DE19950988A1 - Hydrodynamische Kopplungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine hydrodynamische Kopplungseinrichtung (10), insbesondere eine hydrodynamische Kupplung oder ein hydrodynamischer Drehmomentwandler, umfasst ein Pumpenrad (18), ein in einem Gehäuse (12) bezüglich des Pumpenrads (18) um eine Drehachse (A) drehbar angeordnetes Turbinenrad (34), wobei das Turbinenrad (34) einen Fluidwechselwirkungsbereich (34a) und einen mit einem Abtriebsorgan verbundenen oder verbindbaren Nabenbereich (34b) aufweist, sowie eine Überbrückungskupplung (70) mit einem Kupplungselement (72), welches mit dem Nabenbereich (34b) des Turbinenrads (34) zur gemeinsamen Drehung verbunden ist und wahlweise in Drehmomentübertragungsanbindung mit dem Gehäuse (12) bringbar ist. Erfindungsgemäß ist der Fluidwechselwirkungsbereich (34a) mit dem Nabenbereich (34b) über eine Freilaufanordnung (46) verbunden, welche eine Relativdrehung zwischen dem Fluidwechselwirkungsbereich (34a) und dem Nabenbereich (34b) in nur einer Relativdrehrichtung zulässt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kopplungsein­ richtung, insbesondere hydrodynamische Kupplung oder hydrodynamischen Drehmomentwandler, umfassend: ein Pumpenrad, ein in einem Gehäuse bezüglich des Pumpenrads um eine Drehachse drehbar angeordnetes Turbinenrad, wobei das Turbinenrad einen Fluidwechselwirkungsbereich und einen mit einem Abtriebsorgan verbundenen oder verbindbaren Nabenbe­ reich aufweist, eine Überbrückungskupplung mit einem Kupplungselement, welches mit dem Nabenbereich des Turbinenrads zur gemeinsamen Drehung verbunden ist und wahlweise in Drehmomentübertragungsanbindung mit dem Gehäuse bringbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 39 34 798 A1 bekannt. Die Überbrückungskupplung der hydrodynamischen Kopplungseinrichtung wird durch Einstellen von definierten Druckverhältnissen im Innenraum des Gehäuses der Kopplungseinrichtung, insbesondere durch Einstellen definierter Druckverhältnisse in den der Überbrückungskupplung nahen Bereichen des Innenraums der Einrichtung, betätigt.

Problematisch dabei ist, dass das Turbinenrad eine Saugwirkung entfaltet, wenn das System im Schubbetrieb arbeitet, d. h. wenn das Turbinenrad durch den Abtriebsstrang angetrieben wird und die Drehzahl des Turbinenra­ des somit größer ist als die Drehzahl des Pumpenrades. Aufgrund des durch die Saugwirkung aus dem Bereich der Überbrückungskupplung abgezogenen Arbeitsfluids wird die Betätigung der Überbrückungskupplung erschwert beziehungsweise sogar verhindert, da der Fluiddruck dann unter Umständen nicht mehr ausreicht, um die benötigte Drehmomentanbindung der Überbrückungskupplung mit dem angetriebenen Teil der Vorrichtung, in der Regel dem Gehäuse, herzustellen, beziehungsweise der Fluiddruck gegen das abgezogene Fluid aufgebaut oder aufrecht erhalten werden muss.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hydrodynamische Kopplungseinrichtung anzugeben, bei welcher auch im Schubbetrieb ein definiertes Ansteuern der Überbrückungskupplung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine hydrodynamische Kopplungseinrichtung, insbesondere hydrodynamische Kupplung oder hydrodynamischen Drehmomentwandler, gelöst, umfassend ein Pumpenrad, ein in einem Gehäuse bezüglich des Pumpenrads um eine Drehachse drehbar angeord­ netes Turbinenrad, wobei das Turbinenrad einen Fluidwechselwirkungs­ bereich und einen mit einem Abtriebsorgan verbundenen oder verbindbaren Nabenbereich aufweist, eine Überbrückungskupplung mit einem Kupplungs­ element, welches mit dem Nabenbereich des Turbinenrads zur gemeinsamen Drehung verbunden ist und wahlweise in Drehmomentübertragungs­ anbindung mit dem Gehäuse bringbar ist.

