DE2639683B2 - Hydrodynamische Kupplung - Google Patents

Description

Es sind hydrodynamische Kupplungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung bekannt (DE-GM 75 21 295), die ebenfalls neben dem vom Pumpen- und Turbinenrad gebildeten Arbeitsraum und dem zwischen Pumpenrad und Deckel befindlichen Ausgleichsraum noch einen Vorratsraum aufweisen, der sich im Stillstand über Verbindungsöffnungen bedingt durch die Schwerkraft mit dem Arbeitsfluid öl füllt und während der Anlaufphase wieder unter dem Einfluß der Fliehkraft entleert Hierdurch erhöht sich der Füllungsgrad derartiger Kupplungen rasch, was ein unerwünscht starkes Ansteigen des Drehmomentes zur Folge hat Bei schweranlaufenden und somit langsam hochlaufenden Anlagen ist es somit möglich, daß der Vorratsraum sich bereits entleert hat obwohl die Arbeitsmaschine noch nicht mal 50% der Betriebsdrehzahl erreicht hat Dies ist beispielsweise nachteilig bei Antrieben von Gurtförderern mittels Asynchronmotoren, da die Gurte für die höheren Antriebsmomente ausgelegt werden müssen, was zu Mehrkosten führt die ein Vielfaches des Kupplungspreises ausmachen können. Ebenfalls besteht die Gefahr beim Antrieb durch Asynchronmotoren von großen Schwungmassen, wie sie beispielsweise bei Hammermühlen uni Zentrifugen anzutreffen sind, daß diese nur sehr schwer oder im Extremfall überhaupt nicht bis zur Nenndrehzahl beschleunigen. Dieses gilt insbesondere fü/ solche Motoren, deren Momentenverlauf im unteren Drehzahlbereich etwa dem Motorennennmoment entspricht, zumal wenn der Motor in Y-Schaltung bis oberhalb der Kippdrehzahl hochlaufen soll. Ist ein Anlaufvorgang fehlgeschlagen, so muß so lange gewartet werden, bis sich bei stehender Kupplung der Vorratsraum wieder gefüllt hat, und es kann nicht einmal die Schwungenergie der bereits in Bewegung befindlichen Massen genutzt werden. Diese Nachteile können auch nicht dadurch beseitigt werden, daß die Verbindungen zwischen Vorratsraum und Kupplung über kalibrierte Öffnungen erfolgt, da jeweils nur eine in weiten Grenzen bestimmt verzögerte Rückfüllung eingestellt werden kann. Diese bleibt abhängig von der öltemperatur sowie der Drehzahl des Vorratsbehälters, zudem sind im praktischen Betrieb die Anlaufbelastungen häufig sehr unterschiedlich.

Weiterhin sind hydrodynamische Kupplungen bekannt (DE-OS 14 75 440, DE-GM 19 83 344, FR-PS 21 22 719), die mit einem Vorratsraum ausgestattet sind.

Diese Kupplungen besitzen so gut wie keinen Ausgleichsraum und ihr Vorratsraum Ist relativ klein. Im übrigen erfolgt der Rückfluß aus dem Vorratsraum über kalibrierte Bohrungen oder Drosseln. Diiirch das praktische Fehlen eines Ausgleichsraumes und den relativ klein bemessenen Vorratsraum k«inn eine Entleerung des Arbeitsraumes nur in geringem Maße und das auch nur bei Stillstand erfolgen, so daß diese Kupplungen mit den schon zuvor beschriebenen Nachteilen behaftet sind. Diese nachteilige Wirkung wird noch dadurch verstärkt, daß der Vorratsraum mit dem Pumpenrad umläuft, somit schnell beschleunigt und sich entsprechend schnell entleert, dieses also unabhängig von der Abtriebsdranzahl des Turbinenrades erfolgt, die doch ein Maß für den Fortschritt des Anlaufes is darstellt.

Ferner ist eine Kupplung bekannt (DE-OS 23 21 235), die entweder mit einem Entnahmerohr, welches im Arbeitsraum angeordnet ist und im radial äußeren Bereich endet unter Ausnutzung der Rotationsenergie der Nebenrotation oder mit einem stationären von außen verstellbarem Schöpfrohr im Ausgleichöraum versehen ist und unter Ausnutzung der Rotationsenergie der Hauptrotation kontinuierlich Betriebsflüssigkeit aus der Kupplung herausleitet um diese in einem separaten Kühler zu kühlen. Aufgrund der unterschiedlichen Aufgabe wird in dieser Druckschrift auch kein Anhalt gegeben, wie eine Volumenverminderung der Betriebsflüssigkeit im Arbeitsraum in Abhängigkeit vom Schlupf zu erzielen ist

Bekannt ist auch noch eine Kupplung (US-PS 19 63 720) mit Kernring, in den Schöpfrohre eingreifen, die die dort befindliche Betriebsflüssigkeit in einen Vorratsbehälter ableiten. Durch die Anordnung der Schöpfrohre im Kernring kann nur ein geringer Teil der Betriebsflüssigkeit abgeleitet werden, da der größte Teil um den Kernring herumströmt Außerdem erfolgt die Ableitung nur zögernd, so daß eine rasche und starke Absenkung des Drehmomentes beim Anlauf nicht gewährleistet ist Somit ist auch diese Kupplung mit -to einem Oberlastfaktor behaftet, der über einem Wert von 13 liegt Ferner wirkt sich bei dieser Kupplung nachteilig aus, daß die Schöpfrohre am äußeren Durchmesser des Vorratsraumes bereits enden, so daß dem Schöpfdruck nur ein geringer Druck aus der Fliehkraft der ölsäule im Schöpfrohr gegenübersteht und ein Abschöpfen der Betriebsflüssigkeit bei Lastschwankungen während des Dauerbetriebes erfolgt Die hierdurch herbeigeführten Drehmomentminderungen bei verhältnismäßig geringem Schlupf sind unerwünscht so und führen schnell 7U Überhitzungen derartiger Kupplungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung der genannten Art zu schaffen, bei der der Überlastfaktor bis auf einen Wert « von etwa 1 gesenkt werden kann.

Der Oberlastfaktor hydrodynamischer Kupplungen wird durch das Verhältnis aus übertragbarem Maximalmoment während des Anlaufs zum tatsächlichen Lastmoment im Dauerbetrieb definiert. Bei den <>o bekannten Kupplungen liegt der Überlastfaktor oberhalb eines Wertes von 1,3.

Die beschriebene Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. f>5

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Staurohres wird gewährleistet, daß im Bereich von 100 bis 50% Schlupf öl aus der Kupplung in den Vorratsraum gefördert wird, was zur Folge hat, daß in diesem Betriebsbereich das Moment der Kupplung beliebig klein gehalten werden kann. Somit braucht mit Rücksicht auf das Überlastmoment die Kupplung nicht besonders klein gewählt zu werden, was im Dauerbetrieb zu relativ hohem Schlupf und unnötigen Verlusten führen würde. Auch sind schwach ausgelegte Kupplupr gen störanfällig. Auf der anderen Seite kann der Antriebsmotor leicht hochlaufen, auch ohne daß er besonders kräftig ausgelegt ist Auch wenn der Schlupf sich auf unter 50% gemindert hat, steigt das Drehmoment der Kupplung nur in dem Maße an, wie es dem nun allmählich steigenden Füllungsgrad der Kupplung aus dem Vorratsraum, der nun nicht mehr durch das Staurohr beaufschlagt wird, entspricht

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist vorgesehen, daß das Staurohr sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse erstreckt So kann sehr viel öl in den Vorratsraum geleitet und das Moment entsprechend gesenkt werden. Durch entsprechende Vorkehrungen wie die Anordnung eines Ols&amelrings, sowie Schaufeln an der Rückseite des Pumpenrades kann die Wirkung des Staurohres verbessert werden.

Eine abgewandelte Lösung wird durch den Anspruch 3 aufgezeigt. Hier dient die Nebenrotationsgeschwindigkeit im Arbeitsraum selbst zur Staudnickerzeugung. Durch das Maß des radialen Abstandes der Eintrittsöffnung von der Rotationsachse wird festgelegt wie tief die Eintrittsöffnung des Staurohres in den Nebenrotationsbereich eintaucht Im Betriebszustand, also bei geringem Schlupf, verläuft der Öltorus entsprechend der vorhandenen ölmenge mit dem größtmöglichen Abstand zur Rotationsachse der Kupplung. Mit zunehmendem Schlupf verlagert sich der öltorus zur Rotationsachse hin, da die Fliehkräfte aus der Turbinenradrotation abnehmen und die aus der Nebenrotation zunehmen. Bei dieser Anordnung läßt sich also durch das radiale Abstandsmaß der Eintrittsöffnung von der Rotationsachse, welches von Fall zu Fall zu ermitteln ist festlegen, bis zu welchem Schlupf öl über das Staurohr aus dem Arbeitsraum abgeleitet werden kann.

Die weiteren in den Ansprüchen angegebenen Ausgestaltungen zeigen, wie man den ölrücklauf aus dem Vorratsraum günstig gestalten kann.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 die obere Hälfte der hydrodynamischen Kupplung gemäß der Erfindung im Längsschnitt

F i g. 2 eine verkleinerte Darstellung des Querschnitts längs der Linie IMi der F i g. 1 bzw. der F i g. 4,

F i g. 3 eine vergröSerte Darstellung des Bereiches X au., F i g. 1, jedoch mit zusätzlichem Ventil, und

Fig.4 die obere Hälfte eines Längsschnittes durch eine etwas abgewandelte hydrodynamisch« Kupplung.

Die in der Zeichnung dargestellte hydrodynamische Kupplung besteht aus der Nabe 1 und dem damit verbundenen Pumpenrad 2. Diese beiden Teile bilden den Primärteil der Kupplung. Des weiteren besteht die Kupplung aus dem Turbinenrad 3 und dem Deckel 4, die mittels der Wälzlager 5 und 6 auf der Nabe 1 drehbar angeordnet sind. Zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad 3 befindet sich der Arbeitsraum 7 der Kupplung, während zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Deckel 4 der Ausgleichsraum 8 gebildet ist.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist an dem Deckel 4 der Vorratstopf 9 angeflanscht, der den

Vorratsraum 10 beinhaltet. Der Boden Il des Vorratstopfes 9 ist so ausgebildet, daß sich mit ihm eine nicht näher dargestellte anzutreibende Maschine verbinden läßt, beispielsweise durch die Vertiefungen 12.

Das Staurohr 13 verbindet den Ausgleichsraum 8 mit dem Vorratsraum 10. Es erstreckt sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes 8 bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse in den Vorratsraum 10.

An der Rückseite des Pumpenrades 2 ist in seinem oberen Bereich der ölsammelring 14 eingearbeitet, in den das Staurohr 13 mit seiner Eintrittsöffnung 15 hineinragt An der Rückseite des Pumpenrades 2 sind etwa in mittlerer Höhe des Tumpenrades 2 die Schaufeln 16 angebracht.

Unter der Annahme, daß die ölgeschwindigkeit gegenüber der Eintrittsöffnung 15 verlustlos der Drehzahldifferenz zwischen Pumpen- und Turbinenrad entspricht, beträgt der Staudruck den Wert von

0,5 χ Dichte χ r* χ (W₁ — w₂)².

Der hydrostatische Druck aus der Fliehkraft der ölsäule im Staurohr hat bei bis zur Rotationsachse reichendem Staurohr den Wert

0,5 χ Dichte χ r¹ χ W₂ ².

W| = Winkelgeschw. des Pumpenrades

w₂ = Winkelgeschw. von Turbine u. Gehäuse

Daraus ergibt sich, daß beide Drücke gleich sind, wenn die Winkelgeschwindigkeit

W₂ = 0,5 χ Wi

beträgt, also 50% Schlupf vorliegt.

Somit fördert das Staurohr im Bereich von 100-50% Schlupf. Gleichzeitig strömt aber öl über die öffnungen 17 in die Kupplung zurück. Durch entsprechende Auslegung kann erreicht werden, daß der Förderstrom des Staurohres größer ist als der Rückstrom durch die Öffnungen 17, so daß erst ab 50% die Kupplung sich wieder auffüllt.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist der Vorratstopf 9 mit dem Deckel 4 des Gehäuses verbunden, wobei im Deckel 4 mehrere kalibrierte öffnungen 17 vorgesehen sind, die den Vorratsraum 10 mit dem Ausgleichsraum 8 verbinden. Hierbei haben die kalibrierten öffnungen 17 unterschiedliche Durchmesser, damit die in der Zeiteinheit aus dem Vorratsraum 10 in den Ausgleichsraum 8 abfließende ölmenge veränderbar ist Am Innenumfang des Topfflansches sind Aussparungen 18 noniusartig angebracht, die je nach Drehstellung des Vorratstopfes 9 gegenüber dem Gehäuse 3,4 mehr oder weniger kalibrierte öffnungen 17 im Deckel 4 freilegen. Der Vorratstopf 9 ist gegenüber dem Gehäuse 3, 4 um eine oder mehrere Schraubenteilungen verdrehbar angeflanscht

In F i g. 3 ist der Ausschnitt X aus F i g. 1 in vergrößerter Darstellung gezeigt Hierbei ist ein mit einer Feder 19 belasteter Schieber 20 in der Bohrung 21 verschiebbar gelagert Mit Hilfe der Schlitzschraube 22 ist die Federvorspannung veränderbar. Dadurch wird aus der kalibrierten Bohrung 17 ein drehzahlabhängig öffnendes Ventil. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß bis zu einer gewünschten Sekundärdrehzahl der ölrückfluß aus der Vorratskammer 10 gänzlich unterbunden ist.

Die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 1 insbesondere dadurch, daß der Vorratstopf 9 am Turbinenrad 3 angeflanscht ist und demzufolge da* Staurohr 13 vom Vorratsraum 10 aus durch die Wandung des Trurbinenrades 3 geführt ist und mil seiner Eintrittsöffnung 15 unmittelbar in den Arbeitsraum 7 einmündet. Das bedeutet, daß die Füllung de« Vorratsraumes 10 nicht wie bei der Ausführung sforrr gemäß F i g. 1 durch die Rotationsenergie der Hauptro tation erfolgt, sondern durch die Rotationsenergie dei Nebenrotation bei hohem Schlupf bewirkt wird. Irr übrigen entspricht diese Ausführungsform der hydrody namischen Kupplung nach Fig. I.

Die Funktionsweise der hydrodynamischen Kupplung ist folgende:

Mit Einschalten eines nicht näher dargestellter Motors werden die Nabe 1 und das Pumpenrad 2 ir Umdrehung versetzt, und es beginnt der bei dem Föttinger-Prinzip bekannte ölumlauf zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Turbinenrad 3, der die

2ΐ Übertragung eines Drehmomentes zur Folge hat Gleichzeitig damit wird auch das in dem Ausgleichs raum 8 befindliche öl in Bewegung versetzt, wobei siel· vor alle-.-i das in unmittelbarer Nähe der Pumpenrad rückwand befindliche öl dessen Umlaufgeschwindigkeit

J" anpaßt. Um diese Anpassung zu unterstützen, sind dei ölsammelring 14 oder die Schaufeln 16 oder auch beide· vorgesehen.

Im Bereich dieses umlaufenden Öles ist die Staurohr Eintrittsöffnung 15 angeordnet, so daß öl, das auf diese

ti öffnung 15 trifft, durch den anstehenden Staudruck ir die Vorratskammer 10 abgeleitet wird. Diese teilweise Entleerung des Ausgleichsraumes hat zur Folge, daß ö aus dem Arbeitsraum 7 über den Spalt 23 in der Ausgleichsraum 8 fließt und somit der Nebenrotatior

μ entzogen wird, was wiederum die gewünschte Momen tenreduzierung bewirkt.

Der vorstehend geschilderte Vorgang hält so langt an, bis entweder der Vorratsraum 10 völlig gefüllt isi oder aber die Sekundärseite der hydrodynamischer

·»"> Kupplung eine Drehzahl erreicht hat ab welcher dei daraus resultierende hydrostatische Druck im Staurohi gegenüber dem Staudruck überwiegt Es ist möglich den radialen Abstand von der Eintrittsöffnung 15 bis zui Austrittsöffnung 24 so zu bemessen, daß dies bei einem gewünschten Schlupf der Fall ist, insbesondere bei etws 50% Schlupf.

