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Die Erfindun- betrifft eine hydrodynamische Kupplung für den Antrieb
in zwei oder mehreren Drehzahlstufen mit den Austausch der Arbeitsflüssi-keit zwischen
dem Arbeitsraum und dem mit dem Pumpenrad umlaufenden Vorratsraum steuernden und
durch Flichkraft betätigten Ein- und Auslaßventilen, die am Ende von in der Wandung
des Pumpenrades vorgesehenen und auf verschiedenen Radien lie-enden Bohrungen im
Vorratsraum angeordnet sind.
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Bekannte hydrodynamische Kupplungen dieser Gattung sind im allgemeinen
für einen verhältnismäßia eng begrenzten Drehzahlbereich ausgelegt, so daß sie
im Dauerbetrieb nur in diesem Drehzahlbereich wirtschaftlich arbeiten. Zwar
sind diese Kupplungen natürlich imstande, unter wechselnden Betriebsbedin-Ungen
vorübergehend auch in anderen Drehzahlbereichen zu arbeiten, ohne daß deswegen wesentliche
Störunaen im Betriebsablauf eintreten. Das ist aber nur für kurze Zeit vertretbar,
da der Wirkungsgrad der Kupplung in anderen Drehzahlbereichen als dem der Auslegung
zugrunde gelegten Drehzahlbereich wesentlich ungünstiger ist und sich damit auch
das von der Kupplung übertragene Drehmoment verschlechtert.
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Bei Antriebsmotoren, die in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen
arbeiten können, wie z. B. Brennkraftmotoren, ist man daher gezwungen, andere Einrichtun-en
zur übertragung der erforderlichen Drelimomente zu verwenden. Zu diesem Zweck sind
z. B. mechanische Getriebe mit verschiedenen übersetzungsstufen in Verbindung mit
Reibungskupplungen, hydrodynamische Momentenwandler oder ähnliche Einrichtungen
üblich. Alle diese Einrichtungen sind jedoch im Vergleich zu hydrodynamischen Kupplungen
sowohl baulich aufwendiger und daher kostspieliger als auch anspruchsvoller hinsichtlich
der Bedienun- und Wartung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine baulich verhältnismäßig
einfache hydrodynamische Kupplung zu schaffen, die in Verbindung mit einem in verschiedenen
Geschwindigkeitsbereichen arbeitenden Antriebsmotor in der Lage ist, das geforderte
bzw. vorgegebene Drehmoment in zwei oder mehreren Drehzahlstufen mit annähernd gleich
günstigem Wirkungsgrad im Dauerbetrieb zu übertragen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die erfindungsgemäße Kupplung
dadurch, daß für jede Drehzahlstufe gesonderte Ventile vorgesehen sind. Auf diese
Weise ist es möglich, die selbsttätige Einstellung und Konstanthaltung derjenigen,
für jede Drehzahlstufe unterschiedlichen Flüssigkeitsmenge im Arbeitsraum zu bewirken,
die für die übertragung des in allen Drebzahlstufen im wesentlichen gleichen, vorgegebenen
Drehmoments erforderlich ist. Die als Steuerkolben, Steuerschieber od. dgl. ausgebildeten
Steueror-ane der Ventile besitzen zu diesem Zweck mindestens zwei auf den jeweiligen
Drehzahlbereich abgestimmte Regelstufen, über die dem Arbeitsraum nur so viel Flüssigkeit
zugeführt bzw. aus dem Arbeitsraum nur so viel Flüssigkeit abgeführt wird, wie es
die übertragung des vorgegebenen Drehmoments im Bereich der jeweils gewählten Drehzahlstufe
-erade erfordert, wobei die derart gesteuerte Flüssigkeitsmenge im Arbeitsraum während
der Einhaltungsdauer dieser Drehzahlstufe konstant gehalten wird. Die Regelstufen
der Ventile sind dabei so gewählt, daß dem Arbeitsraum im Bereich der vorgegebenen
niedrigsten Drehzahlstufe die größte Flüssigkeitsmenge zugeleitet wird, während
sich in den Bereichen höherer Drehzahlstufen selbsttätig entsprechend geringere
Flüssigkeitsniengen durch Ab-
lassen von Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum in
den Vorratsraum einstellen.
