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Flüssigkeitsgetriebe.
Gegenstand der Erfindung ist ein Flüssigkeitsgetriebe (Strömungsgetriebe), in dem voneinander verschiedene Übersetzungsstufen dadurch erzielt werden, dass einzelne Schaufelräder in mehreren Funktionen arbeiten können. Wenn bei einem derartigen Getriebe neben einem oder mehreren Übersetzungsgängen auch ein sogenannter direkter oder Kupplungsgang vorgesehen ist, in welchem keine Drehmomentwandlung erfolgt, muss das Schaufelrad, das in den Übersetzungsstufen als Leitrad dient (es können auch mehrere solcher Räder vorhanden sein) und welches das Differenzdrehmoment zwischen dem Moment der treibenden und dem der getriebenen Welle an die feste Umgebung ableitet, von dieser getrennt werden.
Das Leitrad kann dabei entweder sich selbst überlassen werden (wobei es ohne Momentaufnahme oder-abgabe mit hiezu passender Drehzahl frei rotielt) oder an die treibende Seite zur Unterstützung der Pumpe oder an die getriebene Seite zur Unterstützung der Turbine angekuppelt werden, wobei Voraussetzung für jeden der beiden letzteren Fälle ist, dass die Beschaufelung des Rades in dem dann herrschenden Betriebszustand wirklich für die gewünschte Funktion (Pumpen-oder Turbinenwirkung) passt.
Als besonders zweckmässig hat es sich erwiesen, bei Getrieben dieser Art einen Drehmoment- übersetzungsgang und einen Kupplungsgang derart vorzusehen, dass der Leitapparat je nach dem auf der Antriebsseite geforderten Drehmoment selbsttätig und im richtigen Augenblick die Loslösung vom festen Gehäuse und die Ankupplung an den Abtriebsteil des Getriebes bzw. die umgekehrte Schaltmassnahme vollzieht und damit je nach Bedarf Drehmomentübersetzung oder Kupplungswirkung des Getriebes einstellt. Hiezu ist eine besondere Ausbildung und Anordnung des Leitapparates selbst sowie seine Kombination mit geeigneten Schaltorganen notwendig.
Zur Erläuterung des Wesens der Erfindung sollen zunächst die Vorgänge in einem derartigen Getriebe näher betrachtet werden : Beim Umschalten aus dem Momentübersetzungsbetrieb in den Kupplungsbetrieb ohne Momentwandlung muss zunächst das Schaufelrad, das vorher als Leitrad diente, von seiner bisherigen Verbindung mit der festen Umgebung gelöst werden. Man kann diesen Schaltvorgang dadurch automatisch gestalten, dass man ihn von dem Richtungssinn abhängig macht, in dem sich das zu schaltende Schaufelrad zu bewegen sucht.
Solange nämlich das Flüssigkeitsgetriebe das Antriebsmoment bei gleichem Drehsinn der treibenden und der getriebenen Welle in ein grösseres Abtriebsmoment verwandelt, muss-wie aus dem Momentensatz hervorgeht-ein im gleichen Sinn wie das Primärmoment drehendes Differenzmoment von aussen her auf das Leitrad wirken, damit Gleichgewicht der von aussen am Getriebe angreifenden Momente besteht, d. h. anders betrachtet : das Leitrad hat die Tendenz, sich entgegen der Drehrichtung der treibenden (und der getriebenen) Welle zu drehen. Daran muss es natürlich verhindert werden, damit es seine Funktion erfüllen kann, die darin besteht, das Differenzdrehmoment auf die feste Umgebung zu übertragen. Der Leitapparat stützt sich also rückwärts (d. h. entgegen dem Drehsinn der Laufräder) auf feststehende Teile des Getriebes (Gehäuse) ab.
Sinkt nun das auf der Abtriebsseite des Getriebes verlangte Drehmoment so weit, dass es gleich dem Antriebsmoment wird, so ist das Leitrad völlig entlastet. Wenn man nun das Leitrad nicht festhält, sondern sich selbst überlässt, so wird es bei der geringsten weiteren Entlastung anfangen, in der positiven Drehrichtung zu rotieren, u. zw. mit einer Drehzahl, bei der es an die Flüssigkeit keine Engie abgibt und aus ihr
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keine aufnimmt, es sei denn zur Überwindung der Reibung in seinen Lagern und der Radseitenreibung.
Das Getriebe arbeitet nun als reine Flüssigkeitskupplung. Die Schaltung des Leitrades, die in einem Festhalten im Übersetzungsbetrieb und einem Freigeben im Kupplungsbetrieb besteht, kann beispielsweise leicht durch ein Gesperre bewirkt werden, das das Leitrad beim Versuch einer Rückwärtsdrehung festhält, dagegen bei Vorwärtsdrehung freilässt..
