DE102011077649A1

DE102011077649A1 - Hydraulische Steuerung eines Schiffsgetriebes

Info

Publication number: DE102011077649A1
Application number: DE201110077649
Authority: DE
Inventors: Michael Stamml
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Hydraulische Steuerung (50) eines Schiffsgetriebes zur Ansteuerung einer Kupplung (8), die hydraulische Steuerung umfassend eine Basissteuerung (15) nach Anspruch 1 und ein Modulationsmodul (16) nach Anspruch 5, wobei das Modulationsmodul (16) derart mit der Basissteuerung (15) verbunden ist, dass der erste Modulanschluss (32) durch den ersten Erweiterungsanschluss (22) mit dem Kupplungsanschluss (28) verbunden ist und der zweite Modulanschluss (33) durch den zweiten Erweiterungsanschluss (23) und den Entlüftungsanschluss (31) entlüftet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuerung eines Schiffsgetriebes zum Schalten einer Kupplung und zwei die hydraulische Steuerung bildenden Komponenten sowie ein Verfahren zum Betreiben der hydraulischen Steuerung.
Es sind Schiffsgetriebe bekannt, welche Nebenabtriebe aufweisen. Diese Nebenabtriebe werden für den zusätzlichen Antrieb von Nebenaggregaten zum Anschluss des Antriebsstranges an eine Wellenbremse benötigt. Bei vielen Anwendungen erfolgt die kraftschlüssige Verbindung vom Antriebsstrang zum Nebenabtrieb über eine hydraulisch betätigbare Kupplung, welche mittels eines Schaltventils betätigt wird, d. h. der Betätigungsdruck wird zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung in seiner vollen Höhe zugeschaltet.
Die DE 19823776 A1 zeigt eine solche Hydraulikanlage eines Schiffsgetriebes zur Betätigung einer Getriebekupplung. Soll diese Getriebekupplung geschlossen bzw. druckbeaufschlagt werden, wird von einer elektronischen Steuerungseinheit ein beidseitig elektromagnetisch betätigbares 4/2-Wegeventil in eine Stellung geschaltet, in welcher die Druckölversorgung bzw. die Getriebepumpe mit der Getriebekupplung verbunden ist. Hierbei steigt der Kupplungsdruck ausgehend von einem drucklosen Zustand als Anfangswert sprunghaft auf einen Endwert an. Unter einem drucklosen Zustand ist hierbei ein Zustand zu verstehen, bei welchem praktisch Umgebungsdruck herrscht.
Eine derartige Getriebesteuerung ist für viele Anwendungsfälle ausreichend stellt eine einfache und vorteilhafte Lösung dar. Bei einigen Anwendungen jedoch treten durch den stattfindenden sprunghaften Anstieg des Kupplungsdrucks nachteiligerweise Drehmomentstöße auf, insbesondere wenn beispielsweise drehende Nebenaggregate über die Kupplung abgebremst oder beschleunigt werden sollen. Der nachteilige Effekt verstärkt sich mit steigendem Massenträgheitsmoment der zu- oder abzuschaltenden Aggregate, wie beispielsweise abzubremsenden Propellerwellen oder zuzuschaltenden Generatoren.
Ein spezieller Anwendungsfall auf dem Gebiet der Schiffsantriebe ist beispielsweise das Zuschalten der Wellenbremse bei drehender Propellerwelle, insbesondere im Falle eines so genannten Crash-Stopps, worunter eine Notbremsung eines Schiffes zu verstehen ist. Hierbei wird aus der Fahrt heraus die mit meist hoher Drehzahl umlaufende Propellerwelle zum Stillstand abgebremst und üblicherweise danach deren Drehrichtung mittels eines Wendegetriebes umgekehrt um einen Gegenschub zur Fahrtrichtung zu erzeugen.
Aufgrund der auftretenden Drehmomentstöße wird die Schaltung als unkomfortabel empfunden und die Kupplung und die im Kraftfluss liegenden Antriebselemente in schädigender Weise beansprucht. Zudem kann dies mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung verbunden sein.
Zur Vermeidung dieser Nachteile werden bei bekannten Getriebesteuerungen elektrisch ansteuerbare Regelventile eingesetzt, welche auch als Proportionalventile bezeichnet werden. Diese können abhängig von dem die Elektromagnete des Proportionalventils durchfließenden Strom, stetig veränderbar unterschiedliche Drücke einstellen.
Hierdurch kann beim Zuschalten einer Kupplung der Druck ausgehend von einem bestimmten Ausgangswert stetig oder je nach Ansteuerung in einem beliebigen Verlauf sprungfrei bis zu einem bestimmten Enddruckwert gesteigert werden. Der Ausgangswert kann beispielsweise entweder ein druckloser Ausgangszustand oder der Druckwert sein, bei welchem die Kupplung so weit befüllt ist, dass die Lamellen spielfrei aneinander liegen, wodurch bei einer weiteren Drucksteigerung eine Momentenübertragung durch die Kupplung beginnt. Der Enddruckwert ist beispielsweise so hoch, dass dieser dem zum Schließen der Kupplung erforderlichen Druck entspricht, bzw. bei welchem ein schlupffreier Zustand des reibschlüssigen Schaltelements erreicht ist. Diese geregelte Veränderung des Drucks über der Zeit wird auch als Modulation bezeichnet. Druckspränge und die damit verbundenen Drehmomentstöße im Antriebsstrang mit ihren nachteiligen Auswirkungen werden damit vermieden.
