-
Hydrodynamische Kupplung mit selbsttätiger Füllungsregelung Hydrodynamische
Kupplungen sind an sich bekannt. Insbesondere gibt es bereits hydrodynamische Kupplungen
mit selbsttätiger Füllungsregelung, bei welcher die Menge der wirksamen Arbeitsflüssigkeit
in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl durch Füllen und Entleeren eines mit dem
treibenden Kupplungsteil umlaufenden Behälters selbsttätig verringert oder vergrößert
wird.
-
Eine Art dieser Kupplungen verwendet zur selbsttätigen Steuerung der
Füllung in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit flichkraftbetätigte Ventile.
Bei einer bekannten Kupplung dieser Art hat ein umlaufendes Gehäuse an seinem Umfang
einen radialen überlaufkanal, der mit dem Ventil geöffnet bzw. geschlossen wird
und mit dem Inneren des Gehäuses so verbunden ist, daß innerhalb des Gehäuses stets
eine Mindestfüllung verbleibt. Diese Kupplung hat den Nachteil, daß der Außendurchmesser
der Kupplung durch die Anbringung der Ventile erheblich zunimmt. Ferner erfordert
eine derartige Kupplung eine getrennte. Pumpe zur Füllung des Strömungskreises.
-
Bei einer weiteren hydrodynamischen Kupplung mit fliehkraftabhängig
gesteuertem Austrittsquerschnitt ist auch schon die Verwendung von Schöpfrohren
bekannt. Auch diese hydrodynamische Kupplung benötigt eine besondere Pumpe zur Füllung
des Arbeitskreises, während die drehenden Schöpfrohre eine zusätzliche Welle für
die Rohre- und eine hohle Welle erforderlich machen. Der technische Aufwand bei
derartigen hydrodynainischen Kupplungen ist daher vergleichsweise groß. Außerdem
ist es mit dieser Kupplung nicht möglich, das maximal zu übertragende Drehmoment
im Stand zu regulieren.
-
Schließlich ist eine hydrodynamische Kupplung bekanntgeworden, die
insbesondere für Kraftfahrzeugantriebe, mit Verbrennungsmotor bestimmt ist und die
eine in einen Stauraum der Kupplung abgedrängte Flüssigkeitsmenge ganz oder teilweise
nur über durch Ventile od. dgl. gesteuerte öffnungen in der Wand des Pumpenrades
in den Schaufelraum des Pumpenrades zurücktreten läßt. Bei dieser Kupplung ist zwar
eine Steuerung des Drehmomentübertragungsvermögens möglich, jedoch erfordert die
Kupplung einen vergleichsweise großen Außendurchmesser, was bei beschränkten Platzverhältnissen
als nachteilig anzusehen ist.
-
Es ist auch nicht mehr neu, bei einer hydrodynamischen Kupplung innerhalb
eines umlaufenden Behälters ein bewegliches Schöpfrohr anzuordnen, dessen Eintauchtiefe
in Beziehung zu der sich ändernden Umlaufgeschwindigkeit des Behälters steht.
Ab-
gesehen davon, daß die bei dieser Kupplung zur Erzielung dieses Verhaltens
des Schöpfrohres getroffenen Einrichtungen mit Hebeln, Gelenken und Federn teuer
und technisch schwer zu beherrschen sind, ist auch die Einstellung der Federspannung
mit großen Schwierigkeiten verbunden, weil hierzu das Verhalten des Schöpfrohres
im strömenden Arbeitsmedium gemessen werden muß. Derartige Kupplungen sind folglich
schwer einzustellen und zu überprüfen.
-
Gemeinsam ist den beschriebenen hydrodynamischen Kupplungen der Nachteil,
daß ihr Leistungsübertragungsvermögen in verschiedenen Betriebszuständen der Antriebsmaschine
nicht der Energieerzeugungsmöglizhkeit der Antriebsmaschine entspricht. Tatsächlibh
nimmt mit wachsender Umlaufgeschwindigkeit der Kupplung ihr Energieübertragungsvermögen
weit schneller zu als die Leistung am Ausgang einer antreibenden Maschine, beispielsweise
,einer Brennkraftmaschine.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine hydrodynamische
Kupplung anzugeben, deren Anzugsdrehmement-Übertragungsvoirmögen so geregelt worden
kann, daß es, im wesentlichen nur so groß wie das maximale Drehmoment der die Kupplung
antreibenden Antriebsmaschine bei voll geöffneter Drossel ist, so daß unter don
Anzugsbedingungen die Maschinengeschwindigkeit menials unter die Geschwindigkeit
fällt,
bei der die Maschine ein maximales Drehmoment bei Standbelastung erzeugt, andererseits
die Kupplung aber e#n volles Drehmoment übertragen kann, wenn sie normalerweise
mit geringem Schlupf läuft, während ferner gleichzeitig erreicht wird, daß das Energieübertragungsvermögen
der Kupplung analog der Energieerzeugung der Antriebsmaschine oder einer anderen
Kraftquelle ist, an die die Kuppluno, angeschaltet wird.
