DE677299C - Fluessigkeitskupplung nach Foettingerbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Flüssigkeitskupplung nach Art der Föttingergetriebe mit einem, ringförmigen hydraulischen Kreislauf für die Arbeitsflüssigkeit, der· durch einen Treiber und einen dazu konaxialen Läufer, beide mit Schaufeln, gebildet wird. Die Anordnung ist derart getroffen, daß die Arbeitsflüssigkeit aus dem Treiber unmittelbar in den Läufer und von dort wieder unmittelbar zurück in den Treiber tritt, so daß das Übersetzungsverhältnis der Drehmomente ι : ι ist. Es sind Mittel vorgesehen, den Flüssigkeitsgehalt des hydraulischen Kreislaufes während des Laufs der Kupplung zu verändern.

Derartige Kupplungen können so gebaut sein, daß sie trotz verhältnismäßig geringer Größe die Energie mit hohem Wirkungsgrad übertragen, beispielsweise mit mehr als

ao 98 °/₀, wenn der Kreislauf gefüllt ist. Unter gewissen Betriebsbedingungen jedoch treten. bei solchen mit hohem Wirkungsgrad ausgezeichneten Kupplungen heftige Schwankungen im Wert des übertragenen Drehmoments auf. Beispielsweise sei eine bekannte Anordnung betrachtet, bei welcher eine Vulkankupplung, mit den treibenden und den getriebenen Schaufeln in Ebenen, welche die Kupplungsachse enthalten, zwischen eine Treibmaschine und eine getriebene Maschine von hoher Trägheit geschaltet ist. Bei dieser Anordnung läßt sich bei laufender Treibmaschine die getriebene Maschine aus dem Ruhezustand in Bewegung setzen, indem man dem Flüssigkeitskreislauf der Kupplung Flüssigkeit zuführt, und die getriebene Maschine läßt sich verzögern oder stillsetzen, indem man den Kreislauf teilweise oder ganz leert. Hier hat sich nun gezeigt, daß beim Beschleunigen oder Verzögern der getriebenen Maschine, je nachdem bis zu einer gewissen Geschwindigkeit und bei hohem Schlupf unerwünschte Drehmomentanstiege auftreten, und zwar so beträchtliche, daß die Anordnung für gewisse Verwendungsfälle unbrauchbar -wird.

Versuche legen folgende Erklärung dafür nahe: Angenommen die treibende Maschine läuft mit voller Geschwindigkeit und die getriebene steht still bei leerem Kreislauf. Jetzt wird Flüssigkeit in die Kupplung gespeist, und infolge der hohen Relatiygeschwindigkeit werden Flüssigkeitsteilchen gegen die feststehenden Läuferschaufeln geschjeudert; dem Läufer wird ein'zum Überwinden des Belastungswiderstandes hinreichendes Drehmoment aufgedrückt. Unter diesen Umständen, eine

waagerechte Kupplungsachse vorausgesetzt, führt die Schwerkraft dazu, daß Flüssigkeit im oberen Teil des Läufers nach dem Einl des Treiberkreislaufes zurückstrebt, währ^ Flüssigkeit im unteren Teil des Läufers dem äußersten Teil des Kreislaufs strebt* Somit entsteht ein Teilumlauf der Flüssig-¹ keit zwischen dem Treiber und" dem Läufer von genügendem Ausmaß, um das erforderliehe-Anlaufdrehmoment zu erzeugen.

Wenn nun der Läufer ungefähr ein Drittel der Treibergeschwindigkeit erreicht, so genügt die auf der Läuferdrehung beruhende Fliehkraft, die Rückbeförderung nach dem Treibereinlaß infolge der Schwerkraft zu überwinden, und es wird daher die Flüssig-Keit im Läuferkreislauf nach dessen äußerstem Teil geschleudert, wo sie sich sammelt. Der Teilumlauf, der bisher zum Beschleunigen des Läufers aus dem Ruhezustande wirksam war, hört daher auf. In .diesem Zustande wird die Flüssigkeit im äußersten Teil des Läuferkreislaufes durch den- Vorbeigang der Treiberschaufeln heftig aufgewühlt, aber das Drehmoment fällt plötzlich auf einen geringen Wert ab, da nur ein -geringer oder gar kein Flüssigkeitsumlauf besteht.

