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Strömungskupplung, insbesondere für Kraftfahrzeugantrieb mit Verbrennungsmotor
und für elektrische Ubertragung mit Kurzschlußläufermotor Bei Kraftübertragungen
mit Strömungskupplungen ist es sowohl bei Antrieb durch Verbrennungsmotoren als
auch in Verbindung mit Eleiktromotoren (Kurzschlußläufermotoren) erwünscht, einerseits
im normalen Arbeitsbereich einen möglichst kleinen Schlupf und damit einen möglichst
hohen Wirkungsgrad in der Strömungskupplung zu erreichen, andererseits aber im Bereich
sehr großen Schlupfes eine möglichst geringe Drehmomentübertragung. So soll beispielsweise
beim Fahrzeugantrieb bei leer laufendem Motor das von der Kupplung übertragene Moment
so 'klein sein, daß der stillstehende Wagen nicht anrollt. Diese Aufgabe gilt besonders
für Kupplungen mit gleichbleibender Füllung, also solche ohne besondere von außen
zu betätigende Füllungsregelung. Es wird angestrebt, daß das übertragbare Drehmoment
bei größtem Schlupf 'bis zum vollständigen Festbremsen der getriebenen Welle (Schlupf
iooo/o) etwa das 1,5- bis 3fache -des bei einem Schlupf von 2 bis 30/0 übertragenen
Normalmomentes beträgt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bisher im wesentlichen zwei Mittel
vorgeschla&en worden. Erstens die Anordnung eines Drosselringes, der bei normalen
Betriebsdrehzahlen den Umlauf der dabei unter hohem Fliehkraftdruck stehenden Flüssigkeit
im Kreislauf nicht stört, wohl aber im Anfahrzustand, wo die Fliehkräfte im Turbinenrad
nicht
groß aber die Müssigkeit durch die l'umpenbeschaufelung in
schnellen Umlauf versetzt wird und sich daher möglichst an das Kreislaufprofil,
d. h. an die Begrenzungswände des durch die Schaufelräder gebildeten Arbeitsraiunes
alischiniegt.
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I?in zweites 'Mittel besteht in der Xii%v.endung eines mit (lern getriebenen
Teil der l-Zupplung umlaufenden Behälters, der durch I3olirungen mit dem Kernraum
der Kupplung in Verl>indun-g steht, derart, claß sich bei hoher Sekundärdrehzahl
der Inlialt des Behälters in den Kreislauf entleert; wälircii(l beim Nachlassen
der S.ekun(1ärdrelizahl und damit der Fliehkraft im Behälter dieser sich füllt.
1)ie beiden genaiinten.\Iittel sind auch schon gleicliz:-itig zur _\nwendung gekommen.
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Bi der zunächst beschriebenen ,\nordnung eines Drosselringes läßt
es sich nicht ganz vermeiden, daß "ich die bei großem Schlupf erwünschte Störung
durch den Drosselring auch bei geringem Schlupf, wenn auch stark vermindert, bemerkbar
macht, insbesondere bei den großen Drosselriiigdtirchines,sern, die man zur Erzielung
eines möglichst niederen 1,' estliremsdrehinomentes gewählt hat.
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Die :\nordnung eines umlaufend:n Behälters hat die unerwünschte Folge,
daß die Füllung des Arbeitskreislaufes auch im Bereich geringen Schlupfes etwas
verringert isst.
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[in folgenden wird nun eine neue :\usführungsform für Strömungskupplungen
vorgeschlagen, die den einzelnen Forderungen an solche Kraftübertragungen Rechnung
trägt, dabei aber die Nachteile vermeidet, die den bekannten, oben beschriebenen
Formen anhaften.
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Gemäß der Erfindung wird der Innendurchniesser der Beschaufelung des
Pumpenrades verhältnismäßig groß, d. 1i. größer als bei den bekannten Ausführungen
gemacht, derart,, daß das Verhältnis des Innendurchmessers zum Außendurchinesser
größer als 0,4, vorzugsweise o,5 bis o,6 ist, und außerdem wird der 'hierbei gewonnene
Ringrahm innerhalb der Pumpenbeschaufelung als umlaufender Behälter für die Betriebsflüssigkeit
ausgebildet, in dem sich während (ie@s Betriebs bei großem Schlupf die Flüssigkeit
anstaut. Dieser im folgenden Aufnahmeraum genannte Behälter ist zu diesem Zweck
durch Öffnungen, die der Strömung ini Turbinenrad ausgesetzt sind, mit dem Schaufelraum
des Turbinenrades in Verbindung gebracht. Das Turbinenrad kann hinsichtlich seiner
Besc'haufelung mit dem bisher üblichen Durchmesserverhältnis D,/Dz gleich oder kleiner
als o,I, etwa gleich 0,3 ausgeführt werden.
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l?in weiterer Vorschlag ,der Erfindung geht dahin, sowohl die Beschaufelung
des Pumpenrades als auch die Büschaufelung des Turbinenrades mit einem Verhältnis
des Innendurcliinessers zum Außendurchmesser 1)1/D, größer als 0,4 auszubilden und
den zentralen Aufnähnieraum etwa iiher die ganze axiale Länge der Pumpen- und Turbinenbescliaufelung
auszudehnen. Die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum -der Kupplung und dem !@ .\ufnahmeraum
wird hier etwa durch in Richtung der Strömung verlaufende Schlitze in der an den
Aufnalimerauin angrenzenden Wand des Sekundärrades gebildet.
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Bei einer solchen Ausführung einer Strömungskupplung ist den- Strömungsverhältnissen
im Arbeitsringraum der Kupplung bei verschiedenem Schlupf Rechnung getragen. Bekanntlich
bildet sich bei hohem Schlupf, also bei kleinen Selkundärdrehzahlen und damit kleinenFliehikräften
im Turbinenrad, die Umlaufströmung im Arbeitsraum der Kupplung entsprechend der
hohen Strömungsgeschwindigkeit, die der Flüssigkeit durch das schnell laufende Pumpenrad
aufgedrückt wird, bis in die der Achse zunächst gelegenen Teile der Beschaufelung
aus. Bei 'kleinerem Schlupf dagegen, d. h. hei großer SAundärdrellzahl, kann die
Strömung im Turbinenrad nicht so weit nach innen dringen, und der Wirbelring läuft
im wesentlichen zwischen den äußeren Teilen der beiden Kupplungshälften um. Wenn
nun gemäß dem einen Vorschlag der Erfindung das Pumpenrad mit einem großen Durchmesserverhältnis
l),/I), ausgeführt wird und der hierdurch gewonnene Ringraum durch entsprechende
Verbindungsöffnungen mit (:lern Arbeitsraum der Kupplung als _lufnahineraum für
die Betriebsflüssigkeit bei 'hohem Schlupf verwendet wird, so wird die Flüssigkeit
bei hohem Schlupf zum Teil aus dem Kreislauf 'heraus in den Aufnahmeraum gedrängt
und so eine teilweise selbsttätige Entleerung der Kupplung herbeigeführt. Dies bringt
die gewünschte Herabsetzung des Drehmomentü:bertragungsvermögens bei hohem Schlupf.
Bei niederem Schlupf dagegen entspricht das Pumpenrad mit seiner Beschaufelung der
Form des Wirbelringes, wie sie sich bei kleinem Schlupf tatsächlich einstellt. Die
Kupplung .erfüllt in dieser Ausführung daher auch die Forderung nach einem guten
Übertragungswir=kungsgrad im normalen Betrieb.
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Das Abzweigen eines Teiles der Arbeitsflüssigkeit aus dem Kreislauf
hei größerem Schlupf erfolgt 'bei der zuerst erwähnten Ausführungsform mit einem
Turbinenrad' üblicher Größe dadurch, daß sich die Turbinenbeschaufelung in radialer
Richtung auch über den Aufna'limeraum erstreckt und so einen Teil der Wirbelströmung
unmittelbar in diesen lenkt. Die Übertragungsfähigkeit der Kupplung wird hierbei
durch teilweises Entleeren der Kupplung in den Aufnahmeraum 'Hinein herabgesetzt.
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Bei einer Ausführung nach dem weiteren Vorschlag der Erfindung, nach
dem sowohl Turbinenrad- als auch Pumpenradliescliaufelung mit einem Durchmesserverhältnis
größer als o,I ausgeführt wird, hat der ganze Arbeitsraum der Kupplung diejenige
Form, welche die Wirbelströmung bei kleinem Schlupf einnimmt. Er hat also die für
diesen Betriebszustand günstigste Form mit völlig, glatten Begrenzungswänden ohne
irgendwelche Unstetil,keit im Profil. Der Aufnahmeraum ist bei kleinem Schlupf durcb
die Fliehkraft in den :\rbeitskreislauf entleert und 'hält diesen gefüllt' Die Druckverhältnisse
an den Verbindungsöffnungen sind'hierbei demnach so, d'aß keine oder= nur
wenig
Ulüssigkeit in den Aufnahmeraum gelangt. Bei ztineliniendeni Schlupf aber drängt
die Strömung immer mehr nach den inneren Begrenzungswänden des :\rlwitsrautnes,
so daß ein immer größerer Teil der Arbeitsflüssigkeit durch die Verbindungssclilitz;
in de» -lufnahmeraum übergeführt und der Arb>eitsrauni immer mehr umerfüllt wird.
Hierbei wird die erwünschte Senkung der t7ltertragtingsfiiliigkeit der Kupplung
im Bereich größeren Schlupfes in idealer Weise erreicht. Die Verbindungsöffnungen
zwischen den Turbinenschaufelkanälen und dein Aufnahmeraum werden etwa dadurch hergestellt,
daß die Rückwand der Kanäle auf einem Teil weggedreht wird. Der Spalt zwischen Pumpen-
und "Turbinenrad ist in seiner üblichen Bemessung für diesen Zweck einer VerbindUng
zwischen Arbeitsraum und Aufnahmeraum nicht geeignet.
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In weiterer Ausbildung der lJrfindung wird der innerhalb des Pumpenrades
bzw. innerhalb des Pumpen-undTurbinenrades liegendeAufnahmeraumauf seinem crem Pumpenrad
zugekehrten Teil mit Wänden versehen, die finit (lern Turbinenrad verbunden sind,
um zti verhindern, daß ihr Flüssigkeitsinhalt bei stillstehendem oder langsam laufendem
Turbinenrad von dein schneller laufenden I'umpenra-d mitgenommen und durch die dann
auftretende Fliehkraft in den _lrbeitsraum gedrängt wird. Diese Wirkung 'kann auch
durch einzelne in dem Aufnahmeraum angeordnete und mit dem Turbinenrad verbundene
Schaufeln erreicht und unterstützt werden. 1?s ergibt sich hierbei eine Verringerung
des bei hohem Sc'lilul)f übertragenen 'Momentes oder aber bei gleichem #\loinent
eine kleinereAbmessung für den r\tiftitilinierauni, was häufig mit einer Verringerung
der l@tipplungsaußenmaße gleichbedeti= tend ist.
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Eine Ausbildung von Strömungskupplungen nach der 1-rfiiduii," ernici,liclit
bei kurzer Bauweise ein starkes Unterfüllen der Kupplung derart, daß diese in gewissen
Betriebsfällen nur bis zur Hälfte gefüllt ist. Hierdurch ergibt sieh außerdem eine
ausreichende _lusdelinungsmöglichlkeit für die im Betrieb sich stark erwärmende
1# lüssi",keit und ein geringer Druck in der Kupplung, so daß diese in einfacher
Weise allgedichtet werden kann.
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Die bekannte Prehnionientschlupfcharakteristik einer stach clen X'orschriften
der Erfindung gebauten Kupplung gleicht im Bereich kleinen Schlupfes (lerjenig#-n
einer normalen Kupplung, ltiegt dann aber plötzlich nach unten um, bleibt also unter
den Werten der üblichen Kupplung, und zwar fällt sie zunächst bei entsprechend gewählter
l1iilltttig in (lein anschließenden Bereich des Sc'hltipfes ein wenig
ab und steigt dann bei weiterem Anwachsen dc#s Schlupfes langsam bis zum
Festbreinstnoinent an. 1c# nach Bemessung der Innendurcliincsser des 1'unipen- und
Turbinenrades und des Aufnalinieratinies in radialer und axialer Richtung I@il.it
sich die Charakteristik der Strömungskul>plung den jeweils geforderten Verhältnissen
anpassen. Auf diese Weise können auch andere Vielfache für (las I@estbrernsrnornent
gegenüber dem normalen Arbeitsmoment erreicht werden. Auch durch Veränderung des
Verhältnisses der eingeführten Flüssigkeitsmenge zum gesamten Hohlraum innerhalb
des Kupplungsgehäuses kann die .erstrebte Wirkung beeinflußt werden. Nach einem
besonderen Vorschlag der Erfindung wird die Kupplung mit einer Flüssigkeitsmenge
gefüllt, die dem doppelten Volumen des Pumpensohaufelraumes entspricht. Ferner empfiehlt
sie, was ja an sich bekannt ist, die Kupplung ohne Kernring auszuführen, damit die
Verlagerung der Wirbelströmung bei den verschiedenen Schlupfverhältnissen ohne Störung
vor sich gehen kann.