Dabei ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass der Fluidwechselwir­ kungsbereich mit dem Nabenbereich über eine Freilaufanordnung verbunden ist, welche eine Relativdrehung zwischen dem Fluidwechselwirkungsbereich und dem Nabenbereich in nur einer Relativdrehrichtung zulässt.

In der Praxis werden diese hydrodynamischen Kopplungseinrichtungen, insbesondere im Falle einer Ankopplung an eine Brennkraftmaschine beispielsweise eines Fahrzeugs, nur in lediglich einem absoluten Drehsinn betrieben. Das heißt, die Abtriebswelle der Antriebsmaschine, das Pumpenrad, das Turbinenrad und das Abtriebselement der Kopplungsein­ richtung drehen immer in gleicher Drehrichtung. Ist der Fluidwechselwir­ kungsbereich durch die Freilaufanordnung mit dem Nabenbereich des Turbinenrades derart verbunden, dass der Nabenbereich bei unverändert gleichem absolutem Drehsinn eine größere Drehgeschwindigkeit aufweisen kann als der Fluidwechselwirkungsbereich, vermag der Fluidwechselwir­ kungsbereich durch seine Entkopplung vom Nabenbereich nicht mehr, das Arbeitsfluid im Schubbetrieb selbst anzutreiben und dadurch eine der Betätigung der Überbrückungskupplung entgegenwirkende Saugwirkung zu erzeugen. Im nicht überbrückten Zustand erfüllt die Freilaufanordnung darüber hinaus eine Filterwirkung, da bei Auftreten von Drehungleichförmig­ keiten von den über die fluiddynamische Kopplung vom Pumpenrad zum Turbinenrad übertragenen Schwingungen lediglich der den Fluidwechselwir­ kungsbereich beschleunigende Anteil an den Nabenbereich übertragen werden kann.

Es ist weiterhin bekannt, dass durch die an die hydrodynamische Kopp­ lungseinrichtung angeschlossene Antriebsmaschine häufig Drehschwingun­ gen in die Vorrichtung sowie in den Abtriebsstrang eingeleitet werden. Um derartige Drehschwingungen reduzieren zu können, kann das Kupplungs­ element mit dem Nabenbereich über eine Torsionsschwingungsdämpfer­ anordnung verbunden sein.

Die Anbringung eines Torsionsschwingungsdämpfers im Kraftfluss der überbrückten hydrodynamischen Kopplungseinrichtung ist aus der DE 39 34 798 A1 bekannt. Bei einem zwischen dem Kupplungselement und dem Nabenbereich des Turbinenrades angeordneten Torsionsschwingungs­ dämpfer liegt die Eigenfrequenz eines auf den Torsionsschwingungsdämpfer folgenden Teils des Antriebsstranges in einem Drehzahlbereich, in welchem auch die Überbrückungskupplung wirksam sein kann. Dies kann im Betrieb der Vorrichtung zur Anregung von Drehschwingungen führen, was neben einem unruhigen Betrieb auch eine verstärkte mechanische Beanspruchung der hydrodynamischen Vorrichtung zur Folge hat.

Bei einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kopplungseinrichtung läuft jedoch im überbrückten Zustand der vom angetriebenen Nabenbereich entkoppelte Fluidwechselwirkungsbereich des Turbinenrades lastfrei. Dies führt zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz, so dass die Eigenschwingun­ gen auch im überbrückten Zustand der Kopplungseinrichtung nicht mehr oder nur erschwert angeregt werden können.

Durch die Ankopplung des Fluidwechselwirkungsbereich ausgehend von einem Entkopplungszustand zur Drehmomentübertragung an den Nabenbe­ reich durch die Freilaufanordnung können Stöße auf den Fluidwechselwir­ kungsbereich und den Nabenbereich des Turbinenrades verursacht werden. Um diese Stöße zu vermeiden beziehungsweise zu reduzieren, ist es vorteilhaft, eine Freilaufanordnung mit ausreichender Nachgiebigkeit beim Einkoppeln oder/und ausreichendem Spiel in Drehmomentübertragungs­ richtung zur Anordnung zwischen Fluidwechselwirkungsbereich und Nabenbereich des Turbinenrades zu wählen.

