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Verfahren zum Betrieb einer hydrodynamischen Bremse und hydrodynamische
Bremse zur Ausübung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Betrieb einer hydrodynamischen Bremse, die einen in den Strömungsraum zwischen
dem beschaufelten Primärteil und dem beschaufelten Sekundärteil einschiebbaren mehrteiligen
Abdeckschieber aufweist, und zwar für Fahrzeuge großer Leistung, insbesondere für
Fahrzeuge mit Strömungsgetriebe, und ferner auf eine hydrodynamische Bremse zur
Ausübung des Verfahrens.
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Hydrodynamische Leistungsbremsen, vielfach auch als Wasserbremsen
bezeichnet, erzeugen während ihrer gesamten Betriebszeit eine Bremswirkung und dienen
dazu, die Bremsleistung zu ermitteln. Um die Bremsleistung solcher hydrodynamischen
Bremsen zu regeln, ist es unter anderem üblich, den Füllungsgrad zu verändern oder
bei konstanter Füllung den beschaufelten Primär- und Sekundärteil durch zwischen
beide Teile einschiebbare Abdeckschieber mehr oder weniger voneinander abzutrennen.
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Es ist auch eine Wasserbremse bekanntgeworden, bei der die Lastregelung
bei stets gefüllter Wasserkammer mit Hilfe geradlinig geführter Abdeckschieber erfolgt.
Zur Einstellung der kleinsten Leistung wird ferner die Bremse vollständig entleert.
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Es lag nahe, hydrodynamische Bremsen auch zum Abbremsen von Schienenfahrzeugen
zu verwenden. Man vermeidet dadurch z. B., daß bei Talfahrten mit Klotzbremsen gebremst
werden muß, und spart somit Unterhaltungskosten ein.
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Die hydrodynamische Leistungsbremse, die z. B. mit einem Motor gekuppelt
ist, hat - wie bereits erwähnt - die einzige Aufgabe, während des Betriebes die
Leistung des Motors zu ermitteln. Demgegenüber unterscheidet sich die hydrodynamische
Fahrzeugbremse dadurch, daß mit ihrer Hilfe während des Fahrbetriebes einerseits
das Fahrzeug gebremst werden soll und daß zum anderen die Bremswirkung bei Leistungsfahrt
mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad der Kraftübertragung weitgehend aufgehoben werden
muß. Die letztgenannte Bedingung ist bei der Leistungsbremse nicht gestellt, da
die Bremsleistung Null für eine Leistungsermittlung sinnlos ist.
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Die Regelung der hydrodynamischen Bremse bei Fahrzeugen erfolgt zweckmäßig
mit Hilfe der Füllungsänderung. Da aber Fahrzeuge nur während eines Teiles ihrer
Betriebsdauer gebremst werden müssen, ist in der übrigen Betriebszeit die hydrodynamische
Bremse entleert. Läuft nun bei entleerter Bremse deren Primärteil um, so wird die
Luft im Strömungsraum durch die Primärbeschaufelung in derartige Wirbelung versetzt,
daß ein beachtliches Moment auf die ortsfeste Sekundärbeschaufelung ausgeübt wird.
Hierdurch entstehen Leistungsverluste, die etwa bis zu 7 Klo der Nennleistung des
Getriebes betragen können und die im übrigen bei allen solchen hydrodynamischen
Bremsen auftreten, bei denen der Bremsbetrieb nur während eines Teiles derjenigen
Zeit aufrechterhalten wird, während der der beschaufelte Primärteil umläuft. Da
sich diese Verluste größtenteils in Wärme umsetzen, ist unter Umständen eine besondere
Wärmeabfuhr notwendig, damit sich die Bremse nicht zu stark erwärmt.
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Die Beseitigung der Luftwirbelverluste wurde zwar schon dadurch erreicht,
daß die hydrodynamische Bremse im normalen Fahrbetrieb vom Getriebe abgekuppelt
worden ist. Hierbei bereitet aber eine derartige Trennkupplung erhebliche Schwierigkeiten,
da sie bei der Ausbildung als Klauenkupplung nur im Stillstand des Getriebes geschaltet
werden kann. Auch die Ausbildung der Trennkupplung als Lamellenkupplung bringt,
da infolge der großen abzubremsenden Massen große Schaltleistungen erforderlich
sind, wegen der Wärmeabfuhr während des Schaltvorganges erhebliche Schwierigkeiten
mit sich.
