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Hydraulische Kupplung mit konstanter Füllung
Die Erfindung betrifft hydraulische Tunbokupp- lungen der Bauweise mit konstanter Füllung, mit sohaufeltragendem Pumpen-und Turbinenrad, mit einem Gehäuse, das mit einem dieser Räder um-
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,bildet,messer ausweist als das pumpenrad, wodurch ein einseitig offener Behälter entsteht, der sich gänzlich oder überwiegend innerhalb des Innendurchmessers des Pumpenrades beendet, in welchen Behälter Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf entleert wird,
sobald die Drehzahl des Turbinenrades fällt und aus dem die Flüssigkeit bei Ansteigen der Turbinenraddrehzahl unter der ginwir- kung der Fliehkraft in den Arbeitskreislauf zurückströmt und wobei die Kupplung ferner eine Vorratskammer aufweist, die mit dem Pumpenrad umläuft und von dem genannten Behälter getrennt ist und welche Flüssigkeit aus dem Arbeitskreis' lauf einhält, sarah die Pumpenraddrehzahl niedrig ist, welche Flüssigkeit bei steigender Pumpenraddrehzahl in den Arbeitskreislauf zurückfliesst,
Die Erfindung bezweckt, eine Turbokupplung dieser Art zu schaffen, die verbesserte Drehmoment-Schlupfcharakteristiken und eine gedrängtere Bauweise als bisher möglich gewesen, zu erreichen erlaubt.
Bei einer Kupplung der vorhin genannten Art besteht die Erfindung darin, dass der Axial- raum, den der einseitig offene Behälter und die Vorratskammer einnehmen, sich nicht oder nicht wesentlich über die zuT Kupplungsachse senkrech- ten Ebenen erstreckt, welche die Aussenbegrenzungen der rotierenden Gehäuse enthalten, in denen die Arbeitsflüssigkeit untergebr4acht ist. Zweckmä- ssig ist es, wenn die Vorratskammer vom einseitig offenen Behälter. ungefähr eingeschlossen ist, doch ist es auch möglich, die Vorratskammer und den einseitig offenen Behälter axial gesehen nebeneinander anzuordnen.
In den Zeichnungen, die auch der Erläuterung weiterer Erfindungsmerkmale dienen, zeigt Fig. 1 eine Schnittansicht einer Turbokupplung in der Bauart nach der Erfindung, wogegen die Fig. 2 und 3 schematische Schnittansiohten von zwei anderen Bauweisen der vorliegenden Kupplung darstellen.
In Fig. 1 bezeichnet 1 das Primärrad, d. h. da ! Antriebs-oder Pumpenrad, welches mit einem Gehäuse 2 rotiert, das sich über die Rückseite des ge- trie. benen d. h. Sekundär-oder Turbinenrades 3 erstreckt. Der Innenprofildurchmesser des Sekundärrades 3 ist Veiner als jener des treibenden Tei-
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einen Ring 4 bildet, der sich axial gegen das getriebene Rad 3 erstreckt und knapp vor den Innenkanten der Turbinenradschaufeln endet.
Der Ringteil 4 bildet die äussere Radialbegrenzung des genannten offenen Behälters 5. Das getriebene, d. h. Turbinenrad 3 ist mit einem Flansch 6 einer Hohlwelle 7 verschraubt, die im Primärrad 1 bzw. im Gehäuse 2 gelagert ist und eine Innennutung aufweist um mit der AusgangsweHe 8 der Kupplung verbunden werden zu können.
Innerhalb des Mittelraumes und innerhalb des Innenprofildurchmessers des Pumpenrades 1 und an die Nabe desselben angeschraubt ist eine Trennwand die aus einem tellerförmigen Ringteil mit einer ersten Wand 9, die senkrecht zur Kupplungsachse steht und einem zweiten Wand'teil besteht, der sich vom Aussenumfang der Wand 9 gegen die Nabe des Pumpenrades erstreckt und beispielsweise parallel zur Kupplungsachse verläuft ; dieser zweite mit 10 . bezeichnete Wandteil kann aber auch, wie mit 10' angedeutet unter einem kleinen Winkel nach aussen geneigt sein.