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Zusätzlich zu den erwähnten Maßnahmen schlägt die Erfindung noch vor,
die Schaufelräder der Kupplung mit einer sehr 'hohen Schaufelzahl auszuführen, da
diese Maßnahme die angestrebte Wirkung einer Vergrößerung des Strömungswiderstandes
bei großem Schlupf erhöht. Durch eine Vergrößerung der Schaufelzahl wird die gesamte
von der Flüssigkeit bestrichene Wandfläche erhöht, was sieh bei hohem Schlupf und
der dabei großen Strömungsge§chwindigkeit wegen der quadratischen Zunahme des Reibungswiderstandes
in dem gewünschten Sinne auswirkt.
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Es sei noch erwähnt, daß Strömungskreisläufe bekannt sind, die das
eine Kennzeichen der Erfindung, nämlich ein Durchmesserverhältnis von 1)1/D, etwas
größer als 0,4 aufweisen. Nichts weist jedoch bei ihnen auf eine im Zusammenhang
damit stehende Anordnung eines zentralen, mit dem Arbeitsraum der Kupplung entsprechend
verbundenen Aufnahmeraumes und das Zusammenarbeiten von Arbeitsraum und Aufnahmeraum
der Kupplung bei den verschiedenen Schlupfzuständen hin.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt und noch näher erläutert.
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Abb. i und 2 zeigen zwei Ausführungen mit verkürzter Pumpenradbeschaufelung
und einem Aufnahmeraum innerhalb des Pumpenrades; Abb. 3 zeigt die Schlupfdrehmomentcharakteristik
einer solchen Kupplung mit einer gewöhnlichen Kupplung verglichen, und Abb. 4 und
5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele mit verkürzter Pumpenrad- und Turbinenradbeschaufelung
und einem innerhalb der beiden Laufräder angeordneten Aufnahmeraum.
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In Abb. i trägt der Wellenstumpf i eines Elektromotors oder einer
Brennkraftmaschine den Flansch 2, an dem Zapfen 3 befestigt sind. Diese greifen
in Pfannen 4 an der Rückseite des Pumpenrades 5 ein. Der beschaufelte äußere, Teil
des Pumpenlaufrades reicht mit seiner Beschaufelung vom Durchmesser Dl bis zum Durchmesser
D2; das Verhältnis D,/D2 beträgt hier 0,58. Durch die Wand 7 ist der beschaufelte
Pumpenra,draum von dem Aufnahmeraum 8 getrennt, der zwischen der Wand 7 und der
Nabe 12 mit einer der Pumpenbeschaufelung entsprechenden axialen Länge angeordnet
ist. Dem Pumpenrad steht das Turbinenrad 9 mit der Beschaufelung io gegenüber,
das von
der mit dem Pumpenrad verbundenen Schale i i eingeschlossen
wird und mittels der Nabe 13 auf der Abtriebswelle 14 gelagert ist. Das Turbinenrad
zeigt die bisher übliche Ausführung mit einem Durchmesserverhältnis gleich oder
kleiner 0,4, hier gleich o,3.
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Die Wirkungsweise dieser Kupplung ist wie folgt: Das mit hoher Drehzahl
umlaufendePumpeiirad versetzt die Flüssigkeitsmasse in die bekannte Wirbelringbewegung,
bei welcher die Flüssigkeit in den Pumpenschaufeln nach außen strömt, um dann auf
die Turbinenschaufeln aufzutreffen, zwischen denen sie nach innen umgelenkt wird.
Bei hohem Schlupf wird die Flüssigkeit im Turbinenrad wegen der geringen Sekundärdrehzahl
weit nach innen und zum Teil in den Aufnahmeraum 8 geführt, wodurch die Wirbelringströmung
stark abgebremst und außerdem der Kreislauf entleert und damit das übertragene Drehmoment
entsprechend vermindert wird.
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Bei kleineren Schlupfwerten dagegen, wenn also Pumpen- undTurbinenrad
angenähert gleicheDr-chz 'lileii haben, verlagert sich der Wirbelring ina t' folge
der nun auch im Turbinenrad auftretenden größeren Fliehkraft radial weiter nach
außen, so daß die Umlenkung vom Turbinenrad in das Pumpenrad ganz oder im wesentlichen
außerhalb der Wand 7 erfolgt und diese nur noch einen geringen oder gar keinen Widerstand
mehr für die umlaufende Flüssigkeit darstellt. Bei kleinem Schlupf, d. h. im normalen
Arbeitsbereich, geht somit die Kraftübertragung mit geringem Verlust vor sich.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 mit dem Pumpenrad 15 und dem Turbinenrad
16 untersclieiclet sich von dem nach Abb. i im wesentlichen dadurch, daß der Aufnahmeraum
18 durch eine mit dem Turbinenrad verbundene Wand 17 gegen das Pumpenrad
15 abgeschirmt ist. Hierdurch wird erreicht, daß die im Aufnahmeraum befindliche
Flüssigkeitsmasse bei großem Schlupf, also geringer Turbinenraddrehzahl, nicht von
dem schneller laufenden Pumpenrad mitgenommenwird, sondern lediglich unter einem
der Turbinenrad@drehzahl entsprechend kleinen Fliehkraftdruck steht. Hierdurch ergibt
sich eine weitere Verminderung des übertragenen Drehmomentes und auch noch eine
zeitliche Verzögerung des Anwachsens des Momentübertragungsvermögens gegenüber derAus=
führung nach Abb. i.
