-
Flüssigkeitskupplung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitskupplung
nach F3ttinger-Bauart, die einen umlaufenden Vorratsbehälter für die Flüssigkeit
aufweist, der mit dem beschaufelten Arbeitsraum der Kupplung über mehrere selbsttätig
regelbare Aus- und Einlaßventile verbunden ist. Bei Kupplungen dieser Art ist der
Arbeitsraum im Stillstand nur teilweise mit Flüssigkeit gefüllt, während die restliche
Flüssigkeit auf den Vorratsbehälter und andere Nebenräume verteilt ist. Beim Anfahren
des Antriebsmotors ist somit zunächst nur die im Arbeitsraum selbst befindliche
,geringe Flüssigkeitsmenge an der Kraftübertragung beteili¢t, so daß auch der Widerstand,
der dem anfahrenden Motor entgegengesetzt wird, nur gering ist. Dementsprechend
ist hierbei jedoch der Schlupf zwischen dem Pumpen- und dem Turbinenrad der Kupplung
noch sehr groß. Sobald sich jedoch die Drehzahl des Antriebsmotors und damit auch
die des Pumpenrades der Nenndrehzahl nähert, öffnen sich die von der Zentrifugalkraft
beeinflußten Einlaßventile, so daß die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in den
Arbeitsraum überfließen kann. Mit steigender Flüssigkeitsmenge im Arbeitsraum steigt
auch ihr Gesamtarbeitsvermögen, d.h. das übertragbare Drehmoment. Das auf das Turbinenrad
auf diese Weise übertragene Drehmoment wird größer und der Drehzahlunterschied zwischen
Pumpen- und Turbinenrad - d.h. der Schlupf -entsprechend kleiner, bis sich das volle
Drehmoment eingestellt hat.
Die Kraftübertragung innerhalb der Flüssigkeitskupplung
beruht bekanntlich auf dem Aufprall der von den Schaufeln des Pumpenrades beschleunigten
Flüssigkeit auf den Schaufeln des Turbinenrades. Bei der Kraftübertragung muß somit
die Flüssigkeit stets in Bewegung bleiben. Diese Bewegung kann aber nur durch den
Drehzahlunterschied zwischen Pumpen- und Turbinenrad bzw._durch den auf der unterschiedlichen
Fliehkraft beruhenden Druckunterschied in den beiden Kupplungsrädern bewirkt werden.
Je kleiner der Schlupf ist, um so kleiner ist demnach auch das übertragene Drehmoment.
Bei einem synchronen Lauf des Pumpen- und Turbinenrades ist das übertragene Drehmoment
gleich Null. Die Kraftübertragung setzt somit stets einen Schlupf voraus. Flüssigkeitskupplungen
sind daher in der Regel so ausgelegt, daß sie bei voller, ihnen zugemessener Kraftübertragung
einen Schlupf von 3 bis 4% der Nenndrehzahl haben. Bei Eintritt eines über das vorgesehene
Maß hinausreichenden vliderstandes an der Abtriebsseite der Kupplung sinkt die Drehzahl
des Turbinenrades zunächst ab. Der Unterschied der Drehzahlen und damit auch das
übertragene Drehmoment wird demzufolge entsprechend größer. Das übermalige Ansteigen
des Momentes kann aber zu Zerstörungen der angetriebenen Il4aschine führen. iIan
ist daher bestrebt, Flüssigkeitskupplungen so auszulegen, daß bei Überlastung der
Abtriebsseite das anwachsende Drehmoment wieder auf das zulässige ilaß gesenkt werden
kann.
-
Zu diesem Zweck ist es bekannt, am Innenumfang des Kupplungs-Arbeitsraumes
Drosseleinrichtungen vorzusehen und/oder solche Vorrichtunc,en, die es ermö@licheri,
die Kupplung durch Ableitung der Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum in den Vorratsbehälter
zu entlasten. Für die Lösung dieses Problems sind zahlreiche Vorschläge bekanntgei.:orden.
