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Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Hydrodynamische Kupplungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Unter hydrodynamischen Kupplungen werden dabei Kupplungen verstanden, welche Leistung und Drehmoment über hydrodynamische Kräfte in einem Arbeitsmedium übertragen. Der Leistungsübertragung liegt dabei das sog. Föttinger-Prinzip zugrunde. Die hydrodynamischen Kupplungen weisen ein Primärrad und ein Sekundärrad auf, welche jeweils eine Beschaufelung aufweisen und so gegeneinander angeordnet sind, dass sich zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad ein Arbeitsraum ausbildet, wobei die einzelnen Schaufeln in Richtung des Arbeitsraums orientiert sind. Die Schaufeln können dabei unterschiedlich angeordnet sein. So gibt es beispielsweise sog. schräg beschaufelte Schaufelräder oder gerade beschaufelte Schaufelräder als Primärrad bzw. Sekundärrad. Auch gebogene Schaufelformen sind an sich bekannt und möglich. Zur Leistungsübertragung wird ein flüssiges Arbeitsmedium in den Arbeitsraum eingefüllt. Bei diesem Arbeitsmedium kann es sich insbesondere um ein Hydrauliköl oder dgl. handeln. Bei vorhandenem Arbeitsmedium findet eine Leistungsübertragung von dem typischerweise angetriebenen Primärrad durch das bewegte Arbeitsmedium zu dem Sekundärrad statt, welches seinerseits weitere Komponenten oder Bauteile antreibt. Wird der Füllstand an Arbeitsmedium entsprechend variiert, so lässt sich die übertragene Leistung einstellen und es entsteht eine sog. regelbare hydrodynamische Kupplung bzw. Regelkupplung.
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Derartige hydrodynamische Kupplungen werden häufig zur Übertragung von Leistung in großen industriellen Anlagen, beispielsweise in Förderanlagen, eingesetzt. Die Problematik beim Aufbau einer hydrodynamischen Kupplung besteht darin, dass diese in der übertragbaren Leistung durch eine maximale Drehzahl, bei welcher die Kupplung betrieben werden kann, begrenzt ist. Diese maximale Drehzahl wird im Allgemeinen durch eine Drehzahl bestimmt, bei welcher das metallische Material, aus welchem die Kupplung ausgebildet ist, an seine mechanische Belastungsgrenze kommt.
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Aus der
DE 199 81 453 T5 ist ein Aufbau für ein Turbinenrad eines hydrodynamischen Momentwandlers bekannt, welches vollständig aus einem Kunststoff hergestellt sein kann. Die
DE 43 36 386 A1 beschreibt ebenfalls ein Turbinen- und/oder Pumpenrad, welches aus Kunststoff realisiert sein kann. Ferner beschreibt die
DE 199 80 674 T1 ein verbessertes Schaufelrad, welches aus Kunststoff oder Metall ausgebildet sein kann. Zum weiteren Stand der Technik wird außerdem auf die
US 5,720,595 A , die
DE 20 33 223 A , die
US 2,370,438 A – und die
US 3,482,400 A verwiesen.
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Die Aufgabe dieser vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine hydrodynamische Kupplung anzugeben, welche eine höhere Leistungsdichte ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung mit einem Primärrad und einem Sekundärrad ist so aufgebaut, dass zumindest Teile des Primärrads und/oder des Sekundärrads aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial ausgebildet sind. Dieser Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffmaterials erlaubt einen Aufbau, welcher sehr viel höhere Umfangsgeschwindigkeiten zulässt als ein Aufbau aus Stahl oder ein Aufbau ausschließlich aus Stahl. Hierdurch lässt sich eine höhere Leistungsdichte erzielen, da bei gleicher Drehzahl ein größerer Durchmesser oder bei gleichem Durchmesser sehr viel höhere Drehzahlen erzielt werden können. Dabei ist es vorgesehen, dass das faserverstärkte Kunststoffmaterial in der Art einer Bandage den Außendurchmesser des Primärrads und/oder des Sekundärrads umgibt, welches ansonsten aus einem metallischen Material, insbesondere einem Stahlwerkstoff, hergestellt ist. Eine solche Bandage um den Außendurchmesser des Primärrads und/oder des Sekundärrads der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung aus faserverstärktem Kunststoffmaterial ist besonders einfach und effizient. Es unterstützt das eigentliche Material der Kupplung, welche in der herkömmlichen Art und Weise hergestellt werden kann, indem diese beispielsweise nachträglich mit einer derartigen Bandage ausgestattet wird. Hierdurch lassen sich ohne den Fertigungsprozess, mit Ausnahme der Bandage, massiv zu ändern, sehr einfach und effizient hydrodynamische Kupplungen mit sehr viel höherer Leistungsdichte realisieren.
