DE2103598A1 - Stromungskupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nach dem Föttinger-Prinzip arbeitende Strömungskupplung mit einem !urbinenschaufelkranz und einem axial neben diesem angeordneten Pumpenschaufelkranz in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei jedem der beiden Schaufelkränze ein mit ihm umlaufendes, zum anderen Schaufelkranz hin offenes Umlenkrad zugeordnet ist. ^enn. hier die Umlenkräder und das Gehäuse als gesonderte Bauteile erwähnt werden, so soll dies nicht ausschließen, daß unter Umständen das Gehäuse und ein Umlenkrad zu einem Bauteil zusammengefaßt werden. Bevor-

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mm O m»

zugt sind jedoch die Umlenkräder gegenüber dem Gehäuse gesonderte Bauteile.

Derartige Kupplungen sind beispielsweise aus Lueger Lexikon der Energietechnik und Kraftmaschinen, Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart, 1965, bekannt. Bei diesen Kupplungen haben die beiden Umlenkräder die Form zweier HaIbtorusflächen, die einander zu einem ganzen Tprus ergänzen. Die Schaufeln erstrecken sich in beiden Rädern jedenfalls wird dies bei der Erfindung bevorzugt - in Ebenen durch die gemeinsame Achse der Schaufelkränze und Umlenkräder.

Bei derartigen Kupplungen ist, solange das Turbinenrad Leistung abnimmt, immer ein gewisser Schlupf vorhanden. Die Größe des Schlupfes und damit das Verhältnis von Abtrieb sdrehz ahl zu Antriebsdrehzahl hängt von der Größe des Drehmoments ab, welches das Turbinenrad aufnimmt. Ein Problem bei derartigen Strömungskupplungen liegt darin, daß es schwierig ist, eine hiervon unabhängige oder hierzu zusätzliche Regelung des Verhältnisses von Antrieb3drehzahl *u Abtriebsdrehzahl zu schaffen. Man kann dieses Problem dadurch lösen, daß man die Menge der zwischen den beiden Schaufelkränzen zirkulierenden Flüssigkeit verändert. Bei völliger Entleerung ist die Kupplung getrennt. Bei ganz gefüllter Kupplung ist das Ver-

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hältnis von Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl das
größtmögliche.

Eine derartige Regelung hat jedoch den Nachteil, daß
sie konstruktiv aufwendig ist und konstruktiv sogar
sehr aufwendig wird, wenn man das Füllen bzw. Entleeren der Kupplung willkürlich oder in Abhängigkeit von bestimmten Parametern des durch die Kupplung angetriebenen Elements durchführen will.

Die Erfindung schafft eine Kupplung der oben umrissenen Art, welche sich durch weitestgehende, willkürliche Regelbarkeit des Verhältnisses von Abtriebsdrehzahl zu
Antriebsdrehzahl auszeichnet und darüberhinaus von einfacher Bauweise,praktisch wartungsfrei _f sicher im Betrieb und in sehr kleinen Abmessungen herstellbar ist.

Wenn auch die Kupplung gemäß Erfindung für viele Zwecke geeignet ist, wo eine Kupplung mit der dargelegten Regelbarkeit erwünscht ist, so ist jedoch das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung der Einsatz der Kupplung
zwischen dem Luftrad eines Kraftfahrzeugmotors und dem
Antrieb für dieses Lüfterrad, der in der Regel von einer Riemenscheibe gebildet ist. Bekanntlich wird bei Kraftfahrzeugen der Bedarf an Lüfterradleistung mit steigender Fahrgeschwindigkeit immer geringer, während die vom

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Iiüfterrad aufgenommene Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit steigt. Die Kupplung gemäß Erfindung erlaubt es hier, im gewünschten Umfang das vom Antrieb auf das Lüfterrad übertragene Drehmoment und die übertragene Drehzahl zu reduzieren, bis das Lüfterrad bei höheren Geschwindigkeiten praktisch ohne Leistungsaufnahme umläuft.

Die Kupplung gemäß Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Axialabstand der beiden Schaufelkränze voneinander mittels einer Stelleinrichtung einstellbar ist. Verschiebt man die beiden Schaufelkränze in Axialrichtung weit genug voneinander weg, so wird die das Pumpenrad verlassende Flüssigkeit nicht mehr gezwungen, unmittelbar in das Turbinenrad einzutreten. Sie kann vielmehr im Raum zwischen den beiden Rädern zum Pumpenrad zurückfließen, so daß nur verhältnismäßig geringe Strömungsverluste bei voneinander entfernten Schaufelkränzen auftreten. Das Problem der Zu- und Ableitung von Flüssigkeit wird dadurch vermieden, und die Pumpe kann als eine Einheit ausgebildet werden, welche lediglich an einer Stelle einer Abdichtung zwischen rotierenden Teilen nach außen bedarf.

