DE3211337C2 - Hydrodynamische Regelkupplung - Google Patents
Hydrodynamische RegelkupplungInfo
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Abstract
Eine hydrodynamische Regelkupplung (1, 2, 3, 4) mit Zufuhr von Arbeitsflüssigkeit über eine Pumpe und einem Auslaß über ein Überströmventil (14) ist mit schräger Beschaufelung ausgerüstet. Die Entnahme von Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsraum (5) erfolgt gemäß der Erfindung über tangential von der inneren Kreislaufoberfläche zur Kupplungsachse hin gerichtete Bohrungen (11), über die sich der vor den Bohrungen herrschende Druck über feststehende Kanäle (12) zu einem Überströmventil (14) fortpflanzt. Der in den tangentialen Bohrungen (11) im Zusammenwirken mit schräger Beschaufelung sich ergebende Druck ist ein direktes Maß für das jeweils übertragene Drehmoment. Erhöht sich plötzlich die Drehzahl des Primärschaufelrades (2), so reagiert das Überströmventil (14) mit größerer Öffnung, wodurch sich der Füllungsgrad der Kupplung vermindert, aber das durchgeleitete Drehmoment praktisch konstant bleibt. Bei Antrieb eines Kühlerventilators eines Verbrennungsmotors bleibt die Drehzahl trotz höherer Motordrehzahl niedrig, wenn das Kühlwasser noch keine stärkere Kühlung erfordert. Ein Temperaturfühler beeinflußt die Vorspannung der Feder am Überströmventil und leitet bei zunehmender Kühlwassertemperatur ein zunehmendes Füllen der den Ventilator antreibenden Kupplung ein.
Description
a) der Auslaß für das Arbeitsmittel aus dem Kreislauf hat «ι» Gestalt von Bohrungen (11), die
tangential in Strömungsrichtung an der äußeren Kontur des Torusprofils verlaufen:
b) die Auslaßbohrungen (11) befinden sich am Sekundärschaufelrad
(4) der eine rotierende Schale aufweisenden Kupplung, sind nach innen zur Kupplungsachse hin gerichtet und münden in
eine druckdichte, feststehende zum Druckventil (14) führende Leitungsverbindung (12);
c) die am Druckventil (14) zum Einstellen seines Ansprechdruckes vorgesehene Einrichtung ist
ansteuerbar von einer Meßeinrichtung für eine — unabhängig von wechselnder Primärdrehzahl
— angenähert koiistant zu haltenden Meßgröße,
ζ. B. eine Kühlmittelter. fieratur.
2. Hydrodynamische Regelkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprechdruck
des Druckventils (14) von einem Temperaturfühler (20) beeinflußt wird, der in einem
Kühlkreislauf angeordnet ist, z. B. dem Kühlwasserkreislauf eines Verbrennungsmotors.
3. Hydrodynamische Regelkupplung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beeinflussung des Ansprechdruckes am Druckventil (14) so gestaltet ist, daß das Ventil mit steigender
Temperatur am Temperaturfühler (20) zunehmend geschlossen wird.
4. Hydrodynamische Regelkupplung nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem
Kühlkreislauf, ζ. B. dem Kühlwasserkreislauf eines Verbrennungsmotors, ein Temperaturfühler (21) angeordnet
ist, der die veränderliche Wassertemperatur in ein elektrisches Signal umsetzt, und daß das
Überströmventil als elektrohydraulisches Druckregt'lventil (22) ausgebildet ist, dessen Schließkraft auf
den Ventilkörper mittels eines Elektromagneten (23) mit veränderbarer Magnetkraft einstellbar ist.
Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Regelkupplung, deren Arbeitskreislauf mit einem Einlaß und
einem Auslaß für das Arbeitsmittel verschen ist, wobei das Arbeitsmittel in feststehende Kanäle geleitet wird,
ferner einen Kühlkreislauf für das Arbeitsmittel aufweist, ein im Kühlkreislauf vorgesehenes Ventil, das den
Ffillunzserad des Arbeitsraumes bestimmt, sowie gegen
die Kupplungsachse geneigte Schaufeln.
