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Kernringlose hydrodynamische Kupplung mit selbsttätiger Drehmomentbegrenzung
bei hohem Schlupf Die Erfindung bezieht sich auf eine kernringlose hydrodynamische
Kupplung mit selbsttätiger Drehmomentbegrenzung bei hohem Schlupf mit einem an dem
Pumpenrad befestigten, das Turbinenrad umgebenden Gehäuse, das zusammen mit der
Rückwand des in axialer Richtung gegenüber dem Gehäuse unverschieblich gelagerten
Turbinenrades eine Vorratskammer begrenzt, die über den sich zwischen dem Gehäuse
und dem radial außen liegenden Rand des Turbinenrades befindlichen Ringspalt in
kommunizierender Verbindung mit der Arbeitskammer steht, die als glatter Torus mit
annähernd kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist und in ihrem radial innen liegenden
Torusbereich einen durch im wesentlichen symmetrische Ausschneidung der Pumpen-
und Turbinenradschaufeln gebildeten freien Ringraum aufweist.
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Derartige Kupplungen werden insbesondere für industrielle Zwecke,
wie zum Antreiben von Maschinen etwa mit Hilfe eines Käfigankermotors, benutzt.
Hierbei ist es oft erwünscht, daß bei hohem Schlupf das übertragbare Drehmoment
auf einen relativ geringen Wert begrenzt wird, um bei großen Drehzahlunterschieden
zwischen Pumpenrad und Turbinenrad eine überlastung des Antriebsmotors bzw. der
angetriebenen Maschine zu verhindern.
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Bei solchen Kupplungen hängt das übertragbare Drehmoment in erster
Linie von der jeweiligen Flüssigkeitsfüllung der Arbeitskammer ab. Die in der Kupplung
enthaltene Flüssigkeit verteilt sieh über die Arbeitskammer und die Vorratskammer.
7e mehr die Vorratskammer bzw. das mit ihr verbundene Turbinenrad rotiert, in um
so größerem Maße wird durch die Zentrifugalkraft Flüssigkeit aus der Vorratskammer
in die Arbeitskammer gedrängt. Dadurch ist bei hohen Turbinenraddrehzahlen und geringer
Drehzahldifferenz gegenüber dem Pumpenrad eine gute Füllung der Arbeitskammer und
damit eine gute Drehmomentübertragung gegeben. Bei großem Schlupf bzw. stillstehendem
Turbinenrad wird umgekehrt eine Drehmomentbegrenzung dadurch erhalten, daß ein Teil
der Flüssigkeitsfüllung der Arbeitskammer in die dann nur wenig rotierende oder
stillstehende Vorratskammer zurückgeflossen ist.
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Bei kernringlosen Kupplungen verformt sich der Flüssigkeitswirbel
je nach den Betriebsbedingungen in verschiedener Weise. Bei geringem Schlupf und
hohen Drehzahlen sammelt sich die Flüssigkeit dabei weiter radial außen als bei
großem Schlupf. Dabei bleibt bei sinngemäßer Abmessung der Flüssigkeitsfüllung bei
großem Schlupf radial innen in der Kupplung ein kleinerer Bereich von der Flüssigkeit
frei als bei kleinem Schlupf und großer Drehzahl, wenn die Zentrifugalkraft die
Flüssigkeit kräftig radial nach außen treibt.
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Zur weiteren Drehmomentbegrenzung und Stabilisierung der Betriebsbedingungen
hat man nun bisher in einer Vielzahl von Ausgestaltungen im radial innen liegenden
Bereich der Arbeitskammer Schaufelverlängerungen, Leitschaufeln oder Umlenkorgane
angebracht, die also bei großem Schlupf in höherem Maße mit der Flüssigkeit der
Arbeitskammer zusammenwirken als bei Verdrängung der radial innen befindlichen Arbeitsflüssigkeit
bei geringem Schlupf und hoher Drehzahl infolge der Zentrifugalkraft. Diese Schaufelverlängerungen,
Leitschaufeln bzw. Umlenkorgane dienen dazu, die Arbeitsflüssigkeit bei großem Schlupf
vom Turbinenrad fernzuhalten und so eine noch bessere Drehmomentbegrenzung zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kernringlose hydrodynamische
Kupplung mit selbsttätiger
Drehmomentbegrenzung zu schaffen, die
mit einfacheren Mitteln eine noch bessere Drehmomentbegrenzung als die bisher bekannten
Kupplungsausführungen gewährleisten.
