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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckwellenladeranordnung an einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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In Kraftfahrzeugen werden als bevorzugte Antriebe Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Diese Verbrennungskraftmaschinen folgen dem Verfahren der Selbstzündung im Falle eines Dieselmotors oder aber der Fremdzündung im Falle eines Ottomotors. Zum Erreichen eines möglichst hohen Wirkungsgrades und somit zur bestmöglichen Ausnutzung der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Form von Bewegungsenergie werden Verbrennungskraftmaschinen mit verdichteter Luft aufgeladen.
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Aufgeladene Verbrennungskraftmaschinen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 40%, ein niedrigeres Eigengewicht und eine hohe Leistungsdichte bei geringerem Hubraum als nichtaufgeladene Verbrennungskraftmaschinen. Als Aufladegeräte kommen Turbolader, Kompressoren oder aber auch Druckwellenlader zum Einsatz.
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Gerade beim Einsatz von Druckwellenladern mit Zellrotor ist es notwendig, dass der Zellrotor des Druckwellenladers eine spezifische Drehzahl zum Anregen und zum Halten des Druckwellenvorgangs, eines Betriebszustandes oder aber zum Erreichen eines Sollbetriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine aufweist.
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Um gerade bei Lastwechselreaktionen der Verbrennungskraftmaschine im Verlauf von Drehzahl- und Drehmomentzunahme oder Drehzahl- und Drehmomentabnahme entsprechende Drehzahlen des Zellrotors schnell zu erreichen, sind heutzutage Druckwellenlader bevorzugt mit Elektromotoren gekoppelt. Der Elektromotor treibt dabei den Zellrotor an oder unterstützt dessen Antriebsmechanismus bei dem Erreichen der Solldrehzahl und/oder beim Halten einer Istdrehzahl.
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Üblicherweise ist der Zellrotor mit dem Elektromotor über eine mechanische Kupplung in der Weise verbunden, dass die Rotorwelle des Zellrotors mit der Motorwelle des Elektromotors dauerhaft oder im Falle einer Fliehkraftkupplung zustandsabhängig gekoppelt ist. Eine solche mechanische Kupplung hat meist einen kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Eingriff, so dass ein Längenausgleich, ein Winkelfehler oder aber ein Wellenversatz zwischen der Elektromotorwelle und der Zellrotorwelle nicht oder unter der Wirkung von Rückstellkräften ausgeglichen wird. Die direkte Kopplung wirkt sich weiterhin negativ auf den damit verbundenen Wirkungsgrad aus, da eine mechanische Kupplung in vielen Fällen Antriebsenergie in Form von Wärme oder Verformungsarbeit umsetzt. Ebenfalls ist eine mechanische Kopplung, gerade unter Berücksichtigung von Langlebigkeitsaspekten (Standfestigkeit) im Automobilbereich, über die Lebensdauer als besonders anfällig gegen verschleiß- und dauerlast- bedingte Störungen zu beurteilen.
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Aus der
EP 0 151 407 A1 ist eine Druckwellenladeranordnung bekannt, bei der ein Zellrotor über einen Elektromotor antreibbar ist. In verschiedenen Betriebszuständen ist vorgesehen, dass der Zellrotor ausschließlich durch den Abgasstrom gedreht wird und von dem Elektromotor entkoppelt wird. Hierzu ist eine elektromagnetische Kupplung zwischen Zellrotor und Elektromotor geschaltet.
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Ferner ist aus der
DE 17 54 495 U eine regelbare elektromagnetische Schlupfkupplung für allgemeine Anwendungen bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik, eine Koppelung zwischen einer Antriebseinheit und einem Druckwellenlader herzustellen, die einen geringen Raumbedarf, geringe Leistungsverluste und eine hohe Betriebsfestigkeit aufweist.
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Die vorliegende Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung an einem Verbrennungsmotor weist einen Druckwellenlader mit Anschlussleitungen, ein Gehäuse und einen Zellrotor auf. Die Anschlussleitungen sind bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Druckwellenlader die Kanäle 1 bis 4, wobei Kanal 1 dem Zuführen von Frischluft, Kanal 2 dem Abführen komprimierter Frischluft, Kanal 3 dem Zuführen von Abgas und Kanal 4 zum Abführen von Abgas mit Anteilen der Luft dient. Der Zellrotor des Druckwellenladers, der in dem Gehäuse des Aufladegeräts drehbar gelagert ist, wird von einer Antriebseinheit angetrieben und bedingt durch das zyklische Öffnen und Schließen der Kanäle zum Zellrotor somit eine Komprimierung der angesaugten Frischluft in Folge des Druckwellenvorgangs. Die Antriebseinheit ist dabei erfindungsgemäß mit dem Zellrotor derart gekoppelt, dass eine regelbare elektromagnetische Schlupfkupplung auf einer Welle zwischen dem Zellrotor und der Antriebseinheit angeordnet ist.