-
Erfindungsgemäß wird dies bei den eingangs als bekannt vorausgesetzten
hydrodynamischen Kupplungen dadurch erreicht, daß innerhalb des mit dem Turbopumpenrad
umlaufenden Behälters eine Vielzahl von mit diesem umlaufenden Flüssigkeitsräumen
vorgesehen ist, von denen ein Teil der unmittelbaren Beaufschlagung der Kupplung
mit Arbeitsflüssigkeit über raumfeste Schöpfrohre, der andere Teil der gesteuerten
Speicherung der Flüssigkeit dient, wobei in den der Speicherung dienenden Flüssigkeitsräumen
mit diesen umlaufende, unter der Wirkung der Zentrifugalkraft schwenkbare Schöpfrohre
vorgesehen sind, deren Eintauchtiefe durch die Zentrifugalkraft bestimmt wird.
-
Durch die Erfindung wird erreicht, daß durch die Schöpfrohre der Behälter
der Kupplung nicht nur entsprechend den auftretenden Drehmomenten, sondern auch
entsprechend der maximalen Energieübertragung gefüllt bzw. entleert wird.
-
Im Übrigen ist die Erfindung praktisch auf verschiedene Weise zu verwirklichen.
Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung sind die schwenkbaren Schöpfrohre
aus an ihren freien Enden offenen Rohren gebildet, die an ihren entgegengesetzten
Enden an dem Behälter gelagert sind, wobei die Flüssigkeit durch mit den Schöpfrohren
in Verbindung stehende Leitungen aus den ihnen zugeordneten Räumen herausgeführt
wird. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, dabei so vorzugehen, daß jedes Schöpfrohr
an einem schwenkbar an dem Behälterteil montierten Joch zusammen mit einem festen
Ge-
gengewicht befestigt und so ausbalanciert ist, daß bei ruhendem Behälter
das Gegengewicht in einem Flüssigkeitsraum das Gewicht des Schöpfrohres überwiegt,
im anderen Flüssigkeitsraum aber das Gewicht des Schöpfrohres überwunden wird, wobei
die Schwenkung gegen die Wirkung eines Torsionsstabes erfolgt.
-
Selbstverständlich ist auch die Anordnung der Flüssigkeitsräume beliebig.
Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine axiale Hintereinanderanordnung
der Flüssigkeitsräume hinter dem Turbinenrad, weil dadurch eine gedrängte Bauart
bei vergleichsweise geringem Außendurchmesser der Kupplung erzielbar ist.
-
Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen vor allem darin,
daß das eingangs beschriebene Analogverhalten der Kupplung zusammen mit einem steuerbaren,
maximal durch die Kupplung übertragenen Drehmoment verwirklicht wird. Dadurch werden
die wesentlichen Nachteile der hydrodynamischen Kupplungen, die zum Stande der Technik
gehören, ausgeschaltet. Außerdem kann die hy-
drodynamische Kupplung gemäß
der Erfindung auf fliehkraftbetätigte Ventile verzichten, wodurch nicht nur eine
mechanische Vereinfachung der Kupplung erzielbar ist, sondern auch deren Außendurchmesser
weitgehend vermindert werden kann. Insbesondere entfällt bei der erfindungsgemäßen
Kupplung die schwierige Einrichtung der Ventile, deren öffnungswiderstand wesentlich
von dem Gleitwiderstand des Ventilkörpers, der zudem veränderlich sein kann, abhängt.
Die Wirkungsweise einer hydrodynamischen Kupplung gemäß der Erfindung ergibt sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand
der Figuren in den Zeichnungen; es zeigt F i g. 1 eine graphische Darstellung
zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Drehmomentes vom Schlupf der Kupplung, wobei
die Linien a und a2 die Charakteristiken bekannter Kupplungen darstellen, während
die Linie b die Charakteristik der drehmomentgesteuerten Kupplung gemäß der
Erfindung cl verdeutlicht, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit
von Leistung und Drehmoment, wobei wiederum die Linie a zu einer bekannten Kupplung,
die Linie b
zu einer Kupplung gemäß der Erfindung und die Linie c der dazugehörigen
Antriebsmaschine gehört und F i g. 3, 4 und 5 ähnliche im Schnitt
gezeichnete Seitenansichten des oberen Teiles einer hydrodynamischen Kupplung gemäß
der vorliegenden Erfindung, wobei die verschiedenen Figuren den Betrieb der Kupplung
unter verschiedenen Belastungen und bei verschiedenen Drehzahlen zeigen, F i
g. 6 einen vergrößerten Teilquerschnitt längs der Linie 6-6 der F
i g. 3,
F i g. 7 einen vergrößerten Teilquerschnitt längs der Linie
7-7 der F i g. 3 und F i g. 8 einen weiteren, vergrößerten
Teilquerschnitt längs der Linie 8-8 der F i g. 7.
-
Wie das Diagramm nach F i g. 1 zeigt, besteht der wesentliche
Nachteil bekannter hydrodynamischer Kupplungen darin, daß ihr Drehmomentübertragungsvermögen
mit steigendem Schlupf zunimmt und bei vollständigem Stillstand einen Wert annimmt,
der ein mehrfaches der Drehmomentübertragung unter normalen Betriebsbedingungen
darstellt, was durch die Kurven a und a2 nach F i g. 1 wiedergegeben ist;
dabei ist offensichtlich, daß eine Überlastung die Umlaufgeschwindigkeit der Kupplung
bis zum Stillstand vermindert und die Kupplung eine entsprechend zunehmende Drehmomentbelastung
auf die Antriebsmaschine überträgt, welche selbst bei völlig offener Drossel bis
zum Stillstand verlangsamt werden kann.
-
Der andere wesentliche Nachteil bekannter Kupplungen besteht darin,
daß bei steigender Drehzahl das Energieübertragungsvermögen schneller zunimmt als
die Energiesteigerung am Abtrieb des Antriebsmotors. In F i g. 2 ist dieses
Energieübertragungsvermögen von einer bekannten Kupplung a und der erfindungsgemäßen
Kupplung b wiedergegeben.
-
Wenn z.B. die bekannte Kupplunga mit 2% Schlupf bei einer gegebenen
Maschinendrehzahl arbeitet, dann kann diese Kupplung bei höherer Geschwindigkeit
eine größere Leistung übertragen als die Maschine zu entwickeln vermag, wobei z.
B. die von der Kupplung zu übertragende Leistung bei 2500 UpM 170 PS
beträgt, während die Abtriebsleistung des Antriebsmotors nur 85 PS ausmacht.
Unter diesen Bedingungen arbeitet die Kupplung mit so geringem Schlupf, daß sie
keine richtige Elastizität mehr liefert und infolgedessen auch ihren Zweck nicht
mehr erfüllt. Wenn andererseits die Maschine mit einer Geschwindigkeit dreht, die
geringer ist als
diejenige, bei der die Kupplung an der Maschine
mit 2% Schlupf arbeitet, dann kann die Kupplung nur wesentlich geringere Leistungen
übertragen, als die Maschine bei dieser verminderten Geschwindigkeit erzeugt, so
daß der Schlupf zunimmt. Beispielsweise ist das der Fall bei 1400 UpM an der Kupplung,
die einer Leistung von 33 PS entsprechen, während die Antriebsmaschine
50 PS abgibt. Dieser Zustand führt nicht nur zu einem unwirtschaftlichen
Betrieb und zur Erwärmung, sondern auch zu einer größeren Drehmomentbelastung an
der Maschine und derart zu einem Geschwindigkeitsabfall. Folglich muß die zugeführte
Leistung auf die Belastung abgestellt sein und die Maschinendrossel auf eine höhere
Betriebsgeschwindigkeit eingestellt werden, wodurch sich zwangläufig ein noch größerer
Schlupf und eine entsprechende Verminderung der Leistung mit entsprechender Erwärinung
ergibt. Offensichtlich ist diese Arbeitsweise völlig unbefriedigend.
-
Die erfindungsgemäße Flüssigkeitskupplung besteht gewöhnlich aus einem
Turbopumpenrad 2, welches über eine Antriebswelle 3 in Umlauf versetzt wird,
einem Turbinenrad 4, welches eine Abtriebswelle 5 dreht, und aus einem zylindrischen
Behälter 6 für die Arbeitsflüssigkeit, welcher mit dem Turbopumpenrad verbunden
ist, mit ihm umläuft und in Flüssigkeitsverbindung mit dem Turbopumpenrad und dem
Turbinenrad steht.
-
Der Behälter weist eine Trennwand 7 und zwei im Abstand angeordnete
Prallringe 8 und 9, die auf der Innenfläche der Randwandung des Behälters
montiert sind, auf. Die Trennwand ist mit einer Bohrung 10 von im wesentlichen
gleichem Durchmesser wie der Innendurchmesser des Arbeitsraumes der Kupplung versehen
und die Prallringe 8 und 9 sind so bemessen, daß die durch den Abstand
zwischen den Prallringen und durch den Abstand zwischen dem Prallring
9 und der Abschlußwandung 14 des Behälters gebildeten Flüssigkeitsräume 12
und 13 die maximalen Volumina der Flüssigkeit aufnehmen, die im Betrieb aus
dem Arbeitsraum abgezogen werden sollen. Zur Regelung der Mengen von Flüssigkeit,
die durch die Zentrifugalkraft innerhalb der Flüssigkeitsräume 12 und
13 zurückgehalten werden, enthalten diese Flüssigkeitsräume durch die Zentrifugalkraft
schwenkbare, am Ende offene Schöpfrohre. 15
und 16, welche abhängig
von der Urnlaufgeschwindigkeit der Maschine oder einer anderen Kraftquelle undder
sich ergebenden Umlaufgeschwindigkeit des Turbinenpumpenrades und des Behälters
die Tiefe und damit auch die Volumina der Flüssigkeit innerhalb der Räume steuern.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der beiden Abzugsleitungsanordnungen
sind in den F i g. 6 bis 8
wiedergegeben. Jede dieser Anordnungen enthält
ein schwenkbar an dem Behälter 6 montiertes Joch 17,
das schwenkbar
zwischen zwei Konsolen 18 montiert ist, die auf der Innenfläche des Behälters
sitzen. Das Joch ist an seiner Drehachse an einem Ende eines Torsionsstabes
19 befestigt, dessen anderes Ende im Falle des Schöpfrohres im Flüssigkeitsraum
12 an der Wandung des Prallringes 9 und im Falle des Schöpfrohres im Raum
13 an der Anschlußwandung 14 des Behälters befestigt ist. Das Joch im Flüssigkeitsrawn
12 trägt das Schöpfrohr 15 und das Joch im Raum 13 das Schöpfrohr
16. Bei jedem Joch stehen die Schöpfrohr-- über ihre Joche mit einem Stück
eines biegsamen Rohres 20 in Verbindung, welches sich im Flüssigkeitsraum
13 in einen Kanal 21 im Ring 9 öffnet und mit einer Leitung
30 in Verbindung kommt, die sich über den Flüssigkeitsraum 12 erstreckt und
die Flüssigkeit in den Flüssigkeitsraum 28 entleert. Das Rohr 20 im Raum
12 öffnet sich in einen ähnlichen Kanal im Ring 8 zur Entleerang der Flüssigkeit
in den Flüssigkeitsraum 28. An jedem schwenkbaren Joch ist ein Gegengewicht
22 für das betreffende Schöpfrohr angebracht.
-
Bei der Anordnung im Flüssigkeitsraum 13
(F i g. 7) ist
das Schöpfrohr 16 etwas schwerer als sein Gegengewicht, wodurch das Schöpfrohr
unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nach außen und in die Nähe der Randwandung
des Behälters schwingt. Bei der Schöpfrohranordnung im Flüssigkeitsraum 12 (F i
g. 6) ist das Gegengewicht etwas schwerer als das Schöpfrohr 15, wodurch
unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft das Schöpfrohr 15 von der Randwandung
des Behälters in die Nähe der freien Kante des Prallringes 9 schwingt. Daraus
ist zu ersehen, daß das innerhalb einer der Flüssigkeitsräume 12 und 13 zurückgehaltene
Flüssigkeitsvolumen von dem Abstand zwischen dem offenen Ende des jeweiligen schwenkbaren
Schöpfrohres und der Randwandung das Behälters abhängt, welcher die Tiefe und das
Volumen des durch Zentrifugalkraft erzeugten Flüssigkeitsringes in den Flüssigkeitsräumen
steuert. Die durch die veränderlichen Geschwindigkeiten des Antriebsmotors und der
Behälters erzeugte Zentrifugalkraft steuert dabei die Amplitude der Schwenkbewegungen
der Abzugsrohre in übereinstimmung mit dem Drehmoment ihrer Torsionsstäbe.
