DE3000664A1

DE3000664A1 - Hydrodynamische bremse

Info

Publication number: DE3000664A1
Application number: DE19803000664
Authority: DE
Inventors: Hans 7920 Heidenheim Lindenthal
Original assignee: Voith Getriebe KG
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1980-01-10
Filing date: 1980-01-10
Publication date: 1981-07-16
Also published as: US4361211A; FR2473660A1; DE3000664C2

Description

G 3551 Voith Getriebe KG

Kennwort: "Schwenkbecher-Bremse" Heidenheim

Hydrodynamische Bremse

Die Erfindung geht aus von einer hydrodynamischen Bremse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, bekannt aus der DE-OS 17 50 272. Dort sind die Schaufeln des Rotor- und/oder des Stator-Schaufelrades um radiale Achsen verschwenkbar, zwecks Beeinflussung- des Bremsmomentes und insbesondere zwecks Verminderung der Ventilationsverluste im ausgeschalteten Zustand der Bremse (d.h. Verminderung der Leistungsaufnahme im entleerten Zustand der Bremse). Im einzelnen ist dort folgendes vorgesehen: Im eingeschalteten Zustand der Bremse befinden sich die verschwenkbaren Schaufeln in der üblichen, ein hohes Bremsmoment gewährleistenden Schrägstellung. Dies ist im Hinblick auf die Rotor-Drehrichtung die sogenannte "spießende" Stellung. Dabei liegen dort die hinteren Schaufelkanten an der Torus-Wand an. Im ausgeschalteten Zustand der Bremse erstrecken sich die Schaufeln dagegen parallel zur Umlaufri chtung.

Diese bekannte Bremse hat nach dem Wissen der Anmelderin keinen Eingang in die Praxis gefunden. Die Gründe hierfür dürften darin liegen, daß das Einstellen verschiedener Bremsmomente in einfacher Weise durch Verändern des Füllungsgrades bewirkt werden

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kann, und daß zum Zwecke der Verminderung der Ventilationsverluste ebenfalls andere bewährte Maßnahmen gefunden worden sind (z.B. DE-PS 16 75 265, 21 35 268, 22 27 624).

Unbefriedigend ist jedoch, daß bisher, wenn eine unabhängig von der Drehrichtung wirksame Bremse gefordert wird, zwei Arbeitsräume vorgesehen werden müssen, z.B. gemäß DE-PS l6 OO 191 oder DE-PS 27 57 240.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einflutige hydrodynamische Bremse zu schaffen, die möglichst universell einsetzbar ist, die also bei Bedarf auch für beide Drehrichtungen geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene hydrodynamische Bremse gelöst.

Während bei der bekannten Bremse (DE-OS 17 50 272) die die Strömung umlenkende Torus-Wand starr im jeweiligen Schaufelrad angeordnet ist und die verschwenkbaren Schaufeln deshalb nicht in die achsparallele Stellung gebracht werden können, wird die Torus-Wand gemäß der Erfindung stückweise mit den verschwenkbaren Schaufeln vereinigt. Dadurch wird es möglich, die Schaufeln in einem ganz anderen Schwenkbereich zu bewegen als bei der bekannten Bremse. Die Schaufeln können nämlich nunmehr aus der üblichen Schrägstellung (auch "spießende" Stellung genannt) zumindest bis in die achsparallele Stellung verschwenkt werden. Die achsparallele Stellung kann die Leerlaufstellung sein, weil hierbei im Vergleich zur spießenden Stellung die Leistungsaufnahme der Bremse schon wesentlich vermindert ist; d.h. es findet eine für viele Anwendungsfälle schon ausreichende Verringerung der Ventilationsverluste im ausgeschalteten Zustand der Bremse statt. Betrachtet man z.B. den Fall, daß sowohl die Rotor- als auch die Stator-Schaufeln aus der spießenden in die achsparallele Stellung verschwenkt werden, so ist eine Verminderung der Leistungsaufnahme auf rund 10 % des ursprünglichen Wertes zu erwarten.

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Dies zeigen Vergleichsmessungen an herkömmlichen hydrodynamischen Bremsen mit schräger Beschaufelung und an herkömmlichen hydrodynamischen Kupplungen mit achsparalleler Beschaufelung.

