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Steuereinrichtung zum Betrieb einer elektromagnetischen Kupplung,
insbesondere einer Kraftfahrzeugkupplung Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung
zum Betrieb einer elektromagnetischen Kupplung, insbesondere einer elektromagnetisch
ein- und ausrückbaren Anfahr- und Schaltkupplung eines Kraftfahrzeugs, deren Magnetwicklung
aus einer Gleichstromquelle in einer mit einer Steuergröße synchronen Folgefrequenz
Arbeitsstromimpulse wenigstens annähernd gleichbleibender Länge über einen im Ein-Aus-Impuls-Betrieb
arbeitenden Leistungstransistor zugeführt werden, der von einem gegenphasig arbeitenden
Vortransistor gesteuert wird, welchem selbst ein im Takt der Steuergröße zwischen
stromleitendem und gesperrtem Zustand hin- und herkippender, an seinem Kollektor
über einen Arbeitswiderstand mit einer Betriebsstromleitung verbundener Steuertransistor
vorgeschaltet ist.
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Bei z. B. zum Betrieb von Kraftfahrzeugen bestimmten Anfahr- und Schaltkupplungen
dieser Art soll durch die von der Steuereinrichtung gelieferten Arbeitsstromimpulse
in der Kupplung eine elektromagnetische Kraft erzeugt werden, die mit zunehmender
Drehzahl der als Antrieb dienenden Brennkraftmaschine kontinuierlich ansteigt, wobei
die zu den Umdrehungen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine synchronen Steuerimpulse
beispielsweise an der Hochspannungszündanlage der Brennkraftmaschine abgenommen
und der Steuereinrichtung zugeführt werden können. Das von der Kupplung übertragbare
Antriebsdrehmoment der Brennkraftmaschine muß in diesem Fall von einem möglichst
kleinen Wert bei Leerlaufdrehzahl auf den höchsten, durch die Baugröße der Kupplung
festgelegten Wert ansteigen können, der etwa bei einem Drittel der zulässigen Höchstdrehzahl
erreicht wird. Bei z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1109 042 bekannten Steuereinrichtungen
wird zur Erzeugung der eine annähernd gleichbleibende, drehzahlunabhängige Länge
aufweisenden Arbeitsstromimpulse ein monostabiles Kippgerät verwendet, dem die an
der Zündeinrichtung abgenommenen Steuerimpulse zugeführt werden. Derartige Kippgeräte
enthalten einen Eingangstransistor und einen Ausgangstransistor, die an ihren KollektorenmiteinerderBetriebsstromleitungen
über je einen Widerstand verbunden sind, und außerdem einen vom Kollektor des Ausgangstransistors
zur Basis des Eingangstransistors führenden, positiven Rückkopplungszweig mit mindestens
einem die Länge der Arbeitsstromimpulse bestimmenden, beispielsweise aus einem Kondensator
und einem Lade-oder Entladewiderstand bestehenden Zeitglied. Dieses Zeitglied muß
jedoch ziemlich groß gewählt werden, damit genügend. lange Arbeitsstromimpulse entstehen,
die bei einer wenig über der Leerlaufdrehzahl liegenden Anfahrdrehzahl trotz der
dann noch sehr langsamen Impulsfolge ein ausreichendes Anfahrdrehmoment ergeben.
Je länger jedoch die Arbeitsstromimpulse gewählt werden, um so niedriger ist die
Drehzahl, bei welcher die Pausen zwischen den einzelnen Steuerimpulsen kürzer als
die Länge der Arbeitsstromimpulse werden und das Kippgerät daher der Frequenz der
Steuerimpulse nicht mehr zu folgen vermag, sondern auf die halbe Steuerfrequenz
umspringt.
