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Die
Erfindung betrifft ein hydrodynamisches System, im einzelnen mit
den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1; ferner ein Verfahren zur
Steuerung des hydrodynamischen Systems.
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Hydrodynamische
Systeme, insbesondere in Form von hydrodynamischen Bremseinrichtungen, auch
Retarder genannt, sind in einer Vielzahl von Ausführungen
aus dem Stand der Technik bekannt. Diese umfassen in der Regel ein
als Rotorschaufelrad fungierendes erstes Schaufelrad, das mit einer abzubremsenden
Weile drehfest verbunden oder verbindbar ist und einen Stator, welcher
an einem ortsfesten Bauteil, insbesondere einem Gehäuse, befestigt
ist und sich an diesem abstützt.
Rotorschaufelrad und Stator bilden einen mit Betriebsmittel befüllbaren
Arbeitsraum, wobei das Betriebsmittel bei Umwälzung durch das Rotorschaufelrad
am Statorschaufelrad ein Bremsmoment MBrems erzeugt.
Das Rotorschaufelrad wirkt somit im Bremsbetrieb als Pumpe. Über einen
kurzgeschlossenen Kühlkreislauf wird
dabei das Betriebsmittel zum Wärmetauscher und
wieder zurück
zur hydrodynamischen Bremseinrichtung gefördert. Dies wird über einen
externen Kreislauf, welcher außerhalb
des Arbeitskreislaufes, der sich im Arbeitsraum einstellt, geführt wird,
realisiert. Das angetriebene Rotorschaufelrad wandelt die eingeleitete
mechanische Energie bei gefülltem Kreislauf
in Strömungsenergie
um und diese wird wiederum am stehenden Stator in Wärmeenergie umgesetzt.
Die hydrodynamische Bremseinrichtung ist zumindest schaltbar, das
heißt
durch Befüllung und
Entleerung des Kreislaufes oder einer Kupplungseinrichtung zwischen
Rotorschaufelrad und abzubremsender Welle. Die Bremswirkung wird
im ersten Fall durch Füllen
des Arbeitsraumes mit Betriebsmittel eingeleitet und durch Entleeren
beendet. Im zweiten Fall kann die Bremseinrichtung befüllt bleiben.
Vorzugsweise ist die hydrodynamische Bremseinrichtung auch steuerbar,
das heißt
je nach Füllungsgrad
der hydrodynamischen Bremseinrichtung und/oder des Druckes im Arbeitsraum
lassen sich in Abhängigkeit
von der Drehzahl der abzubremsenden Welle stufenlos verschiedene
Bremsmomente einstellen. Der Füllungsgrad
der hydrodynamischen Bremseinrichtung kann dabei auf unterschiedliche Art
und Weise variiert werden. Im einfachsten Fall erfolgt dies durch
Drucksteuerung am Zu- und/oder Ablaufaus dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Bremseinrichtung.
Die Einstellung erfolgt dabei in Abhängigkeit eines der hydrodynamischen
Bremseinrichtung zugeordneten Steuereinrichtung hinterlegten Kennfeldes,
welches in der Regel eine Mehrzahl von Kennlinien für konstante
Bremsleistungen enthält,
anhand derer die entsprechenden gewünschten Bremsmomente in Abhängigkeit
der Drehzahl des abzubremsenden Elementes eingestellt werden. Dies
entspricht einer Sollwertvorgabe durch Kundenanforderung, wobei
alle hydrodynamischen Bremseinrichtungen gleichen Bautyps in einem
gewissen Toleranzband innerhalb dieser Sollwertanforderungen liegen
sollten. Aufgrund von Toleranzen- bzw. Fertigungsstreuungen wird
häufig
der Fahrerwunsch nicht in ein entsprechendes Bremsmoment wie durch
Zuordnung zum Kennfeld bestimmt durch Bildung der entsprechenden
Sollgröße eingestellt,
sondern es bestehen Abweichungen. Zum einen wird das theoretisch
voll ausnutzbare maximale Moment entsprechend der Fahrerwunschanforderung
häufig
gar nicht ausgeschöpft
oder es treten unerwünscht
starke Abweichungen in anderer Richtung im Hinblick auf die Reaktion
bei Vorgabe eines Fahrerwunsches auf, die durch die Erzeugung eines überhöhten Bremsmomentes
charakterisiert sind. Um diese Problematik zu vermeiden, sind entweder
konstruktive Nachbearbeitungsmaßnahmen erforderlich,
beispielsweise bei einem hydrodynamischen Retarder durch eine Vergrößerung der
Auslassbohrung, was in der Regel bei Abnahme am Prüfstand erfolgt.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht in der Einstellung des Soll-Wertes in Abhängigkeit
des Ist-Momentes. Zur Ermittlung des Ist-Momentes sind eine Mehrzahl
von Ausführungen
aus dem Stand der Technik bekannt, wobei hier stellvertretend auf
DE 198 50 383 A1 verwiesen
wird, welche einen in einem Retardergehäuse angeordneten Stator aufweist,
wobei dieser sich über
eine Feststelleinrichtung am Retardergehäuse abstützt. Am Retardergehäuse ist
dabei eine Messeinrichtung für
das Retarderbremsmoment vorgesehen, die von der Feststelleinrichtung beaufschlagt
wird. Die Messeinrichtung ist mit einer Steuereinrichtung verbunden.