Die Peripherie der Wand 9 verläuft im geringen Abstand innerhalb des ringförmigen Fortsatzes 4 des treibenden Teiles 1 und die Ebene der Wand 9, die zur Kupplungsachse senkrecht steht, liegt zwischen der Ebene welche die Innenkanten der Pumpenschaufeln enthält bzw. jener, welche, den äussersten Teil des Gehäuses 2 enthält, das den Körper des Pumpenrades 1 einschliesst. Die radial innere Kante der Wand 9 weist gegen die Hohlwelle 7 und es besteht hier nur ein Bewegungsspiel, so dass wirkungsmässig zwei voneinander getrennte Kammern zur Auf. nahme von Flüssigkeit vorgesehen sind, wobei die eine Kammer 5, einseitig offen ist und ausserhalb der Wandung 9, 20 liegt, wogegen die andere 12, eine Speicherkammer ist, die innerhalb dieser Wandung entsteht.
Die einseitig offene Kammer 5 steht mit dem Aribeitskreislauf über den Ringspalt zwischen den radia'I innenitiegenden Teilen des
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treibenden Pumpenrades i und des getriebenen Turbinenrades 3 in freier Verbindung.
Unter normalen Arbeitsverhältnissen, bei geringem Schlupf, ist die Arbeitsflüssigkeit zur Gänze im Arbeitskreislauf enthalten und bildet dort einen zirkulierenden Wirbelring, indem die Flüssigkeit dauernd aus den Sdhaufelkammern des Turbinenrades über den genannten Spalt zu. den Schaufelkam-
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'zunimmt, z. B. wenn die Drehzahl des Sekundärrades 3 seine Relativdrehung hinsichtlich des Pri- märrades 1 verringert wird oder überhaupt Stillstand des Rades 3 eintritt, wird Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf durch den genannten Spalt in den einseitig offenen Raum gefördert, wodurch die Grösse des von der Kupplung übertragbaren Drehmoments vermindert wird.
Nimmt die Drehzahl des Turbinenrades 3 relativ zum Pumpenrad wieder zu, so kehrt die im Behälter 5 befindliche Flüssigkeit unter der Wirkung der Fliehkraft wieder in den Arbeitskreislauf zurück, wodurch das von der Kupplung übertragbare Drehmoment vergrössert und der Schlupf verringert werden.
Die innere, den Vorratsraum vorstellende Kammer 12 steht über öffnungen 13, die in der Pumpenradnabe vorgesehen sind, direkt mit dem Arbeitskreislauf über den Ringraum, der zwischen den peripheren Kanten des Pumpenrades 1 und des Turbinenrades 3 besteht in Verbindung. Wenn sich das Pumpenrad 1 in Ruhe befindet strömt unter Schwerkraftwirkung etwas Arbeitsflüssigkeit durch die Öffnungen 13 hindurch, um den Vorratsraum 12 mehr oder weniger zu füllen, so dass der Anlauf der Kupplung unter einem Zustande verminderter Füllung des Arbeitskreislaufes beginnt und das Turbinenrad 3 die Möglichkeit hat, seine volle Drehzahl unter der, etwas : verminderten Last sehr schnell anzunehmen.
Wenn das Pumpenrad 1 beschleunigt wird, so beginnt Flüssigkeit durch die Öffnungen 13 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft den Vorratsraum 12 zu verlassen und in den Arbeitskreislauf überzutreten, so dass der Arbeitskreislauf nach einer kurzen Verzö- gerungsfrist, die. im wesentlichen durch die Grösse der Durchlässe 13 bestimmt ist, bis zu jenem Ausmasse gefüllt wird, der durch die Füllung der Kupplung als Ganzes bestimmt ist.
Es ist für Kupplungen der im Vorhergehenden beschriebenen, d. h. mit konstanter Füllung arbeitenden Art, wie sie die Fig. 1 zeigt, für die Er- zielung günstiger Arbeitsverhältnisse wesentlich, die unerwünschten Auswirkungen der Expansion der Arbeitsflüssigkeit zu beschränken, zu der es bei starker Erhitzung derselben kommt, wie sie z. B. als Folge einer Mehrzahl von kurzzeitig aufeinanderfolgenden Anlaufvorgängen einer stark belasteten Maschine, z. B. einer Fördereinrichtung in Bergwerken, auftritt. Solche Verhältnisse bestehen besonders dann, wenn die Kupplung durch einen oder mehrere Känganker-Wechselstrommotoren angetrieben wird, die an einem Netz liegen, das starken Spannungsschwankungen unterliegt, wenn eine Mehrzahl solcher Motoren gleichzeitig oder nacheinander anlaufen.
Unter Einhaltung der er- findungsgemässen Bauweise ist das Aufnahmever- mögen des mit offenem Ende ausgeführten Be- halters 5 und der Vorratskammer 12 auf das prak- tisch mögliche Ausmass beschränkt, und zwar im
Hinblick darauf, dass die Expansion irgendeines
Flüssigkeitsüberschussvolumens (das in einem grö- sseren Behälter und in einer grösseren Kammer ent- halten wäre), sich mit der unvermeidlichen Expan- sion jener Nettomenge addiert, die im Arbeitsgleis- lauf vorhanden sein muss, um ohne viel Überschuss das gewünschte Drehmomentübertragungsvermögen erreichen zu können.