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Es ist zwar in der französischen Patentschrift 1331698 bereits der
Vorschlag gemacht worden, die Steuerimpulse an einer von der Brennkraftmaschine
angetriebenen Wechsel- oder Drehstromlichtmaschine abzunehmen und in einer dem monostabilen
Kippgerät vorgeschalteten Impulsformerstufe zu schmalen Rechteckimpulsen umzuwandeln,
deren jeweilige Anstiegsflanke zu einem negativen Sperrimpuls und deren Abfallflanke
zu einem positiven Auslöseimpuls differenziert werden. Im Bereich mittlerer und
hoher Drehzahlen wird bei dieser Anordnung das monostabile Kippgerät vor Ablauf
der durch sein Zeitglied bestimmten instabilen Kipplage von einem Sperrimpuls in
die stabile Lage zurückgesteuert, aus der es durch den unmittelbar folgenden Auslöseimpuls
zur Erzeugung des nächsten Arbeitsstromimpulses wieder eingeschaltet wird. Die Länge
der Arbeitsstromimpulse nimmt daher bei dieser Anordnung von einer bestimmten Drehzahl,
bei welcher der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, umgewandelten
Rechteckimpulsen gleich groß ist wie die vom Zeitglied bei niedrigen Drehzahlen
festgelegte Dauer der Arbeitsstromimpulse, mit zunehmender Erhöhung, der Drehzahl
ab. In dem für den praktischen Fahrbetrieb wichtigen mittleren und oberen Drehzahlbereich
tritt in .diesem
Falle nicht das bei ununterbrochener Gleichstromversorgung
der Kupplung erreichbare Kupplungsmoment auf, so daß man gezwungen ist, die Kupplung
und den die Arbeitsstromimpulse liefernden Leistungstransistor größer zu dimensionieren,
ohne aber ihre Leistungsfähigkeit voll ausnützen zu können.
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Der Erfindung lag demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einer Steuereinrichtung.der
eingangs beschriebenen Art zu 'erreichen, daß die Arbeitsstromimpulse sprunglos
in einen ununterbrochenen Gleichstrom übergehen, wenn die Folgefrequenz der Steuersignale
einen durch die Länge der Arbeitsstromimpulse festgelegten Höchstwert überschreitet,
der bei den seither üblichen monostabilen Kippgeräten zum Umspringen der Arbeitsstromimpulse
auf die halbe Steuerfrequenz führen würde.
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Diese Aufgabe ist bei einer Steuereinrichtung gelöst, bei welcher
gemäß der Erfindung zwischen der Verbindung Arbeitswiderstand-Kollektor des Steuertransistors
einerseits und der Basis des Vortransistors anderseits die Reihenschaltung aus einem
ersten, mit dem Kollektor verbundenen Kondensator, einem ersten Gleichrichter und
einem ersten Widerstand gelegt ist und von der Basis des Vortransistors zu der mit
dem Arbeitswiderstand verbundenen Betriebsstromleitung ein zweiter Widerstand führt,
während zwischen dieser Basis und der zweiten, entgegengesetztes Potential führenden
Betriebsstromleitung ein zweiter Kondensator und zwischen der mit dem ersten Kondensator
verbunden Anschlußelektrode des ersten Gleichrichters und der zweiten Betriebsstromleitung
ein zweiter Gleichrichter vorgesehen ist, der in bezug auf seine Durchlaßrichtung
mit dem ersten Gleichrichter in Reihe liegt.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine selbsttätig
arbeitende, elektromagnetische Anfahrkupplung für ein Kraftfahrzeug dargestellt.
Es zeigt F i g. 1 die Brenukraftmaschine des Kraftfahrzeugs mit der elektromagnetischen
Kupplung sowie einer zugehörigen Steuereinrichtung, _ F i g. 2 .die Kupplung in
ihrem Längsschnitt, F i g. 3 die Steuereinrichtung zur Betätigung der Kupplung in
ihrem elektrischen Schaltbild, F i g. 4 drei Schaubilder zur Erklärung der Wirkungsweise
der Kupplung bei verschieden hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine und F i g.
5 ein Übersichtsbild, in welchem die Abhängigkeit des Kupplungsdrehmoments von der
Drehzahl der Brennkraftmaschine wiedergegeben ist.
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Die zum Betrieb. eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges bestimmte
Brennkraftmaschine 10 arbeitet mit einer Hochspannungszündanlage zusammen, deren
Verteiler bei 11 angedeutet ist. An die Brennkraftmaschine ist das Gehäuse 12 einer
Magnetpulverkupplung angeflanscht, die durch ein bei 13 angedeutetes; in F i g.
3 näher erläutertes elektrisches Steuergerät automatisch eingerückt wird, wenn die
Drehzahl der Brennkraftmaschine auf einen vorgegebenen, oberhalb der Leerlaufdrehzahl
liegenden Mindestwert hinaus gesteigert wird. An das Gehäuse der Magnetpulverkupplung
ist ein übliches Getriebe 14 angeflanscht, dessen einzelne Gänge durch einen Schalthebel
15 wahlweise eingerückt werden können.
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. Wie F i g. 2 besser erkennen läßt, enthält die Magnetpulverkupplung
in ihrem.Gehäuse 12 einen aus zwei Schalen 21 und 22 zusammengesetzten, mit der
Kurbelwelle 23 der Brennkraftmaschine fest verbundenen, zugleich das Schwungrad
der Brennkraftmaschine bildenden Käfig und einen auf einer Abtriebswelle 24 sitzenden
Läufer 25, der an seiner Mantelfläche mehrere nebeneinanderliegende Nuten 26 aufweist.