Eine besonders günstige Turbinenradanordnung, bei welcher die Freilauf­ anordnung von Lagerungskräften freigehalten ist, ergibt sich, wenn der Fluidwechselwirkungsbereich eine Turbinenradschale aufweist, welche am Nabenbereich axial oder/und radial gelagert ist.

Durch eine derartige Lagerung der Turbinenradschale des Fluidwechselwir­ kungsbereichs am Nabenbereich kann trotz einer Entkopplung der beiden Bereiche in einer Relativdrehrichtung zwischen Fluidwechselwirkungsbereich und Nabenbereich eine ausreichende Festigkeit der Gesamtanordnung gewährleistet werden.

Dazu kann eine Lageranordnung vorgesehen sein, vorzugsweise eine Gleitlagerung, über welche die Turbinenradschale am Nabenbereich axial und radial gelagert ist. Durch eine derartige Lageranordnung wird eine einfache Abstützung der Turbinenradschale und damit des Fluidwechselwir­ kungsbereichs in axialer und in radialer Richtung an einem einzigen Bauteil realisiert, wodurch die Montage der Kopplungseinrichtung deutlich vereinfacht werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindunggemäßen hydrodynami­ schen Kopplungseinrichtung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figur erläutert werden. Diese stellt eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drehmomentwandlers dar.

In der Figur ist eine erfindungsgemäße hydrodynamische Kopplungsein­ richtung in Form eines Drehmomentwandlers allgemein mit 10 bezeichnet. Der Drehmomentwandler 10 umfasst ein Gehäuse 12, das einen Gehäuse­ deckel 14 und eine Pumpenradaußenschale 16 eines allgemein mit 18 bezeichneten Pumpenrades aufweist. Gehäusedeckel 14 und Pumpenrad­ außenschale 16 sind radial außen miteinander verschweißt. Radial innen ist die Pumpenradaußenschale 16 mit einer Pumpenradnabe 20, beispielsweise ebenfalls durch Verschweißung, fest verbunden. Die Pumpenradnabe 20 kann in an sich bekannter Weise eine Fluidpumpe antreiben, durch welche Fluid in den Innenraum 22 des Drehmomentwandlers 10 geleitet werden kann.

In seinem radial äußeren Bereich trägt der Gehäusedeckel 14 mehrere mutternartige Kopplungselemente 24, welche mit einer beispielsweise als Flexplatte ausgebildeten Verbindungsanordnung 26 drehfest mit einer um eine. Drehachse A drehbaren Antriebswelle 28, beispielsweise einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, fest verbunden sind. Ein Lagerzapfen 30, welcher im wesentlichen koaxial zur Drehachse A am Gehäusedeckel 14 angebracht ist, kann in eine zugeordnete Ausnehmung 32 der Antriebs­ welle 28 eingreifen und somit für eine Zentrierung des Drehmomentwand­ lers 10 bezüglich der Antriebswelle 26 sorgen. Im Innenraum 22 des Drehmomentwandlers 10 ist ferner ein allgemein mit 34 bezeichnetes Turbinenrad vorgesehen, das eine Turbinenradaußenschale 36 aufweist. An derdem Pumpenrad 18 zugewandten Seite 36a der Turbinenradaußenschale 36 sind in Umfangsrichtung aufeinander folgend Turbinenradschaufeln 38 angeordnet, die an ihren gekrümmten, dem Pumpenrad 18 zugewandten Rändern durch eine Turbinenradinnenschale 40 miteinander verbunden sind.

