DE10327133B4

DE10327133B4 - Hydrodynamische Kupplung und Antriebseinheit mit einer hydrodynamischen Kupplung

Info

Publication number: DE10327133B4
Application number: DE2003127133
Authority: DE
Inventors: Thomas Folberth
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2023-06-14
Also published as: DE10327133A1

Abstract

Hydrodynamische Kupplung (1);
1.1 mit einem Pumpen- und einem Turbinenrad (4, 5) welche miteinander einen mit Betriebsmittel füllbaren Arbeitsraum (6) bilden;
1.2 mit einem Gehäuse (3);
1.3 mit einem ein Betriebsmittel-Versorgungs- und/oder Führungssystem (2);
1.4 das Betriebsmittel-Versorgungs- und/oder Führungssystem (2) umfasst einen zwischen einem Auslass (16) und einem Eingang (18) des Arbeitraums (6) angeordneten geschlossenen Kreislauf (1);
1.5 der Kreislauf (1) umfasst eine von dem geschlossenen Kreislauf (1) abzweigende, durch Ventile (24, 25) steuerbare Bypass-Schaltung (8);
1.6 in der Bypass-Schaltung (8) ist ein Betriebsmitteltank (10) oberhalb des Bereiches des Außenumfanges der Pumpschale, der am weitesten unterhalb der Kupplungssymmetrieachse liegt, angeordnet; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.7 die Bypass-Schaltung (8) ist an das Gehäuse (3) der Kupplung (1) angeschlossen und bildet eine direkte Verbindung zwischen Tank (10) und Gehäuse (3);
1.8 die Bypass-Schaltung (8) mündet im Gehäuse (3) in einen drucklosen oder einen...

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1; ferner eine Antriebseinheit mit einer hydrodynamischen Kupplung.
Hydrodynamische Kupplungen für unterschiedliche Einsatzzwecke sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt. Insbesondere für den Einsatz in Antriebseinheiten von Förderanlagen im Bergbau ist es üblich, diese zur Realisierung einer langsamen ruckfreien Beschleunigung der Anlage und der Dämpfung von Belastungsstößen sowie zum Belastungsausgleich einzusetzen. Damit soll vor allem eine verschleißfreie Kraftübertragung, ein entlasteter Motoranlauf und eine sanfte Beschleunigung schwerster Massen erzielt werden. Insbesondere beim Einsatz im Bergbau ist es dabei üblich, diese mit dem Betriebsmittel Wasser zu betreiben. Zur Realisierung der Wärmeabfuhr im Dauerbetrieb werden diese Kupplungen und der Betriebsmittelkreislauf derart ausgeführt, dass ständig Betriebsmittel aus dem Arbeitskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung und damit die bei der Kraftübertragung entstehende Wärme abgeführt wird. Dabei kommen im allgemeinen zwei Systeme zur Anwendung

1. die Verwendung eines offenen Systems oder
2. die Verwendung eines geschlossenen Systems.

Beim Einsatz eines offenen Systems wird dabei die hydrodynamische Kupplung aus einer Frischwasserleitung gespeist. Bei Verwendung einer Doppelkupplung, d.h. einer Kupplung mit zwei Arbeitskreisläufen, beinhaltet die Wassersteuerung zwei Wasserkreisläufe. Zum Anfahren werden diese – auch als Arbeitskreisläufe bezeichnet – mit einem großen Volumenstrom befällt, während im Dauerbetrieb auf einen reduzierten Volumenstrom im System umgeschaltet wird. Dieser dient dann der Abführung der bei der Kraftübertragung anfallenden Wärme.