-
Die Trennwand 7 ist von dem Turbinenrad 4 in solchem Abstand
angeordnet, daß ein Flüssigkeitsraum 23 entsteht, der mit dem Arbeitsraum
der Kupplung über den Randraum 24 in Verbindung steht. Für die überführung der Arbeitsflüssigkeit
von einem Flüssigkeitsraum zum andern sind zwei raumfeste Schöpfrohre
25 und 26 in geeigneter Weise auf einer festen Hülse 27 montiert,
die die angetriebene Welle 5 umgibt. Das Schöpfrohr 25 erstreckt sich
von der Nähe der Randwandung des Behälters in den Flüssigkeitsraum 28, der
zwischen dem Prallring 8 und der Trennwand 7 gebildet ist, zu dem
Mittelteil des Flüssigkeitsraumes 23, und das Schöpfrohr 26 erstreckt
sich von der Nähe der Rückrandwandung des Flüssigkeitsraumes 23 zum Ende
des Behälters und weist zwei Austrittsdüsen 31 und 32 auf, die in
die Flüssigkeitsräume 12 und 13 gerichtet sind.
-
Beim Normalbetrieb in den höheren Drehzahlbereichen, der in F i
g. 3 wiedergegeben ist, muß ein Teil der Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsraum
entfernt werden. Da der Behälter mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit umläuft,
werden die Gegengewichte 22 durch die Zentrifugalkraft gegen das Drehmoment ihrer
Torsionsstäbe unter entsprechender Einwärtsbewegung des Schöpfrohres 15 und
Auswärtsbewegung des Schöpfrohres 16 nach außen geschwenkt. Dadurch bleibt
die von dem Flüssigkeitsraum 23 durch das Schöpfrohr 26 fließende
und in dem Behälter ausgeschleuderte Arbeitsflüssigkeit im Flüssigkeitsraum
13 auf einem niedrigen Spiegel, und durch das nach außen geschwenkte Schöpfrohr
16 strömt die Arbeitsflüssigkeit zur Leitung 30 und entleert sich
in den Flüssigkeitsraum. 28. Gleichzeitig sammelt sich die Flüssigkeit innerhalb
des Flüssigkeitsraumes 12, durch dessen nach innen geschwenktes Schöpfrohr
15 die Arbeitsflüssigkeit ebenfalls in
den Flüssigkeitsraum
28 fließt, von wo sie über das Schöpfrohr 25 in die Kupplung zurückkehrt.
-
Beim Normalbetrieb in den niedrigen Drehzahlbereichen, wie er in F
i g. 4 wiedergegeben ist, muß der Arbeitsraum vollständig gefüllt sein, ohne
daß die Flüssigkeit in einen der Flüssigkeitsräume 12 bzw. 13 gesammelt wird.
Zu diesem Zweck sind die Torsionskräfte der Torsionsstäbe 19 und die Lage
und Größe der Gegengewichte 22 so berechnet und eingestellt, daß in den niedrigen
Drehzahlbereichen beide Schöpfrohre 15 und 16 unter der Wirkung der
Zentrifugalkraft in ihren äußeren Stellungen verbleiben, um eine Ansammlung von
Arbeitsflüssigkeit innerhalb der Flüssigkeitsräume zu verhindern.
-
Wenn die Antriebsmaschine, beispielsweise eine Brennkraftmaschine,
unter der Belastung ihre Drehzahl vermindert, so daß das Turbinenrad 4 zum Stillstand
zu kommen droht, und wenn die Antriebsmaschine ihre Geschwindigkeit bei maximalem
Maschinendrehmoment erreicht, ermöglicht die reduzierte Umlaufgeschwindigkeit des
Behälters eine Verdrehung des Torsionsstabes im Flüssigkeitsraum 12, so daß diese
die auf das Gegengewicht wirkende Zentrifugalkraft überwindet. Dadurch werden das
Gegengewicht und das Schöpfrohr 15 in die in gestrichelten Linien in F i
g. 6 wiedergegebene Stellung geschwenkt und verhindern so die Ansammlung
von Flüssigkeit im Flüssigkeitsraum 12. Gleichzeitig überwindet bei Verminderung
der 'Behältergeschwindigkeit das Drehmoment des Torsionsstabes im Flüssigkeitsraum
13 die Zentrifugalkraft, die auf das dortige Schöpfrohr wirkt, so daß das
Schöpfrohr in die in gestrichelten Linien in F i g. 7 gezeichnete Stellung
gelangt und sich Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsraum 13 sammelt, wodurch
nur so viel Arbeitsflüssigkeit innerhalb des Arbeitsraumes verbleibt, daß das maximale
Maschinendrehmoment übertragen wird.