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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Retarder mit einem vom Stator abfahrbaren Rotor, um die Leerlaufverluste des hydrodynamischen Retarders im Nichtbremsbetrieb zu reduzieren, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Hydrodynamische Retarder werden zum verschleißfreien Abbremsen eines Antriebsstrangs, beispielsweise Kraftfahrzeugantriebsstrangs, hier besonders von Lastkraftwagen oder von Schienenfahrzeugen, vorgesehen. Solche hydrodynamischen Retarder weisen einen um eine Drehachse umlaufenden beschaufelten Rotor und einen diesem in Axialrichtung gegenüberstehenden beschaufelten Stator auf, wobei der Rotor und der Stator mit ihren beschaufelten Bereichen einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, in welchen ein Arbeitsmedium einbringbar ist, um im Arbeitsraum eine hydrodynamische Kreislaufströmung vom Rotor in den Stator und zurück auszubilden, um dadurch Drehmoment vom Rotor auf den Stator zu übertragen. Durch die Übertragung des Drehmoments, in der Regel als Bremsmoment bezeichnet, wird der Rotor hydrodynamisch abgebremst, wobei das sich einstellende Bremsmoment von der Füllung des Arbeitsraums mit dem Arbeitsmedium, dem Druck im Arbeitsraum sowie der Drehzahl des Rotors abhängig ist.
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Um im Nichtbremsbetrieb, auch als Leerlaufbetrieb bezeichnet, durch den hydrodynamischen Retarder erzeugte Verluste zu vermeiden, wird bei gattungsgemäßen hydrodynamischen Retardern der Rotor vom Stator in Axialrichtung abgefahren. Durch den dann vergrößerten axialen Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator wird eine Wechselwirkung zwischen der Beschaufelung des Rotors und der Beschaufelung des Stators vermieden oder zumindest erheblich reduziert, welche anderenfalls durch eine ungewollte Beschleunigung von im Arbeitsraum im Leerlaufbetrieb verbleibendem restlichen Arbeitsmedium oder Luft erzeugt wird und dadurch zum einen zu einer Wärmeerzeugung im Arbeitsraum führt und zum anderen ein unerwünschtes Restbremsmoment auf den Rotor überträgt. Die unerwünschte Wärmeerzeugung durch Strömungsreibung erfordert herkömmlich das Durchleiten eines Kühlarbeitsmediumstromes durch den Arbeitsraum des Retarders auch im Leerlaufbetrieb. Das unerwünschte Restbremsmoment erfordert eine erhöhte Antriebsleistung im Antriebsstrang, die sich bei durch Verbrennungskraftmaschinen angetriebenen Antriebssträngen durch einen erhöhten Kraftstoffverbrauch bemerkbar macht.
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DE 196 46 597 C5 schlägt einen gattungsgemäßen hydrodynamischen Retarder vor, bei welchem der Rotor zwischen einer Bremsbetriebsposition, in welcher er dem Stator in Axialrichtung unmittelbar gegenübersteht, und einer Leerlaufposition, in welcher er in Axialrichtung vom Stator abgefahren positioniert ist, verschiebbar ist. Die Lagerung des Rotors auf der Antriebswelle des Retarders weist einen ersten zylindrischen Abschnitt auf, in welchem der Rotor auf der Antriebswelle gleiten kann. Ferner weist die Lagerung einen zweiten mit einem Gewinde versehenen Abschnitt auf, sodass der Rotor beim Wechsel zwischen der Bremsbetriebsposition und der Leerlaufposition eine Drehverschiebung ausführt, wobei die Gewindelagerung ein automatisches Verbringen des Rotors beim Befüllen des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium aus der Leerlaufposition in die Bremsbetriebsposition bewirkt.
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EP 0 958 464 B1 beschreibt einen weiteren hydrodynamischen Retarder nach dem Stand der Technik, bei welchem ein Gewindeeingriff als Mittel zum automatischen axialen Verschieben des Rotors gegenüber dem Stator in Abhängigkeit der Befüllung des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium vorgesehen ist. Wie auch bei der zuvor genannten Druckschrift wird zum Abfahren des Rotors vom Stator, das heißt bei der Verlagerung des Rotors aus der Bremsbetriebsposition in die Leerlaufposition, die Kraft einer auf der Antriebswelle vorgesehenen Druckfeder verwendet.
