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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Wandler im Einzelnen mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Hydrodynamische Wandler, auch Drehmomentwandler genannt, sind beispielsweise als Anfahrelement in Getrieben seit vielen Jahrzehnten bekannt. Im Unterschied zu hydrodynamischen Kupplungen, welche nur ein beschaufeltes Pumpenrad und ein beschaufeltes Turbinenrad aufweisen, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, sind bei einem hydrodynamischen Wandler in der Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum wenigstens ein Pumpenrad, wenigstens ein Turbinenrad und wenigstens ein Leitrad, auch Leitschaufelkranz genannt, angeordnet. Das Leitrad beziehungsweise der Leitschaufelkranz ist stationär angeordnet, das heißt er stützt sich in der Regel am Gehäuse des hydrodynamischen Wandlers ab, um die Anströmrichtung des Arbeitsmediums auf das Pumpenrad zu beeinflussen und dadurch das übertragene Drehmoment zu wandeln, das bedeutet, dass anders als bei einer hydrodynamischen Kupplung das Pumpenrad ein anderes Drehmoment aufnimmt, als das Turbinenrad, angetrieben durch die Kreislaufströmung, abgibt. Wenn die Anstellwinkel der Schaufeln des Leitschaufelkranzes gegenüber der Kreislaufströmung gezielt veränderbar sind, kann das Drehmoment, das mit dem hydrodynamischen Wandler übertragen wird, variiert werden.
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Herkömmlich unterscheidet man einerseits zwischen Anfahrwandlern, welche eine besonders hohe Drehmomentwandlung bei einem Anfahrvorgang eines Fahrzeugs oder einer Maschine, in dessen Antriebsstrang sie angeordnet sind, aufweisen und so ein hohes Anfahrmoment zur Verfügung stellen. Der Wirkungsgrad ist bei einem vergleichsweise kleinen Drehzahlverhältnis zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad optimal. Für die Verwendung im Dauerbetrieb bei hohem Drehzahlverhältnis zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad hingegen kommen andererseits sogenannte Marschwandler zum Einsatz, die in diesem Betriebsbereich einen optimalen Wirkungsgrad aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft besonders den zweitgenannten Typ von hydrodynamischen Wandlern, den sogenannten Marschwandler.
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Die Marschwandler gemäß dem Stand der Technik neigen aufgrund ihrer Leistungscharakteristik dazu, dass mit größer werdendem Drehzahlverhältnis, welches durch den Quotienten aus der Drehzahl des Turbinenrades und der Drehzahl des Pumpenrades gebildet wird, die Leistungszahl λ ansteigt. Die Leistungszahl λ beschreibt, wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen bekannt ist, das mittels der hydrodynamischen Maschine übertragbare Drehmoment in Abhängigkeit von geometrischen Größen und Strömungsgrößen. Details zur Leistungszahl λ sind beispielsweise in Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, sowie in einschlägigen Normen angegeben.
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Die genannte Leistungscharakteristik bekannter Marschwandler ist ungünstig, da sie in einem Antriebsstrang, in welchem ein Dieselmotor über den Wandler Antriebsleistung auf Antriebsräder oder ein sonstiges Aggregat überträgt, zu ungünstigen Belastungen des Dieselmotors und zum Erreichen der Rauchgrenze führen kann.
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Ein hydrodynamischer Wandler bekannter Bauart wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 2 021 543 B oder der Offenlegungsschrift
DE 2 132 144 B beschrieben. Bei beiden Ausführungsformen wird das Turbinenrad im Wesentlichen in Axialrichtung durchströmt, das heißt die Strömung im Turbinenrad verläuft parallel zur Drehachse des hydrodynamischen Wandlers.
