DE10141794A1

DE10141794A1 - Hydrodynamischer Retarder

Info

Publication number: DE10141794A1
Application number: DE10141794A
Authority: DE
Inventors: Frank Sauter; Bernhard Grupp; Gerhard Buri
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2001-08-25
Filing date: 2001-08-25
Publication date: 2003-03-20
Also published as: DE50213878D1; EP1288093A1; ATE444218T1; EP1288093B1

Abstract

Der hydrodynamische Retarder für ein Kraftfahrzeug weist einen Kreislauf zur Steuerung des Retarders (1) auf, mit einer Hydraulikpumpe (11), einem Wärmetauscher (3), einem Ventil (4, 5) und einer Steuer- und Regeleinheit (2), wobei das Fördervolumen der Pumpe (11) derart verstellbar ist, dass der Volumenstrom unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Gelenkwellendrehzahl oder Retarderdrehzahl einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Retarder für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Neben den Betriebsbremsen eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, die im Regelfall einem Verschleiß unterliegende Reibungsbremsen sind, werden zusätzliche Verzögerungseinrichtungen mehr und mehr auch vom Gesetzgeber gefordert und von den Fahrzeugherstellern angeboten.

Derartige verschleißfreie zusätzliche Verzögerungseinrichtungen in Form von Retardern und Motorbremsen können dazu verwendet werden, die Fahrzeuggeschwindigkeit im Gefälle konstant zu halten.

Zu den Retardern werden sowohl zusätzlich am Getriebe angeordnete hydrodynamische, hydrostatische oder elektrodynamische Bremseinrichtungen gezählt, sowie auch Systeme, die in Form eines "Intarders" innerhalb des Getriebegehäuses vorgesehen sind.

Retarder werden bei Nutzfahrzeugen vor allem eingesetzt, um die beispielsweise bei Bremsung aus hoher Fahrgeschwindigkeit anfallende kinetische Bremsenergie aufzunehmen und in Wärme umzusetzen, sind aber auch für geforderte Dauerbremsleistungen gut geeignet, beispielsweise bei lang andauernder Bergabfahrt.

Bei hydrodynamischen Retardern wird die Strömungsenergie einer Flüssigkeit zum Bremsen benutzt, wobei das physikalische Wirkprinzip dem einer hydrodynamischen Kupplung mit feststehender Turbine entspricht. Demnach weist ein hydrodynamischer Retarder einer sich im Leistungsfluß befindlichen Rotor und einen mit dem Retardergehäuse fest verbundenen Stator auf. Beim Betätigen des Retarders wird eine der gewünschten Bremsleistung entsprechende Ölmenge in den Schaufelraum eingebracht, wobei der drehende Rotor das Öl mitnimmt, das sich am Stator abstützt, wodurch eine Bremswirkung auf die Rotorwelle erzeugt wird.

Ein Beispiel einer Bremsanlage mit einem hydrodynami- schen Retarder ist in der DE-C-198 53 830 beschrieben. Der hydrodynamische Retarder weist dabei einen Rotor und einen Stator auf, die ihrerseits einen Arbeitsraum miteinander bilden sowie eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Arbeitsmediums, einen Vorratsbehälter zur Aufnahme des Arbeitsmediums und eine Steuereinrichtung zum Aufbringen eines Druckes auf das im Vorratsbehälter enthaltene Arbeitsmedium zwecks Einstellens des Kühlungsgrades des Arbeitsraumes, wobei Retarder und Kühleinrichtung im Bremsbetrieb in Sinne eines Kreislaufes vom Arbeitsmedium durchströmt werden. Das gesamte im Vorratsbehälter enthaltene Arbeitsmedium wird zur besseren Wärmeabfuhr in den Kreislauf eingebracht, wobei der Vorratsbehälter als Bestandteil des Kreislaufes durchströmt wird. Damit wird erreicht, dass sich das Arbeitsmedium aufgrund der nunmehr größeren aktiven Menge langsamer erwärmt, da die im Vorratsbehälter verbleibende Menge des Arbeitsmediums, die bis zu 50% der Gesamtölmenge betragen kann, zur Wärmeabfuhr mit herangezogen wird.

Zur Steuerung werden bei Retardern nach dem Stand der Technik im wesentlichen zwei verschiedene Prinzipien angewandt.

Zum einen werden pneumatische Steuerungssysteme eingesetzt, bei denen der Regeldruck des Retarders durch einen Luftdruck direkt auf den Arbeitsmedium- bzw. Ölspiegel eingestellt wird. Nachteilig ist hier das begrenzte Regelverhalten und die Notwendigkeit einer Arbeitsmedium-Luft- Trennungseinheit sowie das Vorhandensein einer fahrzeugseitigen Pneumatikversorgung.

Zum anderen werden Steuerungen eingesetzt, bei denen der hydraulische Druck durch eine permanent angetriebene Hydraulikpumpe, bevorzugterweise eine Zahnradpumpe, bereitgestellt wird. Nachteilig ist bei diesem Konzept der drehzahlabhängige Volumenstrom der verwendeten Pumpe, was insbesondere bei niedrigen Drehzahlen einen Befüllspeicher und bei hohen Drehzahlen große Ventil- und Strömungsquerschnitte erforderlich macht.

Es sind aus der DE 199 30 356 A1 der Anmelderin Automatgetriebe für Kraftfahrzeuge bekannt, mit einer Hydraulikpumpe zur Steuerung, Kühlung und Schmierung, deren Fördermenge eine Funktion der Motordrehzahl ist, wobei eine zusätzliche Hydraulikpumpe vorgesehen ist, die dem Hydraulikkreis des Getriebes zur Steuerung, Kühlung und Schmierung bedarfsgerecht zuschaltbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Retarder der eingangs genannten Art mit einer Hydraulikpumpe anzugeben, welcher mit einem sehr einfachen Aufbau und technischen Aufwand eine einfache Steuerung des Retarders und eine ideale Dimensionierung von Pumpe und Filter ermöglicht.

Zudem soll auf einen zusätzlichen Befüllspeicher verzichtet werden.

Ferner soll ein Verfahren zur Steuerung eines hydrodynamischen Retarders angegeben werden.

Diese Aufgabe wird für einen hydrodynamischen Retarder durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Steuern eines Retarders ist Gegenstand des Patentanspruchs 11. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den entsprechenden Unteransprüchen hervor.

Demnach wird vorgeschlagen, zur Betreiben eines Retarders eine Hydraulikpumpe einzusetzen, welche im Volumen verstellbar ist. In Betracht kommen hier im wesentlichen Radial- und Axial-Kolbenpumpen aber auch Flügelzellenpumpen sowie verstellbare Innenzahnradpumpen.

Mit derartigen Pumpen kann der Volumenstrom erfindungsgemäß unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Gelenkwellendrehzahl oder Retarderdrehzahl eingestellt werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Hydraulikpumpe so geschaltet bzw. geregelt, dass sich über einen weiten Drehzahlbereich ein konstanter Volumenstrom einstellt, der zum Befüllen und Regeln des Retarders ausreichend ist.

Diese Konstruktion weist den Vorteil auf, dass kein Befüllspeicher benötigt wird, wobei eine einfache Ansteuerung der Pumpe bei einem schnellen Ansprechverhalten gewährleistet ist. Außerdem ist die Ansprechzeit der Pumpe gleich der Wiederansprechzeit, so dass sich ein robustes zeitliches Verhalten ergibt.

Eine Weiterentwicklung sieht vor, dass die oben beschriebene Funktion der konstanten Förderung mittels eines Ventils abschaltbar oder auf einen niedrigeren Wert verstellbar ist. Eine Zuschaltung erfolgt dann nur im Bremsbetrieb. Als weiterer Vorteil ergibt sich eine geringere Leerlaufleistung im Nichtbremsbetrieb, da die Pumpe auf eine minimale Förderung oder eine Nullförderung gestellt werden kann. Dies resultiert zudem in einer relevanten Kraftstoffersparnis. Außerdem kann für den Fall eines gemeinsamen Ölhaushalts mit dem Getriebe die Getriebekühlung abgeschaltet werden.

Im Rahmen einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, für die Hydraulikpumpe zwei Schaltpositionen vorzusehen, wobei die Zuschaltung der Pumpe hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch erfolgen kann.

Eine Schaltposition entspricht dem Nichtbremsbetrieb und resultiert in einer Minimal- oder Nullförderung; die zweite Schaltposition entspricht dem Bremsbetrieb und veranlasst eine Vollförderung oder - wenn gewünscht - eine definierte Teilförderung.

Auch in diesem Fall wird kein Befüllspeicher benötigt; zudem ist eine einfache Ansteuerung der Pumpe bei einem schnellen Ansprechverhalten gewährleistet.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die Pumpe mittels einer variablen Größe, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch derart anzusteuern, dass sich ein gewünschter Druck, der zugleich Retarderdruck oder eine das Bremsmoment charakterisierende Größe ist, einstellt.

Diese Variante weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass die Pumpe die Regelfunktion übernimmt, wodurch ein Retarderregelventil nicht mehr erforderlich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
In dieser stellen dar:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Kreislaufs zur Steuerung des Retarders sowie der benötigten Elemente gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Fördermenge-Geschwindigkeits-Diagramm der Pumpe aus Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Ansicht des Kreislaufs zur Steuerung des Retarders sowie der benötigten Elemente gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Fördermenge-Zeit-Diagramm der Pumpe aus Fig. 3;
Fig. 5 ein Fördermenge-Zeit-Diagramm für eine variable Pumpe gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Ansicht des Kreislaufs zur Steuerung des Retarders und der benötigten Elemente gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 7 ein Ansteuerdruck-Retarderregeldruck-Diagramm für die Pumpe aus Fig. 6.
In den Figuren wird, um die Übersicht zu erleichtern, auf dem Fachmann bestens bekannte, übliche Merkmale eines hydrodynamischen Retarders, wie Rotor, Stator, Retardergehäuse verzichtet.
Gemäß Fig. 1 umfasst der Hauptkreislauf zur Steuerung eines hydrodynamischen Retarders 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine Steuer- und Regeleinheit 2, einen Wärmetauscher 3 und ein Umschaltventil 4. Ferner ist die Steuer- und Regeleinheit 2 mit Temperatursensoren für die Temperatur θ 6, verbunden, um die Temperatur zu überwachen. Des weiteren ist ein Drucksensor 7 zur Überwachung des Regeldrucks p vorgesehen. Die Steuer- und Regeleinheit 2 ist vorteilhafterweise mit dem CAN (Controller Area Network) verbunden. Die Steuer- und Regeleinheit 2 steuert ein Sicherheitsabschaltventil 8 und ein Proportionalventil 9 an. Der Regeldruck des Retarders wird mittels eines Regelventils 10 angesteuert.
Die Hydraulikpumpe 11 zum Fördern des Bremsmediums aus dem Retardersumpf 12 ist erfindungsgemäß so geschaltet bzw. geregelt, dass sich über einen weiten Drehzahlbereich ein konstanter Volumenstrom einstellt, der zum Befüllen und Regeln des Retarders ausreichend ist. Zu diesem Zweck ist eine mit einem Volumenregelventil 14 verbundene Verstellmechanik 13 vorgesehen. Zwischen Pumpe 11 und Retardersumpf 12 ist ein Filter 15 angeordnet.
In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Verhalten der Pumpe 11 in Form eines Fördermenge-Geschwindigkeits-Diagramms gezeigt: Wie der Figur entnehmbar, stellt sich ab einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit v ein nahezu konstanter, von der Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängiger Volumenstrom V ein.
Fig. 3 zeigt einem dem Aufbau gemäß Fig. 1 ähnlichen Aufbau. Zusätzlich zu den in Fig. 1 vorgesehenen Elementen ist ein weiteres Ventil 16 vorgesehen, welches im Bremsbetrieb den Hauptdruck begrenzt. Als Umschaltventil wird ein geändertes Umschaltventil 5 verwendet. Die Pumpe hat zwei definierte Schaltpositionen, welche mittels Leitung 18 angesteuert wird. Bevorzugterweise erfolgt eine Zuschaltung im Bremsbetrieb. Das Verhalten der Pumpe wird in der Fig. 4 anhand des gezeigten Fördermenge-Zeit-Diagramms erläutert: Die Zuschaltung erfolgt zu einem Zeitpunkt T_1; zum Zeitpunkt T_2 hat sich ein nahezu konstanter und von der Fahrzeuggeschwindigkeit unabhängiger Volumenstrom V eingestellt. Hierbei kann die Ansteuerung der Pumpe elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
Gemäß Fig. 5 kann im Rahmen einer weiteren Variante der Erfindung die Pumpe - ebenfalls elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch - so zugeschaltet bzw. angesteuert werden, dass mindestens zwei Schaltpositionen erreichbar sind. Besonders vorteilhaft ist die eine Schaltposition diejenige einer Null- oder Minimalförderung, geeignet für den Nichtbremsbetrieb, wohingegen die zweite einer Voll- oder einer definierten Teilförderung im Bremsbetrieb entspricht. In der Figur entspricht der Zeitpunkt T_1 dem Wechsel zwischen beiden Schaltpositionen.
Fig. 6 zeigt einen dem Aufbau gemäß Fig. 1 ähnlichen Aufbau. Im Gegensatz zum Aufbau gemäß Fig. 1 ist kein Retarderregelventil 10 erforderlich, da hier die Pumpe 11 über das Volumenregelventil 14 und die Verstellmechanik 13 mittels einer variablen Größe hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch derart angesteuert wird, dass sich ein gewünschter Druck, der zugleich Retarderdruck oder eine das Bremsmoment charakterisierende Größe ist, einstellt.
Das entsprechende Ansteuerdruck-Retarderregeldruck- Diagramm der Pumpe 11 ist Gegenstand der Fig. 7. Der sich einstellende Volumenstrom ist eine Funktion des Ansteuerdrucks und der Leckagen.
Die Fig. 8 zeigt die Anordnung nach Fig. 1 ohne die Verwendung des Volumenregelventils 14. Hier ist die Verstellmechanik 13 direkt angeschlossen an eine Leitung zwischen dem Umschaltventil 4 und dem Proportionalventil 9 einerseits und an eine Leitung zum Pumpenausgang andererseits. In dieser Anordnung lässt sich durch einfachen Aufbau das Ventil 14 einsparen.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen sind sowohl für einen gemeinsamen als auch für einen getrennten Ölhaushalt mit dem Getriebe geeignet; zudem sind sie sowohl bei Primär- als auch bei Sekundärretardern implementierbar. Bezugszeichen 1 Retarder
2 Steuer- und Regeleinheit
3 Wärmetauscher
4 Umschaltventil
5 Umschaltventil
6 Temperatursensor
7 Drucksensor
8 Sicherheitsabschaltventil
9 Proportionalventil
10 Regelventil
11 Hydraulikpumpe
12 Retardersumpf
13 Verstellmechanik
14 Volumenregelventil
15 Filter
16 Druckbegrenzungsventil
18 Leitung

