DE2639683C3 - Hydrodynamische Kupplung - Google Patents

Description

Es sind hydrodynamische Kupplungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung bekannt (DE-GM 75 21 295), die ebenfalls neben dem vom Pumpen- und Turbinenrad gebildeten Arbeitsraum und dem zwischen Pumpenrad und Deckel befindlichen Ausgleichsraum noch einen Vorratsraum aufweisen, der sich im Stillstand über Verbindungsöffnungen bedingt durch die Schwerkraft mit dem Arbeitsfluid öl füllt und während der Anlaufphase wieder unter dem Einfluß der Fliehkraft entleert Hierdurch erhöht sich der Füllungsgrad derartiger Kupplungen rasch, was ein unerwünscht starkes Ansteigen des Drehmomentes zur Folge hat Bei schweranlaufenden und somit langsam hochlaufenden Anlagen ist es somit möglich, daß der Vorratsraum sich bereits entleert hat, obwohl die Arbeitsmaschine noch nicht mal 50% der Betriebsdrehzahl erreicht hat. Dies ist beispielsweise nachteilig bei Antrieben von Gurtförderern mittels Asynchronmotoren, da die Gurte für die höheren Antriebsmomente ausgelegt werden müssen, was zu Mehrkosten führt, die ein Vielfaches des Kupplungspreises ausmachen können. Ebenfalls besteht die Gefahr beim Antrieb durch Asynchronmotoren von großen Schwungmassen, wie sie beispielsweise bei Hammermühlen und Zentrifugen anzutreffen sind, daß diese nur sehr schwer oder im Extremfall überhaupt nicht bis zur Nenndrehzahl beschleunigen. Dieses gilt insbesondere für solche Motoren, deren Momentenverlauf im unteren Drehzahlbereich etwa dem Motoren' nennmoment entspricht, zumal wenn der Motor in Y Schaltung bis oberhalb der Kippdrehzahl hochlaufen soll. Ist ein Anlaufvorgang fehlgeschlagen, so muß so lange gewartet werden, bis sich bei stehender Kupplung der Vorratsraum wieder gefüllt hat, und es kann nicht einmal die Schwungenergie der bereits in Bewegung befindlichen Massen genutzt werden. Diese Nachteile können auch nicht dadurch beseitigt werden, daß die Verbindungen zwischen Vorratsraum und Kupplung ober kalibrierte Öffnungen erfolgt, da jeweils nur eine in weiten Grenzen bestimmt verzögerte Rückfüllung eingestellt werden kann. Diese bleibt abhängig von der öltemperatur sowie der Drehzahl des Vorratsbehälters, zudem sind im praktischen Betrieb die Anlaufbelastungen häufig sehr unterschiedlich.

Weiterhin sind hydrodynamische Kupplungen bekannt (DE-OS 14 75 440, DE-GM 19 83 344, FR-PS 21 22 719), die mit einem Vorratsraum ausgestattet sind.

Diese Kupplungen besitzen so gut wie keinen Ausgleichsraum und ihr Vorratsraum ist relativ klein. Im übrigen erfolgt der Rückfluß aus dem Vorratsraum über kalibrierte Bohrungen oder Drosseln. Durch das praktische Fehlen eines Ausgleichsraumes und den relativ klein bemessenen Vorratsraum kann eine Entleerung des Arbeitsraumes nur in geringem Maße und das auch nur bei Stillstand erfolgen, so daß diese Kupplungen mit den schon zuvor beschriebenen Nachteilen behaftet sind. Diese nachteilige Wirkung wird noch dadurch verstärkt, daß der Vorratsraum mit dem Pumpenrad umläuft, somit schnell beschleunigt und sich entsprechend schnell entleert, dieses also unabhängig von der Abtriebsdrehzahl des Turbinenrades erfolgt, die doch ein Maß für den Fortschritt des Anlaufes darstellt

Ferner ist eine Kupplung bekannt (DE-OS 23 21 235), die entweder mit einem Entnahmerohr, welches im Arbeitsraum angeordnet ist, und im radial äußeren Bereich endet unter Ausnutzung der Rotationsenergie der Nebenrotation oder mit einem stationären von außen verstellbarem Schöpfrohr im Ausgleichsraum versehen ist und unter Ausnutzung der Rotationsenergie der Hauptrotation kontinuierlich Betriebsflüssigkeit aus der Kupplung herausleitet, um diese in einem separaten Kühler zu kühlen. Aufgrund der unterschiedlichen Aufgabe wird in dieser Druckschrift auch kein Anhalt gegeben, wie eine Volumenverminderung der Betriebsflüssigkeit im Arbeitsraum in Abhängigkeit vom Schlupf zu erzielen ist.