Die Messeinrichtung selbst kann dabei in Form eines hydraulischen Drucksensors
vorliegen, der mit dem elektronischen Schaltkreis der Steuereinrichtung
gekoppelt ist, ferner kann dieser eine Feder und einen Wegsensor umfassen,
oder aber einen mechanischen Drucksensor aufweisen, wobei diese
Elemente jeweils mit dem elektronischen Schaltkreis verbunden sind.
Dabei wird das Bremsmoment somit indirekt aus diesen über die
Messeinrichtung ermittelten Größen ermittelt.
Diese Lösung
ist durch einen hohen steuerungstechnischen Aufwand charakterisiert,
da hier entsprechende Berechnungsschritte sich anschließen müssen, um
aus den erfassten Größen das
Bremsmoment abzuleiten. Ferner sind diese Möglichkeiten auch durch einen
erheblichen zusätzlichen
konstruktiven Aufwand bedingt.
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Aufgrund
des in dem Dokument
DE
198 50 383 A1 vorgesehenen Drucksensors mit einer Druckkammer
kann das Abstützmoment
nur indirekt über die Änderung
des Volumens der Druckkammer und weiter über eine Dehnung erfasst werden,
was zu Ungenauigkeiten führt.
Ferner ist der Stator einseitig abgestützt. Hieraus resultieren Verlagerungen
in Radialrichtung, welche das Messergebnis ebenfalls negativ beeinflussen.
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Das
Dokument
DE 102 33
133 A1 beschreibt neben einem Kraftsensor auch einen Drehmomentsensor
zur Erfassung des Retarderbremsmomentes beziehungsweise des Stützmomentes.
Somit wird wiederum die Abstützung über einen
Druck berechnet, was zu Ungenauigkeiten führt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hydrodynamisches
System, insbesondere eine hydrodynamische Bremseinrichtung der eingangs
genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die bisher übliche Einstellung
im Abnahmeprüfstand entfällt und
der Bauaufwand und damit die Herstellungskosten verringert werden
bei gleichzeitiger Verringerung der Abweichung des Soll von Istwert.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei
einem hydrodynamischen System mit zwei miteinander in über ein
Strömungsmedium
in Wirkverbindung bringbaren Elementen in Form von Schaufelrädern, wobei
ein erstes Element drehbar gelagert ist und das zweite zumindest
für einen
Teil des theoretisch nutzbaren Betriebsbereiches des hydrodynamischen
Systems an einem ortsfesten Element abgestützt wird, mit einer Einrichtung
zur Erfassung einer die Funktionsweise, insbesondere das Übertragungsverhalten
bzw. das übertragbare
Moment wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe ist diese
Einrichtung erfindungsgemäß als Einrichtung
zur Erfassung des Stützmomentes
bei Abstützung
des zweiten Elementes am ortsfesten Element ausgeführt. Die
Einrichtung zur Erfassung des Stützmomentes
Mstütz ist
zwischen zweitem Element und ortsfestem Element angeordnet, vorzugsweise
in der Verbindung zwischen dem zweiten Element und dem ortsfesten
Element oder an einem Kontaktelement zwischen zweitem Element und
ortsfestem Element. Die Anordnung erfolgt damit nicht direkt am ortsfesten
Element, sondern einem mit diesem gekoppelten Element. Erfindungsgemäß umfasst
die Einrichtung zur Erfassung des Stützmomentes wenigstens einen
Drehmomentsensor, vorzugsweise eine Mehrzahl von diesen, in Form
eines Dehnungsmessstreifens auf einer Verbindungseinrichtung in Form
einer Hülse,
die koaxial zur Mittenachse des zweiten Elements angeordnet ist.
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Die
direkte Erfassung eines Drehmomentes in Form des vorliegenden Stützmomentes
bei Abstützung
am ortsfesten Element bietet den Vorteil, dass dieses je nach Ausführung des
hydrodynamischen Systems sowie Ausgestaltung und Anordnung der Verbindung
und der Einrichtung einem am zweiten Element wirksam werdenden Reaktionsmoment
entweder direkt entspricht oder in einem direkten funktionalen Zusammenhang
zu diesem steht und somit das Reaktionsmoment nicht aufwendig über andere Größen, welche
während
des Betriebes des hydrodynamischen Systems erfasst werden können, ermittelt werden
muss. Der so schnell und einfach ermittelte Ist-Wert für das Stützmoment
kann für
Reglungsaufgaben verwendet werden, wobei die Ansprechzeit besonders
gering ist.
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Bezüglich der
Ausführung
des ortsfesten Elementes bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten. Im
einfachsten Fall handelt es sich um ein Gehäuse oder ein mit diesem gekoppeltes
Element für
das hydrodynamische System, wobei es sich hier speziell um das Gehäuse des
hydrodynamischen Systems oder aber um das Gehäuse einer Baueinheit handeln kann,
in welchem das hydrodynamische System angeordnet ist.
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Bezüglich der
Ausführung
der Verbindung zwischen dem zweiten Element und dem ortsfesten Element
bestehen eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Im
einfachsten Fall wird diese über
eine Verbindungseinrichtung realisiert, wobei die Einrichtung zur Erfassung
des Stützmomentes
an einem drehfest mit dem ersten Element des Systems gekoppelten
Element der Verbindungseinrichtung oder einem mit dem ersten Element
des hydrodynamischen Systems eine bauliche Einheit bildenden Element
der Verbindungseinrichtung angeordnet ist. Die Verbindungseinrichtung
wird dabei von einer kraft- und/oder formschlüssigen Einrichtung gebildet.
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Im
einfachsten Fall ist die Verbindungseinrichtung als Kupplungseinrichtung
mit einem feststehenden Element ausgebildet, das heißt eines
der miteinander in Wirkverbindung bringbaren Kupplungselemente ortsfest,
das heißt
feststehend, ist. Die Verbindungseinrichtung wird daher auch als
Bremseinrichtung bezeichnet. Wie bereits ausgeführt, kann diese nach dem Prinzip
des Kraft- oder Formschlusses arbeiten. Im einfachsten Fall wird
eine formschlüssige
Bremseinrichtung zur Anbindung an das ortsfeste Element verwendet,
die ein erstes drehfest mit dem ersten Element des hydrodynamischen
Systems verbundenes oder mit diesem eine bauliche Einheit bildendes
Kopplungselement und ein zweites mit dem ortsfesten Element verbundenes
oder von diesem gebildetes Kopplungselement aufweist, wobei erstes
und zweites Kopplungselement wenigstens mittelbar, das heißt direkt
oder über
wenigstens ein weiteres Zwischenelement miteinander in Wirkverbindung
bringbar sind. Die Einrichtung zur Erfassung des Abstützmomentes
kann dann am ersten Kopplungselement oder dem Zwischenelement angeordnet
sein. Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführung
werden immer Ausführungen
mit Zwischenelementen verwendet, an welchen auch die Einrichtung
zur Erfassung des Abstützmomentes
angeordnet ist, da in diesem Fall eine leichte Austauschbarkeit
der Einrichtung zur Erfassung des Abstützmomentes gegeben wäre.
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Die
Verbindungseinrichtung in Form einer Kupplungseinrichtung mit feststehendem
Kupplungselement, das heißt
als Bremseinrichtung, kann schaltbar oder nicht schaltbar ausgeführt sein.
Bei Ausführung
als nicht schaltbare formschlüssige
Verbindung, insbesondere formschlüssige Bremseinrichtung, wird
eine Steckverbindung zwischen dem zweiten Element des hydrodynamischen
Systems und dem ortsfesten Element gebildet. Dabei tragen die miteinander
zu koppelnden Elemente komplementär zueinander ausgeführte Mitnahmeelemente, die
durch komplementär
zueinander wechselweise ausgeführte
Ausnehmungen und Vorsprünge
an einem Außen-
und/oder einem Innenumfang bildenden Bereich am jeweiligen Anschlusselement
charakterisiert sind. Dabei bestehen mehrere Möglichkeiten, wobei hier im
einzelnen zwischen der direkten Kopplung und der indirekten Kopplung
unterschieden wird. Im Fall der direkten Kopplung werden dabei die
Mitnahmeelemente des ersten Kupplungselementes entweder an einem
Außenumfang
gebildet, wobei die Mitnahmeelemente des zweiten Kupplungselementes
an einem Innenumfang bildenden Bereich gebildet werden und beide
ohne Zwischenschaltung eines Zwischenelementes direkt miteinander
verbunden werden. Dies gilt in Analogie auch für die umgekehrte Anordnung
der Mitnahmeelemente.
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Bei
Verwendung von Zwischenelementen sind die gleichen Möglichkeiten
denkbar, wobei hier jedoch diese Möglichkeiten jeweils zwischen
dem einzelnen Kupplungselement und dem Zwischenelement vorzusehen
sind. Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführung
wird dabei die Zwischenhülse als
rohrförmiges
Element mit in beiden Endbereichen angeordneten am Außenumfang
oder Innenumfang angeordneten Vorsprüngen ausgeführt, die in komplementäre Ausnehmungen
an einem einen Innenumfang bildenden Bereich der Anschlusselemente – erstes
Kupplungselement oder zweites Kupplungselement – eingreifen. Dies gilt in
Analogie bei Ausführung
der Mitnahmeelemente am Zwischenelement am Innenumfang, wobei dann
die entsprechenden Vorsprünge
und Ausnehmungen an den Anschlusselementen jeweils an einem einen
Außenumfang
bildenden Bereich angeordnet werden müssten. In diesem Fall kann
der Verbindungsbereich in axialer Richtung sehr klein bauen und
trotzdem die Einrichtung zur Erfassung des Abstützmomentes noch im Zwischenelement
integriert werden.