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Es ist auch bekannt, die Luftwirbelverluste dadurch zu verringern,
daß das Sekundärrad der hydrodynamischen Bremse bei bremsfreiem Betrieb mit umläuft.
Solche Vorrichtungen sind jedoch in bezug auf ihre Herstellung und Unterhaltung
verhältnismäßig aufwendig.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine
hydrodynamische Bremse zu schaffen, in der diese Nachteile vermieden werden. Als
Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum
Betrieb einer solchen
Bremse vorgesehen, gemäß dem zur Steuerung der Bremswirkung der Abdeckschieber vollkommen
ausgerückt gehalten und nur die Füllung des Strömu,ngsraurnes in, an sich bekannter
Weise verändert und gemäß dem bei entleerter Bremse der Abdeckschieber eingerückt
wird. Bei eingerücktemAbdeckschieber kann nunmehr die in der Bremse befindliche
Luft nicht mehr vom Primärteil in den Sekundärteil, und umgekehrt, übertreten und
dabei im wesentlichen keine Verlustleistung mehr verursachen. Ferner sind für den
A,bdeckschieber lediglich zwei Stellungen notwendig, nämlich die eingerückte und
die ausgerückte Stellung, wodurch die Betätigung und Steuerung des Abdeckschiebers
wesentlich vereinfacht wird: Das erfindungsgemäße Verfahren bringt einen weiteren
Vorteil mit sich: Da der Abdeckschieber während des Bremsvorganges selbst nie eingerückt
ist, also während eines. Vorganges, bei dem große Kräfte entstehen (Umsetzung der
kinetischen und potentiellen Energie des Fahrzeuges), vielmehr nur dann eingerückt
ist, wenn der Strömungsraum der Bremse entleert ist, sind die Kräfte infolge der
Luftwirbelung gegenüber den vorerwähnten Bremskräften sehr gering. Demgemäß kann
der Abdeckschieber in entsprechend leichter Bauweise ausgeführt sein, und die Führung
der Teile des Abdeckschiebers kann entsprechend einfach gehalten werden.
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Geradlinig und bogenförmig begrenzte Abdeckschieber sind bekannt.
Diese Schieber weisen jedoch den Nachteil auf, daß die bekannten Formen viel Platz
beanspruchen, wenn. die Teile des Abdeckschiebers zur Erzeugung der vollen Bremsleistung
ganz ausgefahren werden -sollen. Das Bremsgehäuse ist deshalb verhältnismäßig groß.
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Diesen Nachteil versuchte man bereits dadurch zu beheben, daß man
sichelförmige Abdeckschieber um einen an ihrem einen Ende befindlichen Drehpunkt
schwenkbar anordnete und die Abdeckung der Beschaufelung mehr oder weniger unvollständig
ließ. Insbesondere am Außendurchmesser der Beschaufelung blieben hier wichtige Teile
des Strömungsraumes urabgedeckt. Gerade diese Teile am Außendurchmesser verursachen
aber größere Luftwirbelverluste als die weiter innen gelegenen Teile; da die Bremswirkung
einer hydrodynamischen Bremse mit der fünften Potenz des Arbeitsraumdurchmessers
steigt. Die schwenkbaren Abdeckschieber erlauben also nicht ein so weitgehendes
Vermindern der Luftwirbelverluste; wie dies bei Fahrzeugantrieben erwünscht wäre.
Es ist auch eine wirksamere Abdeckung der Beschaufelungen durch schwenkbare Abdeckschieber
bekanntgeworden. Die bessere Abdeckung hat jedoch ein größeres Bremsgehäuse zur
Folge.
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Andere bekannte zweiteilige, sichelförmige Abdeckschieber werden geradlinig
und in entgegengesetzten Richtungen verschoben. Ihre Außen- und Innenkontur bilden
jeweils eineu Teil eines Kreisbogens mit einem Durchmesser gleich dem Außendurchmesser
der Beschaufelung. Auch hier bleiben wegen der Größe der Abdeckschieber große Bereiche
der Beschaufelung sowohl am Außen- als auch am Innendurchmesser urabgedeckt. Es
sind also die bereits erwähnten Mängel vorhanden, die dadurch noch besonders hervortreten;
daß die der Welle zugewandte Schieberkontur dieselbe Kreisbogenform hat wie die
Außenkontur und ferner die leiden Abdaekschieber an keiner Stelle einander berühren.
