DE1475469B2 - Hydrodynamische Kupplung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupp- Ableitung der Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum in die

lung mit einem an dem Pumpenrad befestigten, das Vorratskammer zu entlasten.

Turbinenrad umgebenden Gehäuse, das zusammen Für die Lösung dieses Problems sind zahlreiche mit der Rückwand des Pumpenrades eine Vorrats- Vorschläge bekanntgeworden. Eine den wechselnden kammer begrenzt, die durch selbsttätig drehzahl- 5 Betriebsverhältnissen im Sinne der Erfüllung der vorabhängig regelbare Aus- und Einlaßventile mit dem stehend beschriebenen Aufgabe am nächsten kom-Arbeitsraum verbunden ist, wobei die Einlaßventile mende Lösung sieht im Pumpenrad Auslaßventile im äußeren Umfangsbereich der Vorratskammer und vor, die bei Überlastungen der Kupplung den Abzug die Auslaßventile am Innenumfang des Arbeitsraumes der Flüssigkeit in die Vorratskammer in Abhängigkeit vorgesehen sind. io von der Zentrifugalkraft, d. h. der Drehzahl, ermög-

Bei Kupplungen dieser Gattung ist der Arbeite- liehen. Bei dieser Ausführung wird von der Erkenntraum im Stillstand nur teilweise mit Flüssigkeit ge- nis ausgegangen, daß mit sinkender Drehzahl des füllt, während die restliche Flüssigkeit auf die Vor- Turbinenrades und mit der entsprechenden Erhöhung ratskammer und andere Nebenräume verteilt ist. des Drehmomentes auch die Drehzahl des Pumpen-Beim Anfahren des Antriebsmotors ist somit zu- 15 rades in gewissen Grenzen sinkt, wodurch sich die nächst nur die im Arbeitsraum selbst befindliche Wirkung der Zentrifugalkraft ändert und die Betätigeringe Flüssigkeitsmenge an der Kraftübertragung gung der Auslaßventile ermöglicht. Der Vorteil dieser beteiligt, so daß auch der Widerstand, der dem anfah- Lösung liegt in erster Linie darin, daß die Flüssigkeit renden Motor entgegengesetzt wird, nur gering ist. nicht sofort und vollständig aus dem Arbeitsraum ab-Dementsprechend ist hierbei jedoch der Schlupf zwi- 20 geführt wird und dadurch das Moment an der Ansehen dem Pumpen- und dem Turbinenrad der Kupp- triebswelle vollständig zusammenbricht, sondern lung noch sehr groß. Sobald sich jedoch die Drehzahl ein bestimmtes Mindestdrehmoment aufrechterhalten des Antriebsmotors und damit auch die des Pumpen- bleibt, das es ermöglicht, die Maschine in Gang zu rades der Nenndrehzahl nähert, öffnen sich die von halten.

der Zentrifugalkraft beeinflußten Einlaßventile, so 25 Der Bereich, innerhalb dessen die Drehzahlen auf daß die Flüssigkeit aus der Vorratskammer in den der Primärseite der Kupplung in den Grenzen des Arbeitsraum überfließen kann. Mit steigender Flüs- Zulässigen variiert werden können, ist jedoch verhältsigkeitsmenge im Arbeitsraum steigt auch ihr Ge- nismäßig klein. Er liegt z.B. bei Drehstrom-Kurzsamtarbeitsvermögen, d. h. das übertragbare Dreh- schlußmotoren üblicher Bauart zwischen etwa 1450 moment. Das auf das Turbinenrad auf diese Weise 30 und 1250 U/min. Infolgedessen sind auch die Kräfte, übertragene Drehmoment wird größer und der Dreh- die sich aus der Differenz entsprechender Zentrifugalzahlunterschied zwischen Pumpen- und Turbinenrad kräfte ergeben und zur Betätigung der Ein- oder Aus-— d. h. der Schlupf — entsprechend kleiner, bis sich laßventile genutzt werden können, relativ klein. Hierdas volle Drehmoment eingestellt hat. bei ist insbesondere nachteilig, daß bei kleinen Steuer-

