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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Retarder, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Hydrodynamische Retarder werden seit vielen Jahrzehnten als verschleißfreie Dauerbremsen in Schienenfahrzeugen und Landfahrzeugen, beispielsweise Schiffen und Lastkraftwagen, eingesetzt. Sie weisen einen mit einem Arbeitsmedium befüllbaren torusförmigen Arbeitsraum auf, der durch einen umlaufenden beschaufelten Rotor und einen stationären beschaufelten Stator gebildet wird. Durch Antrieb des Rotors wird eine Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum erzeugt, welche Drehmoment und damit Antriebleistung vom Rotor auf den Stator überträgt. Dadurch wird der Rotor abgebremst und mit ihm das den Rotor antreibende Element des Antriebsstrangs, beispielsweise eine Welle sekundärseitig in einem Fahrzeuggetriebe.
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In der Praxis weisen hydrodynamische Retarder verschiedene Bremsstufen auf, die entweder durch eine elektronische Steuervorrichtung, beispielsweise als Bestandteil einer Geschwindigkeitsregelanlage oder Abstandsregelanlage eines Fahrzeugs, oder manuell durch den Fahrer des Fahrzeugs angefordert werden, letzteres beispielsweise über einen Hebel, einen Schalter oder ein Fußpedal. Den verschiedenen Bremsstufen sind verschiedene Bremsmomente zugeordnet, die der hydrodynamische Retarder erzeugen soll. Die Einstellung des Bremsmomentes im hydrodynamischen Retarder erfolgt durch Verändern des Füllungsgrades des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium. Umso mehr Arbeitsmedium in den Arbeitsraum eingebracht beziehungsweise dort gehalten wird, umso größer ist das vom Retarder erzeugte Bremsmoment, da umso mehr Drehmoment vom Rotor auf den Stator übertragen wird.
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Herkömmlich gibt es zwei Systeme zum Einstellen des Bremsmomentes von hydrodynamischen Retardern: Gemäß dem ersten System wird auf einen Arbeitsmediumvorratsbehälter, der jene Arbeitsmediummenge aufnimmt, die sich nicht im Arbeitsraum des hydrodynamischen Retarders befindet, ein das Arbeitsmedium verdrängender Steuerdruck aufgebracht, und zwar mittels eines Steuerluftdruckes. Je größer der Steuerluftdruck ist, desto mehr Arbeitsmedium wird aus dem Vorratsbehälter in den Arbeitsraum des hydrodynamischen Retarders verdrängt und umso höher ist der Füllungsgrad des Arbeitsraumes. Die Verdrängung aus dem Vorratsbehälter in den Arbeitsraum kann dabei mittelbar über einen externen Kreislauf des Arbeitsmediums, der zur Kühlung des im Arbeitsraum erhitzten Arbeitsmediums dient, erfolgen.
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Das zweite System sieht vor, den Füllungsgrad des Arbeitsraumes dadurch zu variieren, dass ein Regelventil im Auslass des hydrodynamische Retarders, somit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Arbeitsraum, mehr oder minder geöffnet oder geschlossen wird, um einen mehr oder minder hohen Staudruck zu erzeugen. Der Füllungsgrad im Arbeitsraum des Retarders ist umso höher, je höher der Staudruck ist, das heißt je weiter das Regelventil geschlossen wird.
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Auch bei dem zweiten System wird in der Regel ein Steuerluftdruck herangezogen, um das Regelventil zu beaufschlagen und in Abhängigkeit des anliegenden Steuerluftdruckes mehr oder minder zu öffnen.
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Nachteilig an den bekannten Systemen zum Einstellen des Bremsmomentes eines hydrodynamischen Retarders über den Füllungsgrad des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium ist, dass eine angesteuerte Veränderung des Füllungsgrades nur zeitverzögert umgesetzt wird, da das System vergleichsweise träge ist. Besonders bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen des Rotors des Retarders ändert sich der Füllungsgrad beim Befüllen und Entleeren nur langsam. Dies kann so weit gehen, dass eine Entleerung auf einen gewünschten Mindestwert im Bremsbetrieb (ohne vollständige Entleerung, die zum Nichtbremsbetrieb führt) in bestimmten Betriebszuständen nicht möglich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Retarder anzugeben, dessen Bremsmoment variabel und besonders schnell geändert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hydrodynamischen Retarder mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In Anspruch 8 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern des Bremsmomentes in einem solchen hydrodynamischen Retarder angegeben. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße hydrodynamische Retarder weist neben einem umlaufenden, mit einer Beschaufelung versehenen Rotor einen stationären, mit einer Beschaufelung versehenen Stator auf, wobei der Rotor und der Stator gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, der mit einem Arbeitsmedium befüllbar oder stets befüllt ist, um im Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders mittels einer Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum Drehmoment hydrodynamisch vom Rotor auf den Stator zu übertragen. Ferner ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche das im Bremsbetrieb vom Rotor auf den Stator übertragene Drehmoment und damit das Bremsmoment des hydrodynamischen Retarders variabel steuert.
