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Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, das heißt eine
Strömungsmaschine,
die nach dem Föttinger-Prinzip
arbeitet.
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Hydrodynamische
Kupplungen weisen bekanntlich ein beschaufeltes Primärrad, auch
Pumpenrad genannt, und ein beschaufeltes Sekundärrad, auch Turbinenrad genannt,
auf. Beide Schaufelräder stehen
sich axial unter Bildung eines Trennspalts gegenüber und bilden gemeinsam einen
in der Regel torusförmigen
Arbeitsraum aus. Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, Wasser oder
ein Gemisch hieraus, befüllbar,
um über
einen sich im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung einstellenden
Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum Drehmoment beziehungsweise
Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad zu übertragen.
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Ein
besonderer Anwendungsfall für
eine hydrodynamische Kupplung, wie ihn die vorliegende Erfindung
gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung betrifft, ist ein sogenanntes Turbocompoundsystem.
Bei einem Turbocompoundsystem das in der Regel in einem Kraftfahrzeug,
beispielsweise einem LKW, Anwendung findet, ist im Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors eine Nutzturbine angeordnet, welche mit dem Abgas
beaufschlagt wird. Die Nutzturbine wandelt im Abgas enthaltene Energie
in eine Rotationsbewegung um. Die Rotationsbewegung wird auf die
Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen, um die Kurbelwelle
anzutreiben. In die Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine
und der Kurbelwelle ist eine hydrodynamische Kupplung eingebracht,
um die Antriebsleistung verschleißfrei von der Nutzturbine auf
die Kurbelwelle zu übertragen.
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Wenn
die hydrodynamische Kupplung in einem solchen Turbocompoundsystem
als Konstantfüllungskupplung
ausgeführt
ist, das heißt
als eine hydrodynamische Kupplung, deren Arbeitsraum stets mit mindestens
einer vorbestimmten Arbeitsmediummenge befüllt ist, so wird die Nutzturbine
vor einer Überdrehzahl
aufgrund von fehlender Drehmomentabstützung geschützt.
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Um
die Drehmomentübertragung
einer Konstantfüllungskupplung
einzuschalten beziehungsweise auszuschalten wird in der
US 2,359,930 , welche allgemein
eine hydrodynamische Kupplung jedoch kein Turbocompoundsystem betrifft,
vorgeschlagen, das Pumpenrad auf einer Welle mit einem Außengewinde
zu lagern. Das Pumpenrad selbst weist eine Hülse mit einem Innengewinde
auf, das mit dem genannten Außengewinde
im Eingriff steht. Bei Aufbringen einer Antriebsleistung auf die
Welle wandert das Pumpenrad auf dem Außengewinde entgegen der Kraft
von Druckfedern in Richtung des Turbinenrads und „schließt" damit den Arbeitsmediumkreislauf
im Arbeitsraum, so dass Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad
und dadurch von der das Pumpenrad tragenden Eingangswelle auf eine
das Turbinenrad tragende Ausgangswelle übertragen wird. Wenn das an
dem Pumpenrad beziehungsweise dessen Welle angreifende Drehmoment
reduziert wird, überwiegt
die Kraft der Druckfedern die das Pumpenrad in Richtung des Turbinenrads
treibende Kraft aus dem Eingangsdrehmoment und fährt das Pumpenrad vom Turbinenrad
ab. Durch dieses axiale Abfahren wird eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung
vom Pumpenrad auf das Turbinenrad erreicht.
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Um
die Druckfedern in der hydrodynamischen Kupplung vorsehen zu können, ist
ein entsprechender Bauraum notwendig, welcher zu relativ großen Abmaßen der
hydrodynamischen Kupplung in Axialrichtung führt. Ferner ist eine Vielzahl
von Lagern erforderlich, um die Eingangswelle und die Ausgangswelle
fluchtend zueinander zu lagern. Schließlich ist der vorgeschlagene
Aufbau der hydrodynamischen Kupplung komplex und anfällig für Störungen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische
Kupplung, insbesondere Konstantfüllungskupplung,
anzugeben, bei welcher die Drehmoment- beziehungsweise Drehleistungsübertragung
zwischen den beiden Schaufelrädern
automatisch in eine erste Richtung hoch ist und in eine zweite,
entgegengesetzte Richtung unterbrochen beziehungsweise herabgesetzt
wird. Die hydrodynamische Kupplung soll dabei einen möglichst einfachen
und kompakten Aufbau aufweisen und insbesondere bei Verwendung in
einem Turbocompoundsystem dieses gegenüber dem Stand der Technik verbessern.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen von Anspruch
1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung
ist besonders für
Systeme, beispielsweise Turbocompoundsysteme, geeignet, in welchen
in bestimmten Betriebszuständen
eine Drehmomentübertragung
vom Primärrad
auf das Sekundärrad
stattfindet, und in anderen Betriebszuständen eine unerwünschte Drehmomentübertragung
vom Sekundärrad
auf das Primärrad
unterbunden beziehungsweise vermindert werden soll, somit eine Art
Freilauffunktion erreicht werden soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass wenigstens eines der beiden Räder derart auf einem Gewinde,
insbesondere Normalgewinde, Steilgewinde, Drallgewinder, einer Schrägverzahnung
oder dergleichen gelagert ist, dass es durch eine Drehbewegung beziehungsweise eine
relative Drehbewegung gegenüber
dem Gewinde/der Verzahnung in Axialrichtung der hydrodynamischen
Kupplung verschoben beziehungsweise verfahren werden kann, um so
in bestimmten Betriebszuständen
in Richtung des anderen Schaufelrads angefahren beziehungsweise
mit einem vorgegebenen minimalen Trennspalt gegenüber diesem
gehalten zu werden, und in anderen Betriebszuständen von dem anderen Schaufelrad
abgefahren werden kann, um die Drehmomentübertragung über den Arbeitsmediumkreislauf
weitgehend oder vollständig
zu unterbinden oder zumindest abzuschwächen.
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Anstelle
des Gewindes kann auch eine Schrägverzahnung
oder dergleichen vorgesehen sein, mittels welcher das verfahrbare
beschaufelte Rad getragen wird, in der Regel auf einer Welle.
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Im
Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik wird bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Kupplung jedoch auf die bisher notwendigen Druckfedern als Rückstelleinrichtung
und ferner auf jegliche, eine Federkraft auf das verfahrbare Rad
aufbringende Rückstelleinrichtung
verzichtet. Vielmehr erfolgt das An- und Abfahren des in Axialrichtung
verfahrbaren beschaufelten Rads, das Primärrad und/oder das Sekundärrad, ausschließlich durch
das Drehzahlverhältnis
zwischen den beiden Schaufelrädern.
Wenn das Primärrad
mit einer größeren Drehzahl
umläuft
als das Sekundärrad,
wird durch das Gewinde beziehungsweise die Schrägverzahnung eine Kraft in eine
erste Axialrichtung auf das verfahrbare Rad aufgebracht. Wenn das
Sekundärrad
mit einer größeren Drehzahl
umläuft
als das Primärrad,
wird auf das verfahrbare Rad eine Kraft in einer zweiten axialen
Richtung aufgebracht, wobei die zweite Axialrichtung entgegengesetzt
zu der ersten Axialrichtung gerichtet ist. Allein durch diese Kraftaufbringung,
das heißt
die Umwandlung von Drehmoment in eine Schubkraft mittels dem Gewinde,
erfolgt das Verfahren, das heißt
das An- und Abfahren, des verfahrbaren Rads gegenüber dem
anderen beschaufelten Rad.