Bekannt ist auch noch eine Kupplung (US-PS 19 63 720) mit Kernring, in den Schöpfrohre eingreifen, die die dort befindliche Betriebsflüssigkeit in einen Vorratsbehälter ableiten. Durch die Anordnung der Schöpfrohre im Kernring kann nur ein geringer Teil der Betriebsflüssigkeit abgeleitet werden, da der größte Teil um den Kernring herumströmt Außerdem erfolgt die Ableitung nur zögernd, so daß eine rasche und starke Absenkung des Drehmomentes beim Anlauf nicht gewährleistet ist Somit ist auch diese Kupplung mit einem Überlastfaktor behaftet, der über einem Wert von 1,3 liegt. Ferner wirkt sich bei dieser Kupplung nachteilig aus, daß die Schöpfrohre am äußeren Durchmesser des Vorratsraumes bereits enden, so daß dem Schöpfdruck nur ein geringer Druck aus der Fliehkraft der Ölsäule im Schöpfrohr gegenübersteht und ein Abschöpfen der Betriebsflüssigkeit bei Lastschwankungen während des Dauerbetriebes erfolg;. Die hierdurch herbeigeführten Drehmomentminderungen bei verhältnismäßig geringem Schlupf sind unerwünscht und führen schnell zu Überhitzungen derartiger Kupplungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung der genannten Art zu schaffen, bei der der Überlastfaktor bis auf einen Wert von etwa 1 gesenkt werden kann.

Der Überlastfaktor hydrodynamischer Kupplungen wird durch das Verhältnis aus übertragbarem Maximal· moment während des Anlaufs zum tatsächlichen Ustmoment im Dauerbetrieb definiert. Bei den bekannten Kupplungen liegt der Überlastfaktor oberhalb eines Wertes von 1,3.

Die beschriebene Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Staurohres wird gewährleiste;, daß im Bereich von 100 bis 50% Schlupf Ö! aus der Kupplung in den Vorratsraum gefördert wird, was zur Folge hat, daß in diesem Betriebsbereich das Moment der Kupplung beliebig klein gehalten werden kann. Somit braucht mit Rücksicht auf das Überlastmoment die Kupplung nicht besonders klein gewählt zu werden, was im Dauerbetrieb zu relativ hohem Schlupf und unnötigen Verlusten führen würde. Auch sind schwach ausgelegte Kupplungen störanfällig. Auf der anderen Seite kann der Antriebsmotor leicht hochlaufen, auch ohne daß er

ίο besonders kräftig ausgelegt ist Auch wenn der Schlupf sich auf unter 50% gemindert hat steigt das Drehmoment der Kupplung nur in dem Maße an, wie es dem nun allmählich steigenden Füllungsgrad der Kupplung aus dem Vorratsraum, der nun nicht mehr durch das Staurohr beaufschlagt wird, entspricht

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist vorgesehen, daß das Staurohr sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse erstreckt So kann sehr viel öl in den Vorratsraum geleitet und das Moir.uit entsprechend gesenkt werden. Durch entsprechende Vorkehrungen wie die Anordnung eines ölsammelrings, sowie Schaufeln an der Rückseite des Pumpenrades kann die Wirkung des Staurohres verbessert werden.

Eine abgewandelte Lösung wird durch den Anspruch 3 aufgezeigt Hier dient die Nebenrotationsgeschwindigkeit im Arbeitsraum selbst zur Staudnickerzeugung. Durch das Maß des radialen Abstandes der Eintriitsöffnung von der Rotationsachse wird festgelegt, wie tief die Eintrittsöffnung des Staurohres in den Nebenrotationsbereich eintaucht Im Betriebszustand, also bei geringem Schlupf, verläuft der öltorus entsprechend der vorhandenen Ölmenge mit dem größtmöglichen Abstand zur Rotationsachse der Kupplung. Mit

zunehmendem Schlupf verlagert sich der Öltorus zur Rotationsachse hin, da die Fliehkräfte aus der Turbinenradrotation abnehmen und die aus der Nebenrotation zunehmen. Bei dieser Anordnung läßt sich also durch das radiale Abstandsmaß der Eintritts öffnung von der Rotationsachse, welches von Fall zu

Fall zu ermitteln ist, festlegen, bis zu welchem Schlupf öl

über das Staurohr aus dem Arbeitsraum abgeleitet werden kann.