Aufgrund des ständigen Durchlaufens von Betriebsmittel, d.h. der ständig im wesentlichen gleichmäßigen Zu- und Abfuhr von Frischwasser in und aus dem torusförmigen Arbeitsraum ist das Gesamtsystem zwar einfach und überschaubar und baut sehr klein. Nachteilig gestaltet sich jedoch der hohe Wasserverbrauch, da ständig Frischwasser zum Durchlauf durch die hydrodynamische Kupplung bereitgestellt werden muss. Die Bereitstellung kann dabei je nach Einsatzfall problematisch sein. Daher finden zunehmend Ausführungen Verwendung, bei denen das Betriebsmittel in einem geschlossenen System mit integrierten Kühleinrichtungen gefördert wird. Die hydrodynamischen Kupplungen werden zu diesem Zweck aus einem Tank über Verbindungsleitungen gespeist. Der Tank kann dabei oberhalb oder unterhalb der Kupplungsunterkante angeordnet sein, wobei vorzugsweise erstere Variante zum Einsatz gelangt, da die Schwerkraft zum Transport des Betriebsmittels ausnutzbar ist. Eine derartige gattungsgemäß gestaltete hydrodynamische Kupplung ist dabei aus der Druckschrift DE 197 07 172 C1 bekannt. Das der hydrodynamischen Kupplung zugeordnete Betriebsmittel-Führungs- bzw. Versorgungssystem umfasst einen geschlossenen Kreislauf. Diesem ist eine Bypass-Schaltung zugeordnet. In der Bypass-Schaltung befindet sich eine Betriebsmittelspeichereinrichtung, beispielsweise ein Betriebsmitteltank, der derart gegenüber dem torusförmigen Arbeitsraum angeordnet ist, dass der sich einstellende Betriebsmittelspiegel oberhalb der Kupplungsunterkante liegt. Eine besondere Pumpe zum Füllen der Kupplung ist somit nicht erforderlich. In der Bypass-Schaltung sind ferner Ventileinrichtungen vorgesehen, welche zum Befüllen des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung bzw. zum Entleeren und zur Erfüllung weiterer Funktionen entsprechend gesteuert werden. Unter Bypass wird dabei eine Leitungssystemanordnung verstanden, welche eine Umgehung ermöglicht, hier eine Umgehung der hydrodynamischen Kupplung unter wenigstens teilweiser Ausnutzung der Leitungssysteme des geschlossenen Kreislaufes. Dies bietet den Vorteil einer vereinfachten Leitungsführung und Verrohrung. Die Erfüllung der einzelnen Funktionen Füllen und Entleeren bzw. Betriebsmittelumlauf im geschlossenen Kreislauf kann dabei auf einfache Art und Weise realisiert werden. Ein aufwendiges Takten der Ventileinrichtungen entfällt. Die Bypass-Schaltung ist dabei über eine Venturidüse an den geschlossenen Kreislauf angekoppelt. Ein Nachteil einer derartigen Ausführung besteht jedoch darin, dass eine separate Füllpumpe zur Befüllung des Arbeitsraumes benötigt wird. Des weiteren ist zum Einbringen von Betriebsmittel in einen druckgefüllten Raum ein separates Element in Form einer Venturidüse erforderlich. Diese Lösung ist damit durch einen hohen konstruktiven und steuerungstechnischen Aufwand charakterisiert. Das Betriebsmittel wird allein aufgrund der Schwerkraftwirkung in den Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung eingebracht. Ein wesentlicher Nachteil besteht dabei darin, dass zum einen die Schnelligkeit durch die Schwerkraftwirkung allein bestimmt ist und ferner das Volumen der Ölzufuhr nicht genau abschätzbar ist.

Nicht gattungsgemäße Kupplungen mit Anordnungen des Betriebsmitteltankes unterhalb der Kupplungsunterkante sind aus den Druckschriften US 3 180 692 , EP 0 523 663 A2 , US 3 156 095 und EP 1 229 269 A1 vorbekannt. Diese benötigen immer eine entsprechende Pumpeinrichtung zur Befüllung der hydrodynamischen Kupplung. Die Schnelligkeit des Befüllvorganges ist dabei abhängig von der Kapazität der Füllpumpe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße hydrodynamische Kupplung derart weiterzuentwickeln, dass der konstruktive und steuerungstechnische Aufwand erheblich verringert wird, wobei eine sichere Betriebsmittelversorgung während der einzelnen unterschiedlichen Betriebsphasen voll gewährleistet wird. Insbesondere sollte auch aufgrund der gewünschten Eignung für den Einsatz in Mehrmotorenantrieben das gesamte Befüllungssystem bei gleichzeitiger Erhöhung der thermischen Kapazität kleiner bauen, die Verstellgeschwindigkeit der Kupplung selbst erhöht und die Funktion der Schleichfahrt verbessert werden. Die gesamte Einheit soll dabei nach Möglichkeit mit wenig Fremdenergie sicher betrieben werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die hydrodynamische Kupplung umfasst ein als Primärrad bezeichnetes Pumpenrad und ein als Sekundärrad bezeichnetes Turbinenrad, welche miteinander mindestens einen torusförmigen Arbeitsraum bilden. Das Pumpenrad ist dabei derart ausgeführt, dass dieses das Turbinenrad in axialer Richtung wenigstens teilweise umschließt. Die so gebildete Pumpschale dient der Aufnahme von Betriebsmittel. Der hydrodynamischen Kupplung ist des weiteren ein Betriebsmittelversorgungssystem zugeordnet. Dieses umfasst einen geschlossenen Kreislauf, welcher dem Betriebsmittelumlauf während des Nennbetriebes dient. Der geschlossene Kreislauf findet dabei einen Auslass aus der hydrodynamischen Kupplung mit mindestens einen Einlass in den torusförmigen Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung. Dem geschlossenen Kreislauf ist eine Bypass-Schaltung zugeordnet. In der Bypass-Schaltung ist eine Betriebsmittelspeichereinheit, insbesondere in Form eines Tankes angeordnet. Die Kopplung der Bypass-Schaltung zwischen der Energiespeichereinheit und der hydrodynamischen Kupplung erfolgt derart, dass diese am Gehäuse angeschlossen wird. Dies bedeutet, dass die Verbindungsleitung zwischen Energiespeichereinheit und der hydrodynamischen Kupplung in das Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung mündet. Die Energiespeichereinheit, welche in der Regel als Tank ausgebildet ist, ist derart gegenüber der hydrodynamischen Kupplung in Einbaulage in vertikaler Richtung angeordnet, dass der Betriebsmittelspiegel oberhalb der Unterkante der hydrodynamischen Kupplung liegt. Unter Unterkante wird dabei in vertikaler Richtung betrachtet der Bereich des Außenumfangs der Pumpschale der hydrodynamischen Kupplung betrachtet, welcher am weitesten unterhalb der Kupplungssymmetrieachse liegt. Unter Bypass wird dabei eine Leitungssystemanordnung verstanden, welche eine Umgehung der hydrodynamischen Kupplung, insbesondere des torusförmigen Arbeitsraumes unter wenigstens teilweiser Ausnutzung der Leitungssysteme des geschlossenen Kreislaufes ermöglicht. Zur Zuschaltung und Abschaltung des Bypasses sind entsprechende Ventileinrichtungen erforderlich. Diese sind in dabei in Betriebsmittelströmungsrichtung betrachtet in der Bypass-Schaltung vor und hinter der Energiespeichereinheit angeordnet. Diese sind vorzugsweise als Schaltventile ausgeführt und umfassen mindestens zwei Funktionsstellungen – eine erste Funktionsstellung und eine zweite Funktionsstellung. Die erste Funktionsstellung ist dabei durch das Überströmen der Ventileinrichtung charakterisiert, während die zweite Funktionsstellung durch eine Unterbrechung gekennzeichnet ist.

