Ventilanordnung und ein Verfahren zur Drucksteuerung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung und ein Verfahren zur Drucksteuerung an einem Ausgangsport, insbesondere auf eine Ventilanordnung mit einer optimierten Luftführung zur Steigerung ihrer Lebensdauer.

Bei Antiblockiersystemen (ABS) von pneumatischen Bremsanlagen für Nutzfahrzeuge wird der Luftdruck bei einem ABS-Eingriff kurzzeitig zum Teil kräftig verringert, um so ein Blockieren der Räder aufzuheben bzw. die Bremse kurzzeitig zu lösen. Diese Druckabsenkungen werden beispielsweise durch ein Auslassventil umgesetzt, wobei eine Membrane in dem Auslassventil bei der gegenwärtigen Konstruktionsform durch diese kurzzeitige(n) Druckabsenkung(en) erheblich belastet wird, was gleichzeitig die Lebensdauer der Ventilanordnung begrenzt.

Fig. 3A und Fig. 3B zeigen beispielhaft eine derartige konventionelle Ventilanordnung, die zur ABS-Drucksteuerung genutzt wird, wobei die Fig. 3A ein Schaltbild und die Fig. 3B eine beispielhafte Implementierung der Ventilanordnung zeigt.

In der Ventilanordnung der Fig. 3A sind zwischen einem Eingangsport P1 und einer Drucksenke S, ein erstes Ventil 10 und ein zweites Ventil 20 seriell angeordnet. Das erste Ventil 10 umfasst einen Steuereingang 12, der mit einem erste Steuerventil 15 verbunden ist. Das erste Steuerventil 15 verbindet den Steueranschluss 12 des ersten Ventils 10 entweder mit der Drucksenke S oder mit dem Eingangsport P1. Das zweite Ventil 20 umfasst ebenfalls einen Steuereingang 22, der über ein zweites Steuerventil 25 angesteuert wird. Das zweite Steuerventil 25 verbindet den Steueranschluss 22 des zweiten Ventils 20 entweder mit der Drucksenke S oder ebenfalls mit dem Eingangsport P1. In der gezeigten Ventilanordnung ist zwischen dem Eingangsport P1 und dem zweiten Steuerventil 25 eine Ansteuerdruckleitung 40 ausgebildet, sodass der Druck vom Eingangsport P1 als Steuerdruck am Steuereingang 22 bereitgestellt wird. Fig. 3B zeigt eine mögliche konkrete Implementierung der Verschaltung aus der Fig.

3A. Alle Drucksenken S sind hier mit einem Entlüftungsport P3 verbunden, der beispielsweise mit einer äußeren Umgebung verbunden ist. Das erste Ventil 10 umfasst eine erste Membrane 13 und das zweite Ventil 20 eine zweite Membrane 23. Die erste Membrane 13 öffnet und/oder schließt die Verbindung zwischen dem Eingangsport P1 und dem Ausgangsport P2, und zwar in Abhängigkeit von einem Druck an dem

Steueranschluss 12. Wenn der Steueranschluss 12 belüftet ist, schließt das erste Ventil 10, wenn der Steueranschluss 12 entlüftet ist, öffnet das erste Ventil 10. Die zweite Membrane 23 öffnet und/oder schließt die Verbindung zwischen dem Ausgangsport P2 und der Drucksenke S, und zwar in Abhängigkeit von einem Druck an dem

Steueranschluss 22. Wenn der Steueranschluss 22 belüftet ist, schließt das zweite Ventil 20, wenn der Steueranschluss 22 entlüftet ist, öffnet das zweite Ventil 20. Wie in der Fig. 3A schematisch gezeigt, ist die Ansteuerdruckleitung 40 als ein Kanal zwischen dem Eingangsport P1 und dem zweiten Steuerventil 25 ausgebildet.