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Dabei ermöglicht der Einsatz des faserverstärkten Kunststoffmaterials neben einer Verbesserung der Belastbarkeit hinsichtlich Fliehkräften außerdem eine Gewichtsreduktion zumindest in dem Bereich, in dem das faserverstärkte Kunststoffmaterial angeordnet ist, wodurch eine Reduktion der Trägheitsmoments der Schaufelräder der hydrodynamischen Kupplung erzielt werden kann.
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Das faserverstärkte Kunststoffmaterial weist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung Kohlenstofffasern sowie einen duroplastischen oder vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff als Matrixmaterial auf. Das Matrixmaterial kann dabei insbesondere in Form von vorimprägnierten Faserbündeln der Kohlenstofffasern oder sog. Hybrid-Rowings aus Kohlenstofffasern und aus dem in diesem Fall thermoplastischen Matrixmaterial aufgebauten Fasern bestehen. Die vorimprägnierten Faserbündel oder als Hybrid-Rowings ausgebildeten Faserbündel lassen sich dann entsprechend wickeln oder flechten und beispielsweise in einem Ofen, durch Laser, durch beheizte Walzen oder dgl. während dem Aufflechten bzw. Aufwickeln entsprechend anschmelzen und aushärten, so dass ein fester Verbund aus Matrixmaterial und Fasern entsteht.
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In einer günstigen Ausgestaltung ist es dabei vorgesehen, dass die Fasern zumindest im Bereich des Außenumfangs um den gesamten Umfang umlaufend geflochten und/oder gewickelt sind. Solche um den Außenumfang umlaufende aufgewickelte oder geflochtene Fasern, wobei auch mehrere gegebenenfalls unterschiedliche Schichten beispielsweise von abwechselnd geflochtenen und gewickelten Fasern möglich sind, erlauben eine sehr gute Festigkeit gegenüber Fliehkräften, da die Fasern den gesamten Außenumfang ohne Unterbrechung umspannen und somit eine sehr gute Festigkeit gegen Fliehkräfte gewährleisten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeuteter Aufbau mit einer regelbaren hydrodynamischen Kupplung;
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2 die obere Hälfte einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung in einer ersten möglichen Ausführungsform in einer Schnittdarstellung; und
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3 die obere Hälfte einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung in einer alternativen möglichen Ausführungsform in einer Schnittdarstellung.
