DE3329854C1

DE3329854C1 - Hydrodynamische Stellkupplung

Info

Publication number: DE3329854C1
Application number: DE19833329854
Authority: DE
Inventors: Jacques 7180 Crailsheim Duminy
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 1983-08-18
Filing date: 1983-08-18
Publication date: 1985-03-14
Also published as: GB8418757D0; GB2145198A; GB2145198B; JPS6065916A

Description

a) mit dem Primärschaufelrad (10) rotieren ein ringförmiger Vorratsbehälter (15) für Arbeitsflüssigkeit und eine das Sekundärschaufelrad (14) umhüllende Schale (12);

b) vom radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes (13) erstreckt sich wenigstens eine mit dem Primärschaufelrad (10) rotierende Flüssigkeitsleitung (28) in den Vorratsbehälter (15);

c) zum Auslösen einer Flüssigkeitsströmung vom Vorratsbehälter (15) in den Arbeitsraum (13) ist an den Vorratsbehälter eine Zuführleitung (17) für ein gasförmiges Druckmedium (z. B. Druckluft) angeschlossen;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

d) der Vorratsbehälter (15) umhüllt den radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes (13);

e) der radial äußere Bereich des Arbeitsraumes (13) ist über wenigstens zwei unterschiedliche Flüssigkeitsleitungen (28, 38) mit dem Vorratsbehälter (15) verbunden;

ei) eine Entleerleitung (28) ist für eine ständige Flüssigkeitsströmung vom Arbeitsraum (13) zum Vorratsbehälter (15) unter Ausnutzung der kinetischen Energie der im Arbeitsraum befindlichen Flüssigkeit ausgebildet;

e?) eine Fülleitung (38) ist für eine ständige, durch den Luftdruck im Vorratsbehälter (15) erzeugte Flüssigkeitsströmung vom Vorratsbehälter zum Arbeitsraum (13) ausgebildet.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündung in die Entleerleitung (28) im radial äußeren Bereich eines Schaufelkanals des Primärschaufelrades (10) angeordnet und der Meridianströmung (M) entgegengerichtet ist.

3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündung in die Entleerleitung radial außerhalb des Sekundärschaufelrades an der Schale angeordnet und — nach Art eines rotierenden Schöpf rohres — in der Umlaufrichtung des Primärschaufelrades gerichtet ist.

4. Kupplung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Entleeröffnung der Entleerleitung (28) im radial äußeren Bereich des Vorratsbehälters (15), also innerhalb des sich dort bildenden Flüssigkeitsringes (16), befindet.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung der Fülleitung (38) im radial äußeren Bereich eines Schaufelkanals des Primärschaufelrades (10) angeordnet und in Richtung der Meridianströmung (M) gerichtet ist.

6. Hydrodynamische Stellkupplung mit einem Primärschaufelrad (10) und mit einem Sekundärschaufelrad (14), die miteinander einen torusförmigen, mit Arbeitsflüssigkeit füllbaren Arbeitsraum (13) bilden,

sowie mit den folgenden Merkmalen:

b) vom radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes (13) erstreckt sich wenigstens eine mit dem Primärschaufelrad (10) rotierende Flüssigkeitsleitung (18) in den Vorratsbehälter (15);

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

e)

f)

der Vorratsbehälter (15) umhüllt den radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes (13);
die Flüssigkeitsleitung (18) erstreckt sich etwa in radialer Richtung vom radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes (13) in den Flüssigkeitsring (16), der sich beim Betrieb der Kupplung im Vorratsbehälter (15) bildet;
es ist eine Einrichtung vorgesehen, die dem eingestellten Druck des gasförmigen Druckmediums eine Druckpulsation überlagert.

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Stellkupplung mit einem Primärschaufelrad und mit einem 'Sekundärschaufelrad, die miteinander einen torusförmigen und mit Arbeitsflüssigkeit füllbaren Arbeitsraum bilden. Der Füllungsgrad des Arbeitsraumes kann dadurch variiert werden, daß ein mit dem Primärschaufelrad rotierender Vorratsbehälter für Arbeitsflüssigkeit vorhanden ist, aus dem mittels Druckluft mehr oder weniger Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitsraum transportiert wird. Auf diese Weise kann der Kupplungsschlupf (das Verhältnis zwischen Primärdrehzahl und Sekundärdrehzahl) variiert werden.

