DE4124722A1 - Einrichtung und verfahren zum schutz einer reibungskupplung vor thermischer ueberlastung - Google Patents
Einrichtung und verfahren zum schutz einer reibungskupplung vor thermischer ueberlastungInfo
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Description
Die Erfindung handelt von einer Einrichtung zum Schutz einer
Reibungskupplung vor thermischer Überlastung, in der aus der
Drehzahldifferenz und dem übertragenen Drehmoment eine Reib
leistung ermittelt wird und die ein Signal erzeugt, das auf ein
Kupplungsstellglied wirkt.
Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 35 40 719 bekannt.
Dort wird bei einer Anfahrkupplung eine Relativdrehzahl und ein
Drehmoment gemessen, aus diesen eine momentane Reibleistung er
rechnet und daraus durch Integration eine Reibarbeit ermittelt,
welche mit einem Grenzwert verglichen wird und bei Überschrei
ten ein Alarmsignal auslöst oder ein die Kupplung betätigendes
Magnetventil schaltet.
Diese Einrichtung umgeht zwar durch Ermittlung der Reibungsar
beit die Hindernisse, die einer unmittelbaren Erfassung der
Temperatur der Kupplung entgegenstehen. Sie bringt jedoch ge
genüber den Nachteilen, insbesondere Trägheit von Temperatur
sensoren, besonders wenn diese nur im Gehäuse und nicht an den
Reibflächen selbst angeordnet sind, keinen wesentlichen Vor
teil, weil der Grenzwert der Reibarbeit ein empirischer Wert
mit notwendigerweise hohem Sicherheitszuschlag ist. Die
momentane Temperatur der Reibfläche, auf die es letztlich
ankommt, ist so praktisch überhaupt nicht meßbar.
Diese bekannte Einrichtung mag bei einer reinen Anfahrkupplung,
also bei kurzzeitigem Schlupf mit hohem Drehmoment, wobei sich
die Kupplung sehr schnell erwärmt, ausreichen, sie ist aber un
geeignet für Kupplungen, in denen Schlupf nicht nur beim An
fahren, sondern auch im Betrieb häufiger und in geringem Maße
auftritt, z. B. für Kupplungen zur Begrenzung des übertragenen
Drehmomentes, wie Rutschkupplungen, oder etwa in zuschaltbaren
Achsantrieben, in Zapfwellenantrieben oder in Differential
sperren.
Aber auch bei Verwendung der bekannten Einrichtung bei einer
Anfahrkupplung kann sich bei wiederholtem Anfahren im Stadt- oder
Kolonnenverkehr die Kupplung entweder trotzdem Überhitzen
oder es muß eine vorgebbare Zeit gewartet werden, was in diesen
Situationen besonders störend ist.
Ein prinzipieller Nachteil dieser bekannten Einrichtung, der
sich bei Rutschkupplungen besonders nachteilig auswirkt, ist,
daß der Abkühlung der Kupplung nicht Rechnung getragen werden
kann. Dadurch und durch den notwendigen Sicherheitszuschlag
müssen Kupplungen trotz des Überlastschutzes wesentlich größer
dimensioniert werden als notwendig, was nicht nur die Kosten,
sondern auch den erforderlichen Einbauraum erhöht, der in den
genannten Anwendungen meist knapp ist.
Es ist daher Ziel der Erfindung, eine gattungsgemäße Einrich
tung zu schaffen, die bei knapper Auslegung der Kupplung einen
sicheren Schutz vor Überhitzung bietet, auch bei wiederholtem
Anfahren oder bei lange anhaltendem geringem Schlupf.
Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Einrichtung
aufweist:
- a) eine Temperaturrecheneinheit zur Berechnung einer Kupplungs temperatur aus der Reibleistung, welche ein mathematisches Modell der Kupplung benutzt, und
- b) einer Logikeinheit mit mindestens einem Komparator zum Ver gleich dieser Temperatur mit mindestens einem festgelegten Schwellenwert, die ein direkt oder indirekt auf das Kupplungsstellglied wirkendes Signal erzeugt (Anspruch 1).
Die Reibleistung kann genau und schnell errechnet werden und
gibt die augenblicklich der Kupplung zugeführte Wärmemenge
an. Dieser Vorteil würde durch Integration verloren
gehen. Erst durch Berücksichtigung von Wärmeabfuhr und Wärme
speicherung, die verglichen mit der Änderung der Reibleistung
relativ langsam verlaufen, kann die momentane Temperatur ge
nauer berechnet werden als es mit direkter Messung möglich
wäre.