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Als nachteilig bei der Ausführungsform gemäß
DE 196 46 597 C5 ist anzusehen, dass der in Axialrichtung notwendige Bauraum aufgrund der Unterteilung der Lagerung des Rotors auf der Antriebswelle in den zylindrischen Abschnitt und den Abschnitt mit dem Gewindeeingriff erheblich ist und hohe Herstellungskosten bedingt. Die Ausführungsform gemäß der
EP 0 958 464 B1 ermöglicht eine erheblich kürzere axiale Baulänge, weil der Rotor ausschließlich über einen Gewindeeingriff auf der Antriebswelle getragen wird, jedoch kam es in der Praxis mitunter zu einem Verklemmen des Rotors auf der Antriebswelle sowohl in der Bremsbetriebsposition als auch in der Leerlaufposition. Das Verklemmen in der Bremsbetriebsposition ermöglicht zwar die weitere Verwendung des hydrodynamischen Retarders zum verschleißfreien Abbremsen des Antriebsstrangs, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstrangs, führt jedoch zu erheblichen Leerlaufverlusten. Das Verklemmen in der Leerlaufposition macht eine weitere Verwendung des hydrodynamischen Retarders zum verschleißfreien Abbremsen unmöglich.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen auf einem Gewinde gelagerten Rotor eines hydrodynamischen Retarders wird in
DE 102 19 753 B4 offenbart.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Retarder, insbesondere für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, beispielsweise für einen Lastkraftwagen oder Schienenfahrzeug, anzugeben, der kostengünstig herstellbar ist und einen sicheren Betrieb über eine lange Lebensdauer ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hydrodynamischen Retarder mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer hydrodynamischer Retarder weist einen umlaufenden beschaufelten Rotor und einen beschaufelten Stator auf. Der Stator ist, wie sein Name sagt, stationär, läuft also nicht mit dem Rotor um.
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Der Rotor und der Stator bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum aus. In dem Arbeitsraum sind die Beschaufelungen des Rotors und des Stators positioniert und der Rotor und der Stator stehen sich in Axialrichtung gegenüber.
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Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium befüllbar, um Drehmoment hydrodynamisch vom Rotor auf den Stator übertragen und dadurch den Rotor abbremsen zu können. Die Drehmomentübertragung wird durch eine Beschleunigung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum im Rotor radial nach außen und eine anschließende Verzögerung des Arbeitsmediums im Stator radial nach innen, sodass sich eine hydrodynamische Kreislaufströmung ergibt, bewirkt.
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Der Rotor wird mittels einer Antriebswelle angetrieben. Hierzu ist die Antriebswelle in Triebverbindung mit dem Rotor verbunden. Die Antriebswelle trägt ferner den Rotor, das heißt, dass der Rotor auf der Antriebswelle gelagert ist, vorteilhaft ausschließlich auf der Antriebswelle. Hierzu weist die Antriebswelle ein Außengewinde auf und der Rotor weist ein Innengewinde auf. Das Außengewinde und das Innengewinde stehen in einem Eingriff miteinander, vorliegend Gewindeeingriff genannt, sodass der Rotor in einer Axialrichtung auf der Antriebswelle drehverschiebbar ist, nämlich zwischen einer Bremsbetriebsposition, in welcher er dem Stator in Axialrichtung unmittelbar gegenübersteht, und einer Leerlaufposition, in welcher er in Axialrichtung vom Stator entfernt, das heißt vom Stator abgefahren positioniert ist. In der Regel beträgt der Abstand des Rotors vom Stator in der Leerlaufposition ein Vielfaches des verbleibenden Trennspaltes zwischen Rotor und Stator in der Bremsbetriebsposition, beispielsweise das Fünffache, Zehnfache oder mehr.
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Da der Rotor mit seinem Innengewinde die Antriebswelle mit ihrem Außengewinde umschließt, ist der Rotor aufgrund des vorgesehenen Radialspiels in zwei entgegengesetzte Radialrichtungen auf der Antriebswelle verlagerbar, bis das Innengewinde auf einer Seite des äußeren Umfangs am Außengewinde anschlägt. Das Radialspiel ist erfindungsgemäß derart zu sehen, dass sich das Außengewinde aus einer zentrischen Lage, das heißt mittig ausgerichteten Lage gegenüber dem Innengewinde parallel zu dem Innengewinde in jeder radialen Richtung um den halben Wert des Radialspiels bewegen lässt, also sich das Radialspiel auf zwei entgegengesetzte Seiten des äußeren Umfangs des Außengewindes verteilt.