Daher läßt dieser Abdeckschieber in eingeschobenem Zustand neben anderen Bereichen
an zwei Stellen gerade den äußeren Bereich der Beschaufelung urabgedeckt, was nach
dem oben Gesagten unzweckmäßig ist.
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Danach kann also eine Verbesserung der Abdekkung, insbesondere der
mittleren und äußeren Beschaufelungsbereiche, bei gleichbleibendem Ausmaß des Gehäuses
als vorteilhaft und fortschrittlich angesehen werden.
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Um die aufgezeigten Mängel zu vermeiden und das angegebene Problem
zu lösen, wird nach einer Weiterbildung der Erfindung die zur Ausübung des Verfahrens
dienende Bremseinrichtung so gestaltet, daß die Teile des mehrteiligen Abdeckschiebers
in an sich bekannter Weise radial zur Bremswelle verschiebbar sind und daß die in
eingerücktem Zustand aneinanderliegenden Kanten der Abdeckschieber gerade sind,
wobei die der Bremswelle zugewandte Kontur der Abdeckschieber in ihrem mittleren
Bereich einen Kreisbogen bildet, dessen Radius gleich oder annähernd gleich dem
Außenradius des beschaufelten Strömungsraumes ist, während die beiden Endbereiche
dieser Kontur gegenüber dem Kreisbogen radial nach innen versetzt sind. Diese Abweichung
der Innenkontur von der Kreisbogenform kann z. B. in einer geradlinigen Abschrägung
bestehen oder darin, daß die Endbereiche einen kleineren Radius aufweisen als der
mittlere Bereich. Bei eingerücktem Abdeckschieber liegen dann die übrigen gerade
ausgebildeten Teile der der Bremswelle zugewandten Abdeckschieberseiten aneinander
an, und es verbleibt somit lediglich eine ellipsenähnliche Durchgangsöffnung zwischen
der Primär- und Sekundärbeschaufelung urabgedeckt. Der jetzt nicht abgedeckte Teil
der Beschaufelung ist aber gegenüber den bisher bekannten Anordnungen kleiner und
praktisch vernachlässigbar, da sich die nicht abgedeckten Stellen auf kleinen Durchmessern
der -Beschaufelung befinden. Bei ausgerückten Abdeckschiebern schließt ferner der
mittlere Bereich der der Bremswelle zugewandten Kontur ganz mit dem Außenumfang
der Beschaufelung ab. Nur die äußeren Bereiche dieser Kontur ragen als kleine Ecken
zwischen die Primär- und die Sekundärbeschaufelung hinein. Diese hervorspringenden
Ecken beeinträchtigen jedoch die volle Bremsleistung fast gar nicht, weil sie die
wirksame Beschaufelungsfläche und damit die Bremsleistung nur unbedeutend verkleinern.
In eingerückter Stellung der Abdeckschieber dagegen ist nunmehr die der Bremswelle
zugewandte Kontur besser dem inneren Durchmesser der Beschaufelung argepaßt und
wirksamer in bezug auf die Abdeckung als eine Kontur, die lediglich aus einem Kreisbogen
gleich dem Außendurchmesser der Beschaufelung besteht.
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Die der Bremswelle abgewandte Kontur der Abdeckschieber wird zumindest
in ihrem mittleren Bereich in an sich bekannter Weise konvex und als Kreisbogen
ausgebildet, dessen Radius gleich oder annähernd gleich dem Außenradius des beschaufelten
Strömungsraumes ist, während die übrigen Bereiche vorzugsweise Geraden bilden. Diesem
Konturenverlauf ist das Gehäuse angepaßt und erhält dadurch eine minimale Baugröße.
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Eine bezüglich der Abdeckung besonders vorteilhafte Bauart der hydrodynamischen
Bremse besteht darin; zwei Abdeckschieberhälften zur Abdeckung der Beschaufelung
vorzusehen, wobei die Abdeckschieberhälften spiegelbildlich ausgebildet und senkrecht
zur Symmetrieachse der Abdeckschieberhälften in entgegengesetzten
Richtungen
verschiebbar sind. Dabei weisen zweckmäßigerweise die Teile des Abdeckschiebers
mindestens an je einer der beiden zur Verschieberichtung parallel laufenden Seiten
je eine Gewindemutter auf, die auf einer mit gegenläufigen Gewindesteigungen versehenen,
gemeinsamen Spindel verschiebbar sind.
