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Hydrodynamische Bremsvorrichtung Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische
oder hydromatische Bremsvorrichtung und bezieht sich dabei insbesondere auf eine
Bremsanordnung, die aus einem einzigen Paar oder aus mehreren Paaren Einheitsrotor-
und Statorelementen aufgebaut ist, die sich zwischen zwei Stirnwänden befinden,
um dadurch die Möglichkeit zu bieten, durch Hinzufügung oder Wegnahme von Rotor-Statorpaaren
Bremsen unterschiedlichen Bremsvermögens zu schaffen.
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Hydrodynamische bzw. hydromatische Bremsen sind bekannt und werden
bisher schon im Automobil- und Lastwagenbau sowie für Dynamometerzwecke verwendet.
Sie sind auch schon bei Ölbohrungen als Steuerung bzw. Kontrolle des Aufzugsmechanismus
eingesetzt worden, wenn große und schwere Bohrrohrstränge in das Bohrloch abgesenkt
wurden. Die weitere Verwendung herkömmlicher Reibungsbremsen hat sich als unbefriedigend
erwiesen, so daß sich der Einsatz hydrodynamischer Bremsen in den letzten Jahren
immer mehr durchgesetzt hat.
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Der Aufbau hydrodynamischer Bremsen und Kraft- bzw. Energieverbraucher
ist bekannt, und diese Konstruktionen werden in mehreren Zweigen des Fahrzeugbaues
weit verbreitet benutzt.
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Ganz allgemein weisen derartige Bremsen ein Paar sich relativ zueinander
drehender Körper auf. Der eine dieser Körper ist an einer rotierenden Welle befestigt,
während der andere in bezug auf ein Gehäuse stationär gehalten wird, das die Welle
drehbar in geeigneten Lagern trägt.
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Sowohl das Rotorelement als auch das Statorelement weist einen ringförmigen
Hohlraum auf, dessen Querschnitt annähernd halbkreisförmig ist. In dem Hohlraum
sind mehrere Flügel oder Schaufeln angeordnet. Diese Schaufeln sind im allgemeinen
unter einem Winkel von etwa 450 geneigt.
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In dem Rotorhohlraum sind die Schaufeln in Drehrichtung des Rotors
ausgerichtet. In dem Statorhohlraum sind die Schaufeln entgegen der Drehrichtung
ausgerichtet. Die Hohlräume von Rotor und Stator sind im wesentlichen spiegelbildich
zueinander gebaut, und zwei Elemente liegen sich
mit einem verhältnismäßig
kleinen, gewählten Spalt zwischen sich gegenüber.
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Durch die Statorschaufeln und durch den hinteren Teil der Statorelemente
sind mehrere Löcher hindurchgebohrt. Das Gehäuse ist so gebaut, daß hinter dem Stator
für den Flüssigkeitseintritt ein Raum vorhanden ist, so daß die Flüssigkeit von
diesem Raum durch die genannten Löcher in den Schaufeln in die Mitte strömen kann,
die von den beiden Hohlräumen in den Stator- und Rotorelementen gebildet wird.
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Die Schaufeln sind bestrebt, in der Bremsflüssigkeit eine starke Turbulenz
zu erzeugen, die zu einem Energieverlust und zum Entstehen von Wärme führt, welche
ihrerseits die Temperatur der Flüssigkeit ansteigen lässt. Bei den bekannten Vorrichtungen
dieser Art strömt die Flüssigkeit aus den Hohlräumen durch den zwischen den beiden
Elementen befindlichen Spalt heraus in ein Austrittsrohr. Sie läuft dann zu einem
Wärmetauscher, in dem sie abgekühlt wird.
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Von dort kehrt sie in den Eintrittsflüssigkeitsraum zurück, um erneut
durch den Hohlraum hindurchzuströmen.
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Bei den bekannten Vorrichtungen wird der Flüssigkeitsstrom durch die
Vorrichtung hindurch durch Einstellen des Abstands zwischen dem Rotor und dem Stator
gesteuert, beispielsweise mit Hilfe von Unterlegscheiben oder auf andere Weise.
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Bisher wurden hydrodynamische Bremsen gewöhnlich für ziemlich konstante
und geringe Belastungswerte ausgelegt.
