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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitskupplung,
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insbesondere auf eine Viskosflüssigkeitskupplung zur Verbindung des
Motors eines Kraftfahrzeugs mit einem Kühlventilator für den Motorkühler.
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Viskoskupplungen sind seit vielen Jahren in Gebrauch, um eine Antriebsverbindung
zwischen einem Motor und seinem Kühlerventilator zur Steuerung des Luftstroms durch
den Kühler zu schaffen. Diese Kupplungen verwenden herkömalich ein Strömungsmittelmedium,
wie beispielsweise Silikonöl, um das Drehmoment zwischen den umlaufenden Kupplungskörpern
zu übertragen.
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Bei Personenfahrzeugen und Lastfahrzeugen durchgeführte Studien der
Motorkühlung haben gezeigt, daß der Betrieb des Ventilators für die Motorkühlung
nur für einen Bruchteil, beispielsweise für 1/5 der Zeit benötigt wird, während
der sich das Fahrzeug auf der Straße.befindet. Darüber hinaus wird unter Umständen
bei einem Betrieb des Ventilators bei hoher Geschwindigkeit Brennstoff verschwendet,
und das entstehende Geräusch ist möglicherweise beanstandenswert. Demgemäß bestand
bei den in den letzten Jahren entwickelten Viskoskupplungen das Bestreben, den Betrieb
der Ventilatoren bei hohen Geschwindigkeiten zu reduzieren, sowie auch den Betrieb
zu überwachen, und zwar in einem Versuch zur Herabsetzung der insgesamt für den
Betrieb des Ventilators erforderlichen Energie. Diese Viskoskupplungen arbeiteten
aufgrund der Antriebskraft, die erzeugt wird durch die zwischen den beiden
Körpern
mit zueinander passenden ringförmigen Nuten und Kämmen oder Paßflächen auftretende
Strömungsmittelscherkraft. Die Ventilatorgeschwindigkeit war abhängig von der Geschwindigkeit
des Abtriebselements und der Menge des Arbeitsströmungsmittels in den zueinander
passenden Nuten und Kämmen oder zwischen den Arbeitsflächen. Wenn die Nuten nur
teilweise gefüllt waren, dann trat zwischen den beiden Körpern ein erheblicher Schlupf
auf, und die Ventilatorgeschwindigkeit war beträchtlich geringer als die Geschwindigkeit
des Antriebskörpers. Wenn der Raum zwischen den Nuten und Kämmen vollständig mit
Strömungsmittel gefüllt war, dann wurde dieser Schlupf unterhalb einer vorgegebenen
Geschwindigkeit, wie beispielsweise 2000 UPMtreduziert. Wenn die Geschwindigkeit
des Antriebselements über einen vorgegebenen Wert hinaus anstieg, dann waren die
Viskosität und Schercharakteristika derart, daß ein erhöhtes Maß an Schlupf auftrat,
um eine nennenswerte Zunahme in der Ventilatorgeschwindigkeit zu verhindern.
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Die Strömungsmittelmenge in dem Scherbereich wurde gesteuert durch
ein thermostatisch betätigtes Blattventil, welches sich in einer Pumpenöffnung der
Vorrichtung öffnete und schloß. Bei niedriger Umgebungstemperatur war die Pumpöffnung
völlig offen und das Strömungsmittel wurde mit hoher Geschwindigkeit in ein Reservoir
hineingepumpt, so daß das Strömungsmittel in demScherraum auf ein Mindestmaß verringert
wurde. Bei höheren Umgebungstemperaturen schloß das Blattventil die Pumpöffnung,
um ein Hineinpumpen des Strömungsmittels in das Reservoir hinein zu verhindern,
und die Strömungsmittelmenge in dem Scherraum stieg an, was zu höheren Scherkräften
und vermindertem Schlupf zwischen den
Körpern führte.