Eine, den wechselnden Betriebsverhältnissen im Sinne der Erfüllung der vorstehend
beschriebenen Aufgabe am nchsten korvilende Lösung sieht im Pumpenrad Auslaßventkle
vor,
die bei Überlastungen der Kuppli_ng den Abzug der Flüssigkeit in den Vorratsbehälter
in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft, d.h. der Drehzahl, ermöglichen. Bei dieser
Ausführung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß mit sinkender Drehzahl des Sekundärteils
(Turbinenrad) und mit der entsprechenden Erhöhung des Drehmomentes auch die Drehzahl
des Primärteils (Pumpenrad) in gewissen Grenzen sinkt, wodurch sich die Wirkung
der Zentrifugalkraft ändert und die Betätigung der Auslaßventile ermöglicht. Der
Vorteil dieser Lösung liegt in erster Linie darin, daß die Flüssigkeit nicht sofort
und vollständig aus dem Arbeitsraum abgeführt wird und dadurch das Moment an der
Antriebswelle vollständig zusammenbricht, sondern ein bestimmtes Mindestdrehmoment
aufrechterhalten wird, das es ermöglicht, die Maschine in Gang zu halten. Der Bereich,
innerhalb dessen die Drehzahlen auf der Primärseite der Kupplung in den Grenzen
des Zulässigen variiert werden können, ist jedoch verhältnismäßig klein.
-
Er liegt z.B. bei Drehstrom-Kurzschlußmotoren üblicher Bauart zwischen
etwa 1450 und 1250 U/min. Infolgedessen sind auch die Kräfte, die sich aus der Differenz
entsprechender Zentrifugalkräfte ergeben und zur Betätigung der Ein- oder Auslaßventile
genutzt werden können, relativ klein. Hierbei ist insbesondere nachteilig, da3 bei
kleinen Steuer- und Regelkräften der Einfluß der inneren Widerstände der Steuerorgane,
wie sie etwa durch Reibung, innere Strömungsverluste od. dgl. hervorgerufen werden,
um so stärker ins Gewicht fällt. Dieser Einfluß erfordert daher eine genaue Berücksichtigung
der beeinflussenden Faktoren durch besondere konstruktive Maßnahmen. Die Erfindung
hat sich die Aufgabe gestellt, diesen Nachteil mit einfachen Mitteln auf andere
Weise zu beseitigen, und zwar im wesentlichen dadurch, daß die Ursache der zu hohen
inneren
Widerstände der Steuerorgane beseitigt wird, nämlich . der zu hohe Flüssigkeitsdruck
auf die Mündungen der Auslaßventile. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung
von einer Flüssigkeitskupplung der eingangs beschriebenen bekannten Gattung aus,
bei welcher der von Pumpen- und Turbinenrad umschlossene Arbeitsraum mit dem Vorratsbehälter
durch selbsttätig regelbare Aus- und Einlaßventile verbunden ist, von denen die
Einlaßventile am äußeren und die Auslaßventile am inneren Umfangsbereich des Vorratsbehälter3
vorgesehen sind und kennzeichnet sich dadurch, daß die ventilgesteuerten Auslaßkanäle
am Innenumfang des Pumpenrades axial in den Arbeitsraum münden und die diesen vorgelagerten
Bereiche, insbesondere am Innenumfang des Turbinenrades, zur Herabsetzung des Flüssigkeitsdruckes
auf die Kanalmündungen als Benihigzngsräume ausgebildet sind, innerhalb welcher
die Flüssigkeit beim Abbremsen des Abtriebsteils der dynamischen Einwirkung der
im übrigen Bereich des Arbeitsraumes umlaufenden Flüssigkeit ganz oder im wesentlichen
entzogen ist. Durch die den Auslaßventilen vorgeschalteten Stabilisierungsräume
wird die Flüssigkeit vor ihrem Abströmen durch die Auslaßkanäle der dynamischen
Wirkung der Strömung im.Arbeitsraum im wesentlichen entzogen und derart beruhigt,
daß sie nur noch dem jeweiligen statischen Druck unterworfen ist. Zweckmäßig sind
die zum Inneren des Arbeitsraumes hin nach außen offenen Beruhigungsräume vor den
Auslaßkanälen am Innenumfang des Turbinenrades durch eine in Achsrichtung geradlinig
ausgebildete Mantelfläche und an der den Mündungen der Auslaßkanäle zugekehrten
Seite durch im wesentlichen radial gerichtete und sich über die radiale Höhe der
Kanäle erstreckende Ringabschnitte begrenzt, welche mit entsprechenden Bohrungen
unmittelbar an den Kanalmündungen anliegen und sich in Umfangsrichtung beiderseits
um ein wesentliches Maß über
die Auslaßkanäle hinaus erstrecken.
