DE19532113C2 - Druckmittelbeaufschlagte Schaltvorrichtung zum Betätigen einer druckmittelbetätigbaren Kupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine druckmittelbeaufschlagte Schaltvorrichtung zum Betätigen einer druckmittelbetätigbaren Kupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Druckmittelbetätigte Kupplungen werden mittels eines pneumatischen oder hydraulischen Druckes eingeschaltet bzw. eingerückt und vorzugsweise durch Federkraft gelüftet. Werden solche Kupplungen als Schaltkupplungen für einen motorischen Antrieb eingesetzt, z. B. um bei Schiffen den Dieselmotor mit der Antriebsschraube zu kuppeln, so muß die Kupplung beim Einschalten die Beschleunigung der Getriebeteile und der Antriebselemente, z. B. Schiffschraube, übernehmen.

Um ein stoßfreies und sanftes Anlaufen zu erreichen und den antreibenden Motor beim Einkuppeln nicht zu stark zu belasten, ist es vorteilhaft, wenn die Kupplung mit flach ansteigendem Druck und damit unter Schlupf greift. Um im Betrieb eine zuverlässige Drehmomentübertragung zu gewährleisten, ist andererseits ein hoher Druck im eingekuppelten Zustand erforderlich.

Zur Erfüllung dieser Bedingungen ist aus der DE 41 20 597 C2 eine Schaltvorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt. Diese Schaltvorrichtung ermöglicht ein Einrücken der Kupplung in drei Phasen. In der ersten Phase steigt der die Kupplung einrückende Druck steil an, um den Leerweg der Kupplung schnell zu überwinden. In einer folgenden zweiten Phase steigt der Druck während des Greifens der Kupplung langsamer an, um eine stoßfreie Beschleunigung der Abtriebsseite der Kupplung zu ermöglichen. Sobald die Kupplung vollständig gegriffen hat, steigt der Druck in einer dritten Phase wieder steil an, um die vollständige Schließkraft der Kupplung zu erzielen. Das langsame Ansteigen des Druckes in der zweiten Phase wird durch einen vorgespannten Pufferspeicher bewirkt, der an den Steuereingang des Betätigungs-Ventils der Kupplung angeschlossen ist. Auf Grund seiner Vorspannung bleibt der Pufferspeicher in der ersten Phase unwirksam, solang der ansteigende Druck noch niedriger als die Vorspannung des Pufferspeichers bleibt. Wird die Vorspannung des Pufferspeichers erreicht, so füllt sich dieser, wobei der Druck nur langsam ansteigt, bis der Pufferspeicher vollständig gefüllt ist. Sobald der Pufferspeicher gefüllt ist, steigt der Druck in der dritten Phase wieder steil an.

Bei diesem bekannten Stand der Technik handelt es sich um ein hydraulisches System. Für die Betätigung der Kupplung wird eine inkompressible Flüssigkeit verwendet. Der Pufferspeicher ist als Zylinder mit einem verschiebbaren Kolben ausgebildet, welcher einerseits von dem am Steuereingang des Betätigungs-Ventils anstehenden Hydraulikdruck und andererseits von einem vorgegebenen Hydraulikdruck beaufschlagt wird. Erreicht der an dem Steuereingang anstehende Hydraulikdruck den Vorspannungsdruck auf der anderen Kolbenseite, so verschiebt sich der Kolben und verdrängt die Hydraulikflüssigkeit aus der Vorspannungskammer des Zylinders. Die Vorspannungskammer des Zylinders muß mit Hydraulikzulauf und -auslaß versehen sein, damit sich der Kolben des Pufferspeichers verschieben kann. Während sich der Pufferspeicher füllt und der Kolben des Pufferspeichers sich verschiebt, steigt der Druck auf der Seite des Steuereingangs kaum an, da sich ein Gleichgewicht zwischen dem am Steuereingang anstehenden Druck und dem Druck der gedrosselt aus der Vorspannungskammer ausfließenden Hydraulikflüssigkeit einstellt. Dementsprechend greift die Kupplung nur langsam mit wenig ansteigendem Schließdruck.

Ähnliche mittels Hydraulikflüssigkeit arbeitende Kupplungsbetätigungen sind aus der EP 0 577 174 A1, der DE 27 13 653 A1 und der DE 41 36 754 C2 bekannt.

Aus der DE 34 38 594 C2, der US 5,040,653, der EP 410 346 A1 und der DE 689 19 198 T2 sind Schaltvorrichtungen für Kupplungen bekannt, bei welchen die Kupplung pneumatisch betätigt wird und die Schaltvorrichtung ebenfalls pneumatisch beaufschlagt ist. In den Zuführweg des pneumatischen Druckmittels ist dabei in Reihe ein Puffervolumen eingeschaltet. Dieses Puffervolumen verzögert den Druckanstieg von Beginn des Schaltvorganges an. Da das Puffervolumen nicht im Nebenschluß an den Steuereingang angeschaltet ist, ergibt sich nicht die vorteilhafte Wirkung, daß der Druck zunächst in einer ersten Phase steil ansteigt, um den Leerweg der Kupplung zu überwinden, und der Pufferspeicher erst nach Überschreiten eines Schwellenwertes wirksam wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Schaltvorrichtung zum Betätigen einer Kupplung der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß die Ansprechzeit der Kupplung verkürzt wird, insbesondere in der zweiten Phase, in welcher die Kupplung greift.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird als Druckmittel für die Betätigung der Kupplung und zur Steuerung der Schaltvorrichtung Druckluft verwendet. Im Gegensatz zu der inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit ist die Druckluft kompressibel. Der Pufferspeicher weist eine durch die Membran oder den Kolben abgetrennte Vorspannungskammer auf, die ein abgeschlossenes Volumen bildet und durch ein Gas mit einem vorgebbaren Anfangsdruck gefüllt ist.

In der ersten Phase ist der Druck des in der Vorspannungskammer eingeschlossenen Gases größer als der Druck, der am Steuereingang des Betätigungs-Ventils anstehenden Druckluft. Die Membran bzw. der Kolben verschiebt sich in dem Pufferspeicher soweit, daß das Vorspannungsvolumen den gesamten Pufferspeicher einnimmt. Der Druck am Steuereingang des Betätigungs-Ventils steigt entsprechend der Funktionsweise des Standes der Technik unbeeinflußt durch den Pufferspeicher steil an. Sobald der am Steuereingang anstehende Druck den Vorspannungsdruck des Gases auf der Vorspannungsseite des Pufferspeichers erreicht, beginnt sich die Membran bzw. der Kolben zu verschieben. Dadurch verkleinert sich das Volumen der Vorspannungskammer des Pufferspeichers und der Druck des in dieser Vorspannungskammer eingeschlossenen Gases steigt zunehmend an. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß in der zweiten Phase, in welcher die Kupplung greift, die Vorspannung des Pufferspeichers zunächst langsam und dann zunehmend stärker ansteigt. Dementsprechend steigt auch der Druck, mit welchem die Kupplung in Eingriff kommt zunächst mit geringerer Steigung und dann zunehmend stärker an. Es ergibt sich somit ein schnelleres Ineingriffkommen der Kupplung, wobei der Schließdruck der Kupplung mit zunehmendem Greifen der Kupplung und mit Zunahme des durch die Kupplung übertragenen Drehmoments ansteigt. Der Schließdruck der Kupplung paßt sich beim Greifen der Kupplung somit automatisch dem zunehmenden Drehmomentschluß an.

Um die Schaltvorrichtung an die Dimensionierung der Kupplung anpassen zu können, ist vorzugsweise der Vorspannungsdruck des Pufferspeichers einstellbar. Dadurch ist der Zeitpunkt des Einsetzens der zweiten Phase, in welcher der Pufferspeicher wirksam wird, wählbar. Vorzugsweise ist der Pufferspeicher mit einer unter Druck vorgespannten Membran oder einem durch Federkraft vorgespannten Kolben ausgestattet, wobei der Vorspannungsdruck einstellbar ist.

