Hydrodynamische Kupplung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung mit konstanter oder variabler Füllung gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Der Fachmann unterscheidet zwischen hydrodynamischen Kupplungen mit konstanter Füllung und füll- und entleerbaren Kupplungen. Während bei den zuletzt genannten das Arbeitsmedium je nach gewünschtem Füllzustand aus einem externen Kreislauf in den Arbeitsraum der Kupplung zu- oder abgeführt wird, verbleibt bei den erstgenannten das Arbeitsmedium stets innerhalb der

Kupplung. Dies bedingt zwei konstruktive Schwierigkeiten: Erstens muss innerhalb der Kupplung ein Stauraum vorgesehen werden, welcher das Arbeitsmedium aufnimmt, das aufgrund des gewünschten Betriebszustands nicht im Arbeitsraum verweilen soll. Zudem kann das durch Fluidreibung erwärmte Arbeitsmedium nicht in einem externen Wärmetauscher gekühlt werden, wie er normalerweise im externen Arbeitsmediumkreislauf der füll- und entleerbaren Kupplungen angeordnet ist. Der gesagte Stauraum benötigt Bauraum innerhalb der Kupplung und es sind Maßnahmen gefordert, um die Wärme aus dem Inneren der Kupplung abzuleiten.

An hydrodynamische Kupplungen mit konstanter Füllung werden größere Anforderungen hinsichtlich ihrer Leistung gestellt. Das heißt, mit ihnen soll eine möglichst große Antriebsleistung von einer Antriebsmaschine auf eine Arbeitsmaschine ohne Verschleiß übertragen werden. Gleichzeitig ist in vielen Einsatzgebieten der für die hydrodynamische Kupplung zur Verfügung stehende

Bauraum begrenzt. Herkömmliche Kupplungen können diese Anforderungen noch nicht ausreichend befriedigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung mit konstanter oder variabler Füllung darzustellen, welche gegenüber bekannten

Kupplungen bei nicht vergrößertem Bauvolumen die Möglichkeit bietet, eine größere Antriebsleistung zu übertragen.

Diese Aufgabe wird durch eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung weist einen torusförmigen

Arbeitsraum auf, welcher durch ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, welche sich gegenüberstehen, ausgebildet wird. Innerhalb der Kupplung ist ein Stauraum vorgesehen, der mit dem Arbeitsraum in leitender Verbindung steht, so dass Arbeitsmedium aus dem Stauraum in den Arbeitsraum beziehungsweise aus dem Arbeitsraum in den Stauraum geleitet werden kann.

Die hydrodynamische Kupplung weist ein Einbauvolumen auf, welches durch ihre räumliche Ausdehnung bestimmt wird. Das Einbauvolumen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei durch ein Zylindervolumen mit einem konstanten äußeren Durchmesser definiert, wobei der äußere Durchmesser des

Zylindervolumens dem maximalen äußeren Durchmesser DA der hydrodynamischen Kupplung entspricht, und die axiale Länge des Zylindervolumens gleich der maximalen axialen Erstreckung Sax der hydrodynamischen Kupplung ist. Erfindungsgemäß beträgt das Verhältnis des Volumens des Arbeitsraums der hydrodynamischen Kupplung zum

Einbauvolumen wenigstens 0,26. Insbesondere ist das Verhältnis des Volumens des Arbeitsraumes der hydrodynamischen Kupplung zum Einbauvolumen der Kupplung größer als 0,26 und liegt beispielsweise im Bereich von 0,26 bis 0,5, insbesondere im Bereich von 0,26 bis 0,40 oder 0,30.

Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn das Verhältnis des Volumens des Stauraums zum Volumen des Arbeitsraums der hydrodynamischen Kupplung wenigstens gleich 0,185 ist, insbesondere größer als 0,185 ist. Vorteilhaft kann dieses Verhältnis im Bereich von 0,185 bis 2,5, besonders vorteilhaft im Bereich von 0,185 bis 0,190 liegen.

Um dieses im Vergleich zu herkömmlichen Kupplungen deutlich größere Arbeitsraumvolumen relativ zum Gesamtvolumen der hydrodynamischen Kupplung zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, das Verhältnis des Profildurchmessers zum Außendurchmesser der Kupplung größer oder gleich 0,89 auszuführen.

Unter dem Profildurchmesser DP versteht der Fachmann den Außendurchmesser des Schaufelprofiles, wobei in der Regel dieser Durchmesser bei Pumpenrad und Turbinenrad derselbe ist.

