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Die Erfindung bezieht sich auf zweistufige hydrodynamische Drehmomentwandler, mit einem radial nach aussen durchströmten Pumpenschaufelring, zwei im radial einwärts durchströmten Kreislaufabschnitt in Serie liegenden Turbinenschaufelringen und einem zwischen den Turbinenschaufelringen liegenden Leitschaufelring, wobei der Ablenkwinkel des Leitschaufelringes zwischen 25 und 500 und der Ablenkwinkel des in Strömungsrichtung gesehen zweiten Turbinenschaufelringes zwischen 40 und 650 liegen. Ein solcher Wandler ist beispielsweise aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 690,054 bekannt.
Mit einer derartigen Beschaufelung ausgerüstete hydrodynamische Drehmomentwandler habenheute bezug- lich Leistungsgüte und Wirkungsgrad einen hohen konstruktiven Entwicklungsstand erreicht, dessen Verwirklichung jedoch äusserste Präzision in der Fertigung verlangt und dementsprechend hohe Werkzeugkosten mit sich bringt. Um trotzdem denGestehungspreis des einzelnen Wandlers niedrig zu halten, müssen die Werkzeugkosten im Serienbau auf möglichst grosse Stückzahlen umgelegt werden. Dies bedingt, dass eine bestimmte Wandlergrösse für einen weiten Bereich unterschiedlicher maximaler Eingangsleistungen und maximaler Eingangsdrehzahlen verwendet werden kann.
Zur Lösung des vorstehenden Problems ist es bekannt, das Leistungsaufnahmevcrmögen des Wandlers durch Vorschaltung eines seine Eingangsdrehzahl ändernden Getriebes der jeweiligen maximalen Leistung des Antriebsmotors anzupassen oder durch eine auf den Einzelfall abgestimmte Drehmomentverzweigung nur einen Teil der gesamten Motorleistung über den Wandler zu fUhren, was in beiden Fällen die weitgehende Verwendung einer einzigen Wandler-Grundgrösse ermöglicht. Beide Lösungswege haben jedoch ihre Nachteile. Die Anwendung eines mechanischen Getriebes macht die Getriebeanordnung teuer, da Drehschwingungsprobleme auftreten, die eine besondere Beachtung und besondere Vorkehrungen zur Absorption und Dämpfung dieser Schwingungen erfordern sie ist deshalb grundsätzlich auf Schienenfahrzeuge beschränkt.
Die Drehmomentverzweigung kommt demgegenüber praktisch nur bei Antrieben für Lastkraftwagen und Erdbewegungsfahrzeuge in Betracht, wo sie eine einfache Lösung fUr die im Zusammenhang mit dem Direktantrieb auftretenden Probleme bei der Anpassung des Getriebes an die Motordaten liefert.
Die Hersteller von Drehmomentwandlernsind deshalb genötigt, mehrere verschiedene Grundgrössen vorzusehen, deren Staffelung und somit Anzahl von dem von jeder Grösse überdeckbaren Bereich verschiedener Kombinationen von maximalen Eingangsleistungen mit maximalen Eingangsdrehzahlen abhängt. Die Bezugsgrösse hiefür bildet das spezifische Drehmoment-auch Ms-Faktor genannt-, welches besagt, dass ein Schaufelsystem mit einem bestimmten Aussendurchmesser der das System aufnehmenden toroidförmigen Arbeitskammer bei einer Eingangsdrehzahl von vereinbarungsgemäss 1700 U/min im Umschaltpunkt dieses spezifische Drehmoment mit der gewünschten Leistungsgüte und dem angestrebten Wirkungsgrad primärseitig aufzunehmen vermag.
Jedes von irgendeinem Antriebsmotor bei einer beliebigen Drehzahl im Umschaltpunkt abgegebene Eingangs- drehmomentlässtsich unter Berücksichtigung bestimmter, fUr hydraulische Drehmomentwandler geltender mathematischer Zusammenhänge dann zunächst auf die vorgenannte Bezugsdrehzahl im Umschaltpunkt umrechnen und es lässt sich dann weiter der notwendige Durchmesser des Schaufelsystems im Vergleich zu dem Durch- rasser, auf den das spezifische Drehmoment bezogen ist, rechnerisch ermitteln.
Das spezifische Drehmoment eines Schaufelsystems, bei welchem Leistungsgüte und Wirkungsgrad den gestellten Anforderungen genügen, ist natürlich nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, sondern umfasst einen mehr oder weniger grossen Bereich. Die bekannten Wandler der eingangs genannten Art zeichnen sich durch einen vergleichsweise an und für sich bereits grossen Ms-Bereich von 40 bis 80 mkp aus. Diese grosse Spanne im Verhältnis von 1 : 2 ist eine Folge des verwendeten zweistufigen Schaufelsystems, bei dem sowohl der Pumpenschaufelring wie auch die Turbinenschaufelringe in radial gerichteten Abschnitten des toroidförmigen Strömungskreislaufes liegen.
Er wird weiterhin dadurch erhalten, dass man die ideellen Ablenkwinkel - das sind die Winkel zwischen der optimalen relativenEintittsrichtung der Strömung in die zwischen den Schaufeln befindlichen Kanäle der einzelnen Schaufelringe und der Austrittsrichtung am Schaufelende - und die Abströmwinkel - das sind die Winkel, unter denen die Strömung den zwischen den Schaufeln eines Schaufelringes gebildeten Kanal am Schaufelende im Verhältnis zur Verbindungslinie zwischen den Enden der den jeweiligen Kanal bildenden Schaufeln wieder verlässt-für die erste Turbinenstufe, das Leitrad und die zweite Turbinenstufe innerhalb bestimmter Grenzen hält, wobei die Pumpenschaufeln den innerhalb der Grenzen ausgewählten Werten anzupassen sind.
Alle Versuche, diese auf Erfahrung beruhenden Grenzen zu überschreiten, hatten bisher stets zu einem erheblichen Absinken der LeistungsgUte bzw. des Wirkungsgrades geführt, so dass sich der Fachmann gezwungen sah, die aufeinanderfolgenden Grössen innerhalb einer Wandlerbaureihe verhältnismässig eng zu staffeln,
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wandler der eingangs genannten Art mit geringstmöglichem Aufwand derart abzuändern, dass das übertragbare spezifische Drehmoment wesentlich vergrössert wird und hiedurch eine wesentlich grössere Staffelung der einzelnen Wandlergrössen innerhalb einer Baureihe erhalten wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein solcher Wandler derart ausgebildet, dass der erste Turbinenschaufelring einen Ablenkwinkel zwischen 90 und 1150 aufweist und dass die Abströmwinkel der Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes zwischen 29 und 380, des Leitschaufelringes zwischen 32 und 410 und des zweiten Turbinenschaufelringes zwischen 50 und 620 liegen.
Durch die vorstehenden Änderungen gelingt es, den Ms-Bereich von bisher 40 bis 80 mkp nunmehr bis auf 140 mkp als obere Grenze, d. h. also vom Doppelten auf das
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Dreieinhalbfache auszuweiten, ohne dass dadurch die Leistungsgüte und der Wirkungsgrad unter die gestellten
Bedingungen absinken und ohne dass hiezu etwa das gesamte Schaufelsystem geändert bzw. vergrössert werden müsste. An einem Beispiel ausgedrückt, bedeutet dies, dass in einem Bereich von 40 bis 140 PS Eingangsleistung bei 1700 U/min im Umschaltpunkt und letztlich dieselbe Wandlergrösse lediglich unter Austausch nur ein- zelner Schaufelringe, und ebenso dieselbe Wandlergrösse für eine Eingangsleistung von 140 PS bei sowohl einer Eingangsdrehzahl von 1700 U/min wie 2600 U/min im Umschaltpunkt Verwendung finden kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung beträgt für die Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes das Verhältnis zwischen dem Radius der Einlasskante zur grössten Länge der Schaufelblätter in Strömungsrichtung
0, 13 bis 0,14, wobei es weiterhin vorteilhaft ist, dass für die Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes das Verhältnis der grössten Schaufelstärke, im rechten Winkel zur Längserstreckung gemessen, gegenüber der grössten Schaufellänge in Strömungsrichtung mit etwa 0, 45 bemessen wird.
Nach einem ändern Merkmal zur vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Einlasskante der Pumpenschaufelblätter einen grösseren Radius auf als die Auslasskante der Schaufelblätter des zweiten Turbinenschaufelringes.