Die weiteren in den Ansprüchen angegebenen

Ausgestaltungen zeigen, wie man den Ölrücklauf aus dem Vorratsraum günstig gestalten kann.

In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt F i g. 1 die obere Hälfte der hydrodynamischen

so Kupplung gemäß der Erfindung im Längsschnitt,

F i g. 2 eine verkleinerte Darstellung des Querschnitts längs der Linie IMI der F ig. 1 bzw. der F i g. 4,

Fi,? 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches X aus F i g. 1, jedoch mit zusätzlichem Ventil, und

F i g. 4 die obere Hälfte eines Längsschnittes durch eine etwas abgewandelte hydrodynamische Kupplung.

Die in der Zeichnung dargestellte hydrodynamische Kupplung besteht aus der Nabe 1 und dem damit verbundenen Pumpenrad 2. Diese beiden Teile bilden den Primärtcil der Kupplung. Des weiteren besteht die Kupplung aus dem Turbinenrad 3 und dem Deckel 4, die mittels der Wälzlager 5 und 6 auf der Nabe 1 drehbar angeordnet sind. Zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad 3 befindet sich der Arbeitsraum 7 der

frs Kupplung, während zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Deckel 4 der Ausgleichsraum 8 gebildet ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. I ist an dem Deckel 4 der Vorratstopf 9 angeflanscht, der den

Vorratsraum 10 beinhaltet. Der Boden 11 des Vorratstopfes 9 ist so ausgebildet, daß sich mit ihm eine nicht näher dargestellte anzutreibende Maschine verbinden läßt, beispielsweise durch die Vertiefungen 12. i

Das Staurohr 13 verbindet den Ausgleichsraum 8 mit dem Vorratsraum 10. Es erstreckt sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes 8 bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse in den Vorratsraum 10.

An der Rückseite des Pumpenrades 2 ist in seinem ι ο oberen Bereich der Ölsammelring 14 eingearbeitet, in den das Staurohr 13 mit seiner Eintrittsöffnung 15 hineinragt. An der Rückseite des Pumpenrades 2 sind etwa in mittlerer Höhe des Pumpenrades 2 die Schaufeln 16 angebracht. r>

Unter der Annahme, daß die (!»!geschwindigkeit gegenüber der Eintrittsöffnung 15 verlustlos der Drehzahldifferenz zwischen Pumpen- und Turbinenrad entspricht, beträgt der Staudruck den Wert von

ö,5 χ Dichte χ r χ (ivi —w?)².

Der hydrostatische Druck aus der Fliehkraft der ölsäule im Staurohr hat bei bis zur Rotationsachse reichendem Staurohr den Wert

0.5 χ Dichte χ r² χ W₂ ¹.

u, = Winkelgeschw. des Pumpenrades

η, = Winkelgeschw. von Turbine u. Gehäuse

Daraus ergibt sich, daß beide Drücke gleich sind. ^i(l wenn die Winkelgeschwindigkeit

H; = 0.5 X IV;

beträgt, also 50% Schlupf vorliegt.

Somit fordert das Staurohr im Bereich von 100 - 50% Schlupf. Gleichzeitig Mrömt aber Öl über die öffnungen 17 in die Kupplung zurück. Durch entsprechende •\uslcgung kann erreicht werden, daß der Förderstrom des Staurohres großer ist als der Rückstrom durch die Öffnungen 17 <,o daß erst ab 50% die Kupplung sich "' miedet auffüllt.

In dem Ausführiingsbeispicl gemäß F i g. 1 ist der Vorratstopf 9 mit dem Deckel 4 des Gehäuses

Öffnungen 17 \nrgesehen sind, die den Vorratsraum 10 ^: m;t dein -Visgleichsraum 8 verbinden. Hierbei haben die kalibrierten Öffnungen 17 unterschiedliche Durchmesser, damit ciie in der 7e"einheii aus dem Vorratsraum IO \ri den -Visgleichsraum 8 abfließende Ölmenge \eränderb.ir :M Am Inner'imfang des Topfflanschcs sind ' •Visspapingen 18 nnr: isartig angebracht, die je nach Drtrhne^iine des \. .-ratstopfes 9 gegenüber dem f ,i'm:"· }. 4 mehr <--U-r weniger kalibrierte Öffnungen 17 in-: Decke! 4 fr·.· -egen Der Vorratstopf 9 ist gegenüber dem Geb.nse 3, 4 um eine oder mehrere ^v Sihr.iubenu-ilungen '. ■:- irehbar angeflanscht.

H I ig i is! d··■- Nusschniü Λ aus Fig 1 in ". ergr'iiifTer [)a"iv ' i: ge/eigi Hierbei ist c;~ nut c.nt-r f ctirr 19 be'.is··-· - Sch-ebcr 20 in der Bohrung 21 ■.:τ.., h_:cKh_;ir gelajr·.·- Mit ΗΊΊ.· de- S(•rrüi/schra-ih.· 22 *' κ.; fii· ί i.-:it.T\orsp.T'" .~s •-•.■'■!•''■'!•.■'bar. Dadurch w;rd .in'- der k.:iihnert!T ν nrung 17 ei-i drehzahlabhängig fi'^-iC-tl·--"· \cni-^: Dc iricil'i'-.^c- \usfuhning besteht darin, daß bis zu einer gewünschten Sekundärdrehzahl der ölrückfluß aus der Vorratskammer 10 gänzlich unterbunden ist.

Die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. I insbesondere dadurch, daß der Vorratstopf 9 am Turbinenrad 3 angeflanscht ist und demzufolge das Staurohr 13 vom Vorratsraum 10 aus durch die Wandung des Trurbinenrades 3 geführt ist und mit seiner Eintrittsöffnung 15 unmittelbar in den Arbeitsraum 7 einmündet. Das bedeutet, daß die Füllung des Vorratsraumes 10 nicht wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. I durch die Rotationsenergie der Hauptrotation erfolgt, sondern durch die Rotationsenergie der Nebenrotation bei hohem Schlupf bewirkt wird. Im übrigen entspricht diese Ausführungsform der hydrodynamischen Kupplung nach Fig. I.

Die Funktionsweise der hydrodynamischen Kupplung ist folgende:

Mit Einschalten eines nicht näher dargestellten Motors werden die Nabe 1 und das Pumpenrad 2 in Umdrehung versetzt, und es beginnt der bei dem Föttinger-Prinzip bekannte Ölumlauf zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Turbinenrad 3, der die Übertragung eines Drehmomentes zur Folge hat. Gleichzeitig damit wird auch das in dem Ausgleichsraum 8 befindliche öl in Bewegung versetzt, wobei sich vor allem das in unmittelbarer Nähe der Pumpenradrückwand befindliche öl dessen Umlaufgeschwindigkeit anpabt. Um diese Anpassung zu unterstützen, sind der ölsammelring 14 oder die Schaufeln 16 oder auch beides vorgesehen.

Im Bereich dieses umlaufenden Öles ist die Staurohr F.intrittsöffming 15 angeordnet, so daß öl. das auf diese Öffnung 15 trifft, durch den ansiehenden Staudruck in die Vorratskammer 10 abgeleitet wird. Diese teilweise Entleerung des Ausgleichsraumes hat zur Folge, daß öl aus dem Arbeitsraum 7 über den Spalt 23 in den Ausgleichsraum 8 fließt und somit der Nebenrotation entzogen wird, was wiederum die gewünschte Momentenreduzierung bewirkt.

Der vorstehend geschilderte Vorgang hält so lange an. bis entweder der Vorratsraum 10 völlig gefüllt ist

Kupplung eine Drehzahl erreicht hat. ab welcher der daraus resultierende hydrostatische Druck im Staurohr gegenüber dem Staudruck überwiegt. Fs ist möglich den radialen Abstand von der Fjntnttsöffnung 15 bis zur Austrittsoffnung 24 so zu bemessen, daß dies bei einem ge« linschicn Schlupf der Fall ist. insbesondere bei etwa 50"r, Schlupf.

Da die Slaurohr-Austrittsöffnung 24 in der Nähe dci Rotationsachse liegt, wird weitestgchcnd verhindert daH beim weiteren Hoehlauf der Sekundärseite Öl durch das Staurohr M in den Ausgleichsraum 8 zurückfließt Vielmehr kann dies nur durch die kalibrierter Bohringen 17 erfolgen. Hierdurch wird ein zu schnelle? Rücksfmmen des Ö!s aus dem Vorr.itsraum 10 in der Λ :H'i< ichsraum 8 verhindert und zusammen mit dei richtigen Ausbildung des Staurohres erreicht, daß die Drehniomenten-Kcnnimien der h¹ dn>d\namischcr Kupplung 'iber den Ecsamtcn Schliipfbcreich einet n,ihc/i! horizontalen \ erlauf haben.

Hierzu ? Blatt Zeichnuncen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Hydrodynamische Kupplung, bestehend aus einem mit der Nabe verbundenen Pumpenrad und einem aus Turbinenrad und Deckel bestehenden, auf der Nabe drehbar gelagerten und das Pumpenrad unter Bildung eines kernringlosen Arbeitsraumes zwischen Pumpen- und Turbinenrad und eines Ausgleichsraumes zwischen Pumpenrad und Deckel einschließenden Gehäuse, an dem ein Vorratstopf koaxial angebracht ist, der über öffnungen im Gehäuse mit dem Gehäuseinneren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein das Gehäuse (3, 4) durchdringendes und mit diesem umlaufendes Staurohr (13) vorhanden ist, das den Vorratsraum (10) mit dem Gehäuseinneren verbindet und sich mit seiner Austrittsöffnung (24) bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse erstreckt und dessen Eintrittsöffnung (15) außerhalb des im Betrieb genutzten Arbeitsraumes (7) auf einem derart bemessenen Radius liegt, daß die Fliehkraft der Olsäule im Staurohr bei 50% Schlupf dem dann an der Eintrittsöffnung (15) herrschenden Staudruck entspricht

2. Kupplung nach Anspruch- 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Staurohr (13) sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes (8) bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse in den Vorratsraum (10) erstreckt.

3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Staurohr (<1) sich vom inneren Bereich des Arbeitsraum^ (7) bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse des Vorratsraumes (10) erstreckt.

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im radial äußeren Bereich des Pumpenrades (2) an dessen Rückseite ein ölsammelring (14) vorgesehen ist, in den das Staurohr (13) mit seiner Eintrittsöffnung (15) hineinragt.

5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß an der Rückseite des Pumpenrades (2J in mittlerer Höhe des Pumpenrades (2) Schaufeln (16) angebracht sind.

6. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratstopf (9) mit dem Deckel (4) oder dem Turbinenrad (3) verbunden ist« wobei im Deckel (4) oder Turbinenrad (3) kalibrierte öffnungen (17) vorgesehen sind, die den Vorratsraum (10) mit dem Ausgleichsraum (8) oder dem Arbeitsraum (7) verbinden.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekenn' zeichnet, daß die kalibrierten öffnungen (17) unterschiedliche Durchmesser haben.

8. Kupplung naeh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Topfflansch an seinem Innenumfang verteilt Aussparungen (18) vorgesehen sind, die zu den kalibrierten Öffnungen (17) im Deckel (4) bzw. Turbinenrad (3) führen.

9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Aussparungen (18) am Innenumfang des Topfflansches noniusartig angebracht sind, die je nach Drehstellung des Topfes (9) gegenüber dem Gehäuse (3, 4) mehr oder weniger kalibrierte Öffnungen (17) im Deckel (4) bzw. Turbinenrad (3) freilegen.

10. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (9) gegenüber

dem Gehäuse (3, 4) um eine oder mehrere Schraubenteilungen verdreht anflanschbar ist.

11. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Staurohr-Austrittsende (24) ein Rückschlagventil zur Verhinderung der Rückentieerung des Vorratsraumes (10) durch das Staurohr (13) angebracht ist

12. Kupplung nach einem der Ansprüche ί und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile vorgesehen sind, die bis zu einer bestimmten vorwählbaren Drehzahl des Gehäuses (3, 4) die kalibrierten öffnungen (17) verschlossen halten und die öffnungen (17) ab dieser Drehzahl freigeben.

13. Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mit jeder kalibrierten öffnung (17) eine senkrecht dazu verlaufende Bohrung (21) verbunden ist, in der ein federbelasteter Schieber (20) längsverschieblich gelagert ist