Soll eine einfache hydraulische Steuerung mit einem Proportionalventil nachgerüstet werden, ist nachteiligerweise eine komplette Umkonstruktion des Gehäuses notwendig, da nicht nur ein zusätzliches Ventil vorgesehen, sondern auch die gesamte Schaltlogik des Hydraulikplans geändert werden muss.
Im umgekehrten Falle kann mit dem Ziel einer Vereinfachung bzw. Kosteneinsparung für bestimmte Anwendungen mit geringen Anforderungen bezüglich Schaltkomforts nicht einfach auf ein Proportionalventil verzichtet werden. Hierzu wäre eine aufwändige Neukonstruktion des hydraulischen Systems und dessen Ansteuerung erforderlich.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine hydraulische Steuerung zu schaffen, bei welcher in einfacher Weise eine Kupplungsansteuerung mit einem stufenartig zwischen zwei Druckniveaus schaltbaren Schaltventil zu einer Steuerung umgestaltet werden kann, mit welcher ein über der Zeit veränderlicher Druck zum komfortablen Schließen der Kupplung darstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach bildet eine hydraulische Steuerung für ein Schiffsgetriebe eine Basissteuerung zum Schalten einer Kupplung, welche mindestens ein Schaltventil und ein Druckeinstellventil umfasst. Die Basissteuerung weist mehrere hydraulische Anschlüsse auf, darunter einen Kupplungsanschluss zu einer Kupplung, einen Entlüftungsanschluss zu einem Ölsumpf und einen Versorgungsanschluss zu einer Druckölversorgung, wobei die Basissteuerung einen ersten und einen zweiten Erweiterungsanschluss aufweist, durch welche die hydraulische Steuerung mit einem Modulationsmodul verbindbar ist. Hierbei ist der erste Erweiterungsanschluss mit dem Kupplungsanschluss und der zweite Erweiterungsanschluss mit dem Entlüftungsanschluss verbunden.
Ein Modulationsmodul ist mit der Basissteuerung wirkverbindbar und umfasst ein Proportionalventil und eine elektronische Steuerungseinheit zur elektrischen Ansteuerung des Proportionalventils. Das Modulationsmodul weist einen ersten und einen zweiten Modulanschluss auf, wobei der erste Modulanschluss mit dem ersten Erweiterungsanschluss der Basissteuerung und der zweite Modulanschluss mit dem zweiten Erweiterungsanschluss der Basissteuerung hydraulisch verbindbar sind.
Eine hydraulische Steuerung eines Schiffsgetriebes zur Ansteuerung einer Kupplung umfasst eine Basissteuerung und ein Modulationsmodul, wobei das Modulationsmodul derart mit der Basissteuerung verbunden ist, dass der erste Modulanschluss durch den ersten Erweiterungsanschluss mit dem Kupplungsanschluss verbunden ist und der zweite Modulanschluss durch den zweiten Erweiterungsanschluss mit dem Entlüftungsanschluss verbunden und damit entlüftet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schaltventil als beidseitig elektromagnetisch betätigtes Wegeventil ausgebildet und weist eine Rastierung auf, mittels welcher im stromlosen Zustand eine Beibehaltung der jeweiligen Schaltstellung möglich ist.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass das Schaltventil als einseitig elektromagnetisch, gegen eine Feder betätigbares Wegeventil ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise ist es möglich, dass das Wegeventil als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist.
Bevorzugt weist das Proportionalventil einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf, wobei der Eingangsanschluss direkt mit dem ersten Modulanschluss und der Ausgangsanschluss direkt mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist.
Eine Ausgestaltungsform sieht vor, dass im stromlosen Zustand das Proportionalventil geschlossen und damit die Verbindung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss unterbrochen ist.
In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass im stromlosen Zustand der hydraulischen Steuerung das Proportionalventil geschlossen ist und das Schaltelement durch das Schaltventil entlüftet ist.
Alternativ hierzu ist bei einer weiteren Variante im stromlosen Zustand der hydraulischen Steuerung das Proportionalventil geschlossen und die vom Schaltventil vor dem Abschalten des Stroms eingenommene Schaltstellung unverändert. Diese ist beispielsweise möglich, indem das Schaltventil eine Rastierung aufweist.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltelements eines Schiffsgetriebes mit einer beschriebenen hydraulischen Steuerung schaltet zu Beginn der Druckbeaufschlagung zum Schließen des Schaltelements ein Schaltsignal das Schaltventil in eine Schaltstellung, in welcher das Schaltelement mit der Ölversorgung verbunden ist, wobei mit dem Schaltsignal das Proportionalventil geöffnet wird, so dass durch dieses das Schaltelement entlüftet wird. Damit ist das Schaltelement geöffnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass zur Erhöhung des Kupplungsdruckes mit dem Schaltsignal ein definierter Strom-Zeit-Verlauf in einer elektronischen Steuerungseinheit gestartet wird, so dass der Strom am Proportionalventil über der Zeit verringert wird. Damit verschiebt sich das Proportionalventil von der voll geöffneten Stellung in Richtung einer geschlossenen Stellung, wodurch sich der hydraulische Widerstand zwischen dem Schaltelement zur Entlüftung erhöht und damit der Kupplungsdruck steigt.
