Hydraulische Kupplung für Arbeitsmaschinen Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kupp lung für Arbeitsmaschinen, bei der als Kupplungs elemente zwei einander gegenüberstehende, drehbar gelagerte Scheiben mit ringförmigen Vorsprüngen mit Keilprofil dienen, die in einem mit hochviskosem Öl gefüllten Gehäuse axial zueinander verschiebbar sind, wobei die ringförmigen Vorsprünge der einen Scheibe bei axialer Bewegung in die Ausnehmungen zwischen den ringförmigen Vorsprüngen der anderen Scheibe eintreten können.
Es ist bekannt, derartige Kupplungen als Ein- und Ausschaltkupplungen zwischen Motor und Getriebe anzuordnen, wobei jeweils zusätzlich eine mechani sche Konuskupplung vorgesehen ist, die am Ende der Einkupplungsbewegung eine mechanische Kupp lung herbeiführt.
Ziel der Erfindung ist es, eine hydraulische Kupplung der genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, Arbeitsmaschinen mit stark drehzahl abhängigem Drehmoment - z. B. Lüfter für Kühl systeme, insbesondere für Kühler oder Wärmetau scher in Kraftfahrzeugen - in ihrer Drehzahl über einen Drehzahlbereich von Null bis zur maximalen Drehzahl der Antriebsmaschine zu regeln, wenn die Antriebsmaschine in ihrer Drehzahl ungeregelt oder unabhängig vom Drehzahlbedarf der Arbeitsma schine ist.
Bei einem solchen Lüfter sinkt das Drehmoment quadratisch mit der Drehzahl ab, die benötigte Lei stung fällt also nach der dritten Potenz; bei 50 Lüfterdrehzahl ist also nur noch eine Antriebsleistung von 12,5 % erforderlich.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass bei Lüftern, die über eine hydraulische Kupplung der genannten Art angetrieben werden, die Leerlaufdrehzahl des Lüfters relativ hoch ist, auch wenn die Keilflächen so weit axial voneinander entfernt stehen, dass sie sich senk recht zum Keil nicht mehr gegenüberstehen. Die Leerlaufdrehzahl lässt sich bei Verwendung eines hydraulischen Betriebs erfahrungsgemäss nicht unter 30-40 % der Eingangsdrehzahl der antreibenden Kupplungsscheibe vermindern. Diese Möglichkeit zu schaffen, ist eine Aufgabe der Erfindung.
Gemäss der Erfindung wird das genannte Ziel dadurch erreicht, dass die antreibende Scheibe axial unverschieblich angeordnet ist, die :axial verschie'bliche, angetriebene Scheibe fest mit dem angetriebenen Maschinenteil verbunden ist und dass an einem fest stehenden Maschinenteil eine zur Drehachse des an- getriebenen Maschinenteils konzentrische Kupplungs fläche vorgesehen ist, die mit einer entsprechenden Kupplungsfläche an dem umlaufenden Maschinenteil zusammenwirkt.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung ist es möglich, in einem hydraulischen Getriebe der ge nannten Art die Leerlaufdrehzahl bis auf Null zu verringern, d. h. das angetriebene Maschinenteil gänzlich zum Stillstand zu bringen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Aus- führungsbeispiel dargestellt und im nach@stehanden im einzelnen anhand der Zeichnung näher be schrieben.
Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen umlaufenden Teil einer Arbeitsmaschine mit einer hydraulischen Kupplung gemäss der Erfindung. Oberhalb und unter halb der Mittellängsachse sind zwei verschiedene Kupplungseinstellungen veranschaulicht.
Fig.2 gibt ein Diagramm der Drehzahlkenn- linie einer Arbeitsmaschine wieder, die mit einer hydraulischen Kupplung gemäss der Erfindung aus gerüstet ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in einem feststehenden Ständer 1 über Kugellager 11 eine Hohlwelle 2 drehbar gelagert, die auf ihrem einen Ende eine Keilriemenscheibe 12 trägt, die über einen Keilriemen 3 von einer beliebigen Antriebs maschine, beispielsweise dem Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges, angetrieben wird.
Auf dem gegenüberliegenden Ende der Welle 2 ist eine radiale Scheibe 13 befestigt, die auf ihrer einen Seite eine Reihe axial vorspringender keilför miger Ringe 4 trägt.