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Auf diese Weise wird mithin erreicht, daß in jeder über den Antrieb
eingestellten Drehzahlstufe auch im Dauerbetrieb annähernd das gleich große, vorgegebene
Drehmoment mit etwa gleich günstigem Wirkungsgrad übertragen wird.
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Die Verwirklichuna der Erfindung kann in der Weise erfolgen, daß die
den jeweiligen Drehzahlstufen zugeordneten Ein- und Auslaßventile in Umfangsrichtung
des Pumpenrades zueinander versetzt angeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
sind jedoch die auf mehrere Drehzahlstufen ansprechenden Ein- und/oder Auslaßventile
zu Baugruppen zusammengefaßt, und zwar zweckmäßig in der Weise, daß je ein
auf mehrere Drehzahlstufen ansprechendes Ein- und Auslaßventil zu jeweils einer
Baugruppe zusammengefaßt sind.
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In diesem Falle besteht eine baulich besonders einfache Lösung darin,
die jeweils in der gleichen Radialrichtun- hintereinanderliegenden Ein- und Auslaßventile
in einem gemeinsamen zylindrischen Ventilgehäuse anzuordnen, innerhalb welchem ein
für beide Ventilgattungen gemeinsamer Steuerkolben mit mehreren, den jeweiligen
Drehzahlstufen zugeordneten kolbenförmigen Abschlußkörpern in an sich bekannter
Weise gegen die Wirkun einer Schrauben-C 9
feder unter Fliehkrafteinfluß verschieblich
ist.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen achsparallelen Längsschnitt durch die hydrodynamische
Kupplung F i g. 2 bis 5 in vergrößertem Maßstab verschiedene Stellungen
je eines zu einer Baugruppe vereinigten Ein- und Auslaßventils und F i
g. 6 das Leistungsdiagramm eines der Kupplung als Antriebsmotor zugeordneten
Dieselmotors.
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In F i g. 1 ist das beschaufelte Pumpenrad 1 am Außenumfang
mit einem das gleichfalls beschaufelte Turbinenrad 2 umschließenden Gehäuse
3 lösbar verbunden. Die Trennfuge liegt dabei annähernd in der Ebene des
Kupplungsspaltes. Das Turbinenrad 2 ist auf einer Welle 4 drehfest angeordnet. Pumpenrad
und Gehäuse stützen sich gegenüber der Welle 4 über Wälzlager 5 ab. Mit dem
Pumpenrad ist ferner ein Vorratsraum 6 für die Arbeitsflüssigkeit verbunden,
der auf der dem Gehäuse 3 abgewendeten Seite des Pumpenrades angeordnet ist
und mit diesem umläuft.
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Für den Austausch der Arbeitsflüssigkeit zwischen dem Arbeitsraum
7 und dem Vorratsraum 6 sind in der Wandung des Pumpenrades
1 Bohrungen 8a und 9a vorgesehen, die auf verschiedenen Radien liegen und
von denen jeweils mehrere über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die achsferneren
Bohrungen 8a dienen dem Einlaß der aus dem Arbeitsraum austretenden Flüssigkeit
in den Vorratsraum 6, während die achsnäheren Bohrunaen 9a dem Auslaß der
Flüssigkeit aus dem Vorratsraum 6 in den Arbeitsraum 7 dienen.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die den Ein- und Auslaß steuernden
Ventile an den Enden der Bohrungen 8 a und 9 a im Vorratsraum
6 vorgesehen, wobei beide Ventilgattungen bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
in der gleichen Radialrichtung hintereinandergeschaltet und durch Verwendung eines
gemeinsamen zylindrischen Ventilgehäuses 10 zu einer Baugruppe vereinigt
sind. Aus den F i g. 2 bis 5 ist ersichtlich, daß innerhalb des Ventilgehäuses
10 ein für beide Ventilgattungen gemeinsamer Steuerkolben 14 gegen die Wirkung
einer Schraubendruckfeder 15 unter Fliehkrafteinfluß verschieblich geführt
ist, der mehrere, den jeweiligen Drehzahlstufen zugeordnete kolbenförmige Abschlußkörper
11, 12, 12' und 13 aufweist, von denen der eine endseitige Abschlußkolben
11 in Verbindung mit dem Zylinderraum8 und der Bohrung8a als Einlaßventil
und die drei anderen, am gegenüberliegenden Ende mit Abstand zueinander angeordneten
Abschlußkolben 12, 12' und 13 in Verbindung mit dem Zylinderraum9 und der
Bohrung9a als Auslaßventil dienen. Auf diese Weise ist die als Ausführungsbeispiel
gedachte Kupplung für zwei Drehzahlstufen ausgelegt.
