-
Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine mit einem Pumpenrad
und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum
bilden. Dabei kommen sowohl eine hydrodynamische Kupplung als auch
eine hydrodynamische Bremse (Retarder) in Betracht. Der torusförmige Arbeitsraum
ist mit einem Arbeitsmedium füllbar.
Der Arbeitsraum hat einen Zulauf und einen Ablauf für das Arbeitsmedium.
Das Pumpenrad ist von einer Schale umschlossen, die zusammen mit
dem Pumpenrad einen Stauraum bildet. Stauraum und Arbeitsraum stehen
miteinander in leitender Verbindung. Im Stauraum befindet sich eine
Staudruckpumpe, die an ihrem radial äußeren Ende ein Mundstück zur Aufnahme
von Arbeitsmedium aufweist.
-
DE 196 14 589 A1 beschreibt
eine hydrodynamische Kupplung des genannten Aufbaus. Dabei ist die
Staudruckpumpe senkrecht zur Maschinenachse angeordnet und steht
zu jedem Zeitpunkt fest. Das radial innere Ende der Staudruckpumpe
steht mit dem Arbeitsraum in leitender Verbindung. In die leitende
Verbindung ist ein Drehventil geschaltet, das von außen her
betätigbar
ist.
-
Die
Erfindung betrifft jene Bauarten von hydrodynamischen Maschinen,
bei welchen der Arbeitsraum mit Arbeitsmedium füllbar und entleerbar ist. Durch
die Wahl des Füllungsgrades
lässt sich
das übertragene
Drehmoment einstellen – beim
Retarder das Bremsmoment, und bei der Kupplung das Antriebsmoment.
Dabei kommt es darauf an, dass das Füllen und Entleeren in möglichst
kurzen Zeiträumen verläuft. Dies
trifft insbesondere bei Retardern zu, bei Kupplungen hingegen kann
eine Verzögerung
erwünscht
sein. In jedem Falle kommt es aber auf ein vollständiges Entleeren
an. Das Entleeren soll möglichst
vollständig
erfolgen, so dass kein Rest an Arbeitsmedium im Arbeitsraum mehr
verbleibt. Ist dies nicht der Fall, so besteht die Gefahr, dass
die Maschine noch Drehmoment überträgt. Beim
Retarder bedeutet dies ein unerwünschtes
Bremsen, und bei der Kupplung ein unerwünschtes Übertragen von Antriebs-Drehmoment.
-
Zum
weiteren Stand der Technik im Hinblick auf mit der Antriebswelle
einer hydrodynamischen Maschine umlaufende Schöpfrohre beziehungsweise Staudruckpumpen
wird zusätzlich
auf die Dokumente
DE
196 14 589 A1 ,
US 3
581 502 und
DE
195 21 926 A1 verwiesen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine
der eingangs beschriebenen Bauart, insbesondere eine Kupplung, derart
zu gestalten, dass der Arbeitsraum weitgehend oder völlig entleert
werden kann, und zwar bei möglichst
geringem baulichen Aufwand.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Der
Grundgedanke besteht dem gemäß darin,
die Staudruckpumpe derart zu gestalten und anzuordnen, dass sie
während
des Betriebes der Maschine, somit beim Übertragen von Drehmoment, mit
der Antriebswelle des Pumpenrades umläuft, aber im nicht-operativen
Zustand stillsteht. Entgegen allen bisher bekannten Bauarten führt die Staudruckpumpe
somit bei gefülltem
Arbeitsraum eine Umlaufbewegung um die Maschinenachse aus. Ihre
Drehzahl ist somit gleich bzw. ähnlich
der Drehzahl der Antriebswelle und damit des Pumpenrades. Zusammen
mit dem Pumpenrad und der Staudruckpumpe läuft nämlich auch im Stauraum das
darin befindliche Betriebsmittel um – im allgemeinen ein Öl, das als
Ring mitgeschleppt wird. Deshalb ist die Staudruckpumpe praktisch
außer
Betrieb gesetzt. Es strömt
kein Betriebsmittel in das Mundstück der Staudruckpumpe, so dass
die Staudruckpumpe nicht fördert.