In Fig. 1 der Zeichnung sind die Eigenschaften des Übersetzungsganges veranschaulicht. Während die Drehmomentaufnahme Mi bei konstanter Antriebsdrehzahl nI des Getriebes ungefähr konstant bleibt, fällt die Drehmomentabgabe. Mg bei steigender Abtriebsdrehzahl ns etwa linear ab. Das Getriebe passt sich also der Drehmomentbelastung auf der Abtriebsseite unter Veränderung seiner Abtriebsdrehzahl an (Hauptstromcharakteristik). Bei der Abtriebsdrehzahl M besteht Gleichheit der Momente an der treibenden und der getriebenen Welle des Getriebes. Hier ist, wie oben erwähnt, der Leitapparat völlig entlastet und beginnt sich-wenn er z. B. durch das obenerwähnte Gesperre freigegeben wirdbei über n2'liegenden Drehzahlen n2 im positiven Drehsinn zu drehen.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Falle des freigegebenen Leitapparates der gestrichelte Teil der Mi-Kurven nicht erreicht wird, dass vielmehr Gleichheit von M und M bestehen bleibt. Bei weiterer Entlastung auf der Abtriebsseite erfolgt mit Hilfe des Momentüberschusses von Ms (= M) gegenüber dem verlangten Drehmoment Beschleunigung der Abtriebsseite.
Wenn nun eine Kupplungssehaltung angestrebt wird, bei welcher das bisherige Leitrad nicht unbenutzt leerläuft, sondern auch im Kupplungsbetrieb ohne Momentübersetzung mit zur Leistungs- übertragung herangezogen werden soll, so muss es an die treibende oder getriebene Seite des Flüssigkeitsgetriebes angekuppelt werden, wobei vorauszusetzen ist, dass seine Beschaufelung auch hiebei für gute Leistungsübertragung geeignet ausgebildet ist, d. h. so, dass es oberhalb der Drehzahl 'als Turbine wirkt, u. zw. dann, wenn es an die Abtriebsseite angekuppelt ist, also mit deren Drehzahl rotiert. Der Erfindung liegt also nicht zuletzt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, die Beschaufelung des Leitrades so zu gestalten, dass sie, sowohl als Leitapparat wie auch als Turbine oder Pumpe verwendet, günstige Wirkungsgrade ergibt.
Die Fig. 2 zeigt ein in üblicher Weise gezeichnetes Geschwindigkeitsdiagramm für Eintritt oder Austritt des Arbeitsmittels bei Kreiselrädern. Es bedeutet : M die Umfangsgeschwindigkeit, w die Relativgeschwindigkeit gegenüber dem betreffenden Rad und c die Absolutgeschwindigkeit des Arbeitsmediums. c" sei die Komponente von c in Umfangsrichtung, e die Meridiankomponente, r der Radius bezogen auf die Getriebeachse. Der Index L bezeichnet die Grössen, die zu dem wechselweise schaltbaren Schaufelrad (Leitrad) gehören, und der Index X die zu dem vorausgehenden Schaufelrad gehörigen
Grössen, ferner e den Radeintritt und a den Radaustritt.
Dann ist der Drall der aus der vorhergehenden
Stufe austretenden Flüssigkeit und damit der Drall vor dem Leitrad
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und der Drall der aus dem Leitrad austretenden Flüssigkeit
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Die Dralländerung im Leitrad ist also
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Führt man nun die Drehzahlen nx und nL, sowie die Flüssigkeitsmenge Q (mysec) und die Radbreiten b"x und b"L ein, so kann man setzen
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und
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worin 2. 1'.'It. b den durchströmten Querschnitt an der betreffenden Stelle darstellt.
Setzt man diese Beziehungen in die Gleichung für die Dralländerung ein, so ergibt sich
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Nun ist bekanntlich das Drehmoment eines durchströmten Schaufelrades
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wobei (das spezifische Gewicht der Arbeitsflüssigkeit und g die Erdbeschleunigung bedeutet, also
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u. zw. bedeutet nach den obigen Ableitungen ein positiver Wert von M bzw. von A (C". r) L Pumpenwirkung und ein negativer Wert Turbinenwirkung. Bei der Drehzahl n2'ist gemäss Fig. 1 und den obigen Ausführungen
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Ebenso gilt bei frei rotierendem Leitapparat bei Abtriebsdrehzahlen oberhalb n2'die Beziehung ML = 0, da ja der frei rotierende Leitapparat, wie oben erwähnt, praktisch kein Drehmoment aufnehmen kann.