Ein Schiffsgetriebe weist eine erfindungsgemäße hydraulische Steuerung auf.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 einen Hydraulikschaltplan einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung eines Schiffsgetriebes;
2 ein Diagramm mit dem Verlauf des Kupplungsdruckes und des Stroms über der Zeit;
3 ein Diagramm einer Variante der Verläufe von Kupplungsdruck und Strom über der Zeit;
4 einen Hydraulikschaltplan einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung und
5 eine perspektivische Ansicht einer ausgeführten erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Hydraulikplan einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung eines Schiffsgetriebes. Die hydraulische Steuerung wird von einer Basissteuerung 15 und einem Modulationsmodul 16 gebildet.
Die Basissteuerung 15 wird hierbei von einem Druckölversorgungssystem 1, welches eine Pumpe 30 aufweist, durch einen Druckölversorgungsanschluss 1 mit einem Druckmedium versorgt. Zudem weist die Basissteuerung 15 einen Schmierölanschluss 3 auf, durch welchen das Betriebsmedium in einen Schmierölzweig des Getriebes gelangen kann. Außerdem ist die Basissteuerung 15 durch einen Entlüftungsanschluss 31 mit einem Ölsumpf 9 verbunden, in dem üblicherweise Atmosphärendruck herrscht. Die Verbindung eines hydraulischen Systems mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Raumes wird auch als Entlüftung bezeichnet. Weiterhin weist die Basissteuerung 15 einen Kupplungsanschluss 28 zu einer Kupplung 8 auf, welche durch die Basissteuerung 15 angesteuert, bzw. mit Druck beaufschlagt oder entlüftet wird.
Die Basissteuerung 15 umfasst ein Druckeinstellventil, welches in dieser Variante als Druckbegrenzungsventil 2 ausgebildet ist und den in der Basissteuerung 15 herrschenden Druck auf einen Maximaldruckwert p_max begrenzt. Ist der Maximaldruckwert p_max erreicht, öffnet das Druckeinstellventil 2 zum Schmierölanschluss 3 und das überschüssige Öl wird dem nicht dargestellten Schmier- oder Kühlölzweig zugeführt. Weiterhin umfasst die Basissteuerung 15 ein Schaltventil 5, welches als 4/2-Wegeventil ausgebildet ist. Das Schaltventil 5 kann auch als 3/2-Wegeventil ausgebildet sie, wobei dies die gleichen Verschaltungsmöglichkeiten aufweisen würde, wie das 4/2-Wegeventil, bei welchem ein Anschluss verschlossen ist. Die Verstellung des Schaltventils 5 zwischen seinen zwei Schaltstellungen erfolgt mittels zweier Schaltmagnete 6 und 7, welche jeweils auf einer Seite des beispielsweise schieberartigen Schaltventils 5 sitzen. Die Schaltmagnete 6 und 7 werden aus einer elektronischen Getriebesteuerung mit einem Strom versorgt und mittels zweier Schaltsignale 38 und 39 betätigt. Das Schaltsignal 38 dient zum Öffnen der Kupplung 8, mit dem Schaltsignal 39 wird die Kupplung 8 geschlossen. Die Schaltmagnete 6 und 7, das elektromagnetisch einstellbare Proportionalventil 10 sowie die elektronische Steuerungseinheit 11 werden von einer nicht gezeigten Getriebeelektrik mit elektrischem Strom versorgt. Die Schaltsignale 38 und 39 werden beispielsweise von einer nicht dargestellten elektronischen Getriebesteuerung ausgegeben, in welche der Schiffsführer die entsprechenden Schaltbefehle eingeben kann.
1 zeigt das Schaltventil 5 in einer Position in welcher die Kupplung 8 geöffnet ist. Hierzu wird mittels der Schalter 38 und 39 der Schaltmagnet 6 bestromt und der Schaltmagnet 7 elektrisch abgeschaltet, wodurch der Schaltmagnet 6 das Schaltventil 5 in einer ersten Schaltstellung hält. Das Schaltventil 5 weist zudem noch eine Rastierung 29 auf, welche bei einem Ausfall des Stroms das Schaltventil 5 in seiner aktuellen Schaltstellung arretiert, wodurch diese stromlos beibehalten wird. Eine solche Funktion kann beispielsweise bei der Anwendung als Schiffsgetriebe aus Sicherheitsgründen von den Klassifizierungsgesellschaften vorgeschrieben sein.
Nimmt das Schaltventil 5 die in 1 gezeigte Stellung ein, ist die Kupplung 8 geöffnet. Die Pumpe 30 der Ölversorgung 40 fördert das Druckmedium gegen das in dieser Stellung geschlossene Schaltventil 5. Das Druckbegrenzungsventil 2 begrenzt den Druck vor dem Schaltventil 5 auf den eingestellten zulässigen Maximaldruckwert p_max indem es das Druckmedium auf einem niedrigeren Druckniveau durch den Schmierölanschluss 3 in einen nicht dargestellten Schmier- oder Kühlzweig entlässt. Die Kupplung 8 ist durch das Schaltventil 5 mit dem Ölsumpf 9 verbunden und damit entlüftet bzw. drucklos. Soll die Kupplung 8 nun zugeschaltet bzw. geschlossen werden, gibt die elektronische Getriebesteuerung ein Schaltsignal aus und der Schaltmagnet 6 wird elektrisch abgeschaltet während der Schaltmagnet 7 nun von einem Strom durchflossen wird. Hierdurch wird das Schaltventil 5 in eine zweite Schaltstellung bewegt, in welcher die Pumpe 1 hydraulisch mit der Kupplung 8 verbunden ist und das Druckmedium zur Kupplung 8 strömen kann und diese befüllt.