Die Kraftübertragung "innerhalb der Flüssigkeits- 35 und Regelkräften der Einfluß der inneren Widerstände

kupplung beruht bekanntlich auf dem Aufprall der der Steuerorgane, wie sie etwa durch Reibung, innere

von den Schaufeln des Pumpenrades beschleunigten Strömungsverluste od. dgl. hervorgerufen werden, um

Flüssigkeit auf die Schaufeln des Turbinenrades. Bei so stärker ins Gewicht fällt. Dieser Einfluß erfordert

der Kraftübertragung muß somit die Flüssigkeit stets daher eine genaue Berücksichtigung der beeinflussen-

in Bewegung bleiben. Diese Bewegung kann aber nur 40 den Faktoren durch besondere konstruktive Maß-

durch den Drehzahlunterschied zwischen Pumpen- nahmen.

und Turbinenrad bzw. durch den auf der unterschied- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen

liehen Fliehkraft beruhenden Druckunterschied in Nachteil mit einfacheren Mitteln auf andere Weise zu

den beiden Kupplungsrädern bewirkt werden. Je klei- beseitigen, und zwar im wesentlichen dadurch, daß

ner der Schlupf ist, um so kleiner ist demnach auch 45 die Ursache der zu hohen inneren Widerstände der

das übertragene Drehmoment. Bei einem synchronen Steuerorgane beseitigt wird, nämlich der zu hohe

Lauf des Pumpen- und Turbinenrades ist das über- dynamische Flüssigkeitsdruck auf die Mündungen

tragene Drehmoment gleich Null. Die Kraftübertra- der Auslaßventile.

gung setzt somit stets einen Schlupf voraus. Flüssig- Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich die keitskupplungen sind daher in der Regel so ausgelegt, 50 Erfindung dadurch, daß sich die am Innenumfang daß sie bei voller, ihnen zugemessener Kraftübertra- des Pumpenrades vorgesehenen ventilgesteuerten gung einen Schlupf von 3 bis 4% der Nenndrehzahl Auslaßkanäle im wesentlichen bis zum Kupplungshaben, spalt erstrecken und axial in Beruhigungsräume mün-

Bei Eintritt eines über das vorgesehene Maß hin- den, die innerhalb des Turbinenrades durch die Turausreichenden Widerstandes an der Abtriebsseite der 55 binenradschaufeln sowie am Innenumfang durch eine Kupplung sinkt die Drehzahl des Turbinenrades zu- geradlinig ausgebildete Mantelfläche und an der dienächst ab. Der Unterschied der Drehzahlen und da- ser in bezug auf den Kupplungsspalt gegenübermit auch das übertragene Drehmoment wird demzu- liegenden Seite am Innenumfang des Pumpenrades folge entsprechend größer. Das übermäßige Anstei- durch die Mündungen der Auslaßkanäle aufnehmende gen des Momentes kann aber zu Zerstörungen der 60 Ringflächen gebildet sind, die mindestens angenähert angetriebenen Maschine führen. Man ist daher be- in der Radialebene der Kupplung liegen. strebt, Flüssigkeitskupplungen so auszulegen, daß bei Durch die den Auslaßventilen vorgeschalteten BeÜberlastung der Abtriebsseite das anwachsende ruhigungsräume wird die Flüssigkeit vor ihrem AbDrehmoment wieder auf das zulässige Maß gesenkt strömen durch die Auslaßkanäle der dynamischen werden kann. Zu diesem Zweck ist es bekannt, am 65 Wirkung der Strömung im Arbeitsraum im wesent-Innenumfang des Arbeitsraumes der Kupplung Dros- liehen entzogen und derart beruhigt, daß sie nur noch Seieinrichtungen vorzusehen und/oder solche Vor- dem jeweiligen statischen Druck unterworfen ist.
richtungen, die es ermöglichen, die Kupplung durch Bei gattungsmäßig abweichenden Kupplungen ist j

Vorratsraumes 6 sind den Auslaßkanälen 13 ebenfalls fliehkraftgesteuerte und daher drehzahlbetätigte Ventile 19 zugeordnet, die aus einem schieberförmigen Abschlußglied 20 und einer den Schieber im Öffnungssinn beaufschlagenden Schraubendruckfeder 20 a bestehen.