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Für die Ausführung des
hydrodynamischen Systems bestehen grundsätzlich nachfolgende Möglichkeiten:
- – Ausführung als
hydrodynamischer Retarder
- – Ausführung als
hydrodynamische Kupplung mit vorgesehener Möglichkeit der Festsetzung eines der
Schaufelräder
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Bei
Ausführung
des hydrodynamischen Systems als Retarder wird das erste Element
des Systems von einem mit einer abzubremsenden Welle wenigstens
mittelbar drehfest verbundenen als Rotorschaufelrad fungierenden
Primärrad
gebildet, während
das zweite Element von einem über
die Verbindungseinrichtung mit dem ortsfesten Element verbundenen
als Statorschaufelrad fungierenden Sekundärrad gebildet wird. Die Verbindungseinrichtung ist
dann als nicht schaltbare oder aber schaltbare Kupplungseinrichtung
ausgeführt,
wobei die Einrichtung zur Erfassung einer das Abstützmoment
wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe in der Verbindungseinrichtung
zur Verbindung des Statorschaufelrades mit dem ortsfesten Element
angeordnet ist. Die Anordnung kann dabei wie bereits beschrieben
erfolgen. In diesem Fall fungiert das hydrodynamische System immer
als hydrodynamischer Retarder.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung
kann das hydrodynamische System auch als hydrodynamische Kupplung
ausgeführt
werden, wobei das erste Element von einem mit einer Antriebswelle
wenigstens mittelbar drehfest verbindbaren Primärrad und das zweite Element
von einem mit einem Abtrieb wenigstens mittelbar drehfest verbindbaren
Sekundärrad
gebildet wird, die ein mit Betriebsmitteln befüllbaren Arbeitsraum bilden.
Vorzugsweise besteht jeweils immer eine direkte drehfeste Verbindung
mit einer Antriebswelle bzw. dem Abtrieb. Das Primärrad und
das Sekundärrad
sind dabei drehbar gelagert und wenigstens einem der beiden Schaufelräder – Primärrad oder
Sekundärrad – ist eine
Bremseinrichtung zur Festsetzung am ortsfesten Element zugeordnet,
welche für
einen Teil des Betriebsbereiches des hydrodynamischen Systems als
Verbindungseinrichtung fungiert und somit die hydrodynamische Kupplung
in diesem Betriebsbereich als Retarder betrieben wird. Die Einrichtung
zur Erfassung wenigstens einer das Abstützmoment wenigstens mittelbar charakterisierenden
Größe ist in
der Bremseinrichtung angeordnet, welche als schaltbare Kupplungseinrichtung
mit einem feststehenden Kupplungselement ausgeführt ist. Auch hier bestehen
für die
Ausführung
der Kupplungseinrichtung eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie bereits beschrieben.
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Die
einzelnen Kupplungselemente können dabei
jeweils von separaten Elementen gebildet werden oder bilden mit
den jeweiligen Anschlusselementen eine bauliche Einheit.
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Die
Einrichtung zur Erfassung des Abstützmomentes, welche mindestens
einen Drehmomentsensor umfasst, ist dabei koaxial zu einer theoretischen
Lagerachse des zweiten Elementes, insbesondere bei Ausführung als
hydrodynamischer Retarder des Statorschaufelrades bzw. bei Ausführung als
hydrodynamische Kupplung des jeweiligen festzusetzenden Schaufelrades
angeordnet, wobei die Anordnung vorzugsweise direkt auf der Achse
erfolgt, da in diesem Fall das Reaktionsmoment direkt aus dem Abstützmoment
gebildet werden kann.
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Die
theoretische Lagerachse entspricht dabei der Symmetrieachse des
jeweiligen Schaufelrades. Die Ausführung des Drehmomentsensors
kann verschiedenartig erfolgen. Dieser kann auch eine rotationssymmetrische
Ausführung
aufweisen, beispielsweise in Ringform.
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Erfindungsgemäß wird das
Abstützmoment direkt
ermittelt. Dieses entspricht bei Ausführung des hydrodynamischen
Systems als hydrodynamischer Retarder bzw. in der Funktion einer
hydrodynamischen Kupplung als hydrodynamischer Retarder dem erzeugten
Bremsmoment an dem als zweitem Element fungierenden Schaufelrad,
insbesondere Statorschaufelrad bzw. dem jeweils festgesetzten Schaufelrad.
Dadurch wird es möglich,
die Betriebsweise eines hydrodynamischen Retarders hinsichtlich
der Steuerung erheblich zu vereinfachen, da hier einfach und direkt
eine Ist-Größe für das erzeugte Bremsmoment
erfasst werden kann, die in einer Regelung zur Einstellung eines
Bremsmomentes verwendet wird. Dabei kann unabhängig von Fertigungsstreuungen
dem hydrodynamischen Retarder bzw. der hydrodynamischen Kupplung,
welche zumindest in einem Teilbereich eines Betriebsbereiches als
hydrodynamischer Retarder durch Festsetzen eines der Schaufelräder betreibbar
ist, ein starres Kennfeld zugeordnet werden, welches für eine Vielzahl
gleichartiger hydrodynamischer Systeme unter Berücksichtigung eines bestimmten
Toleranzbereiches verwendbar ist. Dieses Kennfeld kann dabei beispielsweise
in Form eines Bremsleistungsgeschwindigkeitskennfeldes bzw. eines
Bremsmoment-/Drehzahlkennfeldes vorliegen. In Abhängigkeit eines
Wunsches nach Änderung
oder Einstellung eines bestimmten Betriebszustandes wird dann ein Soll-Wert
für das
einzustellende Bremsmoment MBrems-Soll gebildet
bzw. eine diesen Momentenwert wenigstens mittelbar charakterisierende
Größe. Aus dem
Kennfeld des hydrodynamischen Systems wird dann die Stellgröße zur Ansteuerung
des Stellgliedes bzw. der im hydrodynamischen System zugeordneten
Stelleinrichtung zur Beeinflussung des Übertragungsverhaltens bzw.
beim Fall eines hydrodynamischen Retarders zur Beeinflussung des
Bremsmomentes ermittelt und die Stelleinrichtung entsprechend angesteuert.