Da die Einbringung des Betriebsmittels in einen drucklosen Raum im Gehäuse, einem Gehäusesumpf erfolgt, sind Mittel erforderlich, welche einen Transport des Betriebsmittels zum torusförmigen Arbeitsraum ermöglichen. Diese können verschiedenartig ausgestaltet sein. Denkbar sind in diesem Fall die Verwendung

1. einer Fördereinrichtung
2. der Bildung einer Pump- bzw. Fördereinrichtung unter Ausnutzung der konstruktiven Merkmale der hydrodynamischen Kupplung.

Vorzugsweise wird die zweite Variante verwendet, da diese den geringsten steuerungstechnischen Aufwand erfordert, während die erstgenannte Variante eine zusätzliche Ansteuerung der Füllpumpe bedarf. Die hydrodynamische Kupplung umfasst dazu Mittel zum Transport des Betriebsmittels vom Gehäusesumpf zum torusförmigen Arbeitsraum. Die Einspeisung erfolgt dabei in den geschlossenen Kreislauf, wobei die Zuführung zum Arbeitsraum über den geschlossenen Kreislauf ermöglicht wird. Die hydrodynamische Kupplung kann dabei als einfache Kupplung oder Doppelkupplung ausgebildet sein. In beiden Fällen wird die Pumpschale im Bereich des Außenumfanges mit einer Bedeckung versehen, welche in den Betriebsmittelsumpf eintaucht und als Schleudereinrichtung fungieren kann. Während der Rotation des Pumpenrades wird aufgrund der Fliehkraftwirkung im Bereich des Außenumfanges der Bedeckung der Pumpschale Betriebsmittel mitgerissen und wird über Mittel zum Transport von der Schleudereinrichtung zum torusförmigen Arbeitsraum in diesen eingebracht. Bei der Ausführung als Doppelkupplung kann die Kupplung beispielsweise wie in der Druckschrift DE 42 24 728 A1 beschrieben, ausgeführt sein. Der Offenbarungsgehalt bezüglich des Aufbaus der Kupplungseinrichtung und der Funktionsweise der Schleudereinrichtung wird hiermit vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen. Insbesondere bei dieser Kupplungsausführung, welche durch zwei toroidale Arbeitskreisläufe charakterisiert ist, welche jeweils vom Primärrad und Sekundärrad gebildet werden, wird dabei die Pumpschale von einem Zylinderabschnitt gebildet, welcher die zwei Teilräder des Pumpenrades miteinander verbindet. Dieser Zylinderabschnitt erstreckt sich dabei über den Arbeitsraum hinaus. Dieser weist eine Bedeckung auf, welche als Schleuderscheibe wirkt und die sich in bezug auf die beiden Arbeitskreisläufe in axialer Richtung symmetrisch erstreckt und den Transport von Betriebsmittel im Kupplungssyumpf zum geschlossenen Kreislauf über ein Rücklaufsystem übernimmt. Das Rücklaufsystem umfasst Vorkammern, diese sind zweckmäßigerweise in Höhe der Axialmittelebene der hydrodynamischen Kupplung angeordnet und erstrecken sich in Umfangsrichtung um eine gewisse Strecke über diese Mittelebene hinaus. Das sich im Gehäuse ansammelnde Betriebsmittel wird dann beim Anfahren der Kupplung mittels der Schleuderscheibe in die Vorkammern befördert. Dazu weisen diese jeweils eine Schälkante auf, die derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass das von der Schleudereinrichtung mitgerissene Betriebsmittel auf dessen Weg nach oben abgeschält und in die betreffende Vorkammer eingeleitet wird. Aufgrund der Doppelanordnung der beiden Vorkammern ist ein Betrieb in beiden Drehrichtungen möglich. Ansonsten ist zumindest eine Vorkammer vorzusehen, welche in Rotationsrichtung liegt. Das Rückführsystem umfasst des weiteren eine Leitung, die die betreffende Vorkammern mit dem Schöpfraum verbindet. Das Rücklaufsystem ist dabei Bestandteil des geschlossenen Kreislaufes.

Diese Lösung ermöglicht es, mit einer bereits bekannten Kupplungsausführung auf einfache Art und Weise ein zuverlässig arbeitendes Betriebsmittelversorgungssystem zu realisieren, welches keine spezielle Füllpumpe zur Befüllung des Arbeitsraumes benötigt und durch die Schaltung der Ventile eine einfache Füllstandssteuerung bzw. Änderung ermöglicht. Des weiteren sind keine zusätzliche Mittel erforderlich, um das Betriebsmittel unter Druck in das Betriebsmittelversorgungssystem einzubringen. Wenn das Betriebsmittel in den drucklosen Raum eingebracht wird, ist dessen Volumen besser abschätzbar und des weiteren wird auch eine beschleunigte Betriebsmittelzufuhr durch die Saugwirkung im Gehäuse erzielt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht hinsichtlich der Verwendung des Betriebsmittels beschränkt. Als dieses kommen beispielsweise

1. Wasser oder
2. Öl

in Betracht.