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Hierbei ist es im Rahmen der Erfindung möglich, als Antriebseinheit für einen COMPREX-Lader beispielsweise einen Riementrieb zu nutzen oder aber für einen HYPREX-Lader eine eigenständige Antriebseinheit, beispielsweise einen Elektromotor. Die Antriebseinheit bewirkt ein Drehmoment bei einer ausreichend großen Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit in der erforderlichen Drehrichtung.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist die Schlupfkupplung von Kühlluft durchströmbar. Die Kühlluft wird dabei besonders bevorzugt aus den an den Druckwellenlader angrenzenden Anschlussleitungen, beispielsweise aus Kanal 1 oder aber Kanal 2 gewonnen. Die Kühlluft kühlt zum einen die elektromagnetische Schlupfkupplung und kann bei Bedarf weiterhin die Lager der Welle des Zellrotors oder aber des Druckwellenlader mit kühlen. Im Falle der Nutzung der elektromagnetischen Schlupfkupplung, beispielsweise als Asynchronmaschine oder Drehmomenterzeuger ist es ebenfalls möglich, über die Kühlluft eine kritische Betriebstemperatur zu vermeiden.
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Die axial im Wellenstrang zwischen Antriebseinheit und Zellrotor bisher befindlichen mechanischen Kupplungen werden durch eine regelbare elektromagnetische Schlupfkupplung ersetzt. Die elektromagnetische Schlupfkupplung ist dabei erfindungsgemäß als gehäuselose Magnetkupplung ausgebildet, wobei ein Teil auf der Welle und der andere Teil in der Antriebseinheit oder in dem Zellrotor gelagert ist. Hierdurch ist es möglich, eine kompakte Bauweise und geringe Gesamtsystemlänge des Druckwellenladers zu erzeugen. Ebenfalls sinkt aufgrund des Entfalls einer mechanischen Kupplung das Gesamtgewicht des Druckwellenladers.
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Durch die geringere Anzahl der Gesamtkomponenten und der Schnittstellen zwischen der Welle, der Antriebseinheit und dem Zellrotor ist ein bedeutend einfacherer Zusammenbau des Druckwellenladers möglich. Ebenfalls sinken aufgrund der entfallenden mechanischen Kupplung die Masse und das Massenträgheitsmoment der einzelnen Bauteile, wodurch sich bei gleichem Antriebsdrehmoment ein gegenüber herkömmlichen Antriebseinheiten größeres Beschleunigungsvermögen des Druckwellenladers ergibt. Dies wirkt sich wiederum auf die Agilität und das Ansprechverhalten des mit dem Druckwellenlader über die Kanäle 2 und 3 gekoppelten Verbrennungsmotors aus.
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Durch die regelbare elektromagnetische Schlupfkupplung ist es insbesondere erfindungsgemäß möglich, den Zellrotor mit einer geregelten Drehzahl bei Nutzung des Drehmoments eines beliebigen Antriebes zu betreiben. Es ist somit eine Regelung des Kraftschlusses und darüber die Regelung der Drehzahl des Zellrotors durch die Änderung des Schlupfes möglich. Das Verfahren über die elektromagnetische Schlupfkupplung die Drehzahl des Zellrotors zu regeln, ist in seiner Wirkung an ein Getriebe mit stufenlos veränderlicher Übersetzung angelehnt. Dies geschieht bei Nutzung des von der Antriebswelle der Brennkraftmaschine bereitgestellten Antriebsmomentes über einen Räder-, Riemen-, Ketten-, Wellen- oder Hydrauliktrieb. Im Rahmen einer separaten Antriebseinheit, die als Elektromotor in ihrer Drehzahl selbständig und von der Brennkraftmaschine unabhängig regelbar ist, kann über den Schlupf wiederum ein vereinfachtes und Material schonendes Beschleunigen des Zellrotors stattfinden, indem zunächst der Elektromotor auf die Solldrehzahl gebracht wird, bevor das Antriebsdrehmoment über die Schlupfkupplung den Zellrotor kontinuierlich auf die Betriebsdrehzahl beschleunigt.