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In der Darstellung der 1 ist ein stark schematisiert dargestellter Antriebsstrang 1 zu erkennen. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem primären Antriebsaggregat 2, beispielsweise einer elektrischen Maschine. Über eine Welle 3 wird die Leistung dieser elektrischen Maschine auf eine hydrodynamische Kupplung 4 übertragen, welche hier als geregelte bzw. regelbare hydrodynamische Kupplung 4 ausgebildet sein soll. Mit der Welle 3 ist dabei ein Primärrad 5 verbunden. Dieses Primärrad 5 weist auf einer Seite in an sich bekannter Art und Weise eine Beschaufelung 6 auf. Der beschaufelte Bereich des Primärrads 5 bildet zusammen mit einem ebenso beschaufelten Bereich eines Sekundärrads 7 einen im Wesentlichen torusförmigen Arbeitsraum aus. Im Sekundärrad 7 sind ebenfalls Schaufeln 8 in Richtung des Arbeitsraums angeordnet. Je nach Füllstand eines flüssigen Arbeitsmediums, beispielsweise eines bis, in diesem Arbeitsraum lässt sich nun eine Leistungsübertragung zwischen dem Primärrad 5 und dem Sekundärrad 7 nach dem sog. Föttinger-Prinzip realisieren. Hierbei lässt sich durch eine Variation des Füllstands des Arbeitsmediums ein Antrieb des Sekundärrads 7 mit geregelter Leistungsübertragung realisieren. Das Sekundärrad 7 ist mit einer weiteren koaxial zur Welle 3 liegenden Welle 9 verbunden, über welche ihrerseits ein anzutreibendes Aggregat 10, beispielsweise eine Arbeitsmaschine, ein Verdichter, ein Förderband oder dgl. angetrieben wird.
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Die Darstellung der 1 des Antriebsstrangs 1 ist dabei sehr stark schematisiert dargestellt. Selbstverständlich können zusätzliche Getriebeelemente in dem Antriebsstrang vorhanden sein. Die regelbare hydrodynamische Kupplung 4 kann außerdem selbst Teil eines Getriebes sein. Außerdem sind weitere Komponenten wie beispielsweise Gelenkwellen oder dgl. in dem Antriebsstrang 1 möglich. Für die hier vorliegende Erfindung ist jedoch ausschließlich die hydrodynamische Kupplung 4 selbst von Interesse. In den Darstellungen der 2 und 3 ist daher jeweils in zwei unterschiedlichen möglichen Ausführungsformen einer hydrodynamischen Kupplung 4 gemäß der Erfindung jeweils der oberhalb der Drehachse D liegende Teil in einem Radialschnitt beispielhaft dargestellt.
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In dem Radialschnitt der 2 ist ein Teil des Primärrads 5 mit seiner Beschaufelung 6 zu erkennen. Außerdem ist ein Teil des Sekundärrads 7 mit seiner Beschaufelung 8 zu erkennen. Die gegeneinander gewandten Beschaufelungen 6, 8 bilden in an sich bekannter Art und Weise den Arbeitsraum aus, welcher über hier nicht dargestellte Elemente wie beispielsweise Kanäle oder dgl. Arbeitsmedium zugeführt werden kann. Ebenso wurde auf Leitungen und Öffnungen zur Abfuhr des Arbeitsmediums in der Darstellung der 2 verzichtet, da diese für die hier vorliegende Erfindung nicht weiter relevant sind. Nun ist es so, dass insbesondere im Bereich des Außendurchmessers des Primärrads 5, aber auch des Sekundärrads 7, welcher am Beispiel des Primärrads 5 mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, sehr große Kräfte auf das Material des Primärrads 5 und/oder des Sekundärrads 7 wirken. Die beiden Schaufelräder 5, 7 sind dabei typischerweise aus hochfesten Stahlwerkstoffen hergestellt. Diese ist daher auf Geschwindigkeiten unterhalb der durch die Werkstofffestigkeit bestimmten Grenzwerte beschränkt. Hierdurch ergibt sich eine hinsichtlich ihrer Leistung beschränkte hydrodynamische Kupplung 4.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken ist in der Darstellung der 2 um den gesamten Außenumfang 11 herum in der Art einer Bandage ein Ring 12 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial angeordnet. Dieser Ring 12 besteht vorzugsweise aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, einem sog. CFK-Material. Dieses kann beispielsweise aus einem Geflecht von Kohlefasern bestehen oder auch aus mehreren geflochtenen und/oder um den Außenumfang herumgewickelten Schichten aus Kohlefaser. Zwischen den Fasern ist dabei ein Matrixmaterial, beispielsweise ein duroplastisches, vorzugsweise ein thermoplastisches Kunststoffmaterial angeordnet. Dieses thermoplastische Kunststoffmaterial kann beispielsweise durch Umspritzen der Kohlefasern eingebracht werden und härtet dann gemeinsam mit den Kohlefasern zu dem Ring 12 aus. Alternativ dazu ist es möglich, die Kohlefasern in Form von vorimprägnierten Faserbündeln oder Hybrid-Rowings aus Kohlefasern und Fasern des Matrixmaterials einzusetzen. Nach dem Flechten und/oder Wickeln wird das so zusammen mit den Fasern aufgebrachte Matrixmaterial dann entsprechend aufgeschmolzen und ausgehärtet, beispielsweise indem es über beheizte Rollen angedrückt oder über eine Laserbearbeitung aufgeschmolzen und anschließend angedrückt wird.