Der Rauminhalt des Flüssigkeitsringes, der sich jetzt am äußersten Teil des Läuferkreislaufes gesammelt hat, nimmt wegen des weiteren Füllens und wegen der Fliehkraft, welche den radial nach innen gelegenen Teil des Kreislaufes weiter entleert, oder auch aus beiden Gründen zu, bis er den radial nach, innen gelegenen Teil des Kernleitringes im hydraulischen Kreislauf, überflutet und damit einen Wirbelkreislauf um diesen Ring einleitet. .

In ähnlicher Weise beginnt auch bei Kupp? 4Q. lungen ohne Kernleitring, sobald der Rauminhalt der im äußersten Teil des Läufers angesammelten Flüssigkeit einen... kritischen Wert übersteigt, eine Wirbelbewegung an die Stelle des vorausgehenden unbestimmten Auf-45, wühlens zu treten. : .

Infolge der so hervorgerufenen schwachen Wirbelbewegung verkleinert sich der Winkel, den der aus dem Treiber kommende Flüssigkeitssirom mit den Läuferschaufeln bildet-, 50- mit dem Ergebnis, daß der Umlauf kräftiger wird, der Winkel sich, daher noch weiter vermindert, bis plötzlich· ein flacher, aber sehr kräftiger Wirbelring vorhanden ist, und das Drehmoment plötzlich auf einen sehr hohen 5Si Wert, ansteigt. Dieser Zustand bleibt, aber: nicht, sondern der Wirbelring wird.schwächer und bricht aus mehreren Gründen, zusammen, zu denen folgender gehört:

Die hohe Umlaufgeschwindigkeit schafft

60. einen plötzlichen Rückdruck, der Flüssigkeit aus dem Arbeitskreislauf/ hinausdrückt;, fer

ner Wird, ein Teil des Lmlaufstromes dadurch festgehalten, daß die Flächen der radial einärts liegenden Kupplungsteile feucht werden, .ch dem Abreißen des Wirbelringes wird Flüssigkeit wiederum in den äußeren Teil Läufers geschleudert, wo sie sich samelt, und das Spiel wiederholt sich. Derartige Anstiege dauern an, bis sich der Schlupf genügend vermindert, um die BiI-dung eines, bleibenden Wirbelringes zuzulassen; danach wird der Trieb stetig aufrechterhalten. Eine ähnliche Erscheinung tritt auch beim Verzögern der getriebenen Maschine auf.

Die Erfindung nach Patent 587 616 schlägt die Anwendung von Mitteln, z.^-B. Prallplatten, vor, welche die plötzliche Bildung eines dünnen Wirbelringes verhindern. Können derartige Einrichtungen auch in beiriedigender Weise die Größe der Kraftanstiege beschränken, so verhindern sie doch nicht in allen Fällen den plötzlichen Abfall des Drehmomentes, der dem Anstieg vorausging.

Wesentlicher Zweck der Erfindung ist, eine Kupplung dieser Gattung zu schaffen, bei welcher die Neigung zu Kraftanstiegen beseitigt oder doch beträchtlich verringert und der vorausgehende plötzliche Drehmqmentabfall möglichst gering ist.

. -Es. hat sich gezeigt, daß ein entscheidender, die Leistung derartiger Kupplungen beim Füllen und Entleeren beherrschender Umstand auf den Winkeln beruht, den die Treiberund Läuferschaufeln mit den Übergängen zwischen Treiber und Läufer bilden. In diesem Sinne kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß an wenigstens einer der Übergangsstellen vom treibenden zum getriebenen Teil die Pumpen- und Turbinenschaufelenden in bekannter Weise relativ zueinander geneigt sind, und zwar unter einem Winkel von nicht weniger als 22¹Z₂ ⁰ und nicht mehr als 90⁰, so daß. während des Füllens und Entleerens der Kupplung das Auftreten von Drehmoment-Schwankungen verhindert wird. Dadurch gelingt es, den Durchgang von Flüssigkeit von dem treibenden Teil in den getriebenen Teil und umgekehrt bei der Beschleunigung des getriebenen Teils, .zu hemmen oder zu fordern, mit der Folge, daß das plötzliche Zusammenbrechen und:Wiederbilden des Wirbelrings verhindert wird. .