Das erste Steuerventil 15 ist derart vorgespannt, dass es im stromlosen Zustand den Steueranschluss 12 des ersten Ventils 20 entlüftet. Daher wird das erste Ventil 10 bei Anliegen eines positiven Druckes am Eingangsport P1 automatisch öffnen. Das zweite Steuerventil 25 ist derart vorgespannt, dass es im stromlosen Zustand die Druckluft am Eingangsport P1 über der Ansteuerdruckleitung 40 an den Steueranschluss 22 des zweiten Ventils 20 weiterleitet. Daher liegt auf der Rückseite der zweiten Membrane 23 bei Nichtaktivierung des zweiten Steuerventils 25 fortlaufend der Druck von dem

Eingangsport P1 an.

In der gezeigten (default) Stellung wird der Druck des Eingangsports P1 über das geöffnete erste Ventil 10 an den Ausgangsport P2 weitergeleitet. Wenn nun aber ein ABS-Eingriff ausgeführt werden soll und dadurch der Druck am Ausgangsport P2 kurzzeitig gesenkt werden soll, geschieht dies über ein Öffnen des zweiten Ventils 20. Dadurch wird der Ausgangsport P2 mit der Drucksenke S (P3) verbunden. Dies kann über ein Bestromen des zweiten Steuerventils 25 geschehen, was ein Entlüften des Steueranschlusses 22 bewirkt. Ein erneutes Belüften des Steueranschlusses 22 unter Nutzung des zweiten Steuerventils 25 erhöht den Druck an dem Steueranschluss 22 auf den Druck von dem Eingangsport P1 und somit zum Schließen des zweiten Ventils 20. Da bei der Aktivierung des ABS der Druck am Eingangsport P1 häufig deutlich größer ist als der Druck am Ausgangsport P2, führte dies zu einer erheblichen

Belastung der zweiten Membrane 23, die die beiden Drücke voneinander trennt.

Hierdurch wird die Lebensdauer der gesamten Ventilanordnung erheblich verkürzt. Ein Auswechseln einer einzelnen Membrane ist wirtschaftlich in der Regel nicht sinnvoll.

Daher besteht ein Bedarf nach Ventilanordnungen, die eine schnelle und effiziente Drucksteuerung an einem Ausgangsport ermöglicht, trotzdem aber eine lange

Lebensdauer der genutzten Ventile sicherstellt. Insbesondere für das autonome Fahren ist dies wichtig, da dort die verwendeten Komponenten fortlaufend einer hohen

Belastung ausgesetzt sind und eine deutlich höhere Lebensdauer der

Ventilsteuereinrichtung wünschenswert ist.

Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Ventilanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Drucksteuerung nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen der

Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Ventilanordnung zur Drucksteuerung an einem Ausgangsport. Die Ventilanordnung umfasst einen Eingangsport, eine

Drucksenke, ein erstes Ventil mit einem ersten Steueranschluss und ein zweites Ventil mit einem zweiten Steueranschluss, die seriell zwischen dem Eingangsport und der Drucksenke angeordnet sind und zwischen denen der Ausgangsport abzweigt. Die Ventilanordnung umfasst weiter ein erstes Steuerventil, das steuerbar den ersten Steueranschluss mit dem Eingangsport verbindet oder entlüftet, und ein zweites Steuerventil, das Steuerbar den ersten Steueranschluss mit dem Ausgangsport verbindet oder entlüftet.

Optional ist das erste Steuerventil ein Magnetventil, welches im stromlosen Zustand den ersten Steueranschluss entlüftet. Auch das zweite Steuerventil kann ein

Magnetventil sein, wobei im stromlosen Zustand das Magnetventil den zweiten

Steueranschluss mit dem Ausgangsport verbindet. Optional umfasst das erste Ventil eine erste Membrane, die bei einer Betätigung des ersten Ventils eine Verbindung zwischen dem Eingangsport und dem Ausgangsport öffnet oder schließt. Ebenso kann das zweite Ventil eine zweite Membrane umfassen, die bei einer Betätigung des zweiten Ventils eine Verbindung zwischen dem

Ausgangsport und der Drucksenke öffnet oder schließt.