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Insbesondere umfasst die Schlupfkupplung die Antriebswelle der Antriebseinheit radial. Hierdurch ergeben sich Vorteile in dem Zusammenbau, da in einfacher Weise die Welle mit dem aufgesteckten ersten Teil der Schlupfkupplung in den zweiten Teil der Schlupfkupplung gesteckt und/oder gefügt wird, wobei der zweite Teil der Schlupfkupplung vorzugsweise am Zellrotor befestigt ist.
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Zur Ansteuerung der elektromagnetischen Schlupfkupplung weist die Welle Schleifkontakte und/oder Induktivübertrager zur Übertragung von elektrischer Energie aus der Schlupfkupplung und/oder an die Schlupfkupplung auf. Über die Schleifkontakte und/oder Induktivübertrager ist es somit möglich, der elektromagnetischen Schlupfkupplung elektrische Energie zuzuführen, so dass der Schlupf kompensiert oder negativ wird. Dies bedeutet, die Zuführung von elektrischer Energie zu der Schlupfkupplung gleicht zunächst deren Reibungs-, Magnetisierungs- und Widerstandsverluste aus, so dass der Zellrotor und Antriebseinheit synchron drehen. Eine weitere Energiezufuhr bewirkt eine Beschleunigung des Zellrotors auf eine übersynchrone Drehzahl, während die Entnahme von elektrischer Energie aus der Schlupfkupplung auf eine asynchrone Drehzahl des Zellenrotors bis hin zu dessen Stillstand führt. Im Schiebebetrieb der Verbrennungskraftmaschine ist ein Aufladevorgang durch den Druckwellenlader nicht notwendig. In diesem Fall kann die elektromagnetische Schlupfkupplung als Generator benutzt und zur Minderung der Antriebsdrehzahl die Energie in das Kraftfahrzeugbordnetz eingespeist werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird eine Lagerung der Welle gleichzeitig auch als Lagerung der Schlupfkupplung genutzt. Hierdurch entfallen insgesamt Bauteile, wodurch die Produktionskosten, das Gesamtgewicht und das Massenträgheitsmoment einer erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung reduziert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante sind Kühlluftkanäle an der erfindungsgemäßen Druckwellenladeranordnung vorgesehen, wobei die Kühlluftkanäle ein gasförmiges Kühlmittel mit einer geeignet niedrigeren als der Grenztemperatur der Bauteile an die Schlupfkupplung leiten. Hierdurch wird sichergestellt, dass die elektromagnetische Schlupfkupplung im Dauerbetrieb, insbesondere bei einem großen Schlupf gekühlt wird. Durch die mit einer elektrischen Stromstärke beaufschlagte Erregerwicklung der elektromagnetischen Schlupfkupplung entsteht in Folge des elektrischen Widerstands und der Magnetisierung Wärme, die insbesondere bei einer inneren Anordnung beispielsweise innerhalb des Zellrotors zum Schutz der Bauteile abgeführt werden muss. Abhilfe schaffen hier die genannten Kühlluftkanäle mit dem darin strömenden Kühlmittel.
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Als Kühlmittel nutzbar ist die Kühlluft aus einem Abzweig der angesaugten Frischluft des Druckwellenladers. Hierbei wird aus dem Kanal 1 über den bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Druckwellenladeranordnung dem Zellenrotor Frischluft zugeführt wird, Kühlluft in die Kühlluftkanäle eingespeist. Die Kühlluft weist der Frischluft in Kanal 1 entsprechend in etwa Umgebungstemperatur auf, jedoch einen geringeren als den atmosphärischen Druck. Daher ist es auch möglich, Kühlluft der Umgebung zu entnehmen und in den Kanal einzuspeisen.
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Somit kann in bevorzugter Weise die abgezweigte oder aufgenommene Kühlluft dem Komprimierungsprozess des Druckwellenladers wiederum zugeführt werden. Hierbei kann im Rahmen der Erfindung entweder eine direkte Zuführung in Kanal 1 oder aber nach einer Druckerhöhung durch ein Strömungsleitmittel alternativ in den Kanal 2 erfolgen. Alternativ kann die Kühlluft auch aus der Umgebungsluft angesaugt bzw. gewonnen und an diese wieder zurückgeführt werden.
