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Hydrodynamische Kupplung mit Freilaufwirkung sowie
Getriebe und Mehrmotorenantrieb mit einer solchen Kupplung
Seit geraumer Zeit werden bei Kraftübertragungen in zunehmendem Masse hydrodynamische Kupp- lungen (Föttinger-Kupplungen) verwendet, da diese einen weichen, stossfreien und schwingungsdämpfen- den Antrieb bewirken und-bei Ausrüstung mit einer entsprechenden Steuereinrichtung - auch eine Rege- lung der Abtriebsdrehzahl ermöglichen. Insbesondere eignen sich derartige Kupplungen für Antriebe, die grosse Leistungen abzugeben haben und die auch während des Betriebes geschaltet werden müssen, also beispielsweise bei Schienentriebfahrzeugen und Schiffsantrieben.
Bei solchen Antrieben tritt mitunter die Forderung nach einem Freilaufbetrieb auf, u. zw. dergestalt, dass die hydrodynamische Kupplung nur solange wirksam sein soll, wie der Motor treibend wirkt. Sobald jedoch der Motor - sei es durch Verminderung seiner Brennstoffzufuhr oder wegen einer Motorhavarie - in seiner Drehzahl gegenüber der auf Grund von Trägheitskräften oder infolge des Antriebes durch zusätzliche andere Motoren weiterlaufenden Arbeitsmaschine zurückbleibt, soll die Kraftübertragung durch die Kupplung unterbrochen werden, damit ein Mitschleppen des erstgenannten Motors und gegebenenfalls Zerstörungen hieran vermieden werden.
Für ähnliche Zwecke hat man bereits einer Föttinger-Kupplung einen mechanischen Freilauf voroder nachgeschaltet. Diese Lösung ist aber nicht nur wegen des Bauaufwandes und Verschleisses nachteilig, sondern lässt sich ausserdem nur in beschränktem Masse anwenden, da die zur Zeit bekannten mechanischen Freiläufe für die Übertragung grosser Leistungen nicht oder nur unzureichend geeignet und auch nicht betriebssicher genug sind.
Ferner ist schon eine füll-und entleerbare Föttinger-Kupplung vorgeschlagen worden, bei der eine Steuerpumpe in Abhängigkeit von der Relativdrehrichtung der beiden Kupplungsschaufelräder ein an der Fülleitung der Kupplung angeordnetes Regelorgan derart steuert, dass bei einem Voreilen des Kupplungsturbinenrades (d. i. des mit der Arbeitsmaschine verbundenen Kupplungsschaufelrades) gegenüber dem Pumpenrad die Kupplung entleert wird. Diese Ausführung mit Freilaufwirkung ist ebenfalls aufwendig und ausserdem wegen der zahlreichen und komplizierten Steuerungsteile ziemlich störungsanfällig.
Schliesslich ist auch eine hydrodynamische Kupplung vorbekannt, deren Turbinenbeschaufelung hinsichtlich ihres Aussendurchmessers die Pumpenbeschaufelung etwas überragt und bei der dieser überragende Teil der Turbinenbeschaufelung über am Pumpenrad vorbeiführende Kanäle mit einem mit dem Pumpenrad umlaufenden Aufnahmebehälter verbunden ist. Hiebei tritt bei im Pumpenrad radial einwärts ge- richteter Kreisringströmung (d. h. also, wenn das Turbinenrad gegenüber dem Pumpenrad voreilt) durch diese Kanäle Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum in den Aufnahmebehälter über, so dass dann selbsttätig eine mehr oder weniger grosse Entleerung des Arbeitsraumes und Unterbrechung der Kraftübertragung erfolgt.
Der Rücklauf der Arbeitsflüssigkeit vom Aufnahmebehälter zum Arbeitsraum geht unter dem Einfluss der Fliehkraft vor sich, u. zw. entweder durch die gleichen Kanäle oder aber durch mit fliehkraftgesteuerten Ventilen versehene gesonderte Rücklaufkanäle.
