Verfahren zum Herstellen mehrerer verschiedener Strömungswandler und Verwendung von mindestens zwei solchen Strömungswandlern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum vor teilhaften und besonders wirtschaftlichen Herstellen von mehreren verschiedenen Strömungswandlern mit je unterschiedlichen Drehzahl-und(oder Drehmoment übersetzungen. (Unter Drehzahlübersetzung soll das Drehzahlverhältnis bei optimalem Wirkungsgrad verstanden werden.) Ferner wird noch eine sehr zweckmässige Verwendung von mindestens zwei sol chen Strömungswandlern in einem Strömungsgetriebe vorgeschlagen.
Auf zahlreichen Gebieten der Technik ist bereits ein einfaches und wirtschaftliches Herstellen von Ma schinen oder dergleichen sowie eine Verringerung der zugehörigen Ersatzteilhaltung dadurch angestrebt und auch mit gutem Erfolg erreicht worden, dass bei den verschiedenen, zu einer Typenreihe gehörigen, Typen der gleichen Maschinenart zum Teil gleiche Bauelemente verwendet werden.
Dieses sogenannte Baukastenprinzip hat jedoch im Strömungswandler- bau bislang kaum Eingang gefunden, da die zahl losen und sehr verschiedenen Verwendungsarten der Wandler, das Anpassen an die geforderten unter schiedlichen Drehzahl- und Drehmomentübersetzun- gen, ferner die vielen möglichen Beschaufelungsarten, die Zahl und Anordnung der Schaufelkränze u. a. m. eine Vielzahl von Wandlerbauarten mit abweichen den Formen und Abmessungen ergeben.
Erschwerend kommt noch hinzu, dass die Strömungsvorgänge in Wandlern sehr verwickelt und schwer zu erfassen sind und die sonst üblichen Strömungsmessverfahren in dem geschlossenen Wandlerkreislauf nicht ohne weiteres benutzt werden können.
Durch die Erfindung soll nun ein vorteilhafter Weg gewiesen werden, wie das Prinzip der Bau kastenbauweise mit seinen Vorteilen auch im Strö- mungswandlerbau angewandt werden kann, ohne dass dabei nachteilige Auswirkungen auf das Be triebsverhalten der Wandler, insbesondere auf deren Wirkungsgrade, in Kauf genommen werden muss.
Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft das Herstellen mehrerer verschiedener Typen einer Typenreihe von Strömungswandlern von gleicher Grösse sowie mit annähernd gleicher Leistungs- aufnahme bei gleicher Primärdrehzahl, mit denen je unterschiedliche Drehzahl- und/oder Drehmoment übersetzungen erzielt werden sollen. Gerade diese Eigenschaften sind nänflich in vielen Fällen beson ders wichtig, z. B. dann, wenn die Wandler für die verschiedenen Gangbereiche eines Störungsgetriebes vorgesehen sind.
Das erfindungsgemässe Herstellungs verfahren besteht darin, dass bei allen Wandlertypen der gleichen Typenreihe für sämtliche einander ent sprechenden Bauteile mit Ausnahme der Turbinen- beschaufelung und/oder der Leitradbeschaufelung mindestens annähernd gleiche Bauteile verwendet werden, denen dann bei jedem einzelnen Wandlertyg eine andere, entsprechend seiner übersetzung aus gelegte Turbinenbeschaufelung und/bzw. Leitradbe- schaufelung hinzugefügt wird.
Dieses Verfahren hat sich von allen Möglich keiten als ganz besonders geeignet erwiesen, das. Übersetzungsverhältnis sei es der Drehzahlen oder der Drehmomente eines Strömungswandlers zu ver ändern. Dabei werden in erwünschter Weise die übrigen Eigenschaften der Wandler, insbesondere ihre Leistungsaufnahme, der Wirkungsgrad und die sogenannte Völligkeit der Wirkungsgradkurve, nicht oder höchstens unwesentlich beeinträchtigt.