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Zum Lösen dieser Aufgabe ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der
freie Ringraum an seiner gesamte radial innen liegenden Seite unmittelbar von der
Pumpen- bzw. Turbinznradwand begrenzt wird und von jeglichen, den Wirbelring beeinflussenden
Stauelementen freigehalten ist. Die Erfindung beruht dabei auf der überraschenden
Erkenntnis, daß eine merklich bessere Drehmomentbegrezung allein durch Fortlassen
bisher für erforderlich gehaltener Bauteile bzw. Teile von Bauteilen, wie Schaufelverlängerungen,
geschaffen werden kann, sofern in dem speziellen Anwendungsfall in durch Versuche
leicht feststellbarer Weise die Abmessungen der maßgeblichen Räume, nämlich die
Verhältnisse des freien Ringraumes und der rotierenden Vorratskammer zum Gesamtvolumen
der Arbeitskammer passend gewählt werden. Dabei wird also zugleich eine bessere
Drehmomentbegrenzung als auch eine wesentliche Vereinfachung der Kupplung allein
durch Fortlassen bisher für erforderlich gehaltener Konstruktionselemente erreicht.
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Bei einem Gesamtfassungsvermögen der Kupplung bis zu 16 000 ccm ist
es zweckmäßig, daß das Volumen des freien Ringraum-es etwa 4/29 bis 7/29 des Gesamtvolumens
der Arbeitskammer und das Volumen der rotierenden Vorratskammer etwa zwischen 8/29
bis 10/29 des Gesamtfassungsvermögens beträgt, während bei einem Gesamtfassungsvermögen
zwischen 16 000 und 65 000 ccm das Volumen des freien Ringraumes vorzugsweise etwa
zwischen 6/29 bis 8/29 des Gesamtvolumens der Arbeitskammer und das Volumen der
rotierenden Vorratskammer etwa zwischen 8/29 bis 12/29 des Gesamtfassungsvermögens
liegt.
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Die Erfindung kann auch bei einer hydrodynamischen Kupplung der Tandembauart
mit zwei Drehmomentübertagungsaggregaten angewandt werden, hierbei ist dann jedes
dieser Drehmomentübertragungsaggregate in der erfindungsgemäßen bzw. zweckmäßigen
Weise ausgebildet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
und einer Tabelle an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine Hälfte eines Längsschnitts durch eine Ausbildungsform
einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung; F i g. 2 gibt eine Tabelle wieder,
aus der die bevorzugten volumetrischen Beziehungen innerhalb eines bestimmten Bereichs
von Kupplungsabmessungen hervorgehen; F i g. 3 zeigt eine Hälfte eines Längsschnitts
durch eine erfindungsgemäße Kupplung mit einer abgeänderten Ausbildung der radialen
Schaufeln; F i g. 4 ähnelt F i g. 3, zeigt jedoch eine weitere Abwandlung; F i g.
5 zeigt eine Hälfte eines Längsschnitts durch eine Anordnung, bei der die Erfindung
bei einer Kupplung der Tandembauart angewendet ist.