Die erfindungsgemäße Lösung ist des weiteren nicht hinsichtlich des Anwendungsfalls beschränkt. Diese kann man beispielsweise in Antriebseinheiten verwenden, in welche die hydrodynamische Kupplung zwischen einer Antriebsmaschine und einer Arbeitsmaschine angeordnet ist. Aufgrund der Realisierung des Direktumlaufes ist die erfindungsgemäße Lösung besonders geeignet für Einsatzfälle mit stetig erforderlicher Antriebsleistung für eine Arbeitsmaschine bei gleichzeitiger hoher Belastbarkeit.

Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung bestehen für die Anordnung des Tankes eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Grundsätzlich kann zwischen einer separaten Anordnung außerhalb des Kupplungsgehäuses gewählt werden oder aber einer Anordnung im Kupplungsgehäuse. Im erstgenannten Fall sind entsprechende Verbindungsleitungen außerhalb der hydrodynamischen Kupplung zur Kopplung der Energiespeichereinheit im Kupplungsgehäuse erforderlich, wobei entsprechend dichte Übergangsstellen zu realisieren sind. Insbesondere die Dichtheit stellt ein erhebliches Problem dar. Daher wird vorzugsweise die zweite Variante gewählt und die Energiespeichereinheit im Gehäuse angeordnet. Die Integration der Energiespeichereinheit in das Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung ermöglicht dabei eine besonders kompakte Bauweise mit einer minimalen Anzahl von Bauelementen und einem minimalem Bauraumbedarf.

Zur Realisierung eines Betriebsmittelumlaufes im geschlossenen Kreislauf ist eine Pumpeinrichtung vorgesehen. Diese ist dabei als Staudruckpumpe ausgeführt und ermöglicht den Transport von Betriebsmittel aus dem geschlossenen Kreislauf zum höheren Tank.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 verdeutlicht anhand eines Hydraulikschemas den Grundaufbau und die Funktionsweise einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Kupplung;
2a und 2b verdeutlichen eine vorteilhafte Ausgestaltung einer hydrodynamischen Kupplung in zwei Ansichten.
Die 1 verdeutlicht anhand eines Hydraulikschemas den grundfegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung 1 mit dieser zugeordneten Betriebsmittelversorgungs- und/oder Führungssystem 2. Die hydrodynamische Kupplung 1 umfasst ein Gehäuse 3, in welchem ein auch als Primärrad bezeichnetes Pumpenrad 4 und ein auch als Sekundärrad bezeichnetes Turbinenrad 5, die miteinander mindestens eines torusförmigen Arbeitsraum 6 bilden, angeordnet sind. Das Betriebsmittelversorgungs- und/oder Führungssystem 2 umfasst einen im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung geschlossenen Kreislauf 7, welchem eine Bypass-Schaltung 8 zugeordnet ist. In der Bypass-Schaltung 8 ist eine Betriebsmittelspeichereinheit 9, beispielsweise in Form eines Tankes 10 angeordnet. Die Bypass-Schaltung 8 ist erfindungsgemäß am Gehäuse 3 angeschlossen. Die Bypass-Schaltung 8 umfasst dazu eine Verbindungsleitung 11 zwischen der Betriebsmittelspeichereinheit 9 bzw. dem Tank 10 und dem Gehäuse 3 der hydrodynamischen Kupplung 1. Der Spiegel des Betriebsmittels 12 in der Betriebsmittelspeichereinheit 9 bzw. dem Tank 10 liegt oberhalb einer Unterkante 13 der hydrodynamischen Kupplung. Als Unterkante 13 wird dabei der in Einbaulage der hydrodynamischen Kupplung 1 in vertikaler Richtung betrachtet am weitesten unterhalb der Symmetrieachse A_KS bzw. der Rotationsachse K_R des Pumpenrades 4 liegende Bereich des Außenumfanges 14 der Pumpschale 15 verstanden.
Der geschlossene Kreislauf 7 dient der Führung des Betriebsmittels während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung 1, insbesondere zu Kühl- und Reinigungszwecken. Der geschlossene Kreislauf 7 verbindet dabei mindestens einen Auslass 16 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 6 mit wenigstens einem Eingang 18 in den torusförmigen Arbeitsraum 6. Während des Betriebes, d.h. bei Rotation des Pumpenrades 4 und des Turbinenrades 5 gelangt Betriebsmittel über den mindestens einen Auslass 16 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 6 in die Pumpschale 15 und von dort über entsprechende Auslassöffnungen 19 in das Gehäuse 3. Mittels einer Pumpeinrichtung 20, beispielsweise einer Staudruckpumpe 37 wird das Betriebsmitel im geschlossenen Kreislauf 7 geführt. Zum Zweck der Kühlung ist im geschlossenen Kreislauf 7 eine Kühleinrichtung 21 angeordnet. Diese ist der Pumpeinrichtung 20 nachgeordnet. Solange ein bestimmter Druck im System herrscht, wird das gekühlte Betriebsmittel wieder dem Arbeitsraum 6 über den Eingang 18 zugeführt. Zu diesem Zweck ist in der Verbindungsleitung 22 zwischen der Kühleinrichtung 21 und dem torusförmigen Arbeitsraum 6 ein Rückschlagventil 23 angeordnet. Des weiteren ist eine Führung des Betriebsmittels im geschlossenen Kreislauf 7 nur dann möglich, wenn die Bypass-Schaltung 8 nicht in Betrieb ist. Die Bypass-Schaltung 8 wird dabei mittels zwei Ventileinrichtungen, einer ersten Ventileinrichtung 24 und einer zweiten Ventileinrichtung 25 realisiert. Unter einem Bypass wird dabei eine Leitungssystemanordnung verstanden, welche eine Umgehung ermöglicht, hier eine Umgehung des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung unter wenigstens teilweiser Ausnutzung der Leitungssysteme des geschlossenen Kreislaufes 7. Dies bietet den Vorteil einer vereinfachten Leitungsführung und Verrohrung. Die Erfüllung der einzelnen Funktionen – Füllen und Entleeren bzw. Betriebsmittelumlauf während des Betriebes im geschlossenen Kreislauf – wird auf einfache Art und Weise mittels der beiden Ventileinrichtungen 24 und 25 realisiert. Beide Ventileinrichtungen sind dabei vorzugsweise als 2/2-Wegeventil ausgeführt. Die erste Ventileinrichtung 24 ist dabei bezogen auf die Betriebsmittelströmungsrichtung im geschlossenen Kreislauf 7 während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung vor dem Tank 10 angeordnet, während die zweite Ventileinrichtung 25 in der Verbindungsleitung 11 zwischen dem Tank 10 und dem Gehäuse 3 angeordnet ist. Die beiden Ventileinrichtungen 24 und 25, welche im dargestellten Fall in einfacher Art und Weise als 2/2-Wegeventile ausgeführt sind, weisen mindestens zwei Schaltstellungen auf, eine erste Schaltstellung I₂₄ bzw. I₂₅ und eine zweite Schaltstellung II₂₄ bzw. II₂₅, wobei die mit I gekennzeichnete erste Schaltstellung dadurch charakterisiert ist, dass die Betriebsmittelführung unterbrochen wird, während die zweite Schaltstellung II durch das Durchströmen des Betriebsmittels durch die Ventileinrichtungen 24 und 25 charakterisiert ist. Entsprechend der Einstellung der ersten Ventileinrichtung 24 und der zweiten Ventileinrichtung 25 können auf einfache Art und Weise im Betriebsmittelversorgungs- und/oder Führungssystem 2 eine Vielzahl von Funktionen erfüllt werden. Dabei wären zu nennen:

– Anfahrvorgang
– Nennbetrieb
– Füllstandsteuerung
– Stand by
– Ausschaltvorgang.

Zur Realisierung des Anfahrvorganges befindet sich die zweite Ventileinrichtung in der zweiten Funktionsstellung II₂₅. In dieser kann Betriebsmittel aus dem Tank 10 in das Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung 1 strömen. Dies erfolgt aufgrund des unterschiedlichen Druckniveaus zwischen dem Betriebsmittelspiegel 12 im Tank 10 und einem Einlass 26 am Gehäuse 3, welcher mit der Verbindungsleitung 11 gekoppelt ist: Die erste Ventileinrichtung 24 ist in dieser Betriebsphase in der ersten Funktionsstellung I_24,, d.h. diese sperrt. Zur Förderung des Betriebsmittels aus dem Gehäuse 3 in den torusförmigen Arbeitsraum 6 sind Mittel 27 zur Förderung des Betriebsmittels vorgesehen, welche jedoch frei von einer Füllpumpeneinrichtung sind. Die Mittel 27 umfassen dazu mindestens eine Schleudereinrichtung 28, welche vorzugsweise direkt am Außenumfang 14 der Pumpschale 15 angeordnet sind. Vorzugsweise wird die Schleudereinrichtung direkt von der Pumpschale 15 gebildet, welche durch Eintauchen in den sich im Gehäuse 3 bei Befüllung mit Betriebsmittel einstellenden Betriebsmittelsumpf 29 eintaucht und bei Rotation mitnimmt. Der Schleudereinrichtung 28 sind in Förderrichtung Mittel zum Transport des Betriebsmittels zum torusförmigen Arbeitsraum 6 nachgeordnet. Diese Mittel sind mit 30 bezeichnet. Sie umfassen mindestens eine Auffangeinrichtung 31, welche das mittels der Schleudereinrichtung 28 mitgerissene und abgeschleuderte Betriebsmittel auffängt und über wenigstens eine Verbindungsleitung mit dem torusförmigen Arbeitsraum 6 gekoppelt ist. Dabei erfolgt in der Auffangeinrichtung 31 eine Umkehr des abgeschleuderten Betriebsmittels in Schwerkraftrichtung, wobei die Verbindungsleitung 32 zum torusförmigen Arbeitsraum hinsichtlich ihrer Lage und Neigung derart angeordnet ist, dass diese allein eine Betriebsmittelströmung zum torusförmigen Arbeitsraum 6 ermöglicht. Die Ausführung der Mittel 27 zur Förderung des Betriebsmittels, insbesondere der Schleudereinrichtung 28 und Mittel 30 zum Transport des Betriebsmittels von der Schleudereinrichtung zum torusförmigen Arbeitsraum, können vielgestaltig sein. Vorzugsweise werden diese jedoch von Funktionselementen der hydrodynamischen Kupplung 1 gebildet, d.h. beispielsweise der Pumpschale 15. Eine besonders bevorzugt einsetzbare Variante wird detailliert in 2 beschrieben.
Während des Anfahrvorganges befindet sich die zweite Ventileinrichtung 25 für eine bestimmte erste Zeitspanne t₁ in der Betriebsstellung II₂₅, d.h. die Ventileinrichtung 25 ist geöffnet. Die erste Ventileinrichtung 24 ist geschlossen. Dabei wird ein der ersten Zeitspanne t₁ entsprechendes Betriebsmittelvolumen in das Gehäuse 3 eingelassen. Die Schleudereinrichtung 28 fördert dabei das Betriebsmittelvolumen über Mittel 30 in den torusförmigen Arbeitsraum 6. Die Mittel 30 zur Betriebsmittelförderung von der Schleudereinrichtung 28 zum torusförmigen Arbeitsraum 6 umfassen dabei Bestandteile des geschlossenen Kreislaufes 7. Das bedeutet, dass das Betriebsmittel nicht direkt vom Tank 10 in den torusförmigen Arbeitsraum 6 eingebracht wird, sondern unter Ausnutzung der Leitungsbestandteile des geschlossenen Kreislaufes 7 dem torusförmigen Arbeitsraum 6 zugeführt wird. Im Nennbetrieb sind beide Ventileinrichtungen 24 und 25 geschlossen, d.h. Schaltstellung I. Im geschlossenen Kreislauf 7 befindet sich die dabei nach dem Anfahrvorgang zugeführte konstante Betriebsmittelmenge. Diese wird entsprechend dem Erfordernis einer vorzusehenden Kühlung, d.h. in Abhängigkeit von der Temperatur des Betriebsmittels im torusförmigen Arbeitsraum im Direktumlauf im geschlossenen Kreislauf 7 geführt.
Im Standby-Betrieb, d.h. bei entleerter hydrodynamischer Kupplung 1, maximaler Drehzahl des Pumpenrades und Stillstand des Turbinenrades wird die zweite Ventileinrichtung 25 kurz geöffnet, so dass in den Direktumlauf, d.h. den geschlossenen Kreislauf genügend Betriebsmittel zur Lagerschmierung und Abfuhr der Ventilationswärme eingebracht wird. Zu diesem Zweck ist im geschlossenen Kreislauf ein Abzweig 33 vorgesehen, in welchen ein Teil des im geschlossenen Kreislauf 7 theoretisch umlaufenden Betriebsmittels abgezweigt wird und Lagerstellen, beispielsweise den Lagerstellen der hydrodynamischen Kupplung, im dargestellten Fall der Lagerstelle 34 des Pumpenrades im Gehäuse 3 und der Lagerstelle 35 des Turbinenrades im Gehäuse geführt wird. Da die Anforderungen an die Qualität des Schmiermittels zur Schmierung von Lagerstellen relativ hoch sind, ist im Abzweig 33 eine Filtereinrichtung 36 vorgesehen, welche eine Reinigung des Betriebsmittels bzw. des abgezweigten Betriebsmittelanteils ermöglicht.
Zur Außerbetriebnahme, das heißt des Ausschaltens der hydrodynamischen Kupplung 1 wird die erste Ventileinrichtung 24 geöffnet. Fällt dann der Druck an der Pumpeinrichtung 20, d.h. der Staudruckpumpe 37 ab, kann der Antrieb abgeschaltet werden.
Die Funktion der Füllstandssteuerung in der hydrodynamischen Kupplung 1, insbesondere dem torusförmigen Arbeitsraum 6 wird durch das abgestimmte Öffnen und Schließen der einzelnen Ventile, insbesondere der Ventileinrichtung 25 und der Ventileinrichtung 24 realisiert. Zur Steuerung des Füllstandes ist dabei eine, hier im einzelnen nicht dargestellte Steuervorrichtung vorgesehen, deren Ausgänge bzw. Ausgang mit den Stelleinrichtungen der Ventileinrichtungen 24 und 25 koppelbar ist.
