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Hydraulisch wirksame Kupplung Die Erfindung betrifft eine hydraulisch
wirksame Kupplung, insbesondere eine Anlaufkupplung für weich anzufahrende Antriebseinheiten
wie beispielsweise Drahtziehmaschinen, Textilmaschinen oder dergleichen, mit einer
einen Druckmittelstrom bewirkenden Pumpvorrichtung und einer auf dem freien Ende
einer Antriebswelle festlegbaren Buchse und einem auf dieser gelagerten, mit einer
dem Abtrieb dienenden Keilriemenscheibe ausgestatteten und das Druckmittelsystem
aufnehmenden Gehäuse.
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Verbreitet werden für den angegebenen Zweck Turbokupplungen verwendet,
die nach dem Föttinger-Prinzip ausgebildet sind und Primär- und von diesen angetriebene
Sekundärschaufelräder aufweisen. Als nachteilig stellt sich jedoch heraus, daß sowohl
das Anlaufmoment als auch die zum Hochlaufen eines angetriebenen Aggregates erforderliche
Zeit sich kaum individuell vorgeben lassen. Im wesentlichen ist die Höhe des auf
das angetriebene Aggregat übertragenen Drehmomentes von der Bauart der Turbokupplung,
vom Quadrat der Antriebsdrehzahl und vom jeweiliegen Schlupf abhängig. Eine willkürliche
Beeinflussung beziehungsweise eine Anpassung des Antriebsmomentes an den Anlaufvorgang,
insbesondere unter Berücksichtigung eventuell auftretender Erschwernisse, ist praktisch
nicht möglich. Eine Beeinflussung solcher Kupplungen kann nur durch Füllen bzw.
Leeren des Flüssigkeitskreislaufes oder aber bei Ausbildungen erreicht werden, bei
denen Schaufelstellungen variiert werden können. Das Füllen und Leeren des Kreislaufes
läßt eine schnell reagierende, feinfühlige Einstellung bzw.
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Regelung nicht zu, und die Ausbildung als Wandler mit änderbarer Schaufelstellung
erweist sich sowohl als aufwendig als auch ebenfalls relativ träge.
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Zwar sind verbreitet für die unterschiedlichsten Zwecke Reibungskupplungen
im Gebrauch; diese sind aber verschleißempfindlich und eignen sich daher nicht dazu,
über längere Zeiten anlaufende Maschinen mit großem und nur langsam absinkendem
Schlupf zu betreiben.
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Es ist ferner aus der DT-PS 1 270 491eine Bremsrolle bekannt, deren
hydraulische Bremseinrichtung eine im Rollenmantel untergebrachte, durch die feststehende
Achse angetriebene Zahnradpumpe aufweist, die gegen eine im Bedarfsfall nachstellbare
Drosselstrecke arbeitet. Mit ihren feststehenden Achsen lassen sich derartige Bremsrollen
zwar zum Abfangen von über Rollenbahnen ablaufenden Paletten einsetzen, nicht aber
als lange Zeit mit erheblichem Schlupf betreibbare Kupplung zwischen einer Antriebs-
und einer angetriebenen Vorrichtung, und selbst als Bremsvorrichtung für angetriebene
Einrichtungen läßt sie sich nicht verwenden. Nach Einstellen oder Nachstellen der
Drosselstrecke ist eine Einflußnahme auf die Charakteristik und damit das von der
Bremsrolle bei bestimmter Drehzahl entwickelte Moment nicht möglich.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine verschleißarme Kupplung
der angegebenen Gattung zu schaffen, die während des Anlaufens angetriebener Maschinen
über lange Zeit bei hohem Schlupf geringe Abtriebsdrehzahlen einzuhalten gestattet,
und bei der mit geringem Bauaufwande insbesondere während des Anlaufens angetriebener
Aggregate das Abtriebsmoment manuell und/oder selbsttätig beeinflußbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe, indem das Gehäuse der gemäß der oben bezeichneten
Gattung ausgebildeten hydraulisch wirksamen Kupplung mit mindestens einer von der
Buchse angetriebenen Verdrängerpumpe ausgestattet wird, deren Druck- und Saugseite
über mindestens ein mit einem während des Betriebes betätigbaren bzw. tätigen Einstell-
und/oder Regelantrieb ausgestattetes
Drosselventil miteinander verbunden
sind. Hierdurch läßt sich erreichen, daß die Verdrängerpumpe bzw. die Verdrängerpumpen
gegen regel- bzw. steuerbare Widerstände arbeiten und bei im wesentlichen von ihrer
Drehzahl abhängigem Förderstrom unterschiedlich hohe Förderhöhen zu bewältigen haben,
die ihnen entsprechende, als Antriebsmomente genutzte Drehmomente abfordern.
