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Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung mit einem primären beschaufelten Laufrad und einem sekundären beschaufelten Laufrad, die derart gestaltet sind, dass die beiden Laufräder rotierbar gelagert sind und einen mit Öl befüllbaren Arbeitsraum bilden, in dem durch Ausbildung einer Strömung Drehmoment von dem einen Laufrad auf das andere Laufrad übertragen werden kann, weiterhin aufweisend einen mit einem feststehenden Gehäuse verbundener Öl-Einlasskanal. Solche hydrodynamischen Kupplungen sind auch als Turbo- oder Strömungskupplungen bekannt.
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Um die Drehmomentübertragung steuern zu können, muss der Arbeitsraum kontrolliert mit Öl befüllt und entleert werden können. Der Auslass erfolgt meist über Bohrungen im Bereich des Außenumfangs der Kupplung. Der Zulauf erfolgt über einen Öleinlass durch die Wandung eines der Laufräder so, dass das Öl in den Arbeitsraum eingezogen wird. Durch die Zentrifugalkräfte wird es radial nach außen gefördert. Diese Förderrichtung nach außen überlagert sich der Strömung im Arbeitsraum, die der Drehmomentübertragung dient, und erzeugt somit einen Öldurchsatz. Zur Steuerung des Öldurchsatzes beziehungsweise zur Steuerung der Füllung und Entleerung ist im Zulauf und oftmals auch im Auslass ein Ventil vorgesehen sein.
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In
DE 3610106 C1 ist beispielsweise eine solche hydrodynamische Kupplung beschrieben, die Auslassöffnungen im Bereich des Außenumfangs und einen Öleinlass über einen Kanal im Gehäuse aufweist. Der Öleinlass erfolgt durch eines der rotierenden Bauteile hindurch in den Arbeitsraum, in diesem Fall durch die Wand des Primärschaufelrades hindurch.
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Die Füllmenge der Kupplung kann über die Regulierung des Zulaufs eingestellt werden, falls es sich um eine regelbare Kupplung handelt. Der Ölauslass ist dauerhaft geöffnet, so dass sich ein gewisser Öldurchsatz einstellt. Durch den Öldurchsatz wird in der Kupplung entstehende Reibungswärme abgeführt. Der dafür benötigte Öldurchsatz ist allerding je nach Betriebszustand sehr unterschiedlich. Hierbei tritt allerdings das Problem auf, dass mit steigender Drehzahl der Laufräder zunehmend mehr Öl durch die Ölauslässe abgeschleudert wird. Während am Öleinlass weniger Öl in den Arbeitsraum strömt, da die Sperrwirkung des rotierenden Laufrades mit höherer Drehzahl zunimmt. Ohne Ventil im Auslass lässt sich eine solche Kupplung nur schwer regeln.
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Um das Problem zu lösen werden in der oben genannten Veröffentlichung Kupplungen mit steuerbaren oder selbsttätig regulierbaren Auslassöffnungen offenbart, bei denen die Auslassöffnungen abhängig vom Betriebszustand verändert werden können, um den Öldurchsatz und damit die Kühlung an den jeweiligen Bedarf in unterschiedlichen Betriebssituationen anpassen zu können. Das erfordert allerdings erheblichen konstruktiven oder steuerungstechnischen Mehraufwand und ist somit ein gravierender Nachteil.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine hydrodynamische Kupplung so weiter zu entwickeln, dass ohne großen konstruktiven oder steuerungstechnischen Aufwand einerseits ein zuverlässiger Betrieb der Kupplung in allen Betriebszuständen und eine zuverlässige Kühlung möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die Vorrichtung zusätzlich verbessern, finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Kupplung zeichnet sich dadurch aus, dass der Öl-Einlasskanal zumindest eine Düse aufweist und dass eines der beiden Laufräder zumindest zwei durchgehende Öffnungen im Fußbereich des Laufrades für den Einlass von Öl in den Arbeitsraum und zu jeder dieser Öffnungen je eine kreisbogen-förmige Rinne aufweist. Wobei die Düse so ausgeführt ist, dass sie einen Freistrahl erzeugen kann. Die jeweilige Rinne mündet an einem Ende in eine der Öffnungen und die Rinnen liegen auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt auf der Rotationsachse der Laufräder liegt. Zusätzlich nimmt die Tiefe der Rinnen entlang des Kreisbogens zur Öffnung hin, in die sie münden, zu.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Ölzufuhr weniger drehzahlabhängig ist und somit die Ölmenge in der Kupplung einfacher konstant gehalten oder gesteuert werden kann. Insbesondere kann damit sogar erreicht werden, dass die Ölzufuhr mit zunehmender Drehzahl ebenfalls ansteigt. Durch die Düse am Öl-Einlasskanal wird das Öl als Freistrahl in die Rinnen gespritzt. Wobei der Freistrahl bevorzugt im Wesentlichen in axiale Richtung gerichtet ist und gegebenenfalls noch leicht in tangentiale Richtung. Die Düse kann beispielsweise eine Bohrung oder ein eckiger Kanal am Ende des Einlasskanals sein. Die Ölmenge am Einlass kann über ein Ventil im oder vor dem Einlasskanal gesteuert werden. Aufgrund der speziellen erfindungsgemäßen Gestaltung der Rinnen und der Öffnungen baut sich durch die Rotationsbewegung ein Druck vor den Öffnungen auf und das Öl strömt durch die Öffnungen im Fußbereich des Laufrades in den Laufspalt zwischen den Laufrädern. Von dort wird das Öl durch die Rotationsbewegung in den Arbeitsraum eingezogen und durch die Zentrifugalkräfte wird es radial nach außen gefördert.