Ein noch bedeutenderer Vorteil der Erfindung besteht nun aber darin, daß die verschwenkbaren Schaufeln bei Bedarf über die achsparallele Stellung hinaus in eine entgegengesetzte Schrägstellung gebracht werden können (Anspruch 2). Dies ist bei gleichbleibender Drehrichtung die sogenannte "schleppende" Schrägstellung. Diese Stellung kann wiederum die Leerlaufstellung sein, wenn hierbei die Bremse entleert ist. Insbesondere kann jedoch diese Schaufelstellung für die andere Drehrichtung die spießende Stellung sein. Somit kann der durch die Erfindung erhielte große Schwenkbereich vor allem dazu genutzt werden, daß die Bremse - trotz Vorhandenseins¹ nur eines einzigen Arbeitsraumes - in beiden Drehrichtungen voll wirksam ist. Im Falle der Ausführung nach Anspruch 2 ist also stets die für die eine Drehrichtung schleppende Schaufel-Stellung für die andere Drehrichtung die spießende Schaufel-Stellung und umgekehrt.

Im allgemeinen wird man es in dem vorgenannten Fall einer drehrichtungsunabhängigen Bremse wünschen, daß die Bremse in beiden Drehrichtungen ein gleich hohes Bremsmoment erzeugt. Deshalb wird man die mit den verschwenkbaren Schaufeln vereinigten Teilstücke der Torus-Wand - im Zylinderschnitt gesehen - vorzugsweise senkrecht zur jeweiligen Schaufelebene anordnen (Anspruch 3). Die Torus-Wand erstreckt sich somit parallel zur Umfangsrichtung, solange die Schaufeln achsparallel stehen. Sobald jedoch die Schaufeln schräg stehen, sind die Torus-Wandstücke nach Art einer Treppe stufenartig angeordnet. Abweisend von Anspruch jj können die Torus-Wandstücke mit den Schaufeln auch einen von 90° abweichenden Winkel bilden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im Anspruch K angegeben. Danach sind, im Zylinderschnitt gesehen, U-förmige Schaufelkammern gebildet, die auch "Schwenkbecher" genannt wer-

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den können. Deren Schwenkachse kann in der Mittelebene des U-Profils, bei Bedarf jedoch auch neben dieser Mittelebene, also auch unsymmetrisch angeordnet werden. Diese Bauweise macht es erforderlich, die beiden Schaufelräder in Achsrichtung ein wenig auseinanderzurücken. Hierdurch ist in der achsparallelen Stellung der verschwenkbaren Schaufeln der lichte Abstand zwischen den Schaufelrädern verhältnismäßig groß. Dies ist jedoch durchaus günstig, da hierdurch eine weitere Verminderung der Ventilationsverluste erzielt wird. Die Übergänge von den Schaufeln zu den Torus-Wandstücken können eckig, besser jedoch gerundet sein.

Im Anspruch 5 ist eine andere Bauweise angegeben, bei der jede verschwenkbare Schaufel zusammen mit ihrem Teilstück der Torus-Wand - im Zylinderschnitt gesehen - einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Hierbei wird die Schwenkachse, in Übereinstimmung mit der bekannten Bremse nach DE-OS 17 5o 272, wenigstens angenähert in der angeströmten Schaufelkante angeordnet. Bei dieser Bauweise ist ein Auseinanderrücken der beiden Schaufelräder nicht erforderlich. In ähnlicher Weise kann gemäß Anspruch 6 für die beweglichen Schaufeln ein L-förmiger Querschnitt vorgesehen werden.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß ausgehend von der DE-OS 17 50 272 auch noch andere Lösungen denkbar sind, durch die erreicht werden kann, daß der Schwenkbereich der verdrehbaren Schaufeln von der spießenden Stellung zumindest bis hin zur achsparallelen Stellung oder auch bis hin zur schleppenden Stellung reicht. So kann z.B. nur ein vorderer, dem anderen Schaufelrad zugewandter Teil einer Schaufel (z.B. etwa zwei Drittel einer ganzen Schaufel) verschwenkbar ausgeführt und der übrige, der hintere Teil der Schaufel in fester Verbindung mit der Torus-Wand belassen werden (Anspruch J). Hierdurch kann aber nur eine Verminderung der Ventilationsverluste erreicht werden. Für eine drehrichtungsunabhängige Bremse ist diese Bauweise weniger geeignet.