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Ein anders gestalteter hydrodynamischer Wandler wird in der Offenlegungsschrift
DE 1 919 983 A beschrieben, bei welchem das Pumpenrad zentrifugal, das heißt radial von innen nach außen, und das Turbinenrad zentripetal, das heißt radial von außen nach innen, durchströmt wird. Hier wird der Leitschaufelkranz in Axialrichtung durchströmt, was mit der Ausführung des hydrodynamischen Wandlers als Trilokwandler zusammenhängt, bei welchem die Schaufeln des Leitschaufelkranzes in einem ersten Betriebszustand stationär, das heißt nicht umlaufend, gehalten werden und in einem zweiten Betriebszustand, in welchem der hydrodynamische Wandler wie eine hydrodynamische Kupplung arbeitet, zur freien Rotation freigegeben werden. Aufgrund der vergleichsweise großen Erstreckung der Beschaufelung des Turbinenrades über den in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler gesehen ringförmigen Arbeitsraum, beginnend radial außen in der axialen Mitte des Arbeitsraums und endend im radial inneren Bereich ebenfalls nahezu im Bereich der Mitte, verläuft die Anströmrichtung der Kreislaufströmung des Arbeitsmediums auf das Turbinenrad in Axialrichtung, wohingegen die Abströmrichtung teilweise in Radialrichtung und teilweise in Axialrichtung gerichtet ist. Das Arbeitsmedium beziehungsweise die Kreislaufströmung erfährt dabei innerhalb des Turbinenrades eine Umlenkung von mehr als 90° im Arbeitsraum, bezogen auf den genannten Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler.
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DE 680 973 A beschreibt einen hydrodynamischen Wandler mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Obwohl zahlreiche verschiedene Bauformen auch mit mehreren Leitschaufelkränzen oder mehrerer Pumpen- beziehungsweise Turbinenrädern vorgeschlagen worden sind, wurde die zuvor beschriebene Aufgabe einer möglichst konstanten Leistungszahl auch bei zunehmendem Drehzahlverhältnis noch nicht optimal gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Wandler anzugeben, der einen weitgehend konstanten Verlauf der Leistungszahl λ bei zunehmendem Drehzahlverhältnis beziehungsweise abnehmendem Schlupf zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad aufweist. Gleichzeitig soll der hydrodynamische Wandler kostengünstig herstellbar sein, eine besonders hohe Schnellläufigkeit aufweisen und einen hohen Wirkungsgrad haben.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hydrodynamischen Wandler mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Der erfindungsgemäße hydrodynamische Wandler, welcher gemäß einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform im Antriebsstrang eines Schienenfahrzeugs eingesetzt werden kann, um Antriebsleistung hydrodynamisch insbesondere von einem Dieselmotor auf Antriebsräder zu übertragen, weist, wie üblich, einen Arbeitsraum zur Ausbildung einer hydrodynamischen Kreislaufströmung eines Arbeitsmediums auf. Im Arbeitsraum beziehungsweise in der Kreislaufströmung sind wenigstens ein beschaufeltes, um eine Drehachse umlaufendes Pumpenrad, wenigstens ein beschaufeltes, um dieselbe Drehachse umlaufendes, Turbinenrad und wenigstens ein beschaufelter Leitschaufelkranz angeordnet. Vorteilhaft ist genau ein einziges Pumpenrad vorgesehen sowie genau ein einziges Turbinenrad. Der Leitschaufelkranz ist gemäß einer ersten Ausführungsform stets stationär oder, gemäß dem Trilokwandlerprinzip, gemäß einer zweiten Ausführungsform wahlweise festsetzbar und freigebbar. Vorteilhaft ist auch genau ein einziger beschaufelter Leitschaufelkranz im Arbeitsraum beziehungsweise in der Kreislaufströmung vorgesehen, auch wenn gemäß anderen Ausführungsformen mehrere Leitschaufelkränze und/oder Pumpenräder und/oder Turbinenräder vorgesehen sein können.
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Das Pumpenrad des erfindungsgemäß ausgeführten hydrodynamischen Wandlers wird vom Arbeitsmedium der Kreislaufströmung wenigstens teilweise oder ausschließlich zentrifugal, das heißt in Radialrichtung von innen nach außen, insbesondere senkrecht zur Drehachse des hydrodynamischen Wandlers durchströmt. Der Leitschaufelkranz hingegen wird wenigstens teilweise oder ausschließlich zentripetal, das heißt in Radialrichtung von außen nach innen durchströmt, insbesondere wiederum senkrecht zur Drehachse des hydrodynamischen Wandlers.
