Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungsvorrichtung umfassend einen hydrodynamischen Wandler, eine mechanische Kupplung, eine Antriebswelle und eine Ausgangswelle, wobei der hydrodynamische Wandler ein Pumpenrad, ein Turbinenrad und ein Leitrad umfasst, wobei das Leitrad verstellbare Leitradschaufeln umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftübertragungsvorrichtung.

Aus dem Stand der Technik ist die DE 100 39 813 C1 bekannt, die einen Maschinensatz zeigt, wobei der Maschinensatz einen kuppelbaren hydrodynamischen Wandler umfasst. Die DE 100 39 813 C1 zeigt, dass schlupfbehaftete Kupplungen, wie Reibkupplungen für große übertragene Leistungen nicht geeignet sind. Eine Schaltung der Kupplung mittels Regelung ist dabei nicht vorgesehen. In dem Einsatzfeld der hydrodynamischen Wandler in Kraftübertragungsvorrichtungen, die große Leistungen größer 10 MW übertragen, ist das Schalten von Kupplungen weiterhin sehr schwierig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftübertragungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftübertragungsvorrichtung bereitzustellen, die ein effizientes und materialschonendes automatisches Kuppeln ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Kraftübertragungsvorrichtung gelöst, wobei die Kraftübertragungsvorrichtung zwei Sensoren umfasst, geeignet die Phasenlage einer Welle zu erfassen, wobei der erste Sensor an der Antriebswelle angeordnet ist und der zweite Sensor an der Ausgangswelle angeordnet ist, wobei mittels einer Regeleinheit die verstellbaren Leitradschaufeln derart angepasst werden, dass ein Schaltvorgang der mechanischen Kupplung in einem definierten Lastzustand zwischen Pumpenrad und Turbinenrad erfolgt. Die Antriebswelle ist dabei geeignet mit einer gleichlaufenden Antriebsmaschine betrieben zu werden und kann als Hohlwelle, Vollwelle oder Gelenkwelle ausgeführt werden. Die Ausgangswelle kann ebenfalls als Hohlwelle oder Vollwelle ausgeführt werden, und mit einer Arbeitsmaschine oder einem Getriebe verbunden sein. Vorteilhaft kann über die Ausgangswelle auch eine mechanische Kupplung betätigt werden, wobei eine Kupplungsstange innerhalb der Ausgangswelle angeordnet ist. Der definierte Lastzustand kann einen Belastungswechsel umfassen, bei dem der Zeitpunkt über die Sensoren ermittelt wird, in dem die Kupplung lastfrei ist.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung wobei zumindest einer der Sensoren einen Weg-Sensor umfasst, insbesondere einen Keyphasor umfasst.