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In F i g. 1 erkennt man eine hydrodynamische Kupplung der Bauart mit
rotierender Vorratskammer; diese Kupplung umfaßt ein Pumpenrad 1 und Turbinenrad
2, die zusammen eine torusförmige Arbeitskammer 3 bilden, in der die radialen Schaufeln
1a und 2a angeordnet sind. Eine rotierende Vorratskammer 4 wird durch den Raum zwischen
der Rückseite des Turbinenrades 2 und dem an dem Pumpenrad 1 befestigten drehbaren
Gehäuse 5 gebildet; am äußeren Rand des Turbinenrades ist ein verhältnismäßig geringer
Spalt 6 vorhanden, durch den das Arbeitsmittel automatisch aus der Arbeitskammer
3 heraus und zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen des Pumpenrades
und des Turbinenrades hindurch in die Vorratskammer 4
übertreten bzw. aus
dieser in die Arbeitskammer zurückströmen kann, was sich jeweils nach den Betriebsbedingungen
richtet. Ein etwa vorhandener Luftraum, z. B. der in F i g. 1 mit 4 a bezeichnete,
der sich hinter dem Kupplungslager 11 befindet, wird dem Fassungsvermögen der Vorratskammer
4 zugerechnet. Mit Ausnahme der radialen Schaufeln 1 a und 2 a sowie der nachstehend
beschriebenen volumetrischen Beziehungen ist diese Kupplung im wesentlichen in bekannter
Weise ausgebildet.
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Die inneren Kanten 7 sämtlicher radialer Schaufeln 1a und 2a können
geneigt oder gekrümmt oder in anderer geeigneter Weise geformt sein; sie enden kurz
vor dem inneren Abschnitt 8 der Begrenzungswand der Arbeitskammer, d. h. kurz vor
dem am weitesten innen liegenden Bereich der Arbeitskammer, so daß ein freier Ringraum
9 vorhanden ist, der in einer bestimmten volumetrischen Beziehung zum gesamten Rauminhalt
der Arbeitskammer 3 steht. Der freie Ringraum 9 wird praktisch durch die Schaufelkanten
7 und die Begrenzungswand 8 des Pumpenrades und des Turbinenrades längs des am weitesten
innen liegenden Bereichs dieser Teile begrenzt.
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Der freie Ringraum 9 bildet einen Bereich in den dann Flüssigkeit
einströmt, wenn die Kupplung mit zunehmendem Schlupf bis zum Erreichen des maximalen
Schlupfes sowie bei stillstehendem Turbinenrad betrieben wird, so daß die kinetische
Energie, die noch in der Arbeitsflüssigkeit enthalten ist, welche aus dem Turbinenrad
zwischen den radialen Schaufeln 2a nach innen abfließt und an den Innenkanten 7
dieser Schaufeln in den freien Ringraum 9 gelangt, im wesenilichen wirkungslos wird
und kein Drehmoment auf das Turbinenrad übertagen kann, da sich die radialen Schaufeln
des Turbinenrades nicht in diesen freien Raum hinein erstrecken.
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Ferner wird der in dem freien Raum enthaltenen Flüssigkeit durch die
Schaufeln 1 a des Pumpenrades keine Energie zugeführt, da auch die Schaufeln 1a
nicht in den freien Ringraum hineinragen. Auf diese Weise wird das bei großem Schlupf
oder bei stillstehendem Turbinenrad von dem Pumpenrad auf das Turbinenrad insgesamt
übertragene Drehmoment auf den gewünschten Wert herabgesetzt.