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Erfindungsgemäß ist nun im Bereich des Gewindeeingriffs zwischen dem Außengewinde auf der Antriebswelle und dem Innengewinde im Rotor ein Radialspiel vorgesehen. Dabei wird das Radialspiel in Abhängigkeit des für den hydrodynamischen Retarder verwendeten Arbeitsmediums eingestellt und beträgt bei Wasser oder einem Wasser-Gemisch als Arbeitsmedium, beispielsweise bei einem Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, wenigstens 0,4 % bis 0,6 %, insbesondere zwischen 0,4 bis 0,6 %, vorteilhaft 0,5 % des Außendurchmessers des Außengewindes, die Grenzwerte eingeschlossen. Bei Öl als Arbeitsmedium des hydrodynamischen Retarders beträgt das genannte Radialspiel wenigstens 0,8 % bis 1,0 %, insbesondere zwischen 0,8 % bis 1,0 %, vorteilhaft 0,9 % des Außendurchmessers des Außengewindes. Auch hier sind die Grenzwerte der Bereichsangaben eingeschlossen.
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Erfindungsgemäß wird demnach beim Arbeitsmedium Öl ein größeres Radialspiel als beim Arbeitsmedium Wasser oder Wasser-Gemisch eingestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das Innengewinde und das Außengewinde als Steilgewinde ausgeführt.
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Vorteilhaft sind das Innengewinde und das Außengewinde als mehrgängiges Gewinde ausgeführt, das bedeutet, dass mehrere Gewindegänge parallel zueinander um die Antriebswelle und auf der inneren Oberfläche einer Hülse des Rotors, die mit dem Innengewinde versehen ist, gewickelt sind.
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Vorteilhaft wird der Rotor zumindest auf seiner radial inneren Oberfläche allein über den Gewindeeingriff zwischen dem Außengewinde auf der Antriebswelle und dem Innengewinde im Rotor getragen. Dabei ist eine zusätzliche Abstützung auf einer radial äußeren Oberfläche des Rotors, beispielsweise in einem Gehäuse des Retarders möglich. Eine andere Ausführungsform verzichtet auf eine zusätzliche Abstützung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Rotor mit einem elastischen Federelement versehen, das auf den Rotor eine Druckkraft im Sinne des Abfahrens vom Stator ausübt, um somit den Rotor vorteilhaft automatisch beim Entleeren des Arbeitsraumes vom Arbeitsmedium aus der Bremsbetriebsposition in die Leerlaufposition zu verfahren. Das Federelement weist vorteilhaft eine zentral auf der Antriebswelle positionierte Druckfeder auf oder wird durch diese gebildet. Die Druckfeder liegt mit einem ersten axialen Ende an einem Anschlag auf der Antriebswelle und mit einem zweiten axialen Ende an dem Rotor an, um sich dadurch einerseits an dem Anschlag abstützen zu können und andererseits den Rotor mit ihrer Federkraft vom Stator abfahren zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Druckfeder verdrehbar auf der Antriebswelle gelagert.
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Der Anschlag kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine stirnseitig in die Antriebswelle eingeschraubte Schraube gebildet werden. Alternativ ist ein Anschlagelement vorgesehen, das vorteilhaft mit wenigstens einer stirnseitig in die Antriebswelle eingeschraubten Schraube an der Antriebswelle befestigt ist. Vorteilhaft ist in beiden Fällen eine Einschraublänge der wenigstens einen Schraube größer als ein Federweg der Druckfeder. Somit kann die Druckfeder durch Einschrauben der wenigstens einen Schraube vorgespannt werden und gleichzeitig wird sichergestellt, dass bei der Demontage der wenigstens einen Schraube die Feder keine oder im Wesentlichen keine Vorspannung mehr aufweist, sobald die Schraube vollständig aus der Antriebswelle herausgeschraubt ist. Dadurch können Unfälle bei der Demontage vermieden werden.
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Anstelle des Vorsehens des genannten stirnseitig angeschlossenen Anschlagelementes oder der stirnseitig eingeschraubten Schraube als Anschlagelement kann auch ein auf die Antriebswelle aufgeschraubtes oder aufgeklemmtes Anschlagelement vorgesehen sein, das den Anschlag bildet. Auch hier kann die Aufschraublänge des aufgeschraubten Anschlagelementes größer als ein Federweg der Druckfeder gewählt werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor in der Leerlaufposition des Rotors, das heißt im vom Stator abgefahrenen Zustand des Rotors, derart groß, dass im Arbeitsraum durch Strömungsreibung von restlichem Arbeitsmedium oder Luft entstehende Wärme allein durch Wärmeübertragung vom Retarder an die Umgebung abführbar ist. Mit anderen Worten kann im Nichtbremsbetrieb auf einen Kühlmediumstrom, insbesondere Arbeitsmediumstrom zur Kühlung in den Arbeitsraum hinein und aus diesem heraus, das heißt durch den Arbeitsraum hindurch, verzichtet werden. Insbesondere ist dem Retarder eine Absperreinrichtung zugeordnet, die eingerichtet ist, um in der Leerlaufposition des Rotors nach der vollständigen oder weitgehenden Entleerung des Arbeitsraumes vom Arbeitsmedium eine Arbeitsmediumströmung in den Arbeitsraum und aus diesem heraus zu unterbinden.