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Diese Viskoskupplungen verlangen häufig mehrere Präzisionsbearbeitungen
während ihrer Herstellung. Außerdem werden häufig relativ kostspielige Wellendichtungen
und -lager verwendet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte
Viskoskupplung der beschriebenen allgemeinen Art zur Verbindung eines Ventilators
mit einer Kraftfahrzeugmaschine.
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Kurz gesagt, enthält die Erfindung Antriebs- und Abtriebskörper mit
einem dazwischen befindlichen Strömungsmittelarbeitsraum, sowie Einrichtungen zur
Steuerung der Strömungsmittelmenge in diesem Raum.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Viskosströmungsmittelkupplung
zur Verbindung eines Kraftfahrzeugmotors mit einem Kühlerventilator, wobei die Kupplung
auf die Umgebungstemperatur anspricht, um die gegebene Kupplungswirkung zu verändern.
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Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht in der Schaffung einer
Viskosflüssigkeitskupplung der beschriebenen Art, bei der ein übermäßiges Geräusch
des Ventilators vermieden und der Temperaturbereich, den die Kupplung die Ventilatordrehzahl
von einem Minimum zu einem Maximum bestreichen läßt, erweitert wird.
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Die erfindungsgemäße Viskosströmungsmittelkupplung der beschriebenen
Art ist nach einem weiteren Merkmal empfindlich gegenüber Umgebungstemperaturen
und gleicht diese aus.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die beschriebene
Viskosströmungsmittelkupplung eine relativ geringe Anzahl an Bestandteilen und nur
wenige maschinelle Bearbeitungen erfordert.
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Die Viskoskupplung der beschriebenen Art ist nach enem weiteren Merkmal
der Erfindung einfach und wirtschaftlich in der Konstruktion und leistungsfähig
im Betrieb.
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Weitere Merkmale und Vorzüge gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor.
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In den beigefügten Zeichnungen, in denen eine von mehrerenmöglichen
Ausführungsformen der Erfindung gezeigt ist, zeigen: Fig. 1 einen senkrechten Schnitt
durch eine gemäß der Erfindung ausgelegte Viskoskupplung in einer Betriebsart, Fig.
2 eine Vorderansicht der Kupplung, Fig. 3 einen Schnitt ähnlich demjenigen der Fig.
1 bei Darstellung der Kupplung in einer anderen Betriebsart, Fig. 4 eine Rückansicht
der Kupplung, Fig. 5 eine Ansicht ähnlich derjenigen der Fig. 4 bei Entfernung der
hinteren Abdeckung der Kupplung, Fig. 6 einen Teilschnitt der Fig. 4 nach den Linien
6-6 der Fig. 5
und Fig. 7 einen vergrößerten Teilschnitt der Fig.
5 bei Auslassung bestimmter Teile im Interesse der Klarheit.
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Gleiche Teile werden in den einzelnen Darstellungen der Zeichnungen
durch entsprechende Bezugszeichen bezeichnet.
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Es wird nurmehr auf die Bezeichnungen Bezug genommen, in denen bei
1 eine Viskosströmungsmittelkupplung gemäß der Erfindung gezeigt ist, mit einer
Antriebsvorrichtung oder einem Pumpenrad 3 und einem Abtriebskörper oder angetriebenen
Körper 5. Der Abtriebskörper 5 wird in seiner Verbindung mit einem Kühlerventilator
7 gezeigt, jedoch können selbstverständlich auch andere treibende oder angetriebene
Vorrichtungen zum Antrieb mit der gezeigten Kupplung verbunden werden.
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Der Antriebskörper 3 wird durch eine Stummelwelle 9 einer Nabe 11
mit einem darauf gebildeten Flansch 13 angetrieben. Die Nabe 11 kann mit einer von
dem Motor angetriebenen Riemenscheibe (nicht gezeigt) verbunden werden. Der Antriebskörper
3 ist als ein allgemein scheibenförmiger Blechstanzteil ausgebildet und weist eine
viereckige Öffnung 15 auf, durch welche ein viereckiges Ende 17 einer Welle 9 sich
passend hindurcherstreckt. Ein Haltering 19 befestigt den Antriebskörper 3 und die
Welle 9 miteinander.