Ein solches Verhältnis von Profildurchmesser zum Außendurchmesser kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass der Außendurchmesser der hydrodynamischen Kupplung 556 mm beträgt, und der Profildurchmesser 500 mm.

Unter Stauraum im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei der Raum innerhalb der hydrodynamischen Kupplung zu verstehen, welcher jenes Arbeitsmedium innerhalb der hydrodynamischen Kupplung aufnimmt, welches sich nicht in dem Arbeitsraum befindet. Der Arbeitsraum wird dabei genau durch das Volumen definiert, welches die Räume in Umfangsrichtung gesehen zwischen den einzelnen Schaufeln des Pumpenrads und des Turbinenrads zusammen ausbilden, ergänzt um das ringförmige Volumen in Axialrichtung gesehen zwischen den Schaufeln des Pumpenrads und des Turbinenrads. Der Stauraum ist somit schaufelfrei und kann innerhalb der hydrodynamischen Kupplung vollständig oder teilweise radial innerhalb des Arbeitsraums angeordnet sein.

Gemäß einer Ausführung, wie sie später mit Bezug auf die Figur beschrieben wird, mündet der Stauraum, welcher vollständig radial innerhalb des Arbeitsraums angeordnet ist, unmittelbar am radial inneren Umfang des Arbeitsraums, beispielsweise in dem axialen Abschnitt des Turbinenrads.

Zusätzlich zu dem Arbeitsraum und dem Aufnahmeraum können in der hydrodynamischen Kupplung, oder auch außerhalb derselben, weitere Räume

oder Kammern vorgesehen sein. Beispielsweise können eine oder mehrere Verzögerungskammern mit einer vorgegebenen Größe insbesondere radial innerhalb des Arbeitsraums vorgesehen sein. Auch ist es möglich, teilweise oder vollständig radial außerhalb des Arbeitsraums eine weitere Verzögerungskammer oder allgemein einen Ringraum zur Aufnahme von Arbeitsmedium zusätzlich vorzusehen. Beispielsweise wird auf die Europäische Patentanmeldung 0 206 122 A1 verwiesen, deren beschriebenen Räume innerhalb der hydrodynamischen Kupplung, welche zusätzlich zu dem Stauraum und dem Arbeitsraum vorgesehen sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden können.

Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung weist jedoch die hydrodynamische Kupplung ausschließlich einen Arbeitsraum, einen Ausgleichsraum und insbesondere, aber nicht notwendigerweise, einen verbleibenden durch Arbeitsmedium befüllbaren Raum zwischen der Schale der hydrodynamischen Kupplung und der Rückseite des von ihr umschlossenen

Schaufelrads auf, welches mit einer Relativdrehzahl gegenüber der Schale umläuft.

Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei hydrodynamischen Kupplungen mit Innenradantrieb als auch bei hydrodynamischen Kupplungen mit Außenradantrieb angewendet werden. Bei hydrodynamischen Kupplungen mit Innenradantrieb wird jenes Schaufelrad insbesondere über eine Antriebswelle angetrieben, welches von der Kupplungsschale zusammen mit dem dann abtriebsseitig angeordneten Schaufelrad umschlossen wird. Bei hydrodynamischen Kupplungen mit Außenradantrieb ist der Leistungsfluss genau entgegengesetzt. So wird das

Außenrad, an welchem in der Regel die Schale angeschlossen ist, von einer Antriebsmaschine angetrieben, und das von dem Außenrad und der Schale umschlossene Innenrad ist abtriebsseitig angeordnet.

Das beschriebene große Verhältnis von Arbeitsraumvolumen gegenüber dem

Gesamtvolumen wird vorteilhaft zudem dadurch erreicht, dass der Profilinnendurchmesser Dl zum Profildurchmesser DP kleiner als 0,5,

insbesondere kleiner oder gleich 0,485 ist. Dies bedeutet, dass die Profilhöhe (DP - DI)/2 verhältnismäßig groß ist, wodurch eine Schlupfreduzierung durch eine Volumenzunahme erreicht wird. Zudem kann eine weitere Schlupfreduzierung dadurch erreicht werden, dass auch die Profiltiefe T/DP im Vergleich zu herkömmlichen Kupplungen vergrößert wird. Insbesondere ist das Verhältnis der

Profiltiefe T zum Profildurchmesser DP größer als 0,16, besonders vorteilhaft größer oder gleich 0,165.

