DE2542972C2 - Hydrodynamischer Drehmomentwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Drehmomentwandler nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein solcher Drehmomentwandler kann als Zentripetalwandler aus drei Rädern, nämlich aus Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad, oder aus vier Rädern, nämlich aus Pumpenrad, Turbinenrad und zwei Leiträdern, bestehen.

Es sind durch die DE-PS 6 13 838 und dessen Zusatz-Patentschriften 6 16 042 und 6 17 173 sowie die DE-PS 10 69 977 Drehmomentwandler der eingangs genannten Art bekannt, die eine Aufteilung des Turbinenrades in Haupt- und Hilfsschaufeln aufweisen.

Den Drehmomentwandlern nach den genannten

Patentschriften liegt die gemeinsame Aufgabe zugrunde, die im Wandlerbetrieb auftretenden Stoßverluste zu verringern, um den Wirkungsgrad des Wandlers über einen großen Betriebsbereich hinweg zu verbessern. Da die Stoßverluste einerseits von den gegebenen Eintrittswinkehi aller im Strömungskreislauf vorhandenen

ίο Schaufelräder, andererseits von den wechselnden Anströmrichtungen an diesen Radeintritten abhängig sind, letztere aber vom Ablauf der Strömungsvorgänge vorgegeben sind und kaum beeinflußt werden können, ohne andere Kennwerte mit zu beeinflussen, bleibt nur die Möglichkeit, die Schaufeleintrittswinkel aller Räder den jeweiligen Anströmverhältnissen bestmöglichst anzupassen.

Wegen der Schaufeleintrittswinkel von Pumpen- und Turbinenrad erübrigt sich eine Umgestaltung der Schaufeleintrittspartien bei den bekannten Drehmomentwandlern, weil dort die Änderung der Anströmrichtung über den ganzen Betriebsbereich nur in einem engen Winkelbereich erfolgt und damit der mögliche Gewinn an verbessertem Wirkungsgrad unverhältnismäßig gering gegenüber dem notwendigen Aufwand ist. Ungeteilte gegossene Profilschaufeln im Pumpenrad und Turbinenrad können wegen des gegebenen, engen Anströmwinkelbereichs am Pumpen- bzw. Turbineneintritt der Forderung nach Verringerung der Stoßverluste gut angepaßt werden.

Die wechselnden Anströmrichtungen am Leitradeintritt jedoch — hier ist mit Änderungen der Anströmrichtung bis zu maximal 140° zwischen Anfahrpunkt und Kupplungspunkt zu rechnen — lassen Maßnahmen im Sinne der bekannten Drehmomentwandler nach den genannten Patentschriften gerechtfertigt erscheinen, um die Stoßverluste am Leitradeintritt zu verringern und damit den Wirkungsgrad zu verbessern.

Aus der DE-AS 10 48 783 ist es bei einem gattungsfremden hydrodynamischen Drehmomentwandler mit im axialen Teil des Strömungsringes angeordneten Turbinenschaufeln bekannt, zur Verwendung des Drehmomentwandlers als Bremse ein hohes Bremsmoment dadurch zu erzielen, daß unter Verstellung der Turbinenschaufeln oder Teilen davon die Turbine bei gleicher Drehrichtung wie im normalen Wandlerbetrieb im gleichen Sinne vie die Pumpe fördert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im

Schubbetrieb geringe Übertragungsfähigkeit der hydraulischen Drehmomentwandler zentripetaler Bauart der eingangs genannten Art zu erhöhen und damit die Bremsfähigkeit der Fahrzeuge mit voll- oder halbautomatischen Getrieben zu verbessern.