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Die
beiden beschaufelten Räder
können
vorteilhaft auf einer gemeinsamen Welle gelagert sein. Beispielsweise
kann eines der beiden beschaufelten Räder, beispielsweise das Sekundärrad, unmittelbar, insbesondere
mittels der Verzahnung, auf der Welle gelagert sein, und das zweite
beschaufelte Rad, insbesondere das Primärrad, kann auf dieser Welle
relativgelagert sein, das heißt über ein
zwischengeschaltetes Lager, insbesondere Wälzlager, auf der Welle gelagert
sein. Das erste beschaufelte Rad läuft somit mit der Drehzahl
der Welle um, wohingegen die Drehzahl des zweiten beschaufelten
Rads entsprechend der Drehmoment- beziehungsweise Drehleistungsübertragung
im Arbeitsraum mit einer abweichenden Drehzahl umläuft.
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Die
hydrodynamische Kupplung weist vorteilhaft eine Schrägbeschaufelung
auf, das heißt
die Schaufeln des Primärrad
und des Sekundärrads
verlaufen nicht in Axialschnittebenen durch die Drehachse, sondern
sind winklig hierzu angeordnet. Anders ausgedrückt stehen die Schaufeln nicht
senkrecht auf einer achssenkrechten Ebene durch den Trennspalt.
Die Schrägstellung
beziehungsweise der Anstellwinkel gegenüber einer Axialschnittebene
ist derart, dass die Schaufeln, welche vorteilhaft miteinander fluchten,
bei einer Leistungsübertragung
zwischen den beiden Schaufelrädern
in eine erste Richtung sich fliehend zueinander und in eine zweite,
entgegengesetzte Richtung, sich spießend zueinander bewegen.
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Die
Begriffe fliehend und spießend
sind dem Fachmann bekannt. Fliehend bedeutet, dass die Schrägstellung
des sich schneller drehenden Schaufelrads, beginnend im Trennspalt
in Richtung des Schaufelradbodens in Drehrichtung ausgeführt ist, wohingegen
spießend
bedeutet, dass die Schrägstellung
der Schaufeln des sich schneller drehenden Schaufelrads, beginnend
im Trennspalt in Richtung des Schaufelradbodens entgegen der Drehrichtung ausgeführt ist.
Im spießenden
Betrieb wird hydrodynamisch verhältnismäßig mehr
Leistung bei derselben Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum übertragen
als im fliehenden Betrieb.
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Bei
Einsatz einer erfindungsgemäßen Turbokupplung
in einem Turbocompoundsystem kann folgendes Verfahren verwirklicht
werden: In Betriebszuständen,
in welchen genügend
Abgas mit einer ausreichenden Abgasenergie vorhanden ist, mit welchem
die Abgasnutzturbine beaufschlagt wird, findet eine Antriebsleistungsübertragung
von der Abgasnutzturbine über
die hydrodynamische Kupplung auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors
statt. In Betriebszuständen,
in denen nur wenig Abgas und/oder eine zu niedrige Abgasenergie
zur Verfügung
steht, und so eine Leistungsübertragung
von der Kurbelwelle über
die hydrodynamische Kupplung auf die Abgasnutzturbine stattfinden
würde,
was im Traktionsbetrieb unerwünscht
ist, fährt
das verfahrbare Schaufelrad, beispielsweise das Sekundärrad, automatisch
dadurch von dem anderen Schaufelrad ab, dass sich das mit der Kurbelwelle
in einer Triebverbindung verbundene Sekundärschaufelrad schneller dreht
als das in einer Triebverbindung mit der Abgasnutzturbine stehende
Primärrad.
Das axiale Abfahren bewirkt eine Verminderung oder Unterbrechung
der Antriebsleistungsübertragung über die
hydrodynamische Kupplung, so dass von der Abgasnutzturbine kein
unerwünschtes
Schleppmoment auf die Kurbelwelle übertragen wird.
