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Die Erfindung bezieht sich auf einen hydrodynamischen Drehmomentwandler mit zwei oder drei
Turbinenstufen, bei dem das Schaufelsystem aus einem Pumpenschaufelring, zwei oder drei Turbinen- schaufelringen und einem oder zwei Leitschaufelringen besteht, wovon der zweite bzw. dritte Turbinen- schaufelring in der Strömungsrichtung unmittelbar vor dem Pumpenschaufelring angeordnet ist, und bei dem ein oder mehrere Turbinenschaufelringe verändert werden können, während die restlichen Teile der
Turbine unverändert bleiben, um verschiedene Antriebscharakteristika zu erreichen.
Hydrodynamische Drehmomentwandler, bei welchen die Winkellage der Schaufeln der zweiten Turbine einstellbar sind, sind bekannt. Derartige Einstellungen dienen der Verbesserung des Wirkungsgrades. Ein solcher bekannter Drehmomentwandler, wie er beispielsweise in der DE-OS 1625051 beschrieben ist, weist aber eine hohe Momentneigung auf. Aus der AT-PS Nr. 135918 ist gleichfalls eine Anordnung zu entnehmen, bei welcher das Schaufelsystem eine hohe Eingangsmomentneigung aufweist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine spezielle Änderung der Drehmoment- charakteristik zu erzielen, nämlich eine Änderung der Eingangsdrehmomentcharakteristik, bei einem
System, das normalerweise eine hohe Momentneigung aufweist.
Die Wahl der Eingangsdrehmomentcharakteristik eines Drehmomentwandlers für ein bestimmtes
Anwendungsgebiet hängt nicht nur von der Art des zu verwendenden Motors ab, sondern auch von den
Beziehungen zwischen der für das Fahrzeug benötigten Höchstdrehzahl, der maximalen kW-Leistung des Motors und dem Gewicht des voll beladenen Fahrzeuges. Obwohl den vorstehend genannten Faktoren gewöhnlich die grösste Bedeutung zugemessen wird, haben andere Faktoren, insbesondere die Anwen- dungsgebiete, entscheidenden Einfluss auf die gewünschte Eingangsdrehmomentcharakteristik.
So ist z. B. bei einem Anwendungsgebiet, wo ein hoher Prozentsatz der Motorleistung während des Fahrens des Fahrzeuges für Zusatzeinrichtungen benötigt wird, eine steile Eingangsdrehmoment- charakteristik ungeeignet, da das an sich, wie nachfolgend noch erläutert wird, den Prozentsatz der Leistung, der während des Fahrens des Fahrzeuges verfügbar ist, ohne dass der Motor abgedrosselt wird, begrenzt. Bisher wurden verschiedene Eingangsdrehmomentcharakteristiken durch Verwendung verschie- dener Schaufelanordnungen erzielt, jedoch konnten für eine bestimmte Schaufelanordnung nur verhältnismässig kleine Veränderungen der Eingangsdrehmomentcharakteristiken erhalten werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen hydrodynamischen Drehmomentwandler der oben angeführten Art zu schaffen, wobei sich durch einfache Mittel eine wesentliche Änderung der Eingangsdrehmomentcharakteristik bei irgendeinem bestimmten Drehmomentwandler erreichen lässt. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, dass zur Erreichung verschiedener Eingangsdrehmomentcharakteristika die Schaufeln des letzten Turbinenschaufelringes unter einem radialen oder einem gegenüber den Schaufeln der oder des vorhergehenden Turbinenschaufelringe (s) negativen Austrittswinkel angeordnet sind,
wobei für die Erreichung einer mittleren Eingangsdrehmomentcharakteristik Schaufeln mit radialem Austrittswinkel und zur Erreichung einer niederen Eingangsdrehmomentcharakteristik Schaufeln mit negativem Austrittswinkel gegenüber den Schaufeln der oder des vorhergehenden Turbinenschaufelringe (s) vorgesehen sind, und der Strom des den letzten Turbinenschaufelring verlassenden Strömungmittels in Drehrichtung des Pumpenschaufelringes gerichtet ist.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigen Fig. 1 ein Drehmomentabsorptionsdiagramm eines Drehmomentwandlers, dessen Schaufelsystem ortsfeste Schaufeln vor der Pumpe in Strömungsrichtung aufweist, Fig. lA sechs verschiedene Arten eines Drehmomentwandlers und deren Drehmomentabsorptionscharakteristika, Fig. 2 ein normales Drehmomentabsorptionsdiagramm eines Drehmomentwandlers, dessen Schaufelsystem eine Turbine vor dem Pumpeneingang in der Arbeitskammer aufweist, Fig. 2A einen Längsschnitt durch einen herkömmlichen Drehmomentwandler des Bautyps, der üblicherweise als"S. R.
M"-Drehmomentwandler bezeichnet ist, Fig. 3 ein Diagramm der auf die verschiedenen Beschleunigungen des Motors zurückzuführenden Ausgangsleistungsreduktion, Fig. 4 ein vergleichendes Leistungsdiagramm, welches die bei Beschleunigung eines bestimmten Fahrzeuges erhaltene Zugkraft zeigt, Fig. 5 ein entsprechendes Diagramm, das einen bei konstanten Geschwindigkeitsbedingungen gewonnenen Vergleich zeigt, Fig. 6, 7 und 8 Eingangsdrehmomentdiagramme über verschiedene Drehzahlen, wobei Fig. 6 ein hohes Eingangsdrehmomentverhältnis zeigt, Fig. 7 ein mittleres Eingangsdrehmomentverhältnis und Fig. 8 ein niedriges Eingangsdrehmomentverhältnis, Fig. 9 die gegenüber dem Drehzahlverhältnis aufgetragene Drehmomentabsorption gemäss Fig. 6, 7 und 8, Fig.