Zwischen der Mantelfläche des Läufers und den Innenwänden des Käfigs befindet sich
ein in Wirklichkeit etwa 1 bis 2 mm breiter Spalt. In diesen ist magnetisierbares
Pulver 28 eingefüllt. Die einander zugekehrten Stirnflächen der Käfigschalen 21
und 22 enthalten je eine Ringnut zur Aufnahme einer Magnetwicklung 30. Die
Enden der Magnetwicklung sind an je einen von zwei Schleifringen 31 und 32 geführt,
die isoliert gegeneinander auf der äußeren Stirnfläche der Schale 22 sitzen und
mit zwei im Gehäuse 12 isoliert befestigten Schleifbürsten 33 und 34 zusammenarbeiten.
Von den Bürsten führen Leitungen zu einer außen am Gehäuse 12 sitzenden Anschlußdose
35, über welche die Magnetwicklung 30 der Kupplung an die Steuereinrichtung 13 angeschlossen
ist.
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Zur Drehmomentübertragung wird das Magnetpulver 28 magnetisiert mit
Hilfe von rechteckförm gen elektrischen Impulsen 36 (F i g. 1), die in einer zu
den Kurbelwellenumdrehungen der Brennkraftmaschine synchronen Folge von der Steuereinrichtung
13 geliefert werden. Zur Erzeugung dieser Impulse ist die Eingangsseite des Steuergerätes
13 mit dem Verteiler 11 .der Hochspannungszündanlage durch ein Kabel 37 verbunden,
über das bei jedem Zündvorgang ein kurzer, bei 38 angedeuteter Steuerimpuls zugeführt
wird.
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Wie F i g. 3 zeigt, wird das Steuergerät aus einer zum Betrieb der
Hochspannungszündanlage dienenden Batterie 39 über eine Minusleitung 40 und
eine Plusleitung 41 mit Strom versorgt. Die Primärwicklung 42 der im übrigen nicht
näher dargestellten Zündspule der Hochspannungszündanlage ist in Reihe mit dem im
Gehäuse des Verteilers 11 untergebrachten Unterbrecherarm 43 des Zündunterbrechers
zwischen der Minusleitung 40 und der Plus-Leitung 41 angeordnet. Der Unterbrecherarm
arbeitet mit einem feststehenden, an die Minusleitung 40 angeschlossenen Kontakt
44 zusammen und wird von einem ebenfalls im Verteilergehäuse untergebrachten vierhöckrigen
Nocken 45 bei jeder Kurbelwellenumdrehung der Brennkraftmaschine zweimal
von dem feststehenden Kontakt 44 abgehoben. Hierbei entsteht jeweils an der Primärwicklung
42 die als Steuerimpuls 38 dienende Abschaltspannung. Der Steuerimpuls 38 wird über
einen Widerstand 46 von 15 kOhm und einen Kondensator 47 von 20 0000 pF einem aus
zwei Widerständen 48 und 49 bestehenden Spannungsteiler und von dort über einen
Gleichrichter 50 der Basis eines Transistors 51 zugeführt: Dieser Transistor bildet
zusammen mit einem weiteren Transistor 52 einen monostabilen Multivibrator, der
dazu bestimmt ist, bei jeder Öffnungsbewegung des Unterbrecherhebels 43 einen schmalen
Rechteckimpuls 53 zu liefern. Hierzu wird der Transistor 52 für eine der kurzen
Dauer des Rechteckimpulses 53 entsprechende Zeitspanne in seinen stromleitenden
Zustand gesteuert, bei welchem sein Kollektorstrom J2 sprunghaft ansteigt und dann
wieder gesperrt wird. In dem in F i g. 4 wiedergegebenen Schaubild gibt die Linie
54 den Verlauf des Kollektorstromes J2 für eine Drehzahl n1 = 500 U/min der Vierzylinder-Viertaktbrennkraftmaschine
10 wieder.