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Die Ölzufuhr bei der erfindungsgemäßen Lösung ist insbesondere besser als bei Ausführungen, bei denen die Ölzufuhr durch eine Kammer mit erhöhtem Vordruck erfolgt, da diese bekannten Kupplungen aufwändigere Dichtungen erfordern und da sich hier die verstärkte Sperrwirkung des rotierenden Bauteils bei höherer Drehzahl negativ auswirkt.
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Unter Öl wird hier jede Art von Betriebsflüssigkeit verstanden, mit der die Kupplung betrieben wird; das kann beispielsweise auch Kühlmittel oder Wasser sein.
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Die Öffnungen befinden sich im Fußbereich des Laufrades, da hier geringere Umfangsgeschwindigkeit herrscht, was für den Durchtritt des Öls vorteilhaft ist. Als Fußbereich wird der Bereich angesehen, der sich radial betrachtet auf geringerem Radius als der Arbeitsbereich mit den Schaufeln befindet. Also der Bereich in Nabennähe. Durch die entsprechende Wahl der Rinnenlänge und der Tiefe kann die Förderwirkung beeinflusst und somit gezielt ausgelegt werden. Bevorzugt sind die Öffnungen für die Ölzufuhr am sekundären Laufrad vorgesehen, da dieses insbesondere bei einer geschlossenen Ausführung der Kupplung mit Kupplungsschale besser zugänglich ist für die Anbindung des Öleinlasskanals.
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Des Weiteren kann die Zuführmenge durch die Anzahl der Öffnungen und Rinnen gezielt eingestellt werden. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn mindestens zwei Öffnungen zur Ölzufuhr und mindestens zwei Rinnen vorhanden sind.
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Um das Öl gleichmäßiger verteilt über den Umfang zuführen zu können, können mehrere Düsen vorhanden sein, insbesondere können genauso viele Düsen am Einlasskanal vorhanden sein, wie Öffnungen am Laufrad vorhanden sind.
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Von Vorteil ist es, wenn die Tiefe der Rinne im Wesentlichen kontinuierlich zur Öffnung am Ende hin zunimmt. Dadurch wird eine gute Strömung zur Öffnung hin erzeugt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Tiefe der Rinne entgegen der vorgesehenen Rotationsrichtung des Laufrades zunimmt. Dadurch wird ein guter Druckaufbau vor der Öffnung erzeugt.
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Bevorzugt sind die Öffnungen und die Rinnen so gestaltet und angeordnet, dass jeweils eine Förderkante und eine schräg zur Rotationsrichtung angeordnete Wandung vorhanden sind. Sobald eine Förderkante im Betrieb am Ölstrahl aus der Düse vorbeistreicht, wird das Öl in die Öffnung gedrückt. Mit steigender Drehzahl kommt die Förderkante entsprechend häufiger am Ölstrahl vorbei und die Olzufuhr steigt mit an. Die Förderkante und die schräge Wandung bilden eine Art Schaufel. Dabei reicht es aus, wenn nur ein Teil der Wandung der Öffnung beziehungsweise der Rinne als schräge Wandung ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die schräge Wandung und die Förderkante gekrümmt ausgeführt. Zum Beispiel so wie es sich ergibt, wenn die Öffnungen als Bohrungen ausgeführt werden und/oder wenn die Rinnen mit einem Fingerfräser oder einem Schaftfräser gefertigt werden. Es ist genauso gut möglich, die Rinnen und die Öffnungen in ein Laufrad in Gusskonstruktion einzuplanen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung bildet die schräge Wandung im Querschnitt mit der Rotationsrichtung einen Winkel zwischen 25° und 80 °, bevorzugt zwischen 30° und 60°. Dadurch wird eine besonders gute Förderwirkung durch die Öffnung hindurch erzielt.