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Vorteilhaft ist ein Mittel beziehungsweise eine Einrichtung zum Entleeren des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum entgegen dem Druck in einem externen Arbeitsmediumkreislauf vorgesehen. Beim Arbeitsmedium Wasser oder Wasser-Gemisch kann der externe Arbeitsmediumkreislauf beispielsweise der Kühlkreislauf insbesondere eines Kraftfahrzeugs sein.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 einen Axialschnitt durch eine mögliche Gestaltung eines erfindungsgemäßen hydrodynamischen Retarders;
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2 eine vergrößerte Darstellung des Gewindeeingriffs zwischen dem Rotor und der Antriebswelle aus der 1.
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In der 1 ist ein Axialschnitt durch einen hydrodynamischen Retarder dargestellt, der einen beschaufelten umlaufenden Rotor 1 und einen beschaufelten Stator 2 aufweist. Der Rotor 1 und der Stator 2 bilden gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum 3 aus, in welchem sich die Rotorschaufeln 4 und die Statorschaufeln 5, die jeweils zu einem Schaufelkranz zusammengefügt sind, gegenüberstehen.
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Das Arbeitsmedium wird über einen Einlassraum 7 und im Stator 2 eingebrachte Füllkanäle 8 in den Arbeitsraum 3 eingebracht, wobei die Füllkanäle 8 den Einlassraum 7 mit dem Zentrum des Arbeitsraumes 3 verbinden. Mit dem Einbringen von Arbeitsmedium in den Einlassraum 7 beziehungsweise den Arbeitsraum 3 wird vorteilhaft auf den Rotor 1 eine axiale Druckkraft ausgeübt, durch welche der Rotor 1 aus der in der 1 gezeigten Leerlaufposition, in welcher der Rotor 1 abgefahren vom Stator 2 positioniert ist, in die sogenannte Bremsbetriebsposition drehverschoben wird, in welcher der Rotor 1 dem Stator 2 in Axialrichtung unmittelbar gegenübersteht, sodass die Rotorschaufeln 4 nur noch über einen vergleichsweise kleinen Trennspalt von den Statorschaufeln 5 in Axialrichtung getrennt sind. Die Bremsbetriebsposition ist in gestrichelten Linien in der oberen Hälfte der 1, das heißt im Arbeitsraum 3 oberhalb der Drehachse 9 der Antriebswelle 10, angedeutet. Das selbsttätige Anfahren des Rotors 1 gegenüber dem Stator 2 ist jedoch nicht zwingend, alternativ kann auch eine äußere Kraft hierfür verwendet werden.
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Das Verschieben des Rotors 1 aus der in der 1 gezeigten Leerlaufposition in die in gestrichelter Linie angedeutete Bremsbetriebsposition erfolgt entgegen der Kraft der Druckfeder 11, die zentral auf der Antriebswelle 10 diese umschließend positioniert ist und sich mit einem axialen Ende am Rotor 1, hier einem Bund 12 desselben, und ihrem anderen axialen Ende an einem Anschlag 13 abstützt. Der Anschlag 13 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Bund auf einem Anschlagelement 14, das mittels einer zentralen Schraube 15 stirnseitig an der Antriebswelle 10 angeschraubt ist, könnte jedoch auch unmittelbar auf der Antriebswelle 10 vorgesehen sein. Die Einschraublänge 16 der Schraube 15 in eine Gewindebohrung 17 in der Antriebswelle 10 ist dabei derart lang gewählt, dass die Druckfeder beim Herausschrauben der Schraube 15 aus der Gewindebohrung 17 bereits vollständig entspannt ist, bevor der letzte Gewindegang der Schraube 15 aus der Gewindebohrung 17 herausgeschraubt wird. Dadurch kann ein Herausschnellen der Druckfeder 15 bei der Demontage des Anschlagelements 14 vermieden werden.
