HYDRODYNAMISCHEN RETARDER MIT WEGSENSOR

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang mit einem

hydrodynamischen Retarder, der mittels einer Trennkupplung abkuppelbar ist, um Leerlaufverluste im Nichtbremsbetrieb zu vermeiden.

Hydrodynamische Retarder werden in einem Antriebsstrang, beispielsweise Kraftfahrzeugantriebsstrang, insbesondere Nutzfahrzeugantriebsstrang, wie sie die vorliegende Erfindung insbesondere betrifft, verwendet, um das Kraftfahrzeug verschleißfrei hydrodynamisch abzubremsen. Hierfür weist der hydrodynamische Retarder einen um eine Drehachse umlaufenden beschaufeiten Rotor und einen beschaufeiten Stator auf, wobei der Stator im Sinne der vorliegenden Erfindung prinzipiell auch als Gegenlaufrotor ausgeführt sein kann, und wobei der Rotor und der Stator gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, der mit einem Arbeitsmedium befüllbar ist, um Antriebsleistung hydrodynamisch mittels eines im Arbeitsraum ausgebildeten hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislaufes vom Rotor auf den Stator zu übertragen. Durch diese Antriebsleistungsübertragung wird der Rotor verschleißfrei abgebremst.

Grundsätzlich ist es möglich, den Rotor des hydrodynamischen Retarders permanent angekoppelt im Antriebsstrang vorzusehen, beispielsweise

angekoppelt an eine Getriebeabtriebswelle oder einen Nebenabtrieb eines

Kraftfahrzeuggetriebes, und beim Übergang vom Bremsbetrieb zum

Nichtbremsbetrieb den Arbeitsraum zumindest weitgehend vom Arbeitsmedium zu entleeren. Jedoch ergibt sich auch im vom Arbeitsmedium entleerten Zustand des Arbeitsraumes eine unerwünschte Drehmomentübertragung vom Rotor auf den Stator, der zu einer Verlustleistung führt. Es wurde daher vorgeschlagen, den hydrodynamischen Retarder im Nichtbremsbetreib vollständig vom Antriebsstrang, das heißt der entsprechenden Abtriebswelle des Getriebes oder auch des Motors, zu entkoppeln, indem eine Trennkupplung zwischen einem Leistungseingang, über den Antriebsleistung zu dem hydrodynamischen Retarder geführt wird, und dem Rotor des hydrodynamischen Retarders vorgesehen ist. In Abhängigkeit der Ausgestaltung einer solchen Trennkupplung kann jedoch auch diese einen unerwünschten Schleppverlust im geöffneten Zustand, das heißt in dem Zustand, in dem Retarder entkoppelt ist, erzeugen. Solche Verluste können, wie in DE 10 2012 007 732 A1 beschrieben wird, größer sein als die Verluste, die herkömmlich durch das Mitdrehen des Retarderrotors im Nichtbremsbetrieb entstehen. DE 10 2012 007 732 A1 schlägt daher einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem über eine Trennkupplung abkuppelbaren hydrodynamischen Retarder vor, wobei die Trennkupplung als synchronisierbares Schaltelement ausgeführt ist, das über wenigstens einen Synchronring und ferner ein Kegelelement verfügt, durch die ein Drehzahlunterschied zwischen der Abtriebswelle des Getriebes und der Antriebswelle des hydrodynamischen Retarders innerhalb der

Synchronisierungsphase ausgeglichen wird. Ferner ist eine Sensoreinheit vorgesehen, die einen unzulässigen Betriebszustand detektiert, sodass eine Befüllung des Arbeitsraumes des Retarders abgebrochen werden kann und die Synchronisiereinrichtung des Schaltelementes zuverlässig vor Beschädigungen und unzulässig hohem Verschleiß geschützt wird. Die Sensoreinheit überwacht beispielsweise die jeweiligen Drehzahlen oder die Positionen der

Getriebeabtriebswelle sowie der Retarderantriebswelle beziehungsweise die Positionierung oder den Betriebszustand der Synchronisiereinrichtung.