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Des Weiteren kann Kühlluft von der komprimierten Frischluft aus Kanal 2 abgezweigt werden, wobei eine Minderung der Lufttemperatur durch z. B. einen Ladeluftkühler zu bedenken ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind auf der Welle Strömungsleitmittel vorgesehen, welche die Kühlluft an die Schlupfkupplung leiten und/oder eine erzwungene Kühlluftströmung erzeugen. Bei den Strömungsleitmitteln kann es sich insbesondere um Turbulatoren oder aber Blätter mit Flügelprofil, wie beispielsweise Gebläse- oder Turbinenschaufeln handeln, die gezielt die Kühlluft an die Wärmequelle und/oder an die temperaturempfindlichen Bauteile der elektromagnetischen Schlupfkupplung leiten. Darüber hinaus können im Rahmen der Erfindung die Strömungsleitmittel derart ausgebildet sein, dass sie die Kühlluft gleichzeitig verdichten, welche dann in einem komprimierten Zustand in den Kanal 2 eingeleitet werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Druckwellenlader mit der Schlupfkupplung als Asynchronmaschine ausgebildet. Des Weiteren kann an die Schlupfkupplung ein mechanisches Übersetzungsgetriebe oder aber ein magnetisches Übersetzungsgetriebe angeschlossen sein. Mittels des Übersetzungsgetriebes ist sowohl eine Anpassung der Antriebsdrehzahl an den Betriebsdrehzahlbereich als auch ein Betrieb der Schlupfkupplung im untersynchronen und/oder im übersynchronen Bereich möglich.
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Bei dem angeschlossenen mechanischen Getriebe kann es sich beispielsweise um ein Stirnradgetriebe, ein Kegelradgetriebe, ein Planetengetriebe, ein stufenloses CVT-Getriebe oder aber ein schaltbares Mehrstufengetriebe handeln.
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Bei dem angeschlossenen magnetischen Getriebe kann eine Drehzahl und/oder Drehmomentenänderung dem Polzahlverhältnis und dem übertragbaren Drehmoment entsprechend erfolgen. In einer bevorzugten Ergänzung zu dem Getriebe aber auch eigenständig kann die elektromagnetische Schlupfkupplung als elektrische Bremse für den generatorischen Betrieb oder aber als Wirbelstrombremse genutzt werden. Die Steuerung oder Regelung des positiven Schlupfes erfolgt durch Energieentzug. In einer weiteren Ausführungsvariante beinhaltet die Schlupfkupplung eine variable Polzahl und/oder eine Polumschaltung, die von wenigstens einer der Wicklungen der Kupplungshälften oder durch einen magnetischen Zwischenring ermöglicht wird.
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Ebenfalls ist es mittels des magnetischen Übersetzungsgetriebes möglich, eine Drehzahl bzw. Drehmomentenänderung im übersynchronen Drehzahl-Bereich zu erzielen. In einer bevorzugten Ergänzung zu dem Getriebe oder auch eigenständig kann die Schlupfkupplung als elektrischer Antrieb für den motorischen Betrieb genutzt werden. Eine Steuerung und/oder Regelung des negativen Schlupfes erfolgt durch Energiezufuhr.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Schlupfkupplung als elektrodynamischer Generator oder als Drehmomenterzeuger nutzbar. Im generatorischen Betrieb ist die Schlupfkupplung als elektrodynamischer Generator im generatorischen Betrieb nutzbar und produziert somit elektrische Energie, die in das Bordnetz des Kraftfahrzeuges einspeisbar ist. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um die Lichtmaschine bei großem positiven Schlupf zu entlasten, beispielsweise im Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin ist die Schlupfkupplung als Drehmomenterzeuger nutzbar, so dass sie in einem motorischen Betrieb als Antrieb dient und zur Erreichung einer übersynchronen Drehzahl durch Erzeugung eines negativen Schlupfes in Folge eines Zusatzdrehmomentes betreibbar ist. Dies entspricht dabei einem Boostbetrieb.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem besseren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung mit einer elektromagnetischer Schlupfkupplung in dem Zellrotor;
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2 eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung mit einer elektromagnetischen Schlupfkupplung in der Antriebseinheit;