-
Sie
fördert
erst dann wieder, wenn sie festgesetzt wird, und somit nicht umläuft. Dann
läuft nämlich der
im Stauraum befindliche Flüssigkeitsring
weiter um und drückt
in die Staudruckpumpe in deren Mundstück hinein. Damit wird die Maschine
von Arbeitsmedium entleert.
-
Es
gibt verschiedene Möglichkeiten,
die Staudruckpumpe einerseits in Umlauf zu versetzen, und andererseits
den Umlauf der Staudruckpumpe abzustoppen. Die Staudruckpumpe kann
auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Sie kann beispielsweise
aus einem Rohrstutzen bestehen. Sie kann aber auch eine Scheibe
umfassen, die einen oder mehrere radial verlaufende Kanäle aufweist.
-
Die
Staudruckpumpe wird in der Regel durch das im Kupplungskreislauf
befindliche Öl
mitgenommen. Es kann von Vorteil sein, die Staudruckpumpe aktiv
in Umlauf zu versetzen, in dem sie mit er Antriebswelle oder mit
dem Pumpenrad drehfest gemacht wird. Dies kann beispielsweise durch
pneumatisches oder hydraulisches Anpressen gegen die Mantelfläche der
Antriebswelle oder gegen eine Stirnfläche des Pumpenrades erfolgen.
Das Lösen erfolgt
auf gleiche Weise.
-
Die
Erfindung lässt
sich besonders vorteilhaft anwenden bei kleinen Kupplungen. Dabei
kann auf ein Gehäuse
verzichtet werden, das die Kupplungsteile umschließt, ferner
auf komplizierte mechanische Stellglieder. Die Erfindung lässt sich
in idealer Weise anwenden bei Antriebssystemen, umfassend einen
Motor, beispielsweise einen Verbrennungsmotor, und eine Arbeitsmaschine,
beispielsweise eine Schiffsschraube oder eine Pumpe, ferner einen
Lüfter.
Dabei soll der Motor die Arbeitsmaschine dauernd antreiben, den
Lüfter
aber nur zeitweise.
-
Die
Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt aufzählen:
- – kein
zusätzliches
Gehäuse
erforderlich;
- – direkter
Anbau von Abtriebselementen (z.B. Lüfterflügeln, Riemenscheibe usw.) möglich;
- – keine
linear bewegten Bauteile;
- – rotationssymmetrische
Bauteile;
- – optimales
Entleerverhalten, da keine Füllungsabhängigkeit;
- – Reibbelag
wird nur durch Scheibenreibung am Staudruckpumpenträger und
Strömungswiderstand
an der Staudruckpumpe belastet. Keine Belastung im Nennbetrieb;
- – Betriebssicher,
da Kühlöldurchsatz
auch bei fehlendem Stelldruck, d. h. bei mitrotierender Staudruckpumpe
möglich;
- – Funktion
bei Außen-
und Innenradantrieb möglich;
- – Mindestmoment
bei Antriebsstart einstellbar;
- – Minimalmoment
(Füllungsgrad)
bei rotierendem Antrieb vorgebbar, durch radiale Positionierung der
Staudruckpumpe;
- – kurze
Schaltzeiten der Reibbremse haben nur minimalen Einfluss auf den
Antrieb (keine Massenbeschleunigung, lediglich Aufbau der Scheibenreibung).
-
Die
folgen Einsatzmöglichkeiten
sind u. a. denkbar:
- – Schaltkupplung für Lüfterantrieb;
- – Schaltkupplung
für Kühlkompressor;
- – Schaltkupplung
für Kompressorantriebe;
- – Schaltkupplung
für TurboCompound-Antrieb.
