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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer hydrodynamischen Kupplung, insbesondere in einer Band- oder Kettenförderanlage, wie sie beispielsweise in Förderanlagen für den Bergbau wie Strebkettenförderern im Antriebsstrang zwischen einem Antriebsmotor und einem Antriebsrad oder einer Antriebswelle zum Einsatz kommen.
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Bei Förderanlagen im Bergbau werden gattungsgemäße hydrodynamische Kupplungen eingesetzt, um die Förderbänder oder Förderketten verschleißfrei anfahren zu können. Hierbei werden typischerweise pro Band oder Kette mehrere Motoren, insbesondere Elektromotoren verwendet, um das Band beziehungsweise die Kette anzutreiben. Beispielsweise kann ein erster Motor oder eine Vielzahl erster Motoren im Bereich des Kopfes und ein zweiter Motor beziehungsweise eine Vielzahl von zweiten Motoren im Bereich des Hecks vorgesehen sein, die jeweils über eine oder mehrere hydrodynamische Kupplungen ein Antriebsrad oder eine Antriebswelle des Bandes oder der Kette antreiben.
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In der Regel werden die hydrodynamischen Kupplungen stets mit vollgefülltem Arbeitsraum gefahren, das heißt, dass im eingeschalteten Zustand einer jeden Kupplung die maximal mögliche Menge von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum eingebracht ist, um dort die hydrodynamische Kreislaufströmung zur Leistungsübertragung vom Antriebsrad auf das Abtriebsrad auszubilden. Bei dieser Leistungsübertragung erwärmt sich das Arbeitsmedium im Arbeitsraum aufgrund von Fluidreibung. Dies erfordert, dass das Arbeitsmedium im Arbeitsraum von Zeit zu Zeit durch „neues” kälteres Arbeitsmedium ersetzt werden muss, was durch Öffnen eines Einlassventils im Zulauf zum Arbeitsraum bewirkt wird.
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Herkömmlich erfolgt der Austausch des Arbeitsmediums im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung, insbesondere bei der Verwendung im Bergbau, bei welcher häufig nur wenige oder keine Signalgrößen zur Beschreibung von Randbedingungen zur Verfügung stehen, durch Einstellen einer frei gewählten Taktzeit, welche ein Intervall vorgibt, in dem das Einlassventil geöffnet und geschlossen wird. So kann insbesondere eine Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils, während welcher das Einlassventil geschlossen gehalten wird, vorgegeben werden. Diese Zeitdauer beschreibt somit die Zeitspanne, die nach dem Schließen des Einlassventils vergeht, bevor dieses wieder geöffnet wird.
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Nachteilig an der bisherigen ungenauen zeitlichen Vorgabe für den Austausch des Arbeitsmediums im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplungen besonders in Antriebssträngen des Bergbaus ist, dass eine unerwünschte Aufheizung des Arbeitsmediums, beispielsweise Wasser, auf mehr als 55°C oder 60°C in der Praxis häufig zu Lagerschäden in den Lagern der hydrodynamischen Kupplung führt. Da oft die unerwünschte Aufheizung des Arbeitsmediums unbemerkt bleibt, treten solche Lagerschäden meist erst dann zum Vorschein, wenn sie bereits verhältnismäßig weit fortgeschritten sind und möglicherweise schon weitere Komponenten in Mitleidenschaft gezogen wurden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer hydrodynamischen Kupplung, insbesondere in einer Band- oder Kettenförderanlage anzugeben, mit welchem eine unzulässige Aufheizung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung sicher verhindert wird. Das Verfahren soll vorteilhaft flexibel auch im Bergbau unter unterschiedlichen Randbedingungen und zur Verfügung stehenden Signalgrößen verwendbar sein.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer hydrodynamischen Kupplung mit einem Arbeitsraum, der über einen Zulauf mit einem Arbeitsmedium befüllbar und über einen Ablauf vom Arbeitsmedium entleerbar ist, sieht vor, dass die hydrodynamische Kupplung zumindest im Nennbetrieb mit einem vorgegebenen zeitlich konstanten Füllungsgrad des Arbeitsraumes betrieben wird und zur Kühlung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum dieses in vorgegebenen Intervallen ausgetauscht wird, indem ein in dem Zulauf vorgesehenes Einlassventil in Intervallen geöffnet wird und dadurch das im Arbeitsraum befindliche Arbeitsmedium durch über den Zulauf eingeleitetes Arbeitsmedium verdrängt wird.
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Erfindungsgemäß wird nun die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils, während welcher das Einlassventil geschlossen gehalten wird, in Abhängigkeit der berechneten oder erfassten Arbeitsmediumtemperatur im Arbeitsraum, im Ablauf und/oder im Zulauf dynamisch während des Betriebs der hydrodynamischen Kupplung eingestellt.
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Somit wird erfindungsgemäß die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils, das heißt die Zeitspanne nach dem Schließen des Einlassventils, bis dieses wieder geöffnet wird, dynamisch variiert, angepasst auf die berechnete oder erfasste Temperatur des Arbeitsmediums.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Temperatur des Arbeitsmediums im Ablauf der hydrodynamischen Kupplung mit einem Temperatursensor erfasst und hieraus wird die Arbeitsmediumtemperatur im Zulauf zur hydrodynamischen Kupplung beziehungsweise zu dem Arbeitsraum oder im Arbeitsraum selbst berechnet. Die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils, während welcher das Einlassventil geschlossen gehalten wird, wird dann in Abhängigkeit dieser berechneten Temperatur während des Betriebs der hydrodynamischen Kupplung dynamisch eingestellt.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils zusätzlich in Abhängigkeit der Abtriebsdrehzahl der hydrodynamischen Kupplung eingestellt wird. Zusätzlich oder alternativ kommt als Eingangsgröße, in Abhängigkeit von welcher die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils eingestellt wird, auch der von einem Elektromotor aufgenommenen Motorstrom eines Elektromotors in Betracht, mittels welchem die hydrodynamische Kupplung angetrieben wird.
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Besonders günstig ist es, wenn in Abhängigkeit der genannten Temperatur des Arbeitsmediums ein erster Wert für die maximal zulässige Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils berechnet wird und in Abhängigkeit der Abtriebsdrehzahl der hydrodynamischen Kupplung und/oder in Abhängigkeit des Motorstromes ein zweiter Wert und bei Auswertung beider Größen insbesondere ein dritter Wert für die maximal zulässige Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils berechnet wird und nun als Zeitdauer der kleinste der berechneten Werte eingestellt wird. In anderen Worten wird die maximal zulässige Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils und damit die Taktzeit des Einlassventils durch drei verschiedene Methoden berechnet und, um eine maximale Zuverlässigkeit zu erreichen, die kleinste Taktpause, die sich aus diesen drei verschiedenen Methoden ergibt, eingestellt. Gemäß dieser Beschreibung erfolgt bei jedem Takt ein Öffnen des Einlassventils.
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Bei zu hohen Abweichungen der Methoden untereinander kann eine Fehlermeldung ausgegeben werden und die Steuerung insbesondere in einem abgesicherten Betriebsmodus überführt werden, in welchem das Einlassventil permanent geöffnet gehalten wird oder in vorgegebenen konstanten zeitlichen Abständen geöffnet und geschlossen wird, um eine Überhitzung des Arbeitsmediums sicher auszuschließen. Auch ist es möglich, wenn nur ein Wert von den beiden anderen Werten für die maximal zulässige Zeitdauer abweicht, diesen Wert aus den weiteren folgenden Steuerungsschritten auszuschließen.
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Der gezielte Übergang der Steuerung in einen abgesicherten Betriebsmodus kann zusätzlich oder alternativ auch dann erfolgen, wenn ein Sensorausfall eines Sensors oder mehrerer Sensoren erfasst wird, dessen/deren Signale zur Steuerung der hydrodynamischen Kupplung im Nennbetrieb herangezogen werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils, während welcher das Einlassventil geschlossen gehalten wird, trotz der erfindungsgemäßen Variation in Abhängigkeit der Arbeitsmediumtemperatur auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird. Spätestens nach Ablauf einer dem Maximalwert entsprechenden Zeitdauer nach dem Schließen des Einlassventils wird dieses wiederum geöffnet.