Im Inneren der Hohlwelle 2 ist über Lager 14 eine Welle 7 drehbar und axial verschieblich ge lagert, die an ihrem einen Ende mit einem Gehäuse 15 fest verbunden ist, das die Nabe einer umlaufen den Arbeitsmaschine 6 bildet, beispielsweise die Nabe eines Lüfters.
Das Gehäuse 15 trägt auf seiner den Spitzen der Keilringe 4 gegenüberliegenden Wandung 5 ana log den Keilringen 4 ausgebildete Keilring 16, die gegenüber den Keilringen 4 jeweils um eine halbe Teilung versetzt sind, so dass sie zwischen die Keil ringe 4 eintreten können.
Das Gehäuse 15 ist mit einem hochviskosen öl gefüllt, beispielsweise einem Silikon-öl, mit einer Zähigkeit von 200-1000 Centistokes. Zur Abdich tung des Gehäuses ist eine Dichtung 22 vorgesehen.
Die Mitnahme des Gehäuses 15 erfolgt mit Hilfe der Schubspannungen, die in dem öl zwischen ein ander gegenüberliegenden Flächen, insbesondere zwi schen den Keilflächen der Keilringe 4 und 16, auf treten. Die Schubspannung x errechnet sich dabei nach der Formel
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In dieser Formel ist q die dynamische Zähigkeit des öls, wo die Relativgeschwindigkeit zwischen den gegenüberstehenden Flächen und h der Abstand der sich gegenüberstehenden Flächen.
Aus der Schubspannung errechnet sich die über die Kupplung übertragene Kraft P=p#F Hierin ist T die gesamte Fläche, auf welche die Schubspannungen wirken.
Der Maschinenständer 1 ist mit einem axialen Vorsprung 17 versehen, der unter die Wandung 5 des Gehäuses 15 greift und mit einer Konusfläche 8 versehen ist, die mit einem entsprechenden Konus 18 am radial inneren Ende der Wandung 5 zu sammenwirkt. Bei einer Verschiebung des Gehäuses 15 nach rechts kommen die Konusflächen allmählich miteinander in Eingriff, bis schliesslich eine starre Kupplung erreicht ist. Dadurch wird das Gehäuse 15 bis zum Stillstand abgebremst.
Die Konstruktion kann dabei so ausgeführt werden, dass auch zwischen den Konusflächen 8 der Kupplung 17, 18 Öl vor handen ist, die Konusflächen wirken dann bereits vor ihrer mechanischen Berührung auf Grund der Schubspannungen des Öles als Bremse.
Zwischen der radialen Scheibe 13 und der Ge häusewandung 5 ist eine Schraubenfeder 25 vor gesehen, welche das Gehäuse 15 nach rechts zu drängen versucht in eine Stellung, in der die Konus flächen 17, 18 in Eingriff miteinander treten. Das Gehäuse 15 mit dem Lüfter 6 wird dadurch zwang läufig stillgesetzt. Die Feder stützt sich gegen die Scheibe 9 über ein Kugellager 10 ab, während sie an ihrem anderen Ende gegen den Boden eines topf artigen Gegenlagers 23 anliegt, der an seinem Rand mit einem Flansch 24 gegen einen Vorsprung der Wandung 5 anliegt.
Wie aus der beschriebenen Konstruktion hervor geht, ändert sich bei axialer Verschiebung des Ge häuses 15 sowohl der Abstand zwischen den einander gegenüberstehenden Keilflächen als auch die Grösse der Fläche. Durch diese beiden Variablen wird eine Kennlinie der Kupplung erreicht, die weitgehend mit der Kennlinie eines Lüfters übereinstimmt.
Durch die Schubspannung ausserhalb der Keil flächen, die beispielsweise zwischen der Gehäuse wandung und der Rückseite der Scheibe 13 auftritt, lässt sich die Leerlaufdrehzahl der Arbeitsmaschine nicht unter 30-40 % der Eingangsdrehzahl senken, wie in dem Diagramm nach Fig. 2 dargestellt. Hierin ist<I>n</I> die Drehzahl der Arbeitsmaschine und<I>x</I> der Abstand zwischen den Keilflächen. Bei einer An triebsdrehzahl a der Antriebsmaschine fällt ohne die Mittel der Erfindung die Lüfterdrehzahl bei Ver grösserung von<I>x</I> entsprechend der Kurve<I>b</I> ab, die bei n = 0,3 bis 0,4 @a in eine Gerade übergeht, die parallel zur Drehzahlgeraden a liegt.
Durch Anordnung der Kupplung 17, 18 wird erreicht, d'ass die Drehzahlkurve der Kurve c folgt, über die nach maximaler axialer Verschiebung des Gehäuses 15 durch Kupplungseingriff der Flächen 17, 18 die Drehzahl n = 0 für die Arbeitsmaschine erreicht wird.
Die Anordnung und Ausbildung der Keilflächen der Keilringe 4, 16 wird vorzugsweise so gewählt, dass die Keilflächen am Schluss der Kuppelbewegung mechanisch miteinander in Eingriff treten und so eine starre Kupplung bewirken, die jeglichen Schlupf zwischen der Scheibe 13 und dem Gehäuse 15 ver meidet. Um eine solche starre Kupplung zu ermög lichen, werden die Keilflächen der Keilringe mit einer Steigung steiler als 1:4 versehen. Um ein Entweichen der hochviskosen Flüssigkeit zwischen den Keilflächen zu ermöglichen, werden am Fuss der Keilringe zweckmässig radiale Bohrungen 19, 20 vorgesehen.
Um einen Übertritt der Flüssigkeit von einer Seite der Scheibe zur anderen während der Kupplung zu ermöglichen, ist die Scheibe 13 mit axialen Bohrungen 21 versehen.
Für die Betätigung der Kupplung kann ein üb liches Betätigungsgestänge vorgesehen werden, das auf die Stirnseite der Welle 7 arbeitet. Das. Gestänge kann dabei von Hand betätigt werden oder auch mit einer automatischen Steuerung versehen sein, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlers oder Wärmetauschers arbeitet, falls die mit der erfindungs gemässen Kupplung ausgerüstete Arbeitsmaschine ein Lüfter ist.
Es ist auch möglich, auf die Welle 7 direkt den Betätigungstalgen eines Thermostaten wirken zu las sen, wie in der Zeichnung dargestellt. Hier liegt der Balgen 26 mit seiner einen Stirnseite gegen die Stirnseite der Welle 7 an. Die Druckflüssigkeit wird dem Balgen über die Leitung 27 zugeführt.
Hydraulic clutch for work machines The invention relates to a hydraulic hitch for work machines, in which two opposing, rotatably mounted disks with annular projections with wedge profile are used as coupling elements, which are axially displaceable to one another in a housing filled with highly viscous oil, the annular projections of the one disk can enter the recesses between the annular projections of the other disk during axial movement.
It is known to arrange such clutches as on and off clutches between the engine and the transmission, in each case a mechanical conical clutch is also provided, which brings about a mechanical hitch treatment at the end of the coupling movement.
The aim of the invention is to create a hydraulic clutch of the type mentioned, with which it is possible to operate machines with strongly speed-dependent torque - z. B. fans for cooling systems, especially for radiators or heat exchangers in motor vehicles - to regulate their speed over a speed range from zero to the maximum speed of the prime mover when the prime mover's speed is unregulated or independent of the speed requirement of the Arbeitsma machine.
With such a fan, the torque drops quadratically with the speed, the required power therefore falls to the third power; With a fan speed of 50 only a drive power of 12.5% is required.
Experience has shown that in fans that are driven via a hydraulic clutch of the type mentioned, the idling speed of the fan is relatively high, even if the wedge surfaces are so far axially apart that they are no longer perpendicular to the wedge. Experience has shown that the idling speed cannot be reduced below 30-40% of the input speed of the driving clutch disc when using hydraulic operation. It is an object of the invention to create this possibility.
According to the invention, the stated aim is achieved in that the driving disk is arranged axially immovable, the axially displaceable, driven disk is firmly connected to the driven machine part and that on a stationary machine part one to the axis of rotation of the driven machine part concentric coupling surface is provided, which interacts with a corresponding coupling surface on the rotating machine part.
With the arrangement according to the invention, it is possible to reduce the idling speed to zero in a hydraulic transmission of the type mentioned. H. to bring the driven machine part to a complete standstill.
The invention is shown in the drawing in an exemplary embodiment and described in more detail below with reference to the drawing.
Fig. 1 shows in longitudinal section a rotating part of a work machine with a hydraulic clutch according to the invention. Two different coupling settings are illustrated above and below the central longitudinal axis.
FIG. 2 shows a diagram of the speed characteristic of a work machine which is equipped with a hydraulic clutch according to the invention. In the embodiment of Fig. 1, a hollow shaft 2 is rotatably mounted in a stationary stand 1 via ball bearings 11, which carries a V-belt pulley 12 on one end, which is driven by a V-belt 3 from any drive machine, for example the drive motor of a motor vehicle becomes.