Auch diese Freilaufkupplung hat noch verschiedene Nachteile, in erster Linie den, dass der selbsttätige Flüssigkeitsaustritt aus dem Arbeitsraum durch mit dem Pumpenrad umlaufende radial einwärts ge- richtete Kanäle und somit unter Überwindung einer durch die Pumpenraddrehzahl bewirkten Gegeuflieh- kraft erfolgen muss : denn das Pumpenrad wird nur in den seltensten Fällen ganz zur Ruhe kommen, so dass hiedurch die selbsttätige Entleerung erschwert wird und meist auch ungenügend ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der für die Entleerung massgebliche Teil des Arbeitsraumes, hier also der radial äussere
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Die Auslasskanäle der erfindungsgemässen Kupplung können an solchen Stellen des radial inneren Be- reichs des Arbeitsraumes angeschlossen und dort so gerichtet sein, dass bereits von Haus aus-also ohne besondere Einbauten-ein ausreichender selbsttätiger Flüssigkeitsaustritt erreicht wird. Dies ist bei einer
Ausführungsform der Fall, bei der die Auslassöffnungen der Auslasskanäle an dem den Arbeitsraum radial innen begrenzenden Wandteil des Pumpenrades angeordnet und etwa radial auswärts gerichtet sind.
Vielfach ist jedoch ein Anschluss der Auslasskanäle an solchen Stellen des Arbeitsraumes erwünscht, an denen von Haus aus kein oder nur ein ungenügender Flüssigkeitsauslass bewirkt würde. Nach einem wei- teren Vorschlag der Erfindung wird dann an oder nahe an den Auslassöffnungen der Auslasskanäle eine den selbsttätigen Flüssigkeitsaustritt bewirkende oder steigernde Leit-oder Stauwand, etwa ein flanschartiger
Leitring od. dgl. vorgesehen. Auch ein in den Arbeitsraum ragendes und im Strömungskupplungsbau be- kanntes Schöpfrohr kommt für diesen Zweck in Betracht. Die Leitwand, das Schöpfrohr od. dgl. sollen bei entsprechender Kreisringströmung die Flüssigkeit mit möglichst wenig Widerstand aus dem Arbeitsraum abführen.
Eine besonders zweckmässige Ausführung der erfindungsgemässen Kupplung besteht darin, dass der den
Arbeitsraum radial innen begrenzende Wandteil des Pumpenrades einen kleineren Durchmesser aufweist als der entsprechende Wandteil des Turbinenrades. Im Normalbetrieb (Sekundärdrehzahl n kleiner als die
Pumpenraddrehzahl nt) behindert diese Schaufelradausbildung die Kreisringströmung nicht. Während der für die Freilaufwirkung in Frage kommenden Betriebszustände gelangt dagegen die im Pumpenrad radial einwärts strömende Flüssigkeit in den Bereich radial innerhalb des vorgenannten inneren Wandteiles des
Turbinenrades sowie in den in Strömungsrichtung unmittelbar davorliegenden Bereich des Pumpenrades.
Daher lassen sich bei dieser Ausführung die Auslassöffnungen der Auslasskanäle in günstiger Weise radial innerhalb des vorgenannten inneren Wandteiles des Turbinenrades vorsehen. Hiebei wird die optimale Wirkung dann erzielt, wenn die Auslassöffnungen der Auslasskanäle ausserdem dem Pumpenrad zugewandt sind.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird vorgeschlagen, dass die Mündungen der Einlasskanäle in an sich bekannter Weise auf einem kleineren Durchmesser als dem des vorgenannten inneren Turbinen-' radwandteiles liegen und vorzugsweise der im Freilaufzustand herrschenden Kreisringströmung zugewandt sind. Bei einer solchen Ausbildung wird im Freilaufzustand durch die Kreisringströmung zusätzlich noch die durch die Eintrittskanäle (Fülleitungen) eintretende Flüssigkeitsmenge verringert und so eine Beschleunigung der Entleerung des Arbeitsraumes erzielt.