Die so ermittelte Momentantemperatur stimmt bei allen Kuppel
vorgängen (z. B. Anfahren, wiederholter geringer Schlupf) gut mit
der tatsächlichen Temperatur überein. Wenn die zugeführte Reib
leistung und die abgeführte Wärmeleistung gleich sind, kann das
Fahrzeug beliebig lange mit leicht schlupfender Kupplung fahr
en, ohne daß es zu Überhitzung kommt.
Die Logikeinheit mit dem Komparator zum Vergleich der errech
neten Temperatur mit einem Schwellenwert dieser Temperatur
macht es möglich, einen technologisch definierten Grenzwert
(z. B. höchstzulässige Temperatur der Reibbeläge) ohne Sicher
heitszuschlag zu wählen. Dadurch kann die Kupplung knapp dimen
sioniert werden und ihr Bauvolumen ist gering. Durch die auf
das Stellglied wirkende Steuereinheit kann bei Temperaturüber
schreitungen sofort auf das Stellglied reagiert werden und bei
indirekter Wirkung kann sogar auf vorgebbare Weise auf das
Stellglied eingewirkt werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Logikeinheit zwei
Komparatoren zum Vergleich der berechneten Kupplungstemperatur
mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert und ein bi
stabiles Kippglied auf, das ein Freigabesignal abgibt (An
spruch 2).
Durch die untere Temperaturschwelle kann die Wiedereinschaltbe
reitschaft vom Erreichen einer bestimmten unteren Temperatur
abhängig gemacht werden, die auch wieder genau definiert sein
kann, sei es nach technologischen Gesichtspunkten, sei es nach
mechanischen. Dadurch, daß das Signal ein Freigabesignal ist,
läßt sich die Kupplung logisch sinnfällig und mit einer ein
zigen Leitung eigensicher steuern.
In Ausgestaltung der Erfindung ist ein Taster zum Einrücken der
Kupplung vorgesehen, der über ein UND-Glied, dessen anderer
Eingang mit dem Komparator für die untere Temperaturschwelle
verbunden ist, mit dem SET-Eingang des Kippgliedes verbunden
ist (Anspruch 3).
Durch diese Schaltung kann die Kupplung auch von außen bedient
werden; der Befehl zum Einkuppeln wird aber nur weitergeleitet,
wenn eine ausreichende Temperaturreserve vorhanden ist. Bei
vorangegangenem Abschalten kann wegen des UND-Gliedes die
Kupplung erst auf Befehl wieder eingerückt werden, wenn die un
tere Temperaturschwelle erreicht ist. Auf diese Weise wird ver
mieden, daß sich die Kupplung, sobald die Temperatur in ausrei
chendem Maße abgesunken ist, unerwartet von selbst wieder ein
schaltet, was zu Unfällen führen könnte oder daß die überhitzte
Kupplung vom Bedienungsmann unter Umgehung der Schutzeinrich
tung eingeschaltet wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Schalter zum
Ausrücken der Kupplung über ein ODER-Glied, dessen anderer Ein
gang mit dem Komparator für den oberen Schwellenwert verbunden
ist, zum RESET-Eingang des Kippgliedes geführt (Anspruch 4).
Dadurch ist sichergestellt, daß die Abschaltung auf Grund der
Übertemperatur oder auf Grund eines vom Anwender gegebenen
Befehles ausgelöst wird.
Es ist vorteilhaft, den unteren Schwellenwert so tief zu
wählen, daß die Temperatur der Kupplung nach einem Anfahrvor
gang, oder nach einer bestimmten Zahl von Anfahrvorgängen,
unter dem oberen Schwellenwert bleibt (Anspruch 5). Bei einem
derartigen Schwellenwert wird die Kupplung maximal ausgenutzt
und es wird verhindert, daß die Kupplung in einer kritischen
Situation, etwa auf einer Steigung im Gelände, unerwartet vor
zeitig abschaltet.
