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Füllungsgeregelte Strömungskupplung, vorzugsweise für den Antrieb
eines Bremsluftkompressors in einem Schienenfahrzeug Der Gegenstand des Hauptpatents
bezieht sich auf mit Brennkraftmaschinen ausgerüstete Antriebe von Hilfsmaschinen,
insbesondere von Bremsluftkompressoren an Schienenfahrzeugen. Die Brennkraftmaschine
dient dort im letztgenannten Falle hauptsächlich zum Antrieb des Fahrzeuges., treibt
aber nebenbei über eine regelbare Strömungskupplung noch den Bremsluftkompressor
an. Die Strömungskupplung ist dabei so ausgelegt und wird so gesteuert, daß sie
bei Leerlauf der Brennkraftmaschine voll oder nahezu voll eingeschaltet ist und
hierbei den Kompressor od. dgl. mit seiner kleinstzulässigen Drehzahl antreibt,
bei der dieser die erforderliche Mindestluftfördermenge erzeugt. Auch nach dem Überschreiten
der Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine bleibt die Strömungskupplung so, lange
voll oder nahezu voll eingeschaltet, bis: die höchstzulässige Kompressordrehzahi
erreicht ist. Erst bei weiterer Steigerung der-Brennkraftmaschinendrehzahl, die
mitunter während beträchtlich langer Fahrzustände anhalten kann, wird das Kraftübertragungs,
vermögen der Strömungskupplung - insbesondere durch Füllungsverminderung - so weit
heruntergeregelt, d. h. also ein so großer Kupplungsschlupf eingeschaltet, daß der
Kompressor od. dgl. seine höchstzulässige Drehzahl nicht überschreitet. Der Kompressor
weist hierbei fast durchweg etwa sein größtes Betriebsdrehmoment auf. Ferner wird
in diesen Fällen eine besonders hohe Betriebssicherheit für die Kupplungsregelung
verlangt, da deren Versagen meist eine Zerstörung des Kompressors. bedeutet und
eine unter Umständen folgenschwere Beeinträchtigung der Bremsanlage und der Verkehrssicherheit
des Fahrzeuges zur Folge haben kann.
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Ähnliche Betriebserfordernisse - im wesentlichen also hoher oder höchster
Nutzdrehmomentbedarf bei gleichzeitig großem Kupplungsschlupf während beträchtlicher
Betriebszeiten sowie große Betriebssicherheit der Kupplungsregelung - bestehen mitunter
auch bei anderen über eine regelbare Strömungskupplung angetriebenen Arbeitsmaschinen,
und zwar außer bei Fahrzeugen auch bei ortsfesten Anlagen. Für derartige Antriebsanlagen
schlägt nun die Erfindung eine besonders günstige Bauart der regelbaren Strömungskupplung
vor, die den, für diese Zwecke bisher verwendeten Kupplungen hinsichtlich Bauaufwand
und Betriebsverhalten bedeutend überlegen ist.
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Erfindungsgemäß, wird für Antriebsanlagen der vorerwähnten Art mit
in ihrer Füllung regelbarer Strömungskupplung eine Kupplungsbauart verwendet, die
ein feststehendes und den Kupplungsarbeitsraum nach außen abdichtendes Kupplungsgehäuse
aufweist, in oder an dem außerdem die Steuerorgane für die Füllungsregelung angeordnet
sind.
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Diese Kupplungsmerkmale sind zwar an sich bekannt; jedoch wurden Strömungskupplungen
mit einem feststehenden, den Arbeitsraum nach außen abdichtenden Gehäuse bislang
sehr selten verwendet, da sie infolge der großen Wandreibung zwischen den Laufrädern
und dem nicht rotierenden Gehäusei einen schlechten Wirkungsgrad ergeben. Die Erfindung
fußt auf der Erkenntnis, daß bei den eingangs genannten Anwendungsgebieten - und
zwar nur dann - der wirkungsgradvermindernde Einfluß der Wandreibung eine untergeordnete
Rolle spielt; denn bei den zeitlich ausgedehnten Betriebszuständen mit (zwecks Herabregelung
der Drehzahl) verringerter Kupplungsfüllung und demnach absichtlich vergrößertem
Schlupf ist ja der Kupplungswirkungsgrad schon aus diesem Grunde zwangläufig niedrig,
unter Umständen nur noch 50 bis 6011/o, so daß demgegenüber der Einfuß der Wandreibung
nur mehr wenig ins Gewicht fällt.
