DE4124722C2

DE4124722C2 - Einrichtung und Verfahren zum Schutz einer Reibungskupplung vor thermischer Überlastung

Info

Publication number: DE4124722C2
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: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2011-07-26
Also published as: DE4124722A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schutz einer Rei bungskupplung vor thermischer Überlastung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein entsprechendes Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Ein System zum Schutz einer Kupplung vor thermischer Über lastung ist aus der GB-A-21 64 408 bekannt. Bei diesem System wird zum Schutz einer Kupplung vor thermischer Überlastung von Zählimpulsen ausgegangen, die die Eingangsdrehzahl und die Ausgangsdrehzahl der Kupplung darstellen. Diese werden einem Regler zugeführt, dessen pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal ein Ventil ansteuert. Zum Schutz vor Überhitzung ist ein Zähler vorgesehen, der die Impulse der Eingangsdrehzahl posi tiv und entweder (bei geschlossener Kupplung) die Impulse der Ausgangsdrehzahl oder (bei offener Kupplung) die Impulse der Eingangsdrehzahl - mit einem Faktor multipliziert - negativ zählt. Mit diesem Faktor wird die Kühlwirkung der rotierenden Kupplungsscheibe (nur diese!) berücksichtigt. Die so laufend gebildete Summe wird dann mit Schwellenwerten verglichen.

Dieser Methode (von einem mathematischen Modell kann nur be dingt die Rede sein) liegen die folgenden vereinfachenden An nahmen zugrunde:

- Es wird kein momentanes Drehmoment ermittelt, sondern ein konstantes Drehmoment angenommen. Jedoch, wird ein Schal ter von den Impulsen modulierter Breite geschaltet, wodurch das Drehmoment indirekt doch in die Impulszählung eingeht.
- Der den Kühleffekt beschreibende Faktor wird experimen tell ermittelt und berücksichtigt nur die Ventilation der umlaufenden Kupplungsscheiben. Alle anderen Kühleffekte (z. B. Fahrtwind), Wärmeleitung und Wärmespeicherung in der Kupplung sind nicht berücksichtigt.
- Der den Kühleffekt beschreibende Faktor gilt nur für eine bestimmte Drehzahl und wird durch Abkühlungsmessungen über eine bestimmte Temperaturspanne ermittelt. Er stimmt somit nur unter diesen Voraussetzungen.
- Die Schwellenwerte werden durch Versuche experimentell ermittelt und mit einer Sicherheit gepolstert.

Mit diesen simplifizierenden Annahmen und den dann folgerich tig notwendigen großen Sicherheitszuschlägen ist es aber unmöglich, dem thermischen Verhalten der Kupplung und all gemeinen Betriebszuständen gerecht zu werden.

Aus der US-A-4762213 ist eine Steuerung einer Kupplung für den Antrieb einer Treibachse mit variablem Drehmoment in Abhängig keit von Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel, Radschlupf und Gaspedalstellung bekannt.

In einem Regler wird aus Fahrzustandsgrößen über ein Kennfeld ein Stellsignal für ein Proportionalventil und damit für die Anpreßkraft der Kupplung ermittelt. Damit wird das übertragene Drehmoment entlang einer bestimmten Kurve geregelt.

Zum Schutz der Kupplung wird die Lage des Betriebspunktes auf dieser Kurve mit zwei Grenzkurven (die die Wärmeleistungs hyperbeln sind) verglichen und je nach Lage werden verschiede ne Maßnahmen eingeleitet (ganz ein- oder ganz ausgekuppelt oder eine Zeitmessung in Gang gesetzt). Eine Messung des Drehmomentes findet nicht statt. Auch von der vorhandenen Möglichkeit einer Steuerung wird nicht Gebrauch gemacht, sondern nur bei thermischer Überlastung die Kupplung ganz geöffnet oder geschlossen. Die Lage der Grenzkurven ist empi risch ermittelt und vom Betriebszustand gänzlich unabhängig. Die Zeitfunktion, die den Zusammenhang der Temperatur mit der Wärmeleistung charakterisiert, ist nur durch eine empirisch festgelegte Zählzeit berücksichtigt.