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Im
erstgenannten Fall hingegen, im Traktionsbetrieb mit Abgasenergieausnutzung,
das heißt mit Übertragung
von Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle,
fährt das
verfahrbare Schaufelrad automatisch an das andere Schaufelrad heran
beziehungsweise bleibt herangefahren, weil das mit der Abgasnutzturbine
verbundene Primärrad schneller
umläuft
als das mit der Kurbelwelle verbundene Sekundärrad. Das An- und Abfahren
wird somit ausschließlich
durch das Drehzahlverhältnis
zwischen Primärrad
und Sekundärrad
bestimmt, beziehungsweise in Abhängigkeit
davon, welches der beiden Räder
im Vergleich zu dem anderen schneller umläuft.
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Die
erfindungsgemäße Kupplung
kann als Konstantfüllungskupplung
ausgeführt
sein. Unter Konstantfüllungskupplung
werden gemäß einer
Ausführungsform
solche Kupplungen verstanden, die in allen Betriebszuständen dieselbe
oder im wesentlichen dieselbe Arbeitmediummenge im Arbeitsraum und/oder
innerhalb der Kupplung aufweisen. Gemäß einer anderen Ausführungsform
wird unter Konstantfüllungskupplung
vorliegend eine Kupplung verstanden, bei welcher die Menge von Arbeitsmedium
im Arbeitsraum und/oder innerhalb der Kupplung variiert, jedoch
stets eine Mindestarbeitsmediummenge im Arbeitsraum und/oder der
Kupplung vorhanden ist. Bei beiden Ausführungsformen kann ein externer Arbeitsmediumkreislauf
vorgesehen sein oder auch nicht.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch
beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer hydrodynamischen Kupplung in einem Turbocompoundsystem;
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2 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgeführte hydrodynamische
Kupplung in einem ersten Betriebszustand mit angefahrenem Sekundärrad;
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3 die
hydrodynamische Kupplung aus der 2 in einem
zweiten Betriebszustand mit abgefahrenem Sekundärrad;
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4 eine
Darstellung entsprechend der 2 bei einer
hydrodynamischen Kupplung mit Einlasssteuerung;
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5 die
hydrodynamische Kupplung aus der 4 in einem
abgefahrenen Zustand des Sekundärrads,
wobei zusätzlich
ein Bypass durch das Abfahren geöffnet
wird.
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In
der 1 erkennt man ein Turbocompoundsystem mit einem
Verbrennungsmotor 10, der eine Kurbelwelle 11 aufweist,
und einer Abgasnutzturbine 12 in dem Abgasstrom 13 des
Verbrennungsmotors 10. Die Abgasnutzturbine 12 steht
in einer Triebverbindung mit der Kurbelwelle 11, und zwar vorliegend über das
Rädergetriebe 15,
die hydrodynamische Kupplung 14 und das Rädergetriebe 16. Über diese
Triebverbindung wird, wenn genügend Abgas
beziehungsweise Abgasenergie im Abgasstrom 13 vorhanden
ist, Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine 12 auf die
Kurbelwelle 11 übertragen.
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In
Betriebszuständen,
in welchen nicht genügend
Abgas beziehungsweise Abgasenergie vorhanden ist, wird bisher über die
hydrodynamische Kupplung 14 ein Schleppmoment von der Abgasnutzturbine 12 auf
die Kurbelwelle 11 übertragen,
was unerwünscht
ist. Die hydrodynamische Kupplung 14 ist zur Verminderung
beziehungsweise Unterbindung dieses Schleppmoments daher erfindungsgemäß mit einem
axial verschiebbaren Schaufelrad versehen, das automatisch dann,
wenn die Abgasnutzturbine 12 ein Schleppmoment erzeugt,
von dem anderen Schaufelrad abgefahren wird.