Stand der Technik:

1. DE-OS16 25 770,

2. DE-PS 5 94 106,

3. US-PS2416 311.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Luftleitung (22; 40), die an den radial inneren Bereich des Arbeitsraumes (13) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitung (22; 40) selbsttätig steuerbar ist mittels eines Ventils (21; 41), das sich unter der Fliehkraft bei einer bestimmten Drehzahl selbsttätig öffnet.

8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (41) mit dem Primärschaufelrad (10) rotiert.

9. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) mit dem Sekundärschaufelrad (14) rotiert

Eine hydrodynamische Stellkupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus der Druckschrift L Dort ist (ähnlich wie beim

Gegenstand der Druckschrift 2) der Vorratsbehälter axial neben dem Arbeitsraum angeordnet. Man muß dort über zwei verschiedene Leitungssysteme Druckluft zuführen, entweder in den Vorratsbehälter, wenn der Füllungsgrad des Arbeitsraumes erhöht werden soll, oder in den Arbeitsraum, wenn der Füllungsgrad des Arbeitsraumes verringert werden soll. Solange der Füllungsgrad des Arbeitsraumes nicht verändert wird, kann eine Kühlung der im Arbeitsraum befindlichen Arbeitsflüssigkeit nur durch Wärmeabgabe an die (mit dem Primärschaufelrad rotierende) Schale und von dort an die Umgebungsluft stattfinden.

Aus der Druckschrift 2 ist es bekannt, daß die Arbeitsflüssigkeit auch ohne Zufuhr von Druckluft in den Arbeitsraum, d. h. allein unter Ausnutzung der kinetischen Energie, vom Arbeitsraum in den Vorratsbehälter übertreten kann. Jedoch ist dort auf diese Weise ein vollständiges Entleeren des Arbeitsraumes nicht erzielbar.

Aus der Druckschrift 3 ist es bekannt, daß der Vorratsbehälter den radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes umhüllt. Dort ist der Arbeitsraum zum Zwecke des Entleerens über Spritzöffnungen 18a mit dem Vorratsbehälter verbunden. Für das steuerbare Füllen des Arbeitsraumes ist ein nicht-rotierendes Schöpfrohr vorgesehen, das mehr oder weniger in den im Vorratsbehälter befindlichen Flüssigkeitsring eintaucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Oberbegriff des Anspruches 1 definierte hydrodynamische Stellkupplung dahingehend weiterzubilden, daß die folgenden Forderungen erfüllt sind:

1. Die Kupplung soll mit geringerem Aufwand als bisher steuerbar sein;

2. sie soll bei Bedarf vollkommen entleerbar sein;

3. das Wärmeabfuhrvermögen von der im Arbeitsraum befindlichen Arbeitsflüssigkeit an die Umgebungsluft soll gegenüber bisher erhöht werden, so daß die Kupplung eine höhere Leistung übertragen kann.

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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung braucht nur eine einzige steuerbare Zuführeinrichtung für Druckluft vorgesehen zu werden, die den Druck im Vorratsbehälter und hierdurch den Füllungsgrad im Arbeitsraum bestimmt. Dank der Anordnung des ringförmigen Vorratsbehälters außen um den Arbeitsraum herum kann in an sich bekannter Weise eine Flüssigkeitsströmung vom Arbeitsraum in den Vorratsbehälter ohne Zuführung von Druckluft in den Arbeitsraum stattfinden. Dabei besteht auch die Möglichkeit einer vollständigen Entleerung des Arbeitsraumes. Zugleich erhält man eine in Achsrichtung sehr kurze Bauweise für die erfindungsgemäße Kupplung, was in vielen Anwendungsfällen erwünscht ist.