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Andererseits ergibt das feststehende und das. Kupplungsinnere nach
außen abdichtende Gehäuse bedeutende Vorteile, unter anderem eine einfache und billige
Konstruktion der Kupplung und insbesondere eine sehr betriebssichere Regelung. Die
Steuerorgane für die Füllungsregelung lassen sich nämlich nunmehr einfach ausbilden,
außerdem leicht zugänglich an dem feststehendem Gehäuse anordnen und bequem
überwachen.
Bei Kupplungen mit umlaufendem Gehäuse müßten dagegen die Regelorgane entweder an
umlaufenden Kupplungsteilen angeordnet oder aber als nicht umlaufendes Schöpfrohr
ausgebildet sein, wobei sie dann schlecht zugänglich sind. Außerdem ist die erstgenannte
Ausführungsform umständlich und sehr störungsanfällig. Bei Verwendung eines feststehenden
Schöpfrohres dagegen ist infolge der pulsierenden Flüssigkeitskräfte ein Schöpfrohrbruch
möglich. In diesem Fall würde sich die Kupplung sofort vollständig füllen, und die
angetriebene Maschine (etwa der Kompressor) könnte dann infolge überhöhter Drehzahlen
zerstört werden.
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Um trotz des feststehenden Kupplungsgehäuses die Wandreibung möglichst
klein zu halten, wird nach einer Weiterbildung der Erfindung eine am Turbinenrad
befestigte und das Pumpenrad teilweise oder ganz von außen umfassende Schale vorgesehen,
die durch an ihrem äußeren Durchmesserbereich angeordnete Ausnehmungen, Öffnungen
od. dgl. mit großem Querschnitt ein vollständiges und schnelles Entleeren des Arbeitsraumes
ermöglicht. Die Wandreibung zwischen der Turbinenradschale und dem Gehäuse ist dann
geringer als zwischen entsprechenden Teilen des Pumpenrades und dem Gehäuse, da
die Turbinenraddrehzahl stets um den Schlupf kleiner ist als die Pumpenraddrehzahl.
Die nunmehr zusätzlich auftretende Wandreibung zwischen dem Pumpenrad und der Turbinenradschale
wird dagegen als Nutzdrehmoment auf der Antriebsseite wirksam und ist daher nicht
als Verlust anzusehen.
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Da die Wandreibungsverluste mit der fünften Potenz des Durchmessers
anwachsen, genügt es übrigens schon, wenn die Turbinenradschale das Pumpenrad nur
an dessen äußeren Durchmesserbereich überdeckt. Zum Erleichtern der Montage werden
dabei die das. Pumpenrad teilweise von außen umfassende Turbinenrad'schale sowie
der ihr unmittelbar benachbarte Teil der Rückwand des Pumpenrades zahnkranzartig
ausgebildet, und zwar derart, daß Pumpen- und Turbinenrad durch axiales Verschieben
in ihre gegenseitige Betriebslage gebracht werden können.
