DE102011120620B4

DE102011120620B4 - Hydrodynamischer Retarder und Verfahren zum Betätigen eines solchen

Info

Publication number: DE102011120620B4
Application number: DE102011120620A
Authority: DE
Inventors: Achim Menne; Dr. Huth Tilman; Dieter Laukemann; Werner Koch; Werner Klement; Martin Becke
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2031-12-10
Also published as: BR112014013877A8; WO2013083778A2; BR112014013877A2; US20140311840A1; WO2013083778A3; CN103974861A; DE102011120620A1

Abstract

Hydrodynamischer Retarder (3) 1.1 mit einem in einem Bremsbetrieb umlaufenden Rotor (5) und einem in Gegenrichtung hierzu umlaufenden Gegenlaufrotor oder stationären Stator (6), welche gemeinsam einen mit einem Arbeitsmedium befüllten oder befüllbaren Arbeitsraum (10) ausbilden; 1.2 wobei der Rotor (5) mit Antriebsleistung über einen Antriebsstrang zur Abbremsung des Antriebsstranges antreibbar ist; wobei 1.3 dem Retarder (4) eine Energiespeichervorrichtung zugeordnet oder in diesen integriert ist; dadurch gekennzeichnet ist, dass 1.4 die Energiespeichervorrichtung einen mechanischen Energiespeicher, Druckspeicher (15) oder kinetischen Energiespeicher und eine mit dem Rotor (5) verbundene Beschleunigungseinrichtung umfasst, wobei die Beschleunigungseinrichtung zur Umwandlung von in dem Energiespeicher gespeicherter Energie in eine Drehbeschleunigung des Rotors (5) an dem Energiespeicher und dem Rotor (5) angeschlossen oder in diesen integriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Retarder und ein Verfahren zum Betätigen eines solchen, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Hydrodynamische Retarder werden seit langem als verschleißfreie Dauerbremsen in Antriebssträngen, insbesondere in Kraftfahrzeugantriebssträngen, letzteres beispielsweise in Lastkraftwagen eingesetzt. Hierbei wird der Rotor des hydrodynamischen Retarders, welcher mit einem zugeordneten Stator einen torusförmigen stets mit Arbeitsmedium befüllten oder befüllbaren Arbeitsraum ausbildet, durch den Antriebsstrang angetrieben und bremst dadurch den Antriebsstrang, insbesondere das Fahrzeug, ab, weil Drehmoment über einen hydrodynamischen Kreislauf des Arbeitsmediums im Arbeitsraum vom Rotor auf den Stator übertragen wird. Anstelle eines Stators kann auch ein gegenläufig zum Rotor angetriebener Gegenlaufrotor vorgesehen sein, um einen sogenannten Gegenlaufretarder auszubilden.
Je stärker der Rotor und in der Regel damit eine Rotorwelle, die den Rotor trägt und mit dem Antriebsstrang in einer Triebverbindung steht, verzögert wird, umso höher ist die vom Retarder aufgebrachte Bremsleistung. Somit ist die Entwicklung von hydrodynamischen Retardern darauf spezialisiert, eine möglichst starke Verzögerung des Rotors des hydrodynamischen Retarders im Sinne von hohen Bremsleistungen zu erreichen.
Nachteilig an den bekannten Ausführungsformen ist, dass im Nichtbremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders dieser häufig sogenannte Leerlaufverluste erzeugt, die den Antriebsstrang unerwünscht abbremsen. Wenn eine Trennkupplung zur mechanischen Abkopplung des Rotors des hydrodynamischen Retarders im Nichtbremsbetrieb vorgesehen ist, so sind zwar die Leerlaufverluste minimiert, jedoch ist das Ankoppeln des Rotors des hydrodynamischen Retarders beim Übergang vom Nichtbremsbetrieb zum Bremsbetrieb aufgrund der von der Trennkupplung aufzubringenden Schaltarbeit problematisch. Schließlich gibt es Anwendungsfälle, bei denen ein exaktes vorhersehbares Bremsmoment des hydrodynamischen Retarders sichergestellt sein soll, was bei den bekannten Ausführungsformen ohne erheblichen zusätzlichen Aufwand noch nicht in ausreichendem Maße erfüllt ist.
Das Befüllen eines hydrodynamischen Retarders aus einem Druckspeicher ist aus DE 198 33 891 A1 , DE 103 53 146 A1 und DE 24 05 740 A1 bekannt. Die Energie des Druckspeichers wird jedoch nicht zur Drehbeschleunigung des Rotors des Retarders herangezogen.
DE 19 29 484 B2 und DE 1 780 164 A beschreiben das Anschließen des Rotors eines hydrodynamischen Retarders in Reihe zu einem Schwungrad.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Retarder und ein Verfahren zum Betätigen eines solchen anzugeben, welche die vorgenannten Probleme abschwächen oder vermeiden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hydrodynamischen Retarder mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Ein erfindungsgemäßer hydrodynamischer Retarder weist, wie herkömmlich, einen in einem Bremsbetrieb umlaufenden Rotor und einen in Gegenrichtung hierzu angetriebenen beziehungsweise umlaufenden Gegenlaufrotor, um einen Gegenlaufretarder auszubilden, oder einen stationären Stator auf. Rotor und Stator beziehungsweise Rotor und Gegenlaufrotor bilden gemeinsam einen stets mit Arbeitsmedium befüllten oder befüllbaren Arbeitsraum aus. Der Rotor ist mit Antriebsleistung über einen Antriebsstrang zur Abbremsung dieses Antriebsstrangs antreibbar.
Erfindungsgemäß ist nun dem hydrodynamischen Retarder eine Energiespeichervorrichtung zugeordnet oder in diesen integriert, umfassend einen mechanischen Energiespeicher, beispielsweise Federspeicher, Druckspeicher oder kinetischen Energiespeicher, und eine mit dem Rotor verbundene Beschleunigungseinrichtung. Die Beschleunigungseinrichtung wird mit Energie aus dem Energiespeicher zur Umwandlung dieser Energie in Rotationsenergie betrieben und erzeugt somit eine Drehbeschleunigung des Rotors des hydrodynamischen Retarders.
Die Beschleunigungseinrichtung kann beispielsweise als hydraulische Maschine oder als pneumatische Maschine ausgeführt sein, in Kombination mit einem Energiespeicher als Druckspeicher, insbesondere Luftdruckspeicher, Gasdruckspeicher oder hydraulischer Speicher. Insbesondere kommt ein Kolbenmotor oder eine Turbine, beispielsweise Peltonturbine, Luftmotor, Gasmotor, Luftturbine, gasdruckbetriebene oder Gasturbine in Betracht.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Beschleunigungsmaschine als reversibel zur Einbringung von Energie in den Energiespeicher betreibbar ausgeführt, insbesondere als Kolbenmotor oder Strömungsverdichter. Alternativ oder zusätzlich kann die Energiespeichervorrichtung eine Ladeeinrichtung aufweisen, welche kinetische Energie, insbesondere des Rotors der hydrodynamischen Maschine und/oder Druckenergie des Arbeitsmediums des hydrodynamischen Retarders, in Energie des Energiespeichers, insbesondere in Druckenergie, umwandelt und dem Energiespeicher zuführt. Gemäß einer Ausführungsform arbeitet die Ladeeinrichtung ausschließlich im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders und führt ausschließlich Energie des hydrodynamischen Retarders dem Energiespeicher zu.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass der Energiespeicher als Schwungrad ausgeführt ist, der mittels einer Kupplung, insbesondere magnetischen Kupplung, wahlweise zuschaltbar und mit dem Rotor des Retarders in Triebverbindung bringbar ist. So kann beispielsweise immer im Bremsbetrieb oder zu ausgewählten Zeitpunkten des Bremsbetriebs des hydrodynamischen Retarders oder auch unabhängig vom Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders Rotationsenergie des hydrodynamischen Retarders oder einer anderen im Antriebsstrang, in den der hydrodynamische Retarder eingebracht ist, umlaufenden Masse zur Beschleunigung des Schwungrades verwendet werden, und zu einem späteren Zeitpunkt zur Beschleunigung des Rotors des hydrodynamischen Retarders herangezogen werden.
Eine andere Ausführungsform, die jedoch auch zusätzlich vorgesehen sein kann, sieht vor, dass der Energiespeicher als Druckspeicher oder Federspeicher ausgeführt ist, und die Beschleunigungseinrichtung eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Translation in eine Rotation aufweist, mittels welcher die Energie des Druckspeichers in Antriebsenergie für den Rotor des hydrodynamischen Retarders umgewandelt wird. Die Umwandlungsvorrichtung kann beispielsweise eine Kolbengewindestange umfassen, die den Rotor des hydrodynamischen Retarders trägt und bei ihrer Verschiebung eine Drehbewegung des Rotors bewirkt, oder eine Kolbenzahnstange, die entsprechend mit einem mit dem Rotor in Triebverbindung stehenden Zahnrad oder auf diesem getragenen Zahnrad kämmt und somit ebenfalls durch ihre Verschiebung eine Drehung des Rotors bewirkt.
Der hydrodynamische Retarder beziehungsweise der Leistungszweig des Antriebsstrangs, in welchem der hydrodynamischer Retarder angeordnet ist, beispielsweise ein Nebenabtrieb eines Kraftfahrzeuggetriebes oder Antriebsmotors des Antriebsstrangs, kann eine mechanische Trennkupplung zur mechanischen Abkopplung des Rotors des hydrodynamischen Retarders aufweisen und die Beschleunigungseinrichtung kann dann zur automatischen Synchronisierung der Trennkupplung durch Beschleunigung des Rotors des hydrodynamischen Retarders beim Schließen der Trennkupplung eingerichtet sein. Automatisch bedeutet hierbei, dass die Betätigung der Beschleunigungseinrichtung durch den Retarder oder die Trennkupplung selbst erfolgt, insbesondere durch entsprechende mechanische Wirkverbindungen. Neben der automatischen Beschleunigung kommt auch eine durch eine Steuervorrichtung angesteuerte Beschleunigungseinrichtung zur Beschleunigung des Rotors in Betracht. Beispielsweise kann die Retardersteuervorrichtung, welche den Retarder beziehungsweise dessen Bremsmoment steuert, auch zur Steuerung der Synchronisierung der Trennkupplung mittels der erfindungsgemäßen Beschleunigungseinrichtung herangezogen werden. Es kommt sowohl eine vollständige Synchronisierung der Trennkupplung als auch eine teilweise Synchronisierung der Trennkupplung mittels der Beschleunigungseinrichtung in Betracht.
Unter Trennkupplung ist vorliegend jedes Bauteil zu verstehen, das in einem ersten Betriebszustand eine Leistungsübertragung, insbesondere mechanische Leistungsübertragung herstellt und in einem zweiten Betriebszustand unterbricht, somit beispielsweise Synchronelemente, Reibkupplungen und anderes.
Wie dargelegt, sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Energiespeichervorrichtung mit der Beschleunigungseinrichtung dazu verwendet wird, eine Trennkupplung eines mechanisch abkoppelbaren hydrodynamischen Retarders zu synchronisieren, um dadurch die Schaltarbeit der Trennkupplung zu reduzieren. Alternativ kommt jedoch auch in Betracht, den Rotor eines nicht abkoppelbaren hydrodynamischen Retarders zu beschleunigen, beispielsweise um ein angefordertes Bremsmoment besonders exakt durch mehr oder minder starkes Antreiben des Rotors einzustellen. Schließlich kann die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung dazu verwendet werden, die Leerlaufverluste im Nichtbremsbetrieb durch Antreiben des Rotors des hydrodynamischen Retarders zu reduzieren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betätigen eines erfindungsgemäßen hydrodynamischen Retarders sieht vor, den Rotor beim Übergang von einem Nichtbremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders zum Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders, im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders oder im Nichtbremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders mit Energie aus dem Energiespeicher mittels der Beschleunigungseinrichtung zu beschleunigen. Besonders kommt jedoch die Beschleunigung beim Übergang vom Nichtbremsbetrieb zum Bremsbetrieb in Betracht, wenn eine Trennkupplung zur mechanischen Abkopplung des Rotors vorgesehen ist.
Insbesondere im letzteren Fall kann vorgesehen sein, dass die Energiespeichervorrichtung ausschließlich zum Beschleunigen des Rotors des Retarders beim Übergang vom Nichtbremsbetrieb zum Bremsbetrieb herangezogen wird und außerhalb dieses Übergangs, das heißt im Bremsbetrieb, der Rotor des hydrodynamischen Retarders ausschließlich durch Antriebsleistung aus dem Antriebsstrang, der mit dem hydrodynamischen Retarder abgebremst werden soll, beispielsweise Kraftfahrzeugantriebsstrang, angetrieben wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher im Bremsbetrieb oder ausschließlich im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders mittels kinetischer Energie des Retarders oder Druckenergie des Retarders, insbesondere bereitgestellt oder umgewandelt durch die Beschleunigungseinrichtung oder die Ladeeinrichtung, aufgeladen wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
1 einen sekundärseitig an einem Fahrzeuggetriebe angeschlossenen hydrodynamischen Retarder mit einem Schwungradspeicher;
2 eine Ausführungsform eines hydrodynamischen Retarders mit einem Druckspeicher.
In der 1 ist ein Kraftfahrzeugantriebsstrang dargestellt, mit einem Antriebsmotor 1, einem Getriebe 2 und einem sekundärseitig am Getriebe 2 angeschlossenen hydrodynamischen Retarder 3. Der Antriebsmotor 1 treibt über das Getriebe 2 Antriebsräder 4 des Kraftfahrzeugs an.
Der hydrodynamische Retarder 3 umfasst einen Rotor 5 und einen Stator 6, die gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden. Der Rotor 5 ist mittels einer Trennkupplung 7 vom Antriebsstrang mechanisch abkoppelbar.
Ferner ist dem Rotor 5 ein Schwungrad 8 zugeordnet, das mittels einer Kupplung, insbesondere magnetischen Kupplung 9, wahlweise mit dem Rotor 5 in Triebverbindung schaltbar ist oder von diesem abkuppelbar ist.
Somit ist es möglich, in geeigneten Betriebszuständen, beispielsweise beim Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders 3, Antriebsleistung vom Rotor 5 auf das Schwungrad 8 zu übertragen, und immer dann, wenn es günstig ist, den Rotor 5 zu beschleunigen, Antriebsleistung vom Schwungrad 8 auf den Rotor 5 zu übertragen, beispielsweise zum Synchronisieren der Trennkupplung 7 beim Übergang vom Nichtbremsbetrieb zum Bremsbetrieb.
In der 2 ist wiederum ein hydrodynamischer Retarder 3 mit einem Rotor 5 und einem Stator 6 dargestellt. Der Rotor 5 ist erneut mittels einer Trennkupplung 7 von einem Antriebsstrang, der durch den hydrodynamischen Retarder 3 abgebremst werden soll, abkuppelbar. Das Arbeitsmedium wird dem Arbeitsraum 10 des hydrodynamischen Retarders aus einem externen Arbeitsmediumkreislauf (nicht dargestellt) über den Zulauf 11 zugeführt und über den Ablauf 12 abgeführt, sodass das Arbeitsmedium im externen Arbeitsmediumkreislauf gekühlt werden kann. Die Zuführung erfolgt beispielsweise, wie dargestellt, über einen über den Umfang umlaufenden Ringkanal und weiter über eine oder mehrere Bohrungen im Stator. Die Abfuhr kann entsprechend erfolgen, nur umgekehrt in der Reihenfolge der Durchströmung.
Zusätzlich zu der Abfuhr 12 ist ein Druckanschluss 13 für Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 10 am hydrodynamischen Retarder 3 vorgesehen, über welchen druckbeaufschlagtes Arbeitsmedium im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders 3 in einen Druckspeicher 14 geleitet werden kann. Hierzu kann ein Ventil 15, insbesondere Rückschlagventil, vorgesehen sein, das die Aufladung des Druckspeichers 14 regelt.
Der Druckspeicher 14 weist ferner eine Druckableitung 16, in der Regel mit einem Ventil 17 auf, das druckbeaufschlagtes Arbeitsmedium, insbesondere über die hier dargestellte Düse 18, zum Beschleunigen des Rotors 5 auf eine rückseitige Beschaufelung 19 des Rotors 5 leitet.
Somit kann vom Retarder 3 selbst erzeugte Energie später zur Beschleunigung des Rotors 5 herangezogen werden, beispielsweise um die Trennkupplung 7 zu synchronisieren.