On the opposite end of the shaft 2, a radial disk 13 is attached, which carries a number of axially projecting Keilför shaped rings 4 on one side.
Inside the hollow shaft 2, a shaft 7 is rotatably and axially displaceably superimposed on bearings 14, which is fixedly connected at one end to a housing 15 which forms the hub of a rotating machine 6, for example the hub of a fan.
The housing 15 carries on its wall 5 opposite the tips of the wedge rings 4 analogous to the wedge rings 4 formed wedge ring 16 which are offset from the wedge rings 4 by half a pitch so that they can enter between the wedge rings 4.
The housing 15 is filled with a highly viscous oil, for example a silicone oil, with a viscosity of 200-1000 centistokes. A seal 22 is provided for sealing the housing.
The entrainment of the housing 15 takes place with the help of the shear stresses that occur in the oil between one another opposite surfaces, in particular between the wedge surfaces of the wedge rings 4 and 16 on. The shear stress x is calculated using the formula
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In this formula q is the dynamic viscosity of the oil, where the relative speed between the opposing surfaces and h is the distance between the opposing surfaces.
The force transmitted via the coupling is calculated from the shear stress P = p # F where T is the entire area on which the shear stresses act.
The machine stand 1 is provided with an axial projection 17 which engages under the wall 5 of the housing 15 and is provided with a conical surface 8 which cooperates with a corresponding cone 18 at the radially inner end of the wall 5. When the housing 15 is shifted to the right, the conical surfaces gradually come into engagement with one another until a rigid coupling is finally achieved. As a result, the housing 15 is braked to a standstill.
The construction can be designed in such a way that oil is also present between the conical surfaces 8 of the clutch 17, 18; the conical surfaces then act as a brake even before their mechanical contact due to the shear stresses of the oil.
Between the radial disc 13 and the housing wall 5 Ge, a coil spring 25 is seen, which tries to urge the housing 15 to the right into a position in which the cone surfaces 17, 18 engage with each other. The housing 15 with the fan 6 is thereby inevitably shut down. The spring is supported against the disk 9 via a ball bearing 10, while at its other end it rests against the bottom of a pot-like counter bearing 23 which rests against a projection of the wall 5 at its edge with a flange 24.
As can be seen from the construction described, changes with axial displacement of the Ge housing 15, both the distance between the opposing wedge surfaces and the size of the surface. With these two variables, a characteristic curve of the coupling is achieved which largely corresponds to the characteristic curve of a fan.
Due to the shear stress outside the wedge, which occurs, for example, between the housing wall and the back of the disk 13, the idling speed of the machine cannot be reduced below 30-40% of the input speed, as shown in the diagram of FIG. Here <I> n </I> is the speed of the driven machine and <I> x </I> is the distance between the wedge surfaces. At a drive speed a of the drive machine, without the means of the invention, the fan speed drops with an increase of <I> x </I> according to the curve <I> b </I>, which at n = 0.3 to 0, 4 @a merges into a straight line that is parallel to the speed straight line a.
By arranging the clutch 17, 18 it is achieved that the speed curve follows the curve c, via which the speed n = 0 for the working machine is reached after the maximum axial displacement of the housing 15 by clutch engagement of the surfaces 17, 18.
The arrangement and design of the wedge surfaces of the wedge rings 4, 16 is preferably chosen so that the wedge surfaces mechanically engage with one another at the end of the coupling movement and thus cause a rigid coupling that avoids any slip between the disc 13 and the housing 15. In order to make such a rigid coupling possible, the wedge surfaces of the wedge rings are provided with a slope steeper than 1: 4. In order to allow the highly viscous liquid to escape between the wedge surfaces, radial bores 19, 20 are expediently provided at the foot of the wedge rings.
In order to enable the liquid to pass from one side of the disk to the other during the coupling, the disk 13 is provided with axial bores 21.
To operate the clutch, a common operating linkage can be provided that works on the end face of the shaft 7. The. Linkage can be operated by hand or be provided with an automatic control that works depending on the temperature of the cooler or heat exchanger, if the working machine equipped with the coupling according to the invention is a fan.
It is also possible to act directly on the shaft 7, the actuating rods of a thermostat, as shown in the drawing. Here, one end of the bellows 26 rests against the end of the shaft 7. The pressure fluid is fed to the bellows via line 27.