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Ferner ist es möglich, für die Öffnungszeit und/oder die Schließzeit des Einlassventils wenigstens einen Minimalwert vorzugeben und das Einlassventil mindestens für eine dem wenigstens einen Minimalwert entsprechende Zeit geöffnet und/oder geschlossen zu halten. Für die Öffnungszeit und für die Schließzeit kann ein und derselbe Minimalwert vorgegeben werden. Es ist jedoch auch möglich, hier verschiedene Minimalwerte vorzugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils zusätzlich in Abhängigkeit der Stellung einer zur Drehmomentminderung der hydrodynamischen Kupplung in einen Arbeitsmediumkreislauf in dem Arbeitsraum einbringbaren Drosselblende eingestellt. Eine solche Drosselblende kann in die Arbeitsmediumkreislaufströmung eingetaucht werden, um das vom Primärrad der hydrodynamischen Kupplung (dem Antrieb) auf das Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung (dem Abtrieb) übertragene Drehmoment zu reduzieren, je nach Eintauchtiefe der Drosselblende in den hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislauf und damit mehr oder minder starken Störung des Arbeitsmediumkreislaufes.
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Ferner ist es möglich, die Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils zusätzlich in Abhängigkeit des bei geöffnetem Einlassventil durch die hydrodynamische Kupplung strömenden Volumenstrom des Arbeitsmediums einzustellen. Beispielsweise kann der Volumenstrom des Arbeitsmediums durch die hydrodynamische Kupplung aus der Zeitspanne berechnet werden, die beginnend mit dem Öffnen des Einlassventils vergeht, bis mit einem im Ablauf positionierten Temperatursensor eine vorgegebene Temperaturdifferenz oder eine Temperaturdifferenz größer als die vorgegebene Temperaturdifferenz erfasst wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Volumenstrom des Arbeitsmediums durch die hydrodynamische Kupplung, der sich bei geöffnetem Einlassventil einstellt, mit einem im Zulauf positionierten Drucksensor überwacht wird, wobei bei der Inbetriebnahme der hydrodynamischen Kupplung und/oder bei jedem Öffnen des Einlassventils ein Referenzwert für einen Solldruck des Arbeitsmediums im Zulauf mit dem Drucksensor erfasst und gespeichert wird und die folgenden erfassten Druckwerte mit dem Solldruck verglichen werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, bei der Steuerung der hydrodynamischen Kupplung zunächst von einem standardmäßig eingestellten vorgegebenen Füllvolumenstrom, beispielsweise von 120 Liter pro Minute, auszugehen und beim Anfahren der hydrodynamischen Kupplung gegen Last aus dem Motorstromgradienten den tatsächlich vorliegenden Füllvolumenstrom zu bestimmen und den Füllvolumenstromwert für die Steuerung entsprechend der Bestimmung anzupassen. Diesem angepassten Füllvolumenstrom kann der mit dem Drucksensor im Zulauf ermittelte zugehörige Druckwert zugeordnet werden. Wenn anschließend bei geöffnetem Einlassventil der aktuell erfasste Druck im Zulauf geringer als der zuvor dem bestimmten Füllvolumenstrom zugeordnete Druckwert ist, kann der Wert für den Füllvolumenstrom für die Steuerung wieder auf den Standardwert zurückgesetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel sollte als Standardwert für den Füllvolumenstrom jener Wert gewählt werden, der in jedem Betriebszustand mit Sicherheit vorliegt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Arbeitsmediumtemperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsraum von maximal 55–60°C eingestellt. Als Arbeitsmedium kommt beispielsweise Wasser in Betracht.
