druckwert, so wird von der
Auswerte- und Regelschaltung 22 ein Steuersignal auf die Magnetventileinrichtung
39 gegeben. Die Magnetventileinrichtung 39 schaltet um, derart, daß die Verbindung
von der Steuerkammer 6 zur Atmosphäre unterbrochen und die Eingangskammer 35 mit
der Steuerkammer 6 verbunden ist. Der in der Steuerkammer 6 wieder ansteigende Druck
verschiebt den Steuerkolben 5 und somit auch den den Auslaßventilsitz 16, 17 tragenden
Fortsatz 8 in Richtung auf den Ventilkörper 41 des Auslaßventils 16, 17, 41 zu.
Der Auslaßquerschnitt des Auslaßventils 16, 17, 41 verringert sich dabei und der
Druck in der Ausgangskammer 19 und somit auch der Druck in den Bremszylindern wird
verlangsamt abgebaut, bis bei Gleichheit zwischen dem Ist-Druckwert und dem Soll-Druckwert
die abgeschlossene Mittelstellung wieder erreicht ist.
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Auf diese Art und Weise wird ein feinfühliges Annähern des Ist-Druckwertes
an den Soll-Druckwert erreicht.
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Bedingt dadurch, das der Ventilkörper 34 des Einlaßventils 34, 37
aus elastischem Material gefertigt ist, wird das Einlaßventil 34, 37 nicht sofort
nach Schließen des Auslaßventils 16, 17, 41 in die Offenstellung gebracht. Durch
die Taktzeit des Magnetventils bedingte kleine Drucksprünge in der Steuerkammer
6 können durch diese Maßnahme nicht zum ungewollten Öffnen des Einlaßventils 34,
37 führen, so daß eine abgeschlossene Mittelstellung gehalten werden kann.
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Die Auswerte- und Regelschaltung kann z.B. proportionl zur Differenz
zwischen einem Ist-Wert und einem Soll-Wert das Einlaßventil 34, 37 bzw. das Auslaßventil
16, 17, 41 stetig in seinem Querschnitt verändern, so daß es bei großer Abweichung
des Ist-Wertes vom Soll-Wert ganz
geöffnet und bei kleiner Abweichung
des Ist-Wertes vom Soll-Wert nur wenig geöffnet ist.
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Die beschriebene Steuerventileinrichtung eignet sich besonders gut
zur Steuerung des Druckes in einem Retarder eines Kraftfahrzeugs. Da sich bei einem
Retarder das zu regelnde Druckmittelvolumen ständig ändert ist es durch die Veränderung
des Öffnungsquerschnittes des Einlaßventils 34, 37 bzw. des Auslaßventils 16, 17,
41 möglich, trotz des sich ändernden Volumens den Druck feinstufig zu verändern
oder konstant zu halten.