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Eine weitere Verringerung der Wandreibungsverluste kann noch dadurch
erzielt werden, daß der Außendurchmesser des Arbeitsraumes der Strömungskupplung
so klein gewählt wird, als dies mit Rücksicht auf die zu übertragenden Drehmomente
zulässig ist. Dabei ist jedoch insbesondere bei Kolbenkompressoren oder anderen
anzutreibenden Kolben- . arbeitsmaschinen zu berücksichtigen, daß das Los-Brechmoment
(das zum Überwinden der Reibung der Ruhe erforderlich ist) mitunter dreimal so groß
ist wie das größte Betriebsdrehmoment. In diesen Anwendungsfällen wird daher der
Außendurchmesser ; des Arbeitsraumes der Strömungskupplung so klein bemessen, daß
diese bei voller Füllung, kleinstmöglicher Pumpenraddrehzahl (und damit kleinster
Motordrehzahl) und stillstehendem Turbinenrad (und stehendem Kompressor) noch ein
Drehmoment über- i trägt, das um einen kleinstzulässigen Sicherheitsbetrag größer
ist als. das Losbrechmoment der anzutreibenden Hilfsmaschine.
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Die Maßnahme zum Verkleinern des Außendurchmessers und damit der Wandreibung
kann ferner da- c durch unterstützt werden, daß auch der Innendurchmesser des Kupplungsarbeitsraumes
möglichst klein bemessen wird, und zwar so klein, als dies mit Rücksieht auf die
Abmessungen der Kupplungswellen und deren Lager möglich ist.
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Ferner ist es zweckmäßig, das Pumpenrad der Strömungskupplung in an
sich bekannter Weise fliegend auf seiner Antriebswelle - etwa einer Getriebewelle
oder der Motorwelle - anzuordnen, da dann wenig Lager und Dichtungen erforderlich
sind und sich geringe umlaufende Primärmassen und damit eine geringe Schwingungsanfälligkeit
ergeben. Hierbei wird außerdem das Lager der Pumpenradwelle vorteilhaft außerhalb
des für die Arbeitsflüssigkeit zugänglichen Kupplungsraumes vorgesehen. Bei laufendem
Motor und ausgeschalteter (ganz entleerter) Kupplung braucht dann kein im Kupplungsraum
befindliches Lager geschmiert zu werden. Dadurch wird vermieden, däß das Schmieröl
solcher Kupplungslager in den entleerten Arbeitsraum gelangen und diesen aufheizen
könnte.
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Beim Anfahren insbesondere von Kolbenarbeitsmaschinen muß die Strömungskupplung
das bereits erwähnte große Losbrechmoment übertragen. Es bildet sich dabei im Arbeitsraum
der Kupplung eine besonders starke Kreisströmung zwischen Pumpen-und Turbinenrad
(gemäß Pfeil 26 in Fig.2) aus. Diese Kreisströmung darf sich nun nicht entgegen
dem Fülldruck der Füllpumpe auswirken, da sonst nur ein teilweises Füllen, der Kupplung
erreichbar wäre oder aber die Füllpumpe für einen hohen Druck ausgelegt sein müßte.
Die Füllkanäle werden daher in an sich bekannter Weise in den Pumpenradschaufeln
angeordnet, und zwar so, daß sie etwa radial auswärts in den Kernraum des Arbeitsraumes
führen. Diese Füllkanäle wirken dann außerdem noch als Drucksteigerungspumpe.
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Zur Beschleunigung der Füllvorgänge werden ferner Entlüftungskanäle
in den Turbinenradschaufeln angeordnet, die in bekannter Weise am Kernringraum beginnen,
vorzugsweise radial einwärts führen und mit einem überdrucklosen Raum in Verbindung
stehen. Des weiteren empfiehlt sich noch die Anordnung zusätzlicher Entlüftungskanäle,
die von achsnahen Stellen des Arbeitsraumes ebenfalls zu einem überdrucklosen Raum
führen, deren Querschnitt jedoch wesentlich kleiner ist als der Querschnitt der
ersterwähnten Entlüftungskanäle. Bei starker Kreisströmung sind dann die mit dem
Kernraum verbundenen, bei schwacher Kreisströmung dagegen die anderen Entlüftungskanäle
wirksam.