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Eine andere Verschiebemöglichkeit des Abdeckschiebers besteht darin,
daß dessen Teile hydraulisch oder pneumatisch mittels eines Servomotors in an sich
bekannter Weise verschiebbar sind. Diese Anordnung zeigt deshalb besondere Vorteile,
weil bereits zur Füllung des Strömungsraumes der Bremse eine Ölpumpe vorhanden ist
bzw. die Steuerung der Fahrzeuge vielfach pneumatisch erfolgt. Außerdem ist die
Schaltung der Verschiebe-Hydraulik bzw. -Pneumatik deshalb besonders einfach, weil
der Schieber nur die beiden Endstellungen aufweisen muß. Diese Schaltung kann übrigens
mit der Fahrbedienung des Fahrzeugs gekoppelt werden.
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Die Betätigung des Abdeckschiebers kann vorteilhafterweise vom Servomotor
aus über eine Kolbenstange oder über einen Hebelmechanismus erfolgen. Bei der Benutzung
des Hebelmechanismus ist für mehrere Abdeckschieberteile nur ein einziger Servomotor
erforderlich.
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Damit bei entleerter hydrodynamischer Bremse und eingerücktem Abdeckschieber
möglichst auch keine Luftwirbelveriuste durch Undichtigkeiten des Abdeckschiebers
oder seiner Führung entstehen, läßt man zweckmäßigerweise die Abdeckschieberteile
unter Federkraft auf der stillstehenden Sekundärbeschaufelung aufliegen. Die Dichtwirkung
kann dadurch erhöht werden, daß außerhalb des Strömungsraumes zwischen den Teilen
des Abdeckschiebers und den benachbarten Gehäusewänden Dichtungen, z. B. Dichtlippen,
angeordnet werden.
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Die hydrodynamische Bremse muß, wenn sie den Bedürfnissen der Praxis
genügen soll, bei einer Drehzahl, die erheblich unter der Höchstdrehzahl liegt,
bereits das volle Bremsmoment aufbringen. Wenn ein Schienenfahrzeug beispielsweise
eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h erreichen soll, so wird eine Talfahrt, bei
der die hier beschriebene Bremsung wirksam werden soll, meist bei einer wesentlich
niedrigeren Geschwindigkeit durchgeführt. Bei einer Geschwindigkeit von vielleicht
40 km/h muß also bereits ein ausreichendes Bremsmoment entwickelt werden. Um die
Dimensionen der hydraulischen Bremse trotzdem klein zu halten, wird daher die Drehzahl
der Bremse möglichst groß gewählt. Dementsprechend wird die Bremswelle am besten
mit einer schnelllaufenden Getriebewelle verbunden. Ist ein Strömungsgetriebe vorhanden,
so wird die Bremse zweckmäßigerweise an dessen Sekundärwelle, und zwar möglichst
an die am schnellsten laufende Sekundärwelle, angeschlossen.
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Bei hydrodynamischen Bremsen in Doppelanordnung ist zweckmäßigerweise
jeder der beiden Strömungsräume in an sich bekannter Weise mit je einem mehrteiligen
Abdeckschieber versehen, wobei je ein Teil des Abdeckschiebers des einen Strömungsraumes
mit dem benachbarten Teil des Abdeckschiebers des anderen Strömungsraumes starr
verbunden ist.
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In der Zeichnung wird eine hydrodynamische Bremse in Doppelanordnung
n-it erfindungsgemäß ausgebildeten Abdeckschiebern dargestellt. Hierbei zeigt Fig.
1 die Bremse im Längsschnitt nach der Linie 1-I in Fig. 2, Fig. 2 den Querschnitt
nach der Linie II-Il in Fig. 1, Fig. 3 eine abgewandelte Form des Abdeckschiebers
und Fig. 4 einen zweiteiligen Abdeckschieber mit einem schematisch dargestellten
Hebelmechanismus.