Erfindungswesentlich ist die direkte Zufuhr des Betriebsmittels aus dem Tank in das Gehäuse 3 der hydrodynamischen Kupplung und damit den drucklosen Raum. Zu diesem Zweck sind keine separaten Einrichtungen erforderlich, um das Betriebsmittel vom Tank 10 in das Gehäuse 3 zu befördern. Wesentlich ist lediglich, dass der Betriebsmittelspiegel 11 im Tank 10 oberhalb der Kupplungsunterkante 13 liegt. Bezüglich der Weiterleitung des Betriebsmittels vom Gehäuse 3 in den geschlossenen Kreislauf 7 und damit den torusförmigen Arbeitsraum 6 der hydrodynamischen Kupplung 1 bestehen eine Mehrzahl von Möglichkeiten. Dabei kann das Betriebsmittel direkt aus dem Tank 10 in die Pumpschale 15 eingebracht werden. Die andere Möglichkeit besteht darin, das Betriebsmittel im Gehäuse 3 in einem Sumpf zu sammeln und entsprechend der Gestaltung der hydrodynamischen Kupplung 1 über Mitnahmeelemente durch Abschleudern und Umlenkung des Betriebsmittels dieses dem geschlossenen Kreislauf 7 zuzuführen. Die konkrete gewählte Ausgestaltung hängt jedoch vom Einsatzfall ab und liegt im Ermessen des zuständigen Fachmannes.
Die 2a und 2b verdeutlichen eine konstruktive Ausführung der hydrodynamischen Kupplung für die Realisierung des Transportes des Betriebsmittels vom Gehäuse 3 in den torusförmigen Arbeitsraum 6. Die 2a zeigt dabei eine hydrodynamische Kupplung 1 im Axialschnitt. Diese ist im dargestellten Fall als Doppelkupplung ausgeführt, welche zwei toroidale Arbeitskreisläufe 38 und 39 aufweist, die jeweils vom Pumpenrad 4.1 bzw. 4.2 und einem Turbinenrad 5.1 bzw. 5.2 gebildet werden. Der Grundaufbau der Kupplung entspricht dem in de 1 beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Die Pumpenräder 4.1 und 4.2 werden dabei von einer Antriebswelle 40 angetrieben. Die beiden Turbinenräder 5.1 und 5.2 sind hingegen mit einer Abtriebswelle 42 drehfest verbindbar. Die beiden Pumpenräder 4.1 und 4.2 sind durch einen Zylinderabschnitt 43 miteinander drehfest verbunden. Der Zylinderabschnitt 43 erstreckt sich dabei über den Arbeitsraum hinaus. Dieser weist eine Bedeckung 44 auf, d.h. einen Vorsprung, welcher als Schleudereinrichtung 28 fungiert und die sich in bezug auf die beiden Arbeitsräume 6.1 und 6.2 in axialer Richtung symmetrisch erstreckt. Der Zylinderabschnitt 43 ist ferner über den Arbeitsraum hinaus verlängert, so dass er einen Schöpfraum 45 bildet.
Der Schöpfraum 45 läuft mit dem Zylinderabschnitt 43 um. Es sind ferner mengenregulierbare Bohrungen oder Dosierventile 46 vorgesehen, über die das Betriebsmittel in den Schöpfraum 45 gelangt. Es ist des weiteren ein hier im einzelnen nicht dargestelltes Schöpfrohr vorgesehen, mittels welchem das aus den torusförmigen Arbeitsräumen 6.1 und 6.2 ausgetretene Betriebsmittel in ein Rücklaufsystem 48, welches den geschlossenen Kreislauf 7 umfasst, gefördert wird. Dazu sind, im einzelnen in der 2b dargestellt, welche eine Ansicht A gemäß 2a wiedergibt, Vorkammern 49 und 50 vorgesehen. Diese weisen jeweils eine Einlassöffnung 51 und 52 auf. Die Vorkammern 49 und 50 sind mit einer Schälkante 53 bzw. 54 ausgerüstet, wobei die beiden Schälkanten 53 bzw. 54 jeweils derart gestaltet und angeordnet sind, dass die von der Schleudereinrichtung 28 und damit dem Zylinderabschnitt mitgerissene Betriebsflüssigkeit auf derem Weg nach oben abgeschält und in die betreffende Vorkammer 49 bzw. 50 eingeleitet wird. Die Vorkammern 49 und 50 sind dazu am Außenumfang der Pumpschale 15 angeordnet und erstrecken sich in Umfangsrichtung betrachtet vom Bereich der Kupplungssymmetrieachse A_KS bzw. der Rotationsachse A_R in Umfangsrichtung unterhalb dieser Achsen um den Außenumfang der Pumpschale 15. Aufgrund der Doppelanordnung der beiden Vorkammern 49 und 50 und der Gestaltung und Anordnung der Schälkanten 53 und 54 ist ein Betrieb in beiden Drehrichtungen möglich. In jedem Fall wird jedoch die ausgetretene Menge an Betriebsmittel von der Schleudereinrichtung 28 abgeschält.
Die hydrodynamische Kupplung 1 weist ein Gehäuse 3 auf, welches eine zur „Kupplungsachse A_KS im wesentlichen konzentrische Umfangswand 57 umfasst. Die beiden Vorkammern 49 und 50 können dann beispielsweise unter Heranziehung der Umfangswand 57 des Gehäuses 3 gebildet werden. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten denkbar. Die Vorkammern 49 und 50 sind zweckmäßigerweise in Höhe der Axialmittelebene angeordnet und erstrecken sich in Umfangsrichtung um eine gewisse Strecke über diese Mittelebene hinaus.
Bei der in 2 beschriebenen Ausführung ist der Tank 10 innerhalb des Gehäuses 3 der hydrodynamischen Kupplung 1 angeordnet, wobei dem Erfordernis der Höhe des Betriebsmittelspiegels oberhalb der Kupplungsunterkante Rechnung zu tragen ist. Diese Möglichkeit ist in schematisch vereinfachter Darstellung in der 3 wiedergegeben. Daraus ist ersichtlich, dass des weiteren die zweite Ventileinrichtung 25 ebenfalls im Gehäuse 3 angeordnet ist. Lediglich Teilelemente des geschlossenen Kreislaufes 7 sowie zur Lagerschmierung sind außerhalb des Gehäuses angeordnet.
Zwischen Tank 10 und Gehäuse 3 Mittel zum Druckausgleich 47 angeordnet. Ferner sind vorzugsweise zwischen Tank 10 und/oder Gehäuse 3 und Umgebung Mittel 55 zur Entlüftung vorgesehen.

