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Hydrodynamische Kupplung
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Die Erfindung betrifft eine 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 des Arbeitsraumes
zwischen Pumpen- und Turbinenrad und des Ausgleichsraumes zwischen Pumpenrad und
Deckel einschließenden Gehäuse, an dem ein Vorratstopf koaxial angebracht ist, der
über Öffnungen im Gehäuse mit dem Gehäuseinneren verbunden ist.
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Bekanntlich bilden die Momentenkennlinien hydrodynamischer Kupplungen,
aufgetragen über der Primärdrehzahl, Parabeln, wobei Parameter der Kupplungsschlupf
ist. Charakteristisch für bisher bekannte Bauarten ist, daß die Parabel für 100
% Schlupf wesentlich steiler verläuft als die Parabel des gewünschten Nennschlupfes
von etwa 2 bis 4 %. Je nach konstruktiver Ausbildung der Kupplung kann die Momentenkennlinie
für 100 % Schlupf so steil verlaufen, daß sie die Momentenkennlinie eines antreibenden
Kurzschlußläufermotors unterhalb dessen Kippdrehzahl schneidet. Als Folge davon
kann der Motor nur schwer oder im Extremfall überhaupt nicht bis zu seiner Nenndrehzahl
beschleunigen. Dies gilt insbesondere für solche Motoren, deren Momentenverlauf
im unteren Drehzahlbereich etwa dem Motornennmoment entspricht, zumal, wenn der
Motor in Y-Schaltung bis oberhalb der Kippdrehzahl hochlaufen soll.
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Es ist bekannt (vergl. DT-Gbm 1 890 450), an dem Gehäuse einer hydrodynamischen
Kupplung einen Vorratstopf anzubringen. Der von dem Vorratstopf umschlossene Vorratsraum
hat
den Zweck, im Stillstand der hydrodynamischen Kupplung einen Teil der Betriebsflüssigkeit
aufzunehmen, welche gegen Ende oder auch nach dem Anlauf der Arbeitsmaschine durch
den Rotationsdruck in den Arbeitsraum zurückfließt. Aus diesem Grunde. steht der
Vorratsraum strömungsmäßig mit dem Kupplungsgehäuse in Verbindung, damit je nach
Betriebszustand der hydrodynamischen Kupplung ein Teil der Betriebsflüssigkeit aus
dem Gehäuse in den Vorratsraum oder aber auch umgekehrt aus dem Vorratsraum in das
Gehäuse fließen kann.
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Der Anteil der Betriebsflüssigkeit, der sich im Vorratsraum befindet,
ist während des Stillstandes der Kupplung am größten und während des Nennbetriebes
der Kupplung am geringsten. Das bedeutet, daß beim Anlaufen der Kupplung sich im
Arbeitsraum zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad vergleichsweise wenig Betriebsflüssigkeit
befindet, so daß eine relativ schwache Kopplung zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad
besteht. Mit zunehmender Drehzahl fließt wegen der herrschenden Zentrifugalkräfte
Betriebsflüssigkeit aus dem Vorratsraum in das Gehäuse der hydrodynamischen Kupplung,
wodurch sich der Anteil der Betriebsflüssigkeit innerhalb des Arbeitsraumes erhöht
und sich eine entsprechend stärkere Kopplung zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad
einstellt.
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Wünschenswert sind hydrodynamische Kupplungen mit einem sehr geringen
Uberlastfaktor, beispielsweise beim Antrieb von Gurtförderern mittels eines Asynchronmotors,
da dadurch die Verwendung von Gurten minderer Festigkeit möglich ist. Die hierdurch
erzielbaren Einsparungen können mehr als das zehnfache des Kupplung preises betragen.
Ebenso sind diese Kupplungen für den Anlauf großer Schwungmassen, wie beispielsweise
Hammermühlen und Zentrifugen von Vorteil, da der Asynchronmotor in Y-Schaltung bis
über seine Kippdrehzahl hochlaufen kann und der maximale Anlaufstrom entsprechend
niedrig bleibt, Außerdem ist der Motor durch die Kupplung
während
der langen Hochlaufzeit der Arbeitsmaschine vor Ubertemperaturen geschützt.
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Der Überlastfaktor hydrodynamischer Kupplungen, der durch das Verhältnis
aus übertragbarem Maximalmoment während des Anlaufs zu tatsächlichem Lastmoment
im Dauerbetrieb definiert ist, liegt bei den bekannten hydrodynamischen Kupplungen
oberhalb eines Wertes von 1,3.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung
der einleitend genannten Art zu schaffen, bei der der Uberlastfaktor bis auf einen
Wert von etwa 1 gesenkt werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein
das Gehäuse durchdringendes und mit dem Gehäuse umlaufendes Staurohr vorgesehen
ist, das den Vorratsraum mit dem Gehäuseinneren verbindet.
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Auf diese Weise gelangt man zu einer hydrodynamischen Kupplung der
einleitend genannten Art, die die vorerwähnte Aufgabe voll erfüllt. Durch das Staurohr,
das den Ausgleichsraum mit dem Gehäuseinneren verbindet, ist gewährleistet, daß
während des Anlaufs der hydrodynami-schen Kupplung aus dem Gehäuse so viel Betriebsflüssigkeit
durch das Staurohr in die Vorratskammer abgeleitet wird, daß die Kupplung ein sehr
weiches Anlaufverhalten, mithin einen entsprechend kleinen Uberlastfaktor aufweist.
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Für hydrodynamische Kupplungen gilt, daß durchweg das Maximalmoment
der Kupplung nicht bei 100 % Schlupf übertragen wird, sondern etwa im Bereich zwischen
70 und 50 % Schlupf. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment bei 70 bis 50 % Schlupf
und 100 % Schlupf kann bereits größer als 1,3 sein. Es genügt also nicht, lediglich
einen genügend großen Vorratsraum vorzusehen, in welchen das Öl im Stillstand abfließen
kann, sondern es muß zwischen 100 und 50 % Schlupf zusätzlich Öl aus dem Gehäuseinneren
in die Vorratskammer abgeleitet werden, beispielsweise mittels eines Staurohres.
Nur hierdurch läßt sich
erreichen, daß einerseits ein notwendiges
Losbrechmoment zur Verfügung steht, andererseits aber das limitierte Maximalmoment
nicht überschritten wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das
Staurohr sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes bis in die Nähe der Rotationsachse
in die Vorratskammer erstreckt. Hierbei kann im oberen Bereich des Pumpenrades an
dessen Rückseite ein Ölsammelring vorgesehen sein, in den das Staurohr mit seiner
Eintrittsöffnung hineinragt. Vorteilhafterweise sind an der Rückseite des Pumpenrades
etwa in mittlerer Höhe des Pumpenrades Schaufeln angebracht.
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Gemäß der Erfindung kann der Vorratstopf mit dem Deckel oder dem Turbinenrad
verbunden sein, wobei im Deckel oder Turbinenrad kalibrierte Öffnungen vorgesehen
sind, die den Vorratsraum mit dem Ausgleichsraum oder dem Arbeitsraum verbinden.
Durch diese Öffnungen fließt die Betriebsflüssigkeit mit zunehmender Drehzahl aus
dem Vorratsraum in das Gehäuse und somit in den Arbeitsraum, so daß mit zunehmender
Drehzahl die Kopplung zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad immer stärker wird.
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Die kalibrierten Öffnungen können unterschiedlichen @@@@ Durchmesser
haben. Desweiteren können am Topfflansch an seinem Innenumfang verteilt Aussparungen
vorgesehen sein, die zu den kalibrierten Öffnungen im Deckel bzw. im Turbinenrad
führen. Es empfiehlt sich, die Aussparungen am Innenumfang des Topfflansches noniusartig
anzubringen, die je nach Drehstellung des Topfes gegenüber dem Gehäuse mehr oder
weniger kalibrierte Öffnungen im Deckel bzw. Turbinenrad freilegen. Um das zu bewerkstelligen,
kann der Topf gegenüber dem Gehäuse um eine oder mehrere Schraubenteilungen verdrehbar
angeflanscht sein.
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Durch den verdrehbar angeflanschten Topf ist die in der Zeiteinheit
aus dem Vorratsraum in den Ausgleichsraum oder in den Arbeitsraum abfließende Betriebsflüssigkeitsmenge
veränderbar.
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In dem Fall, in dem der Vorratstopf am Turbinenrad angeflanscht ist,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Staurohr sich vom inneren Bereich des Arbeitsraumes
bis in die Nähe der Rotationsachse in die Vorratskammer erstreckt.
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Am Staurohr-Austrittsende kann ein Rückschlagventil zur Verhinderung
der Rückentleerung der Vorratskammer durch das Staurohr angebracht sein. Hierdurch
wird der Ölrückfluß auch in den Fällen verhindert, in denen die Staurohr-Austrittsöffnung
sich nicht in der Nähe der Rotationsachse befindet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der radiale
Abstand der Staurohr-Eintrittsöffnung und der Staurohr-Austrittsöffnung voneinander
so bemessen ist, daß das Ableiten der Kupplungsflüssigkeit nur bei großem Schlupf
von beispielsweise 100 bis 50 % geschieht, bei einem kleineren Schlupf als etwa
50 % jedoch der aus der Fliehkraft resultierende hydrostatische Druck im Staurohr
gegenüber dem Staudruck überwiegt und demzufolge ein Ableiten der Kupplungsflüssigkeit
durch das Staurohr verhindert wird.
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Weiterhin sind erfindungsgemäß Ventile vorgesehen, die bis zu einer
bestimmten vorwählbaren Drehzahl des Gehäuses die kalibrierten Öffnungen verschlossen
halten und die Öffnungen ab dieser Drehzahl freigeben. Hierbei kann mit jeder kalibrierten
Öffnung eine senkrecht dazu verlaufende Bohrung verbunden sein, in der ein federbelasteter
Schieber längsverschieblich gelagert ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Figur 1 die obere Hälfte der hydrodynamischen Kupplung gemäß der Erfindung
im Längsschnitt, Figur 2 eine verkleinerte Darstellung des Querschnittes längs der
Linie II-II der Figur 1 bzw. der Figur 4, Figur 3 eine vergrößerte Darstellung des
Bereiches X aus Figur 1, jedoch mit zusätzlichem Ventil und Figur 4 die obere Hälfte
eines Längsschnittes durch eine etwas abgewandelte hydrodynamische Kupplung.