Für ein präzises Schalten ist es wichtig die genaue Position der Welle zu erfassen. Ein Weg-Sensor kann dabei zumindest eine radial umfänglich auf der Oberfläche der Welle angeordnete Bohrung oder Markierung erfassen. Die Erfassung der Bohrung oder Markierung durch den Sensor kann dabei optisch, magnetisch oder induktiv erfolgen. Für eine präzise Erfassung der Rotation bzw. der Oberflächengeschwindigkeit der Welle ist es wichtig eine schnelle Messung zu ermöglichen. Die Sensoren müssen daher geeignet sein, mittels schneller Taktung präzise Messungen jeder Umdrehung der Welle zu erfassen. In der Praxis haben Sensoren mit einer Mess-Rate von mehr als 100 Messwerten pro Sekunde eine erfindungsgemäße Schaltung der mechanischen Kupplung ermöglicht. Insbesondere eine Mess-Rate von 1000 bis 20.000 Messwerten pro Sekunde ist für die Erfindung vorteilhaft. So lassen sich Rotationsmessungen der Welle im Bereich von 200 - 20.000 Umdrehungen pro Minute messen, wobei dieser Drehzahlbereich den üblichen Geschwindigkeiten der Kraftübertragungsvorrichtung entspricht.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung wobei zumindest einer der Sensoren einen Drehzahlsensor umfasst. Weg-Sensoren sind auch weitere Sensoren zur präzisen Messung der Drehzahl bekannt, beispielsweise optische Sensoren. Diese Sensoren können ebenfalls verwendet werden, wenn sie die Drehzahl mit einer hohen Präzision auflösen können.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung, wobei zumindest einer der Sensoren ein Drehmomentsensor umfasst. Eine direkte Erfassung des von der Welle übertragenen Drehmoments kann über ein Erfassen der Torsionsbiegung in der Welle erfolgen. Auch ein Drehmomentsensor kann eine effiziente, geregelte Schaltung einer Kupplung ermöglichen. Sollte der Drehmomentsensor auf der Welle angeordnet sein, kann eine berührungslose Übertragung der Messwerte und/oder der für die Messung erforderlichen Energie zwischen Welle und Gehäuse vorgesehen sein, beispielsweise mittels einer Funkverbindung oder Induktion.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung, wobei die mechanische Kupplung als Klauenkupplung ausgeführt ist, geeignet die Antriebswelle und die Ausgangswelle mechanisch zu kuppeln. Eine Klauenkupplung bietet hier den Vorteil leichte axiale Verschiebungen auszugleichen, die beispielsweise aufgrund von thermischen Veränderungen entstehen können.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung, wobei die mechanische Kupplung als Zahnkupplung ausgeführt ist, geeignet das Pumpenrad und das Antriebsrad mechanisch zu kuppeln. Bei einer Zahnkupplung ist eine präzise und schnelle Schaltung besonders wichtig, um Reibung und Verschleiß an den Zähnen zu vermindern. Bei großen Drehzahlen besteht sonst zudem die Gefahr, dass Teile der Zähne brechen, oder Verschleiß die Kupplung vorzeitig beschädigt. Der ideale Zeitpunkt eine Zahnkupplung zu schalten ist ein lastfreier synchroner Zustand, bei dem die Zähne der beiden Kupplungshälften nicht direkt ineinandergreifen.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung, wobei die mechanische Kupplung mittels Regelvorrichtung gekuppelt werden kann, wobei die mechanische Kupplung einen Ein-ZAusrückaktuator umfasst. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ein-ZAusrückaktuator so ausgelegt ist, dass ein besonders schneller Kuppelvorgang ermöglicht wird. Vorteilhaft ist dabei ein Ein-ZAusrückaktuator, der mittels Regelung einen Kupplungsvorgang in einer Zeit von 1 bis 2000 Millisekunden ausführen kann, insbesondere in einer Zeit von 10 bis 500 Millisekunden. Ein Ein-/Ausrückaktuator ist dabei ein mechanischer Aktuator, der geeignet ist, die Kupplung derart zu bewegen, dass ein Einkuppeln oder Auskuppeln ermöglicht wird. Der Ein-/Ausrückaktuator kann dabei hydraulisch, pneumatisch oder mittels elektromagnetischer Kraft betrieben werden.

Weiterhin vorteilhaft ist eine Kraftübertragungsvorrichtung, wobei die Regelvorrichtung eine schnelle Signalverarbeitung umfasst, mit einer Taktung größer 100 kHz, insbesondere von 100 kHz bis 100 MHz. Bei den Entwicklungsarbeiten im Rahmen dieser Erfindung hat sich gezeigt, dass ein automatisierter Kupplungsvorgang erst mittels moderner Regel- und Steuertechnik sowie schnellen Sensoren und Aktuatoren möglich ist. Aufgrund der hohen übertragenen Leistungen und hohen Drehzahlen ermöglicht eine schnelle Steuerung, in Verbindung mit schneller Sensorik und kräftigen Aktuatoren erst einen sicheren Schaltvorgang der verwendeten Kupplung. Die Taktung der Steuerung ist vorteilhaft geeignet Steuersignale in einer Zeit von 0,01 bis 10 Millisekunden zu verarbeiten bzw. weiterzugeben.

Weiterhin vorteilhaft ist eine mechanisch-hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung, umfassend einen hydrodynamischen Wandler, eine mechanische Kupplung, eine Antriebswelle, eine Ausgangswelle und ein mechanisches Getriebe, wobei der hydrodynamische Wandler ein Pumpenrad, ein Turbinenrad und ein Leitrad umfasst, wobei das Leitrad verstellbare Leitradschaufeln umfasst, wobei die mechanisch-hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung zumindest zwei Sensoren umfasst, geeignet die Phasenlage einer zugeordneten Welle zu erfassen, wobei der erste Sensor an der Antriebswelle angeordnet ist und der zweite Sensor an der Ausgangswelle des hydrodynamischen Wandlers angeordnet ist, wobei mittels einer Regelvorrichtung die verstellbaren Leitradschaufeln derart angepasst werden, dass ein Schaltvorgang der mechanischen Kupplung und ein Schaltvorgang des mechanischen Getriebes in einem definierten Lastzustand zwischen Pumpenrad und Turbinenrad erfolgen. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kraftübertragungsvorrichtung noch ein weiteres schaltbares Getriebe. Die Regelvorrichtung in Verbindung mit den Sensoren und Kupplungsaktuatoren kann dabei auch genutzt werden, um ein effizientes und materialschonendes Schalten des schaltbaren Getriebes zu erreichen.