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Die hydrodynamische Kupplung kann eine Staudruckpumpe umfassen, mittels welcher das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum beziehungsweise einem koaxial neben dem Arbeitsraum und mit dem Arbeitsraum in arbeitsmediumleitender Verbindung stehenden Nebenraum abgeschöpft wird, wobei der Staudruck des Arbeitsmediums ausgenutzt wird.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Kupplung Entleerbohrungen aufweist, über welche das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum in den Nebenraum entleert wird. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass anstelle der Entleerbohrungen oder zusätzlich zu den Entleerbohrungen eine Überlaufkante vorgesehen ist.
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Besonders günstig ist es, wenn die hydrodynamische Kupplung als sogenannte Doppelkreislaufkupplung mit zwei hinsichtlich der Antriebsleistungsübertragung parallel geschalteten Arbeitsräumen ausgeführt ist.
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Die hydrodynamische Kupplung kann mit oder ohne Ventil im Ablauf vorgesehen sein.
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Günstig ist, wenn die Kupplung derart konstruktiv gestaltet ist, dass das Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, selbsttätig solange im Arbeitsraum verbleibt, bis das Füllventil im Zulauf geöffnet wird und erst dann der Wasseraustausch stattfindet.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Arbeitsmediumtemperatur im Zulauf aus dem im Ablauf mit dem Temperatursensor ermittelten Temperaturwert dadurch berechnet werden, dass nach dem Öffnen des Einlassventils zunächst solange abgewartet wird, bis im Ablauf am Temperatursensor eine Beharrung eingetreten ist, das heißt, dass die am Temperatursensor gemessene Temperatur innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne um maximal eine vorgegebene Temperaturdifferenz schwankt. Beispielsweise kann eine Beharrung dann angenommen werden, wenn die Temperatur am Temperatursensor pro Minute nicht mehr als 2°C zunimmt oder abnimmt. Die Eintrittstemperatur, das heißt die Temperatur im Zulauf zum Arbeitsraum, kann dann aus der Austrittstemperatur, das heißt der Temperatur im Ablauf und einer verlustleistungsabhängigen beziehungsweise schlupfabhängigen kalorimetrischen Temperaturerhöhung im Kreislauf berechnet werden. Im Einzelnen ergibt sich die Eintrittstemperatur aus der Austrittstemperatur abzüglich der kalorimetrischen Temperaturerhöhung im hydrodynamischen Kreislauf des Arbeitsmediums im Arbeitsraum.
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Sollte in einem Störfall eine Messung der Arbeitsmediumtemperatur mit dem Temperatursensor im Ablauf nicht möglich sein oder Größen zur Berechnung der kalorimetrischen Temperaturerhöhung nicht vorliegen, so kann ein Pauschalwert für die Eintrittstemperatur vorgegeben werden, wobei die Steuerung dann insbesondere in einen abgesicherten Betriebsmodus übergeht.
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Der Schlupf der hydrodynamischen Kupplung kann aus der Antriebsdrehzahl des Antriebsmotors, insbesondere Elektromotors, und der erfassten Abtriebsdrehzahl der Sekundärseite der hydrodynamischen Kupplung berechnet werden.
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Wenn das Drehmoment der hydrodynamischen Kupplung mittels einer in den Arbeitsmediumkreislauf einbringbaren Drosselblende variierbar ist, so kann in Abhängigkeit der Stellung der Drosselblende aus dem Schlupf der Lambda-Wert der hydrodynamischen Kupplung berechnet werden. Aus dem Lambda-Wert kann wiederum unter Berücksichtigung von Baugrößen der hydrodynamischen Kupplung, wie beispielsweise dem sogenannten Profildurchmesser der Beschaufelung und der Kreislaufanzahl sowie der Dichte des Arbeitsmediums, das aktuell mit der hydrodynamischen Kupplung übertragene Drehmoment berechnet werden. Hieraus kann dann unter Berücksichtigung der Drehzahl und des Schlupfes auf die Verlustleistung in der hydrodynamischen Kupplung geschlossen werden.