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Nach Fig. 1 ist ein zweigeteiltes Bremsgehäuse 1. mit seiner einen
Stirnseite mit einem hier nicht dargestellten Getriebe, das abgebremst werden soll,
fest verschraubt. Ein Läufer 3, dessen Schaufelkammern 4 und 4 a spiegelbildlich
angeordnet sind, ist fliegend auf einer Getriebewelle 2 angebracht. Im stillstehenden
Gehäuse 1 befinden sich gegenüber der Läuferbeschaufelung Gehäusekammern 5 und 5
a. Die Kammern 4, 5 und 4 a, 5 a ergeben zusammen
die beiden Strömungsräume der Bremse. In beiden lassen sich Abdeckschieber 6 und
6 a ein- und ausrücken. Die Bremsflüssigkeit gelangt durch eine Öffnung
7 des Gehäuses 1 und Kanäle 8 in die Strömungsräume 4, 5 und 4 a,
5 a und tritt durch eine Öffnung 9 des Gehäuses 1 aus der Bremse aus.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weisen die Abdeckschieberteile
6 und 6' Muttern 10 und 10' auf, in die eine je zur Hälfte
mit gegenläufigen Steigungen versehene Gewindespindel 11 eingreift. Die Gewindespindel
ist in Lagern 12 drehbar gelagert und trägt an einem Ende einen Vierkant
13, über den die Gewindespindel gedreht wird, wobei der Abdeckschieber ein-und ausrückt.
Fig. 2 zeigt den Abdeckschieber in ganz eingerückter Stellung, d. h., die Bremse
ist - bei zugleich entleerten Strömungsräumen - ausgeschaltet. Dabei liegen die
Schieberkanten 14 und 14' oben und unten aneinander an. Die der Bremswelle abgewandte
Kontur deckt sich in ihrem mittleren Bereich 15 und 15' mit dem Außendurchmesser
16 der Beschaufelung. Wird der Abdeckschieber nun ausgerückt, deckt sich der mittlere
Bereich 17 und 17 der der Bremswelle zugewandten Kontur mit dem Außenumfang
16 der Beschaufelung, während sich die der Bremswelle abgewandte Kontur an die Innenfläche
des Gehäuses 1 anschmiegt. Lediglich die Teile 18 und 18' der der Bremswelle zugewandten
Kontur, die hier mit einem gegenüber dem halben Außendurchmesser der Beschaufelung
kleineren Radius ausgebildet sind, ragen in ausgerücktem Zustand des Abdeckschiebers
als Ecken in die Beschaufelung hinein.
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Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung eines Abdeckschiebers 19, wobei
in dem äußeren Bereich der der Bremswelle zugewandten Kontur eine radial nach innen
versetzte gerade Kante 20, 20' vorhanden ist, die die bisher übliche Öffnung der
Abdeckschieber in eingerücktem Zustand in erfindungsgemäßer Weise verkleinert.
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In Fig. 1 bis 3 sind ferner die Dichtungen 21, 2l', 21" und
21"' dargestellt, die an den Abdeckschiebern 6, 6', 6 a und 19 angebracht
sind und an entsprechenden Gegenflächen am Gehäuse 1 anliegen. Es wird damit eine
gute Abdichtung zwischen Primär-und Sekundärteil erreicht und ein an dieser Stelle
sonst auftretender Luftdurchtritt vermieden.
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In Fig. 4 wird die Betätigung eines Abdeckschiebers mittels eines
Hebelmechanismus dargelegt. An Abdeckschieberteilen 22 und 22' sind
Gelenke 23 und 24 angebracht, in denen Hebel 25 und 26 drehbar gelagert sind.
Die Hebel 25 und 26 sind weiterhin in den ortsfest angebrachten Führungen 27 und
28 sowie in auf einer Kolbenstange 33 vorgesehenen Führungen
29
und 30 verschiebbar angeordnet. Die Abdeckschieberteile werden an Flächen
31 und 32 geradlinig geführt. Durch wechselweises Beaufschlagen der Flächen eines
Servokolbens 35; der in einem Zylinder 36 geführt wird, mit einem Druckmittel über
Leitung 37 bzw. 38 wird der Kolben 35 bewegt und rückt die Abdeckschieberteile
ein. und aus, wodurch die gestrichelt angedeutete Beschaufelung abgedeckt bzw: freigegeben
wird.
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Die Ansprüche 4, 6, 7, 9 und 10 sollen nur in Verbindung mit Anspruch
2 Schutz genießen.