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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. Desweiteren 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.
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Zwischen dem Pumpenrad 2 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.
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Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist an dem Deckel 4 der Vorratstopf
9 angeflanscht, der den Vorratsraum 10 beinhaltet. Der Boden 11 des Vorratstopfes
9 ist so ausgebildet, daß sich mit ihm eine nicht näher dargestellte anzutreibende
Maschine verbinden läßt, beispielsweise durch die Vertiefungen 12.
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Das Staurohr 13 verbindet den Ausgleichsraum 8 mit dem Vorratsraum
10. Es erstreckt sich vom äußeren Bereich des Ausgleichsraumes 8 bis in die Nähe
der Rotationsachse in den Vorratsraum 9.
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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
Pumpenrades 2 die Schaufeln 16 angebracht.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 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.
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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.
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Der Vorratstopf 9 ist gegenüber dem Gehäuse 3, 4 um eine oder mehrere
Schraubenteilungen verdrehbar angeflanscht.
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In Figur 3 ist der Ausschnitt X aus Figur 1 in vergrößerter Darstellung
gezeigt. Hierbei ist ein mit einer Feder 19 belasteter Schieber 20 in der Bohrung
21 verschieblich 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.
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Die in Figur 4 dargestellte weitere Ausführungsform der Erfindung
unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 1 insbesondere dadurch, daß der Vorratstopf
9 am Turbinenrad
3 angeflanscht ist und demzufolge das Staurohr
13 vom Vorratsraum 10 aus durch die Wandung des Turbinenrades 3 geführt ist und
mit seiner Eintrittsöffnung 15 unmittelbar in den Arbeitsraum 7 einmündet. Das bedeutet,
daß die Füllung des Vorratsraumes 10 nicht wie bei der Ausführungsform gemäß Figur
1 durch die Rotationsenergie der Hauptrotation erfolgt, sondern durch die Rotationsenergie
der Nebenrotation bei hohem Schlupf bewirkt wird. Im übrigen entspricht diese Ausführungsform
der hydrodynamischen Kupplung nach Figur 1.
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Die Funktionsweise der hydrodynamischen Kupplung ist folgende: Mit
Einschalten eines nicht näher dargestellten Motors werden die Nabe 1 und das Pumpenrad
2 in Umdrehung versetzt, und es beginnt der bei dem Föttinger-Prinzip bekannte Ölumlauf
zwischen dem Pumpenrad 2 und dem Turbinenrad 3, der die Übertragung eines Drehmomentes
zur Folge hat. Gleichzeitig damit wird auch das in dem Ausgleichsraum 8 befindliche
Öl in Bewegung versetzt, wobei sich vor allem das in unmittelbarer Nähe der Pumpenradrückwand
befindliche Öl dessen keit anpaßt. Um diese Anpassung zu unterstützen, sind der
Olsammelring 14 oder die Schaufeln 16 oder auch beides vorgesehen.
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Im Bereich dieses umlaufenden Öles ist die Staurohr-Eintrittsöffnung
15 angeordnet, so daß Öl, das auf diese Öffnung 15 trifft, durch den anstehenden
Staudruck in die Vorratskammer 10 abgeleitet wird. Diese teilweise Entleerung des
Ausgleichsraumes hat zur Folge, daß Öl aus dem Arbeitsraum 7 über den Spalt 23 in
den Ausgleichsraum 8 fließt und somit der Nebenrotation entzogen wird, was wiederum
die gewünschte Momentenreduzierung bewirkt.
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Der vorstehend geschilderte Vorgang hält so lange an, bis entweder
der Vorratsraum 10 völlig gefüllt ist oder aber die Sekundärseitc der hydrodynamischen
Kupplung eine Drehzahl erreicht hat, ab welcher der daraus resultierende hydrostatische
Druck im Staurohr gegenüber dem Staudruck überwiegt. Es ist möglich, den radialen
Abstand von der Eintrittsöffnung 15 bis zur Austrittsöffnung 24 so zu bemessen,
daß dies etwa bei einem gewünschten Schlupf der Fall ist, insbesondere bei etwa
50 % Schlupf.
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Da die Staurohr-Austrittsöffnung 24 in der Nähe der Rotationsachse
liegt, wird weitestgehend verhindert, daß beim weiteren Hochlauf der Sekundärseite
Öl durch das Staurohr 13 in den Ausgleichsraum 8 zurückfließt. Vielmehr kann dies
nur durch die kalibrierten Bohrungen 17 erfolgen. Hierdurch wird ein zu schnelles
Rückströmen des Öls aus dem Vorratsraum 10 in den Ausgleichsraum 8 verhindert und
zusammen mit der richtigen Ausbildung des Staurohres erreicht, daß die Drehmomenten-Kennlinien
der hydrodynamischen Kupplung über den gesamten Schlupfbereich einen nahezu horizontalen
Verlauf haben.
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- Patentansprüche -