Soll der Entleervorgang besonders schnell erfolgen, so kann ausserdem für die Flüssigkeitsrückführung aus dem Aufnahmebehälter in den Arbeitsraum eine selbsttätige Steuerung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit der Pumpenrad- oder der Antriebsmotordrehzahl steht, u. zw. derart, dass bei kleiner Drehzahl der Füllstrom verringert oder sogar ganz unterbrochen wird, beispielsweise durch einen an den Einlasskanälen (Fülleitungen) angeordneten Steuerschieber.
Zur weiteren Beschleunigung und Verbesserung des Entleervorganges im Freilaufzustand empfiehlt es sich ferner, die Mündungen der Einlasskanäle in an sich bekannter Weise auf gleichem oder einem kleineren Durchmesser wie die Auslassöffnungen der Auslasskanäle vorzusehen. Es kann dann zumindest ein Teil der durch die Einlasskanäle zugeführten Flüssigkeitsmenge unmittelbar wieder durch die Auslasska - näle abfliessen, so dass dieser Flüssigkeitsteil überhaupt nicht in das Innere des Arbeitsraumes gelangt.
Hiebei muss jedoch dafür Sorge getragen werden, dass ein sofortiger Wiederaustritt des Füllstromes dann ausgeschlossen ist. wenn die Kupplung mit voreilendem Pumpenrad arbeitet (n, > n , positiver Schlupf).
Dies wird durch eine solche Ausbildung erreicht, dass die Mündungen der Einlasskanäle in unmittelbarer Nähe der Pumpenradbeschaufelung vorgesehen sind, derart, dass die dort eintretende Flüssigkeit zuerst in den Bereich der Pumpenradbeschaufelung gelangt. Die bei positivem Kupplungsschlupf schnellaufende Pumpenradbeschaufelung fördert dann die durch die Einlasskanäle zugeführte Flüssigkeitsmenge sofort ins Innere des Arbeitsraumes.
In manchen Fällen ist es erwünscht, die Freilaufwirkung der Kupplung vorübergehend ausschalten zu können, z. B. dann, wenn bei einem Fahrzeug mit dem Motor gebremst oder dieser beim Versagen seiner Anlassvorrichtung durch Anschleppen des Fahrzeuges angeworfen werden soll. Für diesen Zweck wird eine in an sich bekannter Weise in den Auslasskanälen angeordnete und vorzugsweise willkürlich betätigbare
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verhindert.
Weitere Merkmale der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnung, in der mehrere Ausfüh- rungsbeispiele dargestellt sind, erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen Schiffsantrieb mit einer erfindungsgemässen hydrodynamischen Freilaufkupplung mit am Turbinenrad angeschlossenen Auslasskanälen, wobei
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die Kreisringströmung für den Betriebszustand n, > n (kraftübertragender Zustand) angedeutet ist, Fig. la die gleiche Strömungskupplung, jedoch mit angedeuteter Kreisringströmung für den Betriebszustand n < nz (Freilaufzustand), Fig. 2 eine andersartige Freilaufströmungskupplung mit am Pumpenrad angeschlosse- nen Auslasskanälen, Fig.
3 eine der vorgenannten Kupplung ähnliche Ausführung, jedoch mit einem zui sätzlichen Leitring sowie mit einem Absperrorgan für die Auslasskanäle, Fig. 4 eine weitere Freilaufströ- mungskupplung, bei der der Aufnahmebehälter mit dem Pumpenrad umläuft und durch fliehkraftgesteuer - te Einlasskanäle mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht, Fig. 5 ein Schienentriebfahrzeug mit einem hydraulischen Getriebe mit zwei Strömungs-Freilaufkupplungen und Fig. 6 einen Mehrmotorenschiffsan- trieb mit Freilaufströmungskupplungen.
Bei dem Schiffsantrieb nach Fig. 1 und la treibt der Dieselmotor 1 über das Pumpenrad 2 und das
Turbinenrad 3 einer hydrodynamischen Kupplung die Schiffsschraube 4 an. Die Motorwelle 5 steht ausser- dem über das Kegelradgetriebe 6 und die Welle 7 mit der in dem Aufnahmebehälter 8 untergebrachten
Füllpumpe9 in Triebverbindung. Deren Druckleitung 10, 10a führt über das etwa von Hand zu betätigen- de Absperrventil 11 zu mehreren in der Nabe des Turbinenrades 3 angeordneten und gleichmässig auf den
Umfang verteilten Einlasskanälen 12 und von dort in den Arbeitsraum 18 der Kupplung. Der den Arbeits- raum 18 radial innen begrenzende Wandteil 2a des Pumpenrades ist mit kleinerem Durchmesser ausge- führt als der entsprechende radial innere Wandteil 3a des Turbinenrades.