Regelkupplungen bekannter bisheriger Bauart werden häufig zum Antrieb von Kühlventilatoren eingesetzt,
insbesondere bei Panzern. Hierbei kornmt es in ganz besonderem Maße auf das rasche Reagieren der
Kupplung auf äußere Betriebsbedingungen an. Hier ist in erster Linie rasches Füllen und Entleeren der Kupplung
wesentlich.
Es sind Lösungen bekannt, bei denen eine Kupplung
ίο ganz oder teilweise entleert wird, wenn eine Überlastung
eintritt, d. h. wenn entweder die Sekundärdrehzahl der Kupplung durch höheres Drehmoment gedrückt
wird, oder wenn sich bei unverändertem Füllungsgrad der Kupplung die Eingangsdrehzahl erhöht
Dabei erhöht sich das zu übertragende Drehmoment proportional zum Quadrat der Drehzahl. In beiden Fällen
reagiert die Kupplung mit erhöhtem Schlupf, wodurch sich die Strömung innerhalb der Kupplung ta radial
innere Bereiche des Arbeitsraumes ausdehnt. Dies ist in einem Aufsatz in der Zeitschrift »MTZ«
Nr. 11/195S. Seite 388 beschrieben. Die AT-PS 2 24 451
zeigt eine Lösung, mit der der Arbeitsraum der Kupplung über axiale Öffnungen im radial inneren Bereich
entleert werden kann. Auch die DE-PS 8 83 987 zeigt eine Kupplung, die ein Entweichen der Arbeitsflüssigkeit
bei hohem Schlupf in einen radial innrren Bereich ermöglicht. Desgleichen ist eine Kupplung nach US-PS
25 70 768 bekannt, die einen zur Wandung des Sekundärschaufelrades tangentialen Auslaßspalt aufweist. Dadurch
ist zwar ein rasches Entleeren des Arbeitsraumes möglich, aber die Arbeitsflüssigkeit entweicht in einen
Stauraum innerhalb der Kupplung. Bei solchen Kupplungen mit Stauraum strömt die Arbeitsflüssigkeit bei
geänderten Betriebsbedingungen wieder in den Arbeitsraum zurück. Ein Eingriff zur Regelung auf konstantes
Drehmoment der Kupplung ist damit nicht möglich.
Bekannt sind ferner Ausführungen von Kupplungen, bei denen die Arbeitsflüssigkeu bei feinerem Schlupf
über den radial äußeren Bereich des Torusarbeitsraumes abströmen kann, z.B. aus der DE-AS 26 14 476.
Diese Kupplung dient auf Grund der Entnahme von Arbeitsflüssigkeit im äußeren Bereich der Beschaufelung
besonders als Überlastschutz bei schlagartig auftretenden Drehmomentspitzen. Die bei Überlast aus
dem Arbeitsraum entweichende Arbeitsflüssigkeit wird über einen entsprechenden Kanal aus der Kupplung
abgespritzt. Nachteüig ist, daß sich die Kupplung schlecht auf ein bestimmtes Drehmoment regeln läßt.
Vielmehr stellt sich bei ihr selbsttätig wieder die von einer Zuiaufsteuerung vorgegebene Füllung ein.
Die US-PS 31 78 889 offenbart eine Kupplung, die an
der Innenwand des Sekundärrades radial angeordnete Rohrstutzen aufweist, durch die eine bestimmte Menge
55 Arbeitsflüssigkeit in einen Sammelraum erst dann abströmt, wenn bei höherem Schlupf die Strömung an der
Sekundärradwandung eine bestimmte Dicke übersteigt. Die Entleerung der Kupplung ertolgt im übrigen über
ein Schöpfrohr.