Trennkupplungen, die eine Synchronisierung mit Reibelementen bewirken, unterliegen grundsätzlich einem Verschleiß. Daher muss konstruktiv eine

Verschleißreserve vorgehalten werden, innerhalb der die Trennkupplung keine funktionalen Einbußen durch den Verschleiß aufweist. Wird hingegen die

Verschleißreserve überschritten, so kann dies zu funktionalen Einbußen bis hin zum Totalausfall der Trennkupplung führen. Der tatsächlich auftretende Verschleiß ist dabei von der Ansteuerung der Trennkupplung, insbesondere beim Schließen der Trennkupplung, abhängig. Ein schnelles Schließen der Trennkupplung begünstigt den Verschleiß, wohingegen ein langsames Schließen der

Trennkupplung ungünstig beim Zuschalten des hydrodynamischen Retarders ist, da die Bremsleistung des hydrodynamischen Retarders entsprechend verzögert zur Verfügung gestellt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen

Antriebsstrang mit einem abkoppelbaren hydrodynamischen Retarder anzugeben, bei dem die Zuschaltung des hydrodynamischen Retarders und der Aufbau des mit dem hydrodynamischen Retarder erzeugten Bremsmomentes einerseits rasch erfolgt und andererseits der Verschleiß in der Trennkupplung gering gehalten wird und eine lange Lebensdauer der Trennkupplung erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Antriebsstrang mit den

Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang weist einen hydrodynamischen Retarder auf, der einen um eine Drehachse umlaufenden beschaufeiten Rotor und einen beschaufeiten Stator umfasst. Wie dargelegt, kann der Stator prinzipiell auch als Gegenlaufrotor ausgeführt sein, der in zum Rotor entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben wird. Solche Ausführungsformen haben sich jedoch außerhalb von Schienenfahrzeugen in der Praxis nicht durchgesetzt.

Der Rotor und der Stator bilden zusammen einen Arbeitsraum zur

hydrodynamischen Leistungsübertragung mittels eines Arbeitsmediumkreislaufes.

Der Antriebsstrang weist einen Leistungseingang zum Zuführen von

Antriebsleistung zu dem hydrodynamischen Retarder auf. Der Leistungseingang kann beispielsweise eine Getriebeabtriebswelle, insbesondere die

Hauptabtriebswelle oder eine Nebenabtriebswelle des Getriebes oder eines Antriebsmotors sein. Je nach Wahl der Welle handelt es sich bei dem Retarder um einen Primärretarder, der in Abhängigkeit der Motordrehzahl umläuft, oder um einen Sekundärretarder, der bei einem Fahrzeug in Abhängigkeit der

Fahrzeuggeschwindigkeit umläuft.

Erfindungsgemäß ist eine Trennkupplung vorgesehen, die in einer

Triebverbindung zwischen dem Leistungseingang und dem Rotor des

hydrodynamischen Retarders positioniert ist. Die Trennkupplung ist als

synchronisierte Kupplung mit zwei Kupplungshälften ausgeführt. Es sind wenigstens zwei miteinander zur Anlage bringbare Reibelemente und

mechanische Sperrelemente vorgesehen. Die Reibelemente sind eingerichtet, die Drehzahl zwischen den Kupplungshälften beim Schließen der Trennkupplung anzugleichen, das heißt zu synchronisieren, und die Sperrelemente sind eingerichtet, nach einer Synchronisierung die beiden Kupplungshälften

formschlüssig aneinander zu verriegeln.

Die Trennkupplung weist einen entlang eines Verschiebeweges verschiebbaren Aktuator auf, der über ein erstes anfängliches Wegstück verschiebbar, um die Reibelemente zur wechselseitigen Anlage zu bringen, und der über ein zweites, sich an das erste Wegstück anschließendes Wegstück verschiebbar ist, um die beiden Reibelemente und damit die Kupplungshälften in ihrer Drehzahl zu synchronisieren und mit den Sperrelementen formschlüssig miteinander zu verriegeln.

Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Wegsensor vorgesehen, der den vom Aktuator zurückgelegten Verschiebeweg und/oder die Position des Aktuators auf dem Verschiebeweg direkt oder indirekt erfasst.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, an welcher der wenigstens eine Wegsensor angeschlossen ist und die eingerichtet ist, den vom Wegsensor erfassten Verschiebeweg

beziehungsweise die vom Wegsensor erfasste Position mit einem vorgegebenen Referenzweg beziehungsweise einer vorgegebenen Referenzposition zu vergleichen und in Abhängigkeit des Vergleichs eine Warnmeldung auszugeben und/oder ein permanentes Offenhalten oder permanentes Geschlossenhalten der Trennkupplung anzusteuern, je nachdem, ob ein zukünftiges Zuschalten des Retarders vermieden werden soll oder ob ein zukünftiges Aktivieren und

Deaktivieren des Retarders nur noch durch Befüllen und Entleeren des

Arbeitsraums mit dem/vom Arbeitsmedium erfolgen soll.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Regel- oder Steuereinrichtung vorgesehen, welche ein Verschieben des Aktuators entlang des Verschiebeweges steuert oder regelt und die eingerichtet ist, die Verschiebung entlang des ersten Wegstückes mit einer ersten Betätigungskraft zu bewirken und die Verschiebung entlang des zweiten Wegstückes mit einer zweiten Betätigungskraft zu bewirken, wobei die erste Betätigungskraft kleiner als die zweite Betätigungskraft ist.