In dem zwischen diesen beiden
Durchmesserwerten liegenden Teil der Turbinenradnabe befinden sich die Einlasskanäle 12 sowie ausser- dem mehrere ebenfalls gleichmässig über den Umfang verteilte Auslasskanäle 13, wobei die Auslassöff- nungen 13a bzw. die Eintrittsöffnungen 12a aller dieser Kanäle dem Pumpenrad 2 zugewandt sind.
Wirkungsweise : Bei normaler Kraftflussrichtung vom Motor zur Schiffsschraube hin, also bei gegen- über dem Turbinenrad voreilendem Pumpenrad (= positiver Schlupf, nl > n) und bei normalerweise klei- nem Schlupfwert kreist die Kreisringströmung im Arbeitsraum 18 etwa gemäss den Pfeilen 14 nach Fig. 1.
Sie verläuft somit hier im Uhrzeigersinn und erstreckt sich über den radial äusseren und mittleren Bereich des Arbeitsraumes. Bei grossem Schlupfwert, sonst aber gleichen Verhältnissen gelangt die Kreisringströ - mung ausserdem noch in den radial inneren Bereich des Arbeitsraumes. Die Kupplung ist in diesen Be- triebszuständen voll übertragungsfähig, und durch die Auslasskanäle 13 strömt keine Flüssigkeit ab.
Sofern jedoch der Motor in seiner Drehzahl gegenüber der Schiffsschraube 4 zurückbleibt-etwa in- folge eines Motorschadens - und somit nl kleiner als n. ist (negativer Schlupf), kehrt die Kreisringströ- mung ihre Richtung um und verläuft nunmehr entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Wenn dieser negative
Schlupf einen bestimmten Wert erreicht, gelangt die Kreisringströmung gemäss den Pfeilen 15 nach
Fig. la ausserdem in den radial inneren Bereich des Arbeitsraumes 18 und erzeugt an der dem Pumpenrad zugewandten Stirnseite der Turbinenradnabe (also in demBereich zwischen den Wandteilen 2a und 3a) einen gewissen Stau, unter dessen Wirkung dann Arbeitsflüssigkeit durch die Auslasskanäle 13 aus dem Ar- beitsraum 18 hinausgedrängt wird und in den Aufnahmebehälter 8 gelangt.
Auf Grund der erfindungsge- mässen Anordnung der Auslassöffnungen wird dieser Flüssigkeitsauslass durch keinerlei Gegenkräfte (Flieh- kräfte) gehemmt, er geht daher schnell und gründlich vor sich.
Da der Strömungsdruck der Kreisringströmung zum Teil auch gegen die Mündungen 12a der Einlass- kanäle 12 gerichtet ist, wird in diesem Betriebszustand zugleich die durch diese Einlasskanäle zugeführte
Füllmenge verringert (normalerweise arbeitet nämlich die Füllpumpe 9 auch bei negativem Schlupf wei- ter). Da ferner die Einlassöffnungen 12a der Einlasskanäle 12 auf etwas kleinerem Durchmesser liegen als die Auslassöffnungen 13a der Auslasskanäle 13, kann die trotzdem noch in den Arbeitsraum eintretende
Flüssigkeit unter der Wirkung der Fliehkraft und der Kreisringströmung unmittelbar zumAuslasskana113 gelangen und durch diesen sofort wieder austreten, wie dies durch den Pfeil 16 in Fig. la angedeutet ist.