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Die beim Gießen des Stators und des Rotors aufgetretenen Schwierigkeiten
machten erforderlich, daß der Benutzer mit einer Bremse vorlieb-nehmen mußte, deren
Auslegung die tatsächlichen Konstruktionsbelastungserfordernisse erheblich übertraf.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die hydrodynamische
Bremsvorrichtung der oben genannten Art zu vereinfachen und ihre Montage wesentlich
zu erleichtern, ohne daß eine vollständige Umkonstruktion der Stator- und Rotoreinheiten
unterschiedlicher Anzahl notwendig ist, wenn das Bremsvermögen vergrößert oder verkleinert
werden soll.
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In diesem Zusammenhang soll eine hydrodynamische bzw. hydromatische
Bremse geschaffen werden, bei der ein oder mehrere Paare identischer, einheitlicher,
einzelner Rotorelemente, die einzelnen Statorelementen entsprechen, Verwendung finden,
die in gewünschter Anzahl zusammengebaut und in axialem Abstand voneinander getrennt
angeordnet werden, um dadurch Bremssysteme unterschiedlicher Bremskapazität zu schaffen.
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Ferner soll in diesem Zusammenhang auch eine Rotor- und Statorkonstruktion
geschaffen werden, bei der der Strömungswiderstand der die hydrodynamische Bremse
durchströmenden Flüssigkeit durch die ursprüngliche maschinelle Bearbeitung des
Rotors und Stators eingestellt wird und nicht während des Betriebs der Bremse einzeln
eingestellt werden muß.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer hydrodynamischen
Bremsvorrichtung gelöst, bei der der Steuerspalt, der von der Bremsflüssigkeit durchströmt
wird, in dem zwischen dem Außenumfang des Rotors und der Innenfläche einer überhängenden
Lippe vorhandenen Ringraum liegt. Da sich der Außenumfang des Rotors und die Innenfläche
vor dem Zusammenbau maschinell genauestens bearbeiten lassen, werden keinerlei Mittel
zur Einstellung dieses Spaltes bzw. Abstandes benötigt, so daß die Vorrichtung sehr
viel einfacher montiert werden kann. Desweiteren setzt sich bei der erfindungsgemäßen
Bremsvorrichtung das aus einer Vielzahl von Rotoren und Statoren bestehende System
aus einer gewünschten Anzahl identischer einzelner Rotor- und Statorelementen zusammen,
die in axialer Richtung in geeignetem Abstand zu einer Einheit zusammengesetzt sind,
deren Bremskapazität die gewünschte Größe aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion hat der Stator einen ebenen
Ringflansch auf der Außenseite der Lippe, die- zwischen ein Stirnwandpaar eingeklemmt
wird, so daß rund um den Stator ein geschlossenes Gehäuse geschaffen wird, und der
Rotor auf einer Welle innerhalb dieses Gehäuses montiert werden kann. In den Fällen,
in denen mehr als ein einziges Rotor- und Statorpaar verlangt wird, wird mit Hilfe
kurzer zylindrischer geflanschter Rohre angemessener Länge ein zusätzlicher Abstand
geschaffen, wobei diese Rohre dann zwischen den getrennten Statorflanschen plaziert
werden, um das Gehäuse zu vervollständigen. Alle Teile werden in Längsrichtung zu
einem
in sich geschlossenen Behälter zusammengeschraubt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine hydrodynamische
Bremse kleiner Leistung, bei der nur ein einziges Rotorelemente und ein einziges
Statorelement verwendet wird, Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Schaufeln und
Taschen innerhalb der Hohlräume des Rotors und Stators, Fig. 3 eine hydrodynamische
Bremse größerer Bremsleistung, bei der zwei Rotor- und Statorpaare Verwendung finden,
und Fig. 4 eine noch größere Konstruktion einer hydrodynamischen Bremse, bei der
drei Paare Rotorelemente und Statorelemente Verwendung finden.
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In Fig. 1 ist mit 10 ganz allgemein die hydrodynamische Bremse bezeichnet.
Diese Bremse weist ein Gehäuse auf, das im wesentlichen zwei Stirnwände 12 und 14
besitzt, von denen jede mit Lagern 18 bzw. 20 versehen ist, welche eine Welle 16
tragen, die in den Lagern drehbar ist. Auf der Welle ist ein Rotorelement 24 mit
Hilfe eines Keils 26 befestigt. Das Rotorelement ist so gebaut, daß ein ringförmiger
Hohlraum 21 entsteht, der von einer Wand gebildet wird, die eine hintere Oberfläche
22 und eine ebene vordere Oberfläche 28
aufweist. Desweiteren ist
ein entsprechendes Statorelement 30 vorhanden, das in gleicher Weise einen ringförmigen
Hohlraum 23 hat, der von einer Wand gebildet wird, die eine hintere Oberfläche 32
und eine vordere Oberfläche 34 besitzt. Die beiden Hohlräume sind im wesentlichen
spiegelbildlich zueinander. Die vordere Oberfläche 28 des Rotors und die vordere
Oberfläche 34 des Stators sind beide eben und parallel und weisen bei dieser Anordnung
einen Abstand 62 voneinander auf, der im allgemeinen einer gewählten kleinen Dimension
entspricht. Der Stator ist mit einer Lippe 36 versehen, die sich über die Oberfläche
34 hinauserstreckt und einen größeren Innendurchmesser hat als der Außendurchmesser
des Rotors lang ist, so daß ein Radialspalt 37 gewählter Abmessung entsteht. Da
die beiden zylindrischen Oberflächen genauestens maschinell bearbeitet werden können,
lässt sich der Spalt 37 auf irgendeinen gewünschten Wert einstellen, und dieser
Spalt ist so ausgelegt, daß für die durch die Bremse hindurchströmende Flüssigkeit
ein Reibungswiderstand geschaffen wird sowie ein Gegendruck, um die Hohlräume gefüllt
zu halten.
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Bei den bekannten hydrodynamischen Bremsen dieser Art wurde der Widerstand
durch den Spalt 62 erzeugt, und es gab keine Möglichkeit, diesen Widerstand einzustellen,
mit Ausnahme der Verwendung von Unterlegscheiben oder anderen Elementen, um den
einen Teil in bezug auf den anderen zu verschieben und dadurch diesen Spalt einzustellen.
Erfindungsgemäß wird nun überhaupt keine Möglichkeit der Spalteinstellung geboten
mit Ausnahme der ursprünglichen maschinellen Bearbeitung, so daß die
Montage
sehr rasch erfolgen kann. Infolgedessen ist die Abmessung 62 nicht kritisch. Dagegen
ist die Bemessung des Spaltes 37 kritisch und lässt sich leicht kontrollieren.
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In Fig. 2 ist eine Teilquerschnittsansicht des Stators 30 und des
Rotors 24 gezeigt, deren Oberflächen 34 und 28 mit geringem Abstand parallel verlaufen.
In dem Stator befinden sich mehrere Schaufeln 56, während der Rotor mit mehreren
Schaufeln 58 ausgestattet ist, die den ringförmigen Hohlraum in mehrere kleine Taschen
57 bzw. 59 aufteilen. Der Rotor dreht sich in Richtung des Pfeils 60 in bezug auf
den Stator, der stationär ist. Die Schaufeln 58 des Rotors sind in einem Winkel
von annähernd 450 in Drehrichtung geneigt, während die Schaufeln 56 des Stators
entgegen der Drehrichtung um den gleichen Winkel schräggestellt sind.
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In jeder Schaufel 56 des Stators befindet sich eine die Schaufel von
der vorderen Oberfläche 34 zur hinteren Oberfläche 32 des Stators durchziehende
Bohrung 65. Von dem Raum auf der Rückseite des Stators strömt Flüssigkeit in diese
Bohrungen ein und gelangt in die Taschen des Rotors und Stators. In Fig. 1 sind
gestrichelte Linien 54 eingezeichnet, die den Verlauf der Bohrungen 65 durch die
Schaufeln der Statorelemente andeuten sollen. Das Statorelement ist an seinem Außenrand
mit einem ebenen Umfangsflansch 38 versehen, der maschinell so bearbeitet ist, daß
er sich mit Hilfe von O-Ringen 50 zwischen den Stirnwänden 12 und 14 fest und dicht
einklemmen lässt. Die
Rückseite des Stators 23 weist außerdem eine
genutete Umfangs lippe 51 auf, die bei dieser Ausführungsform einen O-Ring 52 aufnimmt,
um den Stator an der Gehäusestirnwand 12 abzudichten.
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Zu dem Raum hinter dem Stator führen Öffnungen 48 und 48', und Eintrittsflüssigkeit
kann durch jede dieser öffnungen 48 oder 48' wunschgemäß strömen. Diese Flüssigkeit
läuft durch die Bohrungen 65 und gelangt in den Hohlraum sowie in die Taschen des
Rotors und Stators 57 bzw. 59. Wenn Flüssigkeit in den Hohlraum einströmt, muß sie
ihn auch verlassen, und dies geschieht dadurch, daß die Flüssigkeit durch den zwischen
den Oberflächen 28 und 34 befindlichen Spalt hindurch und durch den Ringspalt 37
zwischen dem Außenumfang des Rotors und der inneren Oberfläche der Lippe 36 des
Stators nach außen strömt. Die Flüssigkeit läuft dann in einen Raum 44, der den
Austrittsflüssigkeitsraum darstellt, wobei sie mit der hinteren Oberfläche 22 des
Rotors in BerUhrung kommt. Diesen Raum verlässt dann die Flüssigkeit wunschgemäß
durch die Öffnung 46 oder 46'.
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In Fig. 1 ist dargestellt, wie eine hydrodynasmiche Bremse mit einer
Welle zusammengebaut ist, auf der ein einziges Rotorelement angeordnet ist, wobei
ein einziges Statorelement diesem Rotorelement zentriert Fläche an Fläche gagenüberliegt
und beide Elemente zwischen den beiden Stirnwänden 12 und 14, die Lager 18 zur Aufnahme
der Welle 16 bilden, welche das Rotorelement 24 trägt, eingeklemmt und abgedichtet
sind. In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform
dargestellt, bei
der zwei Paare Rotor- und Statorelemente axial hintereinander angeordnet sind. Diese
Bremse ist mit 66 bezeichnet. Sie hat eine erste Stirnwand 12, die eine Lageranordnung
64 trägt, welche größer ist als die in Fig. 1 gezeigte Lageranordnung. Die Lageranordnung
64 nimmt die Welle 16 so auf, daß die Rotoren außerhalb der Lageranordnung frei
getragen werden. Obgleich diese Lageranordnung 64 teuerer ist als die in Fig. 1
dargestellte, erfordert sie nur ein Lager, so daß die zweite Stirnwand 14 sehr viel
einfacher gebaut sein kann als bei der Ausführung nach Fig. 1.
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Zwei einzelne Rotorelemente 24' sind auf der Welle mit Hilfe des Keils
26 befestigt. Diese Rotorelemente unterscheiden sich hinsichtlich des Umrisses ihrer
hinteren Oberfläche 22 geringfügig von der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion, obgleich
diese Tatsache nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist. Auch hier sind die Oberflächen
28 und 24 zwischen dem Rotor und dem Stator wie bei der Konstruktion nach Fig. 1
durch den Spalt 62 mit Abstand voneinander getrennt, und die Strömungssteuerung
erfolgt wiederum mit Hilfe eines Ringspalts 37 zwischen dem Außenumfang der Rotorelemente
und der Innenfläche des Überhangs 36 des Stators. Der Stator wird auch hier zwischen
der Stirnwand 12 und der Stirnwand 14 zentriert, festgehalten und abgedichtet. Um
jedoch den zwischen den beiden Statoren vorhandenen Spalt zu schließen und abzudichten,
ist ein kurzes zylindrisches, mit Flansch versehens Abstandselement 68 geeigneter
Breite vorhanden,
das zwischen den beiden Flanschen 38 des Stators
sowie mit den beiden Stirnwänden durch O-Ringe 50 abgedichtet ist, um dadurch das
Gehäuse der Vorrichtung zu komplettieren.
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Auch hier werden wieder O-Ringe 52 benutzt, um die Statorelemente
gegen die Gehäuse abzudichten.
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Bezüglich der Lageranordnung, der Öldichtungen und zugehöriger Konstruktionsdetails
werden hier keine weiteren Einzelheiten genannt, da diese Dinge üblicher Praxis
entsprechen und auch nicht Gegenstand der Erfindung sind.
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Es sind mehrere Öffnungen 70 und 70' vorhanden, die den Raum zwischen
den beiden Rotoren verbinden und eine Leitung für die aus der Bremse ausströmende
Flüssigkeit bilden. Es sind außerdem zwei Öffnungen 72 und 72' vorgesehen, die die
beiden Eingangshohlräume hinter den hinteren Oberflächen 32 der beiden Statorelemente
verbinden.
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Vergleicht man die Konstruktion von Fig. 3 mit der von Fig. 1, so
erkennt man, daß die Welle, die den Rotor trägt, in einer Lageranordnung geführt
werden kann, die sich in beiden Stirnwänden befindet oder auch nur in einer dieser
beide Stirnwände. Darüberhinaus wird die Verdoppelung der Kapazität der in Fig.
3 gezeigten hydrodynamischen Bremsvorrichtung durch Hinzufügen eines identischen
Paares Rotor-und Statorelemente und durch Schaffung eines kurzen zylindrischen Teils
für das Gehäuse der Bremsvorrichtung erreicht. In beiden Fällen wird die durch die
Bremse strömende Flüssigkeit durch den zwischen den Rotoren und den Statoren vorhandenen
Spalt 37 gesteuert.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Welle 16 in einer Lageranordnung
64 abgestützt, die im wesentlichen mit der von Fig. 3 identisch ist, und das auskragende
Wellenende trägt drei Rotorsätze 24 und drei Statorsätze, von denen jeder mit einem
der Rotorelemente in Betriebsbeziehung steht. Es sind zwei Abstandsstücke 68 vorhanden,
die zwischen den Flanschen 38 der Statorelemente liegen, und alle Teile sind zu
einem geschlossenen Gehäuse zusammengeschraubt, das, wie bei den bisherigen Ausführungsformen,
die beiden Stirnwände 12 und 14 aufweist. Jedes Paar Rotor- und Statorelemente ist
im wesentlichen mit dem in Fig. 1 und in Fig. 2 gezeigten Paaren identisch, so daß
es mit nur einer Rotorelementkonstruktion und einer Statorelementkonstruktion sowie
einer Art von Abstandshalter 68 durch Wahl der Länge, mit der die Welle 16 über
das Lager hinausragt, möglich ist, hydrodynamische Bremsvorrichtungen unterschiedlicher
Bremskapazität herzustellen. Bei dieser Ausführungsform werden die Umfangslippen
51 zweier Statoren mit einem O-Ring 52 gegeneinander abgedichtet, während eine weitere
Umfangs lippe ähnlich wie bei der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion gegen das Gehäuse
12 abgedichtet ist.
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An den oben beschriebenen Konstruktionen lassen sich zahlreiche Änderungen
vornehmen. So können beispielsweise die Abstandshalter 68 und/oder die Gehäusestirnwände
14 so gedreht werden, daß sie mit den Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen
für das Hydraulikmedium in gewünschter Weise fluchten, so daß diese Öffnungen an
Rohrleitungen angeschlossen werden können.
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ErfindungsgemäB wird also eine hydrodynamische Bremsvorrichtung geschaffen,
bei der die Statoren und Rotoren als selbständige Einheiten ausgebildet sind, und
der Zusammenbau in der Weise erfolgt, daß ein,zwei, drei oder mehr Sätze einzelner
Statoren und Rotoren in einem Gehäuse, das mit zwei Stirnwänden versehen ist, eingesetzt
werden. Der Stator hat einen ebenen Ringflansch, der an seinem AuBenrand zwischen
zwei Stirnwände eingeklemmt wird, so daß ein geschlossenes Gehäuse entsteht. Wenn
mehr als ein Stator verwendet wird, wird ein zusätzliches rohrförmiges, geflanschtes
Abstandselement vorgesehen, und zwei Statoren werden zusammengeklemmt, und zwar
je einer an jedem Ende des rohrförmigen Elementes, während die Stirnwände an diese
Statoren angeklemmt werden.
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Ein zweites wesentliches Merkmal der hier beschriebenen hydrodynamischen
Bremsvorrichtung besteht in der Konstruktion des Stators, der eine überhängende
Lippe trägt, in die der Rotor hineinpasst. Zwischen dem Außenumfang des Rotors und
dem Innenradius der Lippe besteht ein gewünschter radialer Abstand. Dieser Abstand
oder Spalt dient dazu, dem Flüssigkeitsdurchfluss durch die Bremse einen optimalen
Widerstand entgegenzusetzen.