Eine Einrichtung zum Schutz einer Reibungskupplung vor ther mischer Überlastung ist ferner aus der DE-A-35 40 719 bekannt. Dort wird bei einer Anfahrkupplung eine Relativdrehzahl und ein Drehmoment gemessen, aus diesen eine momentane Reiblei stung errechnet und daraus durch Integration eine Reibarbeit ermittelt, welche mit einem Grenzwert verglichen wird und bei Überschreiten ein Alarmsignal aus löst oder ein die Kupplung betätigendes Magnetventil schaltet.

Diese Einrichtung umgeht zwar durch Ermittlung der Reibungs arbeit die Hindernisse, die einer unmittelbaren Erfassung der Temperatur der Kupplung entgegenstehen. Sie bringt jedoch gegenüber den Nachteilen, insbesondere Trägheit von Tempera tursensoren, besonders wenn diese nur im Gehäuse und nicht an den Reibflächen selbst angeordnet sind, keinen wesentlichen Vorteil, 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 Anfahrkupp lung, also bei kurzzeitigem Schlupf mit hohem Drehmoment, wobei sich die Kupplung sehr schnell erwärmt, ausreichen, sie ist aber ungeeignet für Kupplungen, in denen Schlupf nicht nur beim Anfahren, sondern auch im Betrieb häufiger und in gerin gem Maße auftritt, z. B. für Kupplungen zur Begrenzung des übertragenen Drehmomentes, wie Rutschkupplungen, oder etwa in zuschaltbaren Achsantrieben, in Zapfwellenantrieben oder in Differentialsperren.

Aber auch bei Verwendung der bekannten Einrichtung bei einer Anfahrkupplung kann sich bei wiederholtem Anfahren im Stadt- oder Kolonnenverkehr die Kupplung entweder trotzdem überhit zen, 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) einen Reibleistungsrechner, in dem das momentan über tragene Drehmoment aus der momentanen Stellgröße des Kupplungsstellgliedes ermittelt wird,
b) eine Temperaturrecheneinheit zur Berechnung einer momen tanen Kupplungstemperatur aus der Reibleistung, der Wärmeabfuhr und der Wärmespeicherung der Kupplung, welche Einheit ein letztgenannte Parameter berücksichtigendes mathematisches Modell der Kupplung enthält, und
c) eine Logikeinheit mit mindestens einem Komparator zum Vergleich dieser Temperatur mit einer festgelegten Grenz temperatur, die ein direkt oder indirekt auf das Kupp lungsstellglied 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 verlorengehen. Erst durch Berücksichtigung von Wärmeabfuhr und Wärmespeicherung, die verglichen mit der Änderung der Reibleistung relativ langsam verlaufen, kann die momentane Temperatur genauer berechnet werden, als es mit direkter Messung möglich wäre.

Die so ermittelte Momentantemperatur stimmt bei allen Kup pelvorgängen (z. B. Anfahren, wiederholter geringer Schlupf) gut mit der tatsächlichen Temperatur überein. Wenn die zugeführte Reibleistung und die abgeführte Wärmeleistung gleich sind, kann das Fahrzeug beliebig lange mit leicht schlupfender Kupplung fahren, 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 dimensioniert werden und ihr Bauvolumen ist gering. Durch die auf das Stellglied wirkende Steuereinheit kann bei Temperatur überschreitungen 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 vorzugs weise zwei Komparatoren zum Vergleich der berechneten Kupp lungstemperatur mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert und ein bistabiles Kippglied auf, das ein Frei gabesignal für ein Zweiwegeventil und einen Schwellenschalter abgibt (Anspruch 2).