Zwischen dem Druckölversorgungssystem 1 und dem Schaltventil 5 ist als hydraulischer Widerstand eine Blende 4 angeordnet. Da bei der Verstellung des Schaltventils 5 das Druckmedium in die zu befüllende Kupplung 8 strömt, wird durch die Blende 4, welche auch als Drossel ausgeführt sein kann, ein Druckeinbruch im Druckölversorgungssystem 1 verhindert bzw. reduziert. Zudem verlangsamt der hydraulische Widerstand der Blende 4 den Befüllvorgang und reduziert die Höhe möglicher Druckspitzen.
Nach der Befüllung der Kupplung 8 steigt der Druck bis auf den am Druckbegrenzungsventil 2 eingestellten Maximaldruckwert an und schließt die Kupplung 8, so dass diese ein Drehmoment übertragen kann. Der Druckaufbau in der Kupplung vollzieht sich hierbei sprunghaft, d. h. mit einem steilen, praktisch senkrechten Anstieg über der Zeit bzw. einem entsprechend großen Druckgradienten. Soll die Kupplung 8 nun wieder geöffnet werden, gibt die elektronische Getriebesteuerung ein Schaltsignal aus und der Schaltmagnet 7 wird elektrisch abgeschaltet und der Schaltmagnet 6 wieder zugeschaltet. Sollte der Strom aufgrund einer Störung ausfallen, bleibt wie oben beschrieben die zuvor eingenommene Schaltstellung der Kupplung 8 durch die Rastierung erhalten. Das Schaltventil 5 kann optional mit einer manuellen Notbetätigungsvorrichtung ausgeführt werden, so dass die Kupplung bei Stromausfall noch betätigt werden kann.
Eine derartige Getriebesteuerung ist für viele Anwendungsfälle ausreichend und stellt eine einfache und vorteilhafte Lösung dar. Steigen allerdings wie oben beschrieben die Anforderungen bezüglich Schaltqualität und -komfort, ist zur Vermeidung von Drehmomentstößen an der Kupplung eine über der Zeit idealerweise stetig verlaufende Druckerhöhung, bzw. ein allmählich ansteigender Druckverlauf unter Vermeidung von Drucksprüngen an der Kupplung erforderlich.
Ein Anwendungsfall, welcher eine sprungfreie, beispielsweise rampenförmige Druckerhöhung über der Zeit erfordert, ist beispielsweise das Zuschalten der Wellenbremse bei drehender Propellerwelle, insbesondere im Falle eines so genannten Crash-Stopps, worunter eine Notbremsung eines Schiffes zu verstehen ist. Hierbei wird aus der Fahrt heraus die mit meist hoher Drehzahl umlaufende Propellerwelle zum Stillstand abgebremst und üblicherweise danach deren Drehrichtung mittels eines Wendegetriebes umgekehrt um einen Gegenschub zur Fahrtrichtung zu erzeugen.
Ein weiterer Anwendungsfall, der einen modulierten Druck- und damit Momentenaufbau an der Kupplung erfordert, ist die Zuschaltung eines Aggregats über den Nebenabtrieb. So stellt beispielsweise ein Generator mit seiner hohen Masse ein Trägheitsmoment dar, welches bei einem sprungartigen Zuschalten der Kupplung starke Drehmomentspitzen im Antriebsstrang erzeugt. Mit einem modulierten Kupplungsdruckaufbau hingegen wird die Masse stetig beschleunigt und Drehmomentspitzen werden vermieden oder aufgrund der schlupfbehafteten Momentenübertragung in der Modulationsphase gedämpft.
Soll nun ein hierfür erforderliches elektrisch steuer- oder regelbares Ventil, beispielsweise ein Proportionalventil, in eine Basissteuerung eingefügt werden, ist eine völlige Neukonstruktion einer hydraulischen Steuerung erforderlich. Um diesen Aufwand zu vermeiden wird erfindungsgemäß die Basissteuerung 15 um ein Modulationsmodul 16 erweitert. Hierzu sind an der Basissteuerung 15 zwei Erweiterungsanschlüsse 22 und 23 vorgesehen, welche verschlossen sind, wenn nur eine Basissteuerung 15 mit ihrer beschränkten Funktion ausreichend ist. Der erste Erweiterungsanschluss 22 ist hierbei innerhalb der Basissteuerung 15 mit der Kupplung 8 verbunden. Der zweite Erweiterungsanschluss 23 ist innerhalb der Basissteuerung 15 mit einem Entlüftungsanschluss 31 zwischen dem Schaltventil 5 und dem Ölsumpf 9 verbunden.