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Die Regeleinrichtung der Strömungskupplung weist zweckmäßig zwei getrennte
Steuerorgane - beispielsweise zwei Steuerschieber - auf, wovon das eine als Ein-
und Ausschaltventil ausgebildet ist und den Arbeitsraum der Strömungskupplung wahlweise
mit der Füllpumpe oder aber mit einer Rück-Laufleitung verbindet; das zweite Organ
(Füllungsregelventil) dient zum stufenlosen Verändern der Größe einer Auslaßöffnung
des Kupplungsarbeitsraumes und damit zum Regeln. des Füllungsgrades.
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In vielen Anwendungsfällen - insbesondere dann, wenn die anzutreibende
Maschine, etwa ein Kolbenkompressor, eine höchstzulässige Drehzahl nicht überschreiten
darf - ist es zweckmäßig, wenn das Füllungsregelventil selbsttätig, und zwar in
Abhängigkeit von der Turbinenraddrehzahl oder aber vom Fliehkraftd'ruck der Kupplungsflüssigkeit,
ge->teuert wird. Bei einer selbsttätigen Regelung in Abiängigkeit vom Fliehkraftdruck
ist es außerdem angebracht,
daß man den bei voller Kupplung sich
einstellenden, durch die Füllpumpe erzeugten Überlagerungsdruck kompensiert, da
dieser sonst die Regelung beeinflussen und ein Pendeln bewirken würde. Aus diesem
Grunde wird das Füllungs.regelventil so ausgebildet, daß es einerseits durch den
Fliehkraftdruck und den Überlagerungsdruck der Kupplungsflüssigkeit im Sinne einer
Füllungsverkleinerung und andererseits durch den überlagerungsdruck und eine Rückstellkraft,
etwa durch eine Feder, im Sinne einer Füllungsvergrößerung beeinflußt wird.
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Um die Sicherheit gegen Beschädigen und Zerstören der Kupplung zu
erhöhen, kann in bekannter Weise noch ein als überdrehzahlschutz dienendes Überdruckventil
vorgesehen sein, das beim überschreiten des der höchstzulässigen Antriebsbrennkraftmaschinendrehzahl
zugeordneten Fliehkraftdruckes der Kupplungsflüssigkeit für diesen ,einen Auslaßkanal
freigibt. Sofern dann die übrigen Steuerorgane der Kupplung versagen, wird die Höhe
der Hilfsmaschinendrehzahl durch das überdruckventil begrenzt.
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Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung näher
erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 das Schema der Antriebsanlage einer Motorlokomotive
mit einer Bremsluftkompressoranlage mit regelbarer Strömungskupplung gemäß der Erfindung
und Fig. 2 einen Axialschnitt bzw. Fig. 3 einen achssenkrechten Schnitt nach der
Linie III-III der Fig. 2 durch diese Strömungskupplung in gegenüber Fig. 1 vergrößerter
Darstellung.
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Bei der Lokomotive nach Fig. 1 werden von der Antriebsbrennkraftmaschine
1 über das Strömungsgetriebe 2 und die Kardanwellen 3 und 4 die Treibräder 5 und
6 angetrieben. An der der Antriebsbrennkraftmaschine 1 abgewandten Stirnseite des
Strömungsgetriebes 2 ist die in ihrer Füllung regelbare Strömungskupplung 7 angeflanscht.
Ihr Pumpen rad 8 steht über die durchgehende Getriebewelle 9 mit der Maschine 1
dauernd in Antriebsverbindung. Das Turbinenrad 10 treibt über die Keilriemenscheibe
11 und den Keilriemen 12 den Kolbenkompressor 13 an, der die Bremsluft für die Fahrzeugbremsanlage
in den Sammelbehälter 14 liefert.
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Die Übersetzung zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Kompressor
13 sowie die Auslegung der Strömungskupplung 7 sind so gewählt, daß einerseits bei
leer laufender Maschine 1 und voller Strömungskupplung 7 die kleinstzul'ässige Kompressord'rehzahl
nicht unterschritten wird; andererseits muß. die Strömungskupplung 7 während der
beträchtlichen Betriebszeiträume, in denen die Antriebsmaschine 1 entsprechend der
geforderten Fahrgeschwindigkeit eine hohe Drehzahl aufweist, so weit geleert werden,
daß die höchstzulässige Kompressordrehzahl nicht überschritten wird. Dabei ist auch
bei Betrieb mit großem Kupplungsschlupf ungefähr ein dem höchsten Kompressor-Betriebsdrehmoment
entsprechendes Kupplungsmoment zu übertragen.
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Fig. 2 und 3 zeigen in größerer Darstellung zwei Schnitte durch die
Strömungskupplung. Hiernach trägt die Verlängerung der Getriebewelle 9 das Pumpenrad
B. Das Turbinenrad 10 ist über seine Welle fest mit der Keilriemenscheibe 11 verbunden.
Beide Laufräder 8 und 10 sind von dem feststehenden zweiteiligen Kupplungsgehäuse
15, 16 umschlossen, das das Kupplungsinnere nach außen abdichtet (s. die Wellendichtungen
25 und 70 bis 73) und außerdem die Steuerorgane 77 und 78 trägt. Der Gehäuseteil
16 ist am Gehäuse 17 des Strömungsgetriebes angeflanscht. An dem Turbinenrad 10
ist noch eine Schale 18 befestigt, die das Pumpenrad 8 teilweise von außen umfaßt.
Der radial äußere Teil der Rückwand des Pumpenrades 8 sowie der benachbarte Teil
der Schale 18 sind dabei zahnkranzartig ausgebildet (s. die Zähne 19 bzw. 20 gemäß
Fig. 3), derart, daß beide Laufräder 8 und 10 bei der Montage durch axiales Verschieben
in ihre gegenseitige Betriebslage gebracht werden können. Die Lücken zwischen den
Zähnen 20 sowie die Öffnungen 21 an der Turbinenradschale 18 verhindern, daß letztere
beim Entleeren der Kupplung einen Teil der Arbeitsflüssigkeit zurückhält.
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Das Pumpenrad 8 ist fliegend angeordnet, wobei das ihm benachbarte
Lager 24 der Getriebewelle 9 durch die Dichtung 25 gegen das Kupplungsinnere abgedichtet
ist. Bei laufender Maschine und damit auch laufendem Pumpenrad 8 sowie bei ganz
entleerter Kupplung brauchen daher keine Kupplungslager geschmiert zu werden. Die
Lager 22 und 23 für die Turbinenradwelle benötigen bei diesem Betriebszustand keine
Schmierung, da dann das Turbinenrad 10 steht. Bei gefüllter Kupplung werden diese
Lager durch das Kupplungsöl geschmiert.
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Bei großem Kupplungsschlupf stellt sich eine Kreisströmung gemäß Pfeil
26 ein. In diesem Fall kann. die im Kernraum 27 sich ansammelnde Luft durch
die Entlüftungskanäle 28 in den Turbinenrad schaufeln sowie durch die weiteren Kanäle
29, 30, 31 und 34 in einen drucklosen Raum entweichen. Bei geringer Kreisströmung,
aber großer Umlaufgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 32 sammelt sich dagegen
die Luft in Achsnähe an und kann dann durch die zusätzlichen Entlüftungskanäle 33
mit kleinerem Querschnitt abströmen.
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Das Füllen und Entleeren der Strömungskupplung wird durch das Ein-
und Ausschaltventi177 mit verschiebbarem Steuerkolben 35 bewirkt. Solange der Luftdruck
in dem Bremsluft-Sammelbehälter 14 einen festgesetzten Höchstdruck nicht überschreitet,
befindet sich der Steuerkolben 35 unter der Wirkung der Feder 36 in seiner obersten
Stellung. Hierbei kann die Füllpumpe 37 Öl aus einem Ölsammelbehälter 38 über die
Steuerkanäle 39 und 40 sowie den Verbindungskanal 41 in den Ringraum 42 fördern.
Von dort gelangt das Öl über Kanäle 43, 44, 45, die axiale Durchbohrung 46 der Turbinenradwelle,
den Ringraum 47, Kanäle 48 und die in Pumpenradschaufeln angeordneten, radial auswärts
gerichteten Kupplungsfüllkan:äle 49 in den Kernraum 27 des Kupplungsarbeitsraumes.