Insbesondere kann die erste Betätigungskraft über dem ersten Wegstück mit einem ersten Gradienten erhöht werden und die zweite Betätigungskraft kann über dem zweiten Wegstück mit einem zweiten Gradienten erhöht werden, wobei der erste Gradient bevorzugt kleiner als der zweite Gradient ist. Damit kann im

Vergleich zu bekannten Trennkupplungen insbesondere der sogenannte Aktorik- Weg, das heißt die vom Aktuator der Trennkupplung zurückgelegte Wegstrecke (Verschiebeweg) verändert werden, der bis zur Anlage der Reibelemente, die insbesondere jeweils einen Reibbelag aufweisen, notwendig ist. Diese anfängliche Anlage der Reibelemente, das heißt die Position des Aktuators am Ende des ersten Wegstückes und zu Beginn des zweiten Wegstückes, wird auch als Kiss- Point bezeichnet. Aus der erfassten Position des Aktuators in diesem Kiss-Point beziehungsweise aus dem erfassten von einer Null-Stellung bis zu diesem Kiss- Point zurückgelegten Wegstück, das heißt das Ausmaß des ersten Wegstückes, kann der Verschleißzustand der Trennkupplung bestimmt werden. Wird eine Position oder ein Weg gemessen, der kurz vor der Verschleißreserve der Trennkupplung liegt, kann ein Signal an einen Fahrzeugrechner gesendet werden, das eine notwendige Wartung an der Trennkupplung anzeigt. Bei einem

Überschreiten der Verschleißreserve kann die Trennkupplung entsprechend deaktiviert oder permanent geschlossen werden.

Bei der Aktivierung, das heißt bei dem Schließen der Trennkupplung, kann der Kiss-Point, das heißt das Ende des ersten Wegstückes, mittels der Regel- oder Steuervorrichtung vorteilhaft nur bis zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit beziehungsweise einer vorbestimmten Betätigungskraft angefahren werden.

Bevorzugt erfolgt daher im Anschluss das weitere Verfahren des Aktuators über das zweite Wegstück mit einem höheren Kraftgradienten und/oder mit einer höheren Kraft. Für das Umschalten der Regelung oder Steuerung am Ende des ersten Wegstückes und zu Beginn des zweiten Wegstückes, also im Kiss-Point, ist es günstig, die genaue Lage dieses Übergangspunktes zu erfassen, und zwar auch dann, wenn sich dieser Punkt durch Verschleiß der Trennkupplung

verschiebt. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, diesen Übergangspunkt zu erfassen und zu hinterlegen und entsprechend bei zukünftigen Zuschaltvorgängen der Trennkupplung den hinterlegten

Übergangspunkt zu berücksichtigen. Die Erfassung des Übergangspunktes kann beispielsweise durch Erfassen der Drehzahl der beiden Kupplungshälften oder eines Drehzahlverhältnisses zwischen den beiden Kupplungshälften erfolgen und/oder durch Erfassen eines an der ersten Kupplungshälfte und/oder der zweiten Kupplungshälfte anliegenden Drehmomentes. Die Erfassung kann jeweils wiederum direkt oder indirekt erfolgen.

Der Wegsensor kann vorteilhaft erfassen, ob und/oder wann eine formschlüssige Verriegelung der beiden Kupplungshälften erreicht wurde, das heißt ob und/oder wann die Sperrelemente die beiden Kupplungshälften formschlüssige aneinander verriegelt haben. Der Wegsensor kann hierfür ein entsprechendes Signal liefern. Die Erfassung des Formschlusses kann das Ende des Ankuppelns beziehungsweise des Zuschaltvorganges anzeigen. Ab diesem Zeitpunkt ist die Trennkupplung in der Lage, das volle vom hydrodynamischen Retarder

bereitstellbare Bremsmoment zu übertragen. Somit kann ab diesem Zeitpunkt der Retarder mit dem Arbeitsmedium (weiter) befüllt werden, um ein entsprechendes Bremsmoment aufzubauen.

Besonders vorteilhaft wird, wenn der Formschluss nicht innerhalb eines definierten Zeitabschnittes ab Beginn der Aktivierung, das heißt ab Beginn des Schließens der Trennkupplung, festgestellt wird, ein Fehlerfall festgestellt und die Aktivierung, das heißt das Schließen der Trennkupplung kann abgebrochen werden.