to Aus der DE-OS 30 13 024 ist ferner eine Kupplung bekannt, die mit einer externen Versorgung mit Arbeitsflüssigkeit ausgerüstet ist, schräge Beschaufelung sowie
eine Regeleinrichtung für konstantes Drehmoment aufweist. Ein besonders rasches Reagieren auf plötzliche
Änderungen eier Betriebsbedingungen ist mit dieser Kupplung nicht möglich. Dort handelt es sich um eine
Kupplung mit feststehendem Außengehäuse, das sowohl das Primär- als auch das Sekundärschaufelrad um-
schließt. Kupplungen dieser Bauart weisen hohe Wandreibungsverluste
und niedrigen Wirkungsgrad auf. Deshalb eignen sie sich nicht für Dauerbetrieb, sondern nur
für kurzzeitigen Einsatz, im vorliegenden Beispiel als Ladekupplung. Um eine energieverzehrende Luftzirkulation
in der übrigen Betriebszeit zu verringern, sind dort Blendenschieber oder ähnliche Strömungshindernisse
erforderlich.
Bekannt ist eine regelbare Strömungskupplung auch aus der DE-OS 22 47 725. Diese weist eine Zulauf-Steuerung
für das Arbeitsmedium auf. Das Sekundärschaufelrad weist zur gezielten Lenkung des Mediums
durch die Kupplung Verschlußwände zwischen zwei benachbarten Schaufeln im Bereich der radial innenliegenden
Profilkontur auf. Dort befinden sich Auslaßbohrungen, die senkrecht zur Profiioberfläche gerichtet
sind und durch die infolge des Staues an den Verschlußwänden eine Zwangsumlenkung und das. Ausströmen
des Mediums aus dem Arbeitsraum der Kupplung hervorgerufen wird.
Eine Kupplung zum Antrieb eines Ventilators ist außerdem aus der DE-OS 26 12 133 bekannt. Diese Kupplung
weist eine etwa tangentiale Entnahmebohrung im radial äußeren Bereich des Sekundärrades auf, über die
die Arbeitsflüssigkeit zu einer Steuer- oder Regeleinrichtung gelangt Diese jedoch spricht auf die durch
Rotation erzeugte Fliehkraft an und wirkt letztendlich auf einen Ringschieber, der die Strömung innerhalb der
Kupplung direkt beeinflußt. Die Temperaturmessung erstreckt sich auf die Außenseite der Kupplung selbst.
Soll die Kupplung in einem Gehäuse untergebracht und mit einer externen Ölversorgung gespeist werden, so ist
die Bauart nicht brauchbar. Alle bisher genannten Ausführungen haben einen Nachteil: Sie führen zu großvolumigen
Kupplungen, die dementsprechend teuer sind und verhältnismäßig lange Zeitspannen zum Einstellen
veränderter Füllungsgrade erfordern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungskupplung
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die möglichst klein, leicht, unkompliziert und
damit billig ist, dabei aber trotzdem den Vorteil einer schnellen Regelung auf ein in der Höhe einstellbares,
aber vom Schlupf unabhängiges Drehmoment bietet.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen wiedergegebenen Maßnahmen gelöst.
Durc'i Auswahl einer Kupplung mit der an sich bekannten
schrägen Beschaufelung wird zunächst folgendes erreicht: Es bildet sich hierdurch im Arbeitsraum
der Kupplung eine Strömung, die mit besonders hoher Geschwindigkeit an der Innenwandung der Laufräder
umläuft; die Strömung legt sich dabei dicht an diese Innenwandung an. Die Arbeitsflüssigkeit füllt im Gegensatz
zu Kupplungen mit gerader Beschaufelung den Arbeitsraum bei der Zirkulation bis zum nabennächsten
Ende des Schaufelprofils aus. Durch die erfindunigsgemäße,
tangentiale Gestaltung des Auslasses wird das Entleeren der Kupplung ganz besonders begünstigt; es
geht sehr rasch vor sich. Aber auch die Füllung beansprucht nur verhältnismäßig kurze Zeit; die Einlaßkanä-Ie
münden nämlich im Zentrum des Arbeitsraumes und damit in dem Bereich geringsten Druckes, dem sogenannten
Kernring. Durch Fliehkraftwirkung im rnitrotierendem Zulaufkanal wird das Zuströmen der Arbeitsflüssigkeit unterstützt.