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Ein
Schnitt durch eine solche hydrodynamische Kupplung ist in den 2 bis 5 dargestellt. Man
erkennt das Primärrad 1 und
das Sekundärrad 2,
welche miteinander einen Arbeitsraum 3 ausbilden. Der Arbeitsraum 3,
von dem vorliegend nur eine Seite bezogen auf die Drehachse 17 der
hydrodynamischen Kupplung dargestellt ist, weist eine torusförmige Gestalt
auf. Das Primärrad 1 steht
dem Sekundärrad 2 unter
Beibehaltung eines mehr oder minder großen Trennspalts axial gegenüber. Die
Größe des Trennspalts
wird durch die axiale Position des Sekundärrads 2, welches auf
einem Gewinde 4 einer Welle 5 unmittelbar getragen
wird, bestimmt.
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Sowohl
das Primärrad 1 als
auch das Sekundärrad 2 weisen
jeweils eine Beschaufelung 7 auf, die vorteilhaft als Schrägbeschaufelung
ausgeführt ist.
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Die
Welle 5 trägt über ein
Wälzlager 6,
hier in Form eines Doppelkugellagers, auch das Primärrad 1.
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Aufgrund
dessen, dass die Kupplungsschale 18, welche vorliegend
am Primärrad 1 angeschlossen
ist und zusammen mit dem Primärrad 1 das
Sekundärrad 2 in
Axialrichtung beidseitig und in Umfangsrichtung vollständig einschließt, auf
ihrem äußeren Umfang
keinerlei Auslässe
oder Düsen
zum Austragen von Arbeitsmedium aufweist, ist der Arbeitsraum 3 stets
mit einer Mindestmenge von Arbeitsmedium befüllt.
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Das
Primärrad 1 ist über den
Flansch 19 mittelbar an der Abgasnutzturbine (nicht dargestellt)
angeschlossen. Das Sekundärrad 2 ist über die
Welle 5 beziehungsweise einem auf dieser vorgesehenem Zahnrad 20 oder
Flansch (nicht dargestellt) mittelbar mit der Kurbelwelle (nicht
dargestellt) verbunden.
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Wenn
nun Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle übertragen
wird, wie in der 2 durch die Pfeile dargestellt
ist, so läuft das
Primärrad 1 mit
einer größeren Geschwindigkeit um
als das Sekundärrad 2.
Die gewählte
Drehrichtung des Gewindes 4 bewirkt, dass das Sekundärrad 2 bis
auf einen minimal möglichen
Abstand beziehungsweise minimalen Trennspalt an das Primärrad 1 herangefahren
wird, wie dies in der 2 dargestellt ist. Dieses Heranfahren
beziehungsweise Halten in der herangefahrenen Position ergibt sich
allein aufgrund der Leistungsflussrichtung beziehungsweise des Drehzahlverhältnisses
zwischen dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2.
Federn oder eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, um das
Sekundärrad 2 an
das Primärrad 1 heranzufahren,
sind nicht vorgesehen. Die hydrodynamische Kupplung ist demnach
frei von einer Rückstelleinrichtung.
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In
der 3 sind die Verhältnisse dargestellt, wie sie
sich ergeben, wenn der Leistungsfluss von der Kurbelwelle (nicht
dargestellt) über
das Sekundärrad 2 auf
das Primärrad 1 und
dann die Abgasnutzturbine (nicht dargestellt) erfolgt, siehe die
Pfeile. In diesem Fall läuft
das Sekundärrad 2 mit
einer größeren Drehzahl
um als das Primärrad 1.
Das Sekundärrad 2 wird
dadurch automatisch vom Primärrad 1 abgefahren.
Das Abfahren erfolgt wiederum ohne die Kraft von Federn oder einer
hydrodynamischen Betätigungsvorrichtung.
Die Leistungsübertragung
wird durch den größeren axialen
Abstand zwischen Sekundärrad 2 und
Primärrad 1 unterbunden
oder zumindest vermindert.