Wenn also das Turbinenrad schneller läuft als das Pumpenrad, entleert sich der Arbeitsraum zumindest teilweise, u. zw. umso schneller und umsomehr, je grösser der Wert und die Zeitdauer des negativen Kupplungsschlupfes sind. Auf diese Weise wird bei nl < I1z eine mehr oder weniger starke Unterbrechung der Kraftübertragung durch die Kupplung bewirkt und somit die erwünschte Freilaufwirkuug erzielt.
Sobald sich die Schlupfrichtung wieder umgekehrt hat (n. > n,, Kreisringströmung nach Fig. 1), hört die Entleerung des Arbeitsraumes-18 auf, und dieser wird nun durch die Fülleinrichtung 9-12 erneut ge- füllt. Die Kupplung ist dann wieder kraftübertragungsfähig.
Um beim Anfahren der Kupplung (Turbinenrad steht) ein schnelles Füllen zu gewährleisten und dabei zu verhindern, dass ein-dann unerwünschtes-sofortiges Austreten der Füllflüssigkeit durch die Auslasskanäle 13 erfolgt, sind die Einlasskanäle 12 mittels der Abschirmwände 17 so verlängert, dass ihre Mündun- gen 12ainunmittelbare Nähe der Pumpenbeschaufelung zu liegen kommen. In dem vorerwähnten Anfahrzustand wird dann die aus den Kanälen 12 austretende Füllflüssigkeit sofort von den Pumpenschaufeln erfasst und durch die Fliehkraft in das Innere des Arbeitsraumes gefördert.
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Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsvariante einer Freilaufströmungskupplung. Die Auslassöffnun- gen 20a der Auslasskanäle 20 sind in diesem Fall an dem radial inneren Teil 21a der den Arbeitsraum be- grenzenden Wandung des mit dem Antriebsmotor verbundenen Kupplungsrades 21 (Pumpenrad) angeord- net. Ausserdem sind die Auslassöffnungen 20a der Auslasskanäle radial auswärts gerichtet, so dass bei ne- gativem Schlupf (nt < 1\) und einer durch Pfeile 22 angedeuteten Richtung der Kreisringströmung auf die
Wand 21a ebenfalls ein Strömungsdruck ausgeübt und dadurch ein Entleeren des Arbeitsraumes durch die
Auslasskanäle 20 bewirkt wird. Mit 23 sind hier die in der Nabe des Turbinenrades 24 angeordneten Ein- lasskanäle bezeichnet.
Bei der Freilaufkupplung nach Fig. 3 sind die Auslasskanäle 30 ebenfalls in der Nabe des Pumpenra- des 31 angeordnet. Um den Strömungsdruck an den Auslassöffnungen 30a der Auslasskanäle zu erhöhen, ist hier zusätzlich ein Leitring 32 vorgesehen, der die bei negativem Schlupf und in Nabennähe verlaufende
Strömung in verstärktem Masse zu diesen Öffnungen 30a hinleitet. Ferner sind hier die Auslasskanäle 30 durch einen axial verschiebbaren Ringschieber 33 in ihrem Querschnitt steuerbar. Durch Schliessen dieses
Ringschiebers - das willkürlich durch einen hier nicht dargestellten Handhebel erfolgen kann - lässt sich die Freilaufwirkung ausschalten, was z. B. dann erforderlich ist, wenn die Kupplung bei einem Fahrzeug- antrieb Verwendung findet und dort mit dem Motor gebremst werden soll.
Mit 34 sind das mit der anzutreibenden Arbeitsmaschine verbundene Turbinenrad und mit 35 die an eine übliche Füllquelle angeschlossenen Einlasskanäle bezeichnet.
Bei der Strömungskupplung nach Fig. 4 sind das Pumpenrad 40, das Turbinenrad 41, die Auslasskanäle 42 sowie die letzteren benachbarten Wandteile 40a, 41a des Pumpenrades bzw. Turbinenrades im wesentlichen gleich ausgebildet wie nach Fig. 1 und la. Abweichend von diesen beiden Figuren ist jedoch hier der Aufnahmebehälter 44 am Pumpenrad 40 befestigt und läuft mit diesem um. Vom grössten Durchmesser des Aufnahmebehälters 44 führen Einlasskanäle 45 zu dem radial äussersten Bereich des Arbeitsraumes der Kupplung. Diese Einlasskanäle werden durch mit je einer Druckfeder 46 versehene Kugelventile 47 in Abhängigkeit der Pumpenraddrehzahl gesteuert.