Die Federspannung der Schraubendruckfeder 20 a ist so eingestellt, daß der Schieber 20 nicht nur bei stillstehender Kupplung, sondern auch bei sich drehendem Primärteil so lange in der dargestellten Offenstellung gehalten wird, wie eine bestimmte Drehzahl, beispielsweise die Kippdrehzahl des Antriebsmotors, noch nicht überschritten ist. In dem darüber hinausgehenden Drehzahlbereich des Pumpenrades wird der Steuerkörper 20 durch die Fliehkraft gegen die Feder 20 a selbsttätig in Schließstellung gehalten, so daß dann keine Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum 11 in die Vorratskammer 6 hinein entweichen kann.

Mit 21 ist ein Entlüftungskanal und mit 22 der Verschlußstopfen des Nachfüll- bzw. Entleerungs-Stutzens bezeichnet.

Wie aus Fig. 1 und insbesondere aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, entspricht der Wandungsverlauf des den Arbeitsraum 11 etwa zur Hälfte umschließenden Pumpenrades annähernd einem seitlich geringfügig abgeflachten Halbkreis, während der Wandungsverlauf des die andere Hälfte des Arbeitsraumes bildenden Turbinenrades 9 von dieser Querschnittsform im inneren Umfangsbereich dadurch abweicht, daß die Wölbung des im wesentlichen radialen Wandungsteils schwächer ist und sich an diese am Innenumfang eine in Richtung der Kupplungsachse geradlinig gestreckte Mantelfläche 23 anschließt, die zum Kupplungsspalt 18 hin unter einem flachen Winkel gegen die Kupplungsachse geneigt ist. Wie insbesondere aus F i g. 4 hervorgeht, entsteht auf diese Weise ein den Auslaßkanälen 13 im Bereich des Turbinenrades vorgelagerter Beruhigungsraum x, innerhalb welchem die Flüssigkeit bei Eintreten eines größeren Schlupfes bzw. beim Abbremsen des Abtriebsteils weitgehend der dynamischen Einwirkung durch die im übrigen Bereich des Arbeitsraumes umlaufende Flüssigkeit entzogen wird. Auf der den Auslaßkanälen zugekehrten Seite sind die diesen vorgelagerten Beruhigungsräume χ durch den Mündungen der Auslaßkanäle zugeordnete Ringabschnitte 24 begrenzt, die untereinander auch — wie in F i g. 2, rechts dargestellt — zu einem geschlossenen Ringkörper verbunden sein können. Die den Beruhigungsräumen zugekehrte Fläche der Ringabschnitte 24 ist ebenfalls unter einem flachen, und zwar unter einem sich zur Kupplungsachse hin erweiternden Winkel gegen die Radialebene der Kupplung geneigt. Die Ringabschnitte 24 schließen mit ihrer äußeren, axial vorspringenden Kante etwa mit dem Kupplungsspalt 18 und nach oben mit der Höhe der Auslaßkanäle ab, wobei sie sich in Umfangsrichtung beiderseits der den Kanalmündungen entsprechenden Bohrungen mindestens über ein etwa der Kanalbreite entsprechendes Maß erstrecken.

Wie aus der Zeichnung schließlich ersichtlich, ist die den Arbeitsraum 11 im Turbinenrad 9 am Innenumfang begrenzende Mantelfläche 23 auf einem Durchmesser angeordnet, der dem Innendurchmesser des ihr in bezug auf den Kupplungsspalt 18 gegenüberliegenden Wandungsteils 25 des Pumpenrades entspricht. Die Mündungen der Auslaßkanäle 13 liegen dadurch in unmittelbarer axialer Verlängerung der Mantelfläche 23, so daß diese der durch die Auslaßkanäle 13 abströmenden Flüssigkeit zugleich als Leitfläche dient.

Bei der Normalbelastung der Kupplung strömt die Flüssigkeit infolge der Zentrifugalkraft und infolge der Druckdifferenz im Pumpen- und Turbinenrad etwa in der in F i g. 3 angedeuteten Weise, wobei sie bei richtiger Füllung die Ringabschnitte 24 nicht berührt. Die Auslaßventile sind unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft bei voller Drehzahl des Pumpenrades geschlossen. Bei Eintritt eines Widerstandes an der Abtriebswelle, der so groß ist, daß die Drehzahl des Turbinenrades trotz größeren Drehmomentes sinkt, verringert sich auch die Zentrifugalkraft in seinem Bereich. Die in das Turbinenrad einströmende Flüssigkeit wird durch die abnehmende Zentrifugalkraft nicht mehr ganz in den äußeren Umfangsbereich abgedrängt, sondern nimmt einen Strömungsverlauf an, wie er in F i g. 4 angedeutet ist. Die Ringabschnite24 begrenzen die sich dabei einstellende Strömung derart, daß der sich in den Beruhigungsräumen jc befindende Teil der Flüssigkeit außerhalb des Strömungsquerschnittes liegt und dadurch der dynamischen Einwirkung durch diese Strömung entzogen ist. Öffnen bei weiterhin überlasteter Primärseite der Kupplung und dadurch abnehmender Drehzahl des Pumpenrades die Auslaßventile, kann die in den Beruhigungsräumen befindliche Flüssigkeit, die nur noch unter dem sehr viel niedrigeren statischen Druck steht, weitgehend reibungslos durch die Auslaßkanäle in die Vorratskammer abfließen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hydrodynamische Kupplung mit einem an dem Pumpenrad befestigten, das Turbinenrad umgebenden Gehäuse, das zusammen mit der Rückwand des Pumpenrades eine Vorratskammer begrenzt, die durch selbsttätig drehzahlabhängig regelbare Aus- und Einlaßventile mit dem Arbeitsraum verbunden ist, wobei die Einlaßventile im äußeren Umfangsbereich der Vorratskammer und die Auslaßventile am Innenumfang des Arbeitsraumes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die am Innenumfang des Pumpenrades (4) vorgesehenen ventilgesteuerten Auslaßkanäle (13) im wesentlichen bis zum Kupplungsspalt (18) erstrecken und axial in Beruhigungsräume (x) münden, die innerhalb des Turbinenrades (9) durch die Turbinenradschaufein (9 a) sowie am Innenumfang durch eine geradlinig ausgebildete Mantelfläche (23) und an der dieser in bezug auf den Kupplungsspalt (18) gegenüberliegenden Seite am Innenumfang des Pumpenrades (4) durch die Mündungen der Auslaßkanäle aufnehmende Ringflächen gebildet sind, die mindestens angenähert in der Radialebene der Kupplung liegen. · - ■ ·

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringflächen durch Ringabschnitte (24) gebildet sind, die mit entsprechenden Bohrungen unmittelbar an den Kanalmündungen anliegen und sich in Umfangsrichtung beiderseits um ein wesentliches Maß über die Auslaßkanäle hinaus erstrecken.

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es bereits bekannt, die Arbeitsflüssigkeit beim Ab- F i g. 1 einen Schnitt durch die Flüssigkeitskuppbremsen des Abtriebsteils in einen außerhalb des lung längs der Achse,

Arbeitsraumes liegenden besonderen Aufnahmeraum F i g. 2 einen Querschnitt durch die Kupplung

abzudrängen, bevor sie von dort aus über das Aus- nach der LinieII-II der Fig. 1,
laß ventil in die eigentliche Vorratskammer gelangt. 5 Fig. 3 einen Teilschnitt der Kupplung im norma-

Dies hat zur Folge, daß die aus dem Arbeitsraum len Betriebszustand und

vorab in den Aufnahmeraum abgedrängte Flüssigkeit F i g. 4 einen Teilschnitt durch die Kupplung bei

für die Drehmomentübertragung praktisch verzöge- eintretendem Schlupf durch Abbremsen des abtriebs-

rungslos verlorengeht und das Moment an der An- seitigen Kupplungsteils.

