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Flüssigkeitskupplung Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitskupplung,
bei der ein teilweise mit Flüssigkeit gefülltes Kupplungsgehäuse die eine Kupplungshälfte
und eine in dem Gehäuse rotierende Kupplungsscheibe die andere Kupplungshälfte bildet,
wobei das Drehmoment allein durch die Reibungswirkung der Flüssigkeit zwischen benachbarten,
parallelen Wänden des Gehäuses und der Kupplungsscheibe übertragen wird.
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Bei Flüssigkeitskupplungen dieser Art entsteht durch den unvermeidbaren
Schlupf zwischen den Kupplungshälften einerseits und der Flüssigkeit andererseits
Wärme, die abgeführt werden muß. Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen Teil der
Arbeitsflüssigkeit durch ständig offene Bohrungen in dem Gehäuse aus dem Innern
des Gehäuses abfließen zu lassen und mittels einer Pumpe über einen festen Kühlbehälter
in äußerem Umlauf zu halten. Bei einer bekannten Flüssigkeitskupplung dieser Art
sind außer den ständig offenen Bohrungen zusätzlich gesteuerte Auslaßöffnungen vorgesehen,
mittels derer die am äußeren Umlauf teilnehmende Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit
von der Belastung des Kreislaufes regelbar ist. Hierbei sind die zusätzlichen Auslaßöffnungen
mit flüssigkeitsdruckgesteuerten Ventilen versehen, in deren Steuerleitung ein von
der Temperatur der Arbeitsflüssigkeit gesteuertes Absperrglied eingebaut ist.
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Alle diese bekannten Flüssigkeitskupplungen haben den Nachteil, daß
für den äußeren Umlauf zur Kühlung der Flüssigkeit außer dem Kupplungsgehäuse ein
weiteres Gehäuse zum Kühlen und zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes eine Pumpe
notwendig ist. Dies führt zu einem erheblichen baulichen Aufwand und zu verhältnismäßig
hohen Herstellungskosten.
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Diese Nachteile der bekannten Flüssigkeitskupplungen sind gemäß der
Erfindung dadurch beseitigt, daß im Gehäuse eine Trennwand eingespannt ist, die
eine die Kupplungsscheibe enthaltende Kupplungskammer von einer Kühlkammer trennt
und nahe am inneren Umfang des Gehäuses Auslaßöffnungen und nahe der Kupplungsachse
Einlaßöffnungen für die Flüssigkeit aufweist, und daß zum Regeln der Durchflußmenge
der Flüssigkeit durch die Einlaßöffnungen in der Kühlkammer ein verstellbarer Ventilteller
vorgesehen ist. Dadurch wird erreicht, daß bei offenen Einlaßöffnungen die von der
Kupplungsscheibe in Drehung versetzte Flüssigkeit in der Kupplungskammer durch Zentrifugalkräfte
durch die Auslaßöffnungen in die Kühlkammer gedrückt wird und durch die ; Einlaßöffnungen
in die Kupplungskammer zurückströmt. Die beim Betrieb der Kupplung entstehende Wärme
wird dadurch auf einfache und rasche Weise auf das Gehäuse und insbesondere auf
die Wandungen der Kühlkammer übertragen und von diesen abgestrahlt. Dadurch, daß
der Ventilteller verstellbar ist, kann diese Kühlung den verschiedensten Verhältnissen
angepaßt werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, daß die
einen Teil des Gehäuses bildende Kühlkammer sich zusammen mit der Kupplungskammer
dreht und so auch in der Kühlkammer ein die Flüssigkeit radial nach außen drückender
Druck entsteht. Bewegt sieh also die Kupplungsscheibe mit nahezu der gleichen Geschwindigkeit
wie das Gehäuse oder, mit anderen Worten, bei nur kleinem Schlupf ist der radial
nach außen gerichtete Druck der Flüssigkeit in beiden Kammern etwa gleich groß,
so daß eine Zirkulation der Flüssigkeit nicht stattfindet. Sobald aber die Kupplungsscheibe
sich relativ zu dem Gehäuse dreht, dann ist die Drehgeschwindigkeit der Flüssigkeit
in der Kupplungskammer größer als in der Kühlkammer, so daß am Innenumfang des Gehäuses
ein Druckunterschied entsteht, der die Flüssigkeit aus der Kupplungskammer durch
die Auslaßöffnungen in die Kühlkammer drückt und dadurch den Kühlkreislauf verursacht.