Die bei negativem Schlupf und langsam laufendem Pumpenrad 40 durch die Auslasskanäle42 aus dem Arbeitsraum ausgestossene Flüssigkeit sammelt sich in dem Aufnahmebehälter 44 (Freilaufbetrieb). Sobald das Pumpenrad 40 eine bestimmte hohe Drehzahl erreicht, öffnen sich die Ventile 47, so dass dann die im Aufnahmebehälter 44 befindliche Flüssigkeit unter dem Einfluss der Fliehkraft durch die Einlasskanäle 45 in den Arbeitsraum zurückfliessen kann. Um einen ausreichend hohen Wert dieser Fliehkräfte zu gewährleisten, können in dem Aufnahmebehälter 44 rippen- oder schaufelartige und etwa in Achsebenen liegende Zwischenwände 48 vorgesehen sein, so dass die dort gesammelte Flüssigkeit stets mit der gleichen Drehzahl rotiert wie das Pumpenrad.
In den Fig. 5 und 6 sind schliesslich zwei besonders zweckmässige Anwendungsfälle für erfindungsgemässe Freilaufkupplungen dargestellt; u. zw. zeigt Fig. 5 ein Schienentriebfahrzeug (Lokomotive), bei der eine Gasturbine 50 ein Strömungsgetriebe 51 antreibt, das seinerseits das Triebdrehmoment über ein Wendegetriebe 52 und Kardanwellen 53,53a an die Treibachsen 54,54a abgibt. Im Strömungsgetriebe 51 verläuft der Kraftfluss irr. untersten Gang über das Zahnradpaar 55, den Strömungswandler 56 und das Zahnradpaar 57 zur Getriebeausgangswelle 58, im zweiten Gang über die gleichen Zahnradpaare und die Strömungskupplung 59, und im dritten Gang über das Zahnradpaar 55, die Strömungskupplung 60 und das Zahnradpaar 61.
Die beiden Kupplungen 59 und 60 sind als erfindungsgemässe Freilaufströmungskupplungen ausgebildet, so dass sich diese z. B. bei fahrender Lokomotive und bei wegen eines Schadens stillstehender Gasturbine 50 selbsttätig entleeren und die Kraftübertragung von den Fahrzeugrädern zur Gastur - bine hin unterbrechen. Eine ähnliche Kraftflussunterbrechung tritt dann ein, wenn das Fahrzeug bei nur langsam laufender Antriebsmaschine 50 und mit erheblicher Geschwindigkeit ein Gefälle hinabfährt, so dass dann ein Übertouren der Antriebsmaschine 50 verhindert wird.
Die Fig. 6 veranschaulicht einen Mehrmotorenantrieb für ein Wasserfahrzeug. Jeder der drei Antriebsmotoren 70,71 und 72 gibt über je eine erfindungsgemässe hydrodynamische Freilaufkupplung 73 bzw. 74, 75 sein Drehmoment an das gemeinsame Getriebe 76 ab, das über die Welle 77 mit der Schiffsschraube 78 in Triebverbindung steht. Wenn beispielsweise der Antriebsmotor 70 wegen einer Störung in seiner Drehzahl stark abfällt oder stehenbleibt, das Getriebe 76 aber weiterläuft-etwa wegen des Antriebes durch die übrigen Motoren 71,72 oder auf Grund der auf die Schiffsschraube 78 ausgeübten Was- serkräfte bei fahrendem Schiff-, so entleert sich die Strömungskupplung 73 selbsttätig und kuppelt den Motor 70 vom Getriebe 76 ab. Auf diese Weise werden weitere Schäden oder gar eine Zerstörung des ausgefallenen Motors verhindert.
Wegen den grossen Leistungen wären hier wie auch in dem zuvor beschriebenen Anwendungsfall mechanische Freilaufkupplungen nicht oder nur mit Schwierigkeiten anwendbar.