Dabei wird der sich aufgrund dieser Aktivierung der Stelleinrichtung
einstellende Ist-Wert MBrems-Ist für das Bremsmoment
ermittelt, der in diesem Fall dem Abstützmoment MStützt-ist entspricht.
Dieser Wert wird mit dem Soll-Wert MBrems-Soll verglichen
und bei Abweichung wird der Soll-Wert MBrems-Soll als
einzustellender Ist-Wert MBrems-Ist durch Änderung
der Stellgröße eingeregelt.
Die Änderung der
Stellgröße kann
dabei stufenlos oder stufenweise erfolgen. Denkbar ist auch eine
spezieller Berechnungsalgorithmus, der als Funktion der Größe der Abweichung
die Änderung
der Stellgröße bestimmt.
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Die
Ausführung
der Stelleinrichtungen des hydrodynamischen Systems entsprechen
den aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtungen. Im einfachsten
Fall handelt es sich hierbei um eine Drucksteuerung, wobei die Drücke im Eintritt
in den Arbeitsraum bzw. einer mit dem Austritt aus dem Arbeitsraum
gekoppelten Leitung entsprechend eingestellt und variiert werden
können.
Da diese Möglichkeiten
aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind, wird hier im
einzelnen nicht auf die Möglichkeiten
der Ausführungen
der Steuereinrichtungen und deren Betreiben eingegangen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird vorzugsweise der aktuelle Ist-Wert des Abstützmomentes MStütz-ist fortlaufend
ermittelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet dabei den Vorteil, dass auf eine aufwendige Kennfeldanpassung
im Rahmen der Endabnahme durch entweder bauliche Veränderung
bzw. Nachbearbeitung einzelner Bauteile zur Toleranzminimierung
oder aber aufwendige Steuer- und Regelalgorithmen während des
Betriebes verzichtet werden kann und unabhängig von den tatsächlich vorliegenden
Toleranzen gegenüber
einem theoretisch optimal ausgeführten gleichem
System die gleichen Werte bei Vorliegen einer Soll-Wert Vorgabe
eingeregelt werden können, wobei
der steuerungstechnische Aufwand in diesem Fall sehr gering gehalten
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann mit weiteren Regelungen kombiniert oder aber auch in diese
integriert werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren
Bestandteil einer Regelung auf eine der nachfolgend genannten Größen sein:
- – eine
konstante Geschwindigkeit
- – eine
konstante Verzögerung
- – ein
konstantes Bremsmoment
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und das erfindungsgemäße System
mit der Möglichkeit
der Anordnung der Einrichtung zur Erfassung des Abstützmomentes
in der Verbindungseinrichtung und damit nicht am abzustützenden
ortsfesten Element kann sowohl für
stationäre
als auch mobile Anlagen, insbesondere Fahrzeuge, zum Einsatz gelangen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird
nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen
folgendes dargestellt:
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1 verdeutlicht
in schematisch vereinfachter Darstellung eine Grundausführung des
erfindungsgemäß gestalteten
hydrodynamischen Systems;
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2a bis 2b verdeutlichen
in schematisch vereinfachter Darstellung Ausführung eines hydrodynamischen
Systems in Form eines hydrodynamischen Retarders mit integrierter
Erfassungseinrichtung zur Erfassung des Abstützmomentes;
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3 verdeutlicht
in schematisch vereinfachter Darstellung die Ausführung eines
hydrodynamischen Systems in Form einer hydrodynamischen Kupplung
mit einer einem Schaufelrad zugeordneten Bremseinrichtung zur Realisierung
der Betriebsweise als hydrodynamischer Retarder;
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4 verdeutlicht
anhand eines Blockschaltbildes ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kennfeldanpassung
des hydrodynamischen Systems;
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5 verdeutlicht
beispielhaft ein entsprechend stationäres Kennfeld eines Retarders
mit Vorgabe der Bremsleistung über
der Fahrgeschwindigkeit.
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Die 1 verdeutlicht
in schematisch vereinfachter Darstellung den Grundaufbau eines erfindungsgemäß ausgeführten hydrodynamischen
Systems 1, umfassend wenigstens zwei über ein Strömungsmedium miteinander in
Wirkverbindung stehenden Elementen 2 und 3, wobei
eines der Elemente 2 oder 3, im dargestellten
Fall 2, drehbar gelagert ist und das zweite der Elemente 3 oder 2,
hier 3, sich zumindest über
einen Teil des möglichen
Betriebsbereiches des hydrodynamischen Systems 1 an einem ortsfesten
Element 4 abstützt.
Die Elemente 2 und 3 begrenzen dabei wenigstens
einen Teil eines Arbeitsraumes 21, welcher mit Betriebsmittel
befüllbar
ist, vorzugsweise diesen jeweils vollständig, das heißt der Arbeitsraum 21 wird
von den Elementen 2 und 3 begrenzt. Das Betriebsmittel
wird durch das rotierende Element, hier beispielsweise 2,
umgewälzt.