Insbesondere wird zumindest bei der wiederholten Feststellung eines Fehlerfalles eine zukünftige Aktivierung der Trennkupplung unterbunden. Die Ausgabe einer entsprechenden Warnmeldung bei Feststellen des Fehlerfalles beziehungsweise bei wiederholtem Feststellen des Fehlerfalles ist möglich.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit dem Wegsensor der zurückgelegte Verschiebeweg, insbesondere ausgehend von einem vorgegebenen Nullpunkt, und/oder die aktuelle Position des Aktuators direkt oder indirekt erfasst und zur Bestimmung eines Verschleißzustandes der Trennkupplung herangezogen und/oder es wird eine Verschiebung des Aktuators entlang des Verschiebeweges in Abhängigkeit der aktuellen Position mit variierender Betätigungskraft bewirkt. Die aktuelle Position kann dabei mit dem Wegsensor unmittelbar erfasst werden oder aus dem mit dem Wegsensor erfassten zurückgelegten Verschiebeweg bestimmt werden, wobei beides als direkte Erfassung mit dem Wegsensor zu verstehen ist, im Unterschied zu einer indirekten Erfassung mit Messwerten aus anderen Sensoren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bevorzugt die Verschiebung des Aktuators entlang des ersten Wegstückes mit einer vergleichsweise kleineren Betätigungskraft und/oder einem vergleichsweise kleineren Betätigungskraftgradienten bewirkt werden als die Verschiebung des Aktuators entlang des zweiten Wegstückes.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Antriebsstrangs;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Trennkupplung mit Aktuator;

Figur 3 ein Weg-Zeit-Diagramm, nachdem die Regel- oder Steuereinrichtung für die Trennkupplung bevorzugt arbeitet.

In der Figur 1 ist schematisch ein Antriebsstrang beispielsweise eines

Nutzfahrzeugs gezeigt, mit einem Antriebsmotor 17 und einem vom Antriebsmotor 17 angetriebenen Getriebe 18, das eine Getriebeabtriebswelle 19 aufweist, über welche Antriebsräder 20 angetrieben werden. Eine Nebenabtriebswelle des Getriebes 18 bildet einen Leistungseingang 5 für einen hydrodynamischen

Retarder 1 , der einen Rotor 2 und einen Stator 3 aufweist, die gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum 4 ausbilden.

In der Triebverbindung zwischen dem Leistungseingang 5 und dem Rotor 2 des hydrodynamischen Retarders 1 ist eine Trennkupplung 6 vorgesehen, um den hydrodynamischen Retarder 1 vollständig vom Antriebsleistungsfluss abzukoppeln und somit Leerlaufverluste zu vermeiden. Im geschlossenen Zustand der Trennkupplung 6 wird der Rotor 2 über das

Getriebe 18 um eine Drehachse umlaufend angetrieben, wohingegen er im geöffneten Zustand der Trennkupplung 6 stillsteht.

Wie sehr schematisch in der Figur 2 dargestellt ist, weist die Trennkupplung 6 zwei Kupplungshälften 7, 8 auf, die im geöffneten Zustand der Trennkupplung 6 mit verschiedenen Drehzahlen zueinander umlaufen können beziehungsweise von denen eine im geöffneten Zustand der Trennkupplung 6 Stillstehen kann und die andere umlaufen kann. Jede Kupplungshälfte weist wenigstens ein Reibelement 9, 10 auf. Ferner sind Sperrelemente 11 , 12 vorgesehen, mit denen die beiden Kupplungshälften 7, 8 im geschlossenen Zustand der Trennkupplung 6

formschlüssig miteinander verriegelt werden können.

Zum Öffnen und Schließen der Trennkupplung 6 ist ein Aktuator 13 vorgesehen, der ausgehend von einer Nullstellung zunächst ein erstes Wegstück I und anschließend ein zweites Wegstück II zurücklegt, wobei dies nachfolgend noch anhand der Figur 3 erläutert wird. Wenn der Aktuator 13 ausgehend von der Nulllage das erste anfängliche Wegstück I zurückgelegt hat, gelangen die

Reibelemente 9, 10 in eine gegenseitige Anlage, die Trennkupplung 6 befindet sich im sogenannten Kiss-Point. Wenn der Aktuator 13 dann weiter verschoben wird, erfolgt die Synchronisierung der beiden Kupplungshälften 7, 8 und das formschlüssige Schließen der Trennkupplung 6 mit den Sperrelementen 11 , 12.