Die den Auslaßkanälen an der Mündung vorgelagerten Ringabschnitte können auch untereinander
zu einem geschlossenen Ringkörper verbunden sein. Bei der Normalbelastung der Flüssigkeitskupplung
wird die Flüssigkeit infolge der hohen Zentrifugalkraft mehr oder weniger in den
äußeren Umfangsbereich des Arbeitsraumes abgedrängt, so daß sie - bei richtiger
Füllung - nicht mit den den Auslaßkanälen vor.elagerten Ringabschnitten bzw. dem
Ring in Berührung kommt, obschon die Flüssigkeit auch in diesem Betriebszustand
infolge der Druckdifferenz zwischen Pumpen- und Turbinenrad in kreisender Bewegung
gehalten wird. Die Auslaßventile sind unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft
bei voller Drehzahl des Pumpenrades geschlossen. Beim Eintritt eines Widerstandes
an der Abtriebswelle, der so groß ist, daß die Drehzahl des Turbinenrades trotz
größeren Drehmomentes absinkt, verringert sich auch die Zentrifugalkraft in seinem
Bereich. Die in das Turbinenrad einströmende Flüssigkeit wird durch die geringer
werdende Zentrifugalkraft nicht mehr ganz zum Außenumfang hin abgedrängt, sondern
infolge der nunmehr die Zentrifugalkraft überwiegenden lebendigen Energie bis zum
Innenumfang hin geführt, wobei sie gleichzeitig die den Auslaßkanälen vorgelagerten
Beruhigungs- bzw. Stabilisierungsräume füllt. Da das Pumpenrad seine Pumpwirkung
weiterhin behält und die Umlaufbewegung der Flüssigkeit im Arbeitsraum aufrechtzuerhalten
sucht, stellt sich im Arbeitsraum der Kupplung eine insofern verschobene Strömung
ein, als sich der Flüssigkeitsumlauf im Pumpenrad mehr im äußeren Umfangsbereich,
im Turbinenrad dagegen auch im inneren Umfangsbereich vollzieht. Der den Auslaßkanälen
an der Mündung vorgelagerte Ring bzw. die Ringabschnitte begrenzen die Strömung
im Turbinenrad dabei derart, daß sich ein Teil der Flüssigkeit stets - nämlich im
Inneren der Beruhigungsräume - außerhalb des Strömungsquerschnittes befindet und
dadurch der dynamischen Wirkung der Strömung entzogen ist. Diese außerhalb des Strömungsbereiches
befindliche
Flüssigkeit unterliegt nur noch dem auf sie lastenden Druck des Strömungsquerschnittes,
d.h. dem hydrostatischen Druck, der sich naturgemäß auch auf die Schieber der Auslaßventile
voll überträgt. Dieser hydrostatische Druck bildet aber nur einen Teil des im Strömungskörper
sonst herrschenden Gesamtdruckes, der sich aus dem hydrostatischen und dem hydrodynariischen
Druck zusammensetzt. Bei den bisher bekannten Kupplungen mit selbsttätig regelnden
Ein- und Auslaßventilen sind die Ventile im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Ausführung
stets dem Gesamtdruck ausgesetzt. Geringerer Druck auf die Ventilschieber bedeutet
aber eine geringere Reibung, und somit auch eine bessere Reaktion der Teile auf
die Steuer- und Reg elkrä.fte. Die der @3eg renzun der Beruhic;un -sräume im Bereich