Die nachteilige Auswirkung der Dehnung einer solchen zusätzlichen Flüssigkeitsmenge besteht dar- in, dass das Anlaufdrehmoment der Kupplung auf einen unerwünschten Wert ansteigt, wodurch die
Dauer der Beschleunigungsperiode der Antriebs- motoren vergrössert wird, die ja von einer grossen
Stromaufnahme und demgemäss einer Spannungs- verminderung begleitet ist, die ihrerseits wieder das
Drehmoment des Motors vermindert, und zwar möglicherweise zu einem solchen Ausmasse, dass eine stark belastete Fördereinrichtung ihre Arbeits- geschwindigkeit überhaupt nicht erreicht.
Ein weiterer Nachteil der Ausdehnung einer solchen zusätzlichen Flüssigkeitsmenge besteht dar- in, dass das maximal übertragbare Drehmoment der
Kupplung (im Bereiche von 10 bis 15% Schlupf) unerwünschterweise vergrössert wird. In einer
Turbokupplung, die einen einseitig offenen Behäl- ter und eine Vorratskammer aufweist, deren Ab- messungen beschränkt sind, wie dies im vorher- gehenden beschrieben worden ist, werden die nach- teiligen Auswirkungen einer Expansion der Ar- ibeitsflüssigkeit auf ein leicht tragbares Ausmass vermindert.
Ein wesentlicher Faktor einer zufriedenstellenden Arbeit des Behälters 5 und des Vorratsraumes 12 besteht darin, dass die Gesamtmenge der in der Kupplung vorhandenen Flüssigkeit nicht ein solches Übermass annehmen soll, dass durch tuber- J füllung die von diesem Behälter und der Vorratskammer bestimmten Drehmomentscharakteristiken auf den Nullwert vermindert werden könnten. Ein weiteres Erfindungsmerkmal besteht nun darin, Mittel vorzusehen, die ein übermässiges Füllen der 1 Kupplung durch ihren Füllstutzen verhindern, wenn sich die Kupplung in einer normalen Ar- beitsstellung befindet, in der die Wellenachse horizontal oder in einem Winkel zur Horizontalen verläuft, wie letzteres z.
B. in Verbindung miti Bergwerksförderanlagen der Fall sein kann.
Gemäss diesem weiteren Merkmal ist eine durch einen Stopfen verschliessbare Fülleitung vorgesehen, die sich aussen von der Arbeitskammer radial nach einwärts erstreckt und in einem passend gewählten l Radialabstand oder in einem Punkte endet, der sich in der Nähe der Peripherie des einseitig offenen Behälters befindet.
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Stutzen M, der in einer Bohrung jenes Teiles des Gehäuses 2 angeordnet ist, der den Rücken des Pumpenrades 1 umgreift ; sie ist mit Innengewinde versehen.
Ein Pfropfen 15 ist in das äussere Ende des Stutzens 14 eingeschraubt, wogegen das Ende eines radial verlaufenden Rohres 16 in das innenliegende Ende des Stutzens eingesetzt ist ; das Rohr 16 durchsetzt den Mantel 11 des Pumpenrades in zwei Punkten und endet in der, radial gesehen, inneren Seite des ringförmigen Fortsatzes 4.
Wenn die Kupplung erstmalig, d. h. bei horizontal liegender Achse, gefüllt wird, wird der Pfropfen 15 abgenommen und die. Kupplung so eingestellt, dass das Rohr 16 mit der Vertikalen einen Winkel einschliesst, der aus der Betriebsanleitung der Kupplung entnommen wird und beispielsweise zwischen 45 und 750. betragen kann, wenn es sich um eine Kupplung der gezeichneten Proportionen handelt. Die maximale, durch die Leitung einfüllbar Flüssigkeitsmenge ist durch die in dem Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels eingeschlossene Luft bestimmt und ergibt sich aus dem Winkel, auf welchem das Rohr zo eingestellt worden ist.
Sodann wird der Pfropfen 15 wieder in das äussere Ende des Stutzens 14 eingeschraubt.
In solchen Kupplungen ist es wünschenswert, einen schmelzbaren Verschlussstopfen vorzusehen,
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einer vorgegebenen Temperatur wirksamwird, die etwa 140 oder 180"C betrage, wozu man sich bekannter Legierungen bedienen kann, um die Arbeitsfüssigkeit aus der Kupplung zu entlassen, wennn diese überhitzt wird, z.