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Erfindungsgemäß weist nun die Steuereinrichtung eine mittels eines Aktuators betätigbare Drosselblende auf, die mittels des Aktuators im Bremsbetrieb mehr oder minder in die Kreislaufströmung im Arbeitsraum eintauchbar ist, um dadurch das übertragene Drehmoment zu variieren.
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Die Drosselblende ist vorteilhaft zwischen einem Zustand vollständig außerhalb der Kreislaufströmung und verschiedenen Eintauchtiefen innerhalb der Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum mittels des Aktuators verschiebbar, insbesondere in Richtung einer Drehachse, über welche der Rotor des hydrodynamischen Retarders umläuft. Der Zustand außerhalb der Kreislaufströmung kann sowohl im Zentrum des Arbeitsraumes beziehungsweise der Kreislaufströmung, das heißt im Bereich des Trennspalts zwischen dem Rotor und dem Stator sein, als auch außerhalb des äußeren Umfangs des Arbeitsraumes in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Retarder gesehen.
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Die Drosselblende kann einen Verschiebeweg innerhalb des Arbeitsraumes aufweisen, der zum größten Teil oder vollständig innerhalb des Stators positioniert ist. Dies ist günstig, da die Einbringung der Drosselblende in den stationären Stator nicht nur zu einer kostengünstigeren Konstruktion führt, sondern sich die Drosselwirkung einer in der Arbeitsraumhälfte des Stators vorgesehenen Drosselblende als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
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Insbesondere, wenn der Retarder eine Trennkupplung aufweist, mittels welcher der Rotor von einer Triebverbindung zum Antreiben des Rotors mechanisch abkoppelbar ist, kann auf eine Entleerung des Arbeitsraumes vom Arbeitsmedium im Nichtbremsbetrieb ganz oder teilweise verzichtet werden. Zusätzlich oder alternativ zu dem mechanischen Abkoppeln mittels der Trennkupplung kann auch der Antriebsleistungsfluss zum Rotor des hydrodynamischen Retarders auf andere Art und Weise unterbrochen oder reduziert werden, beispielsweise durch Vorsehen eines Planetengetriebes, über welches der Rotor des Retarders im Bremsbetrieb angetrieben wird, wobei die Antriebsleistung vom Hohlrad des Planetengetriebes über wenigstens ein Planetenrad, das von einem Planetenträger getragen wird, auf das Sonnenrad des Planetengetriebes und von dort weiter zum Rotor des hydrodynamischen Retarders übertragen wird. Beim Übergang vom Nichtbremsbetrieb, in welchem der Planetenträger frei umlaufen kann, zum Bremsbetrieb des hydrodynamischen Retarders wird der Planetenträger abgebremst. Bei frei umlaufendem Planetenträger ist der Leistungsfluss zum Rotor des Retarders unterbrochen.
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Unter Trennkupplung ist vorliegend jedes Bauteil zu verstehen, das in einem ersten Betriebszustand eine Leistungsübertragung, insbesondere mechanische Leistungsübertragung herstellt und in einem zweiten Betriebszustand unterbricht, somit beispielsweise Synchronelemente, Reibkupplungen und anderes.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der hydrodynamische Retarder einen externen Arbeitsmediumkreislauf auf, der frei von einem Arbeitsmediumvorratsbehälter ist oder der einen Vorratsbehälter nur zum Ausgleich von umgebungsbedingten Volumenschwankungen des Arbeitsmediums aufweist, der jedoch frei von einer Druckansteuerung zum Verdrängen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsmediumvorratsbehälter ist, um den Füllungsgrad des Arbeitsraumes des hydrodynamischen Retarders durch die Druckansteuerung zu variieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der hydrodynamische Retarder frei von einer Steuerung des Füllungsgrades des Arbeitsraumes.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern des Bremsmomentes eines hydrodynamischen Retarders sieht vor, dass im Bremsbetrieb mit mit Arbeitsmedium befülltem Arbeitsraum zur Reduzierung des vom Rotor auf den Stator übertragenen Bremsmomentes die Drosselblende mittels des Aktuators tiefer in die Kreislaufströmung eingetaucht und zur Erhöhung des Bremsmomentes weiter aus der Kreislaufströmung herausgezogen wird. Die Variation des Bremsmomentes erfolgt vorteilhaft ausschließlich durch die Betätigung der Drosselblende.