Die aus dem Arbeitsraum über tangentisle Bohrungen ausgetretene Arbeitsflüssigkeit steht entsprechend
der Kupplungsdrehza'ril und dem Füllungsgrad unter einem
bestimmten Überdruck, der sich auf eine am Gehäuse befestigte, also nicht mitrotierende. Regeleinrichtung
über feststehende Kanäle fortpflanzt Der Erfinder hat erkannt, daß die Entnahme von Arbeitsflüssigkeii an
einer Kupplung mit schräger Beschaufelung nur dann zu einer Druckmeßgröße führt, die als Maß für das
durchgeleitete Drehmoment dienen kann, wenn der Auslaß über tangentiale Bohrungen in Strömungsrichtung
erfolgt und zwar unabhängig von Drehzahl und Füllungsgrad. Der auf die Regeleinrichtung wirkende
Überdruck kann auf diese Welse zur Einstellung unterschiedlich
hoher Drehmomente herangezogen werden. Die Regeleinrichtung, die für sich allein aus der DE-OS
30 13 024 bekannt ist, besteht im wesentlichen aus einem federbelasteten Überströmventil. Durch unterschiedliche
Vorspannung der Ventilfeder kann der
Druck vor dem Überströmventil und somit der Druck am Auslaß der Kupplung und dadurch das übertragene
Drehmoment eingestellt werden.
Die schräge Beschaufelung erzeugt eine intensivere Durchströmung des Arbeitsraumes als gerade Beschaufelung.
Dadurch ist auch der sogenannte AC-Wert der
Kupplung höher. Die Kupplung kann somit bei gegebener Übertragungsleistung mit kleineren Abmessungen
gebaut werden. Dadurch, daß die dem Kupplungs-Arbeitsraum
entnommene Arbeitsflüssigkeit über eine feststehende Regeleinrichtung in einen Sammelbehälter
geleitet wird, von wo aus sie erneut — nach entsprechender Zwischenkühlung — in die Kupplung gefördert
wird, ist das ganze System frei von Regelschwingungen.
Dies ist bei den erzielbaren kleinen Abmessungen und der dadurch geringeren ölmenge innerhalb der Kupplung
von besonderem Vorteil.
Da die Kupplung insbesondere zum Antrieb eines Ventilators für einen Fahrzeugmotorkühler eingesetzt
wird, kann in einer weiterführenden Ausbildung der Erfindung eine Temperaturüberwachung des betreffenden
Kühlmediums — zumeist Wasser — erfolgen. Dazu ist im Kühlwasserkreislauf ein Temperaturgeber angeordnet,
der zum Beispiel auf direkte mechanische Weise die Vorspannung der Feder des fedcrbelasteten Über-.*
J-ömventils an der Regeleinrichtung verändert. Auch
ein elektrischer Temperaturgeber kann vorteilhaft eingesetzt werden. In diesem Fall ist vorzugsweise am
Überströmventil der Regeleinrichtung ein Elektromagnet verwendbar, der unterschiedliche Gegenkräfte auf
den Ventilkörper des Überströmventils ausübt. Zur Erzielung unterschiedlicher Drücke bzw. Drehmomente
müssen lediglich z. B. unterschiedliche Spannungen dem Magneten zugeführt werden.
Da die Kupplung unter Innendruck steht und über eine Drucksteuerung geregell wird, werden zur Abdichtung
der rotierenden Teile gegeneinander und gegen ds·· Gehäuse vorzugsweise gleitende Dichtungselemente,
z. B. Kolbenringe, verwendet.
Der Vorzug dir Kupplung liegt vor allem in der kompakten
Bauart und der selbstregelnden Funktion ohne äußere Eingriffe, z. B. auf niedrige und konstante Drehzahl
eines Kühlerventilators auch bei plötzlich steigender Motordreh/ahl, solange das Kühlwasser noch eine
t>o niedrige Temperatur aufweist, wobei die nicht vom
Ventilator beanspruchte Leistung zur Traktion des Fahrzeuges zur Verfugung steht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert: Darin zeigt
br> F i g. I einen Längsschnitt durch die Kupplung,
F i g. 2 einen Teilschnitt durch die Schaufelräder nach Linie H-Il der Fig. I,
F i g. J eine schematiche Darstellung des Überstrom-
F i g. J eine schematiche Darstellung des Überstrom-
ventils als elektrohydraulisches Druckregelventil.