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Der Ring 12 könnte auch in einer eigens dafür ausgebildeten Herstellungseinrichtung hergestellt und beispielsweise in einer Form mit dem Matrixmaterial versehen werden, indem dieses beispielsweise eingespritzt wird. Anschließend könnte ein Aushärten in der beheizten Form erfolgen. Der Außenumfang 11 des Primärrads 5 würde dann entsprechend bearbeitet, beispielsweise auf ein vorgegebenes Maß abgedreht und ggf. müsste eine Bearbeitung des Rings 12 an seinem Innenumfang erfolgen. Danach können die Teile beispielsweise kalt miteinander verpresst werden und bilden dann einen entsprechenden Verbund. Alternativ dazu wäre es auch möglich, das Primärrad 5 unmittelbar als Kern für das Aufflechten oder Aufwickeln des faserverstärkten Kunststoffmaterials zu nutzen. Durch einen solchen Ring 12 lässt sich vor allem der hoch belastete Außenbereich beispielsweise des Primärrads 5, genauso gut jedoch ergänzend oder alternativ des Sekundärrads 7 in der gewünschten Art und Weise verstärken.
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In der Darstellung der 3 ist in einem vergleichbaren Ausschnitt aus der hydrodynamischen Kupplung 4 ein ähnlicher Aufbau in einer alternativen Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform besteht das Primärrad 5 in seiner gesamten Außenschale 13, also der Kontur und dem Material des Primärrads 5 mit Ausnahme der Schaufeln 6 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem CFK-Material. Die Schaufeln 6 sollen bei dem in 3 dargestellten Primärrad 5 dabei aus Stahlblech ausgebildet und in den CFK-Aufbau der Außenschale des Primärrads 5 einlaminiert sein. Das Sekundärrad 7 ist in der Darstellung der 3 wiederum aus einem Stahlmaterial ausgeführt, trägt jedoch analog zum Primärrad 5 in der Darstellung der 2 einen Ring 12 aus CFK-Material um seinen Außenumfang.
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Alternativ zu diesen Aufbauten wäre es selbstverständlich auch denkbar, beide Schaufelräder 5, 7 komplett, also einschließlich der Schaufeln 6, 8 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial herzustellen. Dabei ist es auch möglich, an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Fasertypen einzusetzen, da unterschiedliche Fasertypen unterschiedliche Eigenschaften mit sich bringen. So wäre es beispielsweise denkbar, im Außenumfang hoch belastbare Kohlefasern einzusetzen und im Bereich der Schaufeln 6, 8 beispielsweise einen anderen Fasertyp, welcher der dort auftretenden Belastung besser gerecht wird. Außerdem lassen sich die Verlaufsrichtungen der Faser entsprechend variieren. Im Bereich des Außenumfangs 11 sind in jedem Fall umlaufend geflochtene oder umlaufend gewickelte Faserverläufe sinnvoll, da diese den besten Widerstand gegenüber Fliehkräften bereitstellen. Im Innenbereich der Schaufelräder 5, 7 können ggf. andere Eigenschaften von Vorteil sein, so dass hier beispielsweise radial verlaufende Fasern zum Einsatz kommen können.