Der zeitabhängige Anstieg der Druck-Kennlinie in der zweiten Phase wird im wesentlichen durch das Puffervolumen des Pufferspeichers bestimmt. Je größer das Puffervolumen ist, umso langsamer ist der Druckanstieg in der zweiten Phase.

Die pneumatische Schaltvorrichtung eignet sich insbesondere für das Ankuppeln von Motoren, deren Leistung stark drehzahlabhängig ist. Der flache Anstieg der Druck-Kennlinie und damit der Drehmomentkennlinie der Kupplung ermöglicht einen sanften Anlauf, so daß der antreibende Motor in der Beschleunigungsphase nicht zu stark belastet wird und seine Drehzahldrückung gering ist. Ein Anwendungsbeispiel ist der Antrieb von Schiffspropellern durch einen Dieselmotor.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch die pneumatische Schaltvorrichtung zur Betätigung einer pneumatischen Kupplung und

Fig. 2 die Druck-Zeit-Kennlinie des Betätigungsdruckes mit einer Schaltvorrichtung nach dem Stand der Technik und mit der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine pneumatische Schaltvorrichtung zum Betätigen einer pneumatischen Kupplung.

Druckluft wird über einen Anschluß A zugeführt. Ein in der An­ schlußleitung angeordneter Filter 11 reinigt die Druckluft von festen Bestandteilen und Feuchtigkeitströpfchen. Die Druckluft wird über ein Betätigungs-Ventil 6, das als Relais-Ventil ausge­ bildet ist, und einen Anschluß B der pneumatischen Kupplung zugeführt. Der Betätigungsdruck am Ausgang B ist über einen Steuereingang des Betätigungs-Ventils 6 pneumatisch steuerbar.

Zur Steuerung des Betätigungs-Ventils 6 wird ebenfalls die über den Anschluß A zugeführte Druckluft als Steuer-Druckluft verwen­ det. Hierzu wird die am Eingang A anliegende Druckluft an ein Einschalt-Ventil 1 angelegt, das als 5/2-Wege-Magnet-Ventil ausgebildet ist. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung ist das Einschalt-Ventil 1 durch ein an den Eingang Y gelegtes Signal in die Aus-Stellung geschaltet. Die Kupplung wird nicht betätigt. Durch ein an den Eingang X angelegtes Signal wird das Einschalt- Ventil 1 in die Einschaltstellung geschaltet und die Druckluft wird über ein Drosselrückschlag-Ventil 2, einen Pufferbehälter 3, ein Umschalt-Ventil 5 und ein Schnellentlüftungs-Ventil 10 an den Steuereingang des Betätigungsventils 6 geführt. Das Drossel­ rückschlag-Ventil 2 und der Pufferbehälter 3 bewirken dabei einen zeitabhängigen Anstieg des an dem Steuereingang des Be­ tätigungsventils 6 anliegenden Steuerdrucks. Der über das Dros­ selrückschlag-Ventil 2 und den Pufferbehälter 3 gedrosselt an­ steigende Druck liegt auch an einem vorgespannten Druckeinstell- Ventil 4 an, das als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. Erreicht der Steuerdruck einen durch die Vorspannung des Druckeinstell- Ventils 4 vorgegebenen Druckwert, so schaltet das Druckeinstell- Ventil 4 aus der in Fig. 1 dargestellten geschlossenen Stellung in die Durchlaßstellung und schaltet den vom Anschluß A kommen­ den pneumatischen Druck an ein Umschalt-Ventil 5, welches als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. Der über das Druckeinstell- Ventil 4 angelegte pneumatische Druck schaltet das Umschalt- Ventil 5 aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung, in welcher die über das Drosselrückschlag-Ventil 2 und den Pufferbehälter 3 gedrosselt ansteigende Druckluft an den Steuereingang des Be­ tätigungs-Ventils 6 gelegt ist, in die andere Schaltstellung, in welcher die vom Anschluß A kommende Druckluft direkt an den Steuereingang des Betätigungs-Ventils 6 gelegt ist.