Durch die Erfindung wird also eine selbsttätige Regelung der Kühlung in Abhängigkeit
von der Größe des Schlupfes erreicht.
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Schließlich kann mit dem verstellbaren Ventilteller auch das von der
Kupplung zu übertragende Drehmoment geregelt werden. Werden nämlich die beiden
Kammern
nicht ganz mit Flüssigkeit gefüllt, dann fließt beim Schließen der Einlaßöffnungen
mittels des Ventiltellers ein großer Teil der in der Kupplungskammer befindlichen
Flüssigkeit in die Kühlkammer, so daß sich in der Kupplungskammer zum Übertragen
des Drehmoments nur eine geringe Flüssigkeitsmenge befindet, was eine minimale Drehmomentenübertragung
mit einem maximalen Schlupf zur Folge hat. Werden nun durch Verstellen des Ventiltellers
die Einlaßöffnungen freigegeben, dann entsteht der beschriebene Kreislauf, durch
den die in der Kupplungskammer befindliche Flüssigkeitsmenge und damit auch das
2u übertragende Drehmoment vergrößert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilteller
über Ventilstößel mit einem bei Erwärmung ansprechenden Element verbunden. Dadurch
wird eine selbsttätige Regelung sowohl der Kühlung als auch, falls die Kammern nicht
ganz mit Flüssigkeit gefüllt sind, des Drehmoments erreicht. Letzteres ist besonders
vorteilhaft bei einer Anwendung für den Antrieb eines Radiatorkühlventilators. Wird
hierbei die Einstellung des Ventiltellers so gewählt, daß er bei kaltem temperaturempfindlichem
Element die Einlaßöffnungen schließt, und wird das temperaturempfindliche Element
zum Anzeigen der Temperatur des Teiles einer Maschine, z. B. des Motors, der durch
den Ventilator gekühlt werden soll, benutzt und werden hierbei die beiden Kammern
nur teilweise mit einer Kupplungsflüssigkeit gefüllt, dann strömt die Flüssigkeit
aus der Kupplungskammer in die Kühlkammer, von der sie, solange das Element kalt
ist, nicht in die Kupplungskammer zurückströmen kann. Dadurch wird der Ventilator
mit großem Schlupf und kleinem Drehmoment angetrieben, so daß der Radiator kaum
gekühlt wird. Sobald aber das temperaturempfindliche Element erwärmt wird und eine
Kühlung erforderlich ist, öffnen sich die Einlaßöffnungen, so daß die Flüssigkeit
nunmehr in die Kupplungskammer eintritt und einen stärkeren Antrieb des Ventilators
zur Folge hat. Gleichzeitig wird hierbei auch die Kupplungsflüssigkeit selbst besser
gekühlt.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt
einer Kupplung zwischen einem Kühlventilator und einer Verbrennungskraftmaschine,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1 und Fig. 3 eine teilweise abgebrochen
dargestellte Ansieht der Kupplungsscheibe.
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Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
eine ventilgesteuerte Flüssigkeitskupplung zum Verbinden eines Radiatorkühlventilators
mit einer Verbrennungskraftmaschine verwendet. Die Verbrennungskraftmaschine weist
einen Wasserbehälter auf, von dem ein Teil bei 10 dargestellt ist und der bei 11
so geformt ist, daß eine Kammer 12 1 für ein Pumpenrad 13 entsteht, durch das Kühlflüssigkeit
durch den Wasserbehälter und einen angeschlossenen, nicht dargestellten Radiator
getrieben wird. Die offene Seite der Kammer 12 ist durch einen Deckel 15 verschlossen,
der einen Einlaß 16 aufweist, t der mit dem Radiator verbunden ist und mit der Pumpkammer
kommuniziert. Der Deckel 15 weist eine sich axial erstreckende Nabe 20 auf,
in der eine Pumpenwelle 21 mittels Wälzlagern 22 gelagert ist Die Pumpenwelle 21
erstreckt sich in beiden Richtungen über die Nabe 20 hinaus, trägt am einen Ende
das Pumpenrad 13 und am anderen Ende eine Antriebsscheibe 23, die zum Verbinden
mit der Kurbelwelle des Motors in üblicher Weise, beispielsweise mittels eines nicht
dargestellten Keilriemens, geeignet ist.