An der dem Pumpenrad 18 abgewandten Seite 36b der Turbinenradaußen­ schale 36 ist etwa im Bereich der Radialmitte des Turbinenrades 34 ein beispielsweise ringförmiges Halteelement 42 angeschweißt. An einem radial inneren Bereich des Halteelements 42 ist ein ringförmiges Stützelement 44 fest mit diesem vernietet. Das Stützelement 44 weist eine in axialer Richtung verlaufende und zentrisch zur Drehachse A angeordnete zylin­ drische Innenfläche 44a auf. Die Turbinenradaußenschale 36, die Turbinen­ radschaufeln 38, die Turbinenradinnenschale 40, das Halteelement 42 sowie das Stützelement 44 bilden den Fluidwechselwirkungsbereich 34a des Turbinenrades 34.

Der Fluidwechselwirkungsbereich 34a des Turbinenrads 34 ist an der zylindrischen Innenfläche 44a des Stützelementes 44 drehfest mit einer radial äußeren Fläche eines Freilaufs 46 verbunden. Eine radial innere Fläche des Freilaufs 46 ist wiederum drehfest mit einer ringförmigen, koaxial zur Drehachse A ausgerichteten Turbinenradnabe 48 verbunden. Die Turbinen­ radnabe 48 weist eine zylindrische radial innere Fläche mit einem Profil auf, etwa einem Keilwellenprofil, das mit einem Abtriebsorgan, beispielsweise einer Abtriebswelle, zur Drehmomentübertragung in Eingriff bringbar ist. Die Turbinenradnabe 48 weist an ihrer dem Pumpenrad 18 zugewandten Seite eine ringförmige Aussparung 50 auf, in welche eine Gleitlagerbuchse 52 mit im Wesentlichen L-förmigem Querschnitt eingelegt ist. An dieser Gleit­ lagerbuchse 52 ist die Turbinenradaußenschale 36 mit einem radial inneren Bereich 36c, welcher einen zum Querschnitt der Gleitlagerbuchse 52 komplementären L-förmigen Querschnitt aufweist, gelagert. An einer radial äußeren Seite der Turbinenradnabe 48 ist in einer ringförmigen Vertiefung ein Dichtelement 53 angeordnet, dessen Funktion später beschrieben wird. Turbinenradnabe 48, Gleitlagerbuchse 52 und Dichtelement 53 bilden einen Nabenbereich 34b des Turbinenrades 34.

Axial zwischen dem Turbinenrad 34 und dem Pumpenrad 18 ist ein Leitrad 54 angeordnet. Das Leitrad 54 umfasst einen radial inneren, zur Dreh­ achse A koaxial angeordneten Ring 56 sowie einen radial äußeren, zur Drehachse A ebenfalls koaxial angeordneten Ring 58. Zwischen den beiden Ringen 56, 58 sind in Umfangsrichtung aufeinander folgend Leitrad­ schaufeln 60 angeordnet. Das Leitrad 54, d. h. dessen Ring 56, ist über einen Freilauf 62 auf einem nicht dargestellten Stützelement, das koaxial zum Abtriebsorgan angeordnet ist, dieses umgibt und koaxial innerhalb der Pumpenradnabe 20 liegt, getragen. Der Freilauf 62 ermöglicht eine Drehung des Leitrads 54 um die Drehachse A in einer Drehrichtung, blockiert jedoch das Leitrad 54 gegen Drehung in entgegengesetzter Richtung.

Das Leitrad 54 ist durch zwei Lager 64 und 66, welche beispielsweise Wälzkörperlager oder Gleitlager sein können, axial an dem Pumpenrad 18 einerseits und an dem radial inneren Bereich 36c der Turbinenradaußen­ schale 36 andererseits abgestützt. Ferner ist die Turbinenradnabe 48 über ein weiteres Lager 68, welches beispielsweise wiederum ein Gleitlager oder Wälzkörperlager sein kann, axial am Gehäusedeckel 14 abgestützt. Durch diese Lageranordnung wird die Turbinenradaußenschale 36 an den Lagern 52 und 64 in axialer beziehungsweise radialer Richtung festgelegt.