Bei dieser Brennzahl wird der Unterbrecherhebel 43 in
der Minute tausendmal abgehoben. Die Folgefrequenz der Rechteckimpulse 53 beträgt
daher bei dieser Drehzahl 1000 Hz, während ihre zeitliche Dauer demgegenüber so
kurz gewählt ist, daß bei der höchsten, beim Betrieb des Kraftfahrzeugs vorkommenden
Drehzahl von etwa 7500 U/min zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen
53 jeweils noch eine kurze stromlose Pause liegt, die mindestens so groß ist, daß
sich der zwischen dem Kollektor des Transistors 52 und der Basis des Transistors
51 angeordnete, als Energiespeicher dienende Kondensator 56 über den zwischen der
Basis des Transistors 51 und der Plusleitung 40 angeordneten Widerstand 57 auf die
Spannung der Batterie 39 aufladen kann. Bei dem in F i g. 3 zugrunde gelegten Beispiel
haben die einzelnen Rechteckimpulse 53 eine Dauer a von 0,003 Sekunden = Millisekunden.
Diese Dauer ist durch die Größe des Widerstandes 57, des Kondensators 56 sowie des
zwischen dem Kollektor des Transistors 52 und der Minusleitung 40 angeordneten Kollektorwiderstandes
58 festgelegt und bleibt daher bei allen Drehzahlen der Brennkraftmaschine unverändert.
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Im Gegensatz zu den seither bekanntgewordenen Anordnungen bestimmen
jedoch bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung diese im Takt der Kurbelwellenumdrehungen
der Brennkraftmaschine erfolgenden Rechteckirnpulse 53 die Dauer der in der Magnetwicklung
30 wirksamen Arbeitsstromimpulse 36 nicht. Sie dienen vielmehr nach dem Grundgedanken
der Erfindung dazu, für einen die Dauer der Arbeitsstromimpulse 36 bestimmenden
zusätzlichen Kondensator eine von der Drehzahl unabhängige Ladeenergie bereitzustellen,
mit welcher ein im Ein-Aus-Betrieb arbeitender, der Erregerwicklung 30 mit seiner
Emitter-Kollektor-Strecke vorgeschalteter Leistungstransistor 60 stromleitend gehalten
wird. Zu diesem Zweck ist dem Leistungstransistor 60 außer einem lediglich
zur gleichphasigen Stromverstärkung dienenden, an seinem Emitter mit dem Leistungstransistor
60 verbundenen Transistor 61 noch ein gegenphasig zu diesen beiden Transistoren
arbeitender Vortransistor 62 vorgesehen, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors
61 verbunden ist. Dieser Transistor ist bestrebt, in seinen stromleitenden Zustand
zurückzukehren und dabei den Leistungstransistor 60 zu sperren, da er mit seiner
Basis über einen Widerstand 63 an die Minusleitung 40 angeschlossen ist. Weiterhin
ist erfindungsgemäß zwischen dem mit seinem Arbeitswiderstand 58 an die Minusleitung
40 angeschlossenen Kollektor des Steuertransistors 52 und der Basis des Vortransistors
62 die Reihenschaltung aus einem ersten, mit dem Kollektor des Transistors 52 verbundenen
Kondensator 65, einem ersten Gleichrichter 66 und einem Widerstand 67 vorgesehen.
Ferner ist zwischen der Basis des Vortransistors 62 und der zweiten Pluspotential
führenden Betriebsstromleitung 41 ein zweiter Kondensator 68 und zwischen der mit
dem Kondensator 65 verbundenen Anschlußelektrode des ersten Gleichrichters 66 und
der Plusleitung 41 ein zweiter Gleichrichter 69 vorgesehen.
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Die Bedeutung dieser Anordnung geht aus der nachstehend beschriebenen
Wirkungsweise deutlich hervor. Solange die Brennkraftmaschine mit niedrigen Drehzahlen
läuft, die aus den weiter unten geschilderten Gründen unterhalb von 2500 U/min liegen,
befinden sich unmittelbar vor jeder Öffnungsbewegung des Unterbrecherhebels 43 die
Transistoren 51 und 62 in leitendem Zustand und sperren dabei die ihnen nachgeschalteten
Transistoren 52 bzw. 61 und 60. In dem den Zündzeitpunkt ergebenden Unterbrechungsaugenblick
gelangt an die Basis des Transistors 51 der positive Steuerimpuls 38, der den Transistor
51 in sein Sperrgebiet und demzufolge den Transistor 52 in seinen stromleitenden
Zustand bringt. Da bis unmittelbar vor diesem Zeitpunkt der Kondensator 65 sich
über den Gleichrichter 69 und den Widerstand 58 auf die Batteriespannung aufladen
konnte und diese Spannung im Unterbrechungsaugenblick beibehält, wird die Basis
des seither stromleitenden Vortransistors 62 über das Potential der Plusleitung
41 hinaus ins Positive angehoben. Dadurch wird der Transistor 62 gesperrt und gleichzeitig
über den niederohmigen Widerstand 67 ein Großteil der seitherigen Ladung des Kondensators
65 ,an den Kondensator 68 abgegeben. Die hierdurch am Kondensator 68 entstehende
Spannung hält die Basis des Transistors 62 beträchtlich über denjenigen Zeitpunkt
hinaus, bei welchem der Steuertransistor 52 am Ende des Rechteckimpulses 53 in seinen
Sperrzustand zurückkehrt, auf positiven Werten und stellt dabei sicher, daß über
den noch stromleitend bleibenden Leistungstransistor 60 der Arbeitsstromimpuls
36 so lange aufrechterhalten werden kann, bis sich der Kondensator 68 entladen hat
und der Vortransistor 62 daher in seinen stromleitenden Ruhezustand zurückkehrt.
Die Rückkehr des Steuertransistors 52 in seinen stromlosen Zustand hat deswegen
auf den Kondensator 68 keinen Einfluß, weil der Gleichrichter 66 zwar einen Ladungstransport
aus dem Kondensator 65 in den Kondensator 68 hinein gestattet, in entgegengesetzter
Stromrichtung jedoch sperrt. Der Entladevorgang des Kondensators 68 muß vielmehr
über den verhältnismäßig hochohmi@gen Widerstand 63 erfolgen. Dieser ist in Verbindung
mit der Kapazität des Kondensators 68 so groß gewählt, daß das Potential der Basis
des Transistors 62 erst nach einer Zeitspanne von b=0,012 Sekunden= 12Millisekunden
auf den Wert der Plusleitung 41 abgesunken ist und den Transistor 62 in seinen stromleitenden
Ruhezustand zurückgelangen läßt und dabei den Arbeitsstromimpuls 36 beendet.
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Wie aus dem mittleren Schaubild der F i g. 4 zu entnehmen ist, folgen
bei einer Drehzahl nz=1500U/min die Rechteckimpulse 53 so rasch aufeinander, daß
zwischen den einzelnen, der Magnetwicklung 30
zufließenden Arbeitsstromimpulsen
36 nur Pausen von jeweils 8 Millisekunden verbleiben. Bei einer Drehzahl von 2500
U/min schließt sich ohne die geringste Pause unmittelbar an einem vorhergehenden
Arbeitsstromstoß 36 ein erneuter Arbeitsimpuls an, da in diesem Falle dem Kondensator
68 im gleichen Augenblick neue Ladung aus dem Kondensator 65 zugeführt wird, da
er .sich auf einen Wert entladen hat, bei welchem der Transistor 62 stromleitend
werden könnte. Bei über 2500 U/min hinaus gesteigerten Drehzahlen der Brennkraftmaschine
10, beispielsweise bei der für das dritte Schaubild nach F i g. 4 unterstellten
Drehzahl n3=3000 U/min, folgen dann die Rechteckimpulse 53 so rasch aufeinander,
daß die Basis des Transistors 62 dauernd auf einem positiven Wert gehalten wird,
so daß der Leistungstransistor 60 der Magnetwicklung 30 einen ununterbrochenen Erregerstrom
zuzuführen vermag,
der in F i g: 3 durch die in gleichbleibendem
Abstand über der Zeitachse t verlaufende Linie 70 angedeutet äst. Dieser ununterbrochen
ßießende Gleichstrom kann durch Wahl der Windungszahl und der Drahtstärke der Magnetwicklung
so eingestellt werden, daß sich für die geforderte, von der Kupplung übertragbare
maximale Leistung der Brennkraftmaschine ein Minimum an elektrischen Verlusten in
der Kupplung ergibt. Das von der Kupplung übertragbare maximale Drehmoment bleibt
dann, wie die F i g. 5 erkennen läßt, bei Drehzahlen oberhalb von 2500 U/min konstant
und sinkt bei 2000 U/min auf 80 % und bei 1000 U/min auf 40 % des Maximalwertes.
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Der besondere Vorteil der beschriebenen, den Kondensator 65, die Gleichrichter
66 und 69 sowie die Widerstände 63 und 67 .und den Kondensator 68 umfassenden Schaltanordnung
in Verbindung mit dem gegenphasig arbeitenden Vortransistor 62 besteht darin, daß
die bei niederen Drehzahlen mit Pausen aufeinanderfolgenden Arbeitsstromimpulse
oberhalb der Drehzahl von 2500 U/min ohne Sprung in einen ununterbrochenen Gleichstrom
übergehen, wobei für diesen über-gang im Gegensatz zu den bekannten Steuereinrichtungen
keine zusätzlichen Schaltvorrichtungen erforderlich sind.