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Der Füllungsgrad des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium kann gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform auch bei der Einstellung verschiedener Bremsmomente konstant gehalten werden, oder, wenn sich der Füllungsgrad in Abhängigkeit vorgegebener Randbedingungen, beispielsweise der Drehzahl des Rotors, selbsttätig ändert, so wird dieser Füllungsgrad des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium im Bremsbetrieb frei und ungesteuert eingestellt beziehungsweise so stellt sich der Füllungsgrads des Arbeitsraums frei und ungesteuert ein.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Arbeitsmedium in einem Kreislauf aus dem Arbeitsraum des Retarders und aus dem Retarder heraus, durch den externen Arbeitsmediumkreislauf und zurück in den Retarder und den Arbeitsraum geleitet wird und die in diesem Kreislauf umgewälzte Arbeitsmediummenge konstant gehalten wird.
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Wie zuvor dargestellt, kann der Antrieb des Rotors beim Übergang vom Bremsbetrieb zum Nichtbremsbetrieb unterbrochen werden, beispielsweise durch die Trennkupplung oder die Unterbrechung des Antriebsleistungsflusses. Beim Übergang vom Nichtbremsbetrieb zum Bremsbetrieb wird hingegen der Antrieb wieder hergestellt.
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Durch die Erfindung kann nun eine besonders schnelle Änderung des vom Retarder erzeugten Bremsmomentes erfolgen. Ferner ist das Schalten in eine kleinere Bremsstufe mit einem vergleichsweise niedrigeren Bremsmoment unabhängig von der Drehzahl möglich, wohingegen gemäß dem Stand der Technik die Entleerung des Arbeitsraumes bei solchen kleinen Drehzahlen problematisch oder unmöglich war.
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Um eine unerwünschte Entleerung des Arbeitsraums des Retarders zu vermeiden, kann in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Arbeitsraum, insbesondere in einem Auslass aus dem Retarder, eine Drossel insbesondere mit feststehendem Querschnitt oder nur außerhalb des Betriebs veränderbaren Querschnitt vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Einlassquerschnitt, über welchen das Arbeitsmedium aus einem externen Arbeitsmediumkreislauf in den Arbeitsraum strömt, größer als der Auslassquerschnitt sein, über welchen das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum in den externen Arbeitsmediumkreislauf strömt. Beispielsweise kann der Einlassquerschnitt das 1,5-fache, Doppelte oder noch mehr betragen.
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Die Drosselblende kann gemäß einem Ausführungsbeispiel durch einen Schieber bewegt werden, der mit Wasser, Öl, insbesondere einem Getriebeöl oder dem Arbeitsmedium des Retarders, oder durch Luftdruck oder durch einen Motor, insbesondere Elektromotor, betätigt wird.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Drosselblende derart in der Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum positioniert ist, dass sie mit abnehmendem Ansteuerdruck, mit dem sie aktiv verschoben wird, von der Kreislaufströmung in eine die Kreislaufströmung weniger stark störende Stellung verdrängt wird oder alternativ in eine die Kreislaufströmung stärker störende Stellung verdrängt wird, um das Bremsmoment zu erhöhen oder zu reduzieren, in Abhängigkeit davon, was im vorliegenden Anwendungsfall erwünscht ist.
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Wenn der Retarder eine Leistungsunterbrechungs- oder Leistungsreduzierungseinrichtung aufweist, mittels welcher der Antriebsleistungsfluss zum Rotor in einem Nichtbremsbetrieb unterbrechbar oder reduzierbar ist, beispielsweise in Form einer Schaltkupplung, so kann diese Leistungsunterbrechungs- oder Leistungsreduzierungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform mit demselben Steuerdruck angesteuert werden, wie die Drosselblende. Insbesondere sind für den Steuerdruck zwei verschiedene Druckbereiche vorgegeben, wobei in einem ersten Druckbereich, insbesondere niedrigeren Druckbereich, die Drosselblende in die Kreislaufströmung im Arbeitsraum geschoben wird und in einem zweiten Druckbereich, insbesondere höheren Druckbereich, die Leistungsunterbrechungs- oder Leistungsreduzierungseinrichtung geschlossen wird, sodass der Rotor in Umlauf versetzt wird oder in einen schnelleren Umlauf versetzt wird. Hierdurch ist es möglich, dass das Beschleunigen des Rotors gegen ein vergleichsweise geringeres Bremsmoment des hydrodynamischen Retarders erfolgt.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Retarder;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1 ist schematisch der Rotor 1 und der Stator 2 eines hydrodynamischen Retarders dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Axialschnitt durch die Drehachse 3 des Rotors 1, und zwar nur den Bereich auf einer Seite der Drehachse 3.