10 einen gemäss der Erfindung
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abgeänderten Drehmomentwandler der Bauart der Patentinhaberin, Fig. 11 einen ebenfalls gemäss der
Erfindung geänderten Drehmomentwandler der Bauart der Patentinhaberin, Fig. 12 den zweidimensionalen
Teil der zweiten Turbinenschaufel aus Fig. 1 in ausführlicherer Darstellung, Fig. 12A einen Querschnitt durch den Mittelpunkt der Turbine gemäss Fig. 12, Fig. 12B eine Seitenansicht des ersten Teiles einer
Schaufel in dem zweiten Turbinenring, Fig. 12C und 12D verschiedene Schnitte gemäss den Linien 0, I, II,
III, IV und V aus Fig. 12B, Fig. 13 einen Querschnitt durch einen dreidimensionalen Teil der zweiten
Turbine, Fig. 13A, 13B und 13C Seitenansichten drei verschiedener dreidimensionaler Schaufelformen,
Fig.
13D, 13E und 13F Querschnitte entlang der Linien I bis IX wie in den Fig. 13A, 13B und 13C gezeigt.
Fig. 1 ist ein Diagramm und zeigt die Drehmomentabsorption bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und Drehgeschwindigkeitsverhältnissen zwischen der Drehgeschwindigkeit n2 der Abtriebswelle und der
Drehgeschwindigkeit nl der Antriebswelle eines Drehmomentwandlers, dessen Schaufelsystem eine ortsfeste
Schaufelreihe in der Arbeitskammer aufweist, welche dem Pumpeneingang Strömungsmittel zuführt und ein niedriges Eingangsdrehmoment liefert. Bei dem Drehgeschwindigkeitsverhältnis n2/nl ist nl die
Drehgeschwindigkeit der Pumpe und n2 die Drehgeschwindigkeit der Turbine. Fig. 1 zeigt auch die Drehmomentgeschwindigkeitscharakterik eines Motors, dem der Drehmomentwandler in geeigneter Weise angepasst ist und eine gewisse prozentuale Reduktion des Motordrehmomentes.
Dies beweist, dass bei einem niedrigen Verhältnis des Eingangsdrehmomentes ein grosser Prozentsatz der Leistung für Zusatzein- richtungen verwendet werden kann, wenn der Drehmomentwandler zum Fahren des Fahrzeuges angeschlossen ist, ohne dass der Motor abgewürgt wird.
Für die gegebenen Beispiele mit einem Scheitelpunkt von 0,8 sind 50% der Höchstleistung des Motordrehmomentes zum Antrieb der Zusatzeinrichtungen vorhanden, ohne dass der Motor abgewürgt wird.
Fig. lA zeigt sechs verschiedene Arten von Drehmomentwandlern, die zur Zeit von demselben Hersteller hergestellt werden und deren verschiedene Drehmomentabsorptionscharakteristiken zeigen, dass völlig verschiedene Schaufelsysteme verwendet wurden, um wesentliche Veränderungen der Eingangsdrehmomentcharakteristiken zu erhalten. Mit Mi wurde das Antriebsdrehmoment und mit M2 das Turbinendrehmoment bezeichnet. Bei den Typen 1, 4,5 und 6 handelt es sich jeweils um ein einstufiges drehbares Gehäuse. Die Type 2 weist ein dreistufiges feststehendes Gehäuse und die Type 3 ein einstufiges feststehendes Gehäuse auf.
Fig. 2 zeigt eine normale Drehmomentabsorption bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und Drehgeschwindigkeitsverhältnissen eines Drehmomentwandlers, dessen Schaufelsystem eine Turbine vor dem Pumpeneingang in der Arbeitskammer aufweist, um ein hohes Eingangsdrehmomentverhältnis zu erzeugen. Ferner zeigt Fig. 2 die Drehmomentkurven eines Motors, dem der Drehmomentwandler richtig angepasst ist und die Motordrehmomentkurve mit gesissen prozentualen Verringerungen. Dies beweist, dass auch bei einem Scheitelpunkt von 0, 8 nur 30% des maximalen Drehmomentes des Motors für Zusatzeinrichtungen verfügbar ist, bevor der Motor abgewürgt wird, und im Vergleich zur Leistung gesehen, ist der Unterschied noch grösser wegen des Drehgeschwindigkeitsunterschiedes gegenüber dem ausbalancierten Drehmomentteil.
Fig. 2A ist ein Querschnitt in Längsrichtung eines herkömmlichen Drehmomentwandlers, allgemein als "S. R. M."-Drehmomentwandler bezeichnet. Der Wandler hat ein drehbares und gespaltenes Gehäuse --1--, in welchem eine ringförmige Rammer-2-- four ein Arbeitsströmungsmittel enthalten ist. Die ringförmige Kammer besteht aus einem Abgangsteil, einem äusseren Übergangsbereich, einem Eingangsteil und einem inneren Übergangsteil, jeweils durch Pfeile --2A, 2B, 2C und 2D-- dargestellt. Die Pfeilrichtung zeigt die Strömungsrichtung der Strömungsmittel an, jedoch nicht die genaue Ausdehnung der entsprechenden Teile und Bereiche. Das Gehäuse ist mittels Keilnuten-1A-direkt oder indirekt mit einer Antriebsmaschine verbunden.
