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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidkupplung mit einem von
einem Primärrad
und einem Sekundärrad
gemeinsam gebildeten Arbeitsraum, in welchem ein Fluid zur Übertragung
von Antriebsleistung von dem Primärrad auf das Sekundärrad dient. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung einen Antriebsstrang, in welchem
ein Verdichter für
ein Drucksystem über
eine Fluidkupplung mittels einer Antriebsmaschine angetrieben wird.
Schließlich
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Befüllen eines
Drucksystems mit einem über
eine entsprechende Fluidkupplung angetriebenen Verdichter.
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Fluidkupplungen
der eingangs genannten Art sind bekannt. Zu ihnen zählen beispielsweise
hydrodynamische Kupplungen, bei welchen durch Beschleunigung des
Fluids radial nach außen
mittels des drehend angetriebenen Primärrads eine Kreislaufströmung des
Fluids in einem Arbeitsraum ausgebildet wird, wobei das Fluid aufgrund
der Kreislaufströmung
aus dem Primärrad
in das Sekundärrad und
wieder zurück
strömt,
und mittels der Kreislaufströmung
Antriebsleistung beziehungsweise Drehmoment hydrodynamisch vom Primärrad auf
das Sekundärrad übertragen
wird. Ein anderes Ausführungsbeispiel
ist eine sogenannte Viskokupplung, bei welcher die Antriebsleistungsübertragung
von dem Primärrad
auf das Sekundärrad
nicht hydrodynamisch über
einen Arbeitsmediumkreislauf, sondern viskos durch mit dem Fluid
im Arbeitsraum übertragene
Scherkräfte
erfolgt. Beispielsweise weist eine solche Viskokupplung, wie sie
die vorliegende Kupplung gemäß einer
besonderen Ausführungsform
betrifft, ein Primärrad
mit einer Verzahnung oder Lamellen auf, die mit entsprechend komplementär geformten Aussparungen
im Sekundärrad
einen vergleichsweise engen Spalt oder Spalte ausbilden, der/die
mit dem Fluid befüllt
ist/sind, so dass das Fluid vom Primärrad in Umfangsrichtung der
Kupplung beschleunigt wird und das Sekundärrad sozusagen mitreißt.
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Bei
gattungsgemäßen Fluidkupplungen spielt
somit die Viskosität
des Fluids eine tragende Rolle für
das Übertragungsverhalten,
das heißt
für die
vom Primärrad
auf das Sekundärrad übertragene Antriebsleistung.
Bei Viskokupplungen bedeutet dies, dass je höher die Viskosität des Fluids
ist, desto geringer ist der Schlupf beziehungsweise der Drehzahlunterschied
zwischen dem Primärrad,
das beispielsweise von einem Motor angetrieben wird, und dem Sekundärrad, das
beispielsweise mit einer Arbeitsmaschine oder – bei Verwendung der Kupplung in
einem Kraftfahrzeug – mit
Antriebsrädern
verbunden ist. Durch die Verwendung eines rheologischen Fluids als
Arbeitsmedium der Fluidkupplung kann die Viskosität des Fluids
im Betrieb der Kupplung geändert
werden, insbesondere durch Aufbringen eines magnetischen oder eines
elektrischen Feldes. Mittels eines magnetischen Feldes ist die Viskosität eines sogenannten
magnetorheologischen Fluids (MRF) veränderbar, mittels einem elektrischen
Feld die Viskosität
eines elektrorheologischen Fluids (ERF). Die vorliegende Erfindung
betrifft Fluidkupplungen mit jeglichem rheologischem Fluid beziehungsweise
jeglicher rheologischen Flüssigkeit
als Arbeitsmedium im Arbeitsraum der Kupplung.
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Obwohl
herkömmlich
bei Viskokupplungen mit rheologischem Fluid, auch als rheologische
Viskokupplungen bezeichnet, bereits eine sehr komfortable Steuerung
beziehungsweise Regelung der Antriebsleistungsübertragung vom Primärrad auf
das Sekundärrad
erreicht wird, und somit sowohl Anfahrvorgänge mittels der Kupplung schonend
und verschleißfrei
bei einer niedrigen Viskosität
und bei einer hohen Viskosität
eine Leistungsübertragung,
insbesondere im stationären
Bereich, mit hohem mechanischen Wirkungsgrad erreicht werden können, bedeutet
der notwendige Aufbau des Feldes zur Verfestigung des rheologischen
Fluids, um den hohen mechanischen Wirkungsgrad zu erreichen, dass
permanent elektrische oder magnetische Energie aufgebracht werden
muss. Insbesondere im synchronisierten Zustand der Fluidkupplung,
das heißt,
wenn das Fluid im wesentlichen vollständig erstarrt ist und das Primärrad und
das Sekundärrad
mit derselben Drehzahl umlaufen, ist ein erheblicher dauernder Energieeintrag
in das System erforderlich, was den Gesamtwirkungsgrad verschlechtert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluidkupplung der eingangs
genannten Art anzugeben, bei welcher der Gesamtwirkungsgrad gegenüber bekannten
Ausführungen
nochmals erhöht wird.
Ferner soll ein Verfahren zum Befüllen eines Drucksystems bei
Verwendung eines über
eine entsprechende Fluidkupplung angetriebenen Verdichters angegeben
werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine Fluidkupplung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und
ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. In den
abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Fluidkupplung,
die insbesondere als Viskokupplung ausgeführt ist, jedoch beispielsweise
auch eine hydrodynamische Kupplung der eingangs genannten Art darstellen kann,
weist ein antreibbares Primärrad
auf, das beispielsweise mit einem Verbrennungsmotor in eine Triebverbindung
geschaltet werden kann. Das Primärrad
treibt über
ein Fluid ein Sekundärrad
an. Das Fluid ist hierzu in einen Arbeitsraum eingefüllt, der von
dem Primärrad
und dem Sekundärrad
gemeinsam gebildet wird. Der Arbeitsraum ist insbesondere torusförmig.
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Das
Fluid ist ein rheologisches Fluid, das heißt, die Viskosität des Fluids
kann durch Aufbringen eines magnetischen und/oder eines elektrischen Feldes
auf das Fluid verändert
werden. Insbesondere nimmt die Viskosität mit zunehmender Feldstärke zu,
so dass in einem feldfreien Zustand oder einem Zustand mit einem
vergleichsweise schwachen Feld das Fluid flüssig ist beziehungsweise sich
wie ein Newton-Fluid verhält,
und in einem Zustand mit einer vergleichsweise großen Feldstärke zäh und pastös wird beziehungsweise
die Eigenschaften eines Bingham-Fluids aufweist. Man könnte auch
sagen, das Fluid weist im nicht durch ein Feld beaufschlagten Zustand
die Konsistenz einer Flüssigkeit
auf, wohingegen es im feldbeaufschlagten Zustand in der Lage ist,
zwei Oberflächen
aneinander zu binden oder miteinander zu verkleben.
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Das
Verbinden beziehungsweise Verkleben kann durch Teilchen in dem Fluid
erreicht werden, die durch die elektrische Ladung beziehungsweise
durch Beaufschlagen mit dem elektrischen oder magnetischen Feld
Ketten bilden, die sich parallel zu dem elektrischen oder magnetischen
Feld ausrichten. Die Kraft der Verbindung beziehungsweise Verklebung der
beiden Oberflächen
aneinander mittels dem rheologischen Fluid hängt von der Feldstärke des
aufgebrachten Feldes ab.
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Die Änderung
in der Viskosität
des Fluids kann in wenigen Millisekunden stattfinden, und der Vorgang
der Verfestigung des Fluids ist reversibel.
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Um
einen dauernden elektrischen oder magnetischen Energieeintrag, insbesondere
im synchronisierten Zustand des Primärrads und des Sekundärrads, zu
vermeiden, ist erfindungsgemäß eine Überbrückungskupplung
vorgesehen, mittels welcher das Primärrad und das Sekundärrad mechanisch
gegeneinander beziehungsweise aneinander verriegelbar sind. Somit
ist im synchronisierten und verriegelten Zustand kein Eintrag elektrischer
beziehungsweise magnetischer Energie mehr erforderlich.
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Ein
weiterer Vorteil, den die erfindungsgemäß vorgesehene Überbrückungskupplung
bietet, liegt darin, dass durch die mechanische Kopplung zwischen
dem Primärrad
und dem Sekundärrad
bei geschlossener Überbrückungskupplung
ein größeres Drehmoment
beziehungsweise größere Antriebsleistung
mit der Fluidkupplung übertragen
werden kann, ohne die Kupplung hinsichtlich der Leistungsübertragung über das
rheologische Fluid größer beziehungsweise
stärker
auszulegen. Somit sind die Anforderungen an das rheologische Fluid
und die Ausgestaltung des Arbeitsraums und insbesondere die äußeren Abmaße beziehungsweise
den Durchmesser der Fluidkupplung geringer.