Das Modulationsmodul 16 umfasst ein Proportionalventil 10, welches in vielfältiger Weise ausgebildet sein kann. Unter einem Proportionalventil ist in diesem Zusammenhang ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil zu verstehen, welches in Abhängigkeit eines das Proportionalventil ansteuernden Stromes einen Druckwert in einem hydraulischen System einstellt. Der Druckwert verhält sich üblicherweise proportional zum ansteuernden Strom, woraus sich der Name dieses Ventils ableitet. Ein mit einem Proportionalventil angesteuertes hydraulisches System kann unterschiedliche Verläufe von Druck und Strom über der Zeit aufweisen. So kann beispielsweise je nach der Gestaltung des hydraulischen Systems der Druck in diesem mit steigendem Strom ansteigen (steigende Kennlinie) oder mit steigendem Strom abfallen (fallende Kennlinie).
Das Proportionalventil 10 der erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung ist so ausgebildet, dass es stromlos geschossen ist. Im Zusammenwirken mit dem Gesamtsystem ist dies insbesondere bei einem Stromausfall sehr vorteilhaft. Das Proportionalventil 10 weist einen Eingangsanschluss 34 und einen Ausgangsanschluss 35 auf. Das Modulationsmodul 16 weist nach außen einen ersten 32 und einen zweiten Modulanschluss 33 auf. Der erste Modulanschluss 32 ist mit dem Eingangsanschluss 34 des Proportionalventils 10 und der zweite Modulanschluss 33 mit dem Ausgangsanschluss 35 des Proportionalventils 10 verbunden.
Soll die Basissteuerung 15 um die Funktion eines stetigen Druckaufbaus an der Kupplung 8 erweitert werden, so ist die Basissteuerung 15 mit dem Modulationsmodul 16 zu verbinden. Die Erweiterungsanschlüsse 22 und 23 sind hierzu zu geöffnet, wobei der erste Erweiterungsanschluss 22 mit dem ersten Modulanschluss 32 und der zweite Erweiterungsanschluss 23 mit dem zweiten Modulanschluss 33 verbunden ist.
Der Eingangsanschluss 34 des Proportionalventils 10 ist nun ständig mit der Kupplung 8 verbunden und der Ausgangsanschluss 35 ständig entlüftet.
Um die Druckbeaufschlagung zum Schließen der Kupplung 8 einzuleiten wird ein Schaltsignal einer elektronische Getriebesteuerung an das Schaltventil 5 gegeben, wodurch dieses in eine Schaltstellung schaltet, in welcher die Kupplung 8 mit der Ölversorgung 1 verbunden ist. Mit dem Schaltsignal wird das Proportionalventil 10 mittels einer elektronischen Steuerungseinheit 11 mit einer ausreichend hohen Stromstärke angesteuert, so dass dieses geöffnet ist. Hierdurch ist die Kupplung 8 durch das Proportionalventil 10 mit der Entlüftung, bzw. dem Ölsumpf 9 verbunden und damit immer noch geöffnet. Anschließend gibt die elektronische Steuerungseinheit 11 einen in dieser programmierten Stromverlauf an das Proportionalventil 10 aus, der über der Zeit abnimmt. Dies wird in 1 durch das Diagramm I = f(t) in der elektronischen Steuerungseinheit 11 symbolisiert. Das Proportionalventil 10 schließt nun gemäß der Strom-Zeit-Kennlinie stetig und verringert damit den Abfluss des Druckmediums in den Ölsumpf 9, wodurch an der Kupplung 8 der Druck steigt.
Soll die Kupplung 8 aus dem geschlossenen Zustand wieder geöffnet werden, wird von einem Schaltsignal 38 der Schaltmagnet 6 eingeschaltet während der Schaltmagnet 7 ausgeschaltet bleibt, wodurch das Schaltventil 5 die Stellung einnimmt in welcher die Kupplung 8 mit dem Ölsumpf 9 verbunden und damit entlüftet wird.
Für den Fall, dass eine Schaltung mit sprungartiger Druckbeaufschlagung der Kupplung 8 gewünscht ist, wir das Proportionalventil 10 stromlos geschaltet und damit geschlossen. Die sprungartige Druckbeaufschlagung der Kupplung 8 erfolgt nun ausschließlich mittels des Schaltventils 5.
Vorteilhafterweise ist es hierdurch möglich, für einfache Anwendung eine Basissteuerung 15 zu verwenden und diese in einfacher Weise bei Bedarf einer erweiterten Funktion mit einer Druckmodulation durch das Modulationsmodul 16 zu erweitern. Hierdurch ist es möglich eine Steuerung für unterschiedliche Getriebetypen zu verwenden, was große Vorteile hinsichtlich Kosten, Verfügbarkeit, Instandsetzung und Montage bedeutet.
Der grundsätzliche Zusammenhang zwischen dem Stromverlauf an dem Proportionalventil 10 und dem Kupplungsdruck p_K an der Kupplung 8 ist aus dem Diagramm in 2 ersichtlich. Hierbei sind die Verläufe eines das Proportionalventil 10 ansteuernden Stroms I und des Kupplungsdrucks p_K über der Zeit t dargestellt.