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3a eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung mit Kühlluftkanälen und
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3b eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung mit Kühlluftkanälen und Strömungsleitmitteln.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung 1, wobei hier vereinfacht nur der Ausschnitt des Zellrotors 2 schematisch dargestellt ist. Der außenliegende Zellrotor 2 umfasst radial r eine Zellrotornabe 3. In der Zellrotornabe 3 sind Lager 4 angeordnet. In den Lagern 4 selber wiederum ist eine Welle 5 angeordnet, die auf einer auf die Bildebene bezogenen linken Seite mit einer nicht näher dargestellten Antriebseinheit 6 gekoppelt ist. Auf der Welle 5 selber befinden sich Schleifbahnen 7 zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit der auf der Welle 5 zum Teil befindlichen elektromagnetischen Schlupfkupplung 8. Hierbei ist ein erster Teil 9 der Schlupfkupplung 8 auf der Welle 5 selbst angeordnet. Die Anordnung von Welle 5 und Kupplungsteil kann beispielsweise mittels eines Presssitzes 10 gefügt sein. Ein zweiter Teil 11 der elektromagnetischen Schlupfkupplung 8 ist an der Innenseite 12 des Zellrotors 2 angeordnet. Auch hier kann der zweite Teil 11 mittels eines Presssitzes 10 in dem Zellrotor 2 angeordnet sein. Zur Kühlung der elektromagnetischen Schlupfkupplung 8 strömt Kühlluft L durch Kühlluftkanäle 13 innerhalb der Druckwellenladeranordnung 1. Die Kühlluft L führt die Wärme aus der elektromagnetischen Schlupfkupplung 8 ab. Am rechtseitigen Bildende dargestellt ist eine Schutzkappe 14, die ein Eindringen von Schmutzpartikeln, Nässe oder ähnlichen Schadstoffen in die Druckwellenladeranordnung 1 bzw. in die Schlupfkupplung 8 verhindert.
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2 zeigt einen analogen Aufbau zu 1, wobei hier jedoch der Zellrotor 2 durch den Antriebsrotor einer Antriebseinheit 6 ausgetauscht ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Getriebe oder um einen (Elektro-)Motor handeln, von dem eine Antriebsenergie aufgebracht wird, die dann wiederum über die Welle 5 an den hier nicht näher dargestellten Zellrotor 2 übertragen wird. Der Aufbau bezüglich Führungslager 4, Welle 5, Schleifbahn 7, Schlupfkupplung 8 mit einem erstem Teil 9 und einem zweiten Teil 11 sowie mit den Kühlluftkanälen 13 erfolgt analog zu der Darstellung in 1.
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3a zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung einer Druckwellenladeranordnung 1 analog zu 1. Ergänzend ist hier im Bereich der Schleifbahn 7 ein Kühlluftkanal 13 angeordnet, der Kühlluft L über einen Strömungskanal SK in der Welle 5 führt. Hierdurch wird der erste Teil 9 und der zweite Teil 11 der Schlupfkupplung 8 von der Kühlluft L umspült und gekühlt. Weiterhin vorgesehen ist ein Strömungsaustrittskanal SAK, aus dem die Kühlluft L nach Durchströmen des ersten 9 und zweiten Teils 11 austritt und im Weiteren, über den Kühlluftkanal 13 an dem Schleifkontakt an der Schleifbahn 7 abgeführt wird.
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3b zeigt einen analogen Aufbau zu 3a, wobei hier zusätzliche Strömungsleitmittel 15 auf der Welle 5 angeordnet sind. Die Strömungsleitmittel 15 führen dabei die durch den Kühlluftkanal 13 zugeführte Kühlluft L durch den ersten Teil 9 und den zweiten Teil 11 der Schlupfkupplung 8. Die Kühlluft L wird dann durch einen Austritt A an der Schutzkappe 14 aus dem Bereich der Schlupfkupplung 8 ausgeführt. Durch die Strömungsleitmittel 15 ist es möglich, die Kühlluft L zu verdichten. Ebenfalls ist hier ein Strömungskanal SK angeordnet, der die Kühlluft L von dem Kühlluftkanal 13 über die Welle 5 zu den Strömungsleitmitteln 15 führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckwellenladeranordnung
- 2
- Zellrotor
- 3
- Zellrotornabe
- 4
- Lager
- 5
- Welle
- 6
- Antriebseinheit
- 7
- Schleifbahn
- 8
- Schlupfkupplung
- 9
- erster Teil v. 8
- 10
- Presssitz
- 11
- zweiter Teil v. 8
- 12
- Innenseite v. 2 bzw. v. 6
- 13
- Kühlluftkanal
- 14
- Schutzkappe
- 15
- Strömungsleitmittel
- L
- Kühlluft
- r
- Radial
- SK
- Strömungskanal
- SAK
- Strömungsaustrittskanal
- A
- Austritt