Schliesslich ist es bei der Verwirklichung der Erfindung zweckmässig, dass in bekannter Weise die Schaufelblätter sämtlicher Schaufelringe im wesentlichen nur zweidimensional gewölbt sind.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen der Erfindung zugrundeliegenden zweistufigen hydrodynamischen Drehmomentwandler, Fig. 2 bis 5 Querschnitte durch die Schaufeln des Wandlers nach Fig. 1 gemäss den dort mit römischen Zahlen bezeichneten Schnittlinien, Fig. 6 einen Querschnitt durch zwei dem höheren Bereich des spezifischen Drehmoments angepasste Pumpenschaufelblätter, Fig. 7 einen Querschnitt durch zwei Schaufeln des ersten Turbinenschaufelringes mit einem Ablenkwinkel und einem Abströmwinkel gemäss der Erfindung, Fig. 8 ein Diagramm, aus dem die Breite des Anwendungsgebietes eines Drehmomentwandlers nach der Erfindung hervorgeht, und Fig.
9 über dem Drehzahluntersetzungsverhältnis aufgetragene Wirkungsgradkurven für eine bestimmtewandlergrösse beim untersten bisher erreichbaren spezifischen Drehmoment (ausgezogene Linie) und beim obersten durch die Erfindung erreichbaren spezifischen Drehmoment (strichpunktierte Linie).
Der in Fig. 1 dargestellte Drehmomentwandler gehört zum Typ der Wandler mit rotierendem Gehäuse und zwei Stufen. Das rotierende Gehäuse --10-- bildet das Primärglied, welches um eine mit --A-- bezeichnete Achse von einem (nicht dargestellten) Antriebsmotor gedreht wird. Das Gehäuse --10-- trägt einen Ring von Pumpenschaufelblättem-12--, die mit einem inneren Kernringelement --14-- verbunden sind.
Letzteres sowie ein weiteres Kemringelement-20-- sind bei-54-- gegeneinander abgedichtet. Auf einer Hohlwelle --16-sitzt ein Turbinenrad --16a--, das einen Ring sekundärer Turbinenschaufeln --18-- trägt, welche an ihren inneren Enden in das Kemringelement-20-übergehen, das zusammen mit dem Kemringelement --14-- eine toroidförmige Kammer --54a-- bildet. Das Kemringelement-20-- trägt weiterhin einen Ring primärer Turbinenschaufelblätter, deren andere Enden am Flanschteil --22a-- eines Turbinenseitenringes --48-- befestigt sind.
Letzterer ist von einer Trägerscheibe --24-- eines Leitschaufelringes --26-- durch einen Zwischenraum - getrennt und bei --50-- gegen das rotierende Wandlergehäuse-10-- abgedichtet. In axialer Richtung befindet sich zwischen dem Seitenring --48-- und dem Gehäuse --10-- ein Zwischenraum --56--.
Die primären Schaufelblätter - -22 - - bilden die erste Turbinenstufe und die sekundären Schaufelblätter - -18 -- die zweite Turbinenstufe. Der dazwischen befindliche Leitschaufelring --26-- mit seiner Trägerscheibe --24-- kann zu jeder Zeit gegen Drehung in eine beliebige Richtung festgehalten werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Leitschaufelring --24-- unter bestimmten Betriebsbedingungen in einem bestimmten Drehzahlverhältnis und in einer bestimmten Richtung zu den Turbinenschaufelringen umläuft, wie dies beispielsweise aus der USA-Patentschrift Nr. 3, 005, 359 bekannt ist. Derartige Drehmomentwandler werden üblicherweise als Doppelrotationswandler bezeichnet.
Die getroffene Anordnung mit dem Pumpenschaufelring im nach aussen gerichteten Strömungsabschnitt und den Turbinenschaufelringen und dem Leitschaufelring im einwärts gerichteten Strömungsabschnitt gestattet, die Form und Grösse der Pumpenschaufel in weiten Grenzen zu variieren, so dass die Drehmomentaufnahme des Pumpengliedes und damit der Ms-Faktor ohne Änderung der Turbinenseite geändert werden können.
In den Fig. 2 bis 7 stellen Cl den Auslass- oder Abströmwinkel der verschiedenen Schaufelringe und b den Kleinstabstand zwischen benachbarten Schaufelblättern des gleichen Schaufelringes, d. h. mit andern Worten den engsten Teil des Strömungskanals zwischen zwei benachbarten Schaufelblättern desselben Ringes dar. Der Winkel et wird gemessen zwischen einer Geraden XY (s. Fig. 6) und der Verbindungslinie zwischen den Enden der den Strömungskanal begrenzenden Schaufeln.
Die Gerade XY stellt die durch die Auslasskante eines bestimmten Schaufelblattes gezogene Tangente an einen Kreis mit dem Radius b um die im Abstand p versetzte Auslasskante des benachbarten Schaufelblattes dar,
In den Fig. 3 bis 5 ist die Richtung der in die Leit-bzw. Turbinenschaufelringe beim Anfahren aus dem Stand, d. h. also bei drehendem Pumpenteil und feststehendem Turbinenteil, eintretenden Flüssigkeit durch die Pfeilrichtung Ist gekennzeichnet, wohingegen die Pfeile ism die Richtung der relativen Eintrittsgeschwindigkeit im Umschaltpunkt darstellen" Der zwischen diesen beiden Richtungen eingeschlossene Winkel y umgreift den
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normalerweise benutzten Betriebsbereich. Die optimale relative Eintrittsrichtung ist mit 10 gekennzeichnet.
In Fig. 5 ist zur Charakterisierung der abgerundeten Einlasskanten der dortdargestelltensekundXren Turbinenschaufeln ein Radius r eingetragen, obgleich die Kreisbogenform mit bezug auf den Mittelpunkt 0 nur grundsätzlich gilt und Abweichungen möglich sind. Als Einlassbereich der Schaufelblätter wird derjenige Bereich angesehen, welcher sich einlassseitig einer durch den Mittelpunkt 0 gezogenen Linie S befindet, die senkrecht auf der optimalen Einlassrichtung 10 steht. Desweiteren sind zur Bezeichnung der Länge der Schaufelblätter in
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7 mitFig. 3Einlass- und Auslassrichtung der ersten Turbinenstufe bei der Wandlerausführung nach der Erfindung (Fig. 7) von dem eines bekannten Wandlers (Fig. 3) erheblich abweicht.
Demgegenüber bleibt er bei der zweiten Turbinenstufe (Fig. 5) trotz der erfindungsgemässen Vergrösserung des Winkels (x im wesentlichen unverändert. Weiterhin zeigt der Vergleich zwischen der Fig. 2 und der Fig. 6, dass die Pumpenschaufelprofile im höheren Ms-Bereich (Fig. 6) einen grösseren Radius der Auslasskante und/oder einen grösseren Abströmwinkel ex aufweisen als im niedrigen Ms-Bereich (Fig. 2).
Gleichzeitig ist der Einlassbereich des Pumpenschaufelringes im höheren Ms-Bereich (Fig. 6) für eine grössere Durchflussmenge an Arbeitsflüssigkeit ausgelegt,
Die nachstehende Tabelle gibt die Kombinationen der Werte für den Ablenkwinkel cb und den Abströmwinkel a für den niedrigen Ms-Bereich bei den bekannten Wandlern und den hohen Ms-Bereich bei dem Wandler nach der Erfindung auf der Turbinenseite wieder :
EMI3.2
<tb>
<tb> niedriger <SEP> Ms-Bereich <SEP> hoher <SEP> Ms-Bereich
<tb> (40 <SEP> - <SEP> 80) <SEP> (bis <SEP> 140) <SEP>
<tb> c & <SEP> [o] <SEP> < x <SEP> [o] <SEP> $ <SEP> [o] <SEP> cx <SEP> [o] <SEP>
<tb> Min. <SEP> Max. <SEP> Min. <SEP> Max. <SEP> Min. <SEP> Max. <SEP> Min. <SEP> Max.
<tb>
1. <SEP> Turbinenstufe <SEP> 50 <SEP> 90 <SEP> 22 <SEP> 28 <SEP> 90 <SEP> 115 <SEP> 29 <SEP> 38
<tb> Leitrad <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 28 <SEP> 38 <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> 32 <SEP> 41
<tb> 2. <SEP> Turbinenstufe <SEP> 40 <SEP> 65 <SEP> 48 <SEP> 58 <SEP> 40 <SEP> 65 <SEP> 50 <SEP> 62
<tb>
Aus den Fig. 3 und 7 lässt sich weiterhin entnehmen, dass bei zunehmendem Ms-Faktor der Wert des Winkels y abnimmt. Ferner ändert sich auch die mittlere Eintrittsrichtung, weshalb man das Blatt Profil dahingehend anpasst, dass nicht nur der Ablenkwinkel-D, sondern auch das Verhältnis zwischen dem Einlasskantenradius und der Schaufelblattlänge der ersten Turbinenstufe gegenüber dem normalen Ms-Bereich vergrössert wird.