Der Hauptvorteil des Verfahrens liegt aber vor allem auf wirtschaftlichem Gebiet und besteht insbe sondere in den nunmehr bedeutend kleineren Ferti gungskosten. Da nämlich die Anzahl der verschie- denen Bauteile einer ganzen Wandlertypenreihe sehr verringert ist, sind dementsprechend auch die Kosten für Modelle, Schablonen und sonstige Vorrichtungen, für Sondermaschinen und dergleichen erheblich niedriger als bei den bisherigen Herstellungs verfahren. Ausserdem sind nunmehr die Stückzahlen gleicher Einzelteile grösser, und die Vorratshaltung kann sowohl beim Hersteller als auch in den Zwi schen- und Auslieferungslagern kleiner gehalten werden, welche Umstände ebenfalls kostenmindernd wirken.
Auch die Verkürzung der Herstellungszeit dürfte nicht unbeachtlich sein.
Von den drei Verfahrensvarianten ist die mit einem Austausch der Turbinenbeschaufelung beson ders dann geeignet, wenn die verschiedenen Wandler- typen sowohl in der Drehzahl- als auch in der Dreh momentübersetzung Unterschiede aufweisen sollen. Ein Austausch der Leitradschaufeln empfiehlt sich dagegen, wenn - wie z. B. bei Anfahrwandlern im wesentlichen nur eine Steigerung der Moment wandlung im Anfahrbereich gewünscht wird.
Nach einer besonders günstigen Art des erfin dungsgemässen Verfahrens werden für die bei ver schiedenen Wandlertypen unterschiedlich ausgelegten Turbinen- bzw. Leitradschaufelungen zylindrische oder angenähert zylindrische Schaufeln verwendet. Diese lassen sich dann aus gezogenen oder gepressten Profilen oder aber durch Herausfräsen aus dem vollen Material herstellen; das ergibt eine hydraulisch günstige glatte Oberfläche und ist verhältnismässig billig. Auch für gegossene Schaufeln ist die zylin drische Schaufelform von Vorteil, da hierbei die Form- und Gussherstellung wesentlich erleichtert ist.
Die dadurch erzielte Fertigungsverbilligung wirkt sich deshalb ziemlich stark aus, da der verhältnis mässige Kostenanteil der bei jedem Typ verschieden artig auszuführenden Beschaufelung besonders hoch ist.
Es ist wohl bereits früher die Herstellung mehre rer Strömungswandlertypen vorgeschlagen worden, die sich lediglich durch ihre mit je anderer Beschau- felung ausgeführten Pumpenräder unterschieden. Bei einer ähnlichen vorbekannten Typenreihe wurden die Beschaufelungen des Pumpenrades sowie einer dritten Turbinenstufe je verschieden ausgeführt. Beide Herstellungsarten ermöglichen zwar ebenfalls eine Fertigungsverbilligung, hierbei ist jedoch im Ge gensatz zum Erfindungsgegenstand eine Abstufung der Aufnahmeleistung der Wandlertypen bezweckt worden.
Eine Änderung der Drehzahl- und!oder der Drehmomentübersetzungen, wie dies in der Praxis oft erforderlich ist und gemäss der Erfindung erzielt wird, wurde dagegen mit diesen älteren Vorschlägen nicht angestrebt. Ausserdem sind bei letzteren die für jeden Wandlertyp anders auszulegenden Pumpen- radbeschaufelungen - da sie fast stets räumlich ge krümmte Schaufeln aufweisen - gerade die am schwierigstan herzustellenden Bauteile, wodurch die Fertigungsverbilligung der gesamten Typenreihen wieder geschmälert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht eine sehr wirtschaftliche Herstellung eines mehrgängigen Strömungsgetriebes, das mindestens zwei verschie denen Gangbereichen zugeordnete und wahlweise ein- und ausschaltbare Strömungswandler mit glei chen Primärdrehzahlen und annähernd gleicher Lei stungsaufnahme aufweist. Diese Bedingungen liegen nämlich bei den meisten mehrgängigen Wandler- getrieben vor, da dort zur Vereinfachung der Kon struktion die Pumpenräder aller Strömungskreisläufe auf einer gemeinsamen Primärwelle angeordnet sind.
Erfindungsgemäss wird demgemäss die Verwen dung von mindestens zwei nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Strömungswandlern in einem Strömungsgetriebe vorgeschlagen, wobei diese Wand- ler ein- und ausschaltbar und verschiedenen Gang bereichen zugeordnet sind und mit gleicher Dreh zahl angetrieben werden.
Ein solches Strömungsgetriebe weist also min destens zwei Wandler mit verschiedenen Drehzahl undjoder Drehmomentübersetzungen, jedoch mit gleicher Primärdrehzahl und annähernd gleicher Leistungsaufnahme und von gleicher Grösse auf. Diese Ausbildung bietet dann im wesentlichen die gleichen Vorteile, wie sie für das neue Herstellungs verfahren beschrieben wurden, nämlich kleinere Her stellungskosten, Verringerung der Ersatzteilhaltung und der Fertigungszeiten. Ausserdem wird dadurch die Konstruktion neuer Getriebe erleichtert und das hierbei stets in Kauf zu nehmende Entwicklungs risiko vermindert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach stehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen Fig. 1 ein Strömungsgetriebe mit drei entleer- baren Strömungskreisläufen, von denen zwei als zur gleichen Typenreihe gehörende Wandler mit unter schiedlichen Turbinenbeschaufelungen ausgebildet sind, Fig.2 in grösserem Massstab einen Axialschnitt durch das Turbinenrad der Wandler des vorgenann ten Strömungsgetriebes, Fig. 3 und 4 einen achssenkrechten Schnitt nach <B><I>A -A</I></B> durch die Turbinenbeschaufelung des Wandlers 1 bzw.
2, Fig. 5 ein Vergleichsdiagramm mit den wichtig sten Kennlinien der Wandler 1 und 2, Fig. 6 einen Axialschnitt durch das Leitrad zweier anderer Strömungswandler einer gleichen Typenreihe, jedoch mit verschiedenen Leitrad- beschaufelungen, Fig.7 und 8 je einen achssenkrechten Schnitt nach B-B durch die Leitradbeschaufelungen dieser Wandler und Fig. 9 ein Vergleichsdiagramm mit den wichtig sten Kennlinien dieser zwei Wandler.
Das in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Strö mungsgetriebe weist einen Wandler 1 zum Anfahren und einen Wandler 2 für den mittleren Geschwin- digkeitsbereich auf. Zusätzlich ist noch eine Strö mungskupplung 3 für den obersten Gangbereich vorgesehen. Das Einschalten jedes Ganges erfolgt durch Füllen des zugehörigen Strömungskreislaufes und Entleeren der übrigen Kreisläufe über die ange deuteten Füll- und Entleerleitungen 4, 5 und 6.
Der nur teilweise dargestellte Antriebsmotor 7 gibt seine Leistung über die Getriebeeingangswelle 8 und den ins Schnelle übersetzenden Zahnradhochgang 9, 10 an die Primärwelle 11 ab, auf der die Pumpenräder 12, 13 und 14 sämtlicher Strömungskreisläufe be festigt sind. Bei eingeschaltetem, das heisst also ge fülltem Anfahrwandler 1, wird dann die Leistung von dem Turbinenrad 16 über das Zahnräderpaar 17, 18 auf die Abtriebswelle 19 weiter übertragen.
Im zweiten Gang ist lediglich der Wandler 2 gefüllt und der Kraftfluss verläuft von dem Turbinenrad 21 über die Kupplungsschale 22, das Kupplungs- turbinenrad 23 und das Zahnräderpaar 24, 25 wie derum zur Abtriebswelle 19. Im obersten Gang bereich ist schliesslich die Strömungskupplung 3 ge füllt, wobei deren Turbinenrad 23 die Leistung an die Welle 19 abgibt, und zwar ebenfalls über das Zahnräderpaar 24, 25.
Da die Pumpenräder der beiden Strömungs- wandler 1 und 2 auf einer gemeinsamen Primär welle 11 sitzen, sind ihre Drehzahlbereiche gleich. Damit ferner in jedem Gang die volle Motorleistung übertragen werden kann, müssen die Wandler auch für annähernd gleiche Leistungsaufnahme ausgelegt sein. Beide Wandler sind nun erfindungsgemäss als Wandler der gleichen Typenreihe und mit verschie dener Drehzahl- und Drehmomentübersetzung aus gebildet.