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In Abb. 3 sind für zwei Kupplungen mit gleichem :-lußetrdurchmesser
die Momentschlupfcharakteristiken eingetragen. Die Kurve i9 gibt den Verlauf des
übertragenen Drehmomentes in Abhängigkeit vom Schlupf bei einer normalen Kupplung
und die Kurve 20 bei einer Kupplung gemäß der Erfindung an. Im Hauptarbeitsbereich,
also bei sehr kleinem Schlupf, decken sich die beiden Kurven; während dann aber
mit zunehmendem Schlupf die Kurve der normalen Strömungskupplung bis auf ein Vielfaches
(io- bis 20fach) des normalen bei etwa 3% übertragenen Momentes ansteigt, biegt
die Kurve 20 rasch um und bleibt von etwa ioo/oSchlupf bis zum Schlupf von 100%
ungefähr auf gleicher Höhe. Das Festbremsmoment ,ist dabei nur etwa zweimal so groß
wie das Normalmoment, im Gegensatz zu dem etwa zehnfachen Wert bei der normalen
Kupplung.
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In Abb. 4 weist sowohl das Pumpenrad 21, das mit der Antriebswelle
22 verbunden ist, als auch das Turbinenrad 23, das mittels einer Hohlwelle 24 auf
die Abtriebswelle 25 aufgeschoben ist, ein Durchmesserverhältnis ihrer BeschaufelungenDl/DE
auf, das größer als 0,4, und zwar etwa gleich o,5 ist. Die Rückwand der Turbinenschaufelkanäle
ist an der Stelle 26 durchbrochen, so daß, zwischen den einzelnen Schaufeln 23u
schlitzförmige Öffnungen 27 entstehen. Diese Öffnungen bilden die Verbindung zwischen
dem Arbeitsraum der Kupplung und dem Aufnahmeraum 28. Mit dein Turbinenrad .sind
noch Schaufeln 29 verbunden, die die im Aufnahmeraum jeweils enthaltene Flüssigkeit
an die Geschwindigkeit des Turbinenrades binden.
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Die in Abb. 5 gezeigte Ausführung unterscheidet sich von der nach
Abb. -t dadurch, daß der Aufnahmeraum 30 gegen das Pumpenrad 31 durch
eine Schale 32 abgedeckt ist, die am Turbinenrad 33 befestigt ist. Außerdem sind
die Verbindungsschlitze 34 zwischen Aufnahmeraum und Arbeitsraumder Kupplung unmittelbar
am Spalt zwischen Pumpen- und Turbinenrad angeordnet.
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Bei einer Kraftübertragung mit Kurzschlußläufermotor und einer nach
den Vorschriften der Erfindung gebauten Strömungskupplung kann der Antriebsmotor,
dessen Nennmoment bei einem Mindestschlupf-von 2 bis 3% übertragen wird, selbst
bei einem Schlupf von ioo% nur bis zu seinem Kippmoment belastet werden. Auf diese
Weise ist es möglich, den Motor auch unter ungünstigen Verhältnissen hochzufahren.
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Bei Antrieben mittels Verbrennungsmotor, z. B. für Kraftfahrzeuge,
ist es mit der neuen Strömungskupplung möglich, einerseits innerhalb des praktisch
in Frage kommenden Drehzahlbereiches des Motors sein Vollastmoment mit geringem
Schlupf zu übertragen und andererseits das über die Kupplung auf das stillstehende
Fahrzeug (Schlupf iooo/o) beim Betrieb mit der Motorleerlaufdrehzahl noch übertragene
Drehmoment so gering zuhalten, daß das Zurückgehen mit der Motordrehzahl auf die
Leerlaufdrehzahl genügt, um ein Auskuppeln ohne sonstige zusätzliche Kraftflußunterbrechung
zu ermöglichen. Die Notwendigkeit der Gangschaltung und der Betätigung einer Reibungsschaltkupplung
wird somit noch weiter eingeschränkt, als es bereits durch die allgemeinen Eigenschaften
der Strömungskupplung der Fall ist.