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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen einem Getriebe nachgeschalteten
hydrodynamischen Retarder für
ein Kraftfahrzeug, der einen auf einer Welle angeordneten Rotor
aufweist, der mit der Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt ist
und der einen Stator aufweist, wobei der Rotor und der Stator in
einem Gehäuse
angeordnet sind, das mit einem Ölkreislauf
verbunden ist, der einen Speicher, eine Pumpe, ein Umschaltventil
und eine Steueranordnung aufweist.
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Ein
Kraftfahrzeug mit einem hydrodynamischen Retarder ist aus der
DE 41 08 658 A1 bekannt. Der
dort beschriebene hydrodynamische Retarder wird im Nebenabtrieb
von einer Abtriebswelle eines Zahnräderwechselgetriebes über einen
Stirnradtrieb angetrieben, wobei die Abtriebswelle im Getriebegehäuse gelagert
ist. Eine aus Rotor und Stator bestehende Einheit des hydrodynamischen
Retarders ist in einem Retardergehäuse angeordnet. Zur Erzielung
eines ausreichenden Bremsmoments des Retarders müssen eine möglichst grosse Übersetzung der
Stirnradstufe ins Schnelle und möglichst
grosse Durchmesser von Rotor und Stator der Retardereinheit eingehalten
werden.
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Derartige
hydrodynamische Retarder werden neben der Betriebsbremse in Nutzkraftfahrzeugen
aus Kosten- und Sicherheitsgründen
zunehmend als verschleissfreie und für Dauerbremsungen geeignete
Aggregate eingesetzt. Mit Hilfe des Rotors und des Stators wird
dabei auf hydraulischem Weg ein Bremsmoment erzeugt.
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Im
Zuge der Weiterentwicklung und der vereinfachten Zusammenarbeit
von Kraftfahrzeugkomponenten, z. B. durch gemeinsame elektronische Kfz-Steuergeräte, ist
es wünschenswert,
für Nutzkraftfahrzeuge
eine Bremsanlage zu entwickeln, die nur dann die verschleissbehaftete
Betriebsbremse einsetzt, wenn dies unbedingt erforderlich ist. Ein grosser
Teil der Bremsvorgänge
soll allein durch den Retarder oder zumindest mit dessen Unterstützung durchgeführt werden.
Dies führt
zu verringerten Fahrzeugbetriebskosten und zu einer erhöhten Verfügbarkeit,
da die verschleissbehafteten Bremsbeläge der herkömmlichen Reibungsbremse weniger
häufig ausgewechselt
werden müssen.
Obendrein führt
die geringere thermische Belastung der Betriebsbremse bei Einsatz
eines Retarders zu einer erhöhten
Fahrzeugbetriebssicherheit.
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Herkömmliche
hydrodynamische Retarder, wie sie von der Anmelderin beispielsweise
unter der Bezeichnung ZF-Intarder angeboten werden, sind als Dauerbremseinrichtung
z. B. für
langgezogene Bergabfahrten ausgelegt, bei der nicht mit kurzfristig
aufeinanderfolgenden Bremsungen zu rechnen ist, so dass auch nur
ein geringer Wert auf das Ansprech- und Wiederansprechverhalten
dieser Retarder gelegt wurde.
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Der
wünschenswerte
Einsatz als Ergänzungseinrichtung
zur Betriebsbremse macht es jedoch erforderlich, die Ansprechzeit
erheblich zu verkürzen
und zwar in der Grössenordnung
von weniger als eine Sekunde. Ebenso muss bei kurzfristig wiederholten
Bremsungen, wie sie im normalen Fahrbetrieb bei Betätigung der
Betriebsbremse auftreten, eine gleichbleibend kurze Ansprechzeit
gewährleistet werden.
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Ferner
ist auch bei der Zusammenarbeit von Retarder und herkömmlicher
Betriebsbremse die Funktion des ABS-Systems zu berücksichtigen.
Bei dieser hochdynamischen fahrsicherheitsrelevanten Einrichtung
ist die Darstellung der Funktion der Bremseinrichtung mit den kürzesten
Reaktionszeiten und der besten Regelungsfähigkeit vorbehalten. Die konventionelle
Betriebsbremse ist dabei der Hydrodynamik des Retarders überlegen.
Um aber eine Störung
des ABS-Systems durch das Retardersystem zu vermeiden, muss letzteres
bei Aktivierung der ABS-Steuerung schnellstmöglich abschaltbar sein.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
196 16 427 A1 ist eine Antriebseinheit mit einem Motor
und einem Retarder bekannt, bei der zwischen dem Retarder und dem
Speicher ein Umschaltventil vorgesehen ist, das zur Verringerung
der Ventilationsverluste des Retarders im Nicht-Bremsbetrieb verschließbar ist,
so dass im Nicht-Bremsbetrieb kein Arbeitsmedium aus dem Speicher
nachfließen
kann. Dem Druckabbau im Speicher dient dieses Ventil nicht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen hydrodynamischen
Retarder vorzuschlagen, bei dem Befüllung und Entleerung des Retarderkreislaufes
bei kürzestmöglicher
Ansprechzeit immer gleich schnell erfolgen und bei dem bei Aktivierung
des ABS-Systems eine schnelle Entleerung des Retarderkreislaufs
zum Abbau des zu diesem Zeitpunkt anliegenden Bremsmomentes gewährleistet
ist.
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Ausgehend
von einem Retarder der eingangs näher genannten Art erfolgt die
Lösung
dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäss
vorgeschlagene Abkoppelung des Speichers vom Retarderkreislauf bietet
den Vorteil, dass ein Abbau des Speicherluftdruckes während der
Bremsphase ermöglicht
wird und dass Öl
aus dem Retarderkreislauf frühzeitig
in den Speicher gefördert
werden kann.
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Erfolgt
die Förderung
in den Speicher während
der Bremsphase durch z. B. einen selbstansaugenden Speicher oder
aber eine separate Förderpumpe,
so wird der Vorteil einer Verringerung der Anforderung an die Ölfördereinrichtung
erreicht, da ein längerer
Zeitraum zur Befüllung
des Speichers zur Verfügung
steht.
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Im
Falle einer Förderung
durch den Retarderkreislauf in den Speicher, wobei die Retarderpumpe
mehr Öl
in den Kreislauf als notwendig fördert
und der Abfluss in den Speicher in Abhängigkeit von der Stellung des
Druckregelventils gesteuert wird, während die Steuerung des Rückflusses
in den Speicher über
die Druckluft am Speicher und/oder über ein gesteuertes Ventil
zwischen Retarderkreislauf und Speicher erfolgt, ist keine besondere
Leitung zum Speicher notwendig, da der Retarderkreislauf zur Einleitung
des Speicheröles
in den Speicher benutzt wird.
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Sofern
das Speichersystem unmittelbar beim Auspressen des Ölvorrates
in den Retarderkreislauf eine entsprechende neue Speicherölmenge ansaugt, erzielt
man den Vorteil, dass immer Speicheröl im Speicher vorhanden ist.
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Bei
einer Koppelung von Retarderkreislauffüllung und Speicherfüllung, wobei
nicht mehr Öl
aus dem Speicher in den Kreislauf gefördert wird als notwendig und
in der Bremsphase überschüssiges Öl in den
Speicher geleitet wird und wobei das Öl über den Retarderkreislauf zum
Speicher gefördert
wird und bei Abschaltung des Retarders zunächst Öl in den Speicher geleitet
wird, bevor der Abfluss in den Getriebesumpf freigegeben wird, kann
ein Zustand vermieden werden, bei dem nicht benötigtes Öl in den Getriebesumpf geleitet
wird, bevor der Ölspeicher des
Retarders ausreichend gefüllt
ist; es besteht ein funktioneller Zusammenhang zwischen Speicherfüllstand
und Ölmenge
im Retarderkreislauf, wobei der Speicher mit einer ausreichenden
Menge Öl
versorgt werden kann, ohne dass eine gesonderte Zuleitung zum Speicher
erforderlich ist bei gleichzeitiger Ausnutzung der in Form von Druck
gespeicherten Energie im Retarderkreislauf zur Füllung des Speichers.
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Wird
der Speicher zwischen Retarderkreislauf und Regelventil angeordnet,
so kann der Speicher weiterhin mit Druckluft entleert werden, wobei die
Regelung des Retarderinnendruckes dann über den Speicher hinweg erfolgt.
Beim Abschalten erfolgt der Druckabbau über das Regelventil, wobei Öl aus dem
Retarderkreislauf in den Speicher strömt. Hierbei kann ein Speicher
mit offenem Ölspiegel
verwendet werden, so dass die Speicherform beliebig an die konstruktiven
Gegebenheiten anpassbar und damit optimal integrierbar ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in
der vorteilhafte Ausführungsbeispiele
dargestellt sind.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
die Komponenten eines Retardersystems und deren Verbindungen untereinander;
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2 eine
vergrösserte
Darstellung des Speichers mit einem zugeordneten Ventil;
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3 schematisch
die Entlüftung
und Befüllung
des Speichers während
des Retarderbetriebes;
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4 und 5 Ausgestaltungen
des Speichers;
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6 schematisch
das erfindungsgemässe Retardersystem;
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7 Einzelteile
des in 6 dargestellten Systems;
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8 eine
vorteilhafte Koppelung von Retarderkreislauf und Speicher;
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9 ein
Retardersystem mit einem zweiten Regelventil;
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10 eine
graphische Darstellung, die den Zusammenhang der beiden Regelventile
mit dem Steuerdruck und dem Retarderdruck darstellt und
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11 ein
anderes Beispiel einer Koppelung von Retarderkreislauf und Speicher.
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Ganz
allgemein kann ein Retarderkreislauf als ein Behälter aufgefasst werden, in
dem ein Rührwerk
mechanische Energie über
Reibungseffekte in thermische Energie umsetzt. Zu diesem Zweck zirkuliert
im Ölkreislauf
eine bestimmte Menge Öl
zwischen Rotor und Stator zur hydraulischen Bremsmomenterzeugung,
d. h. zur Umsetzung der mechanischen Energie in Strömungsenergie
und thermische Energie, wobei die dabei auftretende Wärme in einem
Kühler
zur Abführung
an den Kühlkreislauf
des Fahrzeugs entzogen wird. Neben der Energiewandlung kann der
Rotor auch als Pumpe zur Ölversorgung
im Kreislauf verwendet werden.
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Die
Einstellung des Bremsmomentes eines Retarders ist üblicherweise
in mehreren Stufen möglich.
Jeder Bremsstufe ist dabei ein entsprechender Innendruck des Retarderkreislaufs
zugeordnet, der in der Grössenordnung
zwischen 1 und 10 bar liegt. Über
ein Steuerventil wird ein der Bremsstufe entsprechender Steuerdruck
an ein Regelventil weitergeleitet. Dieses regelt einerseits die
Abführung
und andererseits die Zuführung
von Getriebeöl
aus dem Getriebesumpf aus bzw. in den Retarderkreislauf entsprechend
dem momentanen Innendruck des Kreislaufs. Reguliert wird der Innendruck
des Retarderkreislaufs über
die Ölmenge
im Kreislauf.
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Zwischen
den Bremsphasen, wobei der Retarder als Getriebeölkühler dient, sind Rotor und
Stator des Retarders durch eine entsprechende Ansteuerung eines
Umschaltventils vom Kühlkreislauf
getrennt und mit dem Getriebesumpf verbunden.
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Nach
Umschaltung des Umschaltventils in den Bremsbetrieb befindet sich
eine definierte Menge Luft im Retarderkreislauf. Diese erlaubt durch
ihre Kompressibilität
im Bremsbetrieb in einem weit gespreizten Bereich die Ansteuerung
eines definierten Innendruckes durch entsprechende Regelung der Ölmenge im Ölkreislauf.
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Die
Befüllung
des leeren Gehäuses
mit dem Rotor und dem Stator erfolgt über eine Retarderpumpe, die
mit einer Standardübersetzung über die
Getriebeabtriebswelle gekoppelt ist. Neben der Befüllfunktion
hat die Retarderpumpe die Aufgabe, einen maximalen Leckagestrom
zu kompensieren. Wenn das Fördervolumen
der Pumpe zu gering ist, um den Retarderkreislauf bei Bremsmomentanforderungen ausreichend
schnell zu befüllen,
ist die Installation eines zusätzlichen
Speichers notwendig, der seinen Inhalt über eine Druckluftbetätigung in
den Retarderkreislauf überführt. Bei
anliegender Druckluft während
der gesamten Bremsphase am Speicher wird ein Zurückströmen von Öl in den Speicher verhindert.
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Das
Druckniveau des Kühlkreislaufs
wird durch ein Ventil mit einem Schaltwert von z. B. 1,5 bar vor
dem Ausgang in den Getriebesumpf bestimmt. Läuft während des Kühlbetriebs, d. h. bei ausgeschaltetem
Retarder, die Retarderpumpe mit, so stellt dies einen Schleppverlust
für den
Fahrzeugantrieb dar, so dass die Wahl des Innendrucks über dieses
Ventil einen Kompromiss zwischen Speicherbefüllgeschwindigkeit und Schleppverlusten
des Retarders bedeutet.
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1 zeigt
nun die Komponenten einer unter der Bezeichnung Intarder von der
Anmelderin angebotenen Dauerbremsanlage und deren Verbindungen untereinander.
Die Einstellung des Bremsmomentes ist dabei in mehreren Stufen möglich, wobei jeder
Bremsstufe ein entsprechender Innendruck des Retarderkreislaufs
zugeordnet ist und über
das Steuerventil an das Regelventil weitergeleitet wird. Das Regelventil
steuert die Abführung
bzw. Zuführung von Öl aus dem
Getriebesumpf in den Retarderkreislauf, wobei zwischen den Bremsphasen
das Rotor/Statorgehäuse
des Retarders durch Ansteuerung des Umschaltventils vom Kühlkreislauf
getrennt wird; die Befüllung
des leeren Rotor/Statorgehäuses
erfolgt über
die Intarderpumpe (= Retarderpumpe), die an die Getriebeabtriebswelle
gekoppelt ist. Bei geringem Fördervolumen
der Intarderpumpe erfolgt die Befüllung des Retarderkreislaufs
bei Bremsmomentanforderung durch den zusätzlich vorgesehenen Speicher,
der seinen Inhalt über
eine Druckluftbetätigung
in den Retarderkreislauf entleert. Die Druckluft liegt während der
gesamten Bremsphase am Speicher an und verhindert das Zurückströmen von Öl in den
Speicher.
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Bei
diesem bekannten Retardersystem wird der pneumatische Speicherbetätigungsdruck
von beispielsweise 9 bar zum Auspressen des Ölvorrates erst auf Umgebungsdruck
abgebaut, wenn der Speicher befüllt
werden soll und die Retarderpumpe hierfür Drucköl liefert. Aufgrund der Kompressibilität der Druckluft
und der begrenzten Ausströmöffnung wird der
Luftdruck im Inneren des Speichers nur langsam abgebaut. Das heisst,
dass Drucköl
erst einströmen kann,
wenn der Innendruck unter den Druck der Ölversorgungsleitung (üblicherweise
ca. 1,5 bar) abgefallen ist.
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Zur
schnelleren Wiederbefüllung
des Retarderspeichers ohne grundsätzliche konstruktive Veränderung
des bestehenden Retarderaufbaus wird nun erfindungsgemäss eine
Abkoppelung des Ölspeichers
vom Retarderkreislauf vorgeschlagen, wie es schematisch in 2 dargestellt
ist, welche den Speicher mit einem zugeordneten Ventil V zum Druckabbau
während
des Retarderbetriebs zeigt, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, die
Druckluftbeaufschlagung während
des Bremsbetriebes zurückzunehmen
und den Innendruck des Speichers abzubauen. Durch diese Massnahme
wird die Befüllzeit
durch den ganz oder teilweise abgebauten Gegendruck bei Start der
Speicherbefüllung
erheblich verkürzt.