Außerdem wird gemäß der Erfindung erreicht, daß beim Betrieb der Kupplung ohne Verwendung eines Schöpfrohres ein ständiger Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Arbeitsraum und dem Vorratsbehälter stattfindet. Hierdurch steht zur Wärmeabgabe vom aktiven Teil der Arbeitsflüssigkeit an die Umgebung die verhältnismäßig große Oberfläche des Vorratsbehälters zur Verfügung. Diese Oberfläche kann unter Umständen durch Rippen od. dgl. noch vergrößert werden.

Gemäß Anspruch 1 sind wenigstens eine Entleerleitung und wenigstens eine Fülleitung vorgesehen.

Die Aufnahmeöffnung der Entleerleitung kann entweder gemäß Anspruch 2 oder gemäß Anspruch 3 ausgebildet werden. Um sicherzustellen, daß Druckluft nicht über die Entleerleitung in den Arbeitsraum gelangt, ist es zweckmäßig, daß die Entleeröffnung der Entleerleitung innerhalb des im Vorratsbehälter befindlichen Flüssigkeitsringes angeordnet ist (Anspruch 4). Es versteht sich, daß dort auch die Einlauföffnung der Fülleitung angeordnet werden muß. Die Entleeröffnung der Fülleitung kann vorzugsweise gemäß Anspruch 5 ausgebildet werden.

Im Anspruch 6 ist eine andere Lösung der gestellten Aufgabe angegeben. Wiederum ist nur eine einzige, am Vorratsbehälter angeschlossene steuerbare Zuführeinrichtung für Druckluft vorhanden. Auch ist wiederum der ringförmige Vorratsbehälter rund um die Außenseite des Arbeitsraumes angeordnet. Abweichend vom Gegenstand des Anspruchs 1 ist nur eine einzige Verbindungsleitung zwischen dem Arbeitsraum und dem Vorratsbehälter vorgesehen, die den radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes mit dem radial äußeren Bereich des Vorratsbehälters verbindet. Freilich können auch mehrere Flüssigkeitsleitungen dieser Art am Umfang der Kupplung verteilt werden; in diesem Falle sind sie jedoch alle einheitlich gestaltet. Durch jede dieser Flüssigkeitsleitungen strömt die Arbeitsflüssigkeit entweder in Richtung zum Arbeitsraum oder zurück in Richtung zum Vorratsbehälter, je nachdem, ob der im Vorratsbehälter eingestellte statische Druck größer oder kleiner ist als der dynamische Druck innerhalb der Flüssigkeitsleitung bzw. Flüssigkeitsleitungen. Auch bei dieser Bauweise kann man eine Flüssigkeits-Zirkulation zwischen dem Arbeitsraum und dem Vorratsbehälter zum Zwekke der Kühlung des aktiven Flüssigkeitsanteiles erzielen: Hierzu wird dafür gesorgt, daß der Luftdruck im Vorratsbehälter ständig leicht pulsiert; d. h. man überlagert dem eingestellten Betriebsdruck eine Druckpulsation. Hierdurch wird erreicht, daß ständig in kleinen Schüben erhitzte Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsraum in den Vorratsbehälter transportiert wird und dazwischen in ebenso kleinen Schüben gekühlte Arbeitsflüssigkeit vom Vorratsbehälter in den Arbeitsraum.

Um beim Befüllen des Arbeitsraumes eine bleibende Erhöhung des Luftgegendruckes im Arbeitsraum und in dem sogenannten Stauraum (der sich radial innerhalb des Arbeitsraumes befindet) zu vermeiden, kann eine Entlüftungsleitung vorgesehen werden. Günstig ist es in dieser Entlüftungsleitung gemäß Anspruch 7 ein Fliehkraftventil anzuordnen, damit beim Anlauf der Kupplung (d. h. solange sich in dem Stauraum noch Arbeitsflüssigkeit befindet) keine Arbeitsflüssigkeit über die Entlüftungsleitung nach außen gelangt Für die Anordnung des Fliehkraftventils kommen zwei Möglichkeiten in Betracht, je nach der konstruktiven Gestaltung der Kupplung und insbesondere des Stauraumes: Entweder wird das Fliehkraftventil in der Kupplungsschale angeordnet, die mit dem Primärschaufelrad rotiert, oder man ordnet das Fliehkraftventil im Bereich der Nabe des Sekundärschaufelrades an und führt die Entlüftungsleitung durch die Sekundärnabe oder Sekundärwelle nach außen. Im zuerst genannten Falle öffnet sich das Fliehkraftventil bei einer bestimmten Primärdrehzahl, bei der sichergestellt ist, daß sich die Arbeitsflüssigkeit ringförmig im Vorratsbehälter verteilt hat. Im zweiten Fall öffnet sich das Fliehkraftventil erst dann, wenn eine bestimmte Sekundärdrehzahl erreicht worden ist. Hierbei kann mit höherer Sicherheit gewährleistet werden, daß sich keine Arbeitsflüssigkeit mehr in dem Stauraum befindet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine Kupplung überwiegend im Längsschnitt;