Diese Aufgabe ist durch die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Insbesondere wenn es sich bei dem Turbinenrad um eine Blechkonstruktion handelt, können die Hilfsschaufeln als Schaufelgitter ausgebildet sein, deren

bo Schaufeln sich in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung jeweils an einen Anschlag anlegen, der ihr Weiterverschwenken in der entsprechenden Drehrichtung verhindert. Eine solche Konstruktion wird dann vorgesehen, wenn sich die Schaufelgitter der Hilfsschaufein in einem gewissen Abstand von den Hauptschaufeln befinden. Befinden sich jedoch Teile der Hilfsschaufeln noch im Bereich der Hauptschaufeln, dann können die Anschläge entfallen und werden von einer der jeweils

benachbarten Hauptschaufeln gebildet. In dem Falle, in dem die Hauptschaufeln die Anschläge für die Hilfsschaufeln bilden, werden letztere zweckmäßigerweise auch länger ausgebildet als im anderen Falle.

Weiterhin können die Hilfsschaufeln — dies gilt insbesondere für ein gegossenes Turbinenrad — in Form von Schaufelstummeln ausgebildet sein, die auf der Einlauf- und der Auslaufseite auf einem dort frei drehbar abgeordneten Hilfsturbinenrad sitzen.

Eine sehr vorteilhafte Konstruktion ist bei gegossenen Turbinenrädern dadurch möglich, daß das Hilfsturbinenrad eine zwischen den Innenkanten der Einlaufseite und der Auslaufseite angeordnete Nabe hat, auf der die Schaufelstummel sowohl der Einlauf- als auch der Auslaufseite angebracht sind. Durch eine solche Konstruktion einer gemeinsam von beiden Hilfsschaufeln benutzten Nabe kann eine Nabe eingespart werden, da ja für jedes Hilfsturbinenrad eine Naoe vorhanden sein muß.

Für einen guten Wirkungsgrad der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn das Profil der Hilfsturbinenschaufeln so ausgebildet ist, daß die »Trennfläche« zwischen Hilfsturbinenschaufelstummeln und Hauptturbinenschaufel einen Winkel β von 80 bis 120 Grad zur Umfangsricchtung bildet.

Wie schon erwähnt, kehrt sich im Schubbetrieb, wenn das Fahrzeug vom Motor abgebremst wird, die Umlaufströmung im Zentripetalwandler um, so daß das Turbinenrad zur Pumpe wird. Bei dem erfindungsgemäßen Wandler wird nun der die Übertragungsfähigkeit des Wandlers bestimmende Schaufelaustrittswinkel der »Pumpe«, die im Normalbetrieb Turbine ist, (im Normalbetrieb entspricht also dem Schaufelaustrittswinkel der »Pumpe« der Eintrittswinkel der Turbinenschaufel) größer als 90°. Die »Pumpenschaufel« ist also rückwärts angestellt und damit verantwortlich für die stark reduzierte Übertragungsfähigkeit des Wandlers im Schub.

Die erfindungsgemäße Aufteilung des Turbinenrades ermöglicht nun mit verhältnismäßig geringem Aufwand die gewünschte Verbesserung der Übertragungsfähigkeit irn Schubbetrieb, ohne einen nachteiligen Einfluß auf die Kennlinien im Normalbetriebsbereich des Wandlers zu bewirken.

Ein mit der erfindungsgemäßen Art von Vorschaufeln an der Turbineneintrittskante ausgestatteter Drehmomentwandler bringt keine Verbesserung des Wirkungsgrades im Sinne der bekannten Ausführungen nach den genannten Patentschriften mii sich, da die sich im schon erwähnten engen Winkelbereich bewegenden Anströmungen am Turbinenradeintritt die im Sinne der Erfindung ausgebildeten Vorschaufeln nicht aus der dem Normalprofil entsprechenden Lage herausdrehen werden.

Weiden nun gemäß der Erfindung Hilfsschaufeln nicht nur an der Eintrittsseite, sondern auch an der Austrittsseite der Turbine vorgesehen, dann kann die Drehmomentübertragung im Schub gegenüber der einseitigen Anbringung von Hilfsturbinenschaufeln noch erhöht werden.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung entnommen werden können. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein gegossenes Turbinenrad mit einer auf einer Nabe sitzenden Hilfsschaufel, F i g. 2 und 3 Schnitte durch gegossene Schaufeln der

Turbine im Zug- und im Schubbetrieb,

F i g. 4 und 5 in schematischer Darstellung die Profile von Schaufeln des Leitrades, ties Turbinenrades mit Hilfsturbinenrad und des Pumpenrades im Zugbetrieb und im Schubbetrieb,

F i g. 6 und 7 aus Blech gefertigte Turbinenschaufeln im Zugbetrieb und im Schubbetrieb, wobei die Hilfsschaufeln an den Hauptschaufeln selbst anliegen und diese somit als Anschlag verwenden,

F i g. 8 und 9 aus Blech hergestellte Hauptturbinenschaufeln mit in größerem Abstand von ihnen angeordneten Hilfsturbinenschaufeln, die für jede Drehrichtung besondere Anschläge benötigen, im Zug- und im Schubbetrieb,

Fig. 10 einen Schnitt durch ein gegossenes Turbinenrad mit einer einzigen Nabe für Hilfsschaufeln auf der Einlauf- und auf der Auslaufseite,

Fig. 11 und 12 Schnitte durch Turbinenschaufeln an der Eintrittsseite im Zugbetrieb und im Schubbetrieb,

Fig. 13 und 14 Schnitt durch Turbinenschaufeln an der Auslaufseite im Zugbetrieb und im Schubbetrieb.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein gegossenes Turbinenrad 1 eines zentripetal durchströmenten hydrodynamischen Drehmomentwandlers dargestellt. An der Innenschale des Turbinenrades 1 ist eine Nabe 3 drehbar gelagert, die im Bereich der Eintrittskante 2 des Turbinenrades Hilfsschaufeln 4 trägt. Die Hilfsschaufeln liegen bei Zugbetrieb an der in F i g. 2 dargestellten Weise an der oberen Kante der Hauptschaufel 1 an. In F i g. 2 zeigen die Pfeile S die Strömungsrichtung und der Pfeil D die Drehrichtung des Turbinenrades beim Zugbetrieb des Wändlers an. Im Schubbetrieb wird die Strömungsrichtung S umgekehrt, wie in F i g. 3 angegeben ist. Dadurch werden die Hilfsschaufeln 4 an die in der Zeichnung untenliegende Kante der Hauptschaufel 1 angelegt. Die Drehrichtung D des Turbinenrades ist beim Zugbetrieb und beim Schubbetrieb die gleiche. Wie aus F i g. 3 weiterhin erkennbar ist, schließen die Trennflächen des Hilfsturbinenschaufelstummels mit der Umfangs- oder Drehrichtung des Wandlers einen Winkel von ca. 90° ein, der mit β bezeichnet ist. Bei richtiger Wahl der Trennfuge zwischen der Hilfs- und Hauptschaufel und des Winkels β entsteht beim Übergang von Zug- auf Schubbetrieb eine resultierende Umfangskraft auf die Hilfsschaufel 4, die so gerichtet ist, daß sich das Hilfsrad verdreht und die Hilfsschaufel an der Druckseite der Hauptschaufel zur Anlage kommt. Die »Trennfläche« zwischen Hilfs- und Hauptschaufel, die unter dem Winkel β zur Drehrichtung verläuft, legt jetzt die Richtung der Druckseite der Schaufel am Austritt fest und bewirkt, daß die Strömung das Rad unter einem steileren Winkel verläßt. Dadurch wird die Drehmomentaufnahme der jetzt als Pumpe arbeitenden Turbine erhöht, wobei durch die Variation des Winkels die Momentaufnahme in gewissen Grenzen verändert werden kann. Beim Übergang zum Zugbetrieb wechseln die Schaufelkräfte ihre Richtung, und die Hilfsschaufeln werden wieder in ihre Normallage beim Zugbetrieb zurückgedreht, wie in Fig.2 dargestellt ist. Die Verdrehung der Hilfsschaufeln erfolgt selbsttätig durch die Strömungskräfte.