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Durch
Vorsehen dieses zusätzlichen
Ventils V am Speicher muss jedoch das gesamte Speicheröl in einer
bestimmten Zeitspanne nach der Umschaltung des Retarders aus dem
Bremsbetrieb in den Kühlbetrieb
zum Speicher gefördert
werden. Hierdurch wird bei der angestrebten kurzen Wiederansprechzeit
ein hoher Befüllvolumenstrom
erforderlich. Dieser Befüllvolumenstrom
kann dadurch verringert werden, dass die Bremsphase zur Wiederbefüllung genutzt
wird. 3 zeigt schematisch die Entlüftung und Befüllung des
Speichers während
des Retarderbetriebes im Zusammenhang mit einem dem Speicher zugeordneten
Ventil V; bei Vorgabe einer Mindestdauer einer Bremsperiode steht
damit für
die Befüllung
des Speichers eine um die Bremsdauer verlängerte Zeitspanne zur Verfügung. Dadurch
sinkt der bei vorgegebener Wiederansprechzeit erforderliche Befüllvolumenstrom.
Die Befüllung
kann z. B. eigenständig über eine
in der Auspressphase gespannte Feder oder durch eine Pumpe beliebiger Bauart
unter Nutzung einer beliebigen Energiequelle des Fahrzeugs erfolgen.
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Die
Trennung des Speichers vom Retarderkreislauf durch ein Ventil, der
Abbau des Speicherbetätigungsdruckes
während
der Bremsphase sowie die Ölzufuhr
in den Speicher während
der Bremsphase kann gemäss
den 4 und 5 erfolgen, wobei eine eigenständige Ölleitung
zum Speicher vorgesehen ist. Gemäss 4 ist
der Speicher als selbstansaugender Speicher z. B. mittels einer
Rückstellfeder
ausgestaltet, die das vorgesehene Ventil V in Richtung Retarderkreislauf öffnet, jedoch
in Gegenrichtung schliesst. Gemäss 5 kann
eine elektrisch oder pneumatisch angetriebene über Gegendruck selbst steuernde
Pumpe P den Speicher mit Öl versorgen.
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Bei
diesen Lösungen
ist es möglich,
die bereits vorhandene Druckluftversorgung als Energiequelle zur
Wiederbefüllung
des Speichers zu nutzen. Dadurch entfallen die Kosten für einen
eigenständigen
Antrieb. Alternativ kann auch eine eigenständige Pumpe zur Ölförderung
verwendet werden.
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Bei
dem in 6 dargestellten schematischen Retardersystem wird
zur Erhöhung
der Förderkapazität die Intarderpumpe
eingesetzt, wobei eine Ölförderung über den
Retarderkreislauf ermöglicht
wird. Voraussetzung ist hierbei, mehr Öl als notwendig in den Retarderkreislauf
zu pumpen und in den Speicher ablaufen zu lassen, wodurch eine separate Ölleitung
zum Speicher eingespart wird. Bei dem System nach 6 erfolgt
die Speicherwiederbefüllung über ein
Speicherladeventil SpLV in Abhängigkeit
von der Stellung des Regelventils; zeigt die Stellung des Regelventils,
dass der Druck im Retarder zu hoch wird, wird das Speicherladeventil
geöffnet
und das überschüssige Öl in den
Speicher gefördert.
Alternativ ist die Anordnung eines Ventils zwischen Speicher und
Intarderkreislauf möglich,
d. h. dass die Regelung ausschliesslich über das Medium Öl stattfindet.
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7 zeigt
schematisch die Verwendung eines Speichersystems, welches unmittelbar
mit der Entleerung des Speichers die gleiche Ölmenge ansaugt und für eine neue
Betätigung
zur Verfügung stellt.
Diese Lösung
erfordert allerdings im Vergleich zu den anderen Ausführungsbeispielen
eine gesteigerte Förderleistung,
da gleichzeitig der Retarderkreislauf gefüllt und Öl aus dem Getriebe angesaugt werden
muss. Konstruktionstechnisch entspricht dieser Vorschlag der Installation
einer Pumpe, z. B. einer Tandempumpe T, die auf Anforderung den
Retarderkreislauf befüllt.