F i g. 2 zeigt eine von der F i g. 1 abweichende Ausführungsform vollkommen im Längsschnitt;

Fig.3 zeigt einen gegenüber den Fig. 1 und 2 vergrößerten Schnitt durch das Fliehkraft-Ventil der Entlüftungsleitung;

Fig.4 zeigt eine von den'Fig. 1 bis 3 abweichende Anordnung des Fliehkraft-Ventils der Entlüftungsleitung.

Die Hauptbestandteile der in F i g. 1 dargestellten hydrodynamischen Stellkupplung sind ein Primärschaufelrad 10 mit einem angeformten Antriebsflansch 11 und mit einer daran befestigten Antriebs-Hohlwelle 9; ferner ein Sekundärschaufelrad 14, das mit dem Primärschaufelrad 10 einen torusförmigen Arbeitsraum 13 bildet und das durch eine am Primärschaufelrad befestigte Schale 12 umhüllt ist. Das Sekundärschaufelrad 14 ist an einer Abtriebswelle 8 befestigt, die mittels Wälzlagern 7 in den primärseitigen Kupplungsteilen 10 und 12 gelagert ist. An der Schale 12 ist noch ein Topf 19 angeformt, der zusammen mit dem Antriebsflansch 11 einen ringförmigen Vorratsbehälter 15 begrenzt. Dieser umhüllt somit den radial äußeren Bereich des Arbeitsraumes 13; oder mit anderen Worten: Der Arbeitsraum 13 liegt konzentrisch in dem ringförmigen Vorratsbehälter 15.

Im Stillstand verteilt sich die Arbeitsflüssigkeit (z. B. Öl) im unteren Bereich des Vorratsbehälters 15 und des Arbeitsraumes 13, die größere Menge jedoch im Vorratsbehälter 15. Beim Anlauf der Primärseite 9 bis 12 und 15 wird das Öl in den radialen Außenbereich des Vorratsbehälters 15 geschleudert, wo es einen Ölring 16 bildet.

Wird dann über eine Bohrung 17 ein Druckmittel (z. B. Druckluft) in den Vorratsbehälter 15 zugeführt, steigt der statische Druck am Innenradius des Ölringes 16. Dadurch gelangt ein Teil des Öles über den Verbindungskanal 18, der mit dem Primärschaufelrad 10 rotiert, in den Arbeitsraum 13. Dies erfolgt solange, bis sich der Arbeitsraum soweit mit Öl gefüllt hat, daß sich zwischen dem statischen Druck im Vorratsbehälter 15 und dem dynamischen Druck, der in dem Verbindungskanal 18 befindlichen Öl durch die Meridianströmung (Pfeile M) erzeugt wird, ein Gleichgewichtszustand einstellt.

Die Menge des Öles, das in den Arbeitsraum 13 gelangt, und somit der Kupplungsschlupf werden vom Druck im Vorratsbehälter 15, d. h. vorn Druck der zügeführten Druckluft beeinflußt. Durch Änderung des Luftdruckes lassen sich demnach verschiedene Schlupfzustände einstellen. Bei Verminderung oder völliger Wegnahme des Luftdruckes strömt das Öl teilweise bzw. vollkommen durch den Kanal 18 in den Vorratsbehälter 15 zurück.