triebswelle so weitgehend zusammenbricht, daß die io Gemäß F i g. 1 besteht die Flüssigkeitskupplung

mit der Abtriebsseite gekuppelte Maschine nicht aus dem mit dem nicht dargestellten Antriebsmotor

mehr in Gang gehalten werden kann. gekuppelten Primärteil 1 und dem über die Hohl-

Der Aufnahmeraum könnte bei dieser bekannten welle 2 mit der gleichfalls nicht dargestellten Arbeits-Bauart allenfalls dann als »Beruhigungsraum« ange- maschine gekuppelten Sekundärteil 3.
sprachen werden, wenn er im wesentlichen vollstän- 15 . Der Primärteil 1 umfaßt in erster Linie das Pumdig mit der Arbeitsflüssigkeit angefüllt ist. In der hier penrad 4 mit den Schaufeln 4 a, das mit diesem über wesentlichen Betriebsphase, in der die Arbeitsflüssig- den radialen Umfangsflansch verschraubte Gehäuse 5 keit aus dem Arbeitsraum heraus in den Aufnahme- sowie ferner — auf der dem Gehäuse gegenüberraum abgedrängt wird, vermag er aber nur als Stau- liegenden Seite — die gleichfalls mit dem Pumpenrad raum zu dienen, wobei die Trennwand zwischen ihm 20 verschraubte Vorratskammer 6, die zugleich die An- und der Vorratskammer als reine Prallfläche fungiert, Schlußmittel für die Verbindung mit dem nicht dargevor der sich die Flüssigkeit demgemäß nicht in relati- stellten Antriebsmotor aufweist. Wie aus F i g. 1 erver Ruhe befindet, sondern einer höchst turbulenten sichtlich, ist der Primärteil 1 auf der Hohlwelle 2 Strömung unterliegt. Da diese als Prallfläche dienende mittels der Kugellager 7, la drehbar und mittels der Trennwand bei einer Ausführungsform dieser be- 25 Dichtungsringe 8, 8 α zugleich dichtend gelagert,
kannten Kupplung zugleich die ventilgesteuerte Aus- Der Sekundärteil 3 besteht zur Hauptsache aus laßöffnung zur Vorratskammer aufnimmt, wobei das dem Turbinenrad 9 mit den Schaufeln 9 a sowie aus fliehgewichtbetätigte Ventilglied nach außen, d. h. der als Kupplungsachse dienenden Hohlwelle 2, die zum Aufnahmeraum hin, öffnet, treten hierbei zwang- mittels der Schrauben 10 im Drehsinn starr miteinläufig gerade die Nachteile und Wirkungen ein, auf 30 ander verbunden sind. Die Hohlwelle 2 ist mit der deren Vermeidung es der vorliegenden Erfindung an- Welle der nicht dargestellten Arbeitsmaschine verkommt. Denn es ist offenbar, daß der von der kineti- zapft und durch Verzahnungselemente 2 a gleichfalls sehen Strömungsenergie herrührende Flüssigkeits- im Drehsinn starr gekuppelt.

druck mit all seinen von der Turbulenz herrührenden Wie aus F i g. 1 erkennbar, ist der durch das Pum-Schwankungen unmittelbar nicht nur auf die Auslaß- 35 penrad 4 und durch das Turbinenrad 9 umschlossene Öffnungen selbst, sondern vor allem auf das nach Arbeitsraum 11 der Kupplung mit der zusammen mit innen zu öffnende Abschlußglied wirkt und dadurch dem Pumpenrad 4 umlaufenden Vorratskammer 6 diejenigen Beeinträchtigungen im genau drehzahl- durch ventilgesteuerte Einlaß- und Auslaßkanäle verabhängigen Steuerungsablauf hervorruft, wie sie ein- bunden, von denen bei der dargestellten Ausführungsgangs beschrieben sind. 40 form jeweils zwei sich diametral gegenüberliegend