-
Die
Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen
folgendes dargestellt:
-
1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine hydrodynamische Kupplung
in eingeschaltetem Zustand in einem Axialschnitt.
-
2 zeigt
den Gegenstand von 1 in ausgeschaltetem Zustand.
-
3 zeigt
eine konkrete Ausführungsform einer
hydrodynamischen Kupplung analog 1.
-
4 zeigt
den Gegenstand von 3 analog 2.
-
Die
in den 1 und 2 dargestellte hydrodynamische
Kupplung ist Bestandteil eines Antriebsstranges. Der Antriebsstrang
umfasst einen Motor 2 und eine Arbeitsmaschine 3,
z. B. eine Pumpe. Die Kupplung weist ein Pumpenrad 4 sowie
ein Turbinenrad 5 auf. Die beiden Räder sind in bekannter Weise
mit Schaufeln versehen. Sie bilden gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum 6.
Dieser ist mit einem Medium füll-
und entleerbar, im allgemeinen mit einem Öl.
-
Es
ist eine Schale 7 vorgesehen. Diese umhüllt das Pumpenrad 4 sowie
einen Teil des Turbinenrades 5. Sie umschließt zusammen
mit dem Pumpenrad 4 einen Stauraum 8. Stauraum 8 steht
mit dem Arbeitsraum 6 in leitender Verbindung.
-
Ein
wesentliches Bauteil der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung
ist eine Staudruckpumpe 9. Diese ist an sich bekannt. Sie
umfasst ihrerseits eine Scheibe 9.1. Diese ist koaxial
zur Maschinenachse 10 angeordnet. Die Scheibe weist eine Bohrung
auf, die sich in radialer Richtung erstreckt. An ihrem radial äußeren Ende
weist sie ein Mundstück 9.2 auf.
-
Die
Kupplung 1 umfasst einen Zulauf 11 zum Zuführen von
Arbeitsmedium zum Arbeitsraum 6, sowie einen Ablauf 12 zum
Abführen
des Arbeitsmediums. Man beachtet die ausgezogenen, mit Pfeilen versehenen
Strömungswege
des Arbeitsmediums. Wie man sieht, gelangt Arbeitsmedium über den
Zulauf 11 in einen radial inneren Bereich der Kupplung und
von dort zum Arbeitsraum 6. Das Medium gelangt von einem
radial äußeren Bereich
des Arbeitsraumes 6 zum Mundstück 9.2 der Staudruckpumpe, strömt von dort
in radialer Richtung nach innen und gelangt schließlich zum
Ablauf 12.
-
Zwischen
Zulauf 11 und Ablauf 12 ist eine vorzugsweise
Kühleinrichtung
sowie einen Vorratsbehälter
mit Ventilen geschaltet. Diese sind aber hier nicht dargestellt.
Die zuströmende
und abströmende Menge
des Arbeitsmediums wird im allgemeinen derart bemessen, dass die
Kupplung 1 in Betrieb ständig gefüllt ist, und dass auch die
notwendige Kühlung
erzielt wird.
-
Bei
dem in 1 gezeigten Zustand ist die Kupplung, wie oben
erwähnt,
eingeschaltet. Der Arbeitsraum 6 ist mit Arbeitsmedium
gefüllt,
desgleichen der Stauraum 8. Die Staudruckpumpe 9 kann frei
umlaufen. Sie wird im allgemeinen auf der hier nicht näher bezeichneten
Antriebswelle sitzen. Auf dieser ist sie frei drehbar. Da der Stauraum 8 mit
Arbeitsmedium befüllt
ist, wird die Staudruckpumpe 9 vom Arbeitsmedium mitgeschleppt.