I'i den F i g. 4 und 5 sind zur leichteren Erkennbarkeit des Gesamtaufbaues der Schaufeln diese schematisch dargestellt. F i g. 4 zeigt die Schaufeln des Leitrades L, des Turbinenrades Γ mit der Hilfsbeschaufelung Wund des Pumpenrades Firn Zugbetrieb. Außerdem sind die Strömungsrichtung S und die Drehrichtungen D von Turbinenrad und PumDenrad aneeeeben. F i e. 5 dase-

gen zeigt die Beschaufelung beim Schubbetrieb. Im Gegensatz zu F i g. 4 liegt nunmehr das Hilfsturbinenrad H auf der anderen Seite der Turbinenschaufel an. Außerdem ist erkennbar, daß nunmehr das Turbinenrad als Pumpenrad und das Pumpenrad nunmehr als Turbinenrad wirken, wobei die Drehrichtungen bei umgekehrter Strömungsrichtung die gleichen geblieben sind. Die Abströmung der im Schubbetrieb als Pumpe arbeitenden Turbine wird steiler, als ohne die verstellbare Hilfsschaufel, so daß die Drehmomentaufnahme im Schubbetrieb entsprechend größer wird. Durch Umkehr der Strömungsrichtung vom Schubbetrieb zum Zugbetrieb werden die Hilfsschaufeln, wie gewünscht, selbsttätig an die andere Seite des Turbinenrades angelegt.

In den Fig.6 und 7 ist eine andere Ausführung im Zug- und Schubbetrieb dargestellt, bei der ein Blechturbinenrad verwendet worden ist. Die Beschaufelung des Turbinenrades wird durch ein Hauptschaufelgitter 5 und durch ein Hilfsschaufelgitter 6 gebildet. Die Hilfsschaufeln sind jeweils um Zapfen 7 verschwenkbar. Die Hilfsschaufeln 6 werden je nach der Strömungsrichtung S an die eine oder die andere Seite der Hauptschaufeln 5 angelegt. Da sich die Hilfsschaufeln an den Hauptschaufeln anlegen, brauchen sie keine besonderen Anschläge.

Anders ist es dagegen bei einer Ausführung nach den F i g. 8 und 9. Auch dort sind Hauptschaufeln 8 und Hilfsschaufeln 9 im Zugbetrieb und im Schubbetrieb dargestellt. Im Zugbetrieb stellen sich die Schaufeln in Strömungsrichtung oder liegen am Anschlag 10a an, wie in F i g. 8 dargestellt ist, und haben keine verschlechternde Wirkung auf die Wandlerkennlinie. Im Schubbetrieb kehrt sich gemäß F i g. 9 die Strömungsrichtung S um, und die jetzt auf die Hilfsschaufeln 9 wirkenden Strömungskräfte verdrehen diese in die in Fig. 9 dargestellte Richtung. Die Schwenkbewegung der Hilfsschaufeln 9 wird in diesem Falle durch einen Anschlag 10b begrenzt, der ein Weiterverschwenken der Hilfsschaufeln 9 verhindert. Die in der in Fig.9 dargestellten Lage stehenden Hilfsschaufeln bewirken ein steileres Abströmen der Strömung und damit ein größeres aufgenommenes Moment der zur Pumpe gewordenen Turbine.

In Fig. 10 ist wiederum eine Turbinenbeschaufelung im Schnitt dargestellt. Das Hauptturbinenrad 11 ist gegossen und trägt an der Innenschale zwischen den Innenseiten der Einlaufseite 12 und der Auslau seite 13 eine Nabe 14. Diese Nabe trägt auf der Einlaufseite Hilfsschaufeln 15 und auf der Auslaufseite nochmals Hilfsschaufeln 16. Diese Hilfsschaufeln können sich unter dem Einfluß der Strömung S gemeinsam mit der

is Nabe 14 verdrehen und legen sich im Schubbetrieb an anderen Seiten der Hauptschaufeln an als im Zugbetrieb.

In den Fig. 11 und 12 sind die Einlaufseiten im Bereich der Schaufeln des Hauptturbinenrades 11 mit den Hilfsturbinenschaufeln 15 dargestellt. In Fig. 12, den Schubbetrieb darstellend, ist die Strömungsrichtung 5 gegenüber F i g. 11 umgekehrt. Durch die Umkehr der Strömungsrichtung 5 werden die Hilfsschaufeln 15 an die jeweils andere Seite der Hauptschaufeln angelegt.

In den Fig. 13 und 14 sind die Auslaufseiten im Bereich der Schaufeln des Turbinenrades 11 mit den Hilfsschaufeln 16 dargestellt. Auch hier werden die Schaufelstummeln 16 durch die Umkehr der Strömungsrichtung 5 jeweils von der einen Seite der Turbinenschaufeln an die andere Seite derselben zur Anlage gebracht.

Die gleichzeitige Verwendung von Hilfsschaufeln auf der Einlauf- und der Auslaufseite des Turbinenrades bewirkt eine stärkere Anhebung der Übertragungsfähigkeit des Wandlers im Schubbetrieb als die Verwendung von Hilfsschaufeln nur auf der Einlaufseite des Turbinenrades.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hydrodynamischer Drehmomentwandler, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens einem Leitrad, einem zentrifugal durchströmten Pumpenrad und einem zentripetal durchströmten Turbinenrad und mit durch Hilfsschaufeln in Abhängigkeit von der Anströmrichtung veränderbarer Beschaufelung, die je nach Strömungsrichtung im Hinblick auf die Hauptschaufeln verschiedene Stellungen einnehmen und die so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie sich der Strömungsrichtung des Strcmungsmittels zufolge einstellen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Bremskrafterhöhung im Schubbetrieb die Hilfsschaufeln (4,6, 9,15) an der Turbineneinlaufseite so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie nur bei Umkehr der Strömungsrichtung im Wandler einer Verstellbewegung ausführen und dadurch den relativen Abströmwinkel an dieser Schaufelstelle mehr in Richtung zur Turbinenumfangsgeschwindigkeit verändern.

2. Hydrodynamischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaufeln (4, 6, 9, 15, 16) als Schaufelgitter ausgebildet sind, deren Schaufeln sich in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung jeweils an einen Anschlag (1, 5, 10, 11) anlegen, der ihr Weiterverschwenken in der entsprechenden Drehrichtung verhindert.

3. Hydrodynamischer Drehmomentwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (1, 5, 11) von einer benachbarten Hauptschaufel gebildet wird.

4. Hydrodynamischer Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaufeln (4,15, 16) in Form vonSchaufelstummeln ausgebildet sind, die auf der Einlauf- (2,12) und der Auslaufseite (13) auf einer im Bereich der Innenschale des Hauptturbinenrades frei drehbar angeordneten Hüfsturbinenradnabe(14) sitzen.

5. Hydrodynamischer Drehmomentwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsturbinenrad eine im Bereich der Innenschale des Hauptturbinenrades zwischen der Einlaufseite (2, 12) und der Aus'.aufseite (13) angeordnete Nabe (14) hat, auf der die Schaufelstummel (4, 15, 16) der Einlauf- und der Auslaufseite angebracht sind.

6. Hydrodynamischer Drehmomentwandler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil der Hilfsturbinenschaufeln (4, 15, 16) so ausgebildet ist, daß die »Trennfläche« zwischen dem Hilfsturbinen-Schaufelstummel und der Hauptturbinenschaufel (1, 11) einen Winkel β von 80° bis 120° zur Umfangsrichtung einschließen.