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Besonders
günstig
wirken sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Fluidkupplung in einem
Antriebsstrang aus, in welchem ein Verdichter, insbesondere ein
Kolbenverdichter, von einer Antriebsmaschine, insbesondere einem
Verbrennungsmotor, über
die Fluidkupplung angetrieben wird, wobei der Verdichter zur Befüllung eines
Drucksystems mit einem Druckmedium, insbesondere eines Druckluftsystems
mit Druckluft, ausgebildet ist. In einem solchen System startet
die Befüllung
und damit der Verdichterbetrieb nämlich in der Regel bei einem
verminderten Gegendruck, gegen welchen der Verdichter arbeiten muss,
entweder weil der Druck im Drucksystem abgefallen ist, wenn eine
Befüllung
notwendig ist und der Verdichter gleich gegen den Druck des Drucksystems
angefahren wird, oder weil der Verdichter zunächst gegen einen Druck, beispielsweise Umgebungsdruck,
angefahren wird, der niedriger als der Druck im Drucksystem ist.
So kann der Verdichter schonend und verschleißfrei über die Fluidkupplung angefahren
werden, wobei sich das rheologische Fluid zunächst in einem flüssigen Zustand
befindet, bei entsprechend eingestelltem relativ schwachen oder
ausgeschalteten Feld, und mit zunehmender Drehzahl des Verdichters
kann die Viskosität
des Fluids erhöht
werden, um den Schlupf beziehungsweise den Drehzahlunterschied zwischen
dem Primärrad und
dem Sekundärrad
der Fluidkupplung zu vermindern und dadurch den Verdichter zu beschleunigen. Bei
einem vorgegebenen, vergleichsweise geringen Drehzahlunterschied
zwischen dem Primärrad
und dem Sekundärrad
oder bei im wesentlicher oder vollständiger Synchronisation der
Drehzahlen des Primärrads
und des Sekundärrads
kann dann die Überbrückungskupplung
geschlossen werden und die mechanische Verbindung zwischen dem Primärrad und
dem Sekundärrad
hergestellt werden. Das Schließen
der Überbrückungskupplung
erfolgt dabei immer noch bei einem vergleichsweise geringen Gegendruck,
gegen welchen der Verdichter arbeitet, entweder weil der Druck im
Drucksystem, bei Anfahren des Verdichters gegen diesen Druck, sich
noch nicht erhöht
hat oder nur um eine vorgegebene (kleine) Druckdifferenz erhöht hat,
oder weil der Verdichter noch nicht auf den Druck im Drucksystem
umgeschaltet worden ist und somit noch gegen einen relativ zum Druck
im Drucksystem verringerten Gegendruck arbeitet.
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Bei
geschlossener Überbrückungskupplung können mit
der vergleichsweise klein dimensionierten Fluidkupplung dann leicht
mittels der Fluidkupplung die notwendigen größeren Drehmomente beziehungsweise
die größere Antriebsleistung übertragen werden,
die erforderlich sind/ist, um den Druck im Drucksystem bis auf ein
vorgegebenes maximales Druckniveau durch Einspeisen von Druckmedium mittels
dem Verdichter zu erhöhen.
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Dementsprechend
muss die erfindungsgemäße Fluidkupplung
nur für
vergleichsweise geringere Antriebsmomente ausgelegt werden, und
auch die auftretenden Momentschwankungen können im Vergleich zum Stand
der Technik reduziert werden.
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Das
Schließen
der Überbrückungskupplung kann
insbesondere im vollständig
synchronisierten Zustand der Fluidkupplung, das heißt bei identischen Drehzahlen
des Primärrads
und des Sekundärrads, erfolgen,
indem das Fluid zunächst
durch Aufbringen eines entsprechend starken Feldes (magnetisch oder elektrisch)
bis zur Erstarrung oder weitgehenden Erstarrung gebracht worden
ist und der Schlupf zwischen Primärrad und Sekundärrad dadurch
eliminiert worden ist. Somit kann eine synchron schaltende Überbrückungskupplung
vorgesehen sein, die frei von Reibflächen oder Reibbelägen zur
Aufnahme einer Gleitreibung ist. Beispielsweise kann die Überbrückungskupplung
als Klauenkupplung, Bolzenkupplung oder Lamellenkupplung ausgeführt sein. Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
schließt die Überbrückungskupplung
weitgehend gleitreibungsfrei bei einem vorgegebenen minimalen Schlupf.
