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Hydrodynamische Kupplung mit Füllungsregelung durch Veränderung des
Flüssigkeitsdurchsatzes Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische Kupplung
mit Füllungsregelung durch Veränderung des Flüssigkeitsdurchsatzes mit einem mit
dem Pumpenrad umlaufenden, das Turbinenrad umgreifenden Turbinengehäuse und einer
Ventilvorrichtung, die bei Überschreiten eines vorbestimmten Drehmomentes die Füllung
der Arbeitskammer der Kupplung selbsttätig verringert und nach erfolgter Abnahme
des Drehmomentes selbsttätig wieder vergrößert.
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Eine bekannte hydrodynamische Kupplung, welche ebenfalls das Problem,
die Füllung der Arbeitskammer der Kupplung beim überschreiten eines bestimmten Drehmomentes
selbsttätig zu verringern und nach erfolgter Abnahme des Drehmomentes selbsttätig
wieder zu vergrößern, löst, weist vor den Ein- und/oder Auslaßkanälen der Arbeitskammer
Drehschieber auf, die durch Federn, welche das Drehmoment vom Laufrad auf die Abtriebswelle
übertragen, derart bewegt werden, daß erst beim Überschreiten eines vorbestimmten
Drehmomentes die Einlaßkanäle ganz oder teilweise geschlossen und/oder die Auslaßkanäle
ganz oder teilweise geöffnet werden. Durch die unmittelbare Anordnung der Federelemente
im leistungsführenden Kraftfluß können hierbei jedoch unerwünschte Schwingungserscheinungen
auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung
zu schaffen, deren Füllung nicht unmittelbar durch die Größe des übertragenen Drehmomentes
gesteuert wird, sondern die abhängig von der abnehmenden Drehzahl infolge des überschreitens
des zulässig maximalen Drehmomentes eine progressive Vergrößerung .des Auslaßquerschnittes
der Kupplung bewirkt, wobei der Auslaßquerschnitt bei vorgeschriebener Vollast einen
Minimalwert annehmen soll, wie es zur maximalen Drehmomentübertragung bei einer
vorgeschriebenen Maximaldrehzahl erforderlich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung darin, daß die Ventilvorrichtung
drehzahlgesteuert ist und in einem zwischen einem axialen Ringflansch des Turbinengehäuses
und der getriebenen Welle gebildeten ringförmigen Flüssigkeitsauslaß, der mit der
Arbeitskammer über den zwischen der Turbinenradschale und dem Turbinengehäuse gebildeten
Raum in Verbindung steht, angeordnet ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sieht
vor, daß die Ventilvorrichtung eine Mehrzahl bogenförmige, mit der Abtriebswelle
verbundene, sich in Umfangsrichtung erstreckende und mit ihren gegenüberliegenden
Endabschnitten einander überdeckende radial beweglich geführte Segmente aufweist,
deren äußere Bogenform der Innenfläche des Ringflansches des Turbinengehäuses angepaßt
ist und daß an den Segmenten Federn angreifen, welche die Segmente entgegen der
darauf einwirkenden Zentrifugalkraft radial einwärts ziehen. Hierbei kann der äußere
Umfang der Segmente mit Reibungsbelägen versehen sein, welche bei hohen Drehzahlen
des Turbinenrades eine mechanische Kupplung zwischen der Abtriebswelle und dem mit
dem Pumpenrad umlaufenden Turbinengehäuse herstellen. Im Rahmen der Erfindung können
die Segmente einen L-förmigen Querschnitt aufweisen, bei dem .der kürzere Schenkel
den Umfang bildet und mit einem Reibbelag versehen ist, der mit der zylindrischen
Innenfläche des Ringflansches der Schale zusammenwirkt, um die Kupplung zwischen
der Abtriebswelle und dem Pumpenrad herzustellen.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
sieht vor, daß die Ventilvorrichtung einen im Ringraum angeordneten Käfig mit einem
darin gehaltenen ringförmigen Hohlkörper aus elastisch aufweitbarem Material aufweist,
welcher
in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle deformiert
wird, um den Flüssigkeitsauslaß aus der Arbeitskammer entsprechend zu verändern.
Hierbei kann der Käfig drehfest mit der Abtriebswelle verbunden und der Hohlkörper
teilweise mit einer schweren, leicht verformbaren Masse, beispielsweise Quecksilber
oder Schrot, gefüllt sein, welche unter dem Einguß der Zentrifugalkraft die Verformung
des Hohlkörpers bewirkt.
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Die Ausbildung kann jedoch auch so sein, daß der Käfig feststehend
angeordnet und der Hohlkörper durch eine Druckflüssigkeit aufweitbar ist, deren
Druckpunkt proportional zur Drehzahl der Abtriebswelle ist.
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Mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in
den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
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F i g.1 ist ein Längsschnitt eines Teiles einer Flüssigkeitskupplung;
F i g. 2 ist ein Schnitt im wesentlichen nach der Linie 2-2 der F i g.1 in Blickrichtung
der Pfeile; F i g. 3 ist eine Ansieht in gleicher Richtung wie F i g. 2 mit fortgebrochenen
Teilen, zeigt jedoch eine abgewandelte Form einer Ventilvorrichtung; F i g. 4 ist
ein Teilschnitt in gleicher Richtung wie die F i g.1, zeigt jedoch eine abgewandelte
Form einer Ventilvorrichtung, die zum Umlauf mit der angetriebenen Welle angeordnet
ist, F i g. 5 eine Ansicht ähnlich der F i g. 4, zeigt jedoch eine abgewandelte
Form der Erfindung, wobei die Ventilvorrichtung auf einem feststehenden Teil angeordnet
ist und das Ventil von einer von der Abtriebswelle der Kupplung angetriebenen Pumpe
betätigt wird.
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F i g.1 zeigt die aufeinander ausgerichtete treibende und angetriebene
Welle 10 und 12, welche in geeigneten nicht gezeigten Lagern gelagert
sind. Die angetriebene und die treibende Welle sind von einem feststehenden Gehäuse
14 umgeben, wobei zwischen dem Gehäuse 14 und der angetriebenen sowie der
treibenden Welle 10 und 12 geeignete Flüssigkeitsdichtungen 16 und
18 angeordnet sind.
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Die treibende Welle 10 ist mit einem Pumpenrad 20 versehen,
welches eine Schale 22 und mehrere sich radial erstreckende Schaufeln 24
aufweist. Gegenüber dem Pumpenrad 20 ist ein Turbinenrad 26 angeordnet,
welches von der angetriebenen Welle 12 getragen wird und eine Schale
28 aufweist, die mit mehreren sich radial erstreckenden Schaufeln 30 versehen
ist. Die Schaufeln 24 des Pumpenrades und ; die Schaufeln 30 des Turbinenrades
26 sind so angeordnet, daß sie sich verhältnismäßig dicht beieinander bewegen können,
wobei zwischen ihnen ein sieh axial erstreckender Zwischenraum 32 vorgesehen ist.
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Es ist ein Turbinengehäuse 34 mit einem radialen Flansch 36 vorgesehen,
welcher in beliebiger Weise an dem Umfangsflansch 38 der Pumpenradschale 22 befestigt
ist. Das Turbinengehäuse 34 umschließt das Turbinenrad 26, erstreckt sich radial
nach innen i und geht beispielsweise in einen zylindrischen Ringflansch
40 über, unter welchem Flüssigkeit aus dem kraftübertragenden Arbeitskreislauf
entweichen kann.
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Zur Einführung der Flüssigkeit in den kraftübertragenden Flüssigkeitskreislauf
sind besondere Mittel i vorgesehen. Es kann jedes geeignete Mittel zur Anwendung
kommen, beispielsweise mehrere sich radial erstreckende Durchlässe 42 durch
die Nabe 44 des Pumpenrades, die mit dem in der Pumpenradschale
22 gebildeten Raum zwischen den Schaufeln 24 ir Verbindung stehen.
Der Flüssigkeitseinlaß kann aui Wunsch auch zwischen dem Pumpenrad 20 und dem Turbinenrad
26 angeordnet werden und mit dem zwischen den Pumpenradschaufeln 24 und den
Turbinenradschaufeln 30 gebildeten Raum 32 in Verbindung stehen. Die Durchlässe
42 stehen mit einem mittig angeordneten Durchlaß 43 in der treibenden Welle 10 in
Verbindung, durch welchen Flüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf eingeführt werden
kann.
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Beim Betrieb der Vorrichtung fließt die in das Pumpenrad eingeführte
Flüssigkeit nach außen und trifft auf die Schale 28 des Turbinenrades 26 auf, wobei
ein Teil der Flüssigkeit durch einen Spalt 46 zwischen dem Außenumfang der Schale
28 und der inneren Oberfläche des Turbinengehäuses 34 entweicht. Der Raum 48 zwischen
der Außenfläche der Schale 28 und der Innenfläche des Turbinengehäuses
34 wird somit mit Flüssigkeit gefüllt gehalten.
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Von der angetriebenen Welle 12 wird eine zentrifugalkraftbetätigte
Ventilvorrichtung 50 angetrieben, und diese bewegt sich radial nach außen in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeitszunahme der angetriebenen Welle, um bei zurückgezogener
Stellung der Ventilvorrichtung den Spalt zwischen deren Außenflächen 52 und
dem Ringflansch 40 zu vermindern, wodurch der Flüssigkeitsaustritt aus dem
Raum 48 gedrosselt und die Flüssigkeitsmenge oder der Prozentsatz der Füllung
des kraftübertragenden Kreislaufes erhöht wird.
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Wie aus der F i g. 2 hervorgeht, besteht die Einrichtung des Zentrifugalventils
50 aus mehreren bogenförmigen auf dem Umfang angeordneten-Segmenten 54 von
L-förmigem Querschnitt, die radial beweglich sind. Die Segmente 54 sind bei
56 drehbar mit den Enden der Hebel 58 verbunden, welche wiederum drehbar
auf Bolzen 60 gelagert sind, die durch einen mit der angetriebenen Welle 12 aus
einem Stück gebildeten oder anderweitig auf ihr gelagerten Ring 62 gehalten
werden. Zwischen den Segmenten 54 und dem Ring 62 sind Federn
64 angeordnet, welche die Segmente 54 radial nach innen ziehen. Wenn somit
die Geschwindigkeit der angetriebenen Welle 12 ansteigt, bewegt die auf die
Segmente 54 ausgeübte Zentrifugalkraft diese radial nach außen in Richtung auf den
Ringflansch 40 zu und begrenzt dadurch die Flüssigkeitsmenge, welche durch
den Raum 48 entweichen kann, und damit die in dem Arbeitskreislauf vorhandene Flüssigkeitsmenge
zu erhöhen und den Schlupf zwischen dem Pumpenrad- und Turbinenteilen zu vermindern,
wodurch das durch die Kupplung übertragene Drehmoment erhöht wird.
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Beim Betrieb der Flüssigkeitskupplung ist eine im wesentlichen konstante
Beschleunigung vorgesehen. Wenn: in dem Flüssigkeitskreislauf Flüssigkeit eingeführt
wird, entweicht die Flüssigkeit unterhalb des Ringflansches 40 des Turbinengehäuses
durch den Raum 48 und begrenzt dadurch die Leistungsfähigkeit der Drehmomentübertragung
der Kupplung. Wenn die angetriebene Welle 12 sich beschleunigt, wird das
Zentrifugalventi150 betätigt, die Segmente 54 bewegen sich zusammen radial nach
außen, da sie mit Bezug aufeinander verschachtelt sind, wobei die Enden jedes Segmentes
durch kurze Schenkel 55 des benachbarten Segmentes radial nach außen verschoben
werden. Bei der Verschachtelung der Segmente
ist zu beachten, daß
die Seitenkanten 57 jedes Segmentes vom Abschnitt 59 des benachbarten Segmentes
nach aufwärts gerichtet sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die aneinander
anstoßenden Seitenkanten sich überlappen, auch wenn sie sich in der bei hoher Geschwindigkeit
der Ventileinrichtung auftretenden ausgezogenen Stellung befinden. Die Endabschnitte
61 der Schenkel 55 sind verjüngt, um die Segmente in ihrer geöffneten oder geschlossenen
Stellung dicht zu verklemmen. Die Hebel 58 und der Ring 62 halten eine gradlinige
Bewegung zwischen den Ventilsegmenten aufrecht, um den Spalt zwischen dem Ringflansch
40 und der äußeren Oberfläche 52 der Ventilvorrichtung 50 zu vermindern.
Bei Anhalten der Beschleunigung der Kupplung erhöht sich die Flüssigkeitsmenge in
dem kraftübertragenden Arbeitskreislauf und der Grad des Schlupfes zwischen der
angetriebenen Welle und der treibenden Welle wird vermindert. Wenn die äußere Oberfläche
52 des Zentrifugalventils 50 sich dem Ringflansch 40 des Turbinengehäuses 34 am
weitesten nähert, wird der Schlupf zwischen der treibenden und der angetriebenen
Welle auf das kleinste Maß zurückgeführt.
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Auf Wunsch kann der an den Außenumfängen der Segmente 54 angebrachte
Reibungsbelag 70 mit der Innenfläche 40 des Turbinengehäuses in Zusammenwirkung
treten, um die angetriebene Welle 12 mit dem Turbinengehäuse 34 reibungsgemäß
zu kuppeln und so einen unmittelbaren Antrieb mit einem Geschwindigkeitsverhältnis
von 1:1 vorzusehen.
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Wenn das Turbinenrad 26 und die angetriebene Welle einer überbelastung
ausgesetzt sind, verringern sie ihre Geschwindigkeit, woraufhin die Federn 64 die
Segmente 54 zusammenziehen und dadurch den unmittelbaren Antrieb zwischen dem Bremsbelag
70 und der inneren Trommelfläche 40 unterbrechen und einen Spalt zwischen ihnen
öffnen, um das Entweichen von Flüssigkeit aus dem kraftübertragenden Kreislauf zu
gestatten. In vollkommen ausgezogenem Zustand wirken die Beläge 70 mit dem
Ringflansch 40 zusammen, um zwischen dem Gehäuse 34 und der Welle 12 in derselben
Weise wie in der in F i g.1 gezeigten Ausführungsform einen mechanischen Antrieb
zu erreichen. Ebenfalls bewahren die Segmente eine überlappte Stellung mit Bezug
aufeinander, um dieselbe gegen ein Entweichen von Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf
abzudichten.
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In der F i g. 4 ist ein biegsames Rohr oder eine Umhüllung 80 aus
Gummi oder anderem Material auf einem auf der Welle 12 angeordneten Drehkreuz
82 angebracht, wobei das Drehkreuz mit sich radial und axial erstreckenden Abschnitten
84 und 86 versehen ist, die einen Aufnahmekäfig für das Rohr
80
bilden. Das Rohr 80 wird vorzugsweise mit einem verhältnismäßig schweren
Stoff gefüllt, beispielsweise Quecksilber oder Schrotkugeln, auf welchen die Zentrifugalkraft
ausgeübt werden kann, um das Rohr radial nach außen in die in punktierten Linien
gezeigte Stellung 81 zu bewegen. Die Auswärtsbewegung des Rohres vermindert die
radiale Abmessung des Spaltes 90 zwischen der Innenfläche des Abschnittes 86 und
der anstoßenden Oberfläche .des Rohres 80, wodurch das Entweichen der Flüssigkeit
nach und nach eingeschränkt wird, um das übertragene Drehmoment zu erhöhen und den
Schlupf zwischen den Turbinen- und Pumpenradteilen zu vermindern.
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Die in der F i g. 5 gezeigte Ausführungsform ist in mancher Hinsicht
der in der F i g. 4 gezeigten ähnlich. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung
kommt eine von der angetriebenen Welle 12 über ein nicht gezeigtes Getriebe angetriebene
Flüssigkeitspumpe 93 zur Anwendung, um auf den Durchlaß 94 einen Flüssigkeitsdruck,
der der Geschwindigkeit der angetriebenen Welle 12 proportional ist, auszuüben und
das Rohr 96 zu füllen, wodurch es sich in dem Käfig 98, der von einem in einem Gehäuse
14 befestigten Bügel 100 aufgenommen wird, radial nach außen bewegt. Jede der dargestellten
Ausführungsformen der Erfindung zeichnet sich durch eine selbsttätige Verringerung
bzw. Dosierung der Füllung des Arbeitsraumes bei niedrigen Laufgeschwindigkeiten
aus, wodurch das auf das Laufrad übertragene Drehmoment im Falle einer Überbelastung
oder während der Anlaßzeiten begrenzt wird. Diese Wirkung wird durch Anordnung in
einer billigen, in sich geschlossenen Einheit erreicht, die wenig Wartung erfordert
und eine lange Lebensdauer hat.