Optional ist die erste Membrane vorgespannt (z.B. durch eine Feder), um bei einem drucklosen Eingangsport das erste Ventil zu schließen. Optional ist die zweite

Membrane vorgespannt (z.B. durch eine weitere Feder), um im drucklosen Fall am Ausgangsport das zweite Ventil zu schließen.

Optional umfasst die Ventilanordnung eine Drossel, um einen Zufluss (z.B. an Luft) über den Eingangsport zu begrenzen.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Antiblockiersystem für eine

Fahrzeugbremse, insbesondere für Nutzfahrzeuge, das eine zuvor definierte

Ventilanordnung zur Drucksteuerung am Ausgangsport aufweist, wobei der

Ausgangsport mit einem Bremszylinder (einer Bremse des Fahrzeuges) verbindbar ist.

Optional kann ein ABS-Eingriff eine Entlüftung des Ausgangsports durch das zweite Ventils und somit ein kurzzeitiges Lösen der Bremse bewirken.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Nutzfahrzeug mit einer

Ventilanordnung, wie sie zuvor definiert wurde, oder mit einem Antiblockiersystem, wie es zuvor definiert wurde.

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Steuerung eines Druckes an einem Ausgangsport mittels einer Ventileinrichtung, wie sie zuvor definiert wurde. Das Verfahren umfasst:

- Zuführen eines Druckes über den Eingangsport durch ein erstes Ventil zu einem Ausgangsport;

- Schließen des ersten Ventils, um den Druck am Ausgangsport zu halten; - Verbinden des Ausgangsports mit einer Drucksenke durch ein zweites Ventil, um den Druck am Ausgangsport abzusenken (z. B. kurzzeitig, stoßartig); und

- Unterbrechen der Verbindung des Ausgangsports zu der Drucksenke durch ein Ansteuern des zweiten Ventils mit dem Druck am Ausgangsport.

Im Gegensatz zu konventionellen Ventilanordnungen zur Drucksteuerung, bei denen die Ansteuerung der beiden Membranen serienmäßig mit ungeregeltem Druck erfolgt (siehe Fig. 3A und Fig. 3B), wird durch die geänderte Luftzuführung bei

Ausführungsbeispielen die Belastung der zweiten Membrane (Auslassmembran) auf ein Niveau der ersten Membrane (Haltemembran) abgesenkt. Dadurch wird eine wesentlich höhere Lebensdauer des Gesamtmoduls erreicht. Grundsätzlich wird somit die

Auslassmembran nicht mehr signifikant stärker belastet als die Einlassmembran. Risse an der Auslassmembrane können durch die Druckabsenkung des Steuerdruckes vermieden werden oder treten erst deutlich später auf.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der

unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Ventilanordnung zur Drucksteuerung gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Implementierung der Ventilanordnung aus der Fig. 1.

Fig. 3A zeigt ein Schaltbild einer konventionellen Ventilanordnung.

Fig. 3B zeigt eine Implementierung der konventionellen Ventilanordnung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild für eine Ventilanordnung zur Drucksteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in der konventionellen

Ventilanordnung aus der Fig. 3A sind zwischen einem Eingangsport P1 und einer Drucksenke S, ein erstes Ventil 110 (zum Beispiel ein Halteventil) und ein zweites Ventil 120 (zum Beispiel ein Auslassventil) seriell angeordnet. Die Drucksenke S kann eine oder mehrere Öffnungen zu einer Umgebung aufweisen oder einen oder mehrere Bereiche mit verringertem Druck umfassen. Das erste Ventil 110 umfasst einen

Steuereingang 112, der mit einem ersten Steuerventil 115 verbunden ist. Das erste Steuerventil 115 verbindet den Steueranschluss 112 des ersten Ventils 110 entweder mit der Drucksenke S oder mit dem Eingangsport P1. Das zweite Ventil 120 umfasst ebenfalls einen Steuereingang 122, der über ein zweites Steuerventil 125 angesteuert wird. Das zweite Steuerventil 125 verbindet den Steueranschluss 122 des zweiten Ventils 120 entweder mit der Drucksenke S oder mit dem Ausgangsport P2. Die gestrichelten Linien sollen eine mögliche Führung des ersten Ventils 110 und/oder des zweiten Ventils 120 beim Bestätigen des Ventils andeuten.