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Damit der freie Ringraum 9 seine Aufgabe optimal erfüllen kann, muß
das Volumen der Vorratskammer in einer geeigneten Beziehung zum Volumen der Arbeitskammer
stehen, so daß beim Betrieb mit stillstehendem Turbinenrad Flüssigkeit aus der Arbeitskammer
in die Vorratskammer hinein verdrängt wird, damit sich der seichte, ausgedehnte
bzw. aufgeweitete, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Wirbel ausbilden kann,
der sich der Begrenzungswand der Arbeitskammer anpaßt. Aus der in F i g. 2 wiedergegebenen
Tabelle ist ersichtlich, daß die optimalen volumetrischen Beziehungen für mehrere
Kupplungen unterschiedlicher Abmessungen innerhalb
eines ziemlich
begrenzten Bereichs variieren. In der Tabelle in F i g. 2 bezeichnet TC das gesamte
Fassungsvermögen, VWC das Volumen der Arbeitskammer, VR das Volumen der Vorratskammer
und VFS das Volumen des freien Ringraums. Man erkennt, daß VWCITC zwischen 18/29
und 20/29 variiert, während VRITC von 8/29 bis 11/29 und VFSl FWC von 5/29 bis 8/29
variiert. Es sei bemerkt, daß die aus F i g. 2 ersichtlichen begrenzten Bereiche
nur als Beispiele für bevorzugte volumetrische Beziehungen angegeben werden, bei
denen es sich gezeigt hat, daß die Kupplungen die gewünschten Charakteristiken erhält.
Es liegt auf der Hand, daß man in bestimmten Anwendungsfällen, z. B. bei Verwendung
eines auf die Kupplung abgestimmten Motors; eine erwünschte Begrenzung des Stillstandsdrehmoments
innerhalb des angegebenen Bereichs bei volumetrischen Beziehungen erzielen könnte,
die außerhalb der in F i g. 2 gezeigten begrenzten Bereiche liegen.
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Um ein Beispiel zu geben sei erwähnt, daß die Kupplung der Größe 4
für den Betrieb mit 6,3 PS und einer Drehzahl von 1450 Umdrehungen in der Minute
konstruiert ist. Aus diesen Angaben werden die Abmessungen der torusförmigen Arbeitskammer
3 berechnet, wobei sich ein Außendurchmesser von etwa 242 mm, ein Innendurchmesser
von etwa 76 mm und eine Breite von etwa 73 mm ergibt; diese Abmessungen führen zu
einem berechneten Volumen VWC von etwa 2080 ccm. Aus der volumetrischen Beziehung
VWCITC ergibt sich das gesamte Fassungsvermögen mit etwa 3000 ccm, und daher muß
der gesamte Inhalt der Vorratskammer einschließlich sämtlicher zusätzlicher Räume,
z. B. des Raumes 4a, gleich TC-VWC=etwa 920 ccm sein. Das Volumen des freien
Ringraums VFS, bei dem es sich um 5/29 des Volumens der Arbeitskammer handelt, wird
etwa 360 ccm betragen. Dieser freie Ringraum kann dadurch ausgebildet werden, daß
man die Kanten 7 der Schaufeln 1 a und 2 a so verlaufen läßt, daß sie mit einer
zur Achse der Kupplung parallelen Linie A einen Winkel von etwa 30° einschließen,
wobei sich die Linie A parallel zur Achse der Kupplung und in einem Abstand von
etwa 70 mm von der Kupplungsachse erstreckt. Innerhalb der durch ihren Rauminhalt
gegebenen Grenzen ist die Vorratskammer so ausgebildet, wie es bei Kupplungen mit
umlaufender Vorratskammer üblich ist, so daß der Luftraum, der in der Vorratskammer
verbleibt, wenn die die Kupplung unter normalen Bedingungen der ; Drehmomentübertragung
arbeitet, in einem möglichst geringen Abstand von der Kupplungsachse angeordnet
ist, und daß die überführung von Flüssigkeit aus der Vorratskammer in die Arbeitskammer
bei zunehmendem Schlupf beschleunigt wird. Eine solche ; Kupplung kann z. B. 45
Schaufeln an dem Pumpenrad und 42 Schaufeln an dem Turbinenrad aufweisen, doch kann
man diese Zahlen bei gegebenen Anforderungen innerhalb vorbestimmter Grenzen variieren.
Die erwähnten Schaufeln sind an den betreffenden Bauteilen in gleich großen gegenseitigen
Abständen vorgesehen, und der kleine Unterschied zwischen den Schaufelzahlen dient
dazu, zu verhindern, daß sich die Schaufeln während des Betriebs gegenseitig abdecken.