Am sich am ortsfesten Element 4 abstützenden Element, hier beispielsweise 3,
wird ein Reaktionsmoment erzeugt, welches dem Abstützmoment
MStütz des
Elementes 4 entspricht. Erfindungsgemäß ist dabei in der Verbindung 7 zwischen
dem Element 3 und dem ortsfesten Element 4 eine
Einrichtung 5 zur Erfassung wenigstens einer, das Stützmoment
MStütz wenigstens
mittelbar charakterisierenden Größe, vorzugsweise
zur direkten Erfassung des Stützmomentes
MStütz angeordnet.
Die Einrichtung 5 zur Erfassung des Stützmomentes umfasst in diesem
Fall wenigstens einen Drehmomentsensor 6. Vorzugsweise sind
eine Mehrzahl von derartigen Sensoren vorgesehen, die in der Verbindung 7 zwischen
dem ortsfesten Element 4 und dem Element 3 angeordnet
sind. Das ermittelte Stützmoment
des Elementes 3 am ortsfesten Element 4 MStütz ist
dabei je nach Anordnung und Ausführung
der Verbindung proportional zum oder entspricht dem am Element 3 wirksam
werdenden bzw. eingeleiteten Reaktionsmoment, insbesondere Bremsmoment.
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Die
Verbindung 7 wird dabei koaxial zur theoretischen Lagerachse,
welche in der Regel der Symmetrieachse bzw. Mittenachse A des zweiten Elements
entspricht angeordnet und demnach auch die Einrichtung 5.
In diesem Fall entspricht das Abstützmoment dem Reaktionsmoment,
insbesondere Bremsmoment. Vorzugsweise wird die Einrichtung 5 direkt
auf dieser geometrischen Achse angeordnet.
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2a verdeutlicht
dabei in schematisch stark vereinfachter Darstellung die Ausführung eines hydrodynamischen
Systems 1 in Form eines hydrodynamischen Retarders 8.
Dieser umfasst als erstes Element 2 ein als Rotorschaufelrad 9 fungierendes Primärrad und
als zweites Element 3 ein als Statorschaufelrad 10 fungierendes
Sekundärrad.
Das Rotorschaufelrad 9 ist dazu mit einer abzubremsenden Welle 11 drehfest
verbunden, wobei der Begriff Welle funktional zu verstehen ist und
jedes rotierende Element in Form einer Voll- oder Hohlwelle oder
Anschlussnabe umfasst, während
das Statorschaufelrad 10 in einem Gehäuse 12 angeordnet
ist und sich an diesem abstützt.
Die Verbindung 7 zwischen dem Gehäuse 12 und dem Stator 10 erfolgt
dabei kraft- und/oder formschlüssig,
im einfachsten Fall durch eine Verbindungseinrichtung in Form einer
Steckverbindung 13, welche durch komplementär zueinander ausgeführte Mitnahmeelemente 14 und 15 am
Statorschaufelrad 10 und dem Gehäuse 12 charakterisiert
ist. Bei diesen handelt es sich im einfachsten Fall um in radialer
Richtung sich erstreckende und in Umfangsrichtung auf einem bestimmten
Durchmesser angeordnete Vorsprünge
bzw. Ausnehmungen. Die Steckverbindung 13 wird von einer
Kupplungseinrichtung gebildet, umfassend ein erstes mit dem Statorschaufelrad 10 drehfest
verbundenes oder von diesem gebildetes Kupplungselement 24.1 und
ein zweites mit dem ortsfesten Element 4, insbesondere Gehäuse 12 verbundenes
oder von diesem gebildetes Kupplungselement 24.2, die wenigstens
mittelbar, das heißt
direkt oder über wenigstens
ein Zwischenelement 24.3 miteinander in Wirkverbindung bringbar
sind. Im dargestellten Fall bildet beispielsweise der Stator 10 bzw.
das Statorschaufelrad das erste Kupplungselement 24.1 und
ist drehfest, jedoch vorzugsweise lösbar mit einem Zwischenelement 24.3 in
Form einer Steckhülse 16 verbunden,
die je nach Ausführung über an ihrem
Außen-
oder Innenumfang angeordnete Mitnahmeelemente mit komplementär dazu ausgeführten Mitnahmeelementen 15, die
an einem einen Innenumfang bzw. Außenumfang bildenden Bereich 17 des
Gehäuses 12 angeordnet sind,
in Wirkverbindung treten. Im dargestellten Fall sind beispielhaft
die Mitnahmeelemente 14 des ersten Kupplungselementes 24.1 an
einem Außenumfang
bildenden Bereich angeordnet, während
die Mitnahmeelemente 15 am zweiten Kupplungselement 24.2 an
einem Innumfang bildenden Bereich des Gehäuses 12 angeordnet
sind. Die Mitnahmeelemente 29.1 zur Verbindung zwischen
Statorschaufelrad 10 bzw. erstem Kupplungselement 24.1 und
Steckhülse 16 erfolgt über an einem
Innenumfang bildenden Bereich der Steckhülse 16 angeordnete
komplementär zu
den Mitnahmeelementen 14 ausgebildete Mitnahmeelemente 29.1,
während
die Verbindung zwischen Steckhülse 16 und
Gehäuse 12 bzw.
zweitem Kupplungselement 24.2 über Mitnahmeelemente 29.2 an einem
Außenumfang
bildenden Bereich der Steckhülse 16 erfolgt.