. Das Merkmal der Relativneigung der Schaufelenden zueinander ist an sich einer. druckschriftlich vorveröffentlichten Zeichnung zu, entnehmen, deren zugehörige Beschreibung jedoch die gezeichnete Kraftübertragungseinrichtung nicht als Kupplung, sondern irrigerweise als Momentwandler anspricht. Nach der Erfindung wird dieses bekannte Merkmal jedoch bei. Kupplungen angewen-

det, die durch Verändern der Flüssigkeitsmenge im Kreislauf während des Betriebes regelbar sind und bei denen daher die^; dabei ,auftretenden Schwierigkeiten beseitigt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung beziehen-' sich auf besondere Vorschriften für die Neigung der Schaufeln.

Auf der Zeichnung -ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es sind:

Fig. ι Längsschnitt durch die Kupplung, Fig. 2 Stirnansicht des Läufers in Richtung der Pfeile 2-2 der Fig. i, gewisse Teile zur Verdeutlichung weggebrochen, t5 Fig. 3 abgewickelter Schnitt durch den hydraulischen Kreislauf, gesehen in Richtung der Pfeile 3-3 der Fig. 1,

Fig. 4 und 5 abgewickelte Schnitte ähnlich Fig- 3, jedoch für zwei abgeänderte Ausführungsformen,

Fig. 6 Stirnansicht von einem Teil des Läufers einer weiter abgeänderten Kupplungsform, gewisse Teile weggebrochen, Fig. 7 Abwicklung der Schaufeln nach Fig. 6, radial nach innen gesehen.

Nach Fig. 1 bis 3 umfassen der Treiber und der Läufer Mantelschalen 3 bzw. 4, deren Naben auf eine Treibwelle 1 bzw. eine Getriebewelle 2 gekeilt sind. Diese Mantel liegen aufeinander zugekehrt und bilden eine ringförmige Kreislaufkammer mit einem Kernleitring, der aus gleichartigen Ringen 6 und 7 zusammengesetzt ist. Die Ringe werden am Treiber bzw. Läufer durch Gruppen abwechselnd langer und kurzer Schaufeln, 8 und 9 am Treiber, 10 und 11 am Läufer, gehalten. Der hydraulische Kreislauf wird also durch die Mantelschalen und die Kernleitringe begrenzt, und die den Kreislauf bildenden Flüssigkeitsdurchlässe befinden sich zwischen benachbarten Schaufeln 8 und 9 am Treiber sowie benachbarten Schaufeln 10 und 11 am Läufer. Der Hinflußübergang 20 und der Rückflußübergang 21 zwischen· Treiber und Läufer liegen in einer gemeinsamen, zur Kupplungsdrehachse senkrechten Ebene.

Ein Schalengehäuse 5, das am Umfang des Treibermantels 3 befestigt ist, umschließt die Rückseite des Läufers und bildet zusammen mit dem Treiber eine geschlossene Arbeitskammer. Nahe dem Umfang des Treibers sind Auslaßkanäle-12 ausgebildet, die sich durch einen Ringschieber 13 bekannter Art steuern lassen, der die Kanäle während des Laufs der Kupplung zu öffnen und zu schließen vermag.

Die Vorrichtung zum Zuspeisen von Flüssigkeit in den Flüssigkeitskreislauf während des Betriebes der Kupplung umfaßt eine ortsfeste, die Treib welle 1 umgebende Muffe 14 mit einer Ringkammer ιό, die mit. einem Einlaßanschluß 15 . in Verbindung steht. Radiale Kanäle 17 in der Welle 1, die von der Kammer 16 ausgehen, stehen durch eine ..; axiale Bohrung 18 mit schrägen Auslassen 19 /'.in Verbindung, so daß Flüssigkeit aus dem Anschluß 15 in den Flüssigkeitskreislauf strömen kann.