Alternativ kann man Schaufelsätze mit abgestuften Schaufelabständen bekannter Form
verwenden, vorausgesetzt, daß sich keine Schaufeln in den freien Ringraum 9 hinein
erstrecken. Unter normalen Antriebsbedingungen, d. h. wenn die Kupplung mit normalem
Schlupf umläuft, wird eine Verdrängung von Flüssigkeit aus dem Wirbel in der Arbeitskammer
3 durch den Spalt 6 hindurch dadurch verhindert, daß eine Flüssigkeitsmasse durch
die auftretenden Fliehkräfte im äußeren Teil der Vorratskammer 4 festgehalten wird.
Unter diesen Umständen arbeitet die Kupplung bei normaler Belastung mit hohem Wirkungsgrad.
Wenn ein großer Schlupf auftritt, oder wenn das Turbinenrad stillsteht, wird Flüssigkeit
aus der Arbeitskammer in die Vorratskammer überführt. Der Luftraum, der in dem radial
innen liegenden Teil der Vorratskammer verbleibt, wenn die Kupplung unter normalen
Bedingungen mit geringem Schlupf arbeitet, steht zusammen mit dem Volumen des freien
Ringraums 9 in einer solchen Beziehung zum gesamten Rauminhalt der Arbeitskammer
3, daß beim Betrieb mit großem Schlupf, d. h. auch dann, wenn das Turbinenrad bei
hoher Drehzahl des Pumpenrades stillsteht, die Menge der in dem Wirbel innerhalb
der Arbeitskammer 3 zirkulierenden Flüssigkeit auf einen geeigneten Wert reduziert
wird, so daß der freie Ringraum bewirken kann, daß das Stillstandsdrehmoment lediglich
115 bis 600 °/o der Drehmomentübertragungsenergie beträgt, die bei normalem Schlupf
vorhanden ist, was sich jeweils nach dem Füllungsgrad der Kupplung mit Flüssigkeit
und dem aufgebrachten Antriebsdrehmoment richtet.
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Der freie Ringraum 9 kann auch dadurch gebildet werden, daß man den
Schaufeln la und 2a eine beliebige andere geeignete Form gibt. Wie aus F i g. 3
und 4 ersichtlich, können die Kanten 7 a bzw. 7 b der Schaufeln 1a
und 2a gleichmäßig gekrümmt oder in anderer Weise ausgebildet sein, um einen freien
Ringraum 9 zu schaffen, der symmetrisch zur Ebene zwischen dem Pumpenrad und dem
Turbinenrad angeordnet ist. Unter gewissen Umständen brauchen die Schaufeln keine
gleichmäßige Länge aufweisen, sondern es kann eine bestimmte Anzahl von Schaufeln
vorhanden sein, deren Länge größer oder teilweise größer ist als diejenige der übrigen
Schaufeln, wobei jedoch sämtliche Schaufeln innerhalb einer vorbestimmten innersten
Grenze enden, durch die der freie Ringraum 9 bestimmt wird.
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Wie in F i g. 5 gezeigt, läßt sich die Erfindung auch bei einer Kupplung
der Tandembauart anwenden, bei der z. B. zwei voneinander abgewandte Pumpenräder
1 b und 1 c mit in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Turbinenrädern
2b
und 2 c zusammenarbeiten, die auf einer gemeinsamen Kraftabgabewelle 12
angeordnet sind. Die drehbaren Vorratskammern 5 b und 5 c bilden zusammen mit den
Pumpenrädern 1 b und 1 c eine einheitliche Konstruktion, die mit einer Krafteinleitungswelle
13 gekuppelt ist. Jedes der Teilaggregate dieser Kupplung ist in der vorstehend
beschriebenen Weise ausgebildet, so daß am radial innen liegenden Teil der Arbeitskammern
jeweils ein freier Ringraum 9a vorhanden ist, wobei die volumetrischen Beziehungen
zwischen VFS, VWC und VR in der weiter oben angegebenen Weise gewählt sind.