Die Kolbenringdichtungen 71, 72 und 73 dichten die Füllkanäle 43 und 44 gegenüber
den Entlüftungskanälen 30 und 31 bzw. zum Arbeitsraum der Kupplung (Lager 22) und
zum Lager 23 hin ab.
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Sobald der Druck in dem Luftsammelbehälter 14 den Höchstwert erreicht,
verschiebt er den Steuerkolben 35 entgegen der Kraft der Feder 36 nach unten. Die
Verbindung der Steuerkanäle 39 und 40 wird dabei unterbrochen, während gleichzeitig
die Entleerleitung 50 über die Steuerkanäle 51 und 52 mit der in den ölsammelbehälter
38 führenden Rücklaufleitung 53 verbunden wird. Die Strömungskupplung entleert sich
nunmehr.
Das selbsttätig gesteuerte Füllungsregelventi178 mit dem
verschiebbaren Steuerkolben 55 dient zum stufenlosen Verändern. der Kupplungsfüllung.
Hierbei wirken der überlagerungsdruck sowie der nur am Kupplungsumfang in voller
Höhe wirksame Fliehkraftdruck der Kupplungsflüssigkeit durch den Verbindungskanal
56 auf die untere Stirnseite 57 des Steuerkolbens 55. über den an einer achsnahen
Stelle des Kupplungsgehäuses beginnenden Kanal 58 gelangt dagegen lediglich
der überlagerungsdruck zur oberen Stirnseite 59 des Steuerkolbens 55. Dieser wird
somit allein unter dem Einffuß des Fliehkraftdruckes entgegen der Kraft der Feder
60 nach oben verschoben und gibt einen dem jeweiligen Fliehkraftdruck entsprechend
großen Teil des dreieckförmigen Auslaßquerschnittes, 61 frei, von wo das
Kupplungsöl über die Rückläufleitung 62 in den Ölsammelbehälter 38 abfließen kann.
Bei hoher Sekundärdrehzahl und großem Fliehkraftdruck stellen sich demnach selbsttätig
ein großer Auslaßquerschnitt 61 und eine kleine Kupplungsfüllung ein und umgekehrt.
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Zum Erhöhen der Sicherheit dient noch ein Überdruckventil mit einem
als Teller ausgebildeten Ventilkörper 63 und einer Ventilfeder 64. Sofern die an
sich sehr betriebssichere Kupplungssteuerung trotzdem jemals versagen sohlte, preßt
der bei überdrehzahl der Antriebsbrennkraftmaschine erzeugte hohe Fliehkraftdruck
der Kupplungsflüssigkeit den Ventilkörper 63 nach unten, worauf sich dann die Kupplung
über den Auslaßkanal 65 und die Leitung 66 zumindest so weit entleert, .daß der
Kompressor keine zu hohen Drehzahlen ausführt.
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Sämtliche Teile der Kupplungssteuerung sind von außen bequem zugänglich
und leicht zu überwachen. Diese Ausführung der Kupplungssteuerung ist somit ; für
die eingangs geschilderten Anwendungsgebiete mit geforderter großer Betriebssicherheit
besonders geeignet.
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Außer den gesteuerten Auslaßöffnungen ist zusätzlich noch eine ungesteuerte,
dauernd offene Abspritzbohrung 67 mit kleinem Querschnitt vorgesehen, durch die
zwecks Kühlung während des Kupplungsbetriebes stets eine kleine Menge heißer Betriebsflüssigkeit
austreten kann.
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Anspruch 1 soll nur die Gesamtkombination seiner q je für sich bekannten
Merkmale sowohl in Anwendurg auf den Gegenstand des. Hauptpatents als auch losgelöst
von diesem schützen. Ferner sollen die Unteransprüche 6 bis 9 und 14 nur im Zusammenhang
mit Anspruch 1 Schutz genießen. 5