Claims

1. Hydrodynamischer Retarder für ein Kraftfahrzeug mit einem Kreislauf zur Steuerung des Retarders (1), der eine Hydraulikpumpe (11), einen Wärmetauscher (3), ein Ventil (4, 5) und eine Steuer- und Regeleinheit (2) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der Pumpe (11) verstellbar ist, derart, dass der Volumenstrom unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Gelenkwellendrehzahl oder Retarderdrehzahl einstellbar ist.

2. Hydrodynamischer Retarder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom der Pumpe (11) über eine Verstellmechanik (13) einstellbar ist.

3. Hydrodynamischer Retarder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom der Pumpe (11) über ein Ventil (14) und die damit verbundene Verstellmechanik (13) einstellbar ist.

4. Hydrodynamischer Retarder nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (11) derart schaltbar und/oder regelbar ist, dass sich über einen weiten Drehzahlbereich ein in etwa konstanter Volumenstrom einstellt, der zum Befüllen und Regeln des Retarders ausreichend ist.

5. Hydrodynamischer Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in etwa konstante Volumenstrom der Pumpe (11) mittels eines Ventils (16) abschaltbar und/oder auf einen niedrigeren Wert verstellbar ist.

6. Hydrodynamischer Retarder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hydraulikpumpe (11) mindestens zwei Schaltpositionen vorgesehen sind.

7. Hydrodynamischer Retarder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltposition einer Null- oder Minimalförderung im Nichtbremsbetrieb und dass eine weitere Schaltposition einer Voll- oder einer definierten Teilförderung im Bremsbetrieb entspricht.

8. Hydrodynamischer Retarder nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) über ein Regelventil (14) und die Verstellmechanik (13) mittels einer variablen Größe, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch derart ansteuerbar ist, dass ein gewünschter Druck, der der Retarderdruck oder eine das Bremsmoment charakterisierende Größe ist, einstellbar ist.

9. Hydrodynamischer Retarder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit dem Getriebe einen gemeinsamen Ölhaushalt aufweist.

10. Hydrodynamischer Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er einen eigenen Ölhaushalt aufweist.

11. Hydrodynamischer Retarder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpe (11) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch ansteuerbar bzw. zuschaltbar ist.

12. Verfahren zur Steuerung eines hydrodynamischen Retarders mit einer Hydraulikpumpe (11), dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der Pumpe (11) verstellt wird, derart, dass der Volumenstrom unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Gelenkwellendrehzahl oder Retarderdrehzahl eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom der Pumpe (11) über eine Verstellmechanik (13) eingestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom der Pumpe (11) über ein Ventil (14) und die damit verbundene Verstellmechanik (13) eingestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (11) derart geschalten und/oder geregelt wird, dass sich über einen weiten Drehzahlbereich ein in etwa konstanter Volumenstrom einstellt, der zum Befüllen und Regeln des Retarders ausreicht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der in etwa konstante Volumenstrom der Pumpe (11) mittels eines Ventils (16) auf einen maximalen Druck begrenzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulikpumpe (11) mindestens in zwei Schaltpositionen schaltbar ist, wobei eine Schaltposition einer Null- oder Minimalförderung im Nichtbremsbetrieb und dass eine weitere Schaltposition einer Voll- oder einer definierten Teilförderung im Bremsbetrieb entspricht.

18. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) über ein Regelventil (14) und eine Verstellmechanik (13) mittels einer variablen Größe, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch derart angesteuert wird, dass ein gewünschter Druck, der der Retarderdruck oder eine das Bremsmoment charakterisierende Größe ist, eingestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch ansteuert bzw. zugeschaltet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem hydrodynamischen Retarder nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.