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Der Antriebskörper oder das Pumpenrad 3 weist zwei Metallblechstanzteile
21 und 23 auf, die bei 24 beispielsweise durch einen
Preßsitz miteinander
verbunden sind. Das Pumpenrad 3 besitzt einen allgemein kegelförmigen Mittelabschnitt
25 und einen ringförmigen Mulden- oder Kanalabschnitt 27, der durch den Endabschnitt
25 auf seinem Umfang gebildet ist, sowie eine ringförmige Außenwand 30 und eine
sich radial nach innen erstreckende Vorderwand 22. Zur Aufrechterhaltung des richtigen
Abstands zwischen dem Pumpenrad 3 und dem Abtriebskörper 5 sind Abstandshalter 29
orgesehen. Das Pumpenrad ist durch anfängliches Durchbiegen der Rückwand 25 während
des Zusammenbaus an ihrem Mittelpunkt nach vorn gegen die Abstandshalter beaufschlagt.
Der Abschnitt 25 ist mit einer Anzahl Öffnungen 26 (Fig. 5) versehen, um den Eintritt
von Strömungsmittel in die Mulde zu gestatten, was im Anschluß hieran beschrieben
wird.
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Das Pumpenrad 3 ist in dem Abtriebskörper oder dem angetriebenen Körper
5 angeadnet, welcher ein Gehäuse darstellt und aus einer Rückenplatte oder einem
Stanzteil 31 und einem vorderen Gußteil 33 gebildet ist. Das Stanzteil 31 besitzt
eine innere ringförmige Nabe 34, die auf dem Außenring 35 eines Lagers 37 befestigt
ist, während der Innenring 39 dieses Lagers im Preßsitz auf der Welle 9 aufsitzt.
Mit dem mittleren Abschnitt des Stanzteils 31 ist ein konischer Abschnitt 41 mit
Öffnungen 42 verbunden, und trägt dazu bei, dem Stanzteil eine größere Starrheit
zu verleihen. Die Öffnungen 42 gestatten eine Umwälzung von Luft um das Lager 37
zur Kühlung desselben. Diese Öffnungen gestatten auch den Eintritt und Austritt
einer Phosphatlösung während des Phosphatierungsvorgangs der rückwärtigen Abdeckung
zur Verhinderung von Korrosion.
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Der Außenkantenabschnitt des Gußteils 33 ist als ringförmige Wand
43 ausgebildet, deren rückwärtiges Ende an dem nach vorn gewendeten Kantenabschnitt
des Stanzteils 31 abgedichtet ist.
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Der Außenkantenabschnitt des Gußteils und der Stanzteil bilden ein
Gehäuse, welches sich der Kontur des Pumpenrades 3, um welches es sich herumerstreckt,
genau anpaßt und allgemein nur einen geringen Raum freiläßt, welcher zu dem Arb~eitsbereich
oder dem Arbeitsraum der Kupplung wird, wie im folgenden erläutert. Jedoch ist in
der ringförmigen Wand 43 eine spiralförmige Nut 44 gebildet und schafft, wie aus
dem folgenden noch klarer hervorgehen wird, einen Weg, durch welchen das Strömungsmittel
von der Vorderseite des Arbeitsraumes zu seiner Rückseite gepumpt wird.
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Die Vorderseite 33 ist durch Befestiger 45 an einer Nabenplatte 47
des Ventilators 7 befestigt. Der Gußteil 33 besitzt eine Vorderwand 49 mit einer
Anzahl Rippen 50, die sich an seinem äußeren Randbereich nach vorn erstrecken, sowie
eine allgemein ringförmige Leiste 51 die sich von der Innenseite der vorderen Wand
in das Innere des Gehäuses nach hinten erstreckt. Die Leiste 51 lagert eine sich
allgemein nach hinten erstreckende, L-förmige und rillgförmige Mulde oder ein Reservoir
53 mit einem Boden 55 und einer geneigten Rückwand 57, die sich in Richtung auf
die Umlaufachse der Einheit nach innen und in Richtung auf die vordere Wand 49 nach
vorn erstreckt.