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der angeordnet sind, wobei Einlaß- und Auslaßkanäle

Erfindung sind die die Beruhigungsräume auf der zueinander um 90° versetzt sind. Die Einlaßkanäle

Seite des Pumpenrades am Kupplungsspalt begren- sind mit 12 und die Auslaßkanäle mit 13 be-

zenden Ringflächen durch Ringabschnitte gebildet, zeichnet.

die mit entsprechenden Bohrungen unmittelbar an 45 Wie aus F i g. 1 ersichtlich, befinden sich die Ein-

den Kanalmündungen anliegen und sich in Umfangs- laßkanäle 12 in der Wandung des Pumpenrades 4

richtung beiderseits um ein wesentliches Maß über etwa im mittleren Durchmesserbereich des Arbeits-

die Auslaßkanäle hinaus erstrecken. Dabei können raumes 11, jedoch im äußeren Umfangsbereich der

die den Auslaßkanälen an der Mündung vorgelager- Vorratskammer 6. Da das fliehkraftgesteuerte und

ten Ringabschnitte untereinander zu einem geschlos- 50 daher drehzahlabhängig öffnende Kugelventil 14 zu-

senen Ringkörper verbunden sein. sammen mit der die Kugel im Bereich eines Schräg-

Es ist weiterhin zweckmäßig, die die Beruhigungs- sitzes an die Mündung des Einlaßkanals 12 anpres-

räume am Innenumfang des Turbinenrades begren- senden Schraubendruckfeder 14 a einschließlich des

zende Mantelfläche zum Kupplungsspalt hin unter die Federvorspannung regelnden Nachstellgliedes 15

Mnem flachen Winkel zur Kupplungsachse zu neigen, 55 in einem besonderen Gehäuse 16 der Vorratskam-

30 daß sie eine das reibungslose Abströmen der Flüs- mer 6 untergebracht sind, ist der freie Raum der Vor-

sigkeit durch die Auslaßventile erleichternde Leit- ratskammer 6 mit dem Ventilraum durch einen Ra-

3äche bildet. Vorteilhaft ist gleichzeitig auch die die dialkanal 17 verbunden, der derart unterhalb der

Beruhigungsräume auf der Seite des Pumpenrades . Ventilkugel 14 mündet, daß die Flüssigkeit bei Über-

im Kupplungsspalt begrenzende Fläche unter einem 60 .schreitung einer bestimmten Drehzahl bzw. unter

lachen, sich zur Kupplungsachse hin erweiternden einem bestimmten, auf Fliehkraft beruhenden Druck

Winkel gegen die Radialebene der Kupplung geneigt, selbsttätig über den Einlaßkanal 12 in den Kupp-

ia auch diese Maßnahme das möglichst verzögerungs- lungs-Arbeitsraum 11 gelangt,

ireie und reibungslose Abströmen der in den Beruhi- Die zu den Einlaßkanälen 12 um jeweils 90° ver-

»ungsräumen befindlichen Flüssigkeit durch die Aus- 65 setzt angeordneten Auslaßkanäle 13 liegen axial un-

aßkanäle begünstigt. mittelbar am Innenumfang des Pumpenrades 4, wobei

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Aus- ihre Eintrittsmündungen annähernd bis zum Kupp-

iührungsbeispiel erläutert. Es zeigt lungsspalt 18 hin vorgezogen sind. Innerhalb des

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Auslaßkanälen (13) an der Mündung vorgelagertenRingabschnitte(24) untereinander zu einem geschlossenen Ringkörper verbunden sind.

4. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die die Beruhigungsräume (x) am Innenumfang des Turbinenrades (9) begrenzende Mantelfläche (23) zum

Kupplungsspalt (18) hin unter einem flachen Winkel zur Kupplungsachse geneigt ist.

5. Kupplung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die die Beruhigungsräume (x) auf der Seite des Pumpenrades (4) am Kupplungsspalt (18) begrenzende Fläche unter einem flachen, sich zur Kupplungsachse hin erweiternden Winkel gegen die Radialebene der Kupplung geneigt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 513/30