1: hydrodynamische Kupplung
2: Betriebsmittelversorgungs- und/oder Führungssystem
3: Gehäuse
4, 4.1, 4.2: Pumpenrad
5, 5.1, 5.5: Turbinenrad
6, 6.1, 6.2: torusförmiger Arbeitsraum
7: geschlossener Kreislauf
8: Bypass-Schaltung
9: Betriebsmittelspeichereinheit
10: Tank
11: Verbindungsleitung
12: Betriebsmittelspiegel im Tank
13: Kupplungsunterkante
14: Außenumfang der Pumpschale
15: Pumpschale
16: Auslass des torusförmigen Arbeitsraumes
18: Eingang in den torusförmigen Arbeitsraum
19: Auslassöffnung
20: Pumpeinrichtung
21: Kühleinrichtung
22: Verbindungsleitung zwischen Kühleinrichtung und
: torusförmigem Arbeitsraum
23: Rückschlagventil
24: erste Ventileinrichtung
25: zweite Ventileinrichtung
26: Einlass am Gehäuse
27: Mittel zur Förderung des Betriebsmittels vom Gehäuse in den
: torusförmigen Arbeitsraum
28: Schleudereinrichtung
29: Betriebsmittelsumpf
30: Mittel zum Transport von der Schleudereinrichtung zum
: torusförmigen Arbeitsraum
31: Auffangeinrichtung
32: Verbindungsleitung
33: Abzweig
34: Lagerstelle
35: Lagerstelle
36: Filter
37: Staudruckpumpe
38: toroidaler Kreislauf
39: toroidaler Arbeitskreislauf
40: Antriebswelle
42: Abtriebswelle
43: Zylinderabschnitt
44: Bedeckung
45: Schöpfraum
46: Dosierventil
47: Mittel zum Druckausgleich
48: Rücklaufsystem
49: Vorkammer
50: Vorkammer
51: Einlass der Vorkammer 49
52: Einlass der Vorkammer 50
53: Schälkante
54: Schälkante
55: Mittel zur Entlüftung
57: konzentrische Umfangswand