Der Drehmomentwandler 10 umfasst ferner eine Überbrückungskupplung 70 mit einem Kupplungskolben 72. Der Kupplungskolben 72 ist über einen Torsionsschwingungsdämpfer 74 drehfest mit der Turbinenradnabe 48 verbunden. In seinem radial inneren Bereich ist der Kupplungskolben 72 auf der Turbinenradnabe 48 unter Zwischenanordnung des Dichtungselements 53 fluiddicht, jedoch axial verstellbar aufgenommen. In seinem radial äußeren Bereich ist der Kupplungskolben 72 unter Zwischenlagerung eines Reibbelags 78 zur Herstellung eines Überbrückungszustands des Drehmo­ mentwandlers 10 gegen den Gehäusedeckel 14 pressbar. Zur Betätigung der Überbrückungskupplung 70 wird in dem zwischen dem Kupplungskolben 72 und der Pumpenradaußenschale 16 gebildeten Fluidraum 22a ein definiertes Druckniveau eingestellt, welches gegenüber einem Druckniveau in einem zwischen dem Gehäusedeckel 14 und dem Kupplungskolben 72 gebildeten Fluidraum 22b erhöht bzw. reduziert ist, je nachdem, ob eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Kupplungskolben 72 und dem Gehäusedeckel 74 hergestellt oder gelöst werden soll. Zum Einstellen eines definierten Druckes im Fluidraum 22a sind in der Nähe der Leitradaxiallager 64, 66 je ein Durchgang 80 an der dem Turbinenrad 34 zugewandten Seite sowie ein Durchgang 82 an der dem Pumpenrad 18 zugewandten Seite des Leitrads vorgesehen. Durch die Durchgänge 80, 82 wird Arbeitsfluid in den Fluidraum 22a zu- oder abgeführt.

Analog dazu wird ein definierter Druck im Fluidraum 22b zwischen Gehäusedeckel 14 und Kupplungskolben 72 durch Zu- und Abführen von Arbeitsfluid durch Durchgänge 84, 86 eingestellt, welche in axialer Richtung auf beiden Seiten des Lagers 68 zwischen Gehäusedeckel 14 und Turbinen­ radnabe 48 ausgebildet sind.

Das Gehäuse 12 und damit das Pumpenrad 18 des Drehmomentwandlers 10 werden durch die Abtriebswelle 28 einer Brennkraftmaschine zur Rotation in Richtung R angetrieben. Dementsprechend ist der Freilauf 46 so zwischen dem Fluidwechselwirkungsbereich 34a des Turbinenrades 34 und dessen Nabenbereich 34b angeordnet, dass eine Relativdrehung des Fluidwechselwirkungsbereichs 34a bezüglich des Nabenbereichs 34b in einer der Drehrichtung R entgegengesetzten Richtung möglich ist, in Drehrichtung R jedoch unterbunden ist. Es sind im Folgenden drei Betriebs­ zustände des Drehmomentwandlers zu unterscheiden:

1. Wandler-Zug-Betrieb

Im Wandler-Zug-Betrieb wird ein Drehmoment von der Antriebsseite, d. h. vom Pumpenrad 18, durch das zur Bewegung angetriebene Arbeitsfluid an den abtriebsseitigen Fluidwechselwirkungsbereich 34a des Turbinenrads 34 übertragen. Auf Grund der Orientierung des Freilaufs 46 findet eine Drehmomentübertragung vom Fluidwechselwirkungsbereich 34a des Turbinenrades 34 zum Nabenbereich 34b des Turbinenrades 34 statt.

Der Freilauf 46 erfüllt im Wandler-Zug-Betrieb darüber hinaus eine Filterwir­ kung, da von Drehschwingungen die antriebsseitig über das Pumpenrad 18 an das Turbinenrad 34 übertragen werden, lediglich der das Turbinenrad 34 beschleunigende Anteil an die Turbinenradnabe 48 übertragen werden kann.

2. Wandler-Schub-Betrieb

Im Wandler-Schub-Betrieb wird das Turbinenrad vom Abtriebsorgan angetrieben. Folglich ist die Drehzahl des Abtriebsorgans größer als die Drehzahl des Pumpenrades 18. Da der Fluidwechselwirkungsbereich 34a durch das Arbeitsfluid abgebremst wird, kommt es aufgrund der Anordnung des Freilaufes 46 zwischen Fluidwechselwirkungsbereich 34a und Nabenbereich 34b zu einer Relativdrehung zwischen Fluidwechselwir­ kungsbereich 34a und Nabenbereich 34b, bei dem der Fluidwechselwir­ kungsbereich bezüglich des Nabenbereiches in einer der Richtung R entgegengesetzten Drehrichtung umläuft.