Es ist auch im Rahmen der Erfindung, einen weiteren Komparator
zum Vergleich der Kupplungstemperatur mit einem dritten
Schwellenwert vorzusehen, der mit dem SET-Eingang eines zweiten
bistabilen Kippgliedes verbunden ist, wobei der RESET-Eingang
dieses Kippgliedes mit dem Komparator für die untere Tempera
turschwelle verbunden ist, ist und wobei das Kippglied aus
gangsseitig mit einer Zusatzvorrichtung verbunden ist (Anspruch
6). Als Zusatzvorrichtung kann sowohl ein Warnsignal als auch
eine zusätzliche Kühlvorrichtung vorgesehen sein. Zweckmäßiger
weise liegt der dritte Schwellenwert zwischen dem oberen und
dem unteren und die Zusatzeinrichtung wird wieder abgeschaltet,
wenn der untere Schwellenwert wieder erreicht ist. Dadurch wird
die Betriebssicherheit der Kupplung erhöht und ihr Verschleiß
vermindert.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist eine Steu
ereinheit vorgesehen, die eine Drehmomentsteuerung enthält, die
ein einem Grenzmoment entsprechendes Signal erzeugt (Anspruch
7). Auf diese Weise ist die Einrichtung bei voller Schutzwir
kung dazu geeignet, die Kupplung als Überlastkupplung zusätz
lich auf ein genau definiertes Rutschmoment einzustellen.
In einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist
eine Steuereinheit vorgesehen, die einen Schlupfsollwertgeber
und einen Schlupfregler enthält, dessen Ausgangssignal die
Stellgröße für ein Proportionalventil ist, wobei dem Schlupf
regler ein Schlupfsignal zugeführt wird (Anspruch 8). In dieser
Form ist die erfindungsgemäße Einrichtung in einer schlupfge
regelten Kupplung anwendbar und sie kann zusätzlich zur Schutz
funktion durch Einsatz eines zeitvariablen Schlupfsollwert
gebers für weiche Kuppelvorgänge sorgen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die errechnete
Temperatur die Temperatur der Reibbeläge der Kupplung und das
Ausgangssignal der Temperaturrecheneinheit wird zur Korrektur
des übertragenen Momentes berücksichtigt (Anspruch 9). Dadurch
wird nicht nur die Genauigkeit bei der Ermittlung des Drehmo
mentes und folglich der Temperatur verbessert sondern auch ein
besonders genaues Drehmoment ermittelt, weil der Reibungs
koeffizient der Kupplungsbeläge temperaturabhängig korrigiert
wird.
In einer Ausführungsvariante für eine im Ölbad laufende
Kupplung kann weiters ein Sensor zur Messung der Öltemperatur
vorgesehen sein (Anspruch 10). Dieser liefert ein Signal zum
Nachführen der internen Zustandsgrößen des Rechenmodelles, was
eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bringt.
Bei Verwendung eines Mikroprozessors (Anspruch 11), zumindest
für die Recheneinheit, läßt sich nebst der Kupplung selbst auch
die erfindungsgemäße Einrichtung besonders raumsparend ausführ
en.
Die Erfindung handelt weiters von einem Verfahren zum Schutz
einer Reibungskupplung vor thermischer Überlastung, bei dem aus
Drehzahldifferenz und übertragenem Moment eine Reibleistung er
mittelt und schließlich auf ein Kupplungsstellglied eingewirkt
wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in folgenden Schritten:
- a) Berechnung einer momentanen Kupplungstemperatur aus Reib leistung und aus der Kupplung abgeführter Wärme unter Ver wendung eines mathematischen Modelles der Kupplung,
- b) Vergleich der so ermittelten Kupplungstemperatur mit min destens einem vorgegebenen Schwellenwert,
- c) Ableitung einer Stellgröße zur Steuerung der Kupplung aus dem Resultat dieses Temperaturvergleiches (Anspruch 12).
Diese Vorgangsweise ermöglicht eine schnelle und genaue Er
mittlung der augenblicklichen Temperatur und damit auch bei
knapper Auslegung der Kupplung vollen Schutz vor thermischer
Überlastung unter allen möglichen Betriebsbedingungen, sowohl
beim Anfahren unter hoher Last als auch bei länger anhaltendem
geringem Schlupf.
Durch Ermittlung des übertragenen Momentes aus der Drehzahl
differenz und aus der Stellgröße unter Benutzung eines Kenn
linienfeldes (Anspruch 13) wird die Reibleistung ohne einen
aufwendigen Drehmomentfühler genauer ermittelt.
In Weiterbildung der Erfindung ist das mathematische Modell der
Temperaturrecheneinheit die Differentialgleichung eines Ersatz
systemes der Kupplung und die Kupplungstemperatur wird aus
einer Lösung der entsprechenden Differenzengleichung berechnet
(Anspruch 14). Der Übergang auf eine Differenzengleichung ist
besonders günstig, wenn als Recheneinheit für die Bestimmung
der Reibflächentemperatur ein Mikroprozessor eingesetzt wird.
Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Kupplungstemperatur mit einem unteren und einem oberen
Temperaturschwellenwert verglichen, dann werden die Resultate
mit Bedienungssignalen logisch verknüpft und schließlich wird
ein Freigabesignal abgegeben, wenn die Kupplungstemperatur
unter dem unteren Schwellenwert liegt und die Kupplung einge
schaltet sein soll; dieses Freigabesignal erlischt wieder, wenn
die Kupplungstemperatur die obere Schwelle überschritten hat
oder die Kupplung ausgeschaltet wird (Anspruch 15). So wird
eine Hysterese und eine logisch klare Verknüpfung der Signale
zu einem einzigen eigensicheren Signal erreicht, das in ein
fachen Anwendungsfällen direkt auf das Stellglied der Kupplung
wirken kann. Durch die untere Temperaturschwelle kann der Ab
kühlungsgeschwindigkeit der Kupplung Rechnung getragen werden,
welche ja von der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich die
Kupplung vorher erhitzt hat, wegen Wärmeleitung und Wärmespei
cherung im Gehäuse. Somit entfallen überflüssige Wartezeiten,
wie sie bei Freigabe nach Ablauf einer bestimmten Zeit ent
stehen.
Nach einem weiteren Merkmal dieses erfindungsgemäßen Ver
fahrens wirkt das Freigabesignal auf einen Schlupfsollwert
geber, dessen Sollwertsignal zusammen mit einem Signal einem
Schlupfregler zugeführt wird, der die Stellgröße für das
Druckregelventil liefert (Anspruch 16). Diese Weiterbildung der
Erfindung gestattet es, durch geeignete Gestaltung des Soll
wertgebers, die Kupplung nach einer bestimmten Zeitfunktion
aus- und einzurücken oder ein einstellbares Maximalmoment im
Falle einer Verwendung als Rutschkupplung vorzugeben.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das übertragene
Drehmoment für die Ermittlung der zugeführten Reibleistung aus
Drehzahldifferenz und der Stellgröße für das Druckregelventil
berechnet, wobei der Reibungskoeffizient als Funktion von
Schlupf und Reibbelagtemperatur berechnet wird (Anspruch 17).
Dadurch wird ohne den aufwendigen Drehmomentsensor ein genaues
Drehmoment ermittelt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert,
wie bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen.
Fig. 1 Schematische Darstellung einer Kupplung mit der erfin
dungsgemäßen Einrichtung in einer ersten Ausführungs
form,
Fig. 2 Schematische Darstellung einer Kupplung mit der erfin
dungsgemäßen Einrichtung in einer zweiten Ausführungs
form,
Fig. 3 Schematische Detaildarstellung der Kupplungssteuerung
(Bezugszeichen 23 in Fig. 1) in einer beispielsweisen
Ausführungsform,
Fig. 4 Schematische Darstellung des mathematischen Modells der
Kupplung,
Fig. 5 Allgemeines Ersatzschaltbild zu dem mathematischen Mo
dell der Kupplung,
Fig. 6 Stark vereinfachtes Ersatzschaltbild, das einer ersten
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zugrundeliegt,
Fig. 7 Vereinfachtes Ersatzschaltbild, das einer anderen
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zugrundeliegt.
In den Fig. 1 und 2 ist eine treibende Welle mit 1 und eine
getriebene Welle mit 2 bezeichnet, wobei sich die Verhältnisse
im Schleppbetrieb natürlich umkehren können. Diese sind durch
eine Reibungskupplung 3 verbindbar, die nur schematisch dar
gestellt ist. Es kann sich um eine Einscheiben- oder eine Mehr
scheibenkupplung trockener oder nasser Bauart handeln.
Jedenfalls werden deren treibende und getriebene Scheiben,
Platten oder Lamellen 4, 5 von einem Stellglied 6, das hydrau
lisch, pneumatisch oder auch magnetisch betätigt sein kann, in
reibschlüssige Verbindung gebracht. Auf den Wellen 1, 2 sind
schließlich Impulsräder 7, 8 oder ähnliche Organe für die Dreh
zahlmessung an den beiden Wellen 1, 2 vorgesehen.
Diese Impulsräder 7, 8 werden von Impulsgebern 11, 12 abgetastet,
deren Signale über Signalumformer 13, 14 mittels reziproker
Frequenzmessung in Drehzahlsignale W1, W2 umgewandelt werden,
aus denen im Summierglied 15 ein Drehzahldifferenzsignal ge
bildet wird. Das Kupplungsstellglied 6 wird beispielsweise über
ein Stellventil 16, das hier ein Proportionalventil ist, mit
Druckmedium beaufschlagt. Weiters kann ein Temperatursensor 17
und ein Warnsignal 18 oder eine ähnliche Hilfsvorrichtung
vorgesehen sein. Diese Hilfsvorrichtung könnte aber auch durch
einen Ventilator ersetzt oder unterstützt werden, der die
Abkühlung der Kupplung beschleunigt.