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Beim
Abfahren ergibt sich folgender weiterer Vorteil: Arbeitsmedium,
welches zuvor im Zwischenraum zwischen der Rückseite des Sekundärrads 2 und
der Innenseite der Schale 18 vorhanden war, wird durch
das zurückfahrende
Sekundärrad 2 verdrängt und über den
radial innenliegenden Spalt zwischen Schale 18 und Welle 5 ausgestoßen. Aufgrund dessen,
dass der Spalt zwischen Schale 18 und Welle 5 für den Austritt
des Arbeitsmediums insbesondere größer ist als jener am äußeren Umfang
des Primärrads 2 zwischen
dem Primärrad 2 und
der Schale 18, wird verhindert, dass das Arbeitsmedium
aus dem Raum zwischen der Schale 18 und der Rückseite
des Primärrads 2 in
den Arbeitsraum 3 einströmt. Somit ist die im Arbeitsraum 3 verbleibende
Menge vergleichsweise vermindert.
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Eine
weitere Gegebenheit, die dem Überströmen von
Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 beim Abfahren des Sekundärrads 2 entgegenwirkt, ist
der vergleichsweise höhere
Strömungsdruck
im Trennspalt zwischen dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2 im
Vergleich zu dem Strömungsdruck auf
der Rückseite
des Sekundärrads 2.
Diese günstigen
Eigenschaften können
beispielsweise noch dadurch verstärkt werden, dass entsprechende
Schaufeln oder Führungen
auf der Rückseite
beziehungsweise dem radial äußeren Umfang
des Sekundärrads 2 vorgesehen
werden, um Arbeitsmedium in Richtung der Rückseite des Sekundärrads 2 und
somit weg von dem Arbeitsraum 3 zu fördern.
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In
den 4 und 5 sind weitere Maßnahmen
dargestellt, welche beispielsweise vorgesehen werden können, um
zu verhindern, dass sich der Arbeitsraum 3 nach dem Abfahren
des Sekundärrads 2 von
dem Primärrad 1 erneut
stärker
befüllt
beziehungsweise nach dem Abfahren automatisch teilweise entleert
oder weiter entleert wird. So ist ein Zulauf 8 vorgesehen,
um Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 einzubringen. Im
angefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 (4)
ist der Zulauf 8 nicht verschlossen, wohingegen er im abgefahrenen
Zustand des Sekundärrads 2 (5)
verschlossen ist. Dieses Verschließen erfolgt automatisch durch
das Abfahren des Sekundärrads 2.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
steht die Auslassöffnung
des Zulaufes 8 einer Einlassöffnung einer Bohrung 9 im
Sekundärrad 2 gegenüber. Die
Bohrung 9 mündet
im Arbeitsraum 3. Beim axialen Verschieben (Abfahren) des Sekundärrads 2 wird
die Bohrung 9 mitverschoben, so dass der Zulauf 8 im
abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 der
Bohrung 9 nicht mehr gegenübersteht. Vielmehr wird der
Zulauf 8 dann durch eine radial innenliegende Fläche des
Sekundärrads 2 verschlossen.
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Zusätzlich oder
alternativ kann, wie in der 5 dargestellt
ist, ein Bypass 21 vorgesehen sein, mittels welchem Arbeitsmedium
im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 am Arbeitsraum 3 vorbeigeführt wird.
Vorliegend wird dies dadurch erreicht, dass der Bypass 21 dem
Zulauf 8 im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 derart
gegenübersteht,
dass das Arbeitsmedium aus dem Zulauf 8 durch den Bypass 21 geleitet
wird und außerhalb
des Arbeitsraumes 3 beziehungsweise der Kupplungsschale 18 ausgegeben
wird.
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Der
Bypass 21 ist in dem gezeigten Fall ebenfalls in Form einer
Bohrung durch das Sekundärrad 2 ausgeführt. Im
angefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 liegt
die Mündung
des Bypasses 21 axial versetzt zu dem Zulauf 8 und
wird durch eine radial außenliegende
Fläche
der Welle 5 abgedeckt.
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Obwohl
vorliegend das Sekundärrad
als axial verschiebbar dargestellt ist, kann zusätzlich oder alternativ auch
das Primärrad
axial verschiebbar sein, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erreichen.