Da die Staurohr-Austrittsöffnung 24 in der Nähe dei Rotationsachse liegt wird weitestgehend verhindert daß beim weiteren Hochlauf der Sekundärseite öl durcr das Staurohr 13 in den Ausgleichsraum 8 zurückfließt Vielmehr kann dies nur durch die kalibrierter Bohrungen 17 erfolgen. Hierdurch wird ein zu schnelle: Rückströmen des Öls aus dem Vorratsraum 10 in der Ausgleichsraum 8 verhindert und zusammen mit dei richtigen Ausbildung des Staurohres erreicht, daß dit Drehmomenten-Kennlinien der hydrodynamischer Kupplung über den gesamten Schlupfbereich einer nahezu horizontalen Verlauf haben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Hydrodynamische Kupplung, bestehend aus einem mit der Nabe verbundenen Pumpenrad und einem aus Turbinenrad und Deckel bestehenden, auf der Nabe drehbar gelagerten und das Pumpenrad unter Bildung eines kernringlosen Arbeitsraumes zwischen Pumpen- und Turbinenrad und eines Ausgleichsraumes zwischen Pumpenrad und Deckel ι ο einschließenden Gehäuse, an dem ein Vorratstopf koaxial angebracht ist, der über öffnungen im Gehäuse mit dem Gehäuseinneren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daS wenigstens ein das Gehäuse (3, 4) durchdringendes und mit <s diesem umlaufendes Staurohr (13) vorhanden ist, das den Vorratsraum (10) mit dem Gehäuseinneren verbindet und sich mit seiner Austrittsöffnung (24) bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse erstreckt und dessen Eintrittsöffnung (15) außerhalb des in» Betrieb genutzten Arbeitsraumes (7) auf einem derart bemessenen Radius liegt, daß die Fliehkraft der ölsäule im Staurohr bei 50% Schlupf dem dann an der Eintrittsöffnung (15) herrschenden Staudruck entspricht

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Staurohr (13) sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes (8) bis in die unmittelbare Nähe der Rotationsachse in Hen Vorratsraum (10) erstreckt

3. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Staurohr (13) sich vom inneren Bereich des Arbeifcraume. (T) bis in die unmittelbare Nähe der Rotationcachse des Vorratsraumes (10) erstreckt

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im radial äußeren Bereich des Pumpenrades (2) an dessen Rückseite ein Ölsammelring (14) vorgesehen ist, in den das Staurohr (13) mit seiner Eintrittsöffnung (15) hineinragt ■»o

5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß an der Rückseite des Pumpenrades (2) in mittlerer Höhe des Pumpenrades (2) Schaufeln (16) angebracht sind.

6. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- «5 zeichnet daß der Vorratstopf (9) mit dem Deckel (4) oder dem Turbinenrad (3) verbunden ist, wobei im Deckel (4) oder Turbinenrad (3) kalibrierte öffnungen (17) vorgesehen sind, die den Vorratsraum (10) mit dem Ausgleichsraum (8) oder dem Arbeitsraum (7) verbinden.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die kalibrierten öffnungen (17) unterschiedliche Durchmesser haben.

8. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- « zeichnet, daß am Topfflansch an seinem Innenumfang verteilt Aussparungen (18) vorgesehen sind, die zu den kalibrierten Öffnungen (17) im Deckel (4) bzw. Turbinenrad (3) führen.

9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- «> zeichnet, daß die Aussparungen (18) am fnnenumfang des Topfflansches noniusartig angebracht sind, die je nach Drehstellung des Topfes (9) gegenüber dem Gehäuse (3, 4) mehr oder weniger kalibrierte öffnungen (17) im Deckel (4) bzw. Turbinenrad (3) ·>■> freilegen.

10. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, da ß der Topf (9) gegenüber dem Gehäuse (3, 4) um eine oder mehrere Schraubenteilungen verdreht anflanschbar ist

11. Kupplung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß am Slaurohr-Austrittsende (24) ein Rückschlagventil zur Verhinderung der Rückentleerung des Vorratsraumes (10) durch das Staurohr (13) angebracht ist

12. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ventile yorgesehen sind, die bis zu einer bestimmten vorwählbaren Drehzahl des Gehäuses (3, 4) die kalibrierten öffnungen (17) verschlossen halten und die öffnungen (17) ab dieser Drehzahl freigeben.

13. Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß mit jeder kalibrierten öffnung (17) eine senkrecht dazu verlaufende Bohrung (21) verbunden ist, in der ein federbelasteter Schieber (20) Iängsverschieblich gelagert ist