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HYDRODYNAZISCHE KtTLUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
hydrodynamische Getriebe, genauer auf hydrodynamische Kupplungen.
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Die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Krupp lungen werden
am zweckmäßigsten als Sicherheitskupplungen in Antrieben verwendet, die einen Asynchronmotor
enthalten.
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Bekannt sind hydrodynamische Sicherheitskupplungen zur Verbindung
von Wellen. In diesen Rydrokupplungen sind zwei Laufräder vorhanden: ein Pumpenrad
und ein Turbinenrad mit Radialschaufeln. Das Pumpenrad ist mit der Motorwelle verbunden,
das Turbinenrad aber mit der Welle der Arbeitsmaschine. Diese Räder, die mit einem
Axialspalt angeordnet
die sind, der durchVStirnkanten der Schaufeln
begrenzt ist, bilden einen turusähnlichen Arbeitsraum.
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An einem der Laufräder, meist am Turbinenrad ist eine Scheibe angebracht,
die nach innen in den Arbeitsraum ragt.
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Dieser hineinragende Scheibenteil bildet an dem Strömungsaustritt
aus dem Turbinenrad eine Schwelle, die zur Begrenzung des von der Kupplung übertragenen
Moments im Bereich starken Schlupfes bestimmt ist. Diese Kupplungen besitzen außer
dem Arbeitsraum einen Zusatzraum, der mit dem Arbeitsraum kommuniziert. Seine Füllung
erfolgt bei erhöhtem Schlupf der Iiydrokupplung.
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Die bekannten Hydrokupplungen befriedigen nicht hinsichtlich des
Kennlinienverlaufs (Abhängigkeit des zu übertragenden Momentes vom Schlupf der llydrokupplung)
Das hohe maximale Moment in den erwähnten Hydrokupplungen ruft eine Überlastung
des Elektromotors und der Transmission der Arbeitsmaschine hervor. Vorhandene Zonen
minimaler Momente verschlechtern die Zugeigenschaften des Antriebs, ja machen mitunter
den Anlauf unter Last undurchführbar.
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Außerdem gewährleisten diese Kupplungen die erforderliche ;wnsprechgeschwindigkeit
beim Notbremsbetrieb nicht, weil die Flüssigkeit es nicht rechtzeitig schaffen kann,
aus dem Arbeitsraum während der Bremsperiode in den Zusateraum überzufließen. Dies
führt wiederum dazu, daß die Flü:'sigkeitsmen
te, die durch die
Schaufelkanäle des Arbeitsraums fließt, sich als bedeutend größer erweist als beim
stationären Betriebszustand, ss zur Folge hat, daß die Kupplung beträchtliche Lomente
zu übertragen hat, die das nominale um ein 4 bis 6faches übersteigen, was unerwünscht
ist.
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Dies Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten
Nachteile.
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Der Erfindung war die Aufgabe zugrundegelegt, eine solce hydrodynamische
Kupplung zur Verbindung von Wellen zu schaffen, bei der bei voller Füllung des Arbeitsraums
uch bei Nichtvorhandensein eines Zusatzraumes der zuverlässige Schutz des Elektromotors
und der Arbeitsmaschine vor Überlastung und die Konstanz des Momentes in der Zone
nichtarbeitsbezogenen Schlupfes (der unstabile Teil der mechanischen Kennlinien
:) gewährleistet ist, einer Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in v hrdrodynamischen
Kupplung zur Verbindung von Wellen, in der Pumpen- und Turbinenrad mit Radialschaufeln
einen torusähnlichen Arbeitsraum bilden, wobei an einem dieser Räder eine Scheibe
angebracht ist, die nach innen in den Arbeitsraum ragt und eine Schwelle am Strömungsaustritt
aus dem Turbinenrad zur Begrenzung des von zur hydrodynamischen Kupplung übertragenen
Momentes bildet, erfindungsgemäß das Verhältnis des Innen- und-des Außendurchmessers
des
Arbeitsraums im Bereich von 0,60 - 0,65 liegt.
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Ein Versuchsmuster der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten
Kupplung ist im Antrieb eines Abbaukratzförderers angeordnet. Die Anordnung dieser
Kupplung im Förderer gestattete es, die Lebensdauer seiner Baugruppen zu erhöhen
sowie den Elektromotor zuverlässig vor Überlastungen zu schützen.