der Auslaßkanile dienenden Ringabschnitte, die sich in Umfangsrichtung jeweils nach
beiden Seiten über ein ?rö°)eres Ma" über die Ausla!@ventil@ffnungen hinaus erstrecken,
erleichtern den Austritt der Flüssigkeit durch die Bohrungen erhablich. Obschon
es in vielen Fällen einfacher ist, geschlossene RinJkörper zu verwenden, brauchen
sich diese der Begrenzung der Beruliigun sr@i.ume dienenden Ringabschnitte nicht
über den ganzen Umfang zu erstrecken, sondern können unterbrochen ausgebildet sein,
wobei sie jeweils in den zwischen den Auslaßventilen befindlichen Umfans`;sbereichen
fehlen. Zweckr:i.«i@i` ist die die Beruhigungsräume am Innenumfang des Turbinenrades
be ;renzende Mantelflliche zum Kupplungsspalt hin unter einem flachen Winkel zur
Kupplungsachse geneigt,, Die Bohrungen der Auslaßkanäle können dabei ebenfalls annähernd
parallel zur Kupplungsachse verlaufen, so daß deren-Mündung-en der Mantelfläche
auf der Seite des Pumpenrades im Bereich des Kupplungsspaltes axial gegenüberliegen.
-
In diesem Falle bildet die parallel zur Kupplungsachse verlaufende
Grundfläche der beruhigungsrdume gleichzeitig eine das reibungslose Abströmen der
Flüssigkeit durch die Auslaßventile
erleichternde Leitfläche. Schließlich
ist es weiterhin zweckmäßig, auch die die Beruhigungsräume begrenzende Fläche des
den Auslaßkanälen an der Mündung vorgelagerten Ringes oder der Ringabschnitte unter
einem flachen, sich zur Kupplungsachse hin erweiternden Winkel gegen die Radialebene
der Kupplung geneigt auszubilden, da auf diese Weise ein reibungsloses Abströmen
der in den Beruhigungsräumen befindlichen Flüssigkeit durch die Auslaßkanäle begünstigt
wird. In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Es eigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die Flüssigkeitskupplung längs der Achse; Fig.
2 einen Längsschnitt durch die Kupplung nach der Linie II - II der Fig. 1; Fig.
3 einen Teilschnitt der Kupplung im normalen Betriebszustand und Fig. 4 einen Teilschnitt
durch die Kupplung bei eintretendem Schlupf durch Abbremsen des abtriebsseitigen
Kupplungsteils. Gemäß Fig. l besteht die Flüssigkeitskupplung aus dem mit dem nicht
dargestellten Antriebsmotor gekuppelten Primärteil 1 und dem über die Hohlwelle
2 mit der gleichfalls nicht dargestellten Arbeitsmaschine gekuppelten Sekundärteil
3: Der Primärteil 1 umfaßt in erster Linie das Pumpenrad 4 mit den Schaufeln 4aa,
das mit diesem über den radialen Umfangsflansch verschraubte Gehäuse 5 sowie ferner
- auf der dem Gehäuse gegenüberliegenden Seite - den gleichfalls mit dem Pumpenrad
verschraubten Vorratsbehälter 6, der zugleich die Anschlußmittel für die Verbindung
mit dem nicht dargestellten Antriebsrotor aufweist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich,
ist der Primärteil l auf der Hohlwelle 2 mittels der Kugellager 7, 7a drehbar und
mittels der Dichtungsringe 8, 8a zugleich dichtend gelagert.
Der
Sekundärteil 3 besteht zur Hauptsache aus dem Turbinenrad 9 mit den Schaufeln 9a
sowie aus der als Kupplungsachse dienenden Hohlwelle 2, die mittels der Schrauben
10 im Drehsinne starr miteinander verbunden sind. Die Hohlwelle 2 ist mit der Welle
der nicht dargestellten Arbeitsmaschine verzapft und durch Verzahnungselemente 2a
gleichfalls im Drehsinne starr gekuppelt. Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist der durch
das Pumpenrad 4 und durch das Turbinenrad 9 umschlossene Arbeitsraum 11 der Kupplung
mit dem zusammen mit dem Pumpenrad 4 unlaufenden Vorratsbehälter 6 durch ventilgesteuerte
Einlaß- und Auslaßkanäle verbunden, von denen bei der dargestellten Ausführungsform
jeweils zwei sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind, wobei Einlaß- und
Auslaßkanäle zueinander um 900 versetzt sind. Die Einlaßkanäle sind mit 12
und die Auslaßkanäle. mit 13 bezeichnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befinden sich
die Einlaßkanäle 12 in der Wandung des Pumpenrades 4 etwa im mittleren Durchmesserbereich
des Arbeitsraumes 11, jedoch im äußeren Umfangsbereich des Vorratsbehälters 6. Da
däs fliehkraftgesteuerte und daher drehzahlabhängig öffnende Kugelventil 14 zusammen
mit der die Kugel im Bereich eines Schrägsitzes an die Mündung des Einlaßkanals
12 anpressenden Schraubendruckfeder 14a einschließlich des die Federvorspannung
regelnden Nachstellgliedes 15 in einem besonderen Gehäuse 16 des Vorratsraumes 6
untergebracht sind, ist der freie Raum des Behälters 6 mit dem Ventilraum durch
einen Radialkanal 17 verbunden, der derart unterhalb der Ventilkugel 14 mündet,
daß die Flüssigkeit.bei Überschreitung einer bestimmten Drehzahl bzw.
-
unter einem bestimmten, auf Fliehkraft beruhenden Druck selbsttätig
über den Einlaßkanal 12 in den Kupplungs-Arbeitsraum 11 gelangt.
Die
zu den Einlaßkanälen 12 um jeweils
900 versetzt angeordneten Auslaßkanäle
13 'liegen axial unmittelbar am Innenumfang des Pumpenrades 4, wobei ihre Eintrittsmündungen
annähernd bis zum Kupplungsspalt 18 hin vorgezogen sind. Innerhalb des Vorratsbehälters
6 sind den Auslaßkanälen 13 ebenfalls fliehkraftgesteuerte und daher drehzahlbetätigte
Ventile 19 zugeordnet, die aus einem schieberförmigen Abschlußglied 20 und einer
den Schieber im Öffnungssinne beauf schlagenden Schraubendruckfeder 20a bestehen.
Die Federspannung der Schraubendruckfeder 20a ist so eingestellt, daß der Schieber
20 nicht nur bei stillstehender Kupplung, sondern auch bei sich drehendem Primärteil
so lange in der dargestellten Offenstellung gehalten wird, wie eine bestimmte Drehzahl,
beispielsweise die Kippdrehzahl des Antriebsmotors, noch nicht überschritten ist.