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Das Arbeitsmedium wird aus dem Arbeitsraum 3 über den Auslasskanal 18, der hier ringförmig ausgebildet ist, aus dem hydrodynamischen Retarder heraus in einen externen Arbeitsmediumkreislauf 19 geleitet. Der externe Arbeitsmediumkreislauf ist hier nur schematisch angedeutet und weist insbesondere wenigstens eine oder mehrere Absperreinrichtungen 20, 21 auf, die eine Durchströmung des Arbeitsraumes 3 mit Arbeitsmedium aus dem externen Arbeitsmediumkreislauf 19 im Nichtbremsbetrieb verhindern.
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Wie ergänzend mit Bezug auf die 2 dargestellt ist, weist der Rotor 1 ein Innengewinde 22 auf und die Antriebswelle 10 weist ein Außengewinde 23 auf, wobei der Rotor 1 nur über einen Gewindeeingriff zwischen dem Innengewinde 22 und dem Außengewinde 23 auf der Antriebswelle 10 gelagert ist. Durch axiales Druckbeaufschlagen des Rotors 1 entgegen der Kraft der Druckfeder 11 oder durch die Druckbeaufschlagung mit der Druckfeder 11 bei fehlender hydraulischer Gegenkraft, führt der Rotor 1 eine Drehverschiebebewegung auf der Antriebswelle 10 aus, insbesondere allein aufgrund des Kräfteverhältnisses zwischen der Druckfeder 11 und der im Bremsbetrieb beziehungsweise beim Übergang zum Bremsbetrieb auf den Rotor 1 wirkenden Kräfte des Arbeitsmediums beziehungsweise des hieraus entstehenden Drehmomentes.
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Die Verschiebedrehbewegung kann dabei in Axialrichtung, das heißt in Richtung der Drehachse 9, auf der einen Seite durch einen Anschlag 24 am der Druckfeder 11 abgewandten axialen Ende des Rotors 1 begrenzt werden, und am entgegengesetzten Ende durch einen Anschlag 25 an der Antriebswelle 10 beziehungsweise hier am Anschlagelement 14 oder durch aneinander Anliegen der Windungen der Druckfeder 11 beziehungsweise durch eine entsprechend hohe Federkraft der Druckfeder 11. In der 2 ist abweichend von der Darstellung in der 1 der Anschlag 25 beispielhaft unmittelbar durch die Antriebswelle 10 ausgebildet.
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Um eine unerwünschte Geräuschentwicklung beim Anschlagen des Rotors 1 an dem Anschlag 24 oder dem Anschlag 25 zu verhindern, können dort Dämpfungselemente vorgesehen sein, in der 1 beispielhaft am Anschlag 24 in Form eines gummielastischen Dämpfungsrings 26 gezeigt.
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In der 2 ist nun besonders das Innengewinde 22 des Rotors 1 und das Außengewinde 23 der Antriebswelle 10 dargestellt und ein Radialspiel 27 zwischen dem Innengewinde 22 und dem Außengewinde 23 ersichtlich. Dieses Radialspiel 27 ist in Abhängigkeit des Außendurchmessers 28 des Außengewindes 23 und des zum Betrieb des hydrodynamischen Retarders verwendeten Arbeitsmediums festgelegt. Erfindungsgemäß beträgt das Radialspiel 27 beim Arbeitsmedium Öl mindestens 0,8 % bis 1,0 % des Außendurchmessers 28 des Außengewindes 23 und beim Arbeitsmedium Wasser oder Wasser-Gemisch wenigstens 0,4 % bis 0,6 % des Außendurchmessers 28 des Außengewindes 23. Mit Radialspiel 27 ist gemeint, dass sich das Außengewinde 23 parallel zu dem Innengewinde 22 in jeder radialen Richtung um den halben Wert des Radialspiels 27 aus der zentrischen Lage bewegen lässt. Demgemäß ist in der 2 bei einer zentrischen Positionierung des Außengewindes 23 in dem Innengewinde 22 mit 27 nur die Hälfte des Radialspiels gezeigt. Durch diese Festlegung kann ein Verklemmen des Rotors 1 auf der Antriebswelle 10 in allen Positionen sicher vermieden werden und zugleich die notwendige Verschiebearbeit sicher beherrscht werden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Innengewinde 22 und das Außengewinde 23 als Steilgewinde ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19646597 C5 [0004, 0006]
- EP 0958464 B1 [0005, 0006]
- DE 10219753 B4 [0007]