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Erfindungsgemäß ist nun das Turbinenrad derart in der Kreislaufströmung angeordnet und erstreckt sich über einen solchen vergleichsweise kurzen Sektor im Arbeitsraum, betrachtet in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler, dass die Anströmung des Arbeitsmediums der Kreislaufströmung auf das Turbinenrad parallel zur Drehachse verläuft, somit in Axialrichtung des hydrodynamischen Wandlers, und die Abströmrichtung des Arbeitsmediums der Kreislaufströmung aus dem Turbinenrad teilweise zentripetal und teilweise in Axialrichtung mit einer Umlenkung des Arbeitsmediums innerhalb des Turbinenrades von weniger als 90° gegenüber der Anströmrichtung verläuft, jeweils in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler gesehen.
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So haben die Erfinder nämlich erkannt, dass mit zunehmend in Radialrichtung gerichteter Strömung des Arbeitsmediums im Turbinenrad, radial von außen nach innen, das heißt zentripetal, die Leistungszahl λ mit zunehmendem Drehzahlverhältnis zwischen Pumpenrad und Turbinenrad vermindert wird, wohingegen eine im Wesentlichen axiale Durchströmung oder radiale Durchströmung des Turbinenrades mit radial nach außen gerichteter Strömung zu einem Anstieg der Leistungszahl λ mit zunehmendem Drehzahlverhältnis führt. Eine Kombination aus axialer Anströmung und teilweise axialer und teilweise zentripetaler Abströmung des Arbeitsmediums bei einer Umlenkung von weniger als 90°, jeweils bezogen auf einen Axialschnitt durch die Drehachse des hydrodynamischen Wandlers führt hingegen zu dem gewünschten konstanten Verlauf der Leistungszahl λ auch bei zunehmendem Drehzahlverhältnis zwischen Pumpenrad und Turbinenrad.
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Die Richtung der Abströmung des Arbeitsmediums der Kreislaufströmung aus dem Pumpenrad ist erfindungsgemäß vollständig zentrifugal oder teilweise zentrifugal und teilweise in Axialrichtung verlaufend gewählt. Je nach Erstreckung der Schaufeln des Leitschaufelkranzes in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler gesehen über einen mehr oder minder großen Sektor kann zusätzlich oder alternativ auch die Anströmung und/oder die Abströmung des Arbeitsmediums der Kreislaufströmung in den Leitschaufelkranz beziehungsweise aus dem Leitschaufelkranz vollständig zentripetal und/oder teilweise zentripetal und teilweise in Axialrichtung verlaufend gewählt werden.
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Von Vorteil ist es, wenn das Turbinenrad teilweise oder vollständig außerhalb des Pumpenrades und/oder des Leitschaufelkranzes positioniert ist.
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In der Regel wird der Arbeitsraum in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler ringförmig mit einem nicht vom Arbeitsmedium durchströmten Kern, um den die Kreislaufströmung sozusagen herumströmt, ausgeführt sein.
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Wenn man in einem Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler den Arbeitsraum mit seinem ringförmigen Querschnitt in vier Quadranten aufteilt, nämlich zwei radial innenliegende Quadranten und zwei radial außenliegende Quadranten, jeweils bezogen – wie zuvor – auf nur eine Seite der Drehachse des hydrodynamischen Wandlers, so ist das Turbinenrad vorteilhaft in jenem radial außenliegenden Quadranten positioniert, der bezüglich der Strömung von Arbeitsmedium dem anderen radial außenliegenden Quadranten nachgeordnet ist.
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Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten hydrodynamischen Wandlers mit ausschließlich zentrifugal durchströmten Pumpenrad und ausschließlich zentripetal durchströmten Leitschaufelkranz;
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2 eine zweite Ausführungsform mit diagonal angeströmten und diagonal abgeströmten Pumpenrad und zentripetal angeströmten und diagonal abgeströmten Leitschaufelkranz;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit zentrifugal angeströmten und axial abgeströmten Pumpenrad und diagonal angeströmten und zentripetal abgeströmten Leitschaufelkranz;
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit zentrifugal angeströmten und diagonal abgeströmten Pumpenrad sowie zentripetal durchströmten Leitschaufelkranz.
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In den Figuren ist jeweils in einem Axialschnitt durch einen hydrodynamischen Wandler, wobei die Schnittebene durch die Drehachse 5 verläuft, der Arbeitsraum 8 schematisch auf einer Seite der Drehachse 5 des hydrodynamischen Wandlers gezeigt. In allen Fällen wird der Arbeitsraum 8 in der gezeigten Darstellung entsprechend der durch den Pfeil 4 angedeuteten Kreislaufströmung entgegen dem Uhrzeigersinn durchströmt, wobei das Pumpenrad 1 teilweise oder vollständig zentrifugal und der Leitschaufelkranz 3 teilweise oder vollständig zentripetal durchströmt wird. Bei den teilweisen Durchströmungen ist der in Radialrichtung – zentrifugal oder zentripetal – gerichteten Strömung eine axiale Komponente parallel zur Drehachse 5 überlagert.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Arbeitsraum 8 im dargestellten Axialschnitt eine Ringform auf, wobei der Ring durch ein Rechteck mit abgerundeten Ecken beschrieben werden kann, sodass gegenüber einer kreisringförmigen Ausführungsform die in Radialrichtung und die in Axialrichtung verlaufenden Bereiche zu Lasten einer stärkeren Umlenkung in den übrigen Bereichen vergleichsweise länger ausgeführt sind.
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Erfindungsgemäß ist bei allen Ausführungsformen das Turbinenrad 2 derart angeordnet und hier im radial äußeren Quadranten positioniert, dass die Anströmrichtung 6 des Arbeitsmediums der Kreislaufströmung 4 auf das Turbinenrad 2 parallel zur Drehachse 5 verläuft, und die Abströmrichtung 7 des Arbeitsmediums der Kreislaufströmung 4 teilweise in Axialrichtung und teilweise zentripetal verläuft. Die Umlenkung des Arbeitsmediums innerhalb des Turbinenrades 2 betrachtet in dem gezeigten Axialschnitt durch den hydrodynamischen Wandler ist dabei kleiner als 90° ausgeführt. Mit Ausnahme der Darstellung in der 2 endet das Turbinenrad 2 bezogen auf die Durchströmung mit Arbeitsmedium im Bereich der Umlenkung des Arbeitsraumes 8, das heißt vor dem weitgehend oder vollständig in Radialrichtung verlaufenden Bereich, in welchem dann der Leitschaufelkranz 3 positioniert ist.
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Bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform sind das Pumpenrad 1 und der Leitschaufelkranz 3 ausschließlich in Radialrichtung durchströmt, das heißt die Einlasskanten und Auslasskanten der Schaufeln verlaufen in dem gezeigten Schnitt parallel zur Drehachse 5.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 hingegen verlaufen die Einlasskanten und Auslasskanten der Schaufeln des Pumpenrades 1 sowie die Auslasskanten der Schaufeln des Leitschaufelkranzes 3 diagonal in dem gezeigten Schnitt, sodass die entsprechenden Anströmungen beziehungsweise Abströmungen eine Axialkomponente aufweisen. Die Einlasskanten der Schaufeln des Leitschaufelkranzes 3 hingegen sind parallel zur Drehachse 5 gehalten, könnten jedoch ebenfalls diagonal verlaufen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 verläuft die Einlasskante einer jeden Schaufel des Pumpenrades 1 parallel zur Drehachse 5, und die Auslasskante einer jeden Schaufel des Pumpenrades 1 verläuft senkrecht zur Drehachse 5. Damit wird eine rein axiale Abströmung und eine rein zentrifugale Anströmung des Pumpenrades 1 erreicht. Die Einlasskanten des Leitschaufelkranzes beziehungsweise der Schaufelndes Leitschaufelkranzes 3 hingegen verlaufen diagonal, sodass eine teilweise axiale und teilweise zentripetale Anströmung erreicht wird, wohingegen die Auslasskanten des Leitschaufelkranzes 3 wieder parallel zur Drehachse 5 verlaufen, mit dem Ergebnis einer rein zentripetalen Abströmung.
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Gemäß der 4 verlaufen die Einlasskanten des Pumpenrades 1 achsparallel zur Drehachse 5, die Auslasskanten diagonal und die Einlasskanten und Auslasskanten des Leitschaufelkranzes 3 ebenfalls achsparallel zur Drehachse 5, mit den entsprechend gerichteten An- und Abströmungen, im Wesentlichen jeweils senkrecht zur Einlasskante beziehungsweise Auslasskante.