An die an den Steuereingang des Betätigungs-Ventils 6 an­ geschlossene Steuer-Druckluftleitung ist ein druck- oder kraft­ vorgespannter Pufferspeicher 12 angeschlossen. Der Pufferspei­ cher 12 besteht aus einem Behälter, der durch eine Membran oder einen Kolben unterteilt ist. Die eine Seite des Behälters ist an der Steuer-Druckluftleitung des Betätigungsventils 6 angeschlos­ sen, während die durch die Membran oder den Kolben abgetrennte andere Seite des Behälters mit einem einstellbaren Druck oder einer einstellbaren Federkraft beaufschlagt ist.

Weiter kann der Druck in dem pneumatischen System mittels eines über einen Abschalthahn 7 angeschlossenen Manometers 8 überwacht werden. Druckschalter 9a und 9b dienen zur Überwachung des pneu­ matischen Druckes und zur Anzeiges des Einschaltzustandes der Kupplung.

Die Wirkungsweise der Schaltvorrichtung wird anhand der Fig. 2 erläutert, die den Verlauf des Betätigungsdrucks am Ausgang B in Abhängigkeit von der Zeit darstellt.

Es wird ausgegangen von dem in Fig. 1 dargestellten Zustand, in welchem das Einschalt-Ventil 1 ausgeschaltet ist und das pneuma­ tische System entlüftet ist. Die Kupplung ist nicht betätigt.

Soll die Kupplung eingeschaltet werden, so wird das Einschalt- Ventil 1 durch ein Spannungssignal am Eingang X eingeschaltet. Dies ist in Fig. 2 der Zeitpunkt O. Zunächst steigt in einer ersten Phase der Druck an dem Steuereingang des Betätigungs- Ventils 6 mit einer Steilheit an, die durch das Drosselrück­ schlag-Ventil 2 und den Pufferbehälter 3 bestimmt ist. Propor­ tional zu diesem Druckanstieg am Steuereingang des Betätigungs- Ventils 6 steigt der an der pneumatischen Kupplung anliegende Druck am Ausgang B an. Diese erste Phase ist in Fig. 2 mit a gekennzeichnet. In dieser ersten Phase ist der Druck am Steuer­ eingang des Betätigungs-Ventil 6 kleiner als der Vorspannungs- Druck des Pufferspeichers 12, so daß dieser nicht wirksam ist.

Erreicht der Druck am Steuereingang des Betätigungs-Ventils 6 den Vorspannungs-Druck des Pufferspeichers 12, so wird dieser wirksam und der Druckanstieg am Steuereingangs des Betätigungs­ ventils 6 verlangsamt sich. Entsprechend wird der proportionale Druckanstieg am Ausgang B flacher, wie in Fig. 2 durch b ge­ kennzeichnet ist.

Erreicht der am Steuereingang des Betätigungs-Ventils 6 anste­ hende Druck den Vorspannungswert des Druckeinstell-Ventils 4, so wird dieses durchgeschaltet und betätigt das Umschalt-Ventil 5, so daß über dieses Umschalt-Ventil 5 nun der volle pneumatische Druck der am Anschluß A zugeführten Druckluft an den Steuer­ eingang des Betätigungs-Ventils 6 gelegt wird. Der Steuerdruck am Betätigungs-Ventil 6 steigt somit sprunghaft an und entspre­ chend steigt der über den Ausgang B an die Kupplung angelegte Betätigungs-Druck sprunghaft an, wie in Fig. 2 mit c gekenn­ zeichnet ist, bis der volle Betätigungs-Druck erreicht ist, wie in Fig. 2 mit d gekennzeichnet.