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Eine weitere erfindungsgemäße Kupplung weist eine Kupplungsschale auf, die mit einem der Laufräder im Bereich dessen Außenumfangs über eine Verbindungsfläche verbunden ist und so mit dem Laufrad rotieren kann und mit diesem einen geschlossenen Innenraum bildet, in dem sich das andere Laufrad befindet. Der Innenraum ist der Raum, der durch das eine Laufrad und die Kupplungsschale umschlossen wird. Die Auslassöffnung für das Abströmen des Öls ist bevorzugt am Außenumfang der Kupplungsschale oder des Laufrades, das mit der Kupplungsschale verbunden ist, angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Kupplungsschale mit dem sekundären Laufrad verbunden. Das primäre Laufrad ist dann zum Beispiel auf einer Eingangswelle montiert. Die Eingangswelle kann zudem eine axiale Zentralbohrung aufweisen, über die Öl zur Kühlung auch bei deaktivierter Kupplung zugeführt werden kann, das heißt bei geleertem Arbeitsraum. Das Kühlöl kann in diesem Fall zwischen primärem Laufrad und Kupplungsschale am Arbeitsraum vorbei durch den Innenraum geführt werden.
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Insbesondere ist zumindest ein Öl-Auslass vorhanden, über den Öl aus dem Innenraum der Kupplung nach außen abströmen kann. Zur weiteren Vereinfachung und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit trägt bei, wenn im Bereich des Öl-Auslasses kein Ventil zur Steuerung der Auslassmenge vorhanden ist. Das ist nur möglich, wenn die Steuerung der Öl-Durchflussmenge auch ohne ein solches Ventil in allen Betriebszuständen möglich ist. Das ist bei der erfindungsgemäßen Kupplung besonders gut gelöst.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kupplung
- 2 Draufsicht in axialer Richtung auf den Bereich der Rinnen einer erfindungsgemäßen Kupplung
- 3a Querschnitt der Abwickung des Bereichs der Rinnen einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
- 3b Querschnitt der Abwickung des Bereichs der Rinnen einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.
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1 zeigt die obere Hälfte einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung im seitlichen Schnitt. Das primäre Laufrad 2 und das sekundäre Laufrad 3 bilden einen in etwa torusförmigen Arbeitsraum 6, in dem in den jeweiligen Laufrädern die Schaufeln so angeordnet sind, dass bei Füllung mit Öl Drehmoment von einem auf das andere Laufrad übertragen werden kann. Somit kann Drehmoment von der Eingangswelle 1, auf der das primäre Laufrad 2 befestigt ist, auf die Kupplungsschale 4, die mit dem sekundären Laufrad 3 verbunden ist, übertragen werden. Die Kupplungsschale 4 und das Laufrad 3 bilden einen geschlossenen Innenraum, in dem sich das primäre Laufrad 2 befindet.
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Die Ölzufuhr 14 zur Füllung der Kupplung erfolgt über den Einlasskanal 7, der mit dem feststehenden Gehäuse über die Gehäusewand 5 verbunden ist. Das Öl wird durch die zumindest eine Düse 18 als Freistrahl in die Rinnen 12 des sekundären Laufrades 3 gespritzt, welche sich im Fußbereich des Laufrades 3 befinden. Durch die besondere Ausgestaltung der Rinnen - mit zunehmender Tiefe t in Richtung der jeweiligen Öffnung 11 - wird das Öl in die durchgehenden Öffnungen 11 gedrückt, die ebenfalls im Fußbereich des Laufrades vorhanden sind. Dabei wird die Ölzufuhr durch die Rotation des Laufrades 3 unterstützt. Die Rinnen 12 sind kreisbogen-förmig ausgebildet und liegen alle auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt auf der Rotationsachse 20 der Laufräder liegt. Details zur Ausführung der Rinnen 12 und er Öffnungen 11 sind in den 2 und 3a oder 3b dargestellt.
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Da im Raum vor den Öffnungen 11 nicht mit besonders hohem Vordruck gearbeitet wird, sondern mit einem Freistrahl, reichen kurze Spaltdichtungen 9 aus, um den Bereich der Ölzufuhr abzudichten. Das Öl gelangt dann durch das Laufrad 3 in den Raum zwischen den Laufrädern 2 und 3. Von dort wird es aufgrund der Rotation über den Laufspalt 10 in den Arbeitsraum 6 gezogen. Im Arbeitsraum 6 bildet sich wegen der Schaufeln und der gegebenen Form die gewünschte Strömung aus. Mit dem Füllgrad kann die Drehmomentübertragung gesteuert werden.
