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Hydrodynamische Kupplung mit selbsttätiger Drehmomentbegrenzung Die
Erfindung betrifft eine hydronynamische Kupplung mit selbsttätiger Drehmomentbegrenzung,
bei der radial innerhalb des Arbeitsraumes eine ringförmige Aufnahmekammer angeordnet
ist, deren axiale Breite annähernd gleich der .des Arbeitsraums. ist und die mit
dem Arbeitsraum über einen in der-Turbinenradwand angeordneten ringförmigen Durchgang
in Verbindung steht.
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Zur Zeit auf dem Markt befindliche Elektromotoren entwickeln ein Spitzendrehmoment
bei etwa 90 % der Nenndrehzahl. Wenn .demgemäß ein solcher Motor als Antrieb in
Verbindung mit einer hydraulischen Kupplung verwendet wird, ist es wünschenswert,
daß die Kupplung eine niedrige Drehmomentübertragungsfähigkeit beim Stillstand bzw.
Abdrosseln und bei großem Schlupf hat, um sicherzustellen, daß die Motordrehzahl
nicht unter die oben erwähnten 90 % der Nenndrehzahl abfällt.
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Es ist eine hydrodynamische Kupplung mit selbsttätiger Drehmomentbegrenzung
der eingangs geschilderten Art bekanntgeworden, durch welche diese Aufgabe gelöst
wird. Bei dieser Kupplung ist jedoch nur ein Durchgang vom Turbinenrad in den Stauraum
vorgesehen, so daß sich die im Stauraum befindliche Flüssigkeit bei Entlastung des
Abtriebs nur langsam in den Arbeitsraum entleeren kann.
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Demgegenüber soll durch die Erfindung die spezielle Aufgabe gelöst
werden, bei Fortfall der Stillstands- bzw. Abdrosselungsmomente ein sofortiges Auffüllen
der Arbeitskammer zu gewährleisten, um die volle übertragungsfähigkeit .der Kupplung
in möglichst kurzer Zeit wiederherzustellen: Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß außer dem im Turbinenrad angeordneten, vom Arbeitsraum zur Aufnahmekammer
führenden Durchgang auch ein entsprechender Durchgang im Pumpenrad vorgesehen ist,
durch den die Flüssigkeit aus der Aufnahmekammer in den Arbeitsraum überführt werden
kann.
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Durch die Anordnung der beiden Durchgänge wird bei Fortfall des Stillstands-
bzw. Abdrosselungsmoments die schnelle Auffüllung der Kupplung sichergestellt, wodurch
in kürzester Zeit die volle Drehmomentübertragungsfähigkeit der Kupplung wiederhergestellt
wird.
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In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen vertikalen Teilschnitt der
erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung, F i g. 2 und 3 schematische Schnitte
ähnlich dem der F i g. 1, jedoch in verkleinertem Maßstab, in welchen die Flüssigkeitszirkulation
bei bestimmtem Schlupf und beim Stillstand dargestellt sind. Es wird nunmehr auf
F i g. 1 Bezug genommen, in der mit 10 ein durch einen elektrischen Induktionsmotor
(nicht dargestellt) angetriebenes Gehäuseteil bezeichnet wird, das mit einem Pumpenrad
11 verbunden ist, welches radiale halbkreisförmige Schaufeln 12 aufweist. Mit diesen
Schaufeln arbeiten radiale halbkreisförmige Turbinenschaufeln 13 zusammen, die an
einem Turbinenrad 14 vorgesehen sind, welches innerhalb des Gehäuseteils 10 und
im Abstand von diesem angeordnet und auf der Ausgangswelle 15 verkeilt ist. Die
Schaufeln 12 und 13 sind flach ausgebildet, mit Ausnahme einer geringen, nicht über
1° liegenden Schräge, welche zur Erleichterung des Formens notwendig ist. Die einander
zugekehrten diametralen Kanten der Schaufeln 12 und 13 sind durch einen ringförmigen
Spalt 16 voneinander getrennt, welcher eine bestimmte Breite aufweist, wie dies
nachfolgend noch beschrieben werden soll.
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Der ringförmige Arbeitsraum 17 für die Flüssigkeit zwischen den Schaufelabschnitten
des Pumpenrads 11 und des Turbinenrads 14 plus dem Spalt 16 wird allgemein als Torus
oder Ringraum bezeichnet, der einen radialen Abstand von der Welle 15 aufweist.
Zwischen dem Arbeitsraum 17, der Welle 15 und Abschnitten des Pumpenrads 11 und
des Turbinenrads 14 befindet sich eine ringförmige Kammer 18, die im folgenden als
»Aufnahmekammer 18« bezeichnet
wird und die mit den Ringraumabschnitten
des Pumpenrads 11 und des Turbinenrads 14 durch ringförmige Schlitze 19 bzw. 20
in Verbindung steht. Der Schlitz 19 ist zwischen einem fest mit den radial am weitesten
innen liegenden gekrümmten Kanten der Pumpenschaufeln 12 verbundenen Ring 21 und
dem benachbarten Abschnitt des Pumpenrades 11 angeordnet, während der Schlitz 20
zwischen einem Ring 22, der fest mit den radial am weitesten innen liegenden gekrümmten
Kanten der Turbinenschaufeln 13 verbunden ist, und dem benachbarten Abschnitt der
Turbine 14 liegt.
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Unter Bezugnahme auf F i g. 1 wird der äußere Durchmesser des Arbeitsraumes
17 mit D bezeichnet, wobei der innere Durchmesser des Arbeitsraums 0,52 D beträgt.