Der damit verbundene Drehzahlunterschied zwischen dem Primärrad und
dem Sekundärrad
kann dabei behilflich sein, dass die Bolzen beziehungsweise Klauen
oder allgemein die Elemente einer formschlüssigen Kupplung des einen Rads
die ihnen zugeordneten Öffnungen,
Aussparungen oder Elemente des anderen Rads finden, um den Formschluss beziehungsweise
Kraftschluss herzustellen.
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Es
kommen auch Reibkupplungen als Überbrückungskupplung
in Betracht, wobei der Reibbelag vorteilhaft nicht verschleißorientiert
ausgelegt werden muss, sondern lediglich reibwertorientiert.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Fluidkupplung kann
eine Synchronisation der Drehzahlen zwischen Primärrad und
Sekundärrad
gemäß einer
Ausführungsform
durch eine Feldüberhöhung erreicht
werden, das heißt
es wird kurzzeitig ein Feld mit einer solchen Feldstärke eingestellt,
die im Dauerbetrieb zu einer Aufheizung der Fluidkupplung führen würde und
insbesondere dauerhaft nicht zulässig
ist. Dieses überhöhte Feld
wird lediglich zur Synchronisation der beiden jeweils eine Kupplungshälfte ausbildenden Räder genutzt,
und im synchronisierten Zustand wird die Überbrückungskupplung dann geschlossen,
so dass das überhöhte Feld
beziehungsweise das gesamte Feld nach Schließen der Überbrückungskupplung wieder aufgehoben
werden kann.
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Insbesondere,
wenn eine formschlüssige Überbrückungskupplung,
beispielsweise eine Bolzenkupplung, Klauenkupplung oder dergleichen
vorgesehen ist, kann ein Positionssensor vorgesehen sein, um die
Stellung der beiden Räder – Primärrad und
Sekundärrad – beziehungsweise
der beiden Kupplungshälften
hinsichtlich ihrer Winkelstellung über der Drehachse der Kupplung
zu erfassen, um die Überbrückungskupplung
genau dann zu schließen,
wenn die beiden Räder
hinsichtlich des Formschlusses der Überbrückungskupplung zueinander ausgerichtet
sind. Das Schließen
der Überbrückungskupplung
im zueinander ausgerichteten Zustand der beiden Räder beziehungsweise
der beiden miteinander zu kuppelnden Hälften der Überbrückungskupplung kann dann beispielsweise
durch eine Feldüberhöhung des
elektrischen und/oder magnetischen Feldes erfolgen, wie diese oben
dargestellt wurde.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur
exemplarisch beschrieben werden.
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In
der 1 erkennt man eine Fluidkupplung in Form einer
Viskokupplung, die ein von einer Antriebsmaschine oder dergleichen
antreibbares Primärrad 1 und
ein von dem Primärrad 1 antreibbares Sekundärrad 2 aufweist.
Primärrad 1 und
Sekundärrad 2 bilden
miteinander einen Arbeitsraum 3 aus. Der Arbeitsraum 3 weist
die Form eines vergleichsweise schmalen Spaltes zwischen dem Primärrad 1 und
dem Sekundärrad 2 auf
und ist mit einem rheologischen Fluid befüllt.
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Die
Viskosität
des rheologischen Fluids ist bis hin zu seiner Erstarrung veränderbar.
Zur mechanischen Verriegelung zwischen dem Primärrad 1 und dem Sekundärrad 2 ist
eine Überbrückungskupplung 4 im
Bereich des Arbeitsraums 3 vorgesehen, mittels welcher
das Primärrad 1 und
das Sekundärrad 2 mechanisch
aneinander gekoppelt werden können.
Die Überbrückungskupplung 4 kann,
wie schematisch dargestellt, beispielsweise als Klauenkupplung beziehungsweise
Kupplung mit Synchronisationsringen ausgeführt sein.
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Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die Fluidkupplung anders als in der 1 gezeigt
zu gestalten. Beispielsweise können
Lamellen oder Zähne am
Primärrad 1 und/oder
dem Sekundärrad 2 vorgesehen
sein, die mit entsprechenden Aussparungen am anderen Rad zusammenarbeiten,
um den den Arbeitsraum 3 bildenden Spalt mit rheologischer
Flüssigkeit
vergleichsweise zu verlängern,
beispielsweise mäanderförmig zu
gestalten. Auch ist es möglich, eine
andere Art von Überbrückungskupplung,
beispielsweise formschlüssiger,
reibschlüssiger und/oder
kraftschlüssiger Überbrückungskupplung 4 vorzusehen,
und diese an einem anderen Ort zu positionieren.
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Andere
abweichende Gestaltungen gegenüber
der nur schematisch gezeigten Ausführungsform sind denkbar.