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Aus der zulässigen Erwärmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum, das heißt aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximal zulässigen Temperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsraum und der Temperatur des Arbeitsmediums im Zulauf, der Wärmekapazität des Arbeitsmediums und der Verlustleistung kann der notwendige Kühlvolumenstrom in Litern pro Sekunde bestimmt werden. Die maximal zulässige Zeitdauer zwischen dem Öffnen des Einlassventils, während welcher das Einlassventil geschlossen gehalten wird, ergibt sich nun in Abhängigkeit des tatsächlichen Arbeitsmediumsstroms im Zulauf, dem notwendigen Kühlvolumenstrom und der Zeitdauer, über welcher das Einlassventil nach seinem Öffnen geöffnet gehalten wird.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
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In der 1 ist eine Bandförderanlage dargestellt, wie sie beispielsweise im Bergbau verwendet wird. Das Förderband 1 wird über eine Kette 2 angetrieben. Die Kette 2 wird wiederum im Bereich des Kopfes 3 des Förderbandes und des Hecks 4 des Förderbandes über jeweils einen eigenen Antriebsstrang 5.1, 5.2 angetrieben.
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In jedem Antriebsstrang 5.1 5.2 ist ein Antriebsmotor 6, hier in Form eines Elektromotors, vorgesehen. Jeder Antriebsmotor 6 treibt über eine hydrodynamische Kupplung 7 ein Antriebsrad 8 für die Kette 2 an. Pro Antriebsstrang 5.1, 5.2 könnten auch mehrere Motoren und/oder hydrodynamische Kupplungen vorgesehen sein.
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Jede hydrodynamische Kupplung 7, die anstelle des hier dargestellten einen Arbeitsraumes 8 auch mit zwei parallelen Arbeitsräumen ausgeführt sein kann, wird über einen Zulauf 9 mit Arbeitsmedium befüllt und einen Ablauf 10 von diesem entleert. Das Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, wird aus einem Arbeitsmediumvorrat 11, der hier nur exemplarisch als Behälter dargestellt ist, zur Verfügung gestellt. Jedoch wäre es auch möglich, anstelle des hier gezeigten geschlossenen Kreislaufes einen offenen Kreislauf für das Arbeitsmedium vorzusehen. Auch ist zu beachten, dass die Anschlüsse an den Arbeitsmediumvorrat 11 nur exemplarisch dargestellt sind.
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Im Zulauf 9 ist ein Einlassventil 12 vorgesehen. Im Ablauf 10 ist ein Temperatursensor 13 für das Arbeitsmedium vorgesehen.
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Die Drehmomentübertragung der hydrodynamischen Kupplung 7 kann in Abhängigkeit der Stellung der Drosselblende 14 im Arbeitsraum 8 verändert werden.
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Es ist eine Steuervorrichtung 15 vorgesehen, die mit den Antriebsmotoren 6, einem Positionssensor für die Drosselblende 14 und/oder einer Steuerung für diese, mit den Temperatursensoren 13 und mit den Einlassventilen 12 verbunden ist. Ferner können auch die Signale eines Drehzahlsensors 17 auf der Abtriebsseite (oder der Antriebsseite) der hydrodynamischen Kupplungen 7 und/oder eines Drucksensors 18 im Zulauf 9 der Steuervorrichtung 15 zugeführt werden.
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Die Steuervorrichtung 15 kann mit weiteren Steuervorrichtungen, hier beispielsweise mit 16 bezeichnet, in Verbindung stehen. Auch ist es möglich, abweichend von der hier gezeigten Darstellung pro hydrodynamischer Kupplung 7 eine eigene Steuervorrichtung vorzusehen, die beispielsweise mit der Steuervorrichtung 15 und/oder Steuervorrichtung 16 in Verbindung steht.
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Die Steuervorrichtung 15 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen und somit durch dynamisch variiertes Takten der Öffnungszeit beziehungsweise Schließzeit des Einlassventils 12 die Temperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 8 der hydrodynamischen Kupplung 7 zu begrenzen.