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Die auf der Welle 21 drehfest angeordnete Riemenscheibe 23 ist mit
einer Nabe 29 verbunden, auf der das Kupplungsgehäuse 26, 27 mittels Wälzlager 28
drehbar gelagert ist. Die Ventilatorschaufeln 30 sind an der Gehäusehälfte 26 befestigt.
Zwischen der Gehäusehälfte 26 und dem Gehäusedeckel 27 ist eine Trennwand 35 eingespannt,
die im Gehäuse 26, 27 eine Kupplungskammer 31 abteilt, in der eine Kupplungsscheibe
32 drehbar angeordnet ist. Die Kupplungsscheibe 32 ist auf der Nabe 29 drehfest,
aber axial beweglich angeordnet.
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Der Gehäusedeckel 27 begrenzt mit der Trennwand 35 eine Kühlkammer
33. In der Gehäusehälfte 26 ist ein ringförmiger Flüssigkeitsbehälter 34 vorgesehen.
Die Trennwand 35 ist nahe am äußeren Umfang der Gehäusehälfte 26 mit einer Reihe
von verhältnismäßig kleinen Auslaßöffnungen 36, die die Kammer 31 mit der Kammer
33 verbinden, und nahe der Kupplungsachse mit einer Reihe von verhältnismäßig großen
Einlaßöffnungen 37 versehen. Die Einlaßöffnungen 37 können durch die axiale Bewegung
eines mit einem Dichtungsring 39 versehenen Ventiltellers 38 geöffnet und geschlossen
werden. Der Ventilteller 38 ist auf einer Reihe von an der Trennwand 35 angeordneten
Zapfen 40 axial verschiebbar geführt und wird in die die (Öffnungen 37 verschließende
Stellung durch eine konische Schraubenfeder 41 gedrückt, die sich innerhalb der
Zapfen 40 an dem Ventilteller 38 und dem Gehäusedeckel 27 abstützt.
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Die Kupplungsscheibe 32 ist mit einer Reihe von Bohrungen 42 versehen,
die mit den Einlaßöffnungen 37 in der Trennwand 35 ausgerichtet sind. Der Behälter
34 in der Gehäusehälfte 26 ist ringförmig ausgebildet und ist ebenfalls mit den
Bohrungen 42 in der Kupplungsscheibe 32 und den Einlaßöfnungen 37 in die Trennwand
35 ausgerichtet. Die Kupplungsscheibe 32 kann an ihren beiden Seiten nichtmetallische
Ringe tragen, beispielsweise Korkbeläge, um eine Berührung von Metall zu Metall
zu verhindern. Am äußeren Umfang weist die Kupplungsscheibe 32 Flügel 44 auf.
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Gegenüber den Flügeln 44 sind an der Gehäusehälfte 26 und an der Trennwand
35 sich nach innen erstreckende Führungsringe 45, 46 vorgesehen, die die radial
nach außen strömende Flüssigkeit in der Kammer 31 zu den Flügeln 44 leiten.