In dem darüber hinausgehenden Drehzahlbereich des Pumpenrades wird der Steuerkörper
20 durch die Fliehkraft gegen die Feder 20a selbsttätig in Schließstellung gehalten,
so daß dann keine Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum 11 in den Vorratsbehälter '6 hinein
entweichen kann. Mit 21 ist ein Entlüftungskanal und mit 22 der Verschlußstopfen
des Nachfall- bzw. Entleerungsstutzens be-;eichnet. :die aus Fig. 1 und insbesondere
aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, entspricht der Wandungsverlauf des den Arbeitsraum
11 etwa zur Hälfte umschliei3enden Pumpenrades annähernd einem seitlich geringfügig
abgeflachten Halbkreis, während der Wandungsverlauf des die andere Hälfte des Arbeitsraumes
bildenden Turbinenrades 9 von dieser Querschnittsform im inneren Umfangsbereich
dadurch abweicht, daß die Wölbung des im wesentlichen radialen Wanduncgsteils schwächer
ist und sich an diese am Innenumfang eine in Richtung der Kupplungsachse geradlinig
gestreckte Mantelfläche 23 anschließt, die zum
Kupplungsspalt 18
hin unter einem flachen Winkel gegen die Kupplungsachse j.;eneigt ist. Wie insbesondere
aus Fig. 4 hervorgeht, entsteht auf diese Weise ein den Auslaßkanälen 13 im Bereich
des Turbinenrades vorgelagerter Beruhigungsraum x, innerhalb welchem die Flüssigkeit
bei Eintreten eines größeren Schlupfes bzw. beim Abbremsen des Abtriebsteils weitgehend
der dynamischen Einwirkung durch die im übrigen Bereich des
Beruhigungsräume x durch den Mündungen der Auslaßkanäle zugeordnete Ringabschnitte
24 begrenzt, die untereinander auch - wie in Fig. 2, rechts dargestellt - zu einem
geschlossenen Ringkörper verbunden sein können. Die den Beruhigungsräumen zugekehrte
Fläche der Ringabschnitte 24 ist ebenfalls unter einem flachen, und zwar unter einem
sich zur Kupplungsachse hin erweiternden Winkel gegen die Radialebene der Kupplung
geneigt. Die Singabschnitte 24 schließen mit ihrer Zußeren, aäal vorspringenden
Kante etwa mit dem Kupplungsspalt 18 und nach oben mit der höhe der Auslaßkanäle
ab, wobei sie sich in Umfangsrichtung beiderseits der den Kanalrlündungen entsprechenden
Bohrungen mindestens überein etwa der Kanalbreite entsprechendes Maß erstrecken.
-
Wie aus der, Zeichnung schließlich ersichtlich,, ist die den Arbeitsraum
11 im Turbinenrad 9 am Innenumfang begrenzende ilantelfläche 23 auf einem Durchmesser
angeordnet, der dem Innendurchmesser des ihr in Bezug auf den Kupplungsspalt 18
gegenüberliegenden Wandungsteils 25'des Pumpenrades entspricht. Die Mündungen der
Auslaßkanäle 13 liegen dadurch in unmittelbarer axialer Verlängerung der Ilantelfläche
23, so daß diese der durch die Auslaßkanäle 13 abströmenden Flüssigkeit zugleich
als Leitfläche dient. Bei der Normalbelastung der Kupplung strömt die Flüssigkeit
infolge der Zentrifugalkraft und infolge der Druckdifferenz im Pumpen- und Turbinenrad
etwa in der in Fig.
-
3 angedeuteten Weise, wobei sie bei richtiger Füllung die
Ringabschnitte
24 nicht berührt. Die Auslaßventile sind unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft
bei voller Drehzahl des Pumpenrades geschlossen. Bei Eintritt eines Widerstandes
an der Abtriebswelle, der so groß ist, daß die Drehzahl des Turbinenrades trotz
größeren Drehmomentes sinkt, varingert sich auch die Zentrifugalkraft in seinem
Bereich. Die in das Turbinenrad einströmende Flüssigkeit wird durch die abnehmende
Zentrifugalkraft nicht mehr ganz_in den äußeren Umfangsbereich abgedrängt, sondern
nimmt einen Strömungsverlauf an, wie er in Fig. 4 angedeutet ist.@Die Ringabschnitte
24 begrenzen die sich dabei einstellende Strömung derart, daß der sich in den Beruhigungsräumen
x befindende Teil der Flüssigkeit außerhalb des Strömungsquerschnittes liegt und
dadurch der dynamischen Einwirkung durch diese Strömung entzogen ist. Öfnnen bei
weiterhin überlasteter Primärseite der Kupplung und dadurch abnehmender Drehzahl
des Pumpenrades die Auslaßventile, kann die in den Beruhigungsräumen befindliche
Flüssigkeit, die nur noch unter dem sehr viel niedrigeren statischen Druck steht,
weitgehend reibungslos durch die Auslaßkanäle in den Vorratsbehälter abfließen.