Im einfachsten Fall sitzt der eine Schaufelkranz fest rit seinem Umlenkrad und dem Gehäuse verbunden auf dem

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einen Wellenende, während das andere in das Gehäuse^agende Wellenende axial verschiebbar das vom anderen Schaufelkranz und dem anderen Umlenkrad gebildete andere Rad trägt.

Wenn die Strömungskupplung gemäß Erfindung vollständig flüssigkeitsdicht ausgebildet ist, muß natürlich darauf geachtet werden, daß die Mittel zum Verschieben der beiden Schaufelkränze relativ zueinander im Gehäuse das für die !Flüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen, im Gehäuse beim Verschieben der Schaufelräder nicht oder nur möglichst wenig verändern«

Bevorzugt ist die Axiallage der beiden Umlenkräder und des einen Schaufelkranzes in Bezug auf einander nicht veränderbar, und die Schaufeln des anderen Schaufelkranzes sind in Schlitzen des ihnen zugeordneten Umlenkrads axial verschiebbar geführt. Mit anderen Worten: die Schaufeln des einen Schaufelkranzes sollen in Axialrichtung aus der eigentlichen, von den beiden Umlenkrädern eingeschlossenen Strömungskupplung herausziehbar sein. Eine solche Konstruktion hat den Vorteil, daß eine Strömung zwischen den beiden Schaufelkränzen durch das Umlenkrad, aus welohem der entsprechende Schaufelkranz herausgezogen wurde, weitestgehend verhindert wird. Darüberhinaus bietet ein solcher Aufbau auch konstruktiv Vorteile.

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Wenn auch dem Grunde nach sowohl das Pumpenrad als auch das Turbinenrad wie eben erläutert ausgebildet sein kann, so wird es jedoch bevorzugt, daß die Schaufeln des Pumpenschaufelkranzes die axial in ihrem Umlenkrad verschiebbaren Schaufeln sind.

Vorzugsweise sitzen die axial in ihrem Umlenkrad verschiebbaren Schaufeln fest am mit ihnen umlaufenden Gehäuse, in dem der andere Schaufelkranz drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist. Der andere Schaufelkranz sitzt dann zweckmäßig fest an den ihm zugeordneten Umlenkrad, welches nur zusammen mit dem anderen Umlenkrad axial verschiebbar ist. Wenn auch die in ihrem Umlenkrad verschiebbaren Schaufeln beispielsweise von der Umfangswandung des Gehäuses radial nach innen ragen können, so wird es bevorzugt, daß diese Schaufeln von einer Stirnwand des Gehäuses abragen. Das ergibt eine Verbindung hoher Festigkeit zwischen Gehäuse und Schaufeln.

Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß Erfindung, die sieh auch besonders gut für das oben erwähnte Hauptanwendungsgebiet als Lüfterkupplung eignet, sitzt das fest mit seinem Schaufelrad verbundene Umlenkrad fest auf einer Buchse, auf der das andere Umlenkrad drehbar, aber nicht axial verschiebbar gelagert ist. Die Buchse sitzt dabei axial verschiebbar, aber nicht drehbar auf

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einer sich durch oder in das Gehäuse erstreckenden, dem Antrieb oder vorzugsweise dem Abtrieb dienenden Hohlwelle, in der sich ein Stellglied zum axialen Verschieben der Buchse auf der Hohlwelle erstreckt. Ein solcher Aufbau ergibt eine gedrängte Bauweise. Bei der Ausbildung als Lufterradkupplung ist vorteilhaft das Gehäuse angetrieben und trägt die Hohlwelle des Lüfterrades. Dabei sitzt in der Hohlwelle als Stellglied ein auf die Temperatur der durch den Kühler zuströmenden luft ansprechendes, bei Erwärmung seine Länge änderndes Glied, das bei Erwärmung die Buchse gegen Federkraft im die Schaufelkränze einander nähernden Sinn verschiebt. Auf diese Weise wird die Abtriebsdrehzahl erhöht. Ist die durch den Kühler zuströmende Luft wieder kalter, so verstellt die Federkraft die Schaufelkränze im sie voneinander entfernenden Sinn, wodurch die Abtriebsdrehzahl für das Lüfterrad verringert wird.

Nachfolgend ist als erläuterndes Ausführungsbeispiel die Kupplung gemäß Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform als Lüfterradkupplung zu einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Lüfterradkupplung gemäß Erfindung, wobei die Kupplung in der oberen Hälfte der Zeichnung im ausgerückten

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Zustand und in der unteren Hälfte der Zeichnung im eingerückten Zustand dargestellt ist»

Fig. 2 zeigt den Schnitt II-II durch Fig. 1 bei eingerückter Kupplunge

Fig. 3 zeigt die Ansicht von links auf Fig. 1 bei abgenommenem Lüfterrad.

Die gezeigte Kupplung besitzt ein Gehäuse, welches aus dem Deckel 1 und dem Bodenteil 2 besteht. Die beiden Gehäuseteile sind mittels Schrauben 35 miteinander verbunden. Das Gehäuse kann mittels der strichpunktiert angedeuteten Schrauben 36 am Keilriemenrad für den Antrieb des Lüfters des Kraftfahrzeugmotors angeflanscht werden. Außen trägt das Gehäuse Kühlrippen 4, 5 und 6, welche zur Abführung der im Inneren der Strömungskupplung entstehenden Verlustwärme dienen.

Die Schaufeln 3 des Pumpenschaufelkranzes P sitzen an der Stirnwand des Bodenteils 2. Vorzugsweise sind sie mit diesem in einem Stück z.B. im Feinguß- oder Spritzgußverfahren hergestellt. Auf einem nach innen ragenden Zapfen 9 des Gehäusebodens und in einer vom Deckel 1 nach außen ragenden Lagernabe 8 ist eine Abtriebshohlwelle 7 drehbar gelagert. Sie wird von der Kupplungsflüssigkeit - gewöhnlich einem dünnflüssigen öl - geschmiert. An einer axialen Verschiebung ist sie einer-

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seits durch die Anlage am Gehäuseboden 2 und andererseits durch einen Sprengring 16, der über eine Zwischenscheibe 17 an der Lagernabe 8 anliegt, gehindert. Ein Radialdichtring 18 dichtet die Abtriebshohlwelle 7 gegen die Lagernabe 8 ab.

Auf der Hohlwelle 7 ist mittels einer Kerbverzahnung axial verschiebbar eine Büchse 19 gelagert. Die Büchse 19 ist fest, beispielsweise durch Preßsitz, mit dem Turbinenrad T verbunden. Dieses besteht aus dem Turbinenumlenkrad 33 und dem Turbinenschaufelkranz 20, der zweckmäßig mit dem Umlenkrad 33 in einem Stück gegossen ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, erstreckt sich das Turbinenrad in Axialrichtung nur etwa über die Hälfte der Büchse 19. Auf der anderen Hälfte der Büchse 19 ist das Umlenkrad 24 drehbar gelagert. Am axialen Verschieben wird das Umlenkrad 24 durch den Sprengring 21 und einen Druckring 22 gehindert. Das Umlenkrad 24 besitzt eine Reihe von sich in Axialebenen des Rades erstreckenden Schaufelschlitzen 23» durch welche beim Verschieben der Büchse 19 mit den Umlenkrädern 33 und 24 aus der oben gezeigten, ausgekuppelten Lage in die in Fig. 1 unten gezeigte eingekuppelte Lage die Pumpenschaufeln 3 in den Innenraum des Pumpenumlenkrades 24 eintreten, so daß nunmehr die beiden Umlenkräder 33 und 24 mit den in ihnen befindlichen beiden Schaufel-

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kränzen 20 und 3 in üblicher Weise als Föttinger-Strömungskupplung zusammenwirken.

Man erkennt, daß je nach der Verschiebelage der Büchse 19 die beiden Schaufelkränze 20 und 3 einen unterschiedlichen Abstand voneinander haben und daß der Drehzahlabfall von dem Pumpenrad zum Turbinenrad umso größer wird je weiter sich das Turbinenrad von dem Schaufelkranz 3 entfernt befindet. Durch Binregelung dieses Abstands kann das Verhältnis von Abtriebsdrehzahl zu Antriebsdrehzahl geregelt werden.

Im Lagerzapfen 9 ist noch eine Füll schraube 34 zum Einfüllen der Flüssigkeit in die Strömungskupplung vorgesehen.