Vor der Zuschaltung der Kupplung 8 ist das Schaltventil 5 so geschaltet, dass die Kupplung 8 mit dem Ölsumpf 9 verbunden und damit drucklos ist. Zum Start der Modulationszeit t_mod wird zu einem Zeitpunkt t_0 das Proportionalventil 10 sprungartig mit einem Strom I von einem Anfangsstromwert I_1 beaufschlagt, bei welchem das Proportionalventil 10 voll geöffnet ist und damit den Kupplungsanschluss mit dem sich unter Umgebungsdruck befindlichen Ölsumpf 9 verbindet. Gleichzeitig, bzw. mit einer geringen zeitlichen Verzögerung zu der mit dem Startsignal der Modulation erfolgenden Aufschaltung des Anfangsstromwerts I_1 wird das Schaltventil 5 in die Stellung geschaltet, in welcher das Druckölversorgungssystem 1 mit dem Kupplungsanschluss 28 verbunden ist. Bei dem Anfangsstromwert I_1 stellt sich ebenfalls sprungartig ausgehend von einem drucklosen Zustand ein Anfangsdruckwert p_K1 ein. Während einer Modulationszeit t_mod nimmt der Strom I ausgehend von dm Anfangsstromwert I_1 linear ab, wodurch sich das Proportionalventil 10 immer weiter schließt. Infolge dessen steigt der Kupplungsdruck p_K von dem Anfangsdruckwert p_K1 ausgehend an. Am Ende der Modulationszeit t_mod erreicht der lineare Verlauf des Stroms I einen Endstromwert I_2, von welchem aus er sprungartig auf Null abgesenkt wird. Hierdurch schließt das Proportionalventil 10 schlagartig und der Kupplungsdruck p_K springt von einem Enddruckwert p_K2 seines stetigen linearen Verlaufs auf einen maximalen Kupplungsdruckwert p_K,max, welcher dem von dem Druckbegrenzungsventil 2 eingestellten Maximaldruckwert p_max entspricht.
Je nach Kupplung und gewünschtem Schaltverhalten sind beliebige Modulationsverläufe in der elektronischen Steuerungseinheit 11 abgelegt, bzw. programmiert werden.
So zeigt 3 eine vorteilhafte Variante eines zeitlichen Stromverlaufs während der Modulationszeit t_mod. Soll die Kupplung 8 zugeschaltet werden, wird zu einem Zeitpunkt t_0 der Strom I am Proportionalventil 10 kurzzeitig, beispielsweise für 0,1 sec, sprungartig auf einen Stromspitzenwert I_0 angehoben. Hierdurch ist sichergestellt dass das Proportionalventil 10 kurzzeitig vollständig geöffnet ist und damit der Kupplungsdruck p_K bis hin auf einen drucklosen Zustand abgesenkt ist. Zudem wird eine nachteilige Hysterese bei der Zuordnung von Strom I zu Kupplungsdruck p_K verringert. Darüber hinaus werden hierdurch vorteilhafterweise Schmutzablagerungen im Proportionalventil 10 gelöst und in den Ölsumpf 9 gespült. Nach dem Erreichen des Stromspitzenwerts I_0 fällt der Strom I steil auf einen Anfangsstromwert I_1 ab, der zu einem Zeitpunkt t_1 erreicht wird. Als Folge dessen springt der Kupplungsdruck auf seinen Anfangsdruckwert p_K1. Anschließend wird der Strom I wie unter 2 beschrieben gemäß der in der elektronischen Steuerungseinheit 11 programmierten Kennlinie linear abgesenkt und erreicht zu einem Zeitpunkt t_2 einen Stromwert I_2, bei welchem sich ein Enddruckwert p_K2 einstellt. Ab dem Zeitpunkt t_2 wird der Strom I_2 mit einem betragsmäßig größeren Stromgradienten wie zuvor bis zu einem Zeitpunkt t_3 auf einen Stromwert I_3 abgesenkt, welcher in diesem Beispiel den Wert Null annimmt. Dieser Gradient ist so gewählt, dass der Kupplungsdruck p_K ausreichend schnell auf den Maximaldruckwert p_max steigt, aber eine Druckspitze mit ihren nachteiligen Wirkungen in form von Geräusch und Bauteilbelastung vermieden wird.
In 4 ist schematisch in einem Hydraulikplan eine alternative Variante der hydraulischen Steuerung dargestellt. Hierbei ist ein Schaltventil 24 als 3/2-Wegeventil ausgeführt, welches von einem Schaltmagneten 25 gegen eine Feder 26 in eine Stellung verstellt wird, in welcher die Kupplung 8 mit dem Druckölversorgungssystem 1 verbunden ist und damit geschlossen werden kann. Ist der Schaltmagnet 25 elektrisch abgeschaltet, drückt die Feder 26 das Schaltventil 24 in eine Stellung, in welcher die Kupplung 8 in den Ölsumpf 9 entlüftet und damit geöffnet ist.
Im Gegensatz zu dem Schaltventil 5 aus 1 bleibt somit bei einem Stromausfall die letzte eingenommene Schaltstellung der Kupplung 8 nicht erhalten, sondern wird geöffnet. Welche Schaltventilvariante verwendet wird hängt von der jeweiligen Sicherheitsphilosophie ab.