Die Staudruckpumpe 9 nimmt daher wenigstens annähernd dieselbe
Drehzahl und Drehrichtung an, wie das Pumpenrad 4. Zur
Förderung
von Arbeitsmedium aus dem Stauraum 8 und damit auch aus
dem Arbeitsraum 6 trägt
sie somit nicht aktiv bei. Die in der Scheibe 9.1 enthaltene
Radialbohrung dient somit nur zum Führen von Arbeitsmedium, wenn
auf dem Zulauf ein gewisser Druck des Arbeitsmediums steht.
-
Läuft bei
dem dargestellten Zustand der Motor 2, so wird das Pumpenrad 4 der
Kupplung 1 angetrieben. Turbinenrad 5 wird mitgenommen
und treibt den Lüfter 3 an.
-
Man
erkennt aus den 1 und 2 ein stehendes
Gehäuseteil 13.
Gegenüber
dieses Gehäuseteiles
ist die Schale 7 drehbar abgedichtet. Gehäuseteil 13 umfasst
ein Lager 14. An der Stirnseite des Gehäuseteiles 13 ist eine
Reibscheibe 15 fixiert. Zwischen der Reibscheibe 15 und
der Scheibe 9.1 der Staudruckpumpe 9 verbleibt
ein Spalt, so dass diese beiden Bauteile nicht miteinander in Berührung stehen.
Es kann aber eine berührende
Verbindung hergestellt sein zwischen der Scheibe 9.1 und
dem Pumpenrad 4. Diese Verbindung kann pneumatisch oder
hydraulisch erzielt werden, beispielsweise durch eine Steuerdruckleitung,
die auf die Reibscheibe in der Figur von links nach rechts wirkt,
so dass ein Anpressen der Reibscheibe 15 an das Pumpenrad 4 und
somit eine Reibungsmitnahme erfolgt. Damit ist es möglich, mit
der Scheibe 9.1 der Staudruckpumpe 9 und der Antriebswelle
in der gezeigten Axialposition eine drehfeste Verbindung herzustellen,
so dass die Staudruckpumpe 9 nicht allein aufgrund des
im Stauraum 8 umlaufenden Betriebsmediums umläuft, sondern
positiv mitgenommen wird.
-
Auch
ist es denkbar, eine Feder vorzusehen, hier nicht dargestellt, die
ständig
einen Schub in axialer Richtung auf die Scheibe 9.1 ausübt, so dass diese
gegen das Pumpenrad 4 angedrückt wird.
-
Bei
dem in 2 dargestellten Zustand ist die Staudruckpumpe 9,
d. h. deren Reibscheibe 9.1, gegen die Reibscheibe 15 angedrückt. Das
Andrücken
kann beispielsweise auf pneumatische oder hydraulische Weise mittels
einer entsprechenden Steuereinrichtung geschehen, mit Steuermediumleitungen,
die durch die Antriebswelle hindurchgeführt sind. Das Andrücken der
Scheibe 9.1 gegen die Reibscheibe 15 führt zu einem
Stillstand der Staudruckpumpe 9. Die Staudruckpumpe 9 läuft somit nicht
mehr um. Dies hat etwas Entscheidendes zur Folge:
Zunächst läuft die
Kupplung 1 noch um. Es gelangt nunmehr aber aus dem radial äußeren Teil
des Arbeitsraumes 6 Arbeitsmedium zum Mundstück 9.2 der
feststehenden Staudruckpumpe 9 und von dort zum Ablauf 12.
Zuvor kann die Zufuhr von Arbeitsmedium zum Zulauf 11 abgesperrt
werden. Die Kupplung wird sehr rasch über die Staudruckpumpe in der durch
die Pfeile angezeigten Richtung entleert, und zwar vollständig. Ist
die Kupplung 1 entleert, so kann sie auch kein Drehmoment
mehr übertragen.
Der Abtrieb, d. h. im vorliegenden Falle Pumpe 3, steht
still.
-
Die 3 und 4 veranschaulichen
die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispieles. Dabei bildet
das Turbinenrad 3 mit einer Keilriemenscheibe eine Baueinheit.