Der Verbindungskanal 18 erstreckt sich vorzugsweise in radialer Richtung vom radial äußeren Bereich eines der Schaufelkanäle des Primärschaufelrades 10 bis in den radial äußeren Bereich des Vorratsbehälters 15. Man kann bei Bedarf mehrere solcher Verbindungskanäle 18 vorsehen, die am Umfang des Primärschaufelrades verteilt angeordnet werden.

Da die bei Schlupf betrieb anfallende Wärme nur über die Oberfläche der Kupplung abgeführt werden kann, wird zur Erhöhung des Wärmeabführvermögens die folgende Maßnahme getroffen: Man bewirkt eine Ölzirkulation zwischen dem heißen Öl im Arbeitsraum 13 und dem etwas kühleren Ölring 16 durch leichtes Pulsieren des Luftdruckes (Druckpulsation wird dem Betriebsdruck überlagert). Zusätzlich können am Außenbereich des Vorratsbehälters 15 Kühlrippen vorgesehen werden, die in der Zeichnung weggelassen sind.

Eine andere Methode zur Erzeugung einer Ölzirkulation zwischen Arbeitsraum 13 und Vorratsbehälter wird bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 angewandt, deren wesentliche Teile gegenüber F i g. 1 unverändert sind. Nur die Verbindungskanäle 28 und 38 unterscheiden sich von denen (18) der F i g. 1. Insbesondere haben die Verbindungskanäle 28 und 38 unterschiedliche Formen. Der eine Verbindungskanal 28, der nunmehr ausschließlich als Entleerleitung, d. h. für den Flüssigkeitstransport vom Arbeitsraum 13 zum Vorratsbehälter 15 dient, ist im wesentlichen genau so wie in F i g. 1 gestaltet. Es ist lediglich anstelle eines angeformten Kanals 18 nunmehr ein Rohrstück 28 in das Primärschaufelrad 10 eingesetzt. Das Einlaßende ragt ein wenig in den betreffenden Schaufelkanal hinein und ist noch deutlicher als in F i g. 1 der Meridianströmung M entgegengerichtet. Der andere Verbindungskanal 38, der ausschließlich als Fülleitung, d. h. für den Flüssigkeitstransport vom Vorratsbehälter 15 zum Arbeitsraum 13 dient, erstreckt sich zwar ebenso in radialer Richtung. Jedoch ist ein in den betreffenden Schaufelkanal hineinragendes Ende in der anderen Richtung wie beim Kanal 28 gekrümmt, nämlich so, daß die Richtung der Auslaßöffnung mit der Richtung der Meridianströmung M zumindest weitgehend übereinstimmt.

Der zwischen dem Arbeitsraum 13 und der Abtriebswelle 8 befindliche ringförmige Stauraum 20 ist über ein durch Fliehkraft betätigbares Ventil 21 und eine daran anschließende Entlüftungsleitung 22 (die auch als Belüftungsleitung dienen kann) mit der Umgebung verbunden (die in der Regel unter atmosphärischem Druck steht). Das Ventil 21 ist an der Abtriebswelle 8 befestigt. Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß es keinen kugeligen Ventilkörper 23 aufweist, der durch eine Druckfeder 24 in Richtung zur Kupplungs-Drehachse hin auf einen Ventilsitz gedrückt wird. Bei Erreichen einer bestimmten Sekundärdrehzahl (nach einem Anlauf-Vorgang) öffnet sich das Ventil 21, so daß der Luftgegendruck, der beim Anlauf-Vorgang im Arbeitsraum 13 und im Stauraum 20 entstanden ist, abgebaut wird.

Gemäß F i g. 4 erfolgt die Entlüftung über eine Bohrung 40 im Sekundärschaufelrad 14 und über ein Fliehkraftventil 41, das in der primärseitigen Schale 12 angeordnet ist. Hierbei entfallen die langen Kanäle 22, die im Falle der F i g. 3 in der Abtriebswelle 8 vorgesehen werden müssen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydrodynamische Stellkupplung mit einem Primärschaufelrad (10) und mit einem Sekundärschaufelrad (14), die miteinander einen torusförmigen, mit Arbeitsflüssigkeit füllbaren Arbeitsraum (13) bilden, sowie mit den folgenden Merkmalen: