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Flüssigkeitskupplung nach Art der Föttingergetriebe.
Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitskupplung nach Art der Föttingergetriebe mit einem ringförmigen hydraulischen Kreislauf für die Arbeitsflüssigkeit, der durch einen Treiber und einen dazu koaxialen Läufer, beide mit Schaufeln ausgestaltet, gebildet wird. Die Anordnung ist derart getroffen, dass die Arbeitsflüssigkeit aus dem Treiber unmittelbar in den Läufer und von dort wieder unmittelbar zurück in den Treiber tritt, so dass das Übersetzungsverhältnis der Drehmomente 1 : 1 ist. Es sind Mittel vorgesehen, den Flüssigkeitsgehalt des hydraulischen Kreislaufes während des Laufs der Kupplung zu verändern.
Derartige Kupplungen können so gebaut sein, dass sie trotz verhältnismässig geringer Grösse die Energie mit hohem Wirkungsgrad übertragen, beispielsweise mit mehr als H8"/o, wenn der Kreislauf gefüllt ist. Unter gewissen Betriebsbedingungen jedoch treten bei solchen mit hohem Wirkungsgrad ausgezeichneten Kupplungen heftige Schwankungen im Wert des übertragenen Drehmoments auf. Beispielsweise sei eine bekannte Anordnung betrachtet, bei welcher eine Vulkankupplung mit den treibenden und den getriebenen Schaufeln in Ebenen, welche die Kupplungsachse enthalten, zwischen eine Treibmaschine und eine getriebene Maschine von hoher Trägheit geschaltet ist.
Bei dieser Anordnung lässt sich bei laufender Treibmaschine die getriebene Maschine aus dem Ruhezustand in Bewegung setzen, indem man dem Flüssigkeitskreislauf der Kupplung Flüssigkeit zuführt, und die getriebene Maschine lässt sich verzögern oder stillsetzen, indem man den Kreislauf teilweise oder ganz leert. Hier hat sich nun gezeigt, dass beim Beschleunigen oder Verzögern der getriebenen Maschine je nachdem bis zu einer gewissen Geschwindigkeit und bei hohem Schlupf unerwünschte Drehmoment- anstiege auftreten, u. zw. so beträchtliche. dass die Anordnung für gewisse Verwendungsfälle unbrauchbar wird.
Versuche legen folgende Erklärung dafür nahe : Angenommen, die treibende Maschine läuft mit voller Geschwindigkeit und die getriebene steht still bei leerem Kreislauf. Jetzt wird Flüssigkeit in die Kupplung gespeist und infolge der hohen Relativgeschwindigkeit werden Flüssigkeitsteilchen gegen die feststehenden Läuferschaufeln geschleudert ; dem Läufer wird ein zum Überwinden des Belastungswiderstandes hinreichendes Drehmoment aufgedrückt. Unter diesen Umständen - eine waagrechte Kupplungsachse vorausgesetzt - fürht die Schwerkraft dazu, dass Flüssigkeit im oberen Teil des Läufers nach dem Einlass des Treiberkreislaufes zurückstrebt, während Flüssigkeit im unteren Teil de. s Läufers nach dem äussersten Teil des Kreislaufs strebt.
Somit entsteht ein Teilumlauf der Flüssigkeit zwischen dem Treiber und dem Läufer von geniigendem Ausmass, um das erforderliche Anlaufdrehmoment zu erzeugen.
Wenn nun der Läufer ungefähr ein Dritte) der Treibergeschwindigkeit erreicht, so genügt die auf der Läuferdrehung beruhende Fliehkraft, die Rückbeförderung nach dem Treibereinlass infolge der Schwerkraft zu iberwinden, und es'wird daher die Flüssigkeit im Läuferkreislauf nach dessen äusserstem Teil geschleudert, wo sie sich sammelt. Der Teilumlauf, der bisher zum Beschleunigen des Läufers aus dem Ruhezustande wirksam war, hört daher auf. In diesem Zustande wird die Flüssigkeit im äussersten Teil des Läuferkreislaufes durch den
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Der Rauminhalt des Flüssigkeitsringes, der sich jetzt am äussersten Teil des Läuferkreislaufes gesammelt hat, nimmt wegen des weiteren Füllens und wegen der Fliehkraft, welche den radial nach innen gelegenen Teil des Kreislaufes weiter entleert, oder auch aus beiden Gründen zu, bis er den radial nach innen gelegenen Teil des Kernleitringes im hydraulischen Kreislauf überflutet und damit einen Wirbelkreislauf um diesen Ring einleitet.