Die Treiberschaufeln 8 und 9 liegen in Ebenen, welche die Kupplungsachse enthalten, stehen also zu der Übergangsebene senkrecht, während die Läuferschaufeln 10 und 11 zwar auch eben, jedoch zu der Übergangsebene unter einem Winkel von ungefähr 45⁰ geneigt sind, in der Weise, daß die Eintrittskanten den Austrittskanten in bezug auf die normale Kupplungsdrehrichtung entsprechend den Pfeilen der Fig. 2 und 3 nacheilen. Der abgewickelte Kreislaufschnitt nach Fig. 3 zeigt, daß die Flüssigkeitsdurchlässe am Rückflußübergang 21 eine Richtungsänderung von 45 ° erfahren, und dieselbe Richtungsänderung findet am Hinflußübergang 20 statt.

Diese Art von Kupplung unterliegt keinen Kraftanstiegen und ergibt einen Höchstwert des Wirkungsgrades, welcher sich demjenigen nähert, wie er unter entsprechenden Verhältnissen bei der gewöhnlichen Vulkankupplung erreicht wird, bei der beide Schaufelsätze senkrecht zu der Übergangsebene stehen.

Beobachtungsschwierigkeiten haben verhindert, die Strömungszustände in dieser Kupplung zu bestimmen. Es ist aber anzunehmen, daß, da der Winkel zwischen der aus dem Treiber tretenden Strömung und den Läuferschaufeln geringer als bei der üblichen Art von Kupplung ist, die erste stabile Wirbelströmung früher zustande kommt, so daß der Trieb stetig aufgenommen wird, während die Bildung eines unstabilen Wirbelkreislaufes-100 hoher Geschwindigkeit durch die hemmende Wirkung des vergrößerten Winkels verhindert wird, den der Rückfluß mit den Treiberschaufeln bildet.

Man erkennt somit, daß bei zu kleinem Winkel zwischen den Läuferschaufeln und der Übergangsebene das kleinste Schlupfdrehmpmentverhältnis der Kupplung zu hoch ist, während bei zu großem Winkel der Läuferschaufeln Anstiege vorkommen. Die Nei- no gung muß also derart gewählt werden, daß die Richtungsänderung der Kreislaufkanäle an der Übergangsebene einerseits nicht genügt, den Wirkungsgrad der Kupplung ernstlich zu beeinträchtigen, nichtsdestoweniger aber groß genug ist, um Anstiege bis auf einen schädlichen Wert, der von den Umständen abhängt, zu verhindern. Handelt es sich beispielsweise um Antrieb durch Elektromotor, so ist die Größe des noch zulässigen Anstieges nach der zulässigen Momentanüberlastung des Motors zu bestimmen.

Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, die zwar frei von Anstiegen ist, bei der jedoch der kleinste Schlupf unter gegebenen Verhältnissen beträchtlich höher als bei der ersten Ausführungsform ist. Die Ausführungsform nach Fig. 4 gestattet aber, daß das Drehmoment, bei welchem die Kupplung stillsteht, einen beträchtlichen geringeren Wert aufweist, als bei der gewöhnlichen Vulkankupplung möglich ist. Eine solche Form erscheint also in Fällen nützlich, wo· es wesentlich ist, das übertragbare Höchstdrehmoment zu beschränken. In diesem Falle sind die Treiberschaufeln ebenso wie bei Fig. 1 bis 3 ausgebildet. Die Läuferschaufeln 10' und 11' dagegen zwischen dem Mantel 4' und dem Kernring 7' weichen insofern von den Schaufeln der Fig. 2 ab, als die Eintrittskanten in bezug auf die normale Umlauf richtung voreilen, wie der Pfeil angibt.

Bei der Anordnung nach Fig. 5, deren Schlupfcharakteristik derjenigen nach Fig. 4 ähnlich ist und die gleichfalls frei von Anstiegen ist, stimmt der Läufer mit demjenigen nach Fig. 1 bis 3 überein, während die Treiberschaufeln 8' und 9/ zwischen Mantel 3' und Kernring 6' zu der Übergangsebene um 45⁰ geneigt sind, und zwar in solcher Richtung, daß die Kanten in bezug auf die normale Umlauf richtung gemäß dem Pfeil nacheilen. Es lassen sich Kupplungen nach der Erfindung auch mit Schaufeln bauen, welche nicht eben sind. Beispielsweise können die Schaufelkanten des einen Kupplungselementes gegenüber dem einen Übergang unter einem Winkel voreilend geneigt sein, gegenüber dem anderen Übergang senkrecht stehen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 und 7 sind die Treiberschaufeln eben und stehen senkrecht zur Übergangsebene, wie man aus Fig. 7 erkennt, wo die Mantel der Kupplungselemente weggelassen sind. Der Läufer umfaßt einen Mantel 4" und einen Kernring 7", wie vorher beschrieben, zwischen denen abwechselnd lange und kurze Schaufeln 10" und 11" derart angeordnet sind, daß ihre in radialer Richtung einwärts liegenden Teile eben sind und senkrecht zur Übergangsebene liegen, während die radial nach außen gelegenen Teile gekrümmt sind, und zwar so, daß die Eintrittskanten unter einem Winkel von 6¹J¹I₂ ⁰ zu der Übergangsebene liegen und in bezug auf die normale Umlaufrichtung gemäß den Pfei-. len voreilen. Das kleinste Schlupfdrehmomentverhältnis dieser Kupplung ist gering, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad 'mit einer bei gegebener Leistung verhältnismäßig kleinen Kupplung erzielen läßt. Die Kupplung unterliegt 'aber nur geringen Anstiegen, die für gewisse Verwendungsfälle unschädlich sind. Wird bei der Kupplung nach Fig. 6 und 7 der Winkel zwischen den Eintrittskanten der Läuferschaufeln und der Übergangsebene auf 45° herabgesetzt, so ist die Kupplung von Anstiegen frei; aber der Schlupf wächst auf ungefähr das Doppelte desjenigen der gewöhnlichen Vulkankupplung. Doch ist der Wirkungsgrad nichtsdestoweniger etwas höher als bei der Kupplung nach Fig. 1 bis 3.

Man erkennt, daß die an Hand der Zeichnungen beschriebenen Schaufelanordnungen, bei denen am Übergang zwischen Treiber und Läufer eine beträchtliche Richtungsänderung geschaffen ist, bei der Durchführung der Erfindung innerhalb der angegebenen Werte auch verändert werden können. Aber wegen der sehr großen Anzahl von Schaufelanordnungen, die man wählen kann, ist es unmöglich, die Grenzen der Abweichung zu bestimmen, jenseits deren der Zweck der Erfindung nicht mehr erreicht werden würde.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Strömungskupplung nach Föttingerbauart mit einer Vorrichtung zum Verändern der Flüssigkeitsmenge im Kreislauf während des Betriebes, besonders für Maschinen von großer Trägheit, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer der Übertragungsstellen (20 oder 21) vom treibenden (3) zum getriebenen Teil (4) die Pumpen- und Turbinenschaufelenden in bekannter Weise relativ zueinander geneigt sind, und zwar unter einem Winkel von nicht weniger als 22¹Z₂ ⁰ und nicht mehr als 90⁰, so daß während des Füllens und Entleerens der Kupplung das Auftreten von Drehmomentschwankungen verhindert wird.
2. 2. Kupplung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine solche Neigung der Läuferschaufeln (10 und 11) gegenüber dem Hinfluß- und dem Rückflußübergang (20 bzw. 21), daß die Kanten in bezug auf die normale Drehrichtung der Kupplung nacheilen.
3. 3. Kupplung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Neigung der Läuferschaufeln (10' und ii' oder 10" und no 11") gegenüber dem Hinflußübergang (20), daß die Kanten gegenüber der normalen Umlaufrichtung der Kupplung voreilen.
4. 4. Kupplung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Neigung der Läuferschaufeln (10' und 11') gegenüber dem Hin- und Rückflußübergang (20 bzw. 21), daß die Kanten gegenüber der normalen Umlauf richtung der Kupplung voreilen.
5. 5. Kupplung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Krümmung der

   Läuferschaufeln (io" und ii"), daß die Auslaßenden zu dem Rückflußübergang (21) senkrecht stehen.
6. 6. Kupplung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine solche Neigung der Treiberschaufeln (8' und 9') gegenüber dem Hinfluß- und Rückflußübergang (20 bzw. 21), daß die Kanten gegenüber der normalen Umlaufrichtung der Kupplung nacheilen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen