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Strömungskupplung mit Schnellentleerungsventil Die Erfindung betrifft
eine Strömungskupplung mit mindestens einem Schnellentleerungsventil im Umlaufbereich
der Kupplung, dessen Ventilkörper von einer Seite mit dem Zentrifugaldruck der mit
der Arbeitskammer umlaufenden Arbeitsflüssigkeit und von der anderen Seite in entgegengesetzer
Richtung mit dem Zentrifugaldruck eines veränderbaren Arbeitsflüssigkeitsstromes
beaufschlagt ist, der über einen zusammen mit dem Pumpenrad umlaufenden Zuführungskanal
in die der betreffenden Wirkungsfläche des Ventilkörpers zugeordnete Ventilkammer
gelangt und aus dieser über eine Drosselöffnung austritt. Derartige Schnellentleerungsventile
sindbeispielsweise durch die deutsche Patentschrift 692 822 bekanntgeworden.
Der Ventilkörper hat im allgemeinen die Form einer Membranscheibe, deren Beaufschlagungsflächen
so gewählt sind, daß die Schließkraft des Ventils größer als dessen öffnungskraft
ist. Soll die Arbeitskammer schnell entleert werden, so wird die Arbeitsflüssigkeitszufuhr
zu dem umlaufenden Zuführungskanal unterbrochen, und der Zentrifugaldruck der in
der Arbeitskammer umlaufenden Arbeitsflüssigkeit hebt den Ventilkörper von seinem
Sitz ab, und die Arbeitskammer kann sich durch die nunmehr freigegebene Ventilöffnung
schnell entleeren. Die Zeitspanne, binnen welcher sich das Schnellentleerungsventil
jeweils nach Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr durch den umlaufenden Kanal öffnet,
ist durch den Durchgangsquerschnitt der Drosselöffnung bestimmt, über welche die
Betriebsflüssigkeit aus der Ventilkammer austritt.
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Wird eine mit solchen Schnellentleerungsventilen ausgestattete Strömungskupplung
durch eine Kraftmaschine konstanter Drehzahl, z.B. durch einen Elektromotor angetrieben,
dann ist die erwähnte Zeitspanne bei normaler Betriebstemperatur praktisch bei jedem
Entleerungsvorgang gleich lang. Wird jedoch das Pumpenrad der Kupplung mit veränderlicher
Drehzahl, beispielsweise durch einen Dieselmotor mit veränderlicher Drehzahl angetrieben,
dann ist die Zeitspanne bei niedrigeren Pumpenraddrehzahlen länger als bei hohen
Pumpenraddrehzahlen, weil bei niedriger Pumpenraddrehzahl die Fliehkraft geringer
ist und folglich die Entleerung der Ventilkammer durch die Drosselöffnung hindurch
entsprechend längere Zeit in Anspruch nimmt. Arbeitet die Kupplung bei niedriger
Drehzahl, dann kann die zwischen der Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr zu dem
umlaufenden Zuführungskanal und der Öffnung des Schnellentleerungsventils liegende
Zeitspanne unter Umständen recht erheblich sein. Es ist jedoch wünschenswert, daß
diese Zeitspanne unabhängig von der Pumpenraddrehzahl über einen möglichst großen
Drehzahlbereich gleichmäßig ist.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen über einen
weiten Drehzahlbereich des Pumpenrades im wesentlichen gleichmäßigen zeitlichen
Ablauf des öffnungsvorganges des Schnellentleerungsventils bzw. der Schnellentleerungsventile
zu erzielen.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an die Ventilkammer
des Schnellentleerungsventils mindestens ein, in an sich bekannter Weise drehzahlabhängig
selbsttätig wirkendes Fliehkraftventil angeschlossen ist, welches, sobald die Pumpenraddrehzahl
unter einen bestimmten Wert abf ällt, öffnet und der in der Ventilkammer befindlichen
Arbeitsflüssigkeit einen zusätzlichen, ebenfalls als Drossel wirkenden Austrittsquerschnitt
freigibt.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsforin der Strömungskupplung nach
der Erfindung können mehrere Fliehkraftventile vorgesehen sein, deren Belastungsfedern
so abgestimmt sind, daß sich die einzelnen Fliehkraftventile bei verschiedenen untemormalen
Pumpenraddrehzahlen öffnen.
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Es können mehrere Schnellentleerungsventile vorgesehen sein, in welchem
Fall den mit den Fliehkraftventilen ausgestatteten Ventilkammern der Schnellentleerungsventile
die Arbeitsflüssigkeit über einen gemeinsamen, zusammen mit dem Pumpenrad umlaufenden
Zuführungskanal zugeführt wird.
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Schließlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Strömungskupplung diese eine Vorrichtung zur thermostatischen Steuerung der Fliehkraftventile
an den Schnellentleerungsventilen
auiweisen, die derart wirksam
ist, daß die Fliehkraftventile bei höherer Temperatur der Arbeitsflüssigkeit weniger
Flüssigkeit bzw. bei niedrigerer Temperatur der Arbeitsflüssigkeit mehr Flüssigkeit
austreten lassen.
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Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die Zeichnungen, welche
eine bevorzugte Ausführungsform einer Strörnungskupplung nach der Erfindung zeigen,
näher erläutert. In den Zeichnungen stellt dar F i g. 1 einen Axial-Teilschnitt
durch die Strömungskupplung und F i g. 2 einen Schnitt in größerem Maßstab
durch eines der Schnellentleerungsventile.
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Die dargestellte Strömungskupplung weist ein mit der treibenden Welle
3 verbundenes Pumpenrad 1
und ein mit der getriebenen Welle 4 verbundenes
Turbinenrad 2 auf. Beide Räder sind innerhalb eines zusammen mit dem Pumpenrad
1 umlaufenden Gehäuses 5 angeordnet, in dessen Umfangsbereich mehrere
Schnellentleerungsventile 6 in gleichen Umfangsabständen voneinander angeordnet
sind.
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Das in F i g. 2 der Zeichnungen dargestellte Schnellentleerungsventü
6 weist ein im wesentlichen zylindrisches Ventilgehäuse 7 mit mittiger
Bohrung 8
auf, welches an der Außenseite des Kupplungsgehäuses 5 so
befestigt ist, daß die Bohrung 8 mit einer größeren Bohrung 9 des
Kupplungsgehäuses 5
fluchtet. Das Ventilgehäuse 7 weist eine innere
Ringwandung 10 und eine äußere Ringwandung 11 auf, die über eine Bodenwandung
15 verbunden sind und zwischen sich einen Ringraum einschließen. In das Ventilgehäuse
7 ist ein aus einem Innenring 12 und einem Außenring 13 sowie einer
Führungshülse 14 zusammengesetzter Ringkörper eingeschraubt. Die Oberkanten der
Ringwandung 10, des Ventilgehäuses 7 und des Innenringes 12 bilden
Sitze für einen als Membran 16 ausgebildeten Ventilkörper, der normalerweise
auf den erwähnten Sitzen ruht. Der Hub der Membran ist durch einen Absatz begrenzt,
der durch einen nach innen vorstehenden Flansch 17 des Außenringes
13 gebildet ist.
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In das Ventilgehäuse 7 ist oben im Abstand von dem zusammengesetzten
Ringkörper 12, 13, 14 eine Deckplatte 18 eingeschraubt, in deren Mitte
eine Verschlußschraube 19 mit einer Drosselöffnung 20 geringen Durchmessers
sitzt, die als Abflußdüse dient. Die Deckplatte 18 weist ferner zwei darin
eingeschraubte Fliehkraftventile 21 auf, die jeweils ein mit einem Schraubansatz
versehenes Ventilgehäuse 22 mit einer mit dem Inneren des Ventiloehäuses
7 über Aussparungen 23 in Verbindung stehenden zentralen Bohrung 24
aufweisen. In den radial außerhalb der Deckplatte 18 angeordneten Köpfen
der Ventilgehäuse 22 befinden sich seitliche Auslaßöffnungen 25. Die Bohrungen 24
der Ventilgehäuse 22 werden durch als Kugeln 26 ausgebildete Ventilkörper
verschlossen, wenn diese sich in ihren radial äußeren Lagen befinden. Belastungsfedern
27
haben das Bestreben, die Kugeln 26 aus den erwähnten radial äußeren
Lagen wegzudrücken. Die Belastungsfedem 27 der beiden Fliehkraftventile 21
könnbn verschiedene Stärken haben.
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Der unterhalb des zusammengesetzten Ringkörpers 12, 13, 14
und zwischen den Ringwandungen 10
und 10 gelegene Raum 28 des
Ventilgehäuses 7 steht über mehrere Auslaßöffnungen 29 großen Durchgangsquerschnitts
mit der Außenseite des Gehäuses 5
der Strömungskupplung in Verbindung. Ferner
steht der Raum 28 über eine Bohrung 30 geringen Durchmessers mit dem
von der Innenseite der Ringwandung 10 des Ventilgehäuses 7 begrenzten
Raum 8
und damit mit dem Inneren der Arbeitskammer der Strömungskupplung in
Verbindung. In der äußeren Ringwandung 11 des Ventilgehäuses 7 befindet
sich eine Einlaßöffnung 31, welche mit der Ventilkammer 32 oberhalb
der Membran 16 in Verbindung steht.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, arbeitet die Strömungskupplung
mit Schöpfrohrregelung, d. h., sie ist mit einem Vorratsbehälter
33 versehen, der mit dem Gehäuse 5 und daher auch mit dem Pumpenrad
1
umläuft. Mittels eines verstellbaren Schöpfrohres 34 kann die Arbeitsflüssigkeit
aus dem Vorratsbehälter 33 über einen hier nicht dargestellten Kühler in
die Arbeitskammer gefördert werden. Das Schöpfrohr 34 ist mittels eines Stellhebels
36 in Längsrichtung in einem Schöpfrohrgehäuse 35 verstellbar. Der
Vorratsbehälter 33 umschließt die Schnellentleerungsventile 6. Die
aus dem Kühler kommende Arbeitsflüssiakeit strömt durch einen Kanal
37 in dem erwähnten Schöpfrohrgehäuse 35 zu einem ringförmigen Sammelkanal
38. Das Gehäuse 5 besitzt mehrere Einlaßöffnungen 39, die in
gleichem Ab-
stand um die Kupplungsachse herum angeordnet sind und mit dem
Sammelkanal 38 in Verbindung stehen. Außerhalb der Einlaßöffnungen ist an
dem Gehäuse 5 ein Sammelring 40 angebracht, der sowohl den ringförmigen Sammelkanal
38 als auch die Einlaßöffnungen 39 umschließt. Ein kegelförmiger Wandungsteil
des Sammelringes 40 besitzt mehrere öffnungen entsprechend der Anzahl der
Schnellentleerungsventile 6. Von jeder dieser öffnungen führt ein Zuführungskanal
41 über die äußere Wandung des Gehäuses 5 zu der jeweiligen Einlaßöffnung
31 des betreffenden Ventilgehäuses 7. An der Innenfläche des konischen
Wandungsteils des Sammelringes 40 ist ein Führungsring 42 befestigt, welcher die
Arbeitsflüssigkeit in die Zuführungskanäle 41 leitet, in welchen sie unter Zentrifugaldruck
steht.
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Wenn die Strömungskupplung bei voller Drehzahl betrieben wird, ist
das Schöpfrohr 34 voll ausgefahren, wie es die F i g. 1 zeigt. Die Arbeitsflüssigkeit
strömt dabei dauernd aus der Arbeitskammer der Kupplung durch die öffnungen
9 und 8 der Ventilgehäuse 7, durch die Bohrungen
30 der Ringwandungen 10 dieser Ventilgehäuse und dann durch die Auslaßöffnungen
29 in den umlaufenden Vorratsbehälter 33. Dort bildet sich ein Flüssigkeitsring,
aus welchem mittels des ausgefahrenen Schöpfrohrs 34 dauernd Arbeitsflüssigkeit
aufgenommen und über den Kühler zu dem Kanal 37 und dann zum Sammelkanal
38 gefördert wird, von wo aus ein Teil der Flüssigkeit durch den Führungsring
zu den Zuführungskanälen 41 abgelenkt wird, durch welche hindurch die Flüssigkeit
zu den Einlaßöffnungen31 in das Ventilgehäuse7 und zu den Ventilkammern
32 oberhalb der Membranen 16 strömt. Der restliche Teil der Flüssigkeit
strömt durch die Öffnungen 39 in dem Gehäuse 5 in die Arbeitskammern
der Kupplung. Von dort findet eine dauernde, gedrosselte Strömung der Arbeitsflüssigkeit
über die Ventilkammein 32 und die Drosselöffnungen 19 in den Vorratsbehälter
33 hinein statt.
