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Flüssigkeitskupplung nach dem Föttinger-Prinzip Die Erfindung bezieht
sich auf eine Flüssigkeitskupplung nach dem, Föttinger-Prinzip, deren Kreislauf
mit Flüssigkeit ständig vollgefüllt bleibt und deren Pumpenradeintritt auf dem kleinsten
oder nahezu kleinsten und deren Pumpenradaustritt auf dem größten oder nahezu größten
Durchmesser liegt, und bezweckt, durch die besondere Wahl des Austrittswinkels des
Pumpen- und Turbinenrades die Momentaufnahme der Kupplung bei großen Schlupfwerten
niedriger zu halten, als das bei den bisherigen Kupplungsausführungen bekannt ist.
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Es sind .eine Reihe von Ausführungen behanntgeworden, die denselben
Zweck verfolgen. So hat man beispielsweise besondere Vorratsräume in der Kupplung
vorgesehen, in denen sich die Betriebsflüssigkeit bei niedriger Abtriebsdrehzahl
der Kupplung oder bei feststehender Abtriebsseite sammeln kann, so daß dieselbe
dann nur noch teilweise gefüllt ist und dadurch einewesentlichkleinereLeistungsaufnahme
hat. Weiter hat man versucht, durch Einbau von Drosseleinrichtungen in dein Fliissigkeitskreislauf
der Kupplung das Moment im restbremspunkt herabzusetzen oder auch durch Einbau eines
Schöpfrohres die Kuppluii- teilweise zu entleeren. Alle diese Malinahmen haben jedoch
den Nachteil, daß sie umständlich sind, die beabsichtigte Wirkung mir unvollkommen
erreichen, Platz beanspruchen und weiterhin für das Füllen und Leeren oder die Betätigung
von Drosseleinrichtungen eine gewisse Zeit benötigt wird, die für den Fahrzeugbetrieb
nicht mehr in Kauf genommen werden kann.
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Gemäß der Erfindung werden die geschilderten Nachteile vermieden und
die Herabsetzurig des Momentes bei großen Schlupf-.verten dadurch erreicht, daß
der Austrittswinkel des Pumpenrades, d. h. der Winkel zwischen der Schaufelrichtung
und der Tangente am Umfang des Rades in dem der Drehung dieses Rades entgegengesetzten
Sinne (negative Umfangsrichtung), und der Austrittswinkel des Turbinenrades zwischen
der Schaufelrichtung und der Tangente am Umfang im Sinne der Drehung dieses Rades
(positive Umfangsrichtung) kleiner als ein rechter ist.
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Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die Pumpenschaufeln von Strömungsgetrieben
am Austritt nach rückwärts zu krümmen. Diese bekannten Anordnungen beziehen sich
jedoch entweder auf Strömungsdrehniomentwandler, bei denen sich eine solche Schaufelkrümmung
durch die Betriebsbedingungen ergeben kann und für die gerade hinsichtlich der für
die Erfindung gültigen Betrachtungen grundsätzlich andere Gesichtspunkte gelten,
oder es beziehen sich diese rückwärts gekrümmten Pumpenschaufeln auf Strömung-,-kupplungen,
die
durch Vcrschiehen von Schaufelrädern in Drehmomentwandler umgewandelt werden können.
Auch in diesem Fall hängt die besondere, dein Erfindungsgegenstand ähnliche Ausbildung
der Pumpenschaufeln mit den Betriebsbedingungen voll Strömungsdrehmomentwandlern
betreffenden Gesichtspunkten zusammen.
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Schließlich wurde bei einer Strömungskupplung, die zum Zweck einer
geringeren Drehmomentaufnahme im Festbremspunk; nur teilweise gefüllt werden. soll,
vorgeschlagen, die normalerweise radialen Schaufeln schräg in den Pumpenkörper einzubauen.
Mit dieser Anordnung, die gleichzeitig eine Drosselung der Strömung am Eintritt
der Pumpenschaufeln bedingt, soll der Betriebszustand der beim Anfahren nur teilweise
gefüllten Kupplung verbessert werden.
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Allen diesen bekannten Anordnungen ist gemeinsam, daß eine Verminderung
der Drehmomentaufnahme im Festbremspunkt.bei uilv eränderter Drehmomentaufnahme
in den Betriebsfahrbereichen nicht zu erreichen ist und daß die Erkenntnis, mit
diesem einfachen Mittel auch hartgreifende, stets gefüllt bleibende Kupplungen im
Anfahrbereich in ihrer Drehmomentaufnahme dem- Motormoment anzupassen, noch nicht
vorgelegen hat.
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Die am Anfang der Entwicklung bei Ströinungskupplungen vorgeschlagene
Rückwärtskrümmung am Austritt des Pumpenrades ist darauf zurückzuführen, daß die
im Pumpenbau und auch bei Drehmomentwandlern gewählte Schaufelform auf die KupplungKupplungen
übertragen wurde, da man noch nicht erkannt hatte, daß mit radialen Schaufeln die
Übertragungsfähigkeit erheblich größer ist.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß es gelingt, mit
der an sich bekannten Rückwärtskrümmung des Pumpenaustritts und einer Vorwärtskrümmung
des Turbinenaustritts die Momentenkurve einer Kupplung erheblich zu beeinflussen
und die Momentaufnahme bei großen Schlupfwerten stark herabzusetzen.
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Es sei beispielsweise in der Abb. i die Momentaufnahme .lId einer
Flüssigkeitskupplung dargestellt, aufgetragen über der Abtriebsdrelizahl its, und
zwar bezeichnet die Kurve a den Verlauf für eine übliche Kupplung nach dem Föttinger-Prinzip.
Aus dem Verlauf der Kurve ist zu. ersehen, daß, gleichbleibende Antriebsdrehzahl
itp vorausgesetzt, die Momentaufnalune bei der Abtriebsdrelizahl Null um ein Vielfaches
größer ist als die im Betriebspunkt I, in dein die Kupplulig mit geringem Schlupf
im Betriebsbereiche hauptsächlich arbeitet. Die Kurven v und c zeigen dagegen den
Verlauf der Momentaufnahme,wie er bei verschiedenen Kupplungen unter :Anwendung
des Erfindungsgedankens erreicht wird.
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Bekanntlich ist das voll dem treibenden Rad einer Kupplung, also dem
Pumpenrad, aufgenommene Moment durch die Gleichung
gegeben. Hierin bedeutet U die umlaufende Flüssigkeitsmenge, y das spezifische Gewicht
dieser Flüssigkeit, g die Erdbeschleunigung, c", # r, den Drall am
Eintritt und c".., # r., den Drall am Austritt des- Pumpenrades (Komponente der
Absolutgeschwindigkeit c in Richtung'der Umfangsgeschwindigkeit it mal -Radius an
dieser Stelle).
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Diese Gleichung sagt aus, daß das aufgenommene Drehmoment direkt verhältnisgleich
ist der umlaufenden Flüssigkeitsmenge D, dem spezifischen Gewicht
y und der Differenz der Drallwerte hinter dem Pumpenrad und vor dem Pumpenrad,
also der Dralländerung im Pumpenrad selbst.
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Die bisher im Fahrzeugbetrieb üblichen Föttingerkupplungen verwenden
nun Schaufeln, die radial im Radboden stehen, also in Ebenen liegen, die durch die
Getriebeachse gehen. In Abb.2 ist die Schaufelung.einer solchen Kupplung mit den
entsprechenden Geschwindigkeitsschaubildern der Strömung dargestellt. Die Kennziffer
i bezieht sich darin atif die Werte für den Schaufeleintritt, die Kennziffer 2 auf
die Werte für den Schaufelaustritt. U ist die Umfangsgeschwindigkeit, c die Absolutgeschwindigkeit
der Flüssigkeit, w die Relativgeschwindigkeit, welche stets mit der Tangente an
die Schaufel in dem betrachteten Punkte zusammenfällt. c" ist die Projektion der
Absolutgeschwindigkeit auf die Umfangsgeschwindigkeit it, die Projektion der Relativgeschwindigkeit
auf die Umfangsgeschwindigkeit it, c," ist die Meridiangeschwindigkeit,welche bei
radialer Schaufelstellung mit der Relativgeschwindigkeit ;t der Richtung nach zusammenfällt.
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Wie aus der Abb. 2 ersichtlich, ist der Wert c" am Aus- und Eintritt
der Pumpe mit i senkrechtem Schaufelein- und -austrittswinkel jeweils gleich der
Umfangsgeschwindigkeit 7t, also bei gleichbleibender Antriebsdrehzahl n" gleichbleibend
und unabhängig von der Wassermenge. Das aufgenommene Moment ist dann also für eine
gegebene Betriebsflüssigkeit verhältnisgleich der umlaufenden Flüssigkeitsinenge
Q. Da nun mit zunehmendem Schlupf die umlaufende Flüssigkeitsmenge (lauernd ansteigt,
nimmt auch die Momentaufnahme finit zunehmendem Schlupf bis zum Festbreinspunkt
zir.
Gemäß der Erfindung wird nun dir Schaufel des Pumpenrades nicht
mehr radial in den Radboden gelegt, sondern, wie an sich bekannt, am Austritt stark
nach rückwärts gekrümmt und die Schaufel des Turbinenrades am Austritt nach vorwärts
gekrümmt. Es ergeben sich damit die entsprechenden Geschwindigkeitsschaubilder,
wie sie in der Abh. 3 dargestellt sind. Die Geschwindigkeit ist durch die Flüssigkeitsmenge
Q und den Ouerschnitt F gegeben und nimmt bei gleichbleibender Fläche F mit wachsendem
Q zu. aus dem Schaubild der Abb. 3 geht hervor, daß mitzunehmender Austrittsgeschwindi-keit
w_ der Wert c", - u2 -w., kleiner wird. Setzen wir in Gleichung z den Wert
und cul'. y1 - asi # yi ein, so ergibt sich nach Ordnung
eine in Q quadratische Gleichung, die aussagt, daß das übertragene Drehmoment zu
Nuli wird, einerseits für Q = o und andererseits für einen Wert
. für den die Dralländerung im .Pumpenrad = o wird. Dazwischen erreicht die Momentaufnahme
einen Höchstwert. Bei der praktischenAusführung derKupplung kann natürlich infolge
des Einflusses der Reibung das Moment Null bei größerer Umlaufmenge nicht erreicht
werden. Es zeigt sich aber, daß mit zunehmender Wassermenge entsprechend den größeren
Schlupfwerten tatsächlich wieder eine Verkleinerung des übertragbaren Momentes erreicht
werden kann, .so daß der Verlauf der Kupplungskurve entsprechend Abb.j Kurve b ist.
Es ist sogar möglich, die Schaufelung des Kupplungspumpenrades so auszubilden, daß
bei einer bestimmten umlaufenden Flüssigkeitsmenge, die einem gewissen Schlupf entspricht,
ein Höchstwert an übertragbarem Moment auftritt, die Kupplungskurve also einen sogenannten
Kippunkt zeigt (vgl. Abb. r, Kurve c). Es zeigt sieh also, daß durch die Rückwärtskrümmung
der Schaufeln am Austritt des Pumpenrades eine Herabdrückung des Festbremsmomentes
in 'einem je nach Wahl des Austrittswinkels gewünschten Ausmaß erzielt werden kann.
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Die gleiche Überlegung, wie sie oben für denPumpenaustritt durchgeführt
wurde, kann auch für den Turbinenaustritt gemacht werden und zeigt dann, daß eine
Herabdrückung des Festbremsmomentes dann eintritt, wenn die Turbinenschaufel am
Austritt stark nach vorwärts gekrümmt wird. Die sich ergebende Wirkung liegt in
der gleichen Richtung wie die durch die rückwärts gekrümmte Pumpenschaufel bewirkte.
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In Abb.4 ist beispielsweise das Ergebnis einer Kupplungsnachrechnung
für Kupplungen mit verschiedensten Austrittswinkeln am Pumpenrad und Turbinenrad
dargestellt. Es bezeichnet darin P" den _Austrittswinkel aus dem Pumpenrad und P2T
den Austrittswinkel aus dem Turbinenrad. Zum Vergleich sei gesagt, daß der Festbremspunkt
einer normalen Föttingerkupplung gleicher Drehzahl und gleicher Größe mit einer
Beschaufelung, wie sie in der Abb. a gezeigt ist, bei ungefähr 6oo mkg liegt. In
der Abb. 4 sind nun die verschiedenen Momentcharakteristiken, wie sie durch die
Änderung einmal des Turbinenäustrittswinkels, das andere Mal durch die des Pumpenradaustrittswinkels
erreicht werden, dargestellt. Beträgt der Pumpen- und Turbinenaustrittswinkel je
go°, liegt also der Fall der üblichen Föttingerkupplung vor, so steigt, wie schon
gesagt, das Festbremsmoment auf ungefähr 6oo mkg (in der Abb. nicht gezeigt). Wird
nur der Turbinenaustrittswinkelf3,T zwischen derSchaufelrichtung und der positiven
Umfangsrichtung kleiner als ein rechter am Austritt des Turbinenrades gewählt, so
erfolgt bereits eine Herabsetzung des Festbreinsmomentes (punktierte Linie P'2"
= go°_, ßZT = I3°). Bei den gestrichelt gezeichneten Momentencharakteristiken ist
allein der Pumpenaustrittswinkel f2", bei den voll ausgezogenen sowohl der Pumpenaustrittswinkel
ß@p
als auch der Turbinenaustrittswinkel ß2T verkleinert worden, und zwar in dem Maße
der jeweils der Kurve beigeschriebenen Werte. Bei Anwendung beider Maßnahmen ergibt
sich die einleitend erwähnte überaus günstige Kupplungscharakteristik mit Kippunkt.