Durch die Entkopplung von Nabenbereich 34b und Fluidwechselwirkungs­ bereich 34a des Turbinenrads 34 bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Drehmomentwandlers findet keine Drehmomentübertragung von der angetriebenen Turbinenradnabe 48 zum Fluidwechselwirkungsbereich 34b statt, wodurch ein Antreiben des Arbeitsfluids durch das Turbinenrad, damit verbunden das Ausbilden einer Saugwirkung sowie das Abführen von Arbeitsfluid aus dem Fluidraum 22a verhindert wird.

3. Überbrückungsbetrieb

Beim Überbrückungsbetrieb ist der Kupplungskolben 72 mit seiner Reibfläche 78 gegen den Gehäusedeckel 14 angepresst, so dass es zu einer Drehmomentübertragung von der Antriebswelle 28 über die Verbindungs­ elemente 24, den Gehäusedeckel 14, den Kupplungskolben 72, den Torsionsschwingungsdämpfer 74 und die Turbinenradnabe 48 zum Abtriebsorgan kommt. Der Fluidwechselwirkungsbereich 34a rotiert in diesem Fall aufgrund seiner Entkopplung durch den Freilauf 46 lastfrei mit und läuft aufgrund von Reibungsverlusten im Arbeitsfluid langsamer als der Nabenbereich 34b. Dadurch kommt es zu einer Reduzierung der Eigen­ frequenz des auf den Torsionsschwingungsdämpfer 74 folgenden Teils des Abtriebsstranges in einen Bereich unterhalb des Drehzahlbereiches in dem die Überbrückungskupplung 70 wirksam sein kann, so dass im Über­ brückungszustand die Anregung von Eigenschwingungen vermieden werden kann.

Das geregelte Schließen der Kupplung im Schubbetrieb des Wandlers kann aufgrund der fehlenden Fluidbeschleunigung durch die Turbine und des damit verbundenen Druckabfalls zwischen Turbine und Kolben wesentlich gezielter erfolgen, als es bei normalen Wandlerausführungen der Fall ist.

Claims (4)

1. Hydrodynamische Kopplungseinrichtung (10), insbesondere hydro­ dynamische Kupplung oder hydrodynamischer Drehmomentwandler, umfassend:

• - ein Pumpenrad (18),
• - ein in einem Gehäuse (12) bezüglich des Pumpenrads (18) um eine Drehachse (A) drehbar angeordnetes Turbinenrad (34), wobei das Turbinenrad (34) einen Fluidwechselwirkungs­ bereich (34a) und einen mit einem Abtriebsorgan verbundenen oder verbindbaren Nabenbereich (34b) aufweist,
• - eine Überbrückungskupplung (70) mit einem Kupplungs­ element (72), welches mit dem Nabenbereich (34b) des Tur­ binenrads (34) zur gemeinsamen Drehung verbunden ist und wahlweise in Drehmomentübertragungsanbindung mit dem Gehäuse (12) bringbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidwechselwirkungsbereich (34a) mit dem Nabenbereich (34b) über eine Freilaufanordnung (46) verbunden ist, welche eine Relativdrehung zwischen dem Fluidwechselwirkungsbereich (34a) und dem Nabenbereich (34b) in nur einer Relativdrehrichtung zulässt.

2. Hydrodynamische Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (72) mit dem Nabenbereich (34b) über eine Torsionsschwingungsdämpferanord­ nung (74) verbunden ist.

3. , Hydrodynamische Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidwechselwirkungsbereich (34a) eine Turbinenradschale (36) aufweist, welche am Nabenbereich (34b) axial oder/und radial gelagert ist.

4. Hydrodynamische Kopplungseinrichtung (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Lageranordnung (52), vorzugsweise Gleitlager (52), über welche die Turbinenradschale (36) am Nabenbe­ reich (34b) axial und radial gelagert ist.