Weiters ist in den Fig. 1 und 2 strichliert eingerahmt ein Reib
ungsleistungsrechner 20, eine Temperaturrecheneinheit 21 und
eine Logikeinheit 22 angedeutet.
Nur in Fig. 1 ist noch eine Kupplungssteuereinheit 23 darge
stellt, näheres dazu in Fig. 3. Die Reibleistungsrecheneinheit
20 besteht aus einem Glied 25 zur Ermittlung des Absolutbe
trages der Drehzahldifferenz W1, W2, einem Proportionalglied 26,
das, wie noch zu erläutern, die Stellgröße für das Regelventil
16 durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor in ein
Drehmoment umrechnet, einem Korrekturglied 27, das eine Kor
rektur des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von Drehzahl
differenz und Reibbelagtemperatur vornimmt, und schließlich aus
zwei Multiplizierwerken 28, 29, ersteres zur Korrektur des über
tragenen Drehmomentes, letzteres zur Berechnung der Reiblei
stung Pzu nach der Gleichung
PZU = MK × |w1 - w2|
wobei
PZU . . . zugeführte Verlustleistung,
MK . . . übertragenes Moment,
w1, w2 . . . Winkelgeschwindigkeiten
MK . . . übertragenes Moment,
w1, w2 . . . Winkelgeschwindigkeiten
Das Reibleistungssignal 30 wird der Temperaturrecheneinheit 21
zugeführt, deren Wirkungsweise später erläutert wird. Die Tem
peraturrecheneinheit 21 gibt ein Reibbelagtemperatursignal 31
an die Logikeinheit 22 und in diesem Ausführungsbeispiel auch
an das Korrekturglied 27 für den Reibungskoeffizienten ab.
Die Logikeinheit 22 enthält drei Komparatoren 32, 33, 34, einen
ersten 32 zum Vergleich mit einer Maximaltemperatur Tmax, einen
zweiten 33 zum Vergleich mit einer Minimaltemperatur Tmin und
einem dritten 34 zum Vergleich mit einer Warntempereratur
Twarn, die zweckmäßigerweise zwischen den beiden ersten Temp
eraturen liegt. Die Ausgangssignale des ersten und zweiten
Komparators 32, 33 wirken auf die Eingänge eines ersten bi
stabilen Kippgliedes 38, und zwar das des ersten über ein
ODER-Glied 36 auf den RESET-Eingang und das zweite über ein Inver
sionsglied 35 und ein UND-Glied 37 auf den SET-Eingang des
bistabilen Kippgliedes 38.
Es ist zweckmäßig, dieses bistabile Kippglied 38 so auszuge
stalten, daß es bei gleichzeitigem Auftreten eines SET- und
eines RESET-Signales eine definierte Stellung einnimmt. Das
ODER-Glied 36 ist mit seinem zweiten Eingang mit einer Ab
schaltimpulsleitung 42 verbunden, mit dem die Kupplung ohne
Temperaturüberschreitung durch Bedienungsbefehl gelöst wird.
Der zweite Eingang des UND-Gliedes 37 kann über eine Leitung 41
einen Einschaltimpuls erhalten.
Das erste bistabile Kippglied 38 erzeugt ein Freigabesignal,
wenn es entweder durch einen Einschaltimpuls aus der Leitung 41
oder ein Ausgangssignal des zweiten Komparators einen SET-Im
puls bekommt. Bei Eintreffen eines RESET-Signales entweder
durch Abgabe eines Abschaltimpulses auf der Leitung 42 oder bei
Überschreiten der Maximaltemperatur Tmax erlischt das Freigabe
signal 40 wieder. Dieses Freigabesignal 40 wirkt auf eine
Kupplungssteuereinheit 23, siehe Beschreibung der Fig. 3, deren
Ausgangssignal 43 ein Stellsignal zur Betätigung des Regelven
tiles 16 ist.