Claims

Hydrodynamischer Retarder (3) 1.1 mit einem in einem Bremsbetrieb umlaufenden Rotor (5) und einem in Gegenrichtung hierzu umlaufenden Gegenlaufrotor oder stationären Stator (6), welche gemeinsam einen mit einem Arbeitsmedium befüllten oder befüllbaren Arbeitsraum (10) ausbilden; 1.2 wobei der Rotor (5) mit Antriebsleistung über einen Antriebsstrang zur Abbremsung des Antriebsstranges antreibbar ist; wobei 1.3 dem Retarder (4) eine Energiespeichervorrichtung zugeordnet oder in diesen integriert ist; dadurch gekennzeichnet ist, dass 1.4 die Energiespeichervorrichtung einen mechanischen Energiespeicher, Druckspeicher (15) oder kinetischen Energiespeicher und eine mit dem Rotor (5) verbundene Beschleunigungseinrichtung umfasst, wobei die Beschleunigungseinrichtung zur Umwandlung von in dem Energiespeicher gespeicherter Energie in eine Drehbeschleunigung des Rotors (5) an dem Energiespeicher und dem Rotor (5) angeschlossen oder in diesen integriert ist.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung als hydraulische Maschine, insbesondere als Kolbenmotor oder Turbine, wie Peltonturbine, ausgeführt ist.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung reversibel zur Einbringung von Energie in den Energiespeicher betreibbar ist, und insbesondere als Kolbenmotor oder Strömungsverdichter ausgeführt ist.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichervorrichtung ferner eine Ladeeinrichtung erfasst, welche insbesondere ausschließlich im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders (3) kinetische Energie, insbesondere des Rotors (5) des hydrodynamischen Retarders (3) und/oder Druckenergie des Arbeitsmediums des hydrodynamischen Retarders (3) in dem Energiespeicher speichert.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als Schwungrad (8) ausgeführt ist, das mittels einer Kupplung, insbesondere magnetischen Kupplung (9) zuschaltbar mit dem Rotor (5) des hydrodynamischen Retarders (3) in Triebverbindung bringbar ist.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als Druckspeicher (14) oder Federspeicher ausgeführt ist, und die Beschleunigungseinrichtung eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Translation in eine Rotation, insbesondere Kolbengewindestange, die den Rotor (5) trägt, oder Kolbenzahnstange, die mit einem mit dem Rotor (5) in Triebverbindung stehenden Zahnrad kämmt, aufweist.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem hydrodynamischen Retarder (3) eine Trennkupplung (7) zur mechanischen Abkopplung des Rotors (5) zugeordnet ist, und die Beschleunigungseinrichtung zur automatischen oder durch eine den Retarder (3) steuernden Retardersteuervorrichtung angesteuerte teilweisen oder vollständigen Synchronisierung der Trennkupplung (7) durch Beschleunigen des Rotors (5) beim Schließen der Trennkupplung (7) eingerichtet ist.
Hydrodynamischer Retarder (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher als Luftdruckspeicher oder Gasdruckspeicher ausgeführt ist und die Beschleunigungseinrichtung als Luftmotor, Gasmotor, Luftturbine, gasdruckbetriebene Turbine oder Gasturbine ausgeführt ist.
Verfahren zum Betätigen eines hydrodynamischen Retarders (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang von einem Nichtbremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders (3) zum Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders (3) im Bremsbetrieb und/oder im Nichtbremsbetrieb der Rotor (5) mit Energie aus dem Energiespeicher mittels der Beschleunigungseinrichtung beschleunigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich beim Übergang des Retarders (3) von einem Nichtbremsbetrieb zum Bremsbetrieb der Rotor (5) mit Energie aus dem Energiespeicher mittels der Beschleunigungseinrichtung beschleunigt wird, und anschließend im Bremsbetrieb der Rotor (5) ausschließlich durch Antriebsleistung aus einem Antriebsstrang, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrang zum Abbremsen des Antriebsstranges, insbesondere des Kraftfahrzeugs, angetrieben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders (3) mittels kinetischer Energie des Retarders (3) oder Druckenergie des Retarders (3) insbesondere bereitgestellt oder umgewandelt durch die Beschleunigungseinrichtung oder Ladeeinrichtung, aufgeladen wird.