DE2103598C3 - Hydrodynamische Kupplung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung mit einem von einem treibenden Gehäuse umschlossenen, durch Pumpen- und Turbinenlaufrad gebildeten Arbeitsraum, in den durch im Pumpentaufrad vorgesehene Schlitze Pumpenradschaufeln axial einge bracht werden können.

Bei bekannten hydrodynamischen Kupplungen haben die beiden axial nebeneinander angeordneten Laufräder die Form zweier Halbtorusflächen, dip einander EU einem ganzen Torus ergänzen. Die Schaufeln er-Strecken sich in beiden Laufrädern — jedenfalls wird dies bei der Erfindung bevorzugt — in Ebenen durch die gemeinsame Achse der Schaufelkränze und Laufräder.

Bei derartigen Kupplungen ist, solange das Turbinenlaufrad Leistung abnimmt immer ein gewisser Schlupf vorhanden. Die Große des Schlupfes und damit das Verhältnis von Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl hängt von der Größe des Drehmomentes ab. welches das Turbinenrad aufnimmt Es; ist aber auch möglich, eine hiervon unabhängige oder hierzu zusätzliche Regelung des Verhältnisses von Antriebsdrehzahl zu Abtriebsdrehzahl zu schaffen.

Hierzu ist es bekannt, das Pumpenlaufrad mit seinen einstückig daran ausgebildeten Pumpenradschaufeln SS fest am Gehäuse auszubilden und das Turbinenlaufrad mit seinen einstückig daran (.umgebildeten Turbinenradschaufeln im Gehäuse axial verschiebbar zu lagern, so daß der Schlupf durch Veränderung des Axialabstandes zwischen den Laufrädern geändert werden kann. Umgekehrt ist es auch bekannt, das Turbinenlaufrad am Gehäuse fest und das Pumpenlaufrad demgegenüber axial verschiebbar zu gestalten. Bei solchen bekannten Kupplungen wird aber selbst bei relativ großem Axialabstand zwischen den beiden Laufrädern, wenn ein Gehäuse mit entsprechend großer Baulänge vorgesehen wird, immer noch ein wesentliches Drehmoment übertragen. Diese Kupplungen haben daher selbst bei verhältnismäßig großer Baulänge, die jedoch für die meisten Anwendungsfälle ungeeignet ist, einen verhältnismäßig kleinen Regelbereich bei verhältnismäßig großem Reglerweg zum Verstellen des Schlupfes. Andererseits kann bei diesen bekannten Kupplungen, wenn das Puxipenlaufrad mit seinen Schaufeln einstükkig mit dem Gehäuse ausgebildet ist, die vorwiegend an den Schaufeln des Pumpenlaufrades auftretende Wärme gu? Ober das Gehäuse nach außen abgegeben werden.

Zum Regeln des Schlupfes ist es auch bekannt, das Turbinenlaufrad mit den einstückig daran ausgebildeten Turbinenradschaufeln und das Pumpenlaufrad axial nicht verschiebbar im Gehäuse zu lagern, und die Pumpenradschaufeln an einem im Gehäuse axial verschiebbaren, sich außerhalb der beiden Laufräder erstreckenden Träger anzubringea Durch axiale Verschiebung des Trägers können somit die Pumpenradschaufeln durch Schlitze im Pumpenlaufrad mehr oder weniger weit in den vom Turbinen- und Pumpenlaufrad gebildeten Arbeitsraum axial eingebracht werden, wodurch sich auch der Schlupf zwischen den beiden Laufrädern ändern läßt Bei solchen Kupplungen kann zwar gegenüber den oben zuerst erwähnten bekannten Kupplungen ein größerer Regelbereich für den Schlupf erhalten werden. Andererseits ist aber die Abfuhr der in den Pumpenradschaufeln entstehenden Wärme ungünstig, welche in besonders hohem Maße gerade an den Grenzflächen zwischen den Pumpenradschaufeln und der Strömungsflüssigkeit entsteht. Da bei einwandfrei arbeitender Konstruktion zwischen den axial verschiebbaren Pumpenradschaufeln und dem feststehenden Pumpenlaufrad Spalte vorhanden sind, ist dort der Wärmeübergang schlecht, so daß die im Arbeitsraum vorwiegend an den Pumpenradschaufeln entstehende Wärme zunächst an die Flüssigkeit abgegeben wird und erst durch diese zur Ableitung nach außen an das Pumpenlaufrad abgegeben werden kann.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Aufgabe gelöst, eine hydrodynamische Kupplung zu schaffen, welche eine optimale Wärmeabführung aus den Pumpenschaufeln aufweist und dennoch bei geringer axialer Baulänge einen Regelbereich für den Schlupf besitzt, der sich von nahe Null bis nahe 100% erstreckt.