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Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Ventilanordnung ist folgende:
Bei Stillstand des in der Zeichnung nicht veranschaulichten Antriebsmotors, z. B.
eines Dieselmotors, d. h. bei Stillstand der Kupplung, wird der Steuerkolben
14 in der in F i g. 2 veranschaulichten Weise durch die Schraubendruckfeder
15 in der achsnahen Endstellung gehalten. Die Feder 15 stützt sich
dabei einerseits gegen einen Vorsprung 17 innerhalb des Ventilgehäuses
10 und andererseits gegen den Abschlußkolben 12 ab. In dieser Endstellung
sind mithin sowohl das Einlaßventil als auch das Auslaßventil geöffnet.
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Läuft der Antriebsmotor an und erreicht dabei die untere vorgegebene
Drehzahlstufe von z. B. 1200 U,/min, so verschiebt sich der Steuerkolben 14 unter
der Wirkung der Fliehkraft gegen die Vorspannung der Feder 15 in die in F
i g. 3 veranschaulichte Stellung. In dieser Lage ist das Einlaßventil geöffnet,
wodurch gewährleistet wird, daß der Arbeitsraum der Kupplung durch Überfließen der
Flüssigkeit aus dem Vorratsraum 6 vollständig gefüllt wird. Das Auslaßventil
ist in dieser Stellung gleichzeitig durch den Abschlußkolben 12 geschlossen.
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In dieser Stellung würde eine kurzzeitige überlastung der Abtriebsseite
der Kupplung und der damit verbundene größere Schlupf noch zu keiner Entleerung
oder Teilentleerung des Arbeitsraumes führen. Erst eine längere Überlastung hätte
eine Verminderung der Drehzahl des Antriebsmotors zur Folge und dainit eine Verringerung
der auf den Steuerkolben einwirkenden Fliehkräfte. In diesem Falle würde sich folglich
der Steuerkolben unter der Kraft der Feder 1,5 in Richtung auf die untere
Endstellung zu bewegen, wobei der Abschlußkolben 12 das Auslaßventil öffnet. Dabei
kann sich der Arbeitsraurn in dem Maße entleeren, daß die nunmehr erreichte größere
Elastizität der Kupplung zur Erholung des Antriebsmotors ausreicht. Bei Eintritt
normaler Verhältnisse kehrt dann der Steuerkolben 14 wieder in die in F i
g. 3 veranschaulichte Stellung zurück.
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Wird es notwendig, den Antriebsmotor auf die nächsthöhere Drehzahlstufe
von z. B. etwa 1800 U/min einzuregeln, so nimmt der Steuerkolben die in F
i g. 4 veranschaulichte Stellung ein. In dieser Stellung ist das Einlaßventil
durch den Abschlußkolben 11 verschlossen und das Auslaßventil geöffnet. Es
wird folglich eine weitere Nachfüllung des Arbeitsraumes verhindert, während die
Flüssigkeit andererseits die Möglichkeit hat, durch das Auslaßventil in den Vorratsraum
zurückzufließen. Voraussetzung hierfür ist natürlich der Eintritt eines ausreichend
großen Schlupfes zwischen Pumpen- und Turbinenrad, da auf die Flüssigkeit sonst
keine Kräfte wirkten, die sie aus dem Arbeitsraum heraus in den Vorratsraum abdrängen
können.