In das in Fig. 1 linke Ende der Hohlwelle 7 ist der Ab.-triebsflansch 11 für das Lüfterrad 15 unter Zwischenlage einer wärmeisolierenden Kunststoffbüchse 10 eingepreßt. Schrauben 14 verbinden den Ahtriebsflansch 11 mit dem eigentlichen Lüfterrad 15. Im Ahtriebsflansoh 11, der mit seiner aus der Zeiohnung ersichtlichen Nabe in die Hohlwelle 7 eingepreßt ist, befindet sich eine zentrale Bohrung, in welche ein an sich bekanntes Dehnstoff element 12 eingepreßt ist. Wärmeübertragungsrippen 13 des Ahtriebsflansch.es 11 sorgen dafür, daß die aus

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dem Kühler des Kraftfahrzeuge durch den Fahrtwind und/ oder den Sog des Lüfterrades herangeführte Luft ihre Temperatur rasch dem Antriebsflansch 11 und damit dem Dehnstoffelement 12 mitteilt. Das Dehnstoffelement 12 besitzt einen zentralen, axial verschiebbaren Arbeitsstift 30, der mit steigender Temperatur aus dem Element 12 immer stärker ausgeschoben wird und beträchtliche Kräfte entwickeln kann.

Das freie Ende des Arbeitsstiftes 30 liegt an einer Blattfeder 26 an, die sich durch zwei Längsnuten 31 der Hohlwelle 7 erstreckt und mit ihren beiden Enden in eine Ringnut 25 der Büchse 19 ragt, so daß, wenn der Stift 30 die Blattfeder 26 in Fig. 1 von links nach rechte verschiebt, dadurch die Büchse 19 und mit dieser das Turbinenrad und das Pumpenjzäa^crad ebenfalls verschoben werden, wodurch der Pumpenschaufelkranz 3 immer stärker in das Purapenumlenkrad 24 eingeschoben wird. Um ein zu star- m kes Durchbiegen der Blattfeder 26 zu vermeiden, ist diese durch eine zweite Blattfeder 27 verstärkt. Im freien Raum zwischen dem Dehnstoffregelelement 12 und dem Lagerzapfen 9 im Inneren der Hohlwelle 7 erstreckt sich eine der Kraft des Arbeitsstiftes 30 entgegenwirkende Schraubenfeder 28, die über eine Ringscheibe 29 gegen die Blattfedern drückt und somit bestrebt ist, über letztere die Büchse 19 mit dem Turbinenrad und dem Pumpenum-

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lenkrad in Fig. 1 nach links in die dem ausgerückten Kupplungszustand entsprechende Lage zu verschieben.

Die Blattfederanordnung 26, 27 ist vorgesehen, damit bei sehr hoher Temperatur, wenn sich die axial verschiebbaren Kupplungsteile in der in Fig. 1 unten gezeigten Lage befinden, ein kurzes weiteres Auswandern des Arbeitsstiftes 30 nach rechts keinen Schaden anrichten kann.

Die gezeigte Kupplung sollte nicht ganz mit Arbeitsflüssigkeit versehen sein. In ihrem Inneren sollte ein Luftvolumen von beispielsweise 2 bis 3 ecm bleiben, damit die Volumenänderung durch den Arbeitsstift 30 im Inneren des Gehäuses aufgenommen werden kann.

Die als Ausführungsbeispiel erläuterte Lüfterkupplung arbeitet wie folgt:

Es sei angenommen, daß die durch den Kühler zuströmende Luft kalt ist. Damit ist der Arbeitsstift 30 des Dehnstoffregelelements durch die Schraubenfeder in seine linke Grenzlage eingeschoben und die Kupplung befindet sich in dem in Fig. 1 oben gezeigten Zustand. Die ange- · triebenen Pumpenschaufelräder können kaum Flüssigkeit so radial nach außen fördern, daß diese in nennenswertem Umfang ein Drehmoment auf die Turbinenschaufelräder aus-

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übt, da Flüssigkeit aus dem Bereich des Pumpenschaufelkranzes 3 nur durch die radial äußeren Teile der Schlitze 23 zum Turbinenschaufelkranz 20 strömen kann, so daß auf letzteren kaum ein Drehmoment ausgeübt wird. Das Turbinenrad T dreht sich also nur ganz wenig relativ zum Pumpenschaufelkranz und dem Gehäuse« Bs nimmt damit auch über die Hohlwelle 7 und den Lüfterradflansch 11 das Lüfterrad 15 nur wenig mit. Erwärmt sich nun die Jj