Der Ausgang des dritten Komparators 34 ist mit dem SET-Eingang
eines zweiten bistabilen Kippgliedes 39 verbunden, dessen
RESET-Eingang mit dem Ausgang des zweiten Komparators 33 ver
bunden ist. Dieses bistabile Kippglied 39 dient zur Auslösung
eines Warnsignales 18 oder einer anderen Hilfsvorrichtung, z. B.
einer nicht dargestellten auf das Kupplungsgehäuse wirkenden
Kühlvorrichtung. Es könnten auch mehrere Signale in ähnlicher
Weise erzeugt werden.
Die Ausführung der Fig. 2 ist gegenüber der der Fig. 1 dadurch
vereinfacht, daß das Ventil 16 ein einfaches Zweiwegeventil ist
und die Kupplung 3 somit nur ganz geöffnet oder ganz geschlos
sen sein kann. Demgemäß wirkt das Freigabesignal 40 direkt auf
das Zweiwegeventil 16 und auf einen Schwellenschalter 52, der
bei Eintreffen des Freigabesignales einen bestimmten Anpreß
druck der Kupplung an das Proportionalglied 26 des Reibungs
leistungsrechners 20 weitergibt.
Einschaltimpuls 41 und Abschaltimpuls 42 werden beispielsweise
durch Handtaster 50, 51 oder dgl. generiert. Ein zweites Flip
flop für die Betätigung des Warnsignales 18 ist hier auch ein
gespart.
Fig. 3 zeigt beispielsweise den Inhalt der Kupplungssteuerein
heit 23 der Fig. 1. Die beiden Drehzahlsignale werden mittels
der Leitungen 60, 61 einem Summierglied 62 und einem Dividier
glied 63 zur Berechnung eines IST-Schlupfes entsprechend der
Gleichung s = (W1-W2)/W1 zugeführt. Das Freigabesignal 40 wirkt
auf einen Sollwertgeber 65, der entweder einen oder mehrere
einstellbare Sollwerte abgibt (bei Verwendung zur Drehmoment
begrenzung, etwa wie in der DE-Patentanmeldung 41 01 610), oder
einen zeitabhängigen Schlupfsollwert vorgibt, etwa um für das
Einkuppeln und Auskuppeln bestimmte Zeitverläufe festzulegen.
Aus diesem Schlupfsollwert 66 und dem IST-Schlupf 64 wird im
Addierglied 67 eine Regelabweichung gebildet und aus dieser im
Schlupfregler 68 eine Stellgröße 43 erzeugt. Weiters enthält
die Steuereinheit 23 noch Schalter 50, 51 zur Erzeugung von
Abschaltimpuls und Einschaltimpuls, die über die Leitungen
41, 42 zum ersten bistabilen Kupplungsglied 38 führen.
Fig. 4 zeigt das der Berechnung der Kupplungstemperatur zu
grundeliegende Modell, sozusagen von außen. Das Mathematische
Modell selbst gibt das dynamische thermische Einschwingver
halten der Kupplung wieder, das durch Wärmetransport- und
speicherung in den zusammenwirkenden Bauteilen der Kupplung be
stimmt ist. Dazu müssen dann nur noch die anfänglichen inneren
Zustandsgrößen der Kupplung bekannt oder passend angenommen
sein.
Zum Aufstellen des mathematischen Modells der Kupplung wird
entsprechend dem Ohm′schen Gesetz der Wärmeleitung zuerst das
in Fig. 5. gezeigte allgemeine elektrische Ersatzschaltbild
herangezogen. In diesem entspricht jedes Feld der Strickleiter
einem Glied der Wärmeübertragungskette von der Reibfläche, die
als Stromquelle der Stärke Pzu eingetragen ist, über die
Kupplungsscheibe bis zum Gehäuse, das wegen der von der abge
führten Wärmemenge unabhängigen Umgebungstemperatur als
Spannungsquelle Pab eingezeichnet ist. Dabei entspricht der
Wärmespeicherung jedes Bauteiles, also dessen Masse multi
pliziert mit der spezifischen Wärme, eine Kapazität Ci und
jedem Wärmeübergangswiderstand ein elektrischer Widerstand Ri
und schließlich jeder Temperatur Ti eine Spannung.
In vielen Fällen wird es ausreichen, das aufwendigere Modell
näherungsweise durch ein einfacheres Modell, wie in Fig. 6
dargestellt zu ersetzen, wenn man die Kupplung als eine einzige
Masse der Temperatur T betrachtet.