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Das Ventil kann durch eine über ein stationäres Stellgerät axial auf
der Buchse oder im Gehäuse verschiebbare Stellbuchse verstellbar sein. Es können
aber auch ein elektrisch betätigbares Ventil vorgesehen und der Kupplung Schleifring-
Stromzuführungen zugeordnet sein, welche die Betätigung des Ventiles ermöglichen.
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Das beziehungsweise eines der Ventile läßt sich auch durch Stellkolben
betätigbar ausbilden, wobei der Stellkolben über eine Drosselbohrung von der Verdrängerpumpe
beaufschlagt gegen einen Kraftspeicher anstellbar ist. Die Betätigung des Stellkolbens
läßt sich auch, gegebenenfalls über eine Drosselbohrung zeitverzögert, durch Druckventile
bewirken. Zur Begrenzung des übertragbaren Momentes hat es sich bewährt, parallel
zu einer in der Verbindungsleitung von Saug- und Drosselseite der Verdrängerpumpe
angeordneten Drosselstrecke ein Uberdruckventil vorzusehen. Drehzahlabhängige Beeinflussungsvorgänge,
beispielsweise zum Erhöhen des übertragbaren Momentes nach Beendigung der Anlaufphase
angetriebener Aggregate lassen sich erreichen, wenn der Antrieb des Ventiles einen
Zentrifugalregulator aufweist, und die Zentrifugalgewichte in Abhängigkeit von der
Drehzahl das Ventil betätigen.
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Bewährt hat es sich, zur Beeinflussung der jeweils durch die Verdrängerpumpe
zu überwindenden Förderhöhe ein Drosselventil vorzusehen. Es ist aber auch möglich,
einfache Schaltventile zu verwenden, bei denen der jeweilige Durchflußwiderstand
durch diesen zugeordnete und durch diese wirksame Drosselstrecken
bestimmt
wird. Solche Ventile können Drosselstrecken überbrücken und damit kurzschließen.
Sie können aber auch, in Serie mit einer Drosselstrecke angeordnet, diese ein- bzw.
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zuschalten. Es sind auch Kombinationen dieser Grundschaltungsarten
möglich, nach denen beispielsweise einer, vielleicht schon durch ein Ventil wirksam
gemachten, Grunddrosselstrecke über ein Ventil eine weitere, mit diesem in Serie
angeordnete Drosselstrecke parallel geschaltet wird. Ebenso ist es möglich, eine
Kupplung sowohl mit einem oder mehreren Schaltals auch einem oder mehreren Drosselventilen
auszustatten, die jeweils einzelnen Schaltvorgängen zugeordnet sind und in Kombination
wirksam werden.
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Bei der Verwendung von Zahnradpumpen hat es sich als nachahmenswert
erwiesen, diese planetengetriebeartig mit großem Sonnenrad und kleinem Planetenrad
auszubilden.
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Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen
erläutert.
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Es zeigen hierbei: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Kupplung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Kupplung nach Fig. 1, Fig. 3 schematisch einen
Querschnitt durch eine mit einer übersetzt angetriebenen Zahnradpumpe ausgestattete
Kupplung, Fig. 4 schematisch einen Querschnitt durch eine mit Kolbenpumpen ausgestattete
Kupplung, Fig. 5 schematisch eine Vorrichtung zur manuellen Betätigung von Ventilen,
und Fig. 6 das hydraulische Schaltbild einer Kupplung.
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In Fig. 1 ist eine mit einer nicht dargestellten Keilnut ausgestattete
Buchse 1 gezeigt, die auf das abgebrochen dargestellte Abtriebs-Wellenende 2 eines
Elektromotors geschoben
und mit diesem drehfest verbunden ist. Auf
der Buchse 1 ist ein Gehäuse 3 gelagert, das, wie auch Fig. 2 zeigt, in einer Ausnehmung
4 ein mit der Buchse 1 verbundenes Sonnenrad 5 aufweist. Mit dem Sonnenrad 5 kämmt
ein im Gehäuse 3 gelagertes Planetenrad 6. Sonnenrad und Planetenrad bilden eine
Zahnradpumpe, und die an den gegenüberliegenden Scheiteln der Räder dicht bis zu
diesen führende Ausnehmung weist im Eingriffsbereiche der Zahnräder die Saugseite
7 und Druckseite 8 der Zahnradpumpe auf.
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Die Saugseite 7 und die Druckseite 8 der durch das Sonnenrad 5 sowie
das Planetenrad 6 gebildeten Zahnradpumpe sind durch eine Leitung 9 miteinander
verbunden, welche den Hydraulik-Kreislauf der Zahnradpumpe schließt. In dieser Leitung
9 ist ein Ventil lo vorgesehen, das durch einen mittels einer Feder in eine Endlage
vorgespannten Stellkolben betätigbar ist. Mit dem Ventil in Reihe angeordnet ist
eine Drosselstrecke 12, und parallel zum Ventil 10 mit Drosselstrecke 12 ist eine
Drosselbohrung 13 angeordnet, welche die Zylinderkammer 14 des Stellkolbens 11 beaufschlagt.
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Ein weiteres Ventil 15 ist manuell während des Laufes der Kupplung
betätigbar. Es ist mit einer- mit ihm in Serie angeordneten Drosselstrecke 16 parallel
zum Ventil lo mit Drosselstrecke 12 angeordnet und in seiner Ausgangsstellung geschlossen.
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Mit dem Gehäuse ist eine mehrere Nuten aufweisende Keilriemenscheibe
verbunden, die dem Abtrieb dient.
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Wird der die Buchse 1 treibende Elektromotor eingeschaltet, so beginnen
das Sonnenrad 5 sowie das von diesem mitgenommene Planetenrad 6 sich zu drehen und
beginnen, die die Ausnehmung 4 sowie die Leitung 9 füllende Druckflüssigkeit zu
fördern.
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Hierbei entsteht an der Drosselstrecke 12 ein Druckabfall.
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Um die hierfür erforderliche Förderhöhe aufzubringen, nimmt die durch
das Sonnenrad 5 sowie das Planetenrad 6 gebildete Zahnradpumpe ein Moment auf, das
zwischen der Buchse 1 und dem Gehäuse 3 bzw. der Keilriemenscheibe 18 als Abtriebsmoment
wirksam wird. Nach Einschalten des antreibenden Elektromotores ist die Buchse schnell
auf dessen Synchrondrehzahl gebracht, während das mit dem angetriebenen Aggregat
über ein Keilriemenvorgelege verbundene Gehäuse 3 zunächst noch steht. Damit wird
die Abtriebsdrehzahl des Motors voll als Antriebsdrehzahl der Zahnradpumpe wirksam,
und diese gibt ihren größten Förderstrom ab. Da die Drosselstrecke 12 eine große
lichte Weite und damit einen nur geringen Strömungswiderstand aufweist, bleiben
trotz des starken Förderstromes Förderhöhe und, damit verbunden, das auf das Gehäuse
3 übertragene Antriebsmoment zunächst nur gering. Das anzutreibende Aggregat wird
zunächst mit geringem Moment bei sehr starkem Schlupf der gebildeten Kupplung langsam
und schonend angefahren.
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Die zwischen der Saugseite 7 und der Druckseite 8 bestehende Druckdifferenz
beaufschlagt über eine enge Drosselbohrung 13 die Zylinderkammer 14 des Stellkolbens
11. Infolge der engen Drosselbohrung wird der Stellkolben 11 nur sehr langsam vorgeschoben
und betätigt hierbei das durch ihn gesteuerte Drosselventil 10 im Schließsinne.
Damit wächst der Strömungswiderstand der Serienschaltung des Drosselventiles lo
mit der Drosselstrecke 12, und dementsprechend steigt das zur Überwindung der dem
Druckabfall an diesem Strömungswiderstand entsprechenden Förderhöhe aufzubringender
Moment. Das bedeutet, daß mit langsamen Schließen des Drosselventiles auch das abgegebene
Antriebsmoment ansteigt. Das steigende Moment wiederum beschleunigt das angetriebene
Aggregat, beispielsweise einen Zug einer Drahtziehmaschine, und mit steigender Drehzahl
sinken der Schlupf bzw. die Drehzahldifferenz zwischen Buchse 1 und Gehäuse 3 und
damit auch die Drehzahl sowie die Fördermenge der
Zahnradpumpe.
Mit der Fördermenge aber sinkt auch der Druckabfall. Damit wird erreicht, daß beim
Einschalten des Elektromotores von der Zahnradpumpe zunächst nur ein sehr geringes
Moment entwickelt wird, das zeitabhängig ansteigt und in Abhängigkeit von der Abtriebsdrehzahl
abfällt. Bleibt beim Beschleunigen einer Drahtziehmaschine einer der Züge in der
Drehzahl nach, so wird dieser mit verstärktem Moment auch stärker beschleunigt,
während bereits hochgefahrene Züge mit entsprechend dem geringeren Schlupf auch
geringeren Moment beaufschlagt werden. Damit läßt sich beim Anfahren einer Drahtziehmaschine
erreichen, daß weich und elastisch die Züge auf einander entsprechende Geschwindigkeiten
beschleunigt werden. Nach endgültigem Hochfahren wird das Drosselventil ganz oder
aber nur nahezu völlig geschlossen, so daß die Kupplung nunmehr mit sehr geringem
Schlupf arbeitet. Über das manuell betätigbare Ventil 15 ist jederzeit ein Eingriff
möglich, so daß beispielsweise während des Einfahrens, sich beim Einlaufen ergebender
Schwierigkeiten oder dergleichen die Kupplung lange mit geringem, vorgebbarem Moment
den Antrieb zu bewirken vermag.
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Bei der Ausbildung der der Kupplung zugeordneten Verdrängerpumpe als
Zahnradpumpe gemäß Figuren 1 und 2 ist das Sonnenrad 5 mit wesentlich größerem Durchmesser
ausgeführt als das Planetenrad 6. Da die durch den Rückstau der Pumpe bewirkten
Kräfte an den Umfang der Zahnräder angreifen läßt sich durch Anwendung eines Sonnenrades
großen Durchmessers leicht ein erwünschtes großes Moment erzielen. Eine alternative
Anordnung ist in Figur 3 veranschaulicht: Als Gehäuse ist hier eine einfache Platte,
beispielsweise der Flansch einer Keilriemenscheibe, vorgesehen, auf dem die von
der Buchse über eine Keilriemenbersetzung 19 angetriebene, in sich geschlossen und
getrennt erstellte Zahnradpumpe 20 aufgespannt ist. Die mit steuer- bzw. regelbaren
Ventilen sowie Drosselstrecken ausgestattete Leitung 21 kann hier
über
ihre ganze Länge als einfache, mit der Scheibe verbunden ne Rohrleitung ausgebildet
sein, während beim Ausführungsbeispiel nach Figuren 1 und 2 die Leitung 9, gegebenenfalls
über ihre volle Länge, als Gehäuseausnehmung ausgebildet sein kann. Der übersetzte
Antrieb der Zahnradpumpe 20 ergibt höhere Umdrehungszahlen derselben und übersetzt
andererseits das an der Zahnradpumpe aufzubringende Moment.