Als ein weiterer Unterschied zur ersten Variante ist das Druckeinstellventil nicht als Druckbegrenzungsventil sondern als Druckminderventil 17 ausgebildet, wodurch nicht der Druck der Ölversorgung 1 sondern nur der Druck in dem Zweig zur Kupplung 8 begrenzt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Ölversorgung auch andere Verbraucher, wie beispielsweise die Schaltkupplungen der Übersetzungsstufen, mit einem höheren Druck beaufschlagen kann. Ebenso ist dies vorteilhaft, wenn die Ölversorgung 1 einen wesentlich höheren Druck aufweist als an der Kupplung 8 benötigt wird. Eine Versorgung eines Schmierölzweigs ist in dem gezeigten Beispiel mit dem Druckminderventil 17 nicht vorgesehen.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße hydraulische Steuerung nicht nur für das Zuschalten eines Nebenabtriebs, sondern das Zuschalten eines jeden Antriebsstranges wie beispielsweise auch Getriebekupplungen zum Schalten einer Getriebeübersetzung geeignet.
5 zeigt die perspektivische Darstellung einer ausgeführten erfindungsgemäßen hydraulischen Steuerung. Die Basissteuerung 15 umfasst hierbei aus einem Basissteuerblock 21 und einem Schaltventil 5 mit Schaltmagneten 6 und 7 gebildet. Direkt an dem Steuerblock 21 ist ein Modulationsmodul 16 angeordnet, welches einen Ventilblock 20, ein Proportionalventil 10 und eine elektronische Steuerungseinheit 11 umfasst. Das Modulationsmodul 16 kann so in einfacher und platzsparender Weise an der Basissteuerung 15 befestigt und mit dieser wie unter 1 und 3 schematisch gezeigt hydraulisch verbunden werden, falls der Bedarf an einer modulierten Druckbeaufschlagung einer Kupplung besteht.
Die elektronische Steuerungseinheit 11 ist direkt mit dem Proportionalventil 10 verbunden, wodurch das Modulationsmodul 16 kompakt und bauraumsparend gestaltet ist. An dem Basissteuerblock 21 sind zwei Überwachungsgeräte 18 und 19, welche beispielsweise als Drucksensoren zur Überwachung der Drücke, Temperatursensoren oder Druckschalter ausgebildet sein können, angeordnet. Der Basissteuerblock 21 weist weitere Anschlüsse auf, an welche beispielsweise die Druckversorgung 1, die Kupplungsleitung 28 und die Entlüftungs- und Schmieröl-Anschlüsse jeweils von verschiedenen Seiten angeschlossen werden können, so dass vorteilhafterweise eine Verwendung der Basissteuerung 15 bei verschiedenen Getriebetypen möglich ist.
Die Schaltmagneten 6 und 7 weisen in dem gezeigten Beispiel jeweils eine manuelle Notbetätigungsvorrichtung 36 und 37 auf, mittels welcher auch bei Stromausfall ein Zu- oder Abschalten der Kupplung 8 möglich ist. Eine Modulation ist bei einem Stromausfall jedoch nicht mehr möglich, da das elektronische Steuergerät 11, und damit das Proportionalventil 10, nicht mehr angesteuert werden kann. Das Proportionalventil 10 ist bei einem Stromausfall geschlossen, so dass die Kupplung 8 keine Verbindung durch das Proportionalventil 10 zum Ölsumpf 9 hat.
Sind die Anforderungen an die hydraulische Steuerung hinsichtlich des Schaltkomforts gering, so kann die erfindungsgemäße Basissteuerung 15 für sich alleine verwendet werden. Lediglich die Erweiterungsanschlüsse 22 und 23 sind hierfür zu verschließen. Soll die Basissteuerung 15 hinsichtlich der Funktion eines modulierbaren Kupplungsdruckes erweitert werden, ist in einfacher Weise nach dem Öffnen der Erweiterungsanschlüsse 22 und 23 das Modulationsmodul 16 an dem Basissteuerblock 21 zu befestigen. Das Modulationsmodul 16 ist ein Erweiterungsmodul für die Basissteuerung 15.