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Bei normalem Betrieb der Kupplung mit voller Drehzahl ist der Druck
auf die Unterseite der Membran 16 infolge des Zentrifugaldruckes der
Flüssigkeit
auf die durch die Bohrung 8 freigegebene verhältnismäßig kleine Fläche der
Membran geringer als der Fliehkraftdruck der über den Zuführungskanal 41 auf die
gesamte Membranoberfläche an der Oberseite der Membran 16 wirkenden Flüssigkeit.
Während des Betriebes bei voller Drehzahl werden die Kugeln 26 beider Fliehkraftventile
21 entgegen der Wirkung ihrer Belastungsfedem durch die Fliehkraft auf ihre Sitze
gedrückt, und die Membran 16
wird infolge des Unterschiedes der auf ihre Ober-und
die Unterseite wirkenden Drücke auf ihren Ventilsitz gepreßt.
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Wird nun das Schöpfrohr 34 aus dem Flüssigkeitsring des Vorratsbehälters
33 herausgezogen, dann wird keine Flüssigkeit mehr in den Sammelkanal
38
und damit in die umlaufenden Zuführungskanäle 41 gefördert, und somit wird
auch keine Flüssigkeit mehr durch die öffnungen 39 in die Arbeitskammer gefördert.
Die letztere beginnt sich demzufolge zu entleeren, weil die Flüssigkeit durch die
Bohrung 30
und die Auslaßöffnungen 29 in den Vorratsbehälter
33 abströmt. Infolge des Flüssigkeitsaustrittes durch die Drosselöffnung
19 beginnt sich auch der Zuführungskanal 41 zu entleeren, so daß der auf
die Oberseite der Membran 16 wirkende Schließdruck abnimmt und schließlich
geringer wird als der auf die Membranunterseite wirkende öffnungsdruck. In diesem
Augenblick hebt sich die Membran 16 von ihrem Sitz ab, wodurch über die Bohrung
8, den Ringraum 28 und die Auslaßöffnungen 29 eine praktisch
unbehinderte Verbindung von der Arbeitskammer 33 her zustande kommt. Die
Arbeitskammer wird also rasch entleert. Wenn sich die Kupplung mit voller Drehzahl
dreht, kann die Zeitspanne zwischen dem Herausziehen des Schöpfrohrs 34 und dem
Abheben der Membran 16 von ihrem Sitz beispielsweise eine oder zwei Sekunden
betragen.
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Die Belastungsfeder 27 eines der beiden Fliehkraftventile 21
kann so stark bemessen sein, daß bei einer bestimmten Drehzahl der Kupplung, beispielsweise
bei drei Viertel der vollen Drehzahl, die Kugel 26 des betreffenden Ventils
durch die Feder 27 von ihrem Sitz abgedrückt wird. Arbeitet die Kupplung
mit dieser Drehzahl, dann ist die auf die Flüssigkeit in dem Kanal 41 wirkende Fliehkraft
geringer als bei voller Kupplungsdrehzahl, und der Flüssigkeitsdurchtritt durch
die Drosselöffnung 19 ist dann geringer als bei voller Drehzahl der Kupplung.
Wäre das betreffende Fliehkraftventil 21 nicht geöffnet, dann wäre nach Herausziehen
des Schöpfrohres 41 eine längere Zeitspanne erforderlich, um den auf die Oberseite
der Membran 16 wirkenden Druck auf einen Wert fallen lassen, bei dem sich
die Membran öffnet. Ist jedoch das eine Fliehkraftventil 21 geöffnet, dann nimmt
der Durchgangsquerschnitt für den Ablauf der Flüssigkeit aus der Ventilkammer Raum
32 zu, da ja die Flüssigkeit jetzt nicht nur durch die Drosselöffnung
19, sondern auch durch die Auslaßöffnungen25 des einen Fliehkraftventils21
abströmen kann. Durch geeignete Bemessung dieses Fliehkraftventils 21 kann also
erreicht werden, daß die zwischen dem Herausziehen des Schöpfrohres und dem Abheben
der Membran von ihrem Sitz verstreichende Zeitspanne bei niedrigeren Drehzahlen
der Kupplung praktisch die gleiche wie bei der voller Drehzahl der Kupplung ist.
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Die Belastungsfeder 27 des anderen Fliehkraftventils 21 kann
beispielsweise so stark bemessen sein, daß dieses Ventil sich bei einer bestimmten,
noch niedrigeren Drehzahl der Kupplung öffnet, z. B. bei der Hälfte der vollen Drehzahl,
so, daß bei dieser Drehzahl der Durchgangsquerschnitt für den Flüssigkeitsaustritt
aus dem Raum 32 noch weiter zunimmt, insofern, also nunmehr die Flüssigkeit
auch noch durch die Auslaßöffnungen 25 dieses Fliehkraftventils 21 abfließen
kann. Wird also das Schöpfrohr 34 bei dieser noch niedrigeren Drehzahl der Kupplung
herausgezogen, dann ist die zwischen dem Herausziehen des Schöpfrohrs und dem Abheben
der Membran 16
verstreichende Zeitspanne praktisch wiederum die gleiche wie
bei voller Drehzahl und bei der vorerwähnten niedrigeren Drehzahl.
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Durch Verwendung eines oder mehrerer Fliehkraftventile mit Belastungsfedern
verschiedener Stärke kann also die jeweils zwischen dem Herausziehen bzw. Einziehen
des Schöpfrohrs 34 und dem Abheben der Membran 16 von ihrem Sitz verstreichende
Zeitspanne für verschiedene Betriebsdrehzahlen praktisch stets gleich bemessen werden.
Je größer die Anzahl der jeweils einem Schnellentleerungsventil 7 zugeordneten
Fliehkraftventile 21 ist, desto größer ist auch die Anzahl der Kupplungsdrehzahlen,
bei welchen die erwähnte Zeitspanne praktisch die gleiche ist.
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Falls gewünscht, können die Zuführungskanäle 41 so angeordnet werden,
daß sie die Arbeitsflüssigkeit zu mehreren Schnellentleerungsventilen
7 leiten, die dicht nebeneinander angeordnet sein können, oder
je
ein Zuführungskanal 41 kann je einem Schnellentleerungsventil
6 zugeordnet sein, und die Ventilkammern 32 an der Außenseite der
Membranen 16 jeweils einer Gruppe von Schnellentleerungsvontilen
6 können miteinander durch Druckausgleichrohre verbunden sein, so daß jeweils
eine Gruppe von Fliehkraftventilen 21 zur Steuerung der genannten Schnellentleerungsventilgruppe
dient.
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Gemäß einer Abwandlung der beschriebenen Anordnung kann man, anstatt
Flielikraftventile 21 einer Bauart zu verwenden, welche je nach Drehzahl
der Kupplung entweder voll geschlossen oder voll geöffnet sind, jedem Schnellentleerungsventil
6 oder je
einer oder mehreren Gruppen solcher Schnellentleerungsventile
je ein Fliehkraftventil zuordnen, welches sich bei abnehmender Drehzahl der
Kupplung allmählich öffnet, wodurch auch der für den Abfluß der Flüssigkeit aus
der Ventilkammer 32 zur Verfügung stehende Durchgangsquerschnitt ganz allmählich
zunimmt, was eine praktisch konstant kurze Entleerungszeitspanne über einen ganzen
Bereich von Drehzahlen der Kupplung ermöglicht.
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Nach einer weiteren Abwandlung der Erfindung können die Fliehkraftventile
thermostatisch so reguliert werden, daß der Durchgangsquerschnitt bei zunehmender
Temperatur der Arbeitsflüssigkeit abnimmt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschrie' benen Strömungskupplungen
mit Schöpfrohrregelung beschränkt, sie kann beispielsweise auch bei Strömungskupplungen
Anwendung finden, bei welchen die Arbeitsflüssigkeit der Arbeitskammer durch eine
Pumpe, und zwar aus einem Sumpf zugeführt wird, in welchem sich die aus der Arbeitskammer
austretende Arbeitsflüssigkeit sammelt. In Abwandlung dessen kann die Kupplung auch
von einem Hochbehälter aus gespeist werden, in welchen die, Arbeitsflüssigkeit durch
eine aus dem Sumpf saugende Pumpe gefördert wird. Bei diesen letzteren Anordnungen
ist
ein Steuerventil vorzusehen, welches die Arbeitsflüssigkeitszufuhr zum umlaufenden
Zuführungskanal steuert, wodurch die Schnellentleerungsventile entsprechend gesteuert
werden.