Die ringförmige Kammer enthält ein Schaufelsystem, bestehend aus einem Pumpenschaufelring--P--, der in dem Abgangsteil-2A-befestigt ist, während ein erster und zweiter Turbinenschaufelring-Tl und T2-- und ein Führungsschaufelring --G-- in dem Eingangsteil --2C-- angebracht sind. Die Schaufeln der Pumpe --P-- sind mit Teil-1B-des drehbaren Gehäuses-l-einstückig hergestellt und durch Schrauben --2E-- an dem Teil --3A-- eines inneren Kernes befestigt.
, Der erste Turbinenschaufelring --T1-- ist einstückig mit einem ringförmigen Element --T1A-hergestellt und in ähnlicher Weise sind die Führungsschaufeln des Führungsringes --G-- und der zweite
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Drehgeschwindigkeit hat. Eine derartige Anwendung würde einen Drehmomentwandler mit einer Eingangs- drehmomentcharakteristik erforderlich machen, die Motordrehzahl beim Abwürgen des Motors um mindestens 10% unterhalb des Punktes, wo die Motorenleistung sich bei verringerter Geschwindigkeit wesentlich zu verringern beginnt, drosselt.
Jedoch ist, wie oben erwähnt, die Motorcharakteristik an sich keine ausreichende Grundlage für die
Wahl der Eingangsdrehmomentcharakteristik eines Drehmomentwandlers. Wenn das Fahrzeug ein hohes
Verhältnis von kW-Leistung zur Höchstgewicht und eine verhältnismässig niedrige maximale Drehgeschwin- digkeit hat, dann beeinflussen die Beschleunigung und die Anpassungszeit für den Motor selbst die
Beschleunigung des Fahrzeuges derart, dass ein Drehmomentwandler-Schaufelsystem, das dem Motor eine sehr niedrige Abwürge- bzw. kritische Drehgeschwindigkeit erteitl, die beste Fahrzeugbeschleunigung ergibt.
Die vorstehenden Ausführungen werden an Hand von Beispielen erläutert :
Beim Start einer Diesellokomotive beschleunigt der Motor auf volle Geschwindigkeit nur während eines verhältnismässig geringen Teiles der Gesamtbeschleunigungszeit.
Aus diesem Grund sollte der Motor eine verhältnismässig hohe kritische bzw. Abwürge-Geschwindig- keit (stall speed) haben, welche dem Drehmomentwandler maximale Eingangsleistung während der gesamten
Beschleunigungszeit erteilt.
Jedoch muss auch der gewählte Motor Berücksichtigung finden. Wenn der Motor stark vorverdichtet ist, ist eine praktisch konstante Motordrehzahl während der Beschleunigung des Zuges geeignet. Hat dagegen der Motor eine praktisch konstante Leistung im Bereich von der Spitzendrehgeschwindigkeit bis herunter zu z. B. 80% der Spitzendrehgeschwindigkeit und im unteren Bereich einen günstigeren
Kraftstoffverbrauch, dann empfiehlt sich offensichtlich eine derartige Eingangsdrehgeschwindigkeitsentwicklung in bezug auf die Drehgeschwindigkeit bei voller Leistung, bei der eine kritische bzw.
Abwürgedrehgeschwindigkeit (die Drehgeschwindigkeit bei der ein Abwürgen und anschliessendes zum Stillstandkommen des Motors auftritt, wird im folgenden auch kritische oder Stillstandsgeschwindigkeit genannt) von zirka 75% oder sogar darunter erreicht wird. Für die Lokomotive ist offensichtlich eine Veränderung eines niedrigen Eingangsdrehmomentes durch den Drehmomentwandler normalerweise am geeignetsten, aber es ist eindeutig wünschenswert, dass der Benutzer einen Wandler mit dem richtigen Eingangsdrehmomentverhältnis wählen kann.
Handelt es sich dagegen um die Anwendung bei einem Triebwagen, wäre eine steilere Eingangsdrehmomentcharakteristik vorzuziehen, da die Beschleunigung des Triebwagens weniger laut vor sich gehen würde, aber auch weil eine bessere Ausnutzung der Motorleistung normalerweise eine Folge eines etwas höheren Eingangsdrehmomentverhältnisses des Drehmomentwandlers wäre als bei der Lokomotive.
Bei Erdbewegungsfahrzeugen erfordern offensichtlich andere Anwendungen auch andere Eingangsdrehmomentcharakteristiken, Im Fall eines Löffelbaggers z. B. ist eine niedrige Eingangsdrehmomentcharakteristik wie die für die Lokomotive die beste. Für einen Kipper, der ziemlich oft beschleunigt, ist anderseits eine ziemlich steile Eingangsdrehmomentcharakteristik wünschenswert. Wie für den Löffelbagger benötigt man für den Hubtransporter, der viele Hebevorgänge ausführt und oft beschleunigt wird, ebenfalls eine flache Eingangsdrehmomentcharakteristik.
Für einen Lastkraftwagen ist eine ziemlich hohe Eingangsdrehmomentcharakteristik in den meisten Fällen, aber nicht immer, vorteilhaft und die zu wählende Eingangsdrehmomentcharakteristik hängt auch von dem Typ des Motors und der Art ab, wie das mechanische Getriebe und der Drehmomentwandler verbunden sind. Für einen Personenkraftwagen ist es wesentlich, ein sehr hohes Eingangsdrehmomentverhältnis zu haben. Sonst würde bei Niederdrücken des Gaspedals durch den Fahrer eine Verzögerung eintreten, bis das Fahrzeug zu beschleunigen beginnt. Es ist allgemein bekannt, dass bei Personenkraftwagen mit automatischem Getriebe eine Stillstandsdrehzahl von nicht mehr als 50% über der Leerlaufgeschwindigkeit allgemein verwendet wird.
Desgleichen benötigt man für ein Lieferfahrzeug eine steile Eingangsdrehmomentcharakteristik, da dies die beste Manövrierbarkeit bewirkt.
Während die vorstehenden Ausführungen erkennen lassen, dass verschiedene Anwendungen auch verschiedene Eingangsdrehmomentcharakteristiken notwendig machen, ist hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Stillstandsverhältnis hauptsächlich eine Forderung, nämlich ein höheres Stillstandsdrehmomentverhältnis besprochen worden, und je grösser die Leistungsfähigkeit, umso besser. Auch ist natürlich eine hohe Spitzenleistung zwar wertvoll, jedoch nicht extrem wichtig.
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Die oben angesprochene Aufgabe ist manchmal dadurch gelöst worden, dass man für verschiedene
Anwendungen verschiedene Drehmomentwandler mit verschiedenen Eingangsdrehmomentcharakteristiken, wie in Fig. lA gezeigt, verwendet hat. Es hat auch Forderungen gegeben, bei bestimmten Drehmoment- wandlertypen Art und Anzahl der Schaufelteile zu verändern, um eine Veränderung des Eingangsdrehmomentverhältnisses zu erzielen. Bisher konte man allerdings immer nur eine sehr begrenzte Veränderung des Eingangsdrehmomentes erreichen und es wurden hiefür dreidimensionale Schaufelformen benötigt, oder es gab verschiedene Arten von Drehmomentwandlern, sogenannte 1 1/2 bis 2 1/2-Stufen-Drehmomentwandler für niedrige Eingangsdrehmomentverhälttnisse oder 2-oder 3-Stufen-Drehmomentwandler, um eine ziemlich steile Eingangsdrehmomentcharakteristik zu erhalten.
Darüber hinaus sind sogenannte Wandler-Kupplungen bekannt und diese finden manchmal bei einem grossen Teil von Beschleunigungsauf- gaben als Kupplungen Verwendung. Diese Anordnung ergibt eine steile Eingangscharakteristik, doch was den Drehmomentwandler selbst angeht, so hat dieser eine niedrige Eingangsdrehmomentcharakteristik, wie in Fig. lA gezeigt.
Die Aufgabe, für welche man während der vergangenen 30 Jahre eine Lösung gesucht hat, besteht darin, einen Drehmomentwandler mit einem einzigen Schaufelsystem oder mit einem Schaufelsystem zu schaffen, bei welchem der Austausch eines einzigen Teiles die Drehmomentabsorptionscharakteristik beeinflusst, ohne andere vorteilhafte Merkmale des Drehmomentwandlers zu beeinflussen.
Die vorstehend gemachten Ausführungen zeigen die Merkmale und Nachteile verschiedener Eingangsdrehmomentcharakteristiken, die man bei Verwendung verschiedener bekannter Schaufelsysteme erhält. Die Notwendigkeit dieser verschiedenen Eingangsdrehmomentcharakteristiken wird noch durch die Tatsache belegt, dass ein und dieselbe Herstellerfirma für Drehmomentwandler verschiedene Schaufelsysteme herstellt, mit denen unterschiedliche Eingangsdrehmomentcharakteristiken erzielt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, die schon lange gegebene Aufgabe zu lösen, d. h., die Eingangsdrehmomentcharakteristik dadurch zu verändern, dass man ein und dasselbe Schaufelsystem verwendet und z. B. um einen Schaufelbestandteil verändert.
Gelingt dies, so kann ein Hersteller die Investitionen für Werkzeuge auf eine einzige Art eines Schaufelsystems konzentrieren, bei welchem lediglich ein Schaufelbestandteil veränderbar ist. Dies führt zu einer Senkung der Herstellungskosten und befriedigt gleichzeitig einen grösseren möglichen Abnehmerkreis. Darüber hinaus führt die Lösung dieser Aufgabe dazu, dass die Lager für Wandler und Ersatzteile sowohl für den Abnehmer wie für den Hersteller vereinheitlich oder rationalisiert werden.
Die Lösung der Aufgabe wird gemäss der Erfindung auf unkonventionelle Weise erreicht und ist in erster Linie, aber nicht ausschliesslich darauf gerichtet, eine bestimmte Reihe der Wandlerschaufeln zu modifizieren, z. B. eine Reihe Turbinenschaufeln, die bisher ein hohes Eingangsdrehmomentverhältnis erzeugten.
Gemäss einem ersten Aspekt dieser Erfindung ist ein hydrodynamischer Drehmomentwandler vorgesehen, der eine ringförmige Arbeitskammer aufweist, welche einen Einlassteil und Auslassteil und innere und äussere, den Einlassteil und Auslassteil verbindende Übergangsbereiche, einen Pumpenschaufelring im Auslassteil und einen Führungsschaufelring (Leitrad) und mindestens zwei Turbinenschaufelringe im Einlassteil umfasst, wobei der Drehmomentwandler dadurch gekennzeichnet ist, dass verschiedene Eingangsdrehmomentcharakteristiken dadurch erzielt werden, dass man verschiedene Turbinenschaufeln verwendet, um den Strom des Strömungsmittels zum Einlass der Pumpenschaufeln zu richten, und ferner dadurch, dass bei einem niedrigen Eingangsdrehmomentverhältnis der Austrittswinkel der Schaufeln des zweiten Turbinenrades so beschaffen ist,
dass das Strömungsmittel immer in die gleiche Richtung wie die Drehrichtung des Pumpenschaufelringes gerichtet ist.
Die Austrittskanten der unmittelbar vor dem Pumpenring angeordneten Turbinenschaufeln befinden sich im inneren Übergangsberiech der ringförmigen Kammer. Bei niedrigen Eingangsdrehmomentverhältnissen trägt diese Anordnung zu einer Verminderung des Eingangsdrehmomentverhältnisses z. B. dadurch bei, dass die Geschwindigkeit des Strömungsmittels verringert wird, wenn die Austrittskanten der Schaufeln auf einem kleineren Radius als wenn sie auf einem grösseren Radius liegen.
Der Austrittswinkel jeder Turbinenschaufel in dem genannten Turbinenring in bezug auf eine radiale Ebene durch den Schaufeleinlass gesehen, kann so bemessen sein, dass die Entfernung von der Spitze des Schaufelaustrittes von dem genannten Ort nicht grösser ist als der Abstand zwischen zwei beliebigen benachbarten Schaufeln bei einem bestimmten Radius.
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Vorzugsweise ist zumindest der Austrittsteil jeder Schaufel des genannten Turbinenschaufelringes so gestaltet, dass dessen Auslassrichtung bei niedrigem Eingangsdrehmomentverhältnis in Drehrichtung des Turbinenschaufelringes und in dazu entgegengesetzter Richtung bei einem hohen Eingangsdrehmomentverhältnis gerichtet ist.
Die oben beschriebene unkonventionelle Anordnung der Turbinenschaufelform bei einem Schaufelsystem hat die Aufgabe gelöst, die darin bestand, die bisher benötigten, grundsätzlich verschiedenen Schaufelanordnungen zu eliminieren und hat die Möglichkeit eröffnet, für alle auf verschiedenen Anwendungsgebieten benötigten Eingangsdrehmomentverhältnisse nur eine Schaufelanordnung zu verwenden. Dies war offensichtlich während der letzten 40 Jahre angestrebt worden, da dadurch Einsparungen an Herstellungskosten und Investitionskosten für Werkzeuge möglich gewesen wären. Aber sowohl die Idee der Erfindung im Grunde einfach ist, wurde sie von den Fachleuten auf diesem Gebiet nicht erkannt.
Dies ist vom rechnerischen Standpunkt wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass Schaufelsysteme kompliziert sind und die Wirkung einer bestimmten Veränderung selbst dann schwer vorauszusehen ist, wenn normale Abänderungen getroffen werden ; die vorliegende Abänderung stelle eine Abweichung von gegenwärtigen Denkvorstellungen und normalen Konstruktionsgrundsätzen dar und folglich ist es noch schwieriger, das erzielte Ergebnis richtig zu würdigen.
Die Erfindung hat die Aufgabe gelöst und es gleichzeitig ermöglicht, das bekannte"S. R. M."-2-Stu- fen-Schaufelsystem zu verwenden, ohne dabei an Leistung der einzelnen Ms zu verlieren und ohne den Ms-Bereich zu verringern, um das Eingangsdrehmomentverhältnis im Bereich von praktisch derselben Drehmomentabsorption beim Abwürgen (at stalling) wie beim Schaltpunkt bis zur dreifachen Drehmomentabsorption beim Abwürgen gegenüber der beim Schaltpunkt zu verändern.
Dies geht aus der nachstehenden Beschreibung der Fig. 6 bis 13 hervor.
Fig. 6 und 7 zeigen eine Drehmomentabsorption bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und Drehgeschwindigkeitsverhältnissen eines erfindungsgemässen Drehmomentwandlers, der für ein hohes bzw. ein mittleres Eingangsdrehmomentverhältnis ausgelegt ist.
Fig. 8 zeigt eine Drehmomentabsorption bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten und Drehgeschwindigkeitsverhältnissen eines erfindungsgemässen Drehmomentwandlers, der für ein niedriges Eingangsdrehmomentverhältnis ausgelegt ist.
Fig. 9 zeigt die Drehmomentabsorption gemäss den Fig. 6, 7 und 8, aufgetragen gegenüber dem Drehgeschwindigkeitsverhältnis und gültig für eine konstante Pumpendrehgeschwindigkeit nl.
Fig. 10 zeigt einen Drehmomentwandler des"S. R. M."-Typs, der gemäss der Erfindung abgeändert wurde und bei welchem die zweite Turbine --T2-- sich in den inneren Übergangsbereich --2D-- der Arbeitskammer erstreckt. Der in Verbindung mit Fig. 2A beschriebene Drehmomentwandler des Typs "S. R. M." weist eine Zentrifugalpumpe --P-- und eine Zentripetalturbine-T-auf. Fig. 10 zeigt den gleichen Drehmomentwandler, der nun so ausgelegt ist, dass es möglich ist, Änderungen gemäss der Erfindung durchzuführen, um verschiedene Eingangsdrehmomentverhältnisse nur dadurch zu erzielen, dass man einen Schaufelteil, nämlich den zweiten Turbinenring --T2--, verändert.
Die zweite Turbine --T2-erstreckt sich hier in den inneren Übergangsbereich --2D--, während auch der kleinere Kernring der Pumpe sich bei --3B-- durch den äusseren Übergangsbereich --2B-- erstreckt. Die Art, wie sich die zweite Turbinenschaufel erstreckt, ist eine von mehreren Möglichkeiten, die Erfindung in die Praxis umzusetzen.
Fig. 11 zeigt einen Drehmomentwandler ähnlich dem in Fig. 10 dargestellten, der jedoch abgeändert ist, um die Verwirklichung der Erfindung zu erleichtern. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Turbine in zwei Teile --T2M und T2N-- geteilt, wobei --T2M-- grundsätzlich radial und zweidimensional und --T2N-- grundsätzlich axial und dreidimensional ist. Die Teilung der zweiten Turbine macht es nicht nur leichter, die Erfindung zu verwirklichen, sondern dadurch wird es gleichzeitig möglich, andere sich aus der geteilten zweiten Turbine ergebende Merkmale mit der Erfindung zu kombinieren.
Bei dem Drehmomentwandler gemäss Fig. 11 ist auch die Pumpe in zwei Teile geteilt dargestellt, wie im Fall der zweiten Turbine, und dies trägt in gleicher Weise dazu bei, die praktische Durchführung der Erfindung zu erleichtern, wie nachstehend erläutert wird.
Fig. 12 ist eine Endansicht des zweidimensionalen Teiles --T2M-- der zweiten Turbine in der Richtung des Pfeiles --12-- in Fig. 12A gesehen, welche einen Querschnitt des Turbinenmittelteiles und einer Schaufel --T2M-- zeigt. Fig. 12B ist eine Ansicht der Schaufel selbst und sie zeigt Schnitte O-XII, welche
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den Querschnitten der Fig. 12C und 12D entsprechen. Die in den Fig. 12C und 12D gezeigten Schnitte veranschaulichen deutlich eine geeignete Schaufelform des Turbinenteiles --T2M-- und beweisen auch, dass es möglich ist, den Schaufelring zu giessen, da alle Querschnitte der Schaufel die notwendigen Abmessungen haben.
Fig. 13 zeigt den zweiten Teil --T2N-- des zweiten Turbinenschaufelringes und Fig. 13A, 13B und 13C zeigen Teile drei verschiedener Schaufelringe in Strömungsrichtung gesehen, und darin sind die in den Fig. 13D, 13E und 13F dargestellten Schnitte I-IX angedeutet.
Die in Fig. 13D gezeigten Querschnitte VII, VIII und IX entsprechen den in Fig. 13A gezeigten
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13EFig. 13D, 13E und 13F zeigt der Pfeil --A-- die Strömungsrichtung des hydraulischen Strömungsmittels,
Pfeil --B-- die Drehrichtung an. Die in Fig. 13A gezeigten Schaufelformen entsprechen den Formen eines
Drehmomentwandlers, durch welchen man das in Fig. 8 gezeigte Drehmomentdiagramm erhält, während in analoger Weise die Formen der Fig. 13B der Fig. 6 und die Fig. 13C der Fig. 7 entsprechen.
Werden die Schaufeln des zweiten Teiles der zweiten Turbine gemäss einem der Schnitte --13D, 13E oder 13F-- gestaltet, erhält man praktisch die gleiche Drehmomentabsorption wie bei dem normalen "S. R. M."-Drehmomentwandler mit einem Schaufelsystem gemäss der GB-PS Nr. 1, 235, 561 und wie es in
Fig. 2A dargestellt ist.
Wird die Form der Schaufel des zweiten Teiles-T2N-der zweiten Turbine gemäss Fig. 13A abgeändert und bei Schaufelschnitten nach Fig. 13D erhält man, wie in der Kurve X in Fig. 9 gezeigt, eine geringe oder mässige Steilheit des Eingangsdrehmomentverhältnisses. Wenn die Schaufel gemäss Fig. 13B geformt ist und mit Schaufelquerschnitten gemäss Fig. 13E erhält man ein steiles Eingangsdrehmomentverhältnis, wie in Kurve XXX in Fig. 9 gezeigt.
Desgleichen erhält man, wie in Kurve XX in Fig. 9 gezeigt, bei einer Schaufelformgebung gemäss Fig. 13C und mit Schaufelquerschnitten gemäss Fig. 13F ein mittleres Eingangsdrehmomentverhältnis im wesentlichen ohne Änderung der Leistung oder des Abwürgdrehmomentverhältnisses und auch im wesentlichen ohne Änderung der Drehmomentabsorption bei hohem Drehgeschwindigkeitverhältnis, wie in Fig. 9 gezeigt. Ändert man weiterhin den Winkel a ( der Fig. 13D und 13F, so lassen sich Eingangsdrehmomentverhälttnise von praktisch 0 bis 3 erzielen. Wie man unschwer erkennt, ist der Winkel bei dem inneren und mittleren Querschnitt praktisch der gleiche, bei dem äusseren Querschnitt jedoch anders. Dies dient dazu, die Korekturwirkung dieses Schaufelringes zu gewährleisten.
Ferner ist ersichtlich, dass, wenn sich der Schaufelring mit Fig. 13A und Querschnitt--13D-in Übereinstimmung befindet, die Schaufeln so geformt sind, dass sie dem vorbeiströmenden Strömungsmittel eine Geschwindigkeit in der gleichen Drehrichtung erteilen. Das bedeutet, dass die vorhergehende Leitschaufel und die folgende Turbine die gleiche Austrittsrichtung haben und das ist nicht nur unkonventionell, sondern hat eine offensichtliche und sehr wertvolle Wirkung, wie in Fig. 9 dargestellt.
Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen also die Drehmomentabsorption für einen Drehmomentwandler gemäss den Fig. 10 oder 11, bei dem der zweite Teil der zweiten Turbine gemäss den Fig. 13B, 13C bzw. 13A ausgebildet ist. Wenn bei graphischen Darstellungen einer Motorkurve der Scheitelpunkt des Drehgeschwindigkeitsverhältnisses bei 0, 8 liegt und die der unterschiedlichen prozentualen Leistungsverminderung entsprechenden Drehmomentlinien in den Fig. 6, 7 und 8 eingetragen werden, sieht man, dass der Schaufelring gemäss Fig. 13A (Fig. 8 entsprechend) ein System ergibt, das gegenüber der Motorleistungsreduktion für Zusatzeinrichtungen weniger empfindlich ist.