Dann ist Rth der thermische Ersatzwiderstand, T der Tempera
turabfall an Rth, Cth die Ersatzkapazität und das Ohm′sche
Gesetz lautet:
T = Pab × Rth
und umgeformt
Pab = T/Rth
Der Zusammenhang zwischen Temperaturänderung und der Zunahme
der gespeicherten Energie in einem Wärmespeicher ist gegeben
durch
dT = PK/Cth × dt
dT . . . differentielle Änderung
der Temperatur,
PK = Cth × dT/dt
dt . . . differentielle Änderung
der Zeit,
PK . . . Gespeicherte Leistung,
Cth . . . Wärmekapazität des Speichers.
PK . . . Gespeicherte Leistung,
Cth . . . Wärmekapazität des Speichers.
Legt man der Energiebilanz das vereinfachte Ersatzschaltbild
der Fig. 6 zugrunde, kann man die Gleichung der Energiebilanz
Pzu - Pab - PK = 0 durch Einsetzen der obigen Gleichungen
folgendermaßen umformen:
MK × |(w1 - w2)| - (TK - TU)/Rth - Cth × dTK/dt = 0.
Das ist eine Form einer inhomogenen Differentialgleichung
1. Ordnung. Eine homogene Lösung kann angegeben werden mit:
TK(t) - TU = (TK(t = 0) - TU) × exp(-t/(Cth × Rth)),
wobei
τ = CK × Rth . . . Abkühlzeitkonstante,
TK(t = 0) - TU . . . Anfangstemperaturdifferenz,
TU . . . Umgebungstemperatur, als Konstante angenommen.
TK(t = 0) - TU . . . Anfangstemperaturdifferenz,
TU . . . Umgebungstemperatur, als Konstante angenommen.
Zur Bestimmung der Reibflächentemperatur mittels Mikroprozessor
ist es günstig, die Differentialgleichung in die folgende
Differenzengleichung umzuformen:
TU(t) . . . Umgebungstemperatur,
TK . . . errechnete Kupplungstemperatur,
dt . . . Abtastzeitintervall.
TK . . . errechnete Kupplungstemperatur,
dt . . . Abtastzeitintervall.
Die Umgebungstemperatur kann man durch einen einfach
anzubringenden Temperatursensor bestimmen.
Fig. 7 zeigt ein weniger stark vereinfachtes elektrisches
Ersatzschaltbild, bei dem zwischen Kupplungstemperatur T1 und
Reibflächentemperatur TK unterschieden wird. In diesem ergeben
sich analoge Berechnungsformeln für die Reibflächentemperatur.
Da sich bei einer Mehrscheibenkupplung an jeder Reibfläche eine
geringfügig andere Temperatur einstellen wird, wird man ver
suchen, die Parameter eines vereinfachten Modelles so zu be
stimmen, daß sich die höchste Reibflächentemperatur ergibt.
Das Resultat dieser Rechnung, die zweckmäßig von einem Mikro
rechner durchgeführt wird, ist eine momentane Kupplungstempera
tur, insbesondere eine Temperatur der Reibbeläge. Diese Tem
peratur wird mit den Temperaturschwellen (Tmax, Tmin) vergli
chen. Durch logische Verknüpfung mit zusätzlichen Steuersigna
len 41, 42 wird ein Freigabesignal erzeugt, das entweder direkt
auf ein das Stellglied 6 steuerndes Ventil 16 wirkt (Fig. 2),
oder über eine Kupplungssteuerung 23 auf ein Druckregelventil
16 (Fig. 1).
Claims (17)
1. Einrichtung zum Schutz einer Reibungskupplung vor therm
ischer Überlastung, in der aus der Drehzahldifferenz und dem
übertragenen Drehmoment eine Reibleistung ermittelt wird und
die ein Signal erzeugt, das auf ein Kupplungsstellglied wirkt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung besteht aus:
- a) einer Temperaturrecheneinheit (21) zur Berechnung einer Kupplungstemperatur aus der Reibleistung, welche Einheit ein mathematisches Modell der Kupplung enthält,
- b) einer Logikeinheit (22) mit mindestens einem Komparator (32) zum Vergleich dieser Temperatur mit einem festge legten Schwellenwert (Tmax) die ein direkt oder indirekt auf das Kupplungsstellglied (6, 16) wirkendes Signal (40, 43) erzeugt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Logikeinheit (22) zwei Komparatoren (32, 33) zum Vergleich der
berechnenden Kupplungstemperatur mit einem oberen (Tmax) und
einem unteren (Tmin) Schwellenwert und ein bistabiles Kipp
glied (38) aufweist, das ein Freigabesignal (40) abgibt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Schalter (51) zum Einrücken der Kupplung vorgesehen ist, der
über ein UND-Glied (37), dessen anderer Eingang mit dem Kom
parator (33) für die untere Temperaturschwelle verbunden
ist, mit dem SET-Eingang des Kippgliedes (38) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Schalter (50) zum Ausrücken der Kupplung vorgesehen ist,
der über ein ODER-Glied (36), dessen anderer Eingang mit dem
Komparator (32) für den oberen Schwellenwert der Temperatur
verbunden ist, zum RESET-Eingang des bistabilen Kippgliedes
(38) geführt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der untere Schwellenwert der Temperatur (Tmin) so gewählt ist,
daß die Kupplungstemperatur nach einem Anfahrvorgang noch unter
der oberen Schwelle der Temperatur (Tmax) liegt.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein weiterer Komparator (34) zum Vergleich der Temperatur mit
einem dritten Schwellenwert (Twarm) vorgesehen ist, der mit
dem SET-Eingang eines bistabilen Kippgliedes (39) verbunden
ist, wobei der RESET-Eingang mit dem Komparator für die
untere Schwelle der Temperatur (Tmin) verbunden ist und das
Kippglied (39) ausgangsseitig mit einer Zusatzvorrichtung (18)
verbunden ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Steuereinheit (23) vorgesehen ist, die eine Drehmoment
steuerung enthält, die ein Signal erzeugt, das einem Grenz
moment entspricht.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Steuereinheit (23) vorgesehen ist, die einen Schlupf
sollwertgeber (65) und einen Schlupfregler (68) enthält, des
sen Ausgangssignale die Stellgröße für ein Proportionalventil
(16) ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kupplungstemperatur die Temperatur der Reibbeläge der Kupplung
ist und das Ausgangssignal der Temperaturrecheneinheit (21)
wird dem Reibleistungsrechner (20) zugeführt.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 für eine nasse Kupplung, dadurch
gekennzeichnet, daß weiters ein Sensor (17) zur Messung der
Öltemperatur vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest eine der Recheneinheiten (20, 21) ein Mikroprozessor
ist.
12. Verfahren zum Schutz einer Reibungskupplung vor thermischer
Überlastung, bei dem aus Drehzahldifferenz und übertragenen
Moment eine Reibleistung ermittelt und zusätzlich auf ein
Kupplungsstellglied eingewirkt wird, gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte:
- a) Berechnung einer momentanen Kupplungstemperatur aus Reib leistung (PZU) und aus der Kupplung abgeführter Wärme (Pab) unter Verwendung eines mathematischen Modelles der Kupplung,
- b) Vergleich der so errechneten Kupplungstemperatur (T, TK) mit mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert (Tmax),
- c) Ableitung einer Stellgröße (40, 43) aus dem Resultat dieses Temperaturvergleiches.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
übertragene Moment aus den Drehzahlen der Differenz (W1, W2) und
aus der Stellgröße (40, 43) unter Berücksichtigung des Reibungs
koeffizienten (My) ermittelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
mathematische Modell der Temperaturrecheneinheit (21) die
Differentialgleichung eines Ersatzsystemes der Kupplung ist und
die Kupplungstemperatur (T, TK) aus einer Lösung der entsprech
enden Differenzengleichung berechnet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die berechnete Kupplungstemperatur (tk) mit einem unteren
(Tmin) und einem oberen (Tmax) Schwellenwert verglichen wird,
dann die Resultate des Vergleiches mit Bedienungssignalen von
Schaltern (50, 51) logisch verknüpft werden und schließlich ein
Freigabesignal (40, 43) abgegeben wird, wenn die Kupplungs
temperatur (Tk) unter der unteren Schwelle (Tmin) liegt und die
Kupplung eingeschaltet sein soll und das Signal (40, 43)
erlischt, wenn die Kupplungstemperatur (Tk) die obere Schwelle
(Tmax) überschritten hat oder die Kupplung ausgeschaltet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das
Freigabesignal (40) auf einen Schlupfsollwertgeber (65) wirkt,
dessen Sollwertsignal zusammen mit einem Drehzahldifferenz
signal (W1, W2) einem Schlupfregler (68) zugeführt wird, der die
Stellgröße für das Druckregelventil (16) liefert.
17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
übertragene Moment (Mk) für die Ermittlung der Reibleistung
(Pzu) aus Drehzahldifferenz (W1, W2) und der Stellgröße für das
Druckregelventil (16) berechnet wird, wobei der Reibungsko
effizient (my) nach Drehzahldifferenz (W1, W2) und Reibbelag
temperatur (Tk) korrigiert wird.
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