In diesem Fall errechnet sich die Drehzahl des frei rotierenden Leitapparates zu
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Als dem Leitapparat vorhergehendes Rad werde nun ein Turbinenrad gewählt. Dann ist nX = n2. Für nx = n2'muss nL = 0 sein. Dann gilt, wenn Q'die umlaufende Flüssigkeitsmenge bei M :'
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Damit ergibt sich durch Einsetzen in die Gleichung (2) für frei rotierenden Leitapparat
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In Fig. 3 ist der Verlauf von nL über n2 dargestellt. Gleichzeitig ist auch der Wert n2 nochmals über der Abszisse n2 aufgetragen, wobei zu beachten ist, dass der Ordinatenmassstab aus Platzgründen kleiner gewählt wurde, so dass die M-Linie nicht unter 45 , sondern flacher verläuft.
Von der Änderung der umlaufenden Wassermenge ist bei der Berechnung von nL zunächst noch abgesehen, was als An-
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Nun ist aus Gleichung (1) sofort zu ersehen, dass eine Vergrösserung von nL bei einem bestimmten nx bzw. Ma für einen gegebenen Leitapparat eine Zunahme des Dralls und damit des Drehmoments und eine Verkleinerung von nL eine Verkleinerung des Drehmoments verursachen wurde. Das heisst aber : Links oberhalb der jeweiligen nL-Kurve in Fig. 3 würde das Leitrad als Pumpe und rechts von der M,-Kurve als Turbine arbeiten, während es auf seiner nL-Kurve selbst kein Drehmoment aufnimmt oder abgibt. Wenn nun das Leitrad nicht freigegeben, sondern mit der Abtriebsseite gekuppelt wird, so läuft es mit der Drehzahl n2. Aus dem Vorstehenden ergibt sich also, dass das an die Abtriebsseite gekuppelte Leitrad rechts des Schnittpunktes P (bzw.
P') in Fig. 3 als Turbine arbeitet, u. zw. in um so stärkerem Masse, als die Kurve nL über die Kurve n2 steigt. Aus diesem Grunde und ferner damit der Leitapparat möglichst schnell Turbinenwirkung annimmt, sobald n2 über steigt, ist es notwendig, dass die Kurve für nL möglichst steil ansteigt.
Man muss also zur Erzielung eines befriedigenden Anstiegs der nL-Kurve r"L kleiner machen als fux. Dies bedeutet, dass der Leitapparat, wenn er durch entsprechendes Ankuppeln an die getriebene Seite mit zur Energieübertragung im Kupplungsgang des Getriebes herangezogen wird, als Zentripetalturbine arbeitet, d. h. von aussen nach innen durchströmt wird. Nun ist es eine im Turbinenbau allgemein bekannte Tatsache, dass in Zentripetalturbinen die durchströmende Flüssigkeitsmenge mit steigender Drehzahl gewöhnlich abnimmt. In besonderen Fällen kann einmal ein geringer Anstieg beobachtet werden. Keinesfalls aber wird eine wesentliche Zunahme von Q mit steigendem M erfolgen.
Dies be-
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Kurve durch P"in Fig. 3 verläuft, die an einer Versuchsausführung des Getriebes auch experimentell festgestellt wurde. (Sollte einmal in einer besonderen Ausführung der erwähnte geringe Anstieg von Q nicht durch entsprechende Ausbildung der Schauflung mit den bekannten Methoden vermeidbar sein, so wird er doch keine merkliche Schwächung des Anstiegs der nL-Linie mit sich bringen. )
Die vorangehenden Betrachtungen beziehen sich auf ein Leitrad, das hinter einem Turbinenrad angeordnet ist. Würde dagegen das dem Leitrad vorausgehende Rad ein Pumpenrad sein, dessen Drehzahl v, sich ja mit der Belastung auf der Abtriebsseite praktisch nicht ändert (vgl.
Fig. 1), so wäre
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Man sieht, dass hier nL höchstens infolge einer Abnahme von Q, also nur in viel geringerem Masse ansteigen könnte, als in dem Falle, in welchem dem Leitrad ein Turbinenrad vorausgeht, dessen Drehzahl ja bei Entlastung steigt.
Zur Erzielung raschen Überganges des Leitrades in eine kräftige Turbinenwirkung bei Entlastung des Getriebes muss also das Leitrad, in Durchströmungsrichtung betrachtet, hinter einem Turbinenrad angeordnet sein, u. zw. so, dass sein Austrittsdurchmesser kleiner ist als der Austrittsdurchmesser des vorhergehenden Turbinenrades. Damit kann nun eine automatische Umschaltung des Leitrades ermöglicht werden, die jeweils im genau richtigen Zeitpunkt in Tätigkeit tritt.