Die Staudruckpumpe 9 ist auf der Antriebswelle 20 axial
verschiebbar zwischen der in 3 und der
in 4 gezeigten Position.
-
Dabei
umfasst die Staudruckpumpe 2 Flansche 9.3 und 9.4,
jeweils einer auf einer Seite der Scheibe 9.1. Diese Flansche
befinden sich unmittelbar auf der Antriebswelle 20. Wie
man sieht, hat Flansch 9.4, der sich näher bei dem Pumpenrad 4 befindet,
einen größeren Durchmesser
als Flansch 9.3. Aufgrund dieser Tatsache und im Hinblick
auf den im Stauraum 8 herrschenden Druck wirkt auf die Scheibe 9.1 ein
Schub in Richtung des Pumpenrades 4. Die Staudruckpumpe
wird daher in die in 3 gezeigte Position verschoben.
-
Es
ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, umfassend eine hier nicht
gezeigte Quelle für
Steuerdrucköl,
einen Steueröleinlass 21 sowie
in der Antriebswelle 20 vorgesehene Bohrungen 22.
Hierdurch lässt
sich die Staudruckpumpe 9 axial aus der Position gemäß 3 in
die Position gemäß 4 verschieben.
Flansch 9.3 liegt dann an Reibescheibe 15 an.
-
Beim
Betrieb der hydrodynamischen Kupplung 1 strömt Arbeitsmedium
(zum Beispiel Öl)
am Zulauf 11 durch eine entsprechende Bohrung in Gehäuseteil 13 ein,
und beim Ablauf 12 wieder aus. Der Arbeitsraum 6 der
Kupplung ist dann gefüllt.
Es wird kein Steueröl
dem Einlass 21 zugeführt.
-
Bei
dem in 4 gezeigten Zustand steht die Staudruckpumpe 9 still,
läuft somit
nicht um. Sie befindet sich in Bereitschaftsposition. Hierzu wird dem
Einlass 21 Steueröl
zugeführt,
so dass die Staudruckpumpe die in 4 gezeigte
Position einnimmt und an der Reibscheibe 15 unter Druck
anliegt. Dem Zulauf 11 wird kein Betriebsmedium mehr zugeführt. Das
Betriebsmedium strömt
aus dem Arbeitsraum 6 zum Mundstück 9.1 der Staudruckpumpe,
sodann radial durch die Staudruckpumpe nach innen in eine entsprechende
Bohrung 23, und von dort zum Ablauf 12.
-
Um
die Staudruckpumpe 9 mit der Antriebswelle 20 drehfest
zu machen, gibt es auch andere Möglichkeiten,
als die angeführten.
So kann beispielsweise zwischen dem Radialinnenbereich der Staudruckpumpe 9 und
der Mantelfläche
der Antriebswelle 20 eine Kammer vorgesehen werden, die an
ein Druckmedium anschließbar
ist. Die Kammer kann aus einem doppelbandigen Schlauch gebildet sein.
Soll die Staudruckpumpe 9 mit der Antriebswelle 20 drehfest
gemacht werden, so wird Druckmedium auf die Kammer eingebracht.
-
- 1
- Hydrodynamische
Kupplung
- 2
- Motor
- 3
- Arbeitsmaschine
- 4
- Pumpenrad
- 5
- Turbinenrad
- 6
- Arbeitsraum
- 7
- Schale
- 8
- Stauraum
- 9
- Staudruckpumpe
- 9.1
- Scheibe
- 9.2
- Mundstück
- 9.3
- Flansch
- 9.4
- Flansch
- 10
- Kupplungsachse
- 11
- Zulauf
- 12
- Ablauf
- 13
- Gehäuseteil
- 14
- Lager
- 15
- Reibring
- 20
- Antriebswelle
- 21
- Drucköleinlass
- 22
- Druckölkanal
- 23
- Druckmediumkanal