Somit ist das größte Maß des Arbeitsraumes 17 diametral zur Kupplung 0,48 D. Die
größte axiale Breite des Arbeitsraumes 17 ist gleich der halben Differenz zwischen
dem äußeren Durchmesser D und dem inneren Durchmesser 0,52 D bzw.
gleich 0,24 D plus die Breite des Spaltes 16, welche 0,014 D beträgt, so
daß der Radius einer jeden Schaufel 12 und 13 daher 0,12 D beträgt.
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Die bezeichnete Spaltbreite von 0,014D kann innerhalb bestimmter Grenzen
geringfügigen Änderungen unterliegen. Die Spaltbreite soll nicht weniger als 0,008
D und nicht mehr als 0,02 D betragen, weil festgestellt wurde, daß Spaltbreiten
unter und über den genannten Grenzen die Arbeitsweise der Kupplung und die Drehmomentaufnahme
nachteilig beeinflussen.
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Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß der Arbeitsraum 17 fast kreisförmig
ist und daß die von dem Pumpenrad 11 und dem Turbinenrad 14 eingeschlossenen
Abschnitte desselben genau halbrund sind. Diese Form des Arbeitsraums 17 entlang
den inneren Wandflächen des Pumpenrads 11 und des Turbinenrads 14 bilden nicht nur
den kürzesten Weg für die Arbeitsflüssigkeit, sondern verursachen auch die geringsten
Strömungsstörungen, d. h. Richtungswechsel je Längeneinheit.
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Das Volumen der Aufnahmekammer 18 zwischen dem Umfang der Welle 15,
den radialen Endwänden 27 und 28 des Pumpenrads 11 und des Turbinenrads 14 und einer
gedachten zylindrischen Fläche, die durch eine Linie 9 erzeugt wird, welche mit
den inneren Flächen :der Ringe 21 und 22 zusammenfällt und parallel .zur Kupplungsachse
liegt, soll Ein bestimmtes Verhältnis zum Volumen .des sogenannten Kupplungskreislauföls
bei Normalfüllung aufweisen. Diese Menge des Kupplungskreislauföl's wirrt durch
.dasjenige Ölvolumen bestimmt, welches notwendig ist, um den Arbeitsraum 17 minus
dem * Inhalt der Schaufeln 12 und 13 und plus dem ringförmigen Spalt 1,6
und dem ringförmigen Raum29, welcher zwischen der radialen Wand 28 des Turbinenrads
14 und dem Gehäuseteil 10 eingeschlossen ist, zu füllen. Um das Verständnis
dieses Kreislaufölvolumens der Kupplung zu erleichtern, .soll die in F i g. 1 gezeigte
Kupplung als sich mit 09/o Schlupf drehend angesehen werden, so daß das Öl nicht
im Arbeitsraum17 zirkuliert, sondern nur durch die Zentrifugalkraft radial nach
außen von einer gedachten zylindrischen Fläche aus gedrückt wird, die durch eine
Linie 30 erzeugt wird, welche den inneren Abschnitt des Arbeitsraumes 17 tangiert
und parallel zur Achse der Kupplung liegt und daher einen Durchmesser von 0,52 D
aufweist. Um die erforderliche niedrige Drehmomentübertragungsfähigkeit beim Stillstand
sicherzustellen, soll das Volumen der Aufnahmekammer 18 zwischen 44 und 5211/o des
Volumens des Kreislauföls der Kupplung betragen, wobei beide Volumina wie oben definiert
sind. Für die ringförmigen Schlitze 19 und 20 beträgt die empfohlene axiale Breite
für jeden Schlitz 0,0475 D, wobei die äußere radiale Wand des Schlitzes einen Abstand
von 0,099 D von der Spaltkante der zugeordneten Schaufel hat.
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Um beste Resultate zu erzielen, soll ferner die Anzahl der Schaufeln
im Pumpenrad 11 und im Turbinenrad 14 bei einem beliebigen Kreislaufdurchmesser
D zwischen 40 und 48 betragen, solange die genannten Bedingungen hinsichtlich der
Maßverhältnisse und relativen Volumina aufrechterhalten bleiben.
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Wenn unter normalen Laufbedingungen mit 3 bis 5 % Schlupf gearbeitet
wird, findet der Arbeitskreislauf des Öls nur innerhalb des Arbeitsraumes 17 statt,
wie dies in F i g. 2 gezeigt ist, während bei einem Stillstand des Turbinenrades
ein Teil des Öles einwärts durch den Schlitz 20 in die Aufnahmekammer 18 fließt,
aus der das Öl wieder in den Arbeitsraum 17 durch den Schlitz 19 eintritt, wie dies
in F i g. 3 gezeigt ist. Es ist ersichtlich, daß das Ölvolumen im Arbeitsraum 17
während des Abdrosselns bis auf ein Maß reduziert wird, welches durch das Ölvolumen
bestimmt wird, welches durch die Aufnahmekammer 18 fließt und welches hinsichtlich
der Drehmomentabgabe an das Turbinenrad nicht wirksam ist. Dieser Zustand erzeugt
eine verhältnismäßig niedrige Drehmomentübertragung im Vergleich zu der, die ohne
die Aufnahmekammer l8 erzielbar wäre, wobei jedoch bei Fortfall der Stillstands-
bzw. Abdrosselungsbedingungen die volle Ö.bertragungsfähigkeit der Kupplung in kurzer
Zeit wiederhergestellt wird.