Dies wird an einer hydrodynamischen Kupplung der eingangs erwähnten Art erfindungsgnmäß dadurch erreicht daß die Pumpenradschaufeln fest mit der umlaufenden Gehäusestimwand verbunden sind und der vom Turbinen- und Pumpenlaufrad gebildete Arbeitsraum axial verschiebbar auf der getriebenen Welle angeordnet ist

Durch die feste Verbindung der Pumpenradschaufeln mit der umlaufenden Gehäusestimwand kann die in den Pumpenradschaufeln entstehende Wärme über das Gehäuse verhältnismäßig gut abgeführt werden. Die erfindungsgemäße Kupplung zeichnet sich durch weitestgehende. willkürliche Regelbarkeit des Verhältnisses von Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl aus, ist darüber hinaus von einfacher Bauweise, praktisch wartungsfrei, sicher im Betrieb und in sehr kleinen Abmessungen herstellbar.

Wenn auch die Kupplung gemäß Erfindung für viele Zwecke geeignet ist, wo eine Kupplung mit der dargelegten Regelbarkeit erwünscht ist, so ist jedoch das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung der Einsatz der Kupplung zwischen dem Lüfterrad eines Kraftfahrzeugmotors und dem Antrieb für dieses Lüfterrad, welcher in der Regel von einer Riemenscheibe gebildet ist

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Bekanntlich wird bei Kraftfahrzeugen der Bedarf an uytenadleistung mit steigender Fahrgeschwindigkeit immer geringer, während die vom Lüfterrad aufgenommene Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit steigt Die Kupplung gemäß Erfindung erlaubt es hier, im gewünschten Umfang das vom Antrieb auf das Lüfterrad übertragene Drehmoment und. die übertragene Drehzahl zu reduzieren, bis das. Lüfterrad bei höheren Geschwindigkeiten praktisch ohne Leistungsaufnahme umläuft »°

Da erfindungsgemäß der vom Turbinen- und Pumoenlaufrad geMdete Arbeitsraum axial vei schiebbar auf der getriebenen Welle angeordnet ist und die Pumoenradschaufeln fest mit der Gehäusestirnwand verbunden and, kann die erfindungsgemäße Pumpe als eine Einheit ausgebildet werden, welche lediglich an einer Stelle einer Abdichtung zwischen rotierenden Teilen nach außen bedarf. Wenn die Kupplung gemäß Erfindung vollständig flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, muß natürlich darauf geachtet werden, daß die Mittel sum Verschieben des Arbeitsraumes im Gehäuse das for die Flüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen am Gehäuse beim Verschieben der Schaufelräder nicht oder nur möglichst wenig verändern.

Die Pumpenradschaufeln sind gemäß Erfindung bevorzugt mit der Gehäusestirnwand verbunden, weil dies eine Verbindung hoher Festigkeit zwischen Gehäuse und Schaufeln ergibt In äquivalenter Weise können die Pumpenradschaufeln aber auch beispielsweise von der Umfangswandung des Gehäuses radial nach innen abragen.