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8 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Koppelung von Retarderkreislauffüllung und Speicherfüllung. Bei
dieser Koppelung wird benötigtes Öl aus dem
Speicher entnommen und nicht mehr benötigtes Öl in den Speicher zurückgeleitet.
Hierdurch wird ein Zustand vermieden, bei dem nicht ausreichend Öl für ein schnelles
Ansprechen des Retarders zur Verfügung steht. Weiterhin kann überschüssiges Öl während der
Bremsphase in den Speicher zurückgeleitet
werden; während
der Befüllphase
wird nicht mehr Öl
in den Retarderkreislauf gefördert,
als dieser tatsächlich
benötigt.
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Dieses
System nutzt gleichzeitig die im Retarderkreislauf in Form von Druck
gespeicherte Energie pi zur Speicherbefüllung. Es
wird also keine zusätzliche
Energie zur Befüllung
aus einer Energiequelle des Fahrzeugs benötigt und ein Ölaustausch mit
dem Getriebe findet nur in verringertem Umfang statt.
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Bei
dem in 9 schematisch dargestellten Retardersystem wird überschüssiges Öl des Retarderkreislaufs
mit Hilfe des Drucks im Kreislauf in den Speicher zurückgeleitet.
Die Möglichkeit
der Speicherbefüllung
mit Hilfe der Intarderpumpe über den
Retarderkreislauf wird als zusätzliche
Sicherheit verwendet. Der kritische Zustand der gleichzeitigen Entleerung
von Speicher und Retarderkreislauf wird durch Rückspeisung des Öls in den
Speicher vermieden. Es ist ferner möglich, nur soviel Öl in den
Retarderkreislauf zu fördern,
wie entsprechend der angewählten
Bremsstufe benötigt
wird. Bei niedrigen Bremsstufen kann somit bereits eine Teilmenge
des Speicheröls
im Speicher verbleiben.
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Um
dies zu erreichen, ist am Speicher ein zusätzliches Regelventil 2 vorgesehen,
das die gleiche Funktion wie das im Ölkreislauf vorhandene Regelventil 1 aufweist.
Es reguliert entsprechend der Steuerdruckvorgabe den Zulauf aus
dem Speicher und während
der Bremsphase einen möglichen
Ablauf in den Speicher. Dazu ist lediglich erforderlich, dass das Regelventil 2 den
Ablauf in den Speicher ermöglicht, bevor
das Regelventil 1 den Ablauf in den Getriebesumpf freigibt.
Die Druckluftbeaufschlagung des Speichers erfolgt hierbei dergestalt,
dass eine Rückförderung
nicht behindert wird. Zusätzlich
kann das Regelventil 1 bei einem vollgefüllten Speicher
die Aufgabe des Regelventils 2 übernehmen.
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10 zeigt
nun das Zusammenspiel von Regelventil 1 und Regelventil 2 als
Funktion von Steuerdruck und Retarderdruck.
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Bei
dem in 11 dargestellten schematischen
Retardersystem ist der Speicher zwischen dem Regelventil und dem
Retarderkreislauf angeordnet. Die Befüllung des Kreislauf erfolgt
wieder über Druckluft,
während
die Regelung und der Abbau des Kreislaufdrucks über das Regelventil stattfindet.
Auf diese Weise wird Öl
aus dem Retarderkreislauf in den Speicher gedrückt. Der Speicher ist hierbei
als Ausführung
mit offenem Spiegel vorgesehen. Ein möglicherweise vergrössertes
Volumen des Druckbereiches ist hierbei auf einen definierten Innendruck einzuregeln,
während
die zuströmende
Druckluftmenge zu begrenzen ist, um keine Luft in den Retarderkreislauf
zu drücken.
Beim Abschalten des Retarders ist Druckluft aus dem Kreislauf in
die Umgebung bzw. in den Getriebesumpf abzuführen.