B. weil der Schlupf der Kupplung ein unzulässiges Mass erreicht oder eine teilweise oder gänzliche Bremsung über einen Zeitraum wirksam ist, der ausreicht, um die Arbeitstemperatur der Kupplungs-
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auf einen unzulässigenDes. weiteren ist es wünschenswert, dafür Vorsorge zu treffen, dass die Öffnung, in welche der schmelzende Verschlussstopfen eingesetzt ist, nicht dazu verwendet werden kann, um die Kupplung bis zu einem unzulässigen Ausmasse zu füllen, d. h. weit über jenes Ausmass, das durch ein Füllen unter Verwendung des normal hiefür vorgesehenen Ein- fülloches in Übereinstimmung mit den Anweisungen des Herstellers möglich ist.
Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal ist der schmelzbare Verschlussstopfen innerhalb einer Verbindung angeordnet, die in oder nahe der äusseren Peripherie des einseitig offenen Behälters endet, wie. dies z. B. für das oben genannte Füll-
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schmelzbare Stopfen 17 in den Pfropfen 15 eingesetzt sein, wie dies in Fig. l dargestellt ist.
Wenn der schmelzbare Stopfen es ermöglicht, dass Arbeitsflüssigkeit durch diesen Auslass ausgeworfen wird, so setzt sich diese Flüssigkeitsabgabe fort, solange die Kupplung unter Verhältnissen arbeitet, die ein hohes Drehmoment und'einen grossen Soh1upf bedingen, da der einseitig offene Behälter 5 mehr oder minder mit Flüssigkeit gefüllt gehalten wird, die aus dem Arbeitakreislauf
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vermindert worden ist, dass sie ihre Arbeit einstellt.
Es ist alsdann erforderlich, die Ursache der eingetretenen Überlastung zu beseitigen, oder die Ursache des Arbeitens'bei hohem Schlupf zu beseitigen, den schmelzbaren Stopfen 17 zu ersetzen und die Kupplung wieder auf das angegebene Mass zu füllen.
Gemäss Fig. 2 ist die Trennwand 9 so angeordnet, dass der einseitig offene Behälter 5 und die Vorratskammer 12 Seite an Seite liegen. In diesem Faille besitzt das Gehäuse 2 keinen Fortsatz, der sich über die Rückseite des Pumpenradgehäuses H erstreckt und die Durchlässe 13 führen direkt aus der Vorratskammer 12 in den Arbeitskreislauf. Das Füllrohr 16 ist zur Achse der Kupplung geneigt und reicht bis in das Innere des einseitig offenen Behälters.
Nach Fig. 3 ist der einseitig ohne Behälter radial innenseitig an der Vorratskammer J2 ange- ordnet und das Füllrohr 16 erstreckt sich nach einwärts bis an die Peripherie des einseitig offenen Behälters 5 innerhalb des Teiles 9, der parallel zur Kupplungsachse verläuft.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulische Turbokupphmg der Bauweise mit konstanter Füllung, mit schaufeltragendem Pumpen-und Turbinenrad, mit einem Gehäuse, das mit einem dieser Räder umläuft und mit diesem eine Arbeitskammer bildet, in der die AnbeitsRüs- sigkeit zurückgehalten wird, wobei das Turbinenrad einen Feineren Innendurchmesser aufweist als das Pumpenrad, wodurch ein einseitig offener Behälter entsteht, der sich gänzlich oder überwiegend innerhalb des Innendurchmessers des Pumpenrades befindet, in welchen Behälter Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitskneislauf entleert wird,
sobald die Drehzahl des Turbinenrades fällt und aus dem die Flüssigkeit bei Ansteigen der Turbinenraddrehzahl unter der Einwirkung der Fliehkraft in den Arbeitskreislauf zurückströmt und wobei die Kupplung ferner eine Vorratskammer aufweist, die mit dem Pumpenrad umläuft und von dem genannten Behälter getrennt ist, und welche Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf erhält, sobald die Pumpenraddrehzahl niedrig ist, welche Flüssigkeit bei steigender Pumpendrehzahl in den Arbeitskreislauf zurückfliesst, dadurch gekennzeichnet, dass der lucialraum, den der einseitig offene Behälter (5) und die Vorratskammer (12) einnehmen, sich innerhalb oder im wesentlichen innerhalb der beiden zur Kupplungsachse senkrechten Ebenen erstreckt,
welche die Aussenibegrenzungen der rotierenden Gehäuse (2, 11) enthalten, in denen die Arbeitsflüssigkeit untergebracht ist.