Bevorzugt sitzt auf der sich durch das Gehäuse erstreckenden, als Hohlwelle ausgebildeten getriebenen Welle eine mit einer Kcrbverzahrung versehene, axial verschiebbare Buchse, auf der das Turbinenlaufrad axial fest und das Pumpenlaufrad drehbar angeordnet ist Diese bevorzugte Ausführun^sform gemäß Erfindung eignet sich auch besonders gut für das oben erwähnte Hauptanwendungsgebiet als Lüfterkupplung. Die Buchse sitzt dabei axial verschiebbar, aber nicht drehbar auf einer sich durch oder in das Gehäuse erstreckenden, dem Antrieb oder vorzugsweise dem Abtrieb dienenden Hohlwelle, in welcher sich ein Stellej, 1 zum axialen Verschieben der Buchse auf der Ho. !welle erstreckt Ein solcher Aufbau erpbt eine gedrängte Bauweise. Bei der Ausbildung al- Lüfterradkupplung ist vorteilhaft das Gehäuse angetrieben und trägt die Hohlwelle des Lüfterrades. Dabei spricht das Stellglied auf die Temperatur der durch den Kühler zuströmenden Luft an, indem es bei Erwärmung seine Länge ändert und die Buchse gegen Federkraft im die Schaufelkränze einander nähernden Sinn verschiebt. Auf diese Weise wird die Abtriebsdrehzahl erhöht 1st die durch den Kühler zuströmende Luft wieder kälter, so werden die Schaufelkränze im sie voneinander entfernenden Sinn durch die Federkraft verstellt wodurch die Abtriebsdrehzahl für das Lüfterrad verringert wird. Nachfolgend ist als erläuterndes Ausführungsbeispiel die Kupplung gemäß Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform als Lüfterradkupplung zu einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor an Hand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fi g 1 einen Axialschnitt durch eine Lüfterradkupplung gemäß Erfindung, wobei die Kupplung in der oberen Hälfte der Figur im ausgerückten Zustand und in *5 der unteren Hälfte der Figur im eingerückten Zustand dargestellt ist, . . .

Fi g. 2 den Schnitt H-II in F i g. 1 bei eingerückter

Kupplung,

F i g. 3 die Ansicht von links in F i g. 1 bei abgenommenem Lüfterrad.

Die gezeigte Kupplung besitzt ein Gehäuse, welches aus dem Gehäusedeckel 1 und dem Bodenteil mit der Gehäusestirnwand 2 besteht Die beiden Gehäuseteile sind mittels Schrauben 35 miteinander verbunden. Das Gehäuse kann mittels der strichpunktiert angedeuteten Schrauben 36 am Keilriemenrad für den Antrieb des Lüfters des Kraftfahrzeugmotors angeflanscht werden. Außen trägt das Gehäuse Kühlrippen 4,5 und 6, welche zur Abführung der im Inneren der Kupplung entstehenden Verlustwärme dienen.

Die Pumpenradschaufeln 3 des Pumpenradschaufelkranzes P sitzen an der Gehäusestirnwand 2 des Bodenteils. Vorzugsweise sind sie mit diesem in einem Stück z. B. im Feinguß- oder Spritzgußverfahren hergestellt Auf einem nach innen ragenden Zapfen 9 des Bodenteils des Gehäuses und in einer vom Gehäusedecket 1 nach außen ragenden Lagernabe 8 ist eine den Abtrieb bildende, als Hohlwelle ausgebildete getriebene Welle 7 drehbar gelagert Sie wird von der Kupplungsflüssigkeit — gewöhnlich einem dünnflüssigen öl — geschmiert An einer axialen Verschiebung ist sie einerseits durch die Anlage an der Gehäusestirnwand 2 und andererseits durch einen Sprengring 16, der über eine Zwischenscheibe 17 an der Lagernabe 8 anliegt, gehindert. Ein Radialdichtring 18 dichtet die getriebene Welle 7 gegen die Lagernabe 8 ab.

Auf der getriebenen Welle 7 ist mittels einer Kerbverzahnung 32 axial verschiebbar eine Buchse 19 gelagert. Die Buchse 19 ist fest beispielsweise durch Preßsitz, mit dem Turbinenlaufrad 33 verbunden. Dieses besteht aus einem Turbinenumlenkteil und den Turbinenradschaufeln 20, die zweckmäßig mit dem Turbinenumlenkteil in einem Stück gegossen sind. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, erstreckt sich das Turbinenlaufrad in axialer Richtung nur etwa über die Hälfte der Buchse 19. Auf der anderen Hälfte der Buchse 19 ist das Pumpenumlenkteil des Pumpenlaufrads 24 drehbar gelagert. Am axialen Verschieben wird das Pumpenlaufrad 24 durch den Sprengring 21 und einen Druckring 22 gehindert. Das Pumpenlaufrad 24 besitzt eine Reihe von sich in seinen Axialebenen erstreckenden Schlitzen 23, durch welche beim Verschieben der Buchse 19 mit den Laufrädern 33 und 24 aus der oben gezeigten, ausgekuppelten Lage in die in F i g. 1 unten gezeigte eingekuppelte Lage die Pumpenradschaufeln in den Innenraum des Pumpenlaufrades 24 eintreten, so daß nunmehr die beiden Laufräder 33 und 24 mit den in ihnen befindlichen beiden Schaufelkränzen Γ und Pin üblicher Weise als Föttinger-Strömungskupplung zusammenwirken.