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Vorzugsweise
werden das erste und zweite Kupplungselement 24.1, 24.2 jeweils
vom Statorschaufelrad 10 selbst bzw. dem Gehäuse 12 oder ortsfesten
Element 4 gebildet.
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Der
Drehmomentsensor 6 ist in diesem Fall an oder in der Steckhülse 16 angeordnet.
Diese Lösung
bietet den Vorteil der einfachen Austauschbarkeit der Einrichtung 5 bei
Beschädigung.
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Die
Anordnung der Verbindungseinrichtung erfolgt koaxial zur Mittenachse
A des Statorschaufelrades 10. Dies gilt in Analogie für die Einrichtung 5. Nur
diese Möglichkeit
der Anordnung erlaubt eine schnelle und frei von unnötigen Berechnungen
erfolgende Ermittlung des Bremsmomentes.
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Die
Verbindungseinrichtung kann in axialer Richtung selbstsichernd ausgeführt sein
oder es sind separate Mittel zur axialen Fixierung der Lage der Elemente
zueinander erforderlich.
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2b verdeutlicht
eine alternative Ausführung
zu 2a, bei welcher das Zwischenelement in Form der
Steckhülse 16 mit
am Außenumfang
angeordneten Mitnahmeelementen 29, die mit dazu komplementär ausgeführten Mitnahmeelementen 14 und 15 an
einem Innenumfang bildenden Bereich am Gehäuse 12 und dem Statorschaufelrad 10.
Die Anordnung der Verbindungseinrichtung 7 erfolgt im dargestellten
Fall im Bereich des Innenumfangs des Statorschaufelrades 10.
Die Einrichtung 5 ist ebenfalls an der Steckhülse 16 angeordnet.
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3 verdeutlicht
demgegenüber
die Möglichkeit
der Anordnung einer Einrichtung 5 zur Erfassung wenigstens
einer das Stützmoment
MStütz charakterisierenden
Größe in einem
hydrodynamischen System 1 in Form einer hydrodynamischen
Kupplung 18, welche zumindest auch teilweise als hydrodynamischer
Retarder 8 betreibbar ist. Die hydrodynamische Kupplung 18 umfasst
ein erstes Element 2 in Form eines mit einer Antriebswelle
drehfest koppelbaren Primärrades 19 und
eines mit einem Abtrieb drehfest koppelbaren Sekundärrades 20,
wobei Primärrad 19 und
Sekundärrad 20 einen
mit Betriebsmittel befüllbaren
Arbeitsraum 21 bilden. Einem der Schaufelräder, Primärrad 19 oder
Sekundärrad 20 – je nach
Ausführung
und Integration in ein Gesamtsystem – ist eine Bremseinrichtung 22 zugeordnet, die
der Abstützung
dieses Schaufelrades – Primärrad 19 oder
Sekundärrad 20 – an einem
ortsfesten Element 4 dient. Diese Abstützung erfolgt wahlweise, das
heißt
nach Bedarf bzw. Anforderung und kann beispielsweise über eine
schaltbare formschlüssige Kupplung 23 in
Form einer Klauenkupplung 24 erfolgen, wobei eines der miteinander
in Wirkverbindung bringbaren Kupplungselemente, hier das zweite Kupplungselement 24.2 mit
dem ortsfesten Element 4 verbunden ist, während das
andere Kupplungselement 24.1 drehfest mit dem Sekundärrad 20 gekoppelt
ist oder von diesem gebildet wird. Bei dieser Kopplung zwischen 24.1, 24.2 würde die
Einrichtung 5 in der Klauenkupplung 24, insbesondere
am Kupplungselement 24.1, angeordnet werden. Vorzugsweise
erfolgt auch hier die Verbindung von erstem und zweitem Kupplungselement 24.1, 24.2 nicht
direkt sondern über
ein Zwischenelement 24.3 in Form eines Zwischenelementes 24.3.
Das Primärrad 19 oder das
Sekundärrad 20 – je nach
Zuordnung der Bremseinrichtung 22 zu einem dieser beiden
Schaufelräder – fungiert
in diesem Fall als Stator 10. Über die Einrichtung 5 in
der formschlüssigen
Kupplungseinrichtung 23, insbesondere am ersten Kupplungselement 24.1 oder
dem Zwischenelement 24.3 kann dabei das Stützmoment
MStütz ermittelt
werden, welches dem in der Betriebsweise als Retarder 18 am
jeweils festgestellten Schaufelrad – Primärrad 19 oder Sekundärrad 20 – erzeugten
Bremsmoment MBrems entspricht bzw. direkt
proportional ist.
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Die 4 verdeutlicht
anhand eines Blockschaltbildes ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kennfeldanpassung
eines hydrodynamischen Systems 1 in Form eines hydrodynamischen
Retarders 8 bzw. 18 durch direkte Erfassung des
Ist-Momentes MStütz-ist am
Stator 10, welcher dem Bremsmoment MBrems-ist entspricht
durch Nachregelung.