dem Lüfterrad durch den Kühler zuströmende Luft, so wird der Flansch 11 erwärmt und mit diesem das Dehnstoffregelelement 12. Dadurch wird der Arbeitsstift 30 des letzteren um ein der Temperatur des Elements 12 entsprechendes Maß nach rechts ausgeschoben. Er nimmt gegen die Wirkung der Schraubenfeder das Turbinenrad und das Pumpenleitrad nach rechts mit, so daß der Pumpenschaufelkranz 3 um ein entsprechendes Maß in das Pumpenleitrad 24 eintritt, so daß nun der im Inneren des Pumpenleitrades 24 befindliche Teil des Pumpenschaufelkranzes 3 mit dem Turbinenrad T in üblicher Weise als "Föttinger-Kupplung" zusammenwirkt. Auf diese Weise wird das Lüfterrad 15 mit gegenüber der Drehzahl bei zuströmender Kaltluft wesentlich erhöhter Drehzahl mitgenommen, die aber noch nicht nahe an die Antriebsdrehzahl des Pumpenrades herankommt. Die Verluste in einem solchen Zwischenzustand sind verhältnismäßig gering. Ist in diesem Zustand bereits eine stabile Beziehung zwischen der Kühlwaasertemperatur im

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Kühler und der Leistung des Lüfterrades erreicht, so wird der Zustand beibehalten. Ist ein solcher Zustand noch nicht erreicht, so wird das Turbinenrad mit dem Pumpenleitrad immer weiter nach rechts geschoben, bis im Grenzfall die in Pig· 1 unten gezeigte Lage erreicht ist, in welcher der Schlupf der Kupplung seinen geringstmöglichen Wert angenommen hat» Sinkt nun die Temperatur der zuströmenden Luft wieder ab, beispielsweise weil der Regeleffekt zu stark war oder au3 anderen Gründen, so kann der Dehnstoffregler 12 auf seinen Arbeitsstift 30 keine Kraft mehr ausüben,und die Schraubenfeder schiebt den Stift 30 um ein entsprechendes Maß in den Regler 12 wieder ein. Hierbei wird das Turbinenrad mit dem Pumpenleitrad wieder mitgenommen, bis wieder ein stabiler Zustand erreicht ist·

Patentansprüche

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Claims (1)

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   Patentansprüche :

   1,1 Nach dem Föttinger-Prinzip arbeitende Strömungskupplung mit einem Tur'binenschaufelkranz und einem axial neuen diesem angeordneten Pumpenschaufelkranz in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei jedem der beiden Schaufelkränze ein mit ihm umlaufendes, zum anderen Schaufelkranz hin offenes Umlenkrad zugeordnet ist, dadurch ge- ~ kennzeichnet, daß der Axialabstand der beiden Schaufelkränze (3,20) mittels einer Stelleinrichtung (12) einstellbar ist·

   2· Strömungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallage der beiden Umlenkräder (24» 33) und des einen Schaufelkranzes (20) in Bezug auf einander nicht veränderbar ist, und daß die Schaufeln (3) des anderen Schaufelkranzes in Schlitzen (23) des ihnen zugeordneten Umlenkrades (24) axial verschiebbar geführt * sind·

   3. Strömungskupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3) des Pumpenschaufelkranzes die axial in ihrem Umlenkrad (24) verschiebbaren Schaufeln sind.

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   4. Strömungskupplung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axial in ihrem Umlenkrad (24) verschiebbaren Schaufeln (3) fest am mit ihnen umlaufenden Gehäuse (1,2) sitzen, in dem der andere Schaufelkranz (20) drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist»

   5 ο Strömungskupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrem Umlenkrad (24) verschiebbaren Schaufeln von einer Stirnwand des Gehäuses (2) abragen.

   6 ο Strömungskupplung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fest mit seinem Schaufelkranz (20) verbundene Umlenkrad (33) fest auf einer Büchse (19) sitzt, auf der das andere Umlenkrad (24) drehbar, aber nicht axial verschiebbar gelagert ist, daß die Büchse (19) axial verschiebbar, aber nicht drehbar auf einer sich durch oder in das Gehäuse (1,2) erstreckenden, dem An- oder Abtrieb dienenden Hohlwelle (7) sitzt, und daß sich in der Hohlwelle (7) ein Stellglied (30) zum axialen Verschieben der Büchse (19) auf der Hohlwelle

   (7) erstreckt«

   7ο Strömungskupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie die lüfterradkupplung eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors ist·

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   8o Strömungskupplung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1,2) angetrieben ist und die Hohlwelle (7) das lüfterrad (15) trägt und in der Hohlwelle (7) als Stellglied ein auf die Temperatur der durch den Kühler zuströmenden Luft ansprechendes, bei Erwärmung seine länge änderndes Glied (12,30) sitzt, das bei Erwärmung die Büchse (19) gegen Federkraft (28) im die Schaufelkränze (3,20) einander nähernden Sinn verschiebt«

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