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Ferner kann man bei einer ähnlich der DE-OS 17 50 272 gestalteten Bremse, worin ganze Schaufeln verschwenkbar sind, die Torus-Wand so formen, daß zwischen ihr und dem Schwenkweg der hinteren Schaufelkanten ein Abstand besteht (Anspruch 8). Die Torus-Wandung erstreckt sich also dann nicht mehr parallel zur Umfangsrichtung, sondern weist an jeder verschwenkbaren Schaufel eine Vertiefung auf. Die Größe des Abstandes kann entlang dem Schwenkweg der Schaufel-Hinterkante unterschiedlich sein. Wichtig ist nur, daß in der spießenden Schaufelstellung (wenn also die Bremse voll wirksam sein soll) der Abstand möglichst gering ist, so daß die Strömung nicht ausweichen kann. Dagegen kann es durchaus vorteilhaft sein, wenn in der achsparallelen Stellung der Schaufeln der genannte Abstand verhältnismäßig groß ist; denn dies tr'-Vo zur Minderung der Ventilationsverluste bei.

Die erfindungsgemäße Bremse kann zum Verschwenken der Schaufeln - etwa nach dem Vorbild der DE-OS 17 50 272 - mit einer Betätigungseinrichtung ausgerüstet werden. Vorzugsweise wird man aber auf eine solche Betätigungseinrichtung verzichten und in Anlehnung an die bekannte Bremse nach DE-PS 16 75 263 eine Ausführung nach Anspruch 9 wählen, nach der die verstellbaren Schaufeln vollkommen selbsttätig in die jeweils erforderliche Stellung gehen, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehrichtung und vom jeweiligen Füllmedium, nämlich Flüssigkeit oder Luft.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 einen Teil-Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße hydrodynamische Bremse;

Fig. 2 einen Teilschnitt nach Linie II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilschnitt (Zylinderschnitt) nach Linie III-III der Fig. 1, im Zustand bei entleerter Bremse;

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Pig. 4 einen Teilschnitt gemäß Fig. 3, jedoch im Zustand bei wenigstens teilweise gefüllter Bremse und bei Umlauf des Rotors in der einen Drehrichtung;

Fig. 5 einen Teilschnitt entsprechend Fig. 4, jedoch bei Umlauf des Rotors in der anderen Drehrichtung;

Fig. 6 eine Teilansicht auf den Rotor in Richtung des Pfeiles VI der Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist die hydrodynamische Bremse auf einer Rotorwelle 10 angeordnet. Mit dieser ist drehfest eine Rotornabe 11 verbunden, die einen Nabenflansch 11a aufweist. An dem Nabenflansch ist eine Rotorschale 12 befestigt, die in der üblichen Weise die Hälfte eines torusförmigen Innenraumes umschließt, jedoch abweichend von herkömmlichen Strömungsbremsen keine Schaufeln aufweist. Stattdessen sind in die Rotorschale 12 sogenannte Schwenkbecher IJ eingesetzt. Diese bilden bewegliche Schaufelkammern. Jeder Schwenkbecher 13 ist aus zwei Schaufeln 14 und aus einem Teilstück 15 der strömungsführenden Torus-Wand zusammengesetzt. Es sind mehrere Schwenkbecher dieser Art gleichmäßig am Umfang der Rotorschale 12 verteilt (siehe Fig. 6). Die Schwenkachsen der Schwenkbecher 13 verlaufen in radialer Richtung. Jeder Schwenkbecher hat einen äußeren Drehzapfen 16 und einen inneren Drehzapfen 17. Im Bereich der inneren Drehzapfen 17 ist die Rotorschale 12 geteilt; d.h. sie weist einen abnehmbaren Deckring 12a auf. Dieser wird nach dem Einsetzen der Schwenkbecher 13 an die Rotorschale 12 angefügt. Schrauben 21 dienen zum Verbinden des Deckringes 12a mit der Rotorschale 12a und zugleich zum Verbinden der Rotorschale 12 mit dem Nabenflansch 11a.

An den inneren Drehzapfen 17 ist eine Schulter 18 angeformt. Diese dient einerseits zur Führung des Schwenkbechers in radialer Richtung; d.h. sie überträgt die am Schwenkbecher an-

greifende Fliehkraft auf die Rotorschale. Andererseits wirkt die Schulter 18 mit einer Schraubendruckfeder 19 zusammen, um den Schwenkbecher im entleerten Zustand der Bremse in die sogenannte Leerlaufstellung zu bringen, die in Fig. 3 dargestellt ist. Die Feder 19 ist zusammen mit einer Stahlkugel 20 in einer achsparallel verlaufenden Bohrung in der Rotorschale angeordnet. Die Schulter l8 weist eine von der Kreisform abweichende Außenkontur auf, intern im wesentlichen ein Kreisabschnitt abgetrennt ist (siehe Fig. 2). In diesem Bereich greift die Feder 19 mittels der Kugel 20 an. Zur Stabilisierung der Leerlaufstellung der Schwenkbecher kann an dem abgeflachten Teil der Schulter l8 noch eine kleine Vertiefung vorgesehen werden.

D"!'i Rotorschale 12 und die darin angeordneten Schwenkbecher 13 bilden zusammen das sogenannte Rotorschaufelrad. Ihm gegenüber steht ein in ganz ähnlicher Weise gestaltetes Stator-Schaufelrad. Dessen Hauptteile sind eine Stator-Schale 32, in der die Rotornabe IL"mittels eines.Wälzlagers 30 gelagert ist, ferner eine Deckscheibe 32a und mehrere Schwenkbecher 13, die mit denen des Rotorschaufelrades weitgehend übereinstimmen können. An die Stator-Schale 32 ist ein Gehäusemantel 33 angeformt," der in der üblichen Weise eine Auslaßöffnung ~$K aufweist. Mit dem Gehäusemantel 33 ist noch eine Rückwand 35 verschraubt. An diese ist ein Einlaßkanal 35^aangeformt. Von diesem führen mehrere Bohrungen 36 durch den Nabenflansch 11a hindurch in einen Ringraum 37j der von der Nabe 11, der Rotor-Schale 12 und dem Deckring 12a umschlossen ist. Der innere Drehzapfen 17 jedes zweiten Schwenkbechers des Rotor-Schaufelrades weist eine konzentrische, also in radialer Richtung verlaufendejBohrung auf. Darin ist ein Einlaßrohr 38 eingesetzt. Diese Einlaßrohre verbinden -⁵IsO den Ringraum 37 mit dem Innenraum der Bremse, der auch Arbeitsraum genannt wird.

Wie oben schon erwähnt wurde, nehmen die Schwenkbecher 13 im Leerlauf der Bremse, wenn also der Arbeitsraum entleert ist, die in Fig. 3 dargestellte Position ein. Hierbei ist die Lei-

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stungsaufnahme der Bremse außerordentlich gering, einerseits weil die Schaufeln ]Λ parallel zur Drehachse der Bremse stehen, anderseits deshalb, weil der Abstand a zwischen den aneinander vorbeilaufenden Schaufelkanten verhältnismäßig groß ist. Der in Fig. > dargestellte Zustand ist für beide Rotor-Drehrichtungen zutreffend.

Die Pig. 4 und 5 zeigen die unterschiedlichen Stellungen der Schwenkbecher in den beiden Rot-or-Drehrichtungen, wenn der Arbeitsraum der Bremse wenigstens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Die Drehrichtung ist jeweils mit einem Pfeil V bzw. R gekennzeichnet. Man erkenn,, daß sich die Schaufeln in beiden Fällen in der sogenannten spießenden Stellung befinden. Der Winkel der Schrägstellung der Schaufeln ist dadurch bestimmt, daß die Schwenkbecher 13 aneinander stoßen.