Man erkennt, daß je nach der Verschiebelage der Buchse 19 die beiden Schaufelkränze T und P einen unterschiedlichen Abstand voneinander haben und daß der Drehzahlabfall von dem Pumpenlaulrad zum Turbinenlaufrad um so größer wird, je weiter sich das Turbinenlaufrad von dem Pumpenradschaufelkranz P entfernt befindet. Durch Einregelung dieses Abstands kann das Verhältnis von Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl geregelt werden.

Im Lagerzapfen 9 ist noch eine Füllschraube 34 zum Einfüllen der Flüssigkeit in die Kupplung vorgesehen.

In das in F i g. 1 linke Ende der als Hohlwelle ausgebildeten getriebenen Welle 7 ist der Abtriebsflansch für das Lüfterrad 15 unter Zwischenlage einer wärmeisolierenden Kunststoffbüchse 10 eingepreßt. Schrau-

ben 14 verbinden den Abtriebsflansch 11 mit dem eigentlichen Lüfterrad 15 Im Abtriebsflansch 11, der mit seiner aus der Zeichnung ersichtlichen Nabe in die getriebene Welle 7 eingepreßt ist, befindet sich eine zentrale Bohrung, in welche ein an sich bekanntes Dehnstoff element 12 eingepreßt ist Wärmeübertragungsrippen 13 des Abtriebsflansches 11 sorgen dafür, daß dte aus demKühler des Kraftfahrzeugs durch den £ährtwind und/oder den Sog des Lüfterrades herangeführte Luft ihre Temperatur rasch dem Abtriebsflansch ti und damit dem Dehnstoffelement 12 mitteilt. Das Dehnstoffelement 12 besitzt ein als zentraler Stift ausgebildetes, axial verschiebbares Stellglied 30, welches mit steigender Temperatur aus dem Dehnstoffelement 12 immer stärker ausgeschoben wird und beträchtliche Kräfte entwickeln kann.

Das freie Ende des Stellgliedes 30 liegt an einer Blattfeder 26 an, die sich durch zwei Längsnuten 31 der hohlen getriebenen Welle 7 erstreckt und mit ihren beiden Enden in eine Ringnut 25 der Buchse 19 ragt, so daß, wenn das Stellglied 30 die Blattfeder 26 in F i g. 1 von links nach rechts verschiebt, dadurch die Buchse 19 und mit dieser das Turbinenlaufrad und das Pumpenlaufrad ebenfalls verschoben werden, wodurch die Pumpenradschaufeln 3 immer stärker in das Pumpenlaufrad 24 eingeschoben werden. Um ein zu starkes Durchbiegen der Blattfeder 26 zu vermeiden, ist diese durch eine zweite Blattfeder 27 verstärkt Im freien Raum zwischen dem als Regler wirkenden Dehnstoffelemeft 12 und dem Lagerzapfen 9 im Inneren der getriebenen Welle 7 erstreckt sich eine der Kraft des Stellgliedes 30 entgegenwirkende Schraubenfeder 28, die über eine Ringscheibe 29 gegen die Blattfedern drückt und somit bestrebt ist Über letztere die Buchse 19 mit dem Turbinenlaufrad und dem Pumpenlaufrad in F i g. 1 nach links in die dem ausgerückten Kupplungszustand entsprechende Lage zu verschieben.

Die Anordnung aus den Blattfedern 26, 27 ist vorgesehen, damit bei sehr hoher Temperatur, wenn sich die axial verschiebbaren Kupplungsteile in der in F i g. I unten gezeigten Lage befinden, ein kurzes weiteres Auswandern des Stellgliedes 30 nach rechts keinen Schaden anrichten kann.

Die gezeigte Kupplung sollte nicht ganz mit Arbeitsflüssigkeit versehen werden. In ihrem Inneren sollte ein Luftvolumen von beispielsweise 2 bis 3 ecm bleiben, damit die Volumenänderung durch das Stellglied 30 im Inneren des Gehäuses aufgenommen werden kann.