Bezugszeichenliste

1: Druckölversorgungssystem
2: Druckbegrenzungsventil
3: Schmierölanschluss
4: Blende
5: Schaltventil
6: Schaltmagnet
7: Schaltmagnet
8: Kupplung
9: Ölsumpf
10: Proportionalventil
11: elektronische Steuerungseinheit
12: Spannungsversorgung
13: Schalter
14: Schalter
15: Basissteuerung
16: Modulationsmodul
17: Druckminderventil
18: Überwachungsgerät
19: Überwachungsgerät
20: Modulationsventilblock
21: Basissteuerungsventilblock
22: Erweiterungsanschluss
23: Erweiterungsanschluss
24: Schaltventil
25: Schaltmagnet
26: Feder
28: Kupplungsanschluss
29: Rastierung
30: Pumpe
31: Entlüftungsanschluss
32: Modulanschluss
33: Modulanschluss
34: Eingangsanschluss
35: Ausgangsanschluss
36: manuelle Notbetätigungsvorrichtung
37: manuelle Notbetätigungsvorrichtung
38: Schaltsignal „Kupplung öffnen”
39: Schaltsignal „Kupplung schließen”
40: Druckölversorgungsanschluss
I: Strom
I_1: Anfangsstromwert
I_2: Endstromwert
p: Druck
p_K: Kupplungsdruck
p_K,max: maximaler Kupplungsdruckwert
p_K1: Anfangsdruckwert
p_K2: Enddruckwert
p_max: Maximaldruckwert
t: Zeit
t_mod: Modulationszeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19823776 A1 [0003]

Claims

Hydraulische Steuerung für ein Schiffsgetriebe, die hydraulische Steuerung umfassend mindestens ein Schaltventil (5, 24) und mindestens ein Druckeinstellventil (2, 17), wobei die hydraulische Steuerung eine Basissteuerung (15) bildet zum Schalten einer Kupplung (8) zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand, und wobei die Basissteuerung (15) mehrere hydraulische Anschlüsse aufweist, darunter einen Kupplungsanschluss (28) zu einer Kupplung (8), einen Entlüftungsanschluss (31) zu einem Ölsumpf (9) und einen Versorgungsanschluss (1) zu einer Druckölversorgung (30, 40), dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Steuerung einen ersten (22) und einen zweiten Erweiterungsanschluss (23) aufweist, durch welche die hydraulische Steuerung mit einem Modulationsmodul (16) verbindbar ist, wobei der erste Erweiterungsanschluss (22) mit dem Kupplungsanschluss (28) und der zweite Erweiterungsanschluss (23) mit dem Entlüftungsanschluss (31) verbunden ist.
Hydraulische Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (5) als beidseitig elektromagnetisch betätigtes Wegeventil ausgebildet ist, welches eine Rastierung (29) aufweist mittels welcher im stromslosen Zustand die jeweilige Schaltstellung beibehalten wird.
Hydraulische Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (24) als einseitig elektromagnetisch, gegen eine Feder (26) betätigbares Wegeventil ausgebildet ist.
Hydraulische Steuerung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (5, 24) als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist.
Modulationsmodul (16), welches mit einer hydraulischen Steuerung (15) nach Anspruch 1 wirkverbindbar ist, das Modulationsmodul (16) umfassend ein Proportionalventil (10) und eine elektronische Steuerungseinheit (11) zur elektrischen Ansteuerung des Proportionalventils (10), wobei das Modulationsmodul (16) einen ersten Modulanschluss (32) aufweist welcher mit dem ersten Erweiterungsanschluss (22) hydraulisch verbindbar ist und einen zweiten Modulanschluss (33) aufweist, welcher mit dem zweiten Erweiterungsanschluss (23) hydraulisch verbindbar ist.
Modulationsmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (10) einen Eingangsanschluss (34) und einen Ausgangsanschluss (35) aufweist, wobei der Eingangsanschluss (34) direkt mit dem ersten Modulanschluss (32) und der Ausgangsanschluss (35) direkt mit dem zweiten Modulanschluss (33) verbunden ist.
Modulationsmodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im stromlosen Zustand das Proportionalventil (10) geschlossen und damit die Verbindung zwischen Eingangsanschluss (34) und Ausgangsanschluss (35) unterbrochen ist.
Hydraulische Steuerung (50) eines Schiffsgetriebes zur Ansteuerung einer Kupplung (8), die hydraulische Steuerung umfassend eine Basissteuerung (15) nach Anspruch 1 und ein Modulationsmodul (16) nach Anspruch 5, wobei das Modulationsmodul (16) derart mit der Basissteuerung (15) verbunden ist, dass der erste Modulanschluss (32) durch den ersten Erweiterungsanschluss (22) mit dem Kupplungsanschluss (28) verbunden ist und der zweite Modulanschluss (33) durch den zweiten Erweiterungsanschluss (23) und den Entlüftungsanschluss (31) entlüftet ist.
Hydraulische Steuerung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass im stromlosen Zustand das Proportionalventil (10) geschlossen ist und das Schaltelement (8) durch das Schaltventil (24) entlüftet ist.
Hydraulische Steuerung nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass im stromlosen Zustand das Proportionalventil (10) geschlossen ist und die vom Schaltventil (5) vor dem Abschalten des Stroms (I) eingenommene Schaltstellung unverändert ist.
Verfahren zur Ansteuerung eines Schaltelements (8) eines Schiffsgetriebes mit einer hydraulischen Steuerung nach Anspruch 8, wobei zu Beginn der Druckbeaufschlagung zum Schließen des Schaltelements (8) ein Schaltsignal (39) das Schaltventil (8, 24) in eine Schaltstellung schaltet, in welcher das Schaltelement (8) mit der Ölversorgung (1) verbunden ist, wobei mit dem Schaltsignal (39) das Proportionalventil (10) geöffnet wird, womit durch dieses das Schaltelement (8) entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Kupplungsdruckes (p_K) mit dem Schaltsignal (39) ein definierter Strom-Zeit-Verlauf in einer elektronischen Steuerungseinheit (11) gestartet wird, so dass der Strom (I) am Proportionalventil (10) über der Zeit (t) verringert wird und sich damit das Proportionalventil (10) von der voll geöffneten Stellung in Richtung einer geschlossenen Stellung verschiebt, wodurch sich der hydraulische Widerstand zwischen dem Schaltelement (8) zur Entlüftung (9) erhöht und damit der Kupplungsdruck (p_K) steigt.
Schiffsgetriebe mit einer hydraulischen Steuerung nach Anspruch 10.