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Die Wand 49 besitzt zwei diametral gegenüberliegende geneigte
Ausnehmungen
oder Verteilungskanäle 59, deren innere Abschnitte durch geneigte, allgemein U-förmig
ausgebildete Wände 66 mit einstückig mit der Leiste 51 ausgebildeten Enden umgeben
sind. Die Kanäle 59 erstrecken sich in einer zu der Wand 43 geneigten Richtung nach
außen und verbinden sich mit dem vorderen Ende der Nut 44.
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Die inneren Abschnitte des Kanals 59 können im wesentlichen durch
die gegenüberliegenden Enden eines allgemein flachen Blattventils 69 abgedeckt werden,
das beispielsweise durch eine Steckverbindung an seinem Mittelpunkt mit einem in
einer in der Wand 49 gebildeten Nabe 71 gelagerten umlaufenden Stift 70 verbunden
ist. Das äußere Ende des Stiftes 70 besitzt einen Schlitz 72, in welchem das innere
Ende eines spiralförmig gewundenen bimetallischen thermostatischen Körpers 73 angeordnet
ist. Das äußere Ende 75 des Körpers 73 ist auf eine Stange 77 aufgehakt, die sich
von der Wand 49 nach vorne erstreckt. Abweichungen in der Lufttemperatur um den
thermostatischen Körper 73 herum veranlassen den letzteren, die Nadel 70 und das
Blattventil 69 zu drehen.
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Das äußere Ende des Blattventils 69 weist einen abgewinkelten Kantenabschnitt
79 auf und ist in der Lage, in einer Stellung einen wesentlichen Teil des U-förmigen
Hohlraums oder der Tasche abzudecken, die durch die Wände 55 und 66 gebildet wird.
Somit ist, wenn infolge der darauf wirksamen Zentrifugalkräfte Strömungsmittel in
dem Reservoir 53 vorhanden ist, der Abgabebereich im wesentlichen geschlossen, und
es entweicht nur eine geringe Menge des Strömungsmittels zwischen dem Ende des Blattes
69, dem
Boden 55 des Reservoirs und den Wänden 66. Wenn das Blatt
69 sich entgegen dem Uhrzeigersinne bewegt, wie in Fig. 5 gezeigt, dann legt der
geneigte und abgewinkelte Kantenabschnitt 79 einen dreieckigen Abschnitt des abgewinkelten
U-förmigen Abgabebereichs frei, der augenblicklich freigelegte dreieckige Bereich
wird grösser und dann bei weiterer Bewegung des Blattes in derselben Richtung viereckig
und gestattet dadurch eine Zunahme der aus dem Reservoir abgegebenen Strömungsmittelmenge.
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Die Bewegung des Blattes 69 in öffnungsrichtung wird begrenzt die
durchibimetallische Steuerung 73, und die Bewegung in Schließrichtung wird begrenzt
durch Zusammenwirkung derselben mit einem Anschlag 83. Die nach hinten gewendeten
Kantenabschnitte 79 verhindern ein Aufhängen oder Verfangen der äußeren Enden des
Blattventils auf den Kanten des Kanals bei einer Bewegung von einer offenen in eine
geschlossene Stellung.
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Von dem Boden 55 der Mulde 53 erstreckt sich nach außen und durch
sie hindurch eine rohrförmige Schöpf einrichtung 85, deren Einlaßende allgemein
oval ist und in die entgegengesetzte Richtung des Umlaufs des Pumpenrades 21 weist,
so daß jegliches Strömungsmittel in der Kammer 27 in das Rohr eingefüllt und durch
das Rohr in die Mulde 53 hinein nach innen gedrückt werden kann. Von der radialen
Innenkante der Wand 57 erstreckt sich über die Abgabeöffnung des Rohres 85 eine
Ablenkeinrichtung 87, um eine Ablenkung des Strömungsmittels zurück in die Mulde
hinein zu verursachen.
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Das Strömungsmittel kann durch an der Vorderwand befestigte elastische
Abstandshalter
und Pumpplatten 89 von dem Arbeitsbereich zwischen der Vorderwand 49 und dem Pumpenrad
3 dem Reservoir zugeführt werden. Das Strömungsmittel bewegt sich aufgrund der Zentrifugalkraft
durch die Zwischenräume zwischen der Vorderwand 49 und der Wand 22 in Richtung auf
die ringförmige Wand 43 nach außen. Das Strömungsmittel strömt auch aus den Kanälen
59 heraus zu der Wand 43, wo das gesamte Strömungsmittel sich aufgrund der darauf
ausgeübten Reibungshemmung und der in den Kanälen 59 und zwischen der Pumpenradfläche
23 und der Wand 49 aufgebauten Kraft des Strömungsmittels durch die Führungsnut
44 zu dem Raum zwischen den Rückwänden-25 und 31 bewegt. Das Strömungsmittel wird
dann unter dem Einfluß derselben oben erwähnten Kräfte in die in der rückwärtigen
Abdeckung 31 gebildeten abgewinkelten Ausnehmungen 91 hinein nach innen gedrückt.
Wenn der Strömungsmittelstand in den Ausnehmungen 91 die radiale Innenhöhe der Außenkanten
der öffnungen 26 in der Pumpenradwand 25 erreicht, wird das Strömungsmittel in die
Mulde 27 hinein zurückgekippt.
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Der Betrieb der Kupplung ist wie folgt: Während der Wintermonate,
wenn der Motor in kaltem Zustand angelassen wird, befindet sich in dem unteren Bereich
der Einheit ein Vorrat an Silikonflüssigkeit, der während des Zusammenbaus der Einheit
in sie eingebracht wurde, und wird schnell zu einem Strömungsmittelring in der Kammer
27 ausgeschleudert. Die Schöpfeinrichtung 85 nimmt das Strömungsmittel auf und fördert
es zu der Mulde 53. Die den thermostatischen Körper 73 umgebende Temperatur ist-kalt,
und der Körper veranlaßt die äußeren Enden des Blattventeils
69,
die Kanäle 59 im wesentlichen abzudecken, so daß die Tiefe des Strömungsmittels
in der Mulde 53 zunimmt und eine geringe Menge unter das äußere Ende des Blattventils
in den Raum zwischen dem Pumpenrad 3 und der vorderen Wand 43 einströmt. Von diesem
Raum wird diese geringe Menge Strömungsmittel durch die Platten 89 über die Nut
44 in die Mulde 27 zurückgepumpt und in die Ausnehmungen 91 hinein, wo es durch
die Anlage umgewälzt wird.
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Die Menge des umgewälzten Strömungsmittels ist sehr klein und, obwohl
es die verschiedenen Teile geschmiert hält, unzureichend zur Erzeugung einer nennenswerten
Antriebsverbindung zwischen dem Pumpenrad 3 und dem Abtriebskörper 5. Demzufolge
erfährt der Abtriebskörper 5 während solcher Zustände ein erhebliches Ausmaß an
Schlupf. Da die Temperatur der Luft um den Körper 73 herum während des anfänglichen
Betriebes des Motors niedrig ist, wird nur eine sehr geringe zusätzliche Kühlung
benötigt, und es ist daher nicht erforderlich, irgendeinen nennenswerten Antrieb
für den Ventilator vorzusehen.
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Sowie die Temperatur um den thermostatischen Körper herum infolge
einer Aufwärmung des Motors sowohl an kalten als auch an warmen Tage zunimmt, wird
das Blattventil infolge der Tätigkeit des thermostatischen Körpers 73 gedreht und
beyinnt, einen Abschnitt des Kanals 59 freizulegen. Beim Öffnen der Kanäle 59 strömt
mehr Strömungsmittel aus dem Kanal 53 in die Kanäle ein und zu dem Arbeitsraum zwischen
den Pumpenradwänden und der vorderen Wand 49 der Außenwand 43 unddem äußeren Abschnitt
der Wand 31 nach außen.