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Die in der höheren Drehzahlstufe von 1800 U/min benötigte geringere
Flüssigkeitsmenge im Arbeitsraum, die notwendig ist, um das gleiche vorgegebene
Drehmoment zu übertragen, wird beim Hochfahren des Antriebsmotors von 1200 aui
1800 U/min durch die Abschlußkolben 12 und 12' in Verbindung mit dem zwischen
ihnen liegenden Ringraum 16 bewirkt. Dieser Ringraum öffnet beim Hochfahren
über einen bestimmten Drehzahlbereich und somit für einen festlegbaren Zeitraum
das Auslaßventil, so daß die Flüssigkeit durch den beim Hochfahren selbsttätig eintretenden
höheren Schlupf in der gewünschten Menge aus dem Arbeitsraum in den Vorratsraum
austreten kann.
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Tritt in dieser höheren Drehzahlstufe von etwa 1800 U/min eine
Überlastung auf der Abtriebsseite der Kupplung ein, die zur Vergrößerung des Schlupfes
führt und damit eine entsprechende Entleerung des Arbeitsraumes von der Flüssigkeit
durch das Auslaßventil nach sich zieht, so wird ein völliger Zusammenbruch des Drehmoments
dadurch verhindert, daß der Antriebsmotor durch die geringere Füllung des Arbeitsraumes
eine Entlastung erfährt und seine Drehzahl dadurch z. B. auf 1900 U/min steigert.
Mit dieser Drehzahlsteigerung des Antriebsmotors ist auch eine erhöhte Fliehkraft
auf den Steuerkolben verbunden, so daß dieser etwa die in F i g. 5 veranschaulichte
Stellung einnimmt, in welcher das Einlaßventil geöffnet und das Auslaßventil durch
den Abschlußkolben 13 geschlossen ist. Der Arbeitsraum füllt sich folglich
wieder auf, der Antriebsmotor senkt seine Drehzahl auf etwa 1800 U/min, und
der Steuerkolben pendelt sich erneut in die in F i g. 4 veranschaulichte
Stellung ein.
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Die Vorteile der Erfindung lassen sich besonders deutlich an Hand
des in F i g. 6 wiedergegebenen Drehmoment-Drehzahl-Diagranims eines Dieselmotors
veranschaulichen. Die Leistung des Dieselmotors ändert sich in bestimmten Grenzen
gleichmäßig mit der Drehzahl, und zwar entsprechend der in F i g. 6 eingetragenen
charakteristischen Leistungskurve. Soll die durch das Turbinenrad angetriebene Arbeitsmaschine
mit größerer Drehzahl, etwa entsprechend Punkt C des Diagramms betrieben
werden, so kann der Motor ohne weiteres auf diese höhere Drehzahl eingestellt werden.
Die Kupplung soll dann bei dieser Drehzahl das vorgegebene Drehmoment ohne wesentliche
Leistungseinbußen bzw. Wirkungsgradverluste übertragen.
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Etwa das gleiche Drehmoment kann aber der Dieselmotor auch bei wesentlich
niedrigerer Drehzahl, etwa entsprechend dem Punkt A, übertragen. Würde daher
für den Antrieb der Arbeitsmaschine die dem Punkt A entsprechende Drehzahl
von 1200 U/min benötigt, so hätte eine hydrodynarnische Kupplung bekannter Bauart
bei dieser niedrigen Drehzahl - sofern sie auf die zuvor erwähnte höhere
Drehzahl ausgelegt ist - kein ausreichendes übertragungsvermögen,
da
die Leistungsverluste hierbei erheblich sind. Außerdem träte wegen des zu hohen
Schlupfes eine übermäßig starke Erwärmung ein. Die erfindungs-emäß ausgebildete
Kupplung, die im Bereich der niedrigen Drehzahlen durch die Ventile auf volle Füllung
des Arbeitsraumes eingeregelt wird, kann demgegenüber das volle vorgegebene Drehmoment
mit gleich günstigem Wirkungsgrad sowohl in diesem unteren Drehzahlbereich als auch
im höheren Drehzahlbereich bei entsprechend niedriger eingeregeltem Füllungsgrad
übertragen.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Kupplung mit gleichem
Erfolg auch mit anderen geschwindigkeitsregelbaren Antriebsmotoren zusammenarbeiten,
z. B. mit einem polumschaltbaren Elektromotor mit zwei oder mehreren Geschwindigkeits-bzw.
Drehzahlstufen.