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Der Rotor 1 und der Stator 2 bilden gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum 4 aus, in welchem sich durch Antreiben des Rotors 1 im mit Arbeitsmedium befüllten Zustand eine Kreislaufströmung 5 des Arbeitsmediums ausbildet, siehe die Pfeile.
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Es ist eine Steuereinrichtung 6 vorgesehen, welche Eingangssignale beispielsweise aus einer vom Fahrzeugführer betätigbaren Eingabevorrichtung 7 zum Anfordern von Bremsleistung des Retarders und einer Abstands- und/oder Geschwindigkeitsregelanlage 8 des Fahrzeugs empfängt und in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen einen Aktuator 9 ansteuert. Der Aktuator 9 betätigt eine Drosselblende 10, indem er diese mehr oder minder in die Kreislaufströmung 5 eintaucht, um die Kreislaufströmung 5 zu stören und damit die Drehmomentübertragung vom Rotor 1 auf den Stator 2 zu reduzieren.
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Bei der in der 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die Drosselblende 10 in ihrer Position vollständig außerhalb der Kreislaufströmung 5 im Zentrum des Arbeitsraumes 4, um welches die Kreislaufströmung 5 herumströmt, positioniert.
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Das Arbeitsmedium, das im Arbeitsraum 4 durch Flüssigkeitsreibung erhitzt wird, strömt aus dem Arbeitsraum 4 in einen externen Arbeitsmediumkreislauf 11 und wird dort in einem Wärmetauscher 12 abgekühlt und zurück in den Arbeitsraum 4 geführt. Obwohl im externen Arbeitsmediumkreislauf 11 ein Ausgleichsbehälter 13 mit Arbeitsmedium vorgesehen ist, um Volumenschwankungen auszugleichen, ist dieser Ausgleichsbehälter 13 frei von einer Drucksteuerung zur Veränderung des Füllungsgrades des Arbeitsraums 4. Beispielsweise kann der Ausgleichsbehälter 13 als Überdruckbehälter oder auch als zur Umgebung druckleitend verbundener Behälter ausgeführt sein.
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Die Einstellung der Höhe des Bremsmomentes des hydrodynamischen Retarders erfolgt ausschließlich durch Variieren der Position der Drosselblende 10 innerhalb der Kreislaufströmung 5 beziehungsweise durch Herausziehen dieser aus der Kreislaufströmung 5.
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In den 2 und 3 sind alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten der Drosselblende 10 gezeigt. In beiden Fällen ist die Drosselblende 10 innerhalb des Stators 2 vorgesehen. Sie dringt in keinem Zustand in die Arbeitsraumhälfte des Rotors 1 ein. Die Darstellung weiterer Merkmale entsprechend der 1 wurde eingespart.
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Gemäß der 2 ist die Drosselblende 10, wie bei der 1, in Richtung der Drehachse 3 verschiebbar. Im Unterschied zur 1, bei welchem der mechanische Anschluss des Aktuators 9 an die Drosselblende 10 in Form eines Arms oder Hebels im Bereich der Drehachse 3 beziehungsweise einer zu dieser fluchtenden Geraden verläuft, ist bei der Ausführungsform gemäß der 2 die Drosselblende 10 samt Aktuator 9 auf größerem Durchmesser als der radial innere Durchmesser des Arbeitsraumes 4 positioniert, hier beispielsweise im Bereich des mittleren Durchmessers des Arbeitsraumes 4.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 3 ist die Drosselblende 10 und der Aktuator 9 derart gestaltet, dass die Drosselblende 10 schräg von außen in den durch den Stator 2 gebildeten Teil des Arbeitsraumes 4 eintaucht, insbesondere in einem Winkel zwischen 89° und 1° zur Drehachse 3, besonders günstig in einem Winkel zwischen 80 oder 75° und 5 oder 10°.
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Bei der 3 ist ferner exemplarisch ein möglicher Anschluss des Rotors 1 auf der Sekundärseite eines Getriebes 14 dargestellt. Im Einzelnen wird der Rotor 1 von einem Nebenabtrieb 15 des Getriebes 14 angetrieben, wobei die mechanische Triebverbindung mittels der vorgesehenen Trennkupplung 16 unterbrochen werden kann.