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Beim Eintritt des Strömungsmittels in den Arbeitsraum nimmt der Schlupf
zwischen dem Pumpenrad 23 und dem Abtriebskörper 5 ab.
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Die Reibungshemmung, die von dem Pumpenrad 3 auf das Strömungsmittel
ausgeübt wird, pumpt das Strömungsmittel durch die Nut 44 und die Ausnehmungen 91
zu der Kammer 27, jedoch die geringe Größe der Nut verhindert ein Pumpen des Strömungsmittels
von dem Arbeitsraum mit derselben Geschwindigkeit, mit der es zu diesem Raum strömt.
Dies setzt sich fort, bis ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist. Die Konstruktion
des Blattventils 69 und der Kanäle 59 ist derart, daß der Temperaturbereich, über
den eine veränderliche Strömungsmittelmenge in die Arbeitskammer eingelassen wird,
relativ klein ist, z. B. 15-20° F. Somit kann das Blattventil die Kanäle beispielsweise
bei 1500 F öffnen und sich zu einem Punkt bewegen, an welchem eh weiteres Öffnen
der Kanäle bei beispielsweise 1650 F nicht zu einem zusätzlichen Strömungsmittelfluß
zu dem Arbeitsraum führt.
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Wenn der Arbeitsraum mit Strömungsmittel bis zu einem bestimmten Pegel
gefüllt ist, der durch die Umgebungstemperatur bestimmt wird, dann wird das Verhältnis
der Eingangsdrehzahl zur Ausgangsdrehzahl bei einer vorgegebenen niedrigen Eingangsdrehzahl,
wie sie beispielsweise im Leerlaufbetrieb auftritt, annähernd 1 : 1.
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Wenn die Eingangsdrehzahl den vorgegebenen Wert überschreitet, beginnt
der Abtriebskörper infolge der Strömungsmittelcharakteristika zu schlüpfen, wobei
das Ausmaß des Schlupf es bestimmt wird durch die Menge des Strömungsmittels in
der Arbeitskammer. Wenn die Eingangsdrehzahl einen vorgegebenen höheren Wert überschreitet,
dann bleibt die Ausgangsdrehzahl auf einer relativ konstanten Höhe, die durch das
Ausmaß des Strömungsmittels in dem Arbeitsraum bestimmt wird. -Wenn der Kühlbedarf
auf einem Maximum ist, werden
die Kanäle 59 vollständig freigelegt,
um die maximale Menge Strömungsmittel in den Arbeitsraum einströmen zu lassen und
dadurch eine maximale Abtriebsleistung zu ermöglichen.
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Fig. 1 zeigt kennzeichnende Strömungsmittelpegel t11, W2 und W3, die
in dem Reservoir 53 und der Kammer 27 sowie in dem Arbeitsraum an kalten Tagen aufrechterhalten
werden, wenn es unnötig ist, große Luftmengen durch den Kühler hindurchziehen zu
lassen. Andererseits zeigt Fig. 2 kennzeichnende Pegel an den verschiedenen Bereichen
der Kupplung, wenn es sehr warm ist und die Notwendigkeit besteht, den Ventilator
bei einer maximalen Drehzahl anzutreiben.
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Es ist ersichtlich, daß die Kupplungseinrichtung mehrere Blechmetallstanzteile
und eine relativ einfache formgegossene vordere Abdeckung enthält, die alle in einer
kompakten und leistungsfähigen Einheit zusammengestellt sind. Im Hinblick auf das
oben Gesagte, ist ersichtlich, daß die Aufgabe der Erfindung sowie andere Vorteile
erfüllt sind.
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Obwohl nur eine Ausführungsform der Erfindung offenbart und beschrieben
wurde, liegt doch auf der Hand, daß andere Ausführungsformen und Abwandlungen der
Erfindung möglich sind.