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Nachstehend wird die Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen angeführt;
in den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 - hydrodynamische Kupplung gemäß der Erfindung
(Längsschnitt bis zur Symmetrieachse); Fig. 2 - Kennlinien der Nydrokupp lung; Fig.
3 - Flüssigkeitsumlauf im Arbeitsraum bei stationärem Betrieb; ag. 4 - dasselbe
bei nichtstationärem Betrieb.
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Die hydrodynamische Kupplung besitzt ein Pumpenrad 1 (Fig. 1), das
mit der Welle (nicht abgebildet) des Motors verbunden wird, sowie ein Turbinenrad
2, das mit der (nicht dargestellten) Welle der Arbeitsmaschine (beispielsweise mit
der
Getriebewelle des Förderers) verbunden wird. Diese Räder besitzen gerade flache
Radialschaufeln 3. Das Pumpenrad 1 und das Turbinenrad 2 sind auf Lagern 4,5 gelagert,
derart, daß zwischen den Stirnflächen der Schaufeln 3 ein Axialspalt 6 bleibt.
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Das Pumpenrad 1 und das Turbinenrad 2, die gleiche Konfiguration
des Strömungsteiles haben, bilden einen torusähnlichen Arbeitsraum 7.
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Am Turbinenrad 2 ist eine Scheibe 8 angebracht,-die nach innen in
den Arbeitsraum 7 um eine höhle ragt, die 0,04 bis 0,05 (D2 - D1) beträgt. Dieser
hineinragende Teil der Scheihe 8 bildet eine Schwelle 9 am Strömungsaustritt aus
dem Turbinenrad 2. Durch änderung der Höhe der Schwelle 9, die im Bereich nichtarbeitsbezogenen
Schlupfes die Ablenkung der Strömung an die Peripherie und hierdurch die Verringerung
ihres Energieintensität hervorruft, kann man die Überlastungsfähigkeit der Hydrokupplung
in Abhängigkeit von dem maximalen Moment des Elektromotors und dem Sicherheitsfaktor
der Maschinenelemente regeln.
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Mit dem Pumpenrad 1 ist seitens des Turbinenrades 2 ein Gehäuse 10
starr verbunden, das auf dem Lager 4 abgestützt ist und zusammen mit dem Pumpenrad
1 und einer Dichtung 11 den geschlossenen Hohlraum der Hydrokupplung bildet.
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Das Verhältnis der Durchmesses des Arbeitsraums, d.h,
des
Innendurchmessers D1 und des Außendurchmessers D2 wird im Bereich von ## = 0,6 -
0,65 gewählt.
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Diese Verhältnisse gewährleisten einen zuverlässigen Schutz des Elektromotors
und der Arbeitsmaschine vor Überlastungen und ermöglichen es, in der Zone nichtarbeitsbezogenen
Schlupfes einen ungefähr konstanten Wert des von der Hydrokupplung übertragenen
Momentes und somit auch eine konstante Beschleunigung beim Anlassen der Arbeitsmaschine
zu haben.
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In dem beschriebenen Beispiel ist das Verhältnis der Durchmesser
als D1 = 0,62 gewählt, wobei der Außendurchmes-D2 ser D2 400 mm gleich ist (die
übertragene Leistung betrug 32 kW bei einer Drehzahl des Pumpenrades von 1480 U/min).
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Bei experimentellen Untersuchungen dieser Rydrokupplung sind mechanische
Kennlinien erhalten worden, die in Fig. 2 durch ausgezogene Linien dargestellt sind.
Diese Kennlinien geben die Abhängigkeit zwischen dem Verhältnis des übertragenen
Momentes M zum Nennmoment wieder.
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Mn (M/M) und dem Schlupf S # Die Kurve "a" stellt n die Kennlinie
der Ilydrokupplung bei stationären Betriebszuständen, die Kurve b die Charakteristik
bei
Notbremsung im Laufe von O,5sek (nichtstationärer Betrieb) dar.
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Wie aus den angeführten Kennlinien folgt, ändert sich in der Zone
nichtarbeitsbe7jogenen Schlupfes von 20 bis 100% das Moment der Hydrokupplung nur
unbedeutend und ist ungefahr M = 2,0 - 2,2 gleich. Dies erlaubt den Einsatz M der
Hydrokupplung als eine Sicherheitskupplung beim Arbeiten mit dem üblichen Asynchronmotor.