Weiterhin vorteilhaft ist eine mechanisch-hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung, wobei das mechanische Getriebe ein Planetengetriebe oder ein Stirnradgetriebe ist. Insbesondere bei schaltbaren Planetengetrieben ist ein Schalten bei geringer Last oder in einem Lastfreien Zustand vorteilhaft, um Reibung an den Zahnrädern zu minimieren. Bei Stirnradgetrieben ist ein zu oder abschalten einzelner Verbraucher ebenfalls bei einem Definierten Lastzustand vorteilhaft, um den Verschleiß zu reduzieren und die Verbraucher zu entlasten.

Weiterhin vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftübertragungsvorrichtung, umfassend einen hydrodynamischen Wandler, eine mechanische Kupplung, eine Antriebswelle und eine Ausgangswelle, wobei der hydrodynamische Wandler ein Pumpenrad, ein Turbinenrad und ein Leitrad umfasst, wobei das Leitrad verstellbare Leitradschaufeln umfasst, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden

• Erfassen der Phasenlage an der Antriebswelle und Ausgangswelle mittels jeweils zumindest einem Sensor

• Übermitteln der Sensorwerte an eine Regelvorrichtung

• Angleichen der Drehzahl von Pumpenrad und Turbinenrad durch

Verstellen der verstellbaren Leitradschaufeln mittels Regelvorrichtung

Schalten der mechanischen Kupplung wobei das Pumpenrad und das Turbinenrad gleichlaufend gekuppelt werden, wobei ein von der Regelvorrichtung gesteuerter Ein-ZAusrückaktuator verwendet wird. Auch in dem Verfahren können die Sensoren vorteilhaft einen Weg-Sensor, insbesondere einen sogenannten Keyphasor, einen Drehzahlsensor oder einen Drehmomentsensor umfassen. Die gewählten Sensoren sind vorteilhaft geeignet mit hoher Präzision und hoher zeitlicher Auflösung zu messen.

Für das Schalten der mechanischen Kupplung wird vorteilhaft ein schnell laufender Ein-/Ausrückaktuator verwendet. Die Regelvorrichtung ist dabei geeignet den Ein-/Ausrückaktuator derart zu schalten, dass ein Kuppelvorgang in einer Zeit von 1 bis 5000 Millisekunden ausgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist ein Kuppelzeit von 10 bis 500 Millisekunden.

Weiterhin vorteilhaft ist ein Verfahren, wobei die folgenden weiteren Verfahrensschritte ausgeführt werden:

• Befüllen des hydrodynamischen Wandlers mit Hydraulikmedium, sofern er nicht bereits befüllt ist,

• Verstellen der Leitradschaufeln mittels Regelvorrichtung, wobei die Lastübertragung über zwischen Pumpenrad und Turbinenrad mittels Hydraulikmedium erfolgt, und Kupplung Lastfrei geschaltet ist,

• Öffnen der mechanischen Kupplung im entlasteten Zustand der mechanischen Kupplung, wobei Drehzahl und Drehmoment zwischen Antriebswelle und Ausgangswelle wieder über den hydrodynamischen Wandler übertragen werden.

Das Auskuppeln der mechanischen Kupplung erfolgt dabei in einem Zustand, bei dem der hydrodynamischen Wandler die Drehzahl und das Drehmoment wieder weitgehend oder vollständig übertragen kann. So kann die mechanische Belastung der mechanischen Kupplung reduziert werden. Bei einer Klauenkupplung oder einer Zahnkupplung werden Undefinierte Zustände der Kraftübertragung reduziert und Reibung zwischen den Kupplungshälften wird vermindert. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig.1 Schematische Darstellung Kraftübertragungsvorrichtung

Fig.2 Schematische Darstellung Kraftübertragungsvorrichtung ausgekuppelt Fig.3 mechanisch hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung

Figur 1 zeigt eine schematische nichtmaßstäbliche Darstellung einer Kraftübertragungsvorrichtung 1 mit Merkmalen der Erfindung. Die Antriebswelle 4 ist dabei mit dem Pumpenrad 6 verbunden. Das Pumpenrad 6 ist geeignet Hydrauliköl in Richtung des Turbinenrades 7 zu befördern, wobei das Turbinenrad 7 angetrieben wird. Drehzahl und Drehmoment die von dem Pumpenrad 6 an das Turbinenrad 7 übertragen werden, können mittels Leitrad 8 verändert werden. Das Leitrad 8 verfügt über variabel einstellbare Leitradschaufeln 9. Zwischen Pumpenrad 6 und Turbinenrad 7 ist eine mechanische Kupplung 3 angeordnet. Die mechanische Kupplung 3 kann dabei als Klauenkupplung oder Zahnkupplung ausgeführt sein. Wird die mechanische Kupplung 3 eingekuppelt, verbindet sie das Pumpenrad 6 und das Turbinenrad, die Funktion des hydrodynamischen Wandlers 2 kann so abgeschaltet werden. Wird aus dem hydrodynamischen Wandler 2 im eingekuppelten Zustand das Hydrauliköl entfernt, können die Reibungsverluste in dem hydrodynamischen Wandler 2 minimiert werden. Es kommt so zu einer Bypass-Schaltung und die Kraftübertragungsvorrichtung 1 kann ohne hydrodynamischen Wandler 2 reibungsarm betrieben werden. Auf der Antriebswelle 4 und der Ausgangswelle 5 sind Sensoren 10 angeordnet, wobei auf der Antriebswelle 4 ein erster Sensor 11 und auf der Ausgangswelle 5 ein zweiter Sensor 12 angeordnet sind. Die Sensoren 10, 11 , 12 können die Lage, Drehzahl oder das Drehmoment der zugeordneten Welle 4,5 erfassen. Besonders vorteilhaft sind hier Weg-Sensoren zu verwenden, um eine Phasenlage der Welle zu messen. Die verwendeten Weg-Sensoren sind auch als Keyphaser bekannt, und können mittels Induktion oder Optik die genaue Winkelposition, Oberflächengeschwindigkeit oder Drehzahl der zugeordneten Welle erfassen. Der unterschiedliche Messwert zwischen erstem und zweitem Sensor 11 ,12 liefert dabei Informationen zu übertragenem Drehmoment und übertragener Drehzahl in dem hydrodynamischen Wandler 2. Die Messwerte der Sensoren 10, 11 , 12 werden an eine Regelvorrichtung 13 übertragen, wobei die Übertragung kabelgebunden oder kabellos beispielsweise über ein Funkverbindung erfolgen kann. Die Regelvorrichtung 13 ist dabei geeignet mittels Verstellung der Leitradschaufeln 9 die Übertragung von Drehzahl und Drehmoment zu beeinflussen.

Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der in Figur 1 dargestellten Kraftübertragungsvorrichtung. Hier ist die mechanische Kupplung 3 in einem ausgekuppelten Zustand dargestellt. Dabei kann die mechanische Kupplung 3 vorteilhaft als Klauenkupplung oder Zahnkupplung ausgeführt sein. Insbesondere kann die Kupplung vorteilhaft ausgeführt sein einen Wellenversatz aufgrund von thermischer Ausdehnung im eingekuppelten Zustand zu kompensieren.

Figur 3 zeigt eine nicht maßstäbliche schematische Darstellung einer mechanisch hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung 15 mit Merkmalen der Erfindung. Die Kraftübertragungsvorrichtung 1 aus den vorhergehenden Darstellungen wurde hier mit einem mechanischen Getriebe 16 ergänzt. Dabei ist das Getriebe 16 nach dem zweiten Sensor 12 an der Ausgangswelle angeordnet, und geeignet eine oder mehrere Antriebsmaschinen mit variabler Drehzahl zu betreiben. Das mechanische Getriebe 16 kann dabei als Planetengetriebe oder als Stirnradgetriebe ausgeführt werden. Der hydrodynamische Wandler 2 kann dabei besonders vorteilhaft zum An- oder Abfahren der Arbeitsmaschine eingesetzt werden, um hier das Drehmoment und/oder die Drehzahl entsprechend gleichmäßig zu verändern. Die mechanisch hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung 15 kann zusätzlich einen nicht bildlich dargestellten dritten Sensor auf der Ausgangsseite des mechanischen Getriebes 16 aufweisen. Mittels der Messwerte aus den Sensoren 10 und der Regelvorrichtung 13 kann das mechanische Getriebe 16 ebenfalls in einem günstigen Lastfall geschaltet werden.

Bezugszeichenliste

1 Kraftübertragungsvorrichtung

2 hydrodynamischen Wandler 3 mechanische Kupplung

4 Antriebswelle

5 Ausgangswelle

6 Pumpenrad 7 Turbinenrad

8 Leitrad

9 Leitradschaufel

10 Sensor

11 erster Sensor 12 zweiter Sensor

13 Regelvorrichtung

14 ausgekuppelter Zustand

15 mechanisch hydrodynamische Kraftübertragungsvorrichtung

16 mechanisches Getriebe