Claims

Hydrodynamische Kupplung (1); 1.1 mit einem Pumpen- und einem Turbinenrad (4, 5) welche miteinander einen mit Betriebsmittel füllbaren Arbeitsraum (6) bilden; 1.2 mit einem Gehäuse (3); 1.3 mit einem ein Betriebsmittel-Versorgungs- und/oder Führungssystem (2); 1.4 das Betriebsmittel-Versorgungs- und/oder Führungssystem (2) umfasst einen zwischen einem Auslass (16) und einem Eingang (18) des Arbeitraums (6) angeordneten geschlossenen Kreislauf (1); 1.5 der Kreislauf (1) umfasst eine von dem geschlossenen Kreislauf (1) abzweigende, durch Ventile (24, 25) steuerbare Bypass-Schaltung (8); 1.6 in der Bypass-Schaltung (8) ist ein Betriebsmitteltank (10) oberhalb des Bereiches des Außenumfanges der Pumpschale, der am weitesten unterhalb der Kupplungssymmetrieachse liegt, angeordnet; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.7 die Bypass-Schaltung (8) ist an das Gehäuse (3) der Kupplung (1) angeschlossen und bildet eine direkte Verbindung zwischen Tank (10) und Gehäuse (3); 1.8 die Bypass-Schaltung (8) mündet im Gehäuse (3) in einen drucklosen oder einen unter einem geringerem Druck als der durch die Schwerkraft des Betriebsmittels bei Führung zwischen Tank (10) und Gehäuse (3) stehenden Raum des Gehäuses (3).
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Kreislauf (7) eine Kühleinrichtung (21) vorgesehen ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kreislauf (7) einen Abzweig (33) zur Schmiermittelversorgung von Lagerstellen (34) aufweist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (21) vor dem Abzweig (33) im Kreislauf (7) angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abzweig (33) im Kreislauf (7) ein Filter (36) angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Tank (10) und Gehäuse (3) Mittel zum Druckausgleich (47) angeordnet sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach eine der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Tank (10) und/oder Gehäuse (3) und Umgebung Mittel (55) zur Entlüftung vorgesehen sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (27) zum Transport des Betriebsmittels vom Gehäuse (3) in den Arbeitsraum (6) vorgesehen sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine selbsttätige Pumpeinrichtung umfassen, welche unter Ausnutzung der konstruktiven Merkmale der Kupplung gebildet wird.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 10.1 die Mittel (27) umfassen dazu mindestens eine Schleudereinrichtung (28); 10.2 der Schleudereinrichtung (28) sind in Förderrichtung Mittel (30) zum Transport des Betriebsmittels zum torusförmigen Arbeitsraum (6) nachgeordnet; 10.3 die Mittel (30) umfassen mindestens eine Auffangeinrichtung (31), die über wenigstens eine Verbindungsleitung mit dem torusförmigen Arbeitsraum (6) gekoppelt ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleudereinrichtung (28) am Außenumfang (14) einer vom Pumpenrad (4) gebildeten Pumpschale (15) angeordnet ist.
Antriebseinheit mit einer zwischen einer Antriebs- und einer Arbeitsmaschine angeordneten hydrodynamischen Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.