DE4124722A1

DE4124722A1 - Einrichtung und verfahren zum schutz einer reibungskupplung vor thermischer ueberlastung

Info

Publication number: DE4124722A1
Application number: DE4124722A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Josef Dipl Fruehwirth
Original assignee: Steyr Daimler Puch AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1991-07-25
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2011-07-26
Also published as: DE4124722C2

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

P_ZU = M_K × |w1 - w2|

wobei

P_ZU . . . zugeführte Verlustleistung,
M_K . . . 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 = P_ab × R_th

und umgeformt

P_ab = T/R_th

Der Zusammenhang zwischen Temperaturänderung und der Zunahme der gespeicherten Energie in einem Wärmespeicher ist gegeben durch

dT = P_K/C_th × dt

dT . . . differentielle Änderung der Temperatur,

P_K = C_th × dT/dt

dt . . . differentielle Änderung der Zeit,
P_K . . . Gespeicherte Leistung,
C_th . . . Wärmekapazität des Speichers.

Legt man der Energiebilanz das vereinfachte Ersatzschaltbild der Fig. 6 zugrunde, kann man die Gleichung der Energiebilanz P_zu - P_ab - P_K = 0 durch Einsetzen der obigen Gleichungen folgendermaßen umformen:

M_K × |(w1 - w2)| - (T_K - T_U)/R_th - C_th × dT_K/dt = 0.

Das ist eine Form einer inhomogenen Differentialgleichung 1. Ordnung. Eine homogene Lösung kann angegeben werden mit:

T_K(t) - T_U = (T_K(t = 0) - T_U) × exp(-t/(C_th × R_th)),

wobei

τ = C_K × R_th . . . Abkühlzeitkonstante,
T_K(t = 0) - T_U . . . Anfangstemperaturdifferenz,
T_U . . . Umgebungstemperatur, als Konstante angenommen.

Zur Bestimmung der Reibflächentemperatur mittels Mikroprozessor ist es günstig, die Differentialgleichung in die folgende Differenzengleichung umzuformen:

T_U(t) . . . Umgebungstemperatur,
T_K . . . 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 T_K 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

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 (P_ZU) und aus der Kupplung abgeführter Wärme (P_ab) 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.