Durch die untere Temperaturschweile kann die Wiederein schaltbereitschaft vom Erreichen einer bestimmten unteren Temperatur abhängig gemacht werden, die auch wieder genau definiert sein kann, sei es nach technologischen Ge sichtspunkten, sei es nach mechanischen. Weil das Signal ein Freigabesignal ist, läßt sich die Kupplung logisch sinnfällig und mit einer einzigen Leitung eigensicher steuern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Schalter 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 weitergelei tet, wenn eine ausreichende Temperaturreserve vorhanden ist. Bei vorangegangenem Abschalten kann wegen des UND-Gliedes die Kupplung erst auf Befehl wieder eingerückt werden, wenn die untere Temperaturschwelle erreicht ist. Auf diese Weise wird vermieden, daß sich die Kupplung, sobald die Temperatur in ausreichendem Maße abgesunken ist, unerwartet von selbst wieder einschaltet, was zu Unfällen führen könnte, oder daß die überhitzte Kupplung vom Bedienungsmann unter Umgehung der Schutzeinrichtung eingeschaltet wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Schalter zum Ausrücken der Kupplung über ein ODER-Glied, dessen anderer Eingang mit dem Komparator für den oberen Schwellenwert der Temperatur verbunden ist, zum RESET-Eingang des bistabilen 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 der Temperatur so tief zu wählen, daß die Temperatur der Kupplung nach einem Anfahrvorgang, oder nach einer bestimmten Zahl von Anfahr vorgängen, noch unter dem oberen Schwellenwert bleibt (An spruch 5). Bei einem derartigen Schwellenwert wird die Kupp lung maximal ausgenutzt und es wird verhindert, daß die Kupp lung in einer kritischen Situation, etwa auf einer Steigung im Gelände, unerwartet vorzeitig abschaltet.

Es ist im Rahmen der Erfindung weiterhin vorteilhaft, einen weiteren Komparator zum Vergleich der Kupplungstemperatur mit einem dritten Schwellenwert vorzusehen, der mit dem SET-Ein gang eines zweiten bistabilen Kippgliedes verbunden ist, wobei der RESET-Eingang dieses Kippgliedes mit dem Komparator für die untere Temperaturschwelle verbunden ist, und wobei das Kippglied ausgangsseitig mit einer Zusatzvorrichtung verbunden ist (Anspruch 6). Als Zusatzvorrichtung kann sowohl ein Warn signalgeber als auch eine zusätzliche Kühlvorrichtung vor gesehen sein. Zweckmäßigerweise 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 Steuereinheit mit einer Drehmomentsteuerung vorgesehen, die ein einem Grenzmoment entsprechendes Signal erzeugt (Anspruch 7). Auf diese Weise ist die Einrichtung bei voller Schutz wirkung dazu geeignet, die Kupplung als Überlastkupplung zusätzlich auf ein genau definiertes Rutschmoment einzustel len.

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 schlupfgeregelten Kupplung anwendbar, und sie kann zusätzlich zur Schutzfunktion durch Einsatz eines zeitvariablen Schlupfsollwertgebers für weiche Kuppelvorgänge sorgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die errechnete Temperatur die Temperatur der Reibbeläge der Kupplung, und das Ausgangssignal der Temperaturrechenein heit wird dem Reibleistungsrechner zugeführt (Anspruch 9). Auf diesem Wege wird das Ausgangssignal der Temperaturrechenein heit zur Korrektur des übertragenen Momentes berücksichtigt. Dadurch wird nicht nur die Genauigkeit bei der Ermittlung des Drehmomentes und folglich der Temperatur verbessert sondern auch ein besonders genaues Drehmoment ermittelt, weil der Reibungskoeffizient der Kupplungsbeläge temperaturabhängig korrigiert wird.

In einer Ausführungsvariante für eine im Ölbad laufende Kupp lung kann weiters ein Sensor zur Messung der Öltemperatur vor gesehen 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 ausführen.

Die Erfindung handelt weiters von einem Verfahren zum Schutz einer Reibungskupplung vor thermischer Überlastung, bei dem aus Drehzahldifferenz und übertragenem Moment eine Reiblei stung ermittelt und schließlich auf ein Kupplungsstellglied eingewirkt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in folgenden Schritten:

a) Berechnung einer momentanen Kupplungstemperatur aus Rei bleistung und aus der Kupplung abgeführter Wärme und der Wärmespeicherung der Kupplung unter Verwendung eines letztgenannte Parameter berücksichtigenden mathematischen Modelles der Kupplung,
b) Vergleich der so errechneten Kupplungstemperatur mit mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert,
c) Ableitung einer Stellgröße für die Betätigung des Stell gliedes der Kupplung aus dem Resultat dieses Temperatur vergleiches (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 bei Berücksichtigung des Reibungskoeffizienten (Anspruch 13) unter Benutzung eines Kennlinienfeldes wird die Reibleistung ohne einen aufwendigen Drehmomentfühler genauer ermittelt.