Es ist ein Wegsensor 14 vorgesehen, der den vom Aktuator 13 zurückgelegten Verschiebeweg w und/oder die Position des Aktuators 13 auf dem Verschiebeweg w erfasst. Der Wegsensor 14 ist an einer Steuervorrichtung 15 angeschlossen, die zusätzlich zu der Regel- oder Steuereinrichtung 16 oder integral mit dieser ausgeführt sein kann. Das heißt, eine gemeinsame Vorrichtung kann die Funktion der Steuervorrichtung 15 und die Funktion der Regel- oder Steuereinrichtung 16 übernehmen. Der vom Wegsensor 14 erfasste Weg kann auch die Verschiebung einer

Schiebemuffe sein, an der der Aktuator positioniert ist, so dass der tatsächlich zurückgelegte Weg der Schiebemuffe aufgenommen wird. Allgemein beschrieben kann über den Weg des Aktuators der Weg der Schiebemuffe indirekt bestimmt werden.

In Abhängigkeit der vom Wegsensor 14 erfassten Position des Aktuators 13 beziehungsweise in Abhängigkeit des erfassten vom Aktuator 13 zurückgelegten Verschiebeweges w steuert die Steuervorrichtung 15 die Ausgabe einer

Warnmeldung an und/oder ein permanentes Offenhalten oder Geschlossenhalten der Trennkupplung 6, wenn nämlich in einem von der Steuervorrichtung 15 durchgeführten Vergleich festgestellt wird, dass der erfasste Verschiebeweg w und/oder die erfasste Position von einem vorgegebenen Referenzwert und/oder einer vorgegebenen Referenzposition abweicht, was bedeutet, dass eine ordnungsgemäße Funktion der Trennkupplung 6 zumindest gefährdet ist.

Die Regel- oder Steuereinrichtung 16 steuert die Verschiebung des Aktuators 13 über einen entsprechenden Aktuatorantrieb an, und zwar bevorzugt derart, dass die Verschiebung entlang des ersten Wegstückes I mit einer ersten

Betätigungskraft erfolgt und die Verschiebung entlang des zweiten Wegstückes II mit einer zweiten Betätigungskraft erfolgt, die von der ersten Betätigungskraft abweicht, wobei die erste Betätigungskraft insbesondere kleiner als die zweite Betätigungskraft ist.

In der Figur 3 ist exemplarisch ein Weg-Zeit-Diagramm für den Aktuator 13 (siehe die Figur 2) dargestellt. Die Zeit t bei der Verschiebung des Aktuators 13 ist als Abszisse dargestellt, der Verschiebeweg w als Ordinate.

Bei einem Schließvorgang der Trennkupplung 6 (siehe die Figur 2) wird der Aktuator 13 ausgehend von einem Nullpunkt über das erste anfängliche Wegstück I verschoben, bis die Trennkupplung 6 den Kiss-Point erreicht. Wie man sieht, variiert dabei die Länge des ersten Wegstückes I über der Lebensdauer der Trennkupplung 6. Mit zunehmendem Verschleiß der Reibelemente 9, 10 wird das erste Wegstück I vergrößert. Dies ist in gestrichelter Linie in der Figur 3 dargestellt. Mit V ist ferner der aktuelle Verschleiß bezeichnet und mit VR die sogenannte Verschleißreserve. Der Kiss-Point ist mit K bezeichnet, einmal in einem Neuzustand der Trennkupplung 6 und einmal nach einem gewissen Verschleiß der Trennkupplung 6.

Wenn der Aktuator 13 das Wegstück I zurückgelegt hat und weiter verschoben wird, legt er das zweite Wegstück II zurück, über welchem die Synchronisierung (ll‘) und das formschlüssige Verriegeln (II“) der Trennkupplung 6 erfolgt. Die Abschnitte ll‘ und II“ können sich somit unmittelbar aneinander anschließen, jedoch auch zumindest teilweise überlappen. Über dem ersten Wegstück I kann der Aktuator 13, wie dargelegt, mit einer anderen Kraft angesteuert werden, im Vergleich zur Ansteuerung über dem zweiten Wegstück II.

Bezugszeichenliste

1 hydrodynamischer Retarder

2 Rotor

3 Stator

4 Arbeitsraum

5 Leistungseingang

6 Trennkupplung

7 Kupplungshälfte

8 Kupplungshälfte

9 Reibelement

10 Reibelement

1 1 Sperrelement

12 Sperrelement

13 Aktuator

14 Wegsensor

15 Steuervorrichtung

16 Regel- oder Steuereinrichtung

17 Antriebsmotor

18 Getriebe

19 Getriebeabtriebswelle

20 Antriebsräder

w Verschiebeweg

t Zeit

V Verschleiß

VR Verschleißreserve

K Kiss-Point

I erstes Wegstück

II zweites Wegstück