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Die Ölabfuhr 14 erfolgt radial außen über die Öl-Auslässe 8, die im Bereich des Außenumfangs der Laufrades 3 angeordnet sind. Bei der gezeigten Ausführung sind sie als radiale Bohrungen in der Kupplungsschale 4 dargestellt. Sie können aber ebenso gut im Laufrad 3 angeordnet sein und ebenso gut als axiale oder tangentiale oder schräge Öffnungen oder Bohrungen ausgeführt sein. Des Weiteren sind sie im Endbereich von taschenförmigen Vertiefungen, die in die Verbindungsfläche zwischen Laufrad 3 und Kupplungsschale 4 eingearbeitet sind, angeordnet. Durch diese Taschen wird ein Aufstauen des Öls vor dem Abschleudern durch die Öl-Auslässe 8 erzeugt, was einer Verschäumung des Öls entgegenwirkt. Die Taschen sind hier in der Kupplungsschale 4 vorhanden und mit im Wesentlichen konstanter Tiefe ausgeführt. Es können zudem auch mehrere Taschen vorhanden sein. Die Taschen und das Laufrad 3 sind so ausgeführt, dass das Öl um eine Umlenkkante 15 strömen muss. Jede Tasche hat hier genau eine Auslassöffnung 8.
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Bei geleerter Kupplung, also wenn kein Öl im Arbeitsraum 6 sein soll, kann Öl zu Kühlung am Arbeitsraum vorbei durch den Innenraum strömen, indem das Öl über ein axiale Zentralbohrung 17 in der Eingangswelle 1 in den Bereich zwischen Laufrad 2 und Kupplungsschale 4 geleitet wird. Das Kühlöl strömt ebenfalls durch die Taschen zum Auslass 8 und nach draußen. In allen Fällen, also bei Betrieb mit gefüllter Kupplung wie auch während des Entleerens oder bei einem Kühlölstrom am Arbeitsraum vorbei, kann da Öl in den Taschen aufgestaut und somit aufkonzentriert werden, so dass wenig Luft enthalten ist.
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In der 2 ist für die zuvor beschriebene Ausführung ein Beispiel für die stirnseitige Ansicht der Rinnen 12 und der Öffnungen 11 dargestellt. Hier ist eine Ausführung mit drei Rinnen 12 und drei Öffnungen 11 gezeigt. Zur Anpassung der gewünschten Ölfördermenge kann die Anzahl variiert werden. Ebenso kann die Tiefe t der Rinne und die Länge der Rinnen in Kreisumfangsrichtung angepasst werden. Die Öffnungen 11 sind als schräge Bohrungen ausgeführt, die an ihrem Eintritt zusammen mit der Rinne 12 eine schaufelartige Förderkante 19 bilden. Alle Rinnen 12 liegen auf einem Kreis um die Rotationsachse 20 der Laufräder und erstrecken sich entgegen der im Betrieb auftretenden Rotationsrichtung 13 hin zu ihrer jeweiligen Öffnung 11.
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Die 3a und 3b zeigen zwei Varianten für die Ausführung der Rinnen 12 und Öffnungen 11 als Abwicklung im Querschnitt. Darin gut zu erkennen ist die jeweils zur Öffnung 11 hin - und hier gegen die Rotationsrichtung 13 des Laufrades - zunehmende Tiefe t der Rinnen. Am Ende mündet die Rinne 12 in die schräge Öffnung 11 und bildet mit dieser eine Förderkante 19 aus. Die Schräge der Öffnung ist hier in tangentialer und in axialer Richtung gegeben - ohne Anteile in radialer Richtung. Wenn die Förderkante 19 aufgrund der Rotation am Freistrahl aus der Düse vorbeikommt, drückt sie das Öl in die Öffnung 11. Unterhalb der Förderkante 19 ist eine schräge Wandung 21 vorhanden, die die Förderwirkung durch die Öffnung 11 hindurch noch verstärkt.
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Die 3a und 3b unterscheiden sich nur durch die vorgeschlagene Herstellung. In 3a ist eine Konstruktion mit gefrästen Rinnen 12 und gebohrten Öffnungen 11 dargestellt. 3b zeigt alternativ eine Variante als Gussausführung. Die wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmale sind in beiden Varianten vorhanden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eingangswelle
- 2
- primäres Laufrad
- 2a
- Schaufelkante
- 3
- sekundäres Laufrad
- 4
- Kupplungsschale
- 5
- Gehäusewand
- 6
- Arbeitsraum
- 7
- Öl-Einlasskanal
- 8
- Öl-Auslass
- 9
- Spaltdichtung
- 10
- Laufspalt
- 11
- Öffnung
- 12
- Rinne
- 13
- Rotationsrichtung
- 14
- Ölstrom am Einlass
- 15
- Umlenkkante
- 16
- Ölstrom am Auslass
- 17
- Zentralbohrung
- 18
- Düse
- 19
- Förderkante
- 20
- Rotationsachse
- 21
- Wandung
- t
- Tiefe der Rinne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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