In Weiterbildung der Erfindung ist das mathematische Modell der Temperaturrecheneinheit die Differentialgleichung eines die Reibleistung, die Wärmeabfuhr und die Wärmespeicherung berücksichtigenden Ersatzsystemes 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.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die berechnete Kupplungs temperatur mit einem unteren und einem oberen Temperatur schwellenwert verglichen, dann werden die Resultate des Ver gleichs mit Bedienungssignalen von Schaltern logisch verknüpft und schließlich wird ein Freigabesignal abgegeben, wenn die Kupplungstemperatur unter dem unteren Schwellenwert liegt und die Kupplung eingeschaltet 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 einfachen Anwendungsfällen direkt auf das Stellglied der Kupplung wirken kann. Durch die untere Temperaturschwelle kann der Abkühlungsgeschwindigkeit der Kupplung Rechnung getragen werden, welche von der Geschwindig keit abhängt, mit der sich die Kupplung vorher erhitzt hat, wegen Wärmeleitung und Wärmespeicherung im Gehäuse. Somit entfallen überflüssige Wartezeiten, wie sie bei Freigabe nach Ablauf einer bestimmten Zeit entstehen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieses erfin dungsgemäßen Verfahrens wirkt das Freigabesignal auf einen Schlupfsollwertgeber, dessen Sollwertsignal zusammen mit einem Drehzahldifferenzsignal einem Schlupfregler zugeführt wird, der die Stellgröße für das Druckregelventil liefert (Anspruch 16).

Diese Weiterbildung der Erfindung gestattet es, durch geeigne te Gestaltung des Sollwertgebers, die Kupplung nach einer bestimmten Zeitfunktion aus- und einzurücken oder ein ein stellbares Maximalmoment im Falle einer Verwendung als Rutsch kupplung vor zugeben.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das übertragene Drehmoment für die Ermittlung der Rei bleistung aus Drehzahldifferenz und der Stellgröße für das Druckregelventil berechnet, wobei der Reibungskoeffizient nach Drehzahldifferenz und Reibbelagtemperatur berechnet wird (Anspruch 17). Dadurch wird ohne den aufwendigen Drehmoment sensor ein genaues Drehmoment ermittelt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Schutz einer Reibungs kupplung vor thermischer Überlastung unterscheidet sich von der aus der GB-A-21 64 408 bekannten Einrichtung durch den Reibleistungsrechner, der die tatsächliche an den Scheiben entstehende Wärme zu jedem Zeitpunkt ermittelt, und den Rech ner für die Berechnung der momentanen Kupplungstemperatur aus Reibleistung, interner Wärmeleitung, Wärmeabfuhr und Wärme speicherung. Die Logikeinheit vergleicht Temperaturwerte und keine Impulszahlen nicht exakt definierter Herkunft.

Durch diese Unterschiede wird bei der erfindungsgemäßen Ein richtung die Temperatur der Kupplung unter allen Be triebsbedingungen genau ermittelt, so daß sie nicht überdimen sioniert zu werden braucht. Wird beispielsweise mehrmals nach einander eingekuppelt (egal, ob es sich um eine Zapfwelle oder um einen Fahrzeugantrieb bei Kolonnenfahrt handelt) so kühlen die Kupplungsscheiben beim ersten Mal viel schneller ab, weil die angrenzenden Teile (Wellenteile, Scheibenträger, Öl und Gehäuse) noch kalt sind. Bei den folgenden Malen dauert es immer länger.

Bei der aus der GB-A-21 64 408 bekannten Einrichtung dagegen kann das nicht berücksichtigt werden. Die Kupplung wird am Anfang zu früh ausgeschaltet, wird also thermisch nicht ausge nützt (was bei gegebenen Bedingungen und Sicherheitszuschlägen eine Überdimensionierung erfordert). Nach mehrmaligem Ein kuppeln wird sie trotz der großen Sicherheitszuschläge zu heiß. Der Kuppelvorgang muß abgebrochen werden. Bei der erfin dungsgemäßen Einrichtung kann das nicht passieren, weil zu jedem Zeitpunkt die ziemlich genau berechnete Kupplungstempe ratur zugrunde liegt.