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Zur Axialverschiebung des Ventiltellers 38 in die geöffnete Stellung
gegen die Kraft der Feder 41 weist die Nabe 29 eine zentrale Bohrung zur Aufnahme
eines Ventilstößels 47 auf, der mit einem Ende in eine Vertiefung des Ventiltellers
38 eingreift und am anderen Ende einen Dichtungsring 48 aufweist. Die Antriebswelle
21 erstreckt sich in Verlängerung der Nabe 29. In der Antriebswelle 21 ist ein Stößel
49 axial verschiebbar angeordnet, dessen eines Ende bis an das mit dem Dichtungsring
48 versehene Ende des Ventilstößels 47 reicht. Das andere Ende des Stößels 49 reicht
bis zu einem temperaturempfindlichen Element 50, das auf Kühlwassertemperatur anspricht.
Die Wirkungsweise der Flüssigkeitskupplung ist
folgende: Wenn der
Antriebsmotor und das Kühlsystem in Ruhe sind, sind die Kammern 31 und 33 und der
Behälter 34 bis zur Höhe 51 mit Flüssigkeit gefüllt. Der Flüssigkeitsspiegel liegt
unter den Lagerdichtungen. Beim Antrieb der Welle 21 und der Nabe 29 verschließt,
wenn das Kühlsystem kalt ist, der Ventilteller 38 durch die Feder 41 die Einlaßöffnungen
37. Die Flüssigkeit in dem Behälter 34 und in der Kammer 31 wird durch die Kupplungsscheibe
32 nach außen an den Rand der Kupplungsscheibe gedrängt und durch die Auslaßöffnungen
36 in die Kammer 33 gedrückt und sammelt sich darin, da sie nicht in die Kammer
31 zurückfließen kann. Die Kupplungsscheibe rotiert daher im wesentlichen frei in
dem Gehäuse, wobei nur ein kleines Drehmoment auf das Gehäuse und damit auf den
Ventilator übertragen wird. Die Maschine kann sich daher erwärmen. Wenn sich die
Maschine erwärmt hat, verschiebt das Element 50 über den Ventilstößel 47, 4.9 den
Ventilteller 38 in axialer Richtung, so daß die Einlaßöffnungen 37 geöffnet werden.
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Die rotierende Kupplungsscheibe zieht nun Flüssigkeit aus der Kammer
33 durch die Öffnungen 37 an, so daß die Flüssigkeitsmenge in der Kammer 31 wächst.
Dadurch entsteht eine Flüssigkeitsschicht zwischen der Kupplungsscheibe und den
Wänden der Kammer 31, nämlich der Gehäusehälfte 26 einerseits und der Trennwand
35 andererseits. Durch die Scherwirkung der Flüssigkeit längs den Flächen der Kupplungsscheibe
wird ein Drehmoment von der Kupplungsscheibe auf das Gehäuse übertragen, wodurch
der Ventilator mit Geschwindigkeiten angetrieben wird, die sich der Antriebsgeschwindigkeit
der Kupplungsscheibe nähern. Während dieser Antriebswirkung der Flüssigkeit wird
dadurch, daß die Flüssigkeit durch die Öffnungen 36, die Kammer 33, die Öffnungen
37 und 42 und zurück zwischen der Kupplungsscheibe und den Kammerwänden strömt,
Wärme verteilt. Es findet so eine kühlende Strömung der Flüssigkeit statt, durch
die Erhitzungen infolge der Scherwirkung in der Flüssigkeit vermieden werden.
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Da die Flüssigkeit nicht ermöglicht, ein Drehmoment ohne Schlupf zu
übertragen, läuft der Ventilator mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als der Antriebsmotor
und die Kupplungsscheibe um. Wenn die Geschwindigkeit der Kupplungsscheibe zunimmt,
neigt die Geschwindigkeit des Ventilators ebenfalls zum Zunehmen, aber da die Rotation
des Ventilators bei der höchsten Geschwindigkeit ein schnell ansteigendes Drehmoment
erfordert, wächst der Schlupf zwischen Kupplungsscheibe und Gehäuse.
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Obwohl zur Erläuterung die Kupplungsscheibe als treibende Kupplungshälfte
und das Gehäuse als getriebene Kupplungshälfte dargestellt sind, kann dies auch
umgekehrt sein, wobei der Kühlventilator oder andere Verbraucher entsprechend mit
der Kupplungsscheibe verbunden sind.