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In
einer Steuereinrichtung 25, welche dem hydrodynamischen
Retarder 8 beziehungsweise der hydrodynamischen Kupplung 18 für den Betrieb
als hydrodynamischer Retarder zugeordnet sein kann, wobei es sich
um eine speziell diesen hydrodynamischen Komponenten zugeordnete
Steuereinrichtung handeln kann oder aber eine übergeordnete Steuereinrichtung,
ist ein Kennfeld für
eine in Abhängigkeit einer
Fahrerwunschvorgabe, beispielsweise über eine Einrichtung 27 für das zu
erzeugende Bremsmoment wenigstens mittelbar beschreibende Größe hinterlegt.
Vorzugsweise ist im Kennfeld direkt das Bremsmoment in Abhängigkeit
der Drehzahl abgelegt. Das Kennfeld kann auch als Bremsleistungs-/Fahrgeschwindigkeitskennfeld
vorliegen, wobei vorzugsweise die Bremsleistung stufenweise einstellbar
ist. In Abhängigkeit
des Fahrerwunsches nach Einstellung einer bestimmten Verzögerung oder Beibehaltung
einer Geschwindigkeit oder der Einstellung eines bestimmten konstanten
Bremsmomentes MBrems-konstant wird dabei
ein Sollwert für
das einzustellende Bremsmoment MBrems-Soll gebildet
und eine Stellgröße Y zur
Ansteuerung einer dem Retarder 8 zugeordneten Stelleinrichtung 26 gebildet,
die entsprechend dem Kennfeld zur Einstellung dieses bestimmten
Bremsmomentes MBrems-Soll führen soll.
Erfindungsgemäß wird nunmehr
das tatsächliche
am hydrodynamischen Retarder 8 eingestellte Bremsmoment
MBrems -Ist über das
Abstützmoment
MStütz -ist am Stator 10 ermittelt und
mit dem einzustellenden Sollwert MBrems-Soll verglichen.
Je nach Abweichung wird dann eine Stellgröße Yneu zur
Ansteuerung der Stelleinrichtung 26 des hydrodynamischen
Retarders 8 gebildet, welche eine Änderung des sich am hydrodynamischen
Retarder 8 eingestellten Bremsmomentes Mist-neu beinhaltet.
Diese Regelung erfolgt so lange, bis das gewünschte einzustellende Bremsmoment
MBrems-Soll vom Istmoment MBrems-Ist erreicht
wird. Die Regelung wird unterbrochen, wenn der Fahrerwunsch geändert wird.
Dieser Fahrerwunsch wird dabei beispielsweise an eine Einrichtung 27 zur
Vorgabe eines Fahrerwunsches nach Einstellung eines bestimmten Bremsmomentes
und/oder der Beibehaltung einer Geschwindigkeit v und/oder der Einstellung
einer Verzögerung
vorgegeben. Diese Einrichtung 27 kann im einfachsten Fall
als Retarderwählhebel
oder aber Tastenschalter ausgeführt
sein. Erfindungsgemäß wird somit
das im Betrieb auftretende Bremsmoment MBrems-Ist am
Stator 10 aktiv gemessen, um den Retarder 8 genau
innerhalb einer bestimmten Toleranz abhängig vom angeforderten Sollwert
MBrems-Soll zu regeln. Der Retarder kann
dabei in seiner Bremscharakteristik genau dem angeforderten Bremsmoment
MBrems-Soll angepasst wie auch geregelt
werden. Des weiteren besteht die Möglichkeit, den Retarder 8 in
Abhängigkeit
der Außentemperatur genau
an der Leistungsgrenze der Kühlanlage
zu betreiben. In diesem Fall ist die Regelung des Retarderbremsmomentes
Bestandteil einer weiteren Regelung beziehungsweise Steuerung.
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Die
erfindungsgemäße Lösung bietet
ferner den Vorteil, dass auch die Ventilationsmomente bei entleertem
hydrodynamischem Retarder 8 erfasst werden können.
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Vorzugsweise
ist die Verbindungseinrichtung mit mehreren Drehmomentsensoren 6 bestückt, wobei
diese derart ausgeführt
sind, dass unterschiedliche Temperaturen und auftretende Biegemomente kompensiert
werden können
beziehungsweise diese mit einer entsprechenden Isolierung versehen
sind, so dass die unterschiedlichen Temperaturen keine Auswirkung
auf diese haben. Dazu können
diese in Kunstharz vergossen oder mit Viton ummantelt werden. Im
einfachsten Fall sind die Drehmomentsensoren als Vollbrücken mit
integrierter Temperaturkompensation ausgeführt.
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Die 5 verdeutlicht
dabei beispielhaft ein entsprechendes stationäres Kennfeld Bremsleitung über Fahrgeschwindigkeit,
wie es in einer Steuerung hinterlegt werden kann.
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Bezüglich der
Ansteuerung der Stelleinrichtung bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Im einfachsten Fall wird das Bremsmoment MBrems durch Änderung
des Füllungsgrades
FG und/oder des Druckes am Ein- und/oder Ausgang des Arbeitsraumes eingestellt.
Damit kann je nach Füllungsgrad
FG der hydrodynamische Retarder 8 in Abhängigkeit
von der Abtriebsdrehzahl, das heißt Drehzahl des Rotorschaufelrades,
stufenlos verschiedene Bremsmomente einstellen. Der Füllungsgrad
FG kann wie bereits ausgeführt
durch Drosselung des Zu- und/oder Ablaufes der hydrodynamischen
Bremseinrichtung, insbesondere des Arbeitsraumes 21 vorgegeben werden.