Der relativ steile Druckanstieg a in der ersten Phase dient dazu, den Hubweg der Schaltteile der pneumatischen Kupplung schnell zu überwinden. Die Druckvorspannung des Pufferspeichers 12 ist so gewählt, daß der Übergang von dem steilen Anstieg a zu dem flachen Druckanstieg b dann erfolgt, wenn die Kupplung in Eingriff kommt. Der flache Anstieg b des Kupplungsdruckes be­ wirkt einen sanften stoßfreien Beschleunigungsvorgang. Die Vor­ spannung des Druckeinstell-Ventils 4 ist so gewählt, daß der steile Druckanstieg c, mit dem der volle Kupplungsdruck d er­ reicht wird, dann einsetzt, wenn der Beschleunigungsvorgang abgeschlossen ist und das angetriebene Kupplungsteil die volle Drehzahl erreicht hat.

Fig. 2 zeigt zum Vergleich auch den Verlauf des Anstiegs des Kupplungs-Druckes nach dem Stand der Technik ohne den vorge­ spannten Pufferspeicher 12. Der Druck am Steuereingang des Be­ tätigungs-Ventils 6 und damit der proportional gesteuerte Druck am Anschluß B steigt in dem Bereich a des Ansprech-Hubweges und im Bereich b' des Beschleunigungsvorganges der Kupplung mit gleicher Steigung an, bis der Vorspannungswert des Druckein­ stell-Ventils 4 erreicht ist und der volle Luftdruck im Bereich c' an das Betätigungs-Ventil 6 gelegt wird.

Der Knickpunkt, in welchem der steile Anstieg a in den flachen Anstieg b übergeht, kann durch die Druckvorspannung des Puffer­ speichers 12 bestimmt werden. Die Steilheit des Druckanstiegs im Bereich b kann durch das Volumen des Pufferspeichers 12 bestimmt werden.

Claims (4)

1. Druckmittelbeaufschlagte Schaltvorrichtung zum Betätigen einer druckmittelbetätigbaren Kupplung mit einem Betäti­ gungs-Druckmittel der Kupplung zuführenden, durch Steuer- Druckmittel steuerbaren Betätigungs-Ventil (6) und mit einem an die zu dem Steuereingang des Betätigungs-Ventils (6) führende Steuer-Druckmittelleitung angeschlossenen Pufferspeicher (12), der ein durch eine Membran oder einen Kolben unterteilter Behälter ist, dessen eine Seite an die Steuer-Druckmittelleitung des Betätigungs-Ventils (6) angeschlossen ist und dessen durch die Membran oder den Kolben abgetrennte andere Seite mit einer Vorspannung beaufschlagt ist, wobei zum Einschalten der Kupplung das Steuer-Druckmittel zunächst über eine gedrosselte Leitung (2, 3) mit ansteigendem Druck dem Steuereingang des Be­ tätigungs-Ventils (6) zugeführt wird, wobei der Druck des Steuer-Druckmittels an dem Steuereingang langsamer an­ steigt, sobald dieser Druck die Vorspannung des Puffer­ speichers (12) erreicht, indem sich die Membran oder der Kolben gegen die Vorspannung verschiebt, und wobei nach Erreichen eines vorbestimmten Druckes das Steuer-Druck­ mittel mit vollem Druck an den Steuereingang geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel Druckluft ist und daß die durch die Membran oder den Kolben abgetrennte andere Seite des Pufferspeichers (12) ein im Betrieb abgeschlossenes, jedoch veränderliches Volumen bildet, welches mit einem vorgebbaren Anfangsdruck eines Gases beaufschlagt ist.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druck des Gases einstellbar ist.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran oder der Kolben zusätzlich zu dem Druck des Gases durch eine Federkraft beaufschlagt ist.

4. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß über denselben Anschluß (A) Druckluft als Betätigungs-Druckluft über das Betäti­ gungs-Ventil (6) und über die Steuervorrichtung an den Steuereingang des Betätigungs-Ventils (6) gelegt wird.