Dies geschieht dadurch, dass ausser dem bereits erwähnten Gesperre, das das Festhalten und Freigeben des Leitrades gegenüber dem Gehäuse besorgt, noch ein zweites einseitig wirkendes Kupplungsorgan (Gesperre) so zwischen dem Leitrad bzw. einem zu ihm gehörigen Teil und einem geeigneten Teil der Abtriebsseite des Getriebes eingebaut wird, dass es das Leitrad dann an die Abtriebsseite ankuppelt, sobald dieses die Tendenz hat, schneller umzulaufen als die Abtriebswelle. Die Ankupplung erfolgt also in dem Betriebspunkt P bzw. P'oder P"der Fig. 3. Steigt dann die Belastung des Getriebes auf der Abtriebsseite wieder, so sinkt die Drehzahl n2.
Das Leitrad bleibt schliesslieh hinter der Abtriebsseite zurück (was das Gesperre ohne weiteres gestattet), bleibt dann stehen und stützt sich endlich mit Hilfe des andern Gesperres, dessen Hemmungssinn umgekehrt ist, rückwärts gegen das feste Gehäuse ab, wodurch es dann wieder Leitrad wird und eine Drehmomentwandlung im Getriebe ermöglicht.
In Fig. 4 ist ein einfaches Getriebe dargestellt, das nach der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Mit der Antriebswelle 1 ist das Pumpenrad 3 verbunden. Die von diesem geförderte Flüssigkeit tritt in die Turbine 4 ein, die auf der Abtriebswelle 2 sitzt, gibt dort die in der Pumpe aufgenommene Energie ganz oder teilweise ab und gelangt durch das Schaufelrad 5 in das Pumpenrad zurück. Wird das Schaufelrad 5 festgehalten, so dient es als Leitapparat und das Getriebe arbeitet als Übersetzungsgetriebe mit Drehmomentwandlung, wobei das Differenzdrehmoment zwischen Antriebsmoment und Abtriebsmoment im Leitapparat aufgenommen und an die feste Umgebung (Gehäuse 7) abgeleitet wird.
Wird dagegen dass Schaufelrad 5 anstatt mit dem festen Gehäuse mit der Abtriebswelle verbunden, so entsteht eine Flüssigkeitskupplung, die eine Drehmomentübertragung 1 : 1 bewirkt. Das Schaufelrad J (Leitrad) ist nun entsprechend der oben abgeleiteten Vorschrift ausgebildet, nämlich mit einem Austrittsdurchmesser, der kleiner ist als der Austrittsdurchmesser der vorhergehenden Stufe, die erfindungsgemäss eine Turbinenstufe sein muss. Zwischen dem Teil'6, der das Schaufelrad 5 trägt, und dem festen Gehäuse 7 ist nun ein Gesperre 8 an sich bekannter Art eingebaut, das das Schaufelrad 5 dann festhält, wenn es versucht, sich entgegen der Drehrichtung des Pumpenrades zu drehen, das aber eine freie Drehung des Rades 5 in gleichem Drehsinn wie die Pumpe gestattet.
Ein weiteres Gesperre befindet sich zwischen dem Schaufelrad 5 und der Abtriebswelle 2. Dieses Gesperre 9 beginnt zu greifen, sobald das Schaufelrad 5 die Abtriebswelle 2 überholen will (also in Punkt P bzw. P'oder P"der Fig. 3), und es kuppelt dadurch das Rad 5 mit der Abtriebswelle. Diese Verbindung bleibt so lange bestehen, als das Rad 5 Turbinenwirkung hat.
Sobald es infolge steigender Momentbelastung der Abtriebswelle und damit sinkender Abtriebsdrehzahl wieder in die Pumpenwirkung überzugehen sucht, bleibt es hinter der Abtriebswelle zurück, sucht seine Drehrichtung umzukehren und wird dabei von dem Gesperre 8 an Gehäuse festgehalten, bis eine abermalige Entlastung auf der Abtriebsseite und Ansteigen der Abtriebsdrehzahl wieder Übergang des Rades 5 von der Leitapparatwirkung auf die Turbinenwirkung und somit Ankuppeln an die Antriebsseite mit Hilfe des Gesperres 9 in der oben geschilderten Weise bewirkt. Das Getriebe stellt seine beiden Gänge also vollkommen automatisch ohne jede Bedienung ein, u. zw. genau nach Bedarf.
Selbstverständlich können Turbine, Pumpe oder Leitrad oder mehrere dieser Teile gleichzeitig auch mehrstufig in dem einen Kreislauf ausgebildet sein. Beispielsweise kann, wenn die Turbine mehr-
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Turbinenstufe angeordnet sein, so dass die Betriebsflüssigkeit aus der Pumpe in die erste Turbinenstufe, von da in das Leitrad, aus diesem in die zweite Turbinenstufe und schliesslich in die Pumpe zurückströmt.