Die in Fig. 1 dargestellte Kupplung weist eine Antriebswelle
1 mit einem Primärschaufelrad 2, sowie eine Abtriebswelle 3 mit einem Sekundärschaufelrad 4 auf.
Die Abtriebswelle treibt das Ventilatorrad an. Die Füllung des von den Schaufelrädern gebildeten Arbeitsraumes
5 erfolgt von einem Sumpf 6 mittels einer Pumpe 7, eventuell über ein Einschaltventil 8 und Zulaufkanäle 9
in Kanäle 10, die direkt in das Zentrum des Arbeitsraumes 5 münden. Das Sekundärschaufelrad 4 weist von
seiner inneren Peripherie ausgehende tangential angeordnete Bohrungen 11 auf, die schräg nach innen zur
Kupplungsachse gerichtet sind. Das radial innere Ende der Bohrungen 11 mündet in einen freien Raum, und von
dort führen Kanäle 12 in einem feststehenden Gehäuse zu der Druckregeleinrichtung 13. Diese Druckregeleinrichtung
besteht im wesentlichen aus einem Überströmventil 14. auf dessen beweglichen Ventilkörper der
Druck in dem Kanal 12 und der Bohrung 11 des Sekundärschaufelrades 4 wirkt, und zwar in Richtung »Öffnen«,
symbolisch dargestellt durch die Steuerleitung 15. Die aus dem Überströmventil 14 austretende Arbeitsflüssigkeit gelangt — eventuell nach Durchlaufen eines
Kühlers 16 — in den Sumpf 6 zurück.
Der Arbeitsraum der Kupplung wird also dauernd von der Pumpe 7 mit Arbeitsflüssigkeit beaufschlagt.
Der Innenraum der Kupplung ist im Hinblick auf eine druckabhängige Regelung abgedichtet. Es ist eine Dichtung
zwischen den beiden Schaufelrädern 2 und 4 sowie zwischen den Schaufelrädern und dem feststehenden
Gehäuse vorhanden. Das Sekundärschaufelrad 4 umgreift schalenförmig das Primärschaufelrad 2. Es ist bekannt,
daß die gewählte schräge Beschaufelung eine besonders intensive Durchströmung des Arbeitsraumes
bewirkt. Trotzdem bildet sich im Kern des Arbeitsraumes 5 eine Zone niedrigeren Drucks, so daß die Zufuhr
der Arbeitsflüssigkeit in diese Zone hinein besonders vorteilhaft ist. Infolge der dauernden Druck-Verbindung
des Arbeitsraumes 5 über die Bohrungen 11 und Kanäle 12 zum Überströmventil 14, tritt während des
normalen Betriebes der Kupplung immer eine gewisse Menge Arbeitsflüssigkeil am Überströmventil aus. Der
dabei herrschende Druck ist dem jeweils von der Kupplung übertragenen Drehmoment proportional. Das
übertragene Drehmoment aber ist wiederum proportional dem Quadrat der Drehzahl des Sekundärschaufelrades
4. wenn es beispielsweise ein Kühler-Ventilatorrad antreibt.