Für den unterenMs-BereichObisSOmkp) galt üblicherweise ein prozentuales Verhältnis von r/w von 11%. Dieses Ver- hältnis wird für den hohenMs-Bereich (80 bis 140 mkp) zweckmässig auf 13 bis 140/0 vergrössert, während gleichzeitig auch das Verhältnis der Stärke der Schaufelblätter zu ihrer Länge in Strömungsrichtung von 35 auf ungefähr 45% ansteigt. Unter der Stärke der Schaufelblätter wird dabei die grösste Querschnittsbreite im rechten Winkel zur Längserstreckung verstanden.
Durch Anpassung des Schaufelblattprofils in der aufgezeigten Weise ist es möglich, unter Beibehaltung der Wandlergrösse die Pumpenleistung zu steigern, gleichzeitig aber die bisher dann unvermeidlich auftretenden Verluste in den übrigen Stufen dadurch zu vermeiden, dass deren Bereiche besseren und schlechteren Wirkungsgrades gegeneinander ausgeglichen werden. Dabei lassen sich sogar die Verluste der ersten Stufe trotz der Tatsache, dass diese im höheren Ms-Bereich eine proportional grössere Leistung aufnimmt, senken und zum Teil auch die erhöhten sogenannten Ventilationsverluste ausgleichen. Bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Drehmomentwandlerwerden grundsätzlich zweidimensionale Schaufelblätter in sich verjüngender Form gemäss der Darstellung in Fig. 1 verwendet.
Die mit Hilfe der Erfindung erzielte Erweiterung des Ms-Bereiches führt jedoch nicht zu einer Verminderung des Wirkungsgrades, sondern hat im Gegenteil völlig unerwartet den erreichbaren Wirkungsgrad gesteigert, wie dies die weiter unten erläuterte Fig. 9 veranschaulicht.
Fig. 8 zeigt die Ausdehnung des Ms-Bereiches durch die Erfindung, wobei deutlich wird, in welchem Masse dadurch dem Fachmann die Möglichkeit an die Hand gegeben wird, mit einzelnen Grundgrössen von Drehmomentwandlern einen grossen Bereich verschiedener Antriebsmaschinen zu erfassen, u. zw. einfach derart, dass der hydrodynamische Drehmomentwandler ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Getriebes und auch ohne Anwendung einer Drehmomentverzweigung unmittelbar mit dem Antriebsmotor gekuppelt wird.
Fig. 9 zeigt zwei die Leistungsfähigkeit charakterisierende Wirkungsgradkurven. Die ausgezogene Kurve ist der Wirkungsgrad an der unteren Granze Ms =40 mkp in dem bisher erreichbaren niedrigen Ms-Bereich (in Fig. 8 das Feld If), und die strichpunktierte Linie stellt den Wirkungsgrad an der oberen Grenze Ms = 140 mkp des erfindungsgemäss erzielbaren hohen Ms-Bereiches (in Fig. 8 das Feld hf) dar. Dabei ist ersichtlich, dass das Dreh-
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wert des Wirkungsgrades im hohen M : g- Bereich höher.
PATENTANSPRÜCHE :'
1. Zweistufiger hydrodynamischer Drehmomentwandler, mit einem radial nach aussen durchströmten Pumpenschaufelring, zwei im radial einwärts durchströmten Kreislaufabschnitt in Serie liegenden Turbinenschaufelringen und einem zwischen den Turbinenschaufelringen liegenden Leitschaufelring, wobei der Ablenkwinkel des Leitschaufelringes zwischen 25 und 50 und der Ablenkwinkel des in Strömungsrichtung gesehen zweiten Turbinenschaufelringeszwischen40und65 liegen, dadurch gekennzeichnet, dassderersteTurbinen- schaufelring (22) einen Ablenkwinkel (4 ?) zwischen 90 und 1150 aufweist und dass die Abströmwinkel (a) der Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes (22) zwischen 29 und 380, des Leitschaufelringes (26)
zwischen 32 und 410 und des zweiten Turbinenschaufelringes (18) zwischen 50 und 620 liegen.