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Wie Figur 4 zeigt, ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von
Verdrängerpumpen beschränkt. Wenn wegen der bereits vorliegenden Rotationsbewegung
im allgemeinen Rotationspumpen einen einfachen Aufbau sichern, so können doch auch
andere Bauarten, z.B. mit Scheibenkolben ausgestattete Kolbenpumpen, vorgesehen
werden.
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Nach der schematischen Darstellung der Figur 4 ist die mit der Antriebsachse
des antreibenden Motors zu verbindende Buchse 22 mit einem Kurbelzapfen 23 ausgestattet,
an den drei Pleuel 25 angelenkt sind, die ihrerseits wiederum mit drei in drei Zylindern
26 laufenden Kolben 27 verbunden sind.
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Die drei Zylinder können jeweils mit zugeordneten Drosselstrecken
und Ventilen ausgestattet sein, die auch voneinander abweichende Steuerungsvorgänge
gestatten. Im Ausführungsbeispiel jedoch sind jeweils die Saug- und die Druckseiten
der mittels der drei Zylinder aufgebauten Pumpen miteinander verbunden, so daß alle
drei auf eine Leitung 28 arbeiten. Die in Figur 4 dargestellte Kupplung ist mit
einem einfachen, asymmetrischen Zentrifugalregler 29 ausgestattet, der auf ein mittels
einer Feder 30 vorgespanntes Ventil 31 einwirkt.
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Hierdurch läßt sich erreichen, daß beim Erreichen der Soll-Abtriebsdrehzahl
das Ventil 31 geschlossen wird und vom Erreichen der Solldrehzahl ab die Kupplung
mit geringem Schlupf arbeitet. Eine Momentenbegrenzung wird durch ein Überdruckventil
32 bewirkt, das die Förderhöhe der Kolbenpumpen auf ein vorgegebenes
Maß
begrenzt, wobei kurzzeitige Druckbelastungen durch einen in der Kupplung angeordneten
Druckspeicher 33 aufgenommen werden.
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Gemäß Figuren 2 und 5 läßt sich die manuelle Beeinflussung von Ventilen
über eine Stellbuchse 34 bewirken, die auf einem mit dem Gehäuse 3 zentrisch verbundenen
Zapfen 17 axial verschiebbar angeordnet ist. Die in den Richtungen des Doppelpfeiles
verschiebbare Stellvorrichtung 24 greift an die Stellbuchse 34 über ein Axiallager
35 an. Axiale Verschiebungen der Stellbuchse können direkt auf ein Ventil übertragen
werden. Gemäß Figur 1 jedoch ist der Zapfen 17 mit einem nicht selbstsperrenden
Schraubengetriebe ausgestattet, das bei Axialverschiebungen der mittels eines Bolzens
in dieses eingreifenden Stellbuchse 24 Drehbewegungen derselben bewirkt, die über
Wippen 36 und Schaltstangen 37 auf das Ventil 15 übertragen' werden.
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Unterschiedliche in Kombination wirksame Änderungsmöglichkeiten sind
anhand des Hydraulikschaltbildes eines weiteren Ausführungsbeispieles erläutert.
Gemäß Figur 6 ist als Verdrängerpumpe eine Zellenpumpe 39 vorgesehen, zwischen deren
Saugseite 40 und Druckseite 41 die unterschiedlichen, das Verhalten der Kupplung
bewirkenden Elemente angeordnet sind.
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Einen manuellen Eingriff erlaubt das mit einer Drosselstrecke 42,
welche die Grund-Förderhöhe sichert, in Serie geschaltete, manuell betätigbare Drosselventil
43. Eine zeitabhängige Steigerung des Abtriebsmomentes wird durch das Drosselventil
44 erzielt, das zum Erreichen einer Grundförderhöhe mit der Drosselstrecke 45 in
Serie angeordnet ist. Um an der Drosselstrecke 45 beim Einsetzen des Antriebes,
das heißt, bei einem Schlupf von ca. 80 bis 100%, diese Förderhöhe zu begrenzen
ist der Drosselstrecke 45 ein den Druckabfall begrenzendes, auf- eine Drosselstrecke
4tarbeitendes Überdruckventil 46 zugeordnet. Das Ventil 44 ist durch eine Feder
einseitig vorgespannt und gegen die Kraft der Feder durch eine
hydraulische
Betätigungsvorrichtung 48 abhebbar, die über eine Drosselstrecke 49 beaufschlagbar
ist. Hierdurch wird, wie bereits oben beschrieben, erreicht, daß das Drosselventil
sowohl in zeitlicher Abhängigkeit als auch in Abhängigkeit vom Abtriebsmoment geschlossen
wird. Übergroße Momente werden durch das Uberdruckventil 50 abgebaut.