Die als Ausführungsbeispiel erläuterte Lüfterradkupplung aibeitel wie folgt

Es sei angenommen, daß die durch den Kühler zuströmende Luft kalt ist Damit ist das Stellglied 30 des

Dehnstoffelements durch die Schraubenfeder in seine linke Grenzlage eingeschoben und die Kupplung befindet sich in dem in F i g. 1 oben gezeigten Zustand. Die angetriebenen Pumpenradschaufeln können kaum Flüssigkeit so radial nach außen fördern, daß diese in nennenswertem Umfang ein Drehmoment auf die Turbinenradschaufeln ausübt da Flüssigkeit aus dem Bereich der Pumpenradschaufeln 3 nur durch die radial äußeren Teile der Schlitze 23 zu den Turbinenradschaufeln 20 strömen kann, so daß auf letztere kaum ein Drehmoment ausgeübt wird. Das Turbinenlaufrad 33 dreht sich also nur ganz wenig relativ zum Pumpenradschaufelkranz P und zu dem Gehäuse. Es nimmt damit über die getriebene Welle 7 und den Abtriebsflansch 11 das Lüfterrad 15 auch nur wenig mit Erwärmt sich nun die dem Lüfterrad durch den Kühler zuströmende Luft so wird der Abtriebsflansch 11 erwärmt und mit diesem das Dehnstoff element 12. Dadurch wird das Stellglied 30 des Dehnstoffelementes 12 um ein dessen Temperatür entsprechendes Maß nach rechts ausgeschoben. Es nimmt gegen die Wirkung der Schraubenfeder das Turbinenlaufrad und das Pumpenlaufrad nach rechts mit so daß der Pumpenradschaufelkranz Pum ein entsprechendes Maß in das Pumpenlaufrad 24 eintritt so daß nun der im Inneren des Pumpenlaufrades 24 befindliche Teil des Pumpenradschaufelkranzes P mit dem Turbinenlaufrad 33 in üblicher Weise als Föttinger-Kupplung zusammenwirkt Auf diese Weise wird das Lüfterrad 15 mit gegenüber der Drehzahl bei zuströmender Kaltluft wesentlich erhöhter Drehzahl mitgenommen, die aber noch nicht nahe an die Antriebsdrehzahl des Pumpenlaufrades herankommt Die Verluste in einem solchen Zwischenzustand sind verhältnismäßig gering. 1st in diesem Zustand bereits eine stabile Beziehung zwisehen der Kühlwassertemperatur im Kühler und der Leistung des Lüfterrades erreicht so wird der Zustand beibehalten. 1st ein solcher Zustand noch nicht erreicht Su wird das Turbinenlaufrad mit dem Pumpenlaufrad immer weiter nach rechts geschoben, bis im Grenzfall die in F i g. 1 unten gezeigte Lage erreicht ist in welcher der Schlupf der Kupplung seinen geringstmöglichen Wert angenommen hat Sinkt nun die Temperatur der zuströmenden Luft wieder ab, beispielsweise weil der Regeleffekt zu stark war oder aus anderen Gründen, so kann das Dehnstoffelement 12 auf sein Stell glied 30 keine Kraft mehr ausüben, und die Schrauben feder schiebt das Stellglied 30 wieder um ein entspre chendes Maß in das Dehnstoffelement 12 ein. Hierbei wird das Turbinenlaufrad mit dem Pumpenlaufrad wie der mitgenommen, bis wieder ein stabiler Zustand er reicht ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

t.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hydrodynamische Kupplung mit einem von einem treibenden Gehäuse umschlossenen, durch S fumpensued Turbinenlaufrad gebildeten Arbeitsraum, in den durch im Pumpenlaufrad vorgesehene Schlitze Pumpenradschaufeln axial eingebracht werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenradschaufeln (3) fest mit der umlaufenden Gehäusestirnwand (2) verbunden sind und der vom Turbinen- und Pumpenlaufrad (33 und 24) gebildete Arbeitsraum axial verschiebbar auf der getriebenen Welle (7) angeordnet ist

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- >5 zeichnet, daß auf der sich durch das Gehäuse (1,2) erstreckenden, als Hohlwelle ausgebildeten getriebenen Welle (7) eine mit einer Kerbverzahnung (32) versehene, axial verschiebbare Buchse (19) sitzt, auf der das Turbinenlaufrad (33) fest und das Pumpenlaufrad (24) drehbar angeordnet ist

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der getriebenen Hohlwelle (7) ein auf die Lufttemperatur ansprechendes Stellglied (30) zum axialen Verschieben der Buchse (19) angeordnet ist