In ähnlicher Weise beginnt auch bei Kupplungen ohne Kemleitring, sobald der Rauminhalt der im äussersten Teil des Läufers angesammelten Flüssigkeit einen kritischen Wert übersteigt, eine Wirbelbewegung an die Stelle des vorausgehenden unbestimmten Aufwühlens zu treten.
Infolge der so hervorgerufenen schwachen Wirbelbewegung verkleinert sich der Winkel, den der aus dem Treiber kommende Flüssigkeitsstrom mit den Läuferschaufeln bildet, mit dem Ergebnis, dass der Umlauf kräftiger wird, der Winkel sich daher noch weiter vermindert, bis plötzlich ein flacher, aber sehr kräftiger Wirbelring vorhanden ist, und das Drehmoment plötzlich auf einen sehr hohen Wert ansteigt.
Dieser Zustand bleibt aber nicht, sondern der
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gehört :
Die hohe Umlaufgeschwindigkeit schafft einen plötzlichen Riickdruck, der Flüssigkeit aus
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abgeänderten Kupplungsform, gewisse Teile weggehrochen ; Fig. 7 eine Abwicklung der Schaufeln nach Fig. 6, radial nach innen gesehen.
Nach Fig. 1-3 umfassen der Treiber und der Läufer Mantelschalen 3 bzw. 4, deren Naben auf eine Treibwelle 1 bzw. eine Getriebewelle 2 gekeilt sind. Diese Mäntel liegen aufeinander zugekehrt und bilden eine ringförmige Kreislaufkammer mit einem Kernleitring, der aus gleichartigen Ringen 6 und 7 zusammengesetzt ist. Die Ringe werden am Treiber bzw. Läufer durch Gruppen abwechselnd langer und kurzer Schaufeln-8 und 9 am Treiber, 10 und 11 am Läufer - gehalten. Der hydraulische Kreislauf wird also durch die Mantelschalen und die Kernleitringe begrenzt. und die den Kreislauf bildenden Flüssigkeitsdurchlässe befinden sich zwischen benachbarten Schaufeln 8 und 9 am Treiber sowie benachbarten
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zwischen Treiber und Läufer liegen in einer gemeinsamen, zur Kupplungsdrehachse senkrechten Ebene.
Ein Schalengehäuse 5, das am Umfang des Treibermantels 3 befestigt ist, umschliesst die Rückseite des Läufers und bildet zusammen mit dem Treiber eine geschlossene Arbeitskammer. Nahe dem Umfang des Treibers sind Auslasskanäle 12 ausgebildet, die sich durch
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Kupplung zu öffnen und zu schliessen vermag.
Die Vorrichtung zum Zuspeisen von Flüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf während des Betriebes der Kupplung umfasst eine ortsfeste, die Treibwelle 1 umgebende Muffe 14 mit einer Ringkammer 16 ; die mit einem Einlassanschluss 15 in Verbindung steht. Radiale Kanäle 17 in der Welle 1, die von der Kammer 16 ausgehen, stehen durch eine axiale Bohrung 18 mit schrägen Auslassen 19 in Verbindung, so dass Flüssigkeit aus dem An- schluss 15 in den Flüssigkeitskreislauf strömen kann.
Die Treiberschaufeln 8 und 9 liegen in Ebenen, welche die Kupplungsachse enthalten,
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lungen ist, die erste stabile Wirbelströmung früher zustande kommt, so dass der Trieb stetig aufgenommen wird, während die Bildung eines unstabilen Wirbelkrielslaufes hoher Geschwindigkeit durch die hemmende Wirkung des vergrösserten Winkels verhindert wird, den der Rückfluss mit den Treiberschaufeln bildet.
Man erkennt somit, dass bei zu kleinem Winkel zwischen den Läuferschaufeln und der Übergangsebene das kleinste Schlupf-Drehmoment-Verhältnis der Kupplung zu hoch ist, während bei zu grossem Winkel der Läuferschaufeln Anstiege vorkommen. Die Neigung muss also derart gewählt werden, dass die Richtungsänderung der Kreislaufkanäle an der Übergangsebene einerseits nicht genügt, den Wirkungsgrad der Kupplung ernstlich zu beeinträchtigen. nichtsdestoweniger aber gross genug ist, um Anstiege bis auf einen schädlichen Wert, der von den Umständen abhängt, zu verhindern. Handelt es sich beispielsweise um Antrieb durch Elektromotor, so ist die Grösse des noch zulässigen Anstieges nach der zulässigen Momentan- überlastung des Motors zu bestimmen.
Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, die zwar frei von Anstiegen ist, bei der jedoch der kleinste Schlupf unter gegebenen Verhältnissen beträchtlich höher als bei der ersten Ausführungsform ist. Die Ausführungsform nach Fig. 4 gestattet aber, dass das Drehmoment, bei welchem die Kupplung stillsteht, einen beträchtlich geringeren Wert aufweist.
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Fällen nützlich, wo es wesentlich ist, das übertragbare Höchstdrehmoment zu beschränken. In diesem Falle sind die Treiberschaufeln ebenso wie bei Fig. 1- 3 ausgebildet.
Die Läuferschaufeln 10' und 11' dagegen zwischen dem Mantel 4' und dem Kernring 7' weichen inso-
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Bei der Anordnung nach Fig. 5, deren Schlupfcharakteristik derjenigen nach Fig. 4 ähnlich ist und die gleichfalls frei von Anstiegen ist, stimmt der Läufer mit demjenigen nach Fig. l-3 überein, während die Treiberschaufeln 8' und 9' zwischen Mantel 3' und Kernring 61 zu der Ühergangsebene nm 450 geneigt sind, u. zw. in solcher Richtung, dass die Austrittskanten den Eintrittskanten in bezug auf die normale Umlaufrichtung gemäss dem Pfei ! voreilen.
Es lassen sich Kupplungen nach der Erfindung auch mit Schaufeln hauen, welche nicht eben sind. Beispielsweise können die Schaufelkanten des einen Kupplungselementes gegenüber dem einen Übergang unter einem Winkel voreilend geneigt sein, gegenüber dem ändern Übergang senkrecht stehen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 und 7 sind die Treiberschaufeln eben und stehen senkrecht zur Übergangsebene, wie man aus Fig. 7 erkennt, wo die Mäntel der Kupplungselemente weggelassen sind.
Der Läufer umfasst einen Mantel 4" und einen Kernring 7", wie vorher beschrieben, zwischen denen abwechselnd lange und kurze Schaufeln 10" und jf derart angeordnet sind, dass ihre in radialer Richtung einwärts liegenden Teile eben sind und senkrecht zur Übergangsebene liegen, während die radial nach aussen gelegenen Teile gekrümmt sind, u. zw. so, dass die Eintrittskanten unter einem Winkel von 67¸ zu der Übergangsebene liegen und in bezug auf die normale Umlaufrichtung gemäss den Pfeilen voreilen. Das kleinste Schlupf-Drehmoment-Verhältnis dieser Kupplung ist gering, so dass sieh ein hoher Wirkungsgrad mit einer bei gegebener Leistung verhältnismässig kleinen Kupplung erzielen lässt. Die Kupplung unterliegt aber nur geringen Anstiegen, die für gewisse Verwendungsfälle unschädlich sind.
Wird bei der Kupplung nach Fig. 6 und 7 der Winkel zwischen den Eintrittskanten der Läuferschaufeln und der Übergangsebene auf 450 herabgesetzt, so ist die Kupplung von Anstiegen frei, aber der Schlupf wächst auf ungefähr das Doppelte desjenigen der gewöhnlichen Vulkankupplung. Doch ist der Wirkungsgrad nichtsdestoweniger etwas höher als bei der Kupplung nach Fig. 1-3.
Man erkennt, dass die an Hand der Zeichnung beschriebenen Schaufelanordnungen, bei denen am Übergang zwischen Treiber und Läufer eine beträchtliche Richtungsänderung
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wegen der sehr grossen Anzahl von Schaufelanordnungen, die man wählen kann. ist es unmöglich, die Grenzen der Abweichung zu bestimmen, jenseits deren der Zweck der Erfindung . nicht mehr erreicht werden würde.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Flüssigkeitskupplung nach Art der Föttingergetriehe mit einem ringförmigen Flüssigkeitskreislauf, der aus einem mit Schaufeln versehenen Treiber und einem dazu konaxialen, ebenfalls mit Schaufeln versehenen Läufer besteht, dadurch gekennzeichnet, dass Vorrichtungen, welche in an sich bekannter Weise den Flüssigkeitsinhalt des Kreislaufes während des Arbeitens der Kupplung verändern.
in Kombination mit einer Schaufelanordnung vorgesehen sind, bei der die den Flüssigkeitskreislauf bildenden Flüssigkeitsdurchgänge bei mindestens einem der Übergänge (20 oder 21) zwischen dem Treiber (3) und dem Läufer zeine wesentliche Richtungsänderung erfahren und die befähigt ist, das Entstehen unerwünschter Kraftanstiege während der Entleerung oder Füllung des Kreislaufes zu verhindern.