Heidenheim, 17.12.79
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Claims

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Kennwort: "Schwenkbecher-Bremse" Heidenheim

Patentansprüche

fl.JHydrodynamische Bremse der Föttinger-Bauart mit einem Rotor-Schaufelrad und einem Stator-Schaufelrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, ferner mit den folgenden weiteren Merkmalen:

a) der Arbeitsraum ist zum Einschalten der Bremse wenigstens teilweise mit Flüssigkeit füllbar und zum Ausschalten der Bremse wieder ent leer baryta) zumindest im eingeschalteten Zustand der Bremse sind - im Zylinderschnitt gesehen - die Schaufeln des Rotor-Schaufelrades in Drehrichtung vorwärts und die Schaufeln des Stator-Schaufelrades rückwärts schräg gestellt (spießende Stellung der Schaufeln);

c) an wenigstens einem der beiden Schaufelräder ist jede einzelne Schaufel um eine im wesentlichen radial angeordnete Achse verschwenkbar;

dadurch gekennzeichnet,

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d) daß an jeder verschwenkbaren Schaufel (l4) ein Teilstück (15) der Torus-Wand angeordnet ist und

e) daß der Schwenkbereich der verschwenkbaren Schaufeln (14) von der spießenden Stellung (Fig. 4) mindestens bis zur achsparallelen Stellung (Fig. 3) reicht.

2. Hydrodynamische Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkbereich der verstellbaren Schaufeln (14) von der spießenden Stellung (Fig. 4) über die achsparallele Stellung (Fig. 3) bis hin zur "schleppenden" Stellung (Fig. 5) reicht (bezogen auf ein und dieselbe Rotor-Drehrichtung).

3- Hydrodynamische Bremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer verschwenkbaren Schaufel (14) vereinigte Teilstück (15) der Torus-Wand - im Zylinderschnitt (Fig. 3 bis 5) gesehen - wenigstens angenähert senkrecht zur Schaufelebene angeordnet ist.

4. Hydrodynamische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß von den verschwenkbaren Schaufeln (l4) je zwei benachbarte Schaufeln mit einem Teilstück (15) der Torus-Wand zu einer verschwenkbaren Schaufelkammer (13) vereinigt sind (Schwenkelement mit U-förmigem Querschnitt).

5. Hydrodynamische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Seiten jeder verschwenkbaren Schaufel je ein Teilstück der Torus-Wand angeordnet ist (Schwenkelement mit T-Querschnitt).

6. Hydrodynamische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß an einer Seite jeder verschwenkbaren Schaufel ein Teilstück der Torus-Wand angeordnet ist (Schwenkelement mit L-Querschnitt).

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J. Hydrodynamische Bremse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der vordere, dem Schaufelradspalt zugewandte Teil einer Schaufel verschwenkbar und der hintere starr mit der Torus-Wand verbunden ist.

8. Hydrodynamische Bremse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkbereich der verschwenkbaren Schaufeln von der spießenden Stellung zumindest bis hin zur achsparallelen Stellung reicht, und daß die Torus-Wand so geformt ist, daß zwischen ihr und dem Schwenkweg der hinteren Schaufelkante ein Abstand besteht.

9. Hydrodynamische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis Q, dadurch gekennzeichnet, daß die verschwenkbaren Schaufeln (]A) im. entleerten Zustand der Bremse entgegen dem dynamischen Druck der Luftströmung durph eine Rückstellkraft, z.B. Federkraft, in ihrer Leerlaufstellung (d.h. in achsparalleler oder schleppender Stellung) gehalten werden, und daß sie im eingeschalteten Zustand der Bremse durch den dynamischen Druck der Plüssigkeitsströmung entgegen der Rückstellkraft in der spießenden Stellung gehalten werden.

10. Hydrodynamische Bremse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder verschwenkbaren Schaufel (1Λ) eine nach

Art einer Kurvenscheibe geformte Schulter (l8) befestigt ist, mit dem eine Feder. (19) derart zusammenarbeitet, daß die Feder - sofern die Bremse entleert ist - die Schaufel (]A) in ihre Leerlaufstellung drückt.

11. Hydrodynamische Bremse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schulter (18) und der Feder (19) eine Kugel (20) angeordnet ist.

Heidenheim, 17.12.79
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