Wird die Drehzahl des Primärschaufclrades 2, das im allgemeinen proportional der Motordrehzahl angetrieben
wird, plötzlich erhöht, so stellt dies für die Kupplung
eine momentane Überlast dar. Das Sekundärschaufelrad hat dabei noch geringere Drehzahl, es herrscht also
hoher Schlupf. Die plötzlich höhere, durch das Prirnärschaufelrad 2 aufgebrachte Drehzahl, führt zu höherem
Druck an den tangentialen Bohrungen 11 und somit auch am Überströmventil 14. Letzteres reagiert durch
intensiveres Ableiten von Arbeitsflüssigkeit aus der Kupplung, wodurch der Füllungsgrad reduziert und dadurch
das Drehmoment des Sekundärschaufelrades 4 trotz höherer Primärdrehzahl konstantgehalten wird-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das
Ansprechen des Überströmventils 14 von einem temperaturabhängigen Impuls beeinflußt. Ein Temperaturfühler
20 ist zum Beispiel im Kreislauf des Motorkühlwassers angeordnet und bewirkt je nach Temperatur des
Wassers eine unterschiedliche Vorspannung der Ventilfeder am Überströmventil 14. Dadurch wird folgendes
erreicht: Ist beispielsweise das Kühlwasser noch verhältnismäßig kühl, so besteht keine Notwendigkeit, bei
plötzlicher Drehzahl- und Leistungserhöhung dss Motors auch den Ventilator mitrotieren zu lassen. Der
Temperaturfühler sorgt für geringe Vorspannung am Überströmventil 14, wodurch sich dieses schon bei geringem
Druck öffnet, und somit sich die Kupplung bei kleinem Drehmoment entleert. Der Ventilator rotiert
nur mit geringer Drehzahl. Die Motorleistung steht sodann ganz für die Traktion des Fahrzeuges zur Verfügung.
Erwärmt sich das Kühlwasser nach gewisser Zeit, so wird über den Temperaturfühler die Feder des Überströmventils
14 stärker gespannt, so daß an den Auslaßbohrungen 11 ein höherer Druck herrscht und die
is Kupplung zur Übertragung eines höheren Drehmoments
gezwungen wird, wodurch sich die Drehzahl des Ventilators erhöht. Dieser Regelvorgang vollzieht sich
unabhängig von der Primärdrehzahl. Es wird daher erreicht, daß der Ventilator bei heißem Kühlwasser mit
ganz gefüllter Kupplung angetrieben wird, auch wenn der Motor wieder mit verminderter Drehzahl läuft. Der
Ventilator ist entweder so dimensioniert, daß schon bei Motorleerlaufdrehzahl eine ausreichende Wärmeabfuhr
möglich ist, oder zwischen Kupplung und Ventilator ist eine drehzahlerhöhende Zwischenübersetzung
angeordnet. Es erfolgt automatisch eine Nachkühlung ohne Wärmestau im Motor. Die Nachteile eines direkt
drehzahlabhängig angetriebenen Kühlventilators sind vermieden. Der Regelvorgang läuft automatisch ab und
verbessert die Wirtschaftlichkeit der Antriebsanlage.
Die Fig. 2 zeigt einen teilweisen Zylinderschnitt durch die Beschaufelung der Kupplung. Man erkennt
die Schrägstellung der Schaufeln. Das in Pfeilrichtung übertragbare Drehmoment ist höher als bei Kupplungen
mit achsparallel angeordneten Schaufeln.
Die F i g. 3 zeigt schematisch in Abwandlung der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ein elektrohydraulisches
Druckregelventil 22, das mit einem auf unterschiedliche Kräfte einstellbaren Magneten 23 ausgerüstet
ist. Der Magnet 23 setzt die von einem elektrischen Temperaturgeber 21 ausgehenden elektrischen
Signale in variable Magnetkräfte auf den Ventilkörper des Druckregelventils 22 um.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Hydrodynamische Regelkupplung, deren Arbeitskreislauf
mit einem Einlaß und einem Auslaß für das Arbeitsmittel versehen ist, wobei das Arbeitsmittel
durch feststehende Kanäle geleitet wird, ferner einen Kühlkreislauf aufweist zum Kühlen des
Arbeitsmittels, ein im Kühlkreislauf vorgesehenes Ventil, das den Füllungsgrad des Arbeitsraumes bestimmt
und als Druckventil auf unterschiedliche Ansprechdrücke einstellbar ausgebildet ist, wobei eine
vom Druck innerhalb der Kupplung abhängige Größe in Richtung öffnen wirksam ist, sowie mit gegen
die Kupplungsachse geneigten Schaufeln, gekennzeichnet durch die Kombination folgender
Merkmale:
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