Gegenüber der aus der US-A-4 762 213 bekannten Einrichtung zur Steuerung einer Kupplung haben die erfindungsgemäße Einrich tung und das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil nicht auf mit einer großen Unsicherheit behaftete empirische Steuerparameterwerte zurückgreifen zu müssen. Die erfindungs gemäße genaue Ermittlung der Temperatur der Kupplung unter allen Betriebsbedingungen gestattet eine optimale Kupplungs dimensionierung.

Auch im Vergleich zu der aus der DE-A-35 40 719 bekannten Einrichtung zum Schutz einer Reibungskupplung vor thermischer Überlastung haben die erfindungsgemäße Einrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil der ständigen genauen Bestimmung der Kupplungstemperatur. Auf diese Weise kann auch bei knapper Auslegung der Kupplung ein sicherer Schutz vor Überhitzung gewährleistet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, die 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 zugrunde liegt,

Fig. 7 Vereinfachtes Ersatzschaltbild, das einer anderen Va riante 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 darge stellt 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 Verlustlei stung
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 Komperators 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 thermi scher 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) einem Reibleistungsrechner (20), in dem das momentan übertragene Drehmoment aus der momentanen Stellgröße des Kupp lungsstellgliedes ermittelt wird,
b) einer Temperaturrecheneinheit (21) zur Berechnung einer momentanen Kupplungstemperatur aus der Reibleistung, der Wärmeabfuhr und der Wärmespeicherung der Kupplung, welche Einheit ein letztgenannte Parameter berücksichtigendes ma thematisches Modell der Kupplung enthält,
c) eine Logikeinheit (22) mit mindestens einem Komparator (32) zum Vergleich dieser Temperatur mit einer festgelegten Grenztemperatur (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 berechneten Kupplungstemperatur mit einem oberen (Tmax) und einem unteren (Tmin) Schwellenwert und ein bistabiles Kippglied (38) aufweist, das ein Freigabesignal (40) für ein Zweiwegeventil (16) und einen Schwellenschalter (52) 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 Komparator (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 (33) 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, dessen Ausgangssignal die Stellgröße für ein Proportional ventil (16) ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungstemperatur die Temperatur der Reibbeläge der Kupplung ist, und das Ausgangssignal der Temperaturrechenein heit (21) dem Reibleistungsrechner (20) zugeführt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 für eine nasse Kupplung, daß durch 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 thermi scher Überlastung, bei dem aus Drehzahldifferenz und über tragenem Moment eine Reibleistung ermittelt und zusätzlich auf ein Kupplungsstellglied eingewirkt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Berechnung einer momentanen Kupplungstemperatur aus Reibleistung (P_ZU) und aus der Kupplung abgeführter Wärme (P_ab) und der Wärmespeicherung der Kupplung unter Verwendung eines letztgenannte Parameter berücksichtigenden mathematischen Modells der Kupplung,
b) Vergleich der so errechneten Kupplungstemperatur (T, TK) mit mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert (Tmax),
c) Ableitung einer Stellgröße (40, 43) für die Betätigung des Stellgliedes (6, 16) der Kupplung aus dem Resultat dieses Temperaturvergleiches.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das übertragene Moment aus den Drehzahlen der Differenz (W₁, W₂) und aus der Stellgröße (40, 43) unter Berücksichtigung des Rei bungskoeffizienten (My) ermittelt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell der Temperaturrecheneinheit (21) die Differentialgleichung eines die Reibleistung, die Wärmeabfuhr und die Wärmespeicherung berücksichtigenden Ersatzsystemes der Kupplung ist und die Kupplungstemperatur (T, TK) aus einer Lösung der entsprechenden 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 Drehzahldiffe renzsignal (W₁, W₂) einem Schlupfregler (68) zugeführt wird, der die Stellgröße für das Druckregelventil (16) liefert.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das übertragene Moment (Mk) für die Ermittlung der Reiblei stung (Pzu) aus Drehzahldifferenz (W₁, W₂) und der Stellgröße für das Druckregelventil (16) berechnet wird, wobei der Rei bungskoeffizient (my) nach Drehzahldifferenz (W₁, W₂) und Reibbelagtemperatur (Tk) korrigiert wird.