Im Gegensatz zu der konventionellen Ventilanordnung aus der Fig. 3A ist bei

Ausführungsbeispielen eine Ansteuerdruckleitung 140 vorhanden, die den

Ausgangsport P2 mit dem zweiten Steuerventil 125 verbindet, sodass der Steuerdruck am Steuereingang 22 vom Ausgangsport P2 bereitgestellt wird und nicht von dem Eingangsport P1.

Das erste Steuerventil 115 und/oder das zweite Steuerventil 125 ist/sind beispielsweise (ein) vorgespannte(s) Magnetventil(e), die/der in einem stromlosen Zustand eine

Vorzugsstellung aufweisen. So verbindet das erste Steuerventil 115 im stromlosen Zustand den Steueranschluss 112 des ersten Ventils 110 mit der Drucksenke S und im bestromten Zustand (aktivierten Zustand) mit dem Eingangsport P1. Das zweite

Steuerventil 25 verbindet im stromlosen Zustand den Steueranschluss 122 des zweiten Ventils 120 mit dem Ausgangsport P2 und im aktivierten Zustand mit der Drucksenke S.

Auf diese Weise wird ein Druck am Eingangsport P1 durch das erste Ventil 110 hin zum Ausgangsport P2 weiterleitet (wenn z.B. die Bremse betätigt wird). Diese Verbindung kann durch ein Schalten des ersten Ventils 110 durch das Steuerventil 115 gezielt unterbrochen bzw. gehalten werden. Außerdem wird der Druck am Ausgangsport P2 durch das zweite Steuerventil 125 hin zum Steueranschluss 122 des zweiten Ventils 120 geleitet. Solange wie das zweite Steuerventil 125 nicht betätigt wird, bleibt die Verbindung zwischen dem Ausgangsport P2 und der Drucksenke S unterbrochen und der Bremsdruck wird gehalten. Wenn das beispielhafte ABS aktiviert wird, soll der Druck am Ausgangsport P2, zumindest zeitweise, deutlich gesenkt werden. Das wird durch eine Aktivierung des zweiten Steuerventils 125 erreicht (es wird bestromt), sodass der Steueranschluss 122 am zweiten Ventil 120 entlüftet. Dies bewirkt ein Entlüften des Ausgangsport P2 durch das Öffnen der Verbindung zur Drucksenke S durch das zweite Ventil 120.

Fig. 2 zeigt eine mögliche konkrete Implementierung der Verschaltung aus der Fig. 1 , die wiederum ähnlich zur Implementierung aus der Fig. 3A ist. Auch hier sind alle Drucksenken S sind mit einem Entlüftungsport P3 verbunden, der wiederum mit einer äußeren Umgebung verbunden sein kann. Wie bei der konventionellen

Implementierung umfasst das erste Ventil 110 eine erste Membran 113 und das zweite Ventil 120 umfasst eine zweite Membran 123. Außerdem umfasst die gezeigte

Implementierung eine optionale Drossel 105, um die Durchflussmenge durch die Ventilanordnung auf einen gewünschten Wert zu begrenzen.

Die erste Membrane 113 öffnet und/oder schließt die Verbindung zwischen dem

Eingangsport P1 und dem Ausgangsport P2, und zwar in Abhängigkeit von einem Druck an dem Steueranschluss 112 des ersten Ventils 110. Wenn der Steueranschluss 112 des ersten Ventils 110 belüftet ist, schließt das erste Ventil 110, wenn der

Steueranschluss 112 entlüftet ist, öffnet das erste Ventil 110.

Die zweite Membrane 123 öffnet und/oder schließt die Verbindung zwischen dem Ausgangsport P2 und der Drucksenke S, und zwar in Abhängigkeit von einem Druck an dem Steueranschluss 122 des zweiten Ventils 120. Wenn der Steueranschluss 122 belüftet ist, schließt das zweite Ventil 120, wenn der Steueranschluss 122 entlüftet ist, öffnet das zweite Ventil 120 die Verbindung zur Drucksenke S.