Da die Überlastungsfähig keit der Hydrokupplung M niedriger als bei dem Motor M
n liegt, hat der letztere die Möglichkeit, mit der Arbeitsdrehzahl bei allen Überlastungen
der Arbeitsmaschine stabil zu arbeiten. Diese Charakteristik gewährleistet die Konstanz
der Beschleunigung beim Anlassen der Arbeitsmaschine unter ständiger Last, was für
Maschinen wie Band- und Eratzförderer sehr von Bedeutung ist. Bei Notbremsung der
mit dem Turbinenrad 2 verbundenen Welle der Arbeitsmaschine unterscheidet sich die
Kennlinie "b" nur unbedeutend von der Kennlinie "a" bei stationärem Betrieb.
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Dies erklärt sich dadurch, daß die Begrenzung des Momentes bei stets
gefülltem Arbeitsraum erzielt wird. Der minimale Unterschied zwischen den erwähnten
Kennlinien ao und wb" macht es möglich, dynamische Kräfte herabzusetzenw die in
ien Maschinen bei Notbremsung entstehen. Dies ist besonders
für
Berg- und Straßenbaumaschinen von Bedeutung, deren die Betriebszustände durch Wirkung
ähnlicher dynamischer Beanspruchungen charakterisiert werden Vergleichsweise sind
in Fig. 2 Kennlinien (unterbrochen Linien) des Hydrokupplung mit obensolchem Außendurchmesser
des Arbeitsraums gezeigt, die aber einen Zusatzraum aufweist.
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Die Kurve "c* stellt die Kennlinie . der Hydrokupplung mit Zusatzraum
bei stationsären Betriebszustän den, die Kurve 2"d" die Kennlinie bei Notbremsung
im Laufe von 0,5 sek (nichtstationärer Betrieb) dar.
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Wie aus diesen Kennlinien folgt, besitzt die Kurve "c" in dem Punkt
"e" die Zone minimalen Momentes #### = 1,3).
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M einer Das Anlassen der Arbeitsmaschine unter Last, die den Wert
des minimalen Momentes übersteigt, wird bei der Hydrokupplung mit Zusatzraum undurchführbar
sein, weil ihr Schlupf hierbei eine Größe erreicht, die beispielsweise dem -Punkt
"f" entspricht, doch sich nicht bis zu der Größe vermindert, die dem Punkt "g" auf
dem Arbeitsabschnitt der Kennlinie "d" d" entspricht. Dies führt zur Überhitzung
der Flüssigkeit in der Hydrokupplung und Störung des Betriebszustandes.
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Die Kennlinie "d" der Hydrokupplung mit Zusatzraum
übersteigt
bei Notbremsung die Kennlinie "c" bei stationärem Betrieb in beträchtlichem Maße.
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Die vorgeschlagene hydrodynamische Kupplung arbeitet folgenderweise.
Bei stationärem Betrieb unter lirbeitslast arbeitet die Hydrokupplung genauso wie
alle bekannten Hydrokupplungen. Die Strömung, die eine geringe Umlaufgeschwin digkeit
besitzt, wird durch Fliehkräfte an die Peripherie des Arbeitsraumes abgedrückt,
wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
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Da die Strömung um die Schwelle 9 herumläuft, ohne eine Deformation
zu erfahren, so wird ein hoher Wirkungsgrad (0,96 - 0,97) gewährleistet.
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Bei nichtarbeitsbezogenem Schlupf, wenn die Umlaufge schwindigkeiten
der Strömung durch die Schaufelkanäle groß sind, erfolgt ihre Zusammenwirkung mit
der Schwelle und Ablenkung an die Peripherie (wie es in Fig. 4 gezeigt ist).
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Dadurch erfolgt die Verminderung des Querschnitts und der Energieintensität
der Strömung und somit auch des übertragenen lflomentes.
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Ist eine beträchtliche Verringerung der Überlastungsfähigkeit der
Hydrokupplung notwendig, so kann man zwischen der Scheibe 8 und der Scheibe 12 des
Turbinenrades 2 eine kleine Kammer vorsehen, die 10-15% des Volumens des Arbeitsraums
beträgt. Diese Kammer wird mit Flüssigkeit nur bei nichtarbeitsbezonenem Schluß
gefüllt, was eine zusätzliche Verminderung des von der Kupplung übertragenen Momentes
ermöglicht.