Desgleichen ist klar, dass das System mit der Drehmomentabsorption gemäss Fig. 8 bei Stillstand eine geringere Verminderung der Motordrehgeschwindigkeit in bezug auf die Drehgeschwindigkeit beim Schaltpunkt ergibt, d. h. ein System, welches für einen Drehmomentwandler für eine Lokomotive, einen Löffelbagger und Gabelstapler geeigneter ist. Ein Schaufelsystem gemäss Fig. 13B und mit Schaufelquerschnitten gemäss Fig. 13E ergibt eine Drehmoment-
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Lastkraftwagen und Triebwagen usw. Mit andern Worten eignet sich die Drehmomentabsorptionscharakteristik gemäss Fig. 6 vorwiegend für hohe Beschleunigungsforderungen und diejenige gemäss Fig. 8 ist wieder geeigneter für niedrigere Beschleunigungsforderungen oder Fälle, in welchen Leistung für Zusatzeinrichtungen vorhanden sein muss.
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Das vorstehend beschriebene Ergebnis ist auf eine Weise erreicht worden, die den bekannten Konstruktions-und Herstellungsverfahren bei Schaufelsystemen widerspricht. Im Fall des niedrigen Eingangsdrehmomentverhältnisses erteilt die zweite Turbinenschaufel dem Strömungsmittel eine Drehgeschwindigkeit in der gleichen Richtung wie die Pumpe, wenn diese abgewürgt wird und dadurch das Pumpendruckgefälle vermindert. Wie jedoch die Figuren zeigen, wird dadurch nicht die Drehmomentabsorption bei hohem Drehgeschwindigkeitsverhältnis vermindert, u. zw. deshalb, weil der Einfluss des wichtigen Winkels a geringer ist, je höher die Drehgeschwindigkeit der Turbine ist und ausserdem ist es bei einem Drehgeschwindigkeitsverhältnis von 1, 0 belanglos, ob der Austrittswinkel der zweiten Turbine den Fig. 13A, 13B oder 13C entspricht.
Fig. l, 1A und 2,2A zeigen die Situation vor der Erfindung und der Vergleich zwischen Fig. 1 und 2 stellt die Drehmomentabsorptionskurven für zwei verschiedene Anwendungsarten dar. Die Fig. 1 zeigt die Leistung eines allgemein üblichen Drehmomentwandlers für Gabelstapler, Löffelbagger u. dgl., während Fig. 2 die Leistung eines Schaufelsystems gemäss Fig. 2A (des"S. R. M."-Typs) darstellt, welches für Omnibusse, Lastkraftwagen, industrielle Anwendungen und Lokomotiven Verwendung findet, wobei dieses jedoch von einigen Anwendungen wegen der falschen Eingangsdrehmomentcharakteristiken ausgeschlossen wurde. Der"S. R.
M."-Wandler ist jedoch dank seiner hervorragenden Leistung in weitem Umfang verwendet worden und hat dadurch bis zu einem gewissen Grad bei einigen Anwendungen einen Ausgleich für eine zu hohe Eingangsdrehmomentcharakteristik gebildet. Darüber hinaus zeigt Fig. 2 die Drehmomentabsorptionskurve für das Schaufelsystem gemäss Typ 2 der Fig. lA den sogenannten "Lysholm/Smitz"-Dreh-
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systeme gemäss den Typen 1 und 4 in Fig. lA sind frühere"S. R.
M."-Entwicklungen. Die Schaufelsysteme gemäss Fig. lA werden von einem der grössten Drehmomentwandler-Hersteller der Welt gefertigt und eine solche Firma würde ohne triftige Gründe all diese Varianten nicht herstellen und das hat zweifelsohne die
Kosten für jedes einzelne Getriebe erhöht und es war nicht möglich, die gleichen Werkzeuge für alle
Wandler der gleichen Grösse zu verwenden. Einer der Gründe für das Vorhandensein dieser Varianten liegt darin, dass nicht nur die Eingangsdrehmomentcharakteristik für jede Variante verschieden ist, sondern dass auch verschiedene Leistungscharakteristiken und Stillstandsdrehmomentverhältnisse erreicht werden.
Die Erfindung verwendet das Schaufelsystem des "S. R. M. "-Drehmomentwandlers gemäss den US-PS Nr. 2, 690, 053, Nr. 2, 690, 054, Nr. 3, 543, 547 und Nr. 3, 543, 514 oder gemäss der DE-PS Nr. 977211. Die Aufgabe, die Eingangsdrehmomentcharakteristik für verschiedene Anwendungsarten zu verändern, wird dadurch gelöst, dass ein Element des Schaufelsystems des Drehmomentwandlers modifiziert wird, ohne dass dabei das Schaufelsystem als Ganzes geändert wird. Weitere Werkzeugkosten für das eine Element sind verhältnismässig gering.
Die Erfindung schafft damit ein Verfahren, die in den älteren US-PS Nr. 2, 583, 855 und Nr. 3, 104, 560 der Patentinhaberin beschriebenen Erfindungen in der Praxis zu realisieren. In diesen älteren Patenten wurde das Eingangsdrehmomentverhältnis dadurch verändert, dass verschiedene Austrittsradien für die Schaufeln des zweiten Turbinenringes vorgesehen wurden. Lag die Austrittskante der zweiten Turbine auf einem grösseren Radius, erhielt man eine steilere Eingangsdrehmomentcharakteristik und das Verfahren gemäss den US-PS Nr. 2, 583, 855 und Nr. 3, 104, 560 konnte nie verwirklicht werden, da es eine teils zentrifugale, teils zentripetale Turbine erforderlich machte. Eine derartige Anordnung eignete sich nur zur Verwendung in einem ortsfesten Gehäuse und ist bei Drehmomentwandlern des eben beschriebenen Typs mit drehbarem Gehäuse nicht anwendbar.
Darüber hinaus war bei einem mittelhohen Eingangsdrehmomentverhältnis eine dreidimensionale zweite Turbine nötig, die man durch Giessen nur so herstellen konnte, dass man entweder einen Giesskern verwendete, wobei jedoch keine ausreichende Genauigkeit für dieses System erreicht wurde, oder dass man jede Schaufel einzeln goss, das jedoch war zu kompliziert, zumindest hinsichtlich Formgenauigkeit. Die erfindungsgemässe Lösung der Aufgabe schafft auf einfachste Weise verschiedene Veränderungen eines einzigen Schaufelsystems, um die verschiedenen erforderlichen Eingangsdrehmomentcharakteristiken zu erhalten. Gleichzeitig haben die Schaufeln des Schaufelsystems eine Form, welche den Einsatz normaler Giessverfahren für alle Schaufelringe möglich macht.
Die Erfindung erweitert den künftigen Markt für ein Grundmodell eines Drehmomentwandlers, für welchen man einen Satz Werkzeuge verwendet und führt zusammen mit den nun möglichen Herstellungsverfahren zu einer sicheren
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Verringerung der Herstellungskosten pro Wandler und zu hohen Leistungscharakteristiken für jeden einzelnen Anwendungsfall.
So wie der Aufbau der zweiten Turbine eine allgemeine Modifizierung der Austrittsrichtung des hydraulischen Strömungsmittels zur Erzielung niedriger und mittlerer Eingangsdrehmomentcharakteristiken ermöglicht, erlaubt sie auch die Verwendung des zweiten Teiles der zweiten Turbine zur Steuerung der
Strömung des Strömungsmittels in der Arbeitskammer dadurch, dass der Austrittswinkel entlang der Länge des Austrittes so verändert wird, dass die gleiche Eintrittsrichtung entlang der Länge jedes einzelnen
Schaufeleintrittes unter jeder Antriebsbedingung erzielt wird.
Dies bedeutet, dass einer der Nachteile des
Schaufelsystems mit nur zweidimensionalen Schaufeln weitgehend ausgeschaltet wurde, wobei gleichzeitig der zweite Teil der zweiten Turbine hauptsächlich dazu Verwendung findet, um verschiedene Eingangs- drehmomentverhältnisse zu erhalten, wodurch die Wirkung beibehalten oder verbessert werden kann.
Wie oben ausgeführt, ist es möglich, die Pumpe in gleicher Weise wie die zweite Turbine zu unterteilen, so dass die Pumpe dann aus einem im wesentlichen radialen Teil und einem im wesentlichen axialen Teil besteht, wobei sich der axiale Teil der Pumpe in dem äusseren Übergangsbereich des hydraulischen Kreislaufes befindet und wobei die gleichen Merkmale hinsichtlich der Giessmöglichkeiten wie im Fall der geteilten zweiten Turbine erhalten werden, nämlich dass man eine aus zwei Teilen bestehende
Schaufel erhält, wobei jeder Teil ohne Verwendung von Giesskernen gegossen werden kann, wo jedoch die
Schaufeln im Grund die gleichen Merkmale wie die dreidimensionalen Schaufeln aufweisen.
Durch Veränderung des Austrittswinkels entlang der Länge des zweiten Teiles der Pumpe lässt sich insbesondere eine Korrektur der Eintrittsströmung entlang der Länge der ersten Turbine erzielen.
Alle in den Unterlagen enthaltenen Angaben und Merkmale, insbesondere die räumliche Ausgestaltung des Anmeldungsgegenstandes, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydrodynamischer Drehmomentwandler mit zwei oder drei Turbinenstufen, bei dem das Schaufelsystem aus einem Pumpenschaufelring, zwei oder drei Turbinenschaufelringen und einem oder zwei Leitschaufelringen besteht, wovon der zweite bzw.
dritte Turbinenschaufelring in der Strömungsrichtung unmittelbar vor dem Pumpenschaufelring angeordnet ist, und bei dem ein oder mehrere Turbinenschaufelringe verändert werden können, während die restlichen Teile der Turbine unverändert bleiben, um verschiedene Antriebscharakteristika zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung verschiedener Eingangsdrehmomentcharakteristika die Schaufeln des letzten Turbinenschaufelringes (T2, T2N) unter einem radialen oder einem gegenüber den Schaufeln der oder des vorhergehenden Turbinenschaufelringe (s) (Tl, T2M) negativen Austrittswinkel angeordnet sind,
wobei für die Erreichung einer mittleren Eingangsdrehmomentcharakteristik Schaufeln mit radialem Austrittswinkel und zur Erreichung einer niederen Eingangsdrehmomentcharakteristik Schaufeln mit negativem Austrittswinkel gegenüber den Schaufeln der oder des vorhergehenden Turbinenschaufelringe (s) vorgesehen sind, und der Strom des den letzten Turbinenschaufelring (T2, T2N) verlassenden Strömungsmittels in Drehrichtung des Pumpenschaufelringes (P) gerichtet ist.