Der Erfinder hat zudem erkannt, dass es in einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft ist, wenn die Anzahl der Schaufeln gegenüber bekannten hydrodynamischen Kupplungen mit konstanter Füllung und vergleichbarem Gesamtvolumen reduziert wird. Das Optimum der Beschaufelung liegt nämlich für geringeren Nennschlupf bei einer niedrigeren Schaufelzahl. Dieser niedrigere Nennschlupf wird durch die beschriebene Schlupfreduzierung durch optimale Bauraumausnutzung erreicht. Besonders vorteilhaft weisen Pumpenrad und

Turbinenrad nicht dieselbe Schaufelzahl auf. Insbesondere weist das Pumpenrad eine Schaufel mehr als das Turbinenrad auf.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer hydrodynamischen Kupplung mit konstanter Füllung kann, insbesondere durch Vergrößerung des Arbeitsraumes und des Stauraumes bei gleichbleibenden äußeren Abmaßen der Kupplung, eine deutlich vergrößerte Leistungsübertragungsfähigkeit der hydrodynamischen Kupplung erreicht werden.

Nachfolgend soll eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausführung der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung im Detail beschrieben werden.

Figur 1 zeigt eine solche Ausführung in einem axialen Querschnitt, wobei in der unteren Hälfte eine herkömmliche hydrodynamische Kupplung mit konstanter Füllung dargestellt ist und in der oberen Hälfte eine erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung.

Wie man sofort erkennt, entsprechen die Einbaumaße der erfindungsgemäß verbesserten hydrodynamischen Kupplung den Einbaumaßen der herkömmlichen hydrodynamischen Kupplung.

Man erkennt ein Pumpenrad 1 und ein Turbinenrad 2, die zusammen einen

Arbeitsraum 3 ausbilden. Zudem erkennt man einen Stauraum 4, welcher als Sammelraum für nicht im Arbeitsraum benötigtes Arbeitsmedium dient. Der Stauraum erstreckt sich entlang der Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung vollständig radial innerhalb des Arbeitsraums 3. Im einzelnen erstreckt sich in der Axialrichtung gesehen der Stauraum 4 von der Mitte des Turbinenrads

2 bis über den Bereich des im Pumpenrad 1 angeordneten Arbeitsraums 3 hinaus, bis zu einem vorgegebenen Abstand gegenüber dem axialen Ende der hydrodynamischen Kupplung, welcher beispielsweise 10 mm, allgemein zwischen 5 und 20 mm, besonders vorteilhaft zwischen 8 und 12 mm beträgt.

Das Pumpenrad 1 umschließt zusammen mit der Schale 1.2 das Turbinenrad 2. Dabei bilden das Pumpenrad 1 und die Schale 1.2 zusammen einen Antriebsläufer 1.1 aus. Wie dargestellt ist, kann das Pumpenrad 1 beispielsweise mit der Schale 1.2 derart verschraubt sein, dass sie einen durchgehenden Hohlraum umschließen, in welchem einerseits das Turbinenrad 2 angeordnet ist, und welcher andererseits den Stauraum 4 beinhaltet.

Das Pumpenrad 1 trägt eine Vielzahl von Schaufelprofilen, auch Beschaufelung 1.3 genannt. Die maximale axiale Erstreckung eines Schaufelprofils wird dabei als Profiltiefe T bezeichnet. Wie dargestellt, wird der Außendurchmesser des Profils als Profildurchmesser DP und der Innendurchmesser des Profils als Profilinnendurchmesser Dl bezeichnet. Die Profilhöhe ergibt sich somit aus der Hälfte der Differenz zwischen dem Profildurchmesser und dem Profilinnendurchmesser.

Das Turbinenrad trägt ebenfalls eine Vielzahl von Schaufelprofilen mit entsprechend definierten Abmaßen, allgemein die Turbinenradbeschaufelung 2.1.

Das Turbinenrad 2 ist mittels einer Verschraubung drehstarr mit der Kupplungsnabe 5 verbunden. Die Kupplungsnabe 5 ist als Hohlwelle ausgeführt, die sich axial durch das Pumpenrad 1 und die Schale 1.2 erstreckt. Die Kupplungsnabe 5 ist teilweise über die Welle einer Arbeitsmaschine gestülpt, welche als Vollwelle ausgebildet ist und mit der Kupplungsnabe stirnseitig verschraubt ist.

Das Pumpenrad 1 der dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Kupplung ist mit einem Radiallager 6 auf in Axialrichtung gesehen einem ersten Teil 5.1 der Kupplungsnabe 5 gelagert. Das Lager 6 ist dabei verglichen mit dem entsprechenden Lager der herkömmlichen Kupplung im unteren Teil der dargestellten Zeichnung kleiner ausgeführt. Dadurch kann der Stauraum 4 größer ausgeführt werden, auf dessen Ausmaße später noch näher eingegangen wird.

Die Schale 1.2 ist ebenfalls auf der Kupplungsnabe 5 gelagert, und zwar auf einem zweiten Teil 5.2, welches sich axial an den ersten Teil 5.1 anschließt, jedoch insbesondere, wie dargestellt, einen größeren Durchmesser aufweist. Das hierfür verwendete Lager 7 ist ein Axial-Radial-Lager, das heißt ein sogenanntes Festlager. Dadurch wird erreicht, dass das kleine Lager 6 im Außenrad 1.1 nicht die hydraulische Axialkraft aufnehmen muss, was zu einer Lebensdauererhöhung führt.

Um ausreichend Wärme aus dem Innenraum der Kupplung nach außen abzuführen, kann das Außenrad mit einer oberflächenvergrößernden Verrippung ausgeführt werden. Gleichzeitig kann eine solche Verrippung auf der Schale 1.2 eingespart werden.

Das Pumpenrad 1 , das Turbinenrad 2 und die Schale 1.2 können besonders vorteilhaft aus einem Aluminiumwerkstoff hergestellt sein, zum Beispiel aus GAISi 12. Um die mögliche Drehmomentübertragung an der Verbindung zwischen dem Turbinenrad und der Kupplungsnabe zu erhöhen, kann das Turbinenrad beispielsweise aus einem Eisenwerkstoff, zum Beispiel GGG, hergestellt werden.

Im Vergleich zur herkömmlichen Kupplung, welche im unteren Teil der Figur 1 dargestelllt ist, wurde das Volumen des Arbeitsraumes um 50 % vergrößert, und das Volumen des Stauraumes wurde ebenfalls um 50 % erhöht. Gleichzeitig wurde der Außendurchmesser DA von 556 mm beibehalten, ebenso wie die axiale Erstreckung Sax von 246 mm.

Die genauen Daten können den folgenden beiden Tabellen entnommen werden.

DP = 500

DI/DP = 0,485

T/DP = 0,18

Stauraum/Arbeitsraum = 3,66/19,4

= 0,188

Schaufelzahl AR = 41

Schaufelzahl IR = 40

VTK max. GesamtGewichtsbelastung Massenträgheitsmoment

Größe/ ölfüllung gewicht VTK (Innenteil) (Außenteil)

Typ Liter kg m2(kg) y2(mm) [kgm*m] kgm*m]

500 TXL 22,6 ca. 90 90 ca. 130 0,679 1 ,699

Tabelle 1 : Daten der erfindungsgemäßen Ausführung in der oberen Hälfte der Figur 1.

DP = 487

DI/DP = 0,534

T/DP = 0,144

Stauraum/Arbeitsraum = 2,36/12,7

= 0,186

Schaufelzahl AR = 46

Schaufelzahl IR = 46

Tabelle 2: Daten der herkömmlichen Kupplung in der unteren Hälfte der Figur 1.

Durch die beschriebenen Maßnahmen kann eine Leistungssteigerung von ca. 50 % bei gleichem Einbauraum erreicht werden. Dies ist im wesentlichen durch die aufgrund der baulichen Maßnahmen erreichte Nennschlupfverbesserung, das heißt die Verschiebung des Nennschlupfes zu einem niedrigeren Wert, bedingt. Aufgrund des niedrigeren Nennschlupfes kann die erfindungsgemäße Kupplung für eine Leistung zum übertragen deutlich größerer Anfahrmomente ausgelegt werden.

Bezugszeichenliste

1 Pumpenrad

1.1 Antriebsläufer

1.2 Schale

1.3 Pumpenradbeschaufelung

2 Turbinenrad

2.1 Turbinenradbeschaufelung

3 Arbeitsraum

4 Stauraum

5 Kupplungsnabe

5.1 erster Teil

5.2 zweiter Teil

6 Radiallager

7 Axial-Rad ial-Lager