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Die Erfindung gestattet, mit relativ geringem Aufwande gedrängt ausgeführte
Kupplungen zu schaffen, bei denen das Abtriebsmoment sowohl von außen her willkürlich
bestimmt zu werden vermag als auch programmierbar ist, so daß beim Antrieb, insbesondere
beim Anlauf, kritischer angetriebener Aggregate sich eine weitgehende Anpassung
an die Betriebsbedingungen und damit ein schonender Anlauf erzielen lassen.
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Die Erfindung gibt auch die Möglichkeit, beim Probelauf, beispielsweise
manuell gesteuert, über längere Zeiten mit sehr großen, jedenfalls aber vorgebbaren
Schlupf zu fahren, so daß beim Mehrfachantrieb ein Abgleichen der einzelnen angetriebenen
Vorrichtungen sowie auch der einzelnen Antriebe aufeinander bei stark herabgesetzter
Drehzahl möglich sind.
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Damit wird eine mit verhältnismäßig geringem Aufwand erstellbare,
vielseitig anwendbare und relativ einfach den ünterschiedlichsten Betriebsbedingungen
anpaßbare Kupplung gewonnen.
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Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, die Kupplung, beispielsweise
bei festgehaltenem Gehäuse, als leicht beeinflußbare Bremsvorrichtung einzusetzen.
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Trotz weitgehender Möglichkeiten der Einflußnahme läßt sich nach Anlaufen
angetriebener Aggregate ein minimaler Schlupf einhalten, da im Bereiche der Solldrehzahl,
beziehungsweise beim Erreichen derselben oder beim Überschreiten einer vorgegebenen
Drehzahlschwelle Schalt- bzw. Drosselventile völlig geschlossen werden können, so
daß der verbleibende Schlupf allein von den Leckverlusten bestimmt wird. Auch in
diesem
Zustande lassen sich Momentspitzen durch Druckspeicher und/oder
Überdruckventile abbauen, so daß Überlastungen und Überbeanspruchungen vermeidbar
sind. Durch Einsatz von Stromregelventilen läßt sich der Schlupf verhältnismäßig
starr vorgebent auch hierbei läßt sich das übertragene Moment zusätzlich begrenzen,
und es lassen sich zusätzliche manuelle Eingriffe vornehmen, wie überhaupt die angegebenen
Maßnahmen zur Drosselung und/oder zum Druckauf- bzw. -abbau des Strömungsmittels
sich beliebig kombinieren lassen und vorgesehene manuelle Steuerungsmöglichkeiten
sowohl Überdruckventile als auch Drosselventile, Ein- oder Zweiwegventile, Stromregelventile
o.dgl.
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betreffen können, so daß auch beliebige Eingriffe in das Kupplungsverhalten
möglich sind.
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Es hat sich darüberhinaus gezeigt, daß die erfindungsgemäße Kupplung
sich als beeinflußbare Bremse benutzen läßt. Zweckmäßig wird in diesem Falle das
Kupplungsgehäuse stationär festgelegt und die Buchse 1 bzw. 22 mit einem Ende einer
abzubremsenden Welle verbunden. Völliges öffnen eines Drosselventiles oder direktes
Verbinden der Druck- mit der Saugseite der Verdrängerpumpe mittels eines Schaltventiles
sichern den freien Lauf, während die Abbremsung wiederum durch Arbeiten der. Verdrängerpumpe
gegen einstell-, regel- bzw. beeinflußbare Drosselwege bestimmt wird.