Alle weiteren Komponenten können in der gleichen Weise ausgebildet sein, wie bei der konventionellen Ventilanordnung aus der Fig. 3A bzw. 3B.

Im Gegensatz zur konventionellen Implementierung aus der Fig. 3A ist jedoch die Ansteuerdruckleitung 140 zwischen dem Ausgangsport P2 und dem zweite Steuerventil 125 ausgebildet und der Druck am Ausgangsport P2 wird als Steuerdruck zum Belüften des zweiten Ventils 20 genutzt - und nicht wie bei der konventionellen Anordnung der Druck vom Eingangsport P1.

Das erste Steuerventil 115 ist beispielhaft mittels einer Feder derart vorgespannt, dass es im stromlosen Zustand den Steueranschluss 112 des ersten Ventils 110 entlüftet. Daher wird das erste Ventil 110 bei Anliegen eines positiven Druckes am Eingangsport P1 automatisch öffnen. Das zweite Steuerventil 125 ist ebenfalls mittels einer Feder derart vorgespannt, dass es im stromlosen Zustand die Druckluft über der

Ansteuerdruckleitung 140 an den Steueranschluss 122 des zweiten Ventils 120 weiterleitet. Daher liegt auf der Rückseite der zweiten Membrane 123 fortlaufend der Druck von dem Ausgangsport P2 an.

Wenn ein Eingriff des beispielhaften Antiblockiersystems erfolgen soll (der Druck am Ausgangsport P2 soll z.B. kurzzeitig oder pulsartig gesenkt werden), geschieht dies über ein Öffnen des zweiten Ventils 120, wodurch der Ausgangsport P2 mit der Drucksenke S (P3) verbunden wird. Flierzu wird das zweite Steuerventil 125 kurzzeitig bestromt, was ein Entlüften des Steueranschlusses 122 bewirkt, sodass die zweite Membrane 122 die Öffnung zur Drucksenke S freigibt.

Ein erneutes Belüften des Steueranschlusses 122 durch ein Stromlosschalten des zweiten Steuerventils 125 erhöht den Druck an dem Steueranschluss 122 auf den Druck von dem Ausgangsport P2. Auf beiden Seiten der zweiten Membrane 123 liegen dann gleiche Drücke an. Da aber die zweite Membrane 123 vorgespannt ist (z.B. über eine Feder), schließt die zweite Membrane 123 in diesem Fall die Öffnung zur

Drucksenke S. Hierbei schließt die zweite Membrane 123 eine Öffnung zu einem oberhalb gelegenen Strömungskanal, der über eine trichterförmige Struktur mit der Drucksenke S am Entlüftungsport P3 verbunden ist (in der Fig. 2 nur schematisch gezeigt, da die Verbindung sich außerhalb der Zeichenebene befindet.

Es versteht sich, dass die Drücke und auch die Kanalführungen beliebig gewählt sein können und die Erfindung nicht auf bestimmte Druckverhältnisse oder Kanalführungen eingeschränkt werden soll. Ein Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht jedoch gerade darin, dass - unabhängig von den vorhandenen Drücken - auf beiden Seiten der zweiten Membrane 123

(annähernd) gleiche Drücke anliegen, nämlich der Druck vom Ausgangsport P2.

Hierdurch wir die Belastung der zweiten Membrane 123 deutlich gesenkt und die Lebensdauer verlängert. Es kommt zu einer deutlich geringeren Belastung bzw. zu geringeren Spannungen im Material und dadurch zu weniger Schäden in den Bauteilen.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die

Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

10, 1 10 erstes Ventil

12, 112 Steueranschluss des ersten Ventils 13, 113 erste Membrane

15, 115 erstes Steuerventil

20, 120 zweites Ventil

22, 122 Steueranschluss des zweiten Ventils 23, 123 zweite Membrane

25, 125 zweites Steuerventil

40, 140 Ansteuerdruckleitungen

P1 Eingangsport

P2 Ausgangsport

S, P3 Drucksenke/Entlüftungsport