Es sind somit das Gehäuse 27 des Wand- lers 1 sowie seine Leitradbeschaufelung 28, das Pumpenrad 12 und dessen Beschaufelung mit je glei cher Grösse und Gestalt ausgeführt wie die entspre chenden Bauelemente 27' bzw. 28' und 13 des Wandlers 2. Lediglich die Beschaufelung der Turbi nenräder 16 und 21 ist bei beiden Wandlern ver schieden ausgelegt, um den gewünschten Unterschied in der Drehzahl- und Drehmomentübersetzung zu erzeugen. Weitere Einzelheiten der Turbinenrad ausbildung sind aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich.
Die der gleichen Typenreihe angehörenden Wandler ergeben die bereits an früherer Stelle aus führlich erläuterten Vorteile, insbesondere eine Fertigungsverbilligung, Verringerung der Vorrats und Ersatzteilhaltung und eine Verkürzung der Her stellungszeiten. Auch die Neukonstruktion solcher Strömungsgetriebe wird durch die typisierten und bereits erprobten Wandler erleichtert und verbilligt und das Risiko vermindert.
Der Stufensprung zwischen den Wandlergängen wird nach einer günstigen Ausführungsform zu einem Teil durch die verschiedene innere hydraulische Übersetzung der Wandler 1 und 2 und zum andern Teil durch die verschiedene Untersetzung der Zahn räderpaare 17, 18 und 24, 25 bewirkt. Dadurch lassen sich die Ventilationsverluste in den jeweils entleerten Wandlern niedrig halten.
Ein weiterer Vorteil dieser Auslegung besteht darin, dass die Zahnräderuntersetzung 24, 25 noch den Erforder nissen des Kupplungsganges angepasst und dann wie dies gemäss Fig. 1 der Fall ist - für den zweiten Wandlergang und den Strömungskupplungsgang ge meinsam benutzt werden kann.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen in gegenüber Fig. 1 ver grösserter Darstellung die Ausführung der Turbinen räder 16 und 21 der Wandler 1 und 2. Die Turbi- nenradscheibe 30, der Turbinenradring 31 und in vielen Fällen auch die Nabe 32 sind bei beiden Wandlern gleich ausgebildet, so dass zum Herstellen der Turbinenräder aller Wandler dieser Typenreihen zumindest gleiche Schmiedrohlinge oder Gussmodelle verwendbar sind.
Die Turbinenbeschaufelungen sind dagegen verschieden ausgelegt, und zwar bei dem Anfahrwandler 1 entsprechend seiner grösseren Mo mentwandlung mit ziemlich stark gekrümmten Schaufeln 33a, 33b nach Fig. 3 (beachte den Krüm- mungsradius o), bei dem Marschwandler 2 mit wesentlich flacheren Schaufeln 34a, 34b, gemäss Fig. 4.
Die Turbinenschaufeln sind ferner zylindrisch gestaltet, das heisst, sie sind einfach gekrümmt und im vorliegenden Fall durch Fräsen hergestellt, wo durch eine glatte Schaufeloberfläche mit günstigen hydraulischen Eigenschaften gewährleistet wird. Um trotz der engen Schaufelteilung hinreichend dicke Fräser verwenden zu können,
sind die Schaufeln 33a und 34a aus dem vollen Material der Turbinen scheibe 30 und die Schaufeln 33b und 34b aus dem vollen Material des Turbinenradringes 31 heraus- gefräst. Mittels angedrehter Zapfen 35 bzw. 36 sind die Schaufeln mit dem Turbinenradring 31 bzw. mit der Turbinenradscheibe 30 vernietet.
Das Diagramm nach Fig. 5 zeigt in Abhängig keit von dem auf der Abszissenachse aufgetragenen Drehzahlverhältnis
EMI0003.0074
(n1 = Primärdrehzahl, n2 = Sekundärdrehzahl) zum Vergleich die wichtigsten Kennlinien der Wand- ler 1 und 2. Die stark ausgezogene Kurve
EMI0003.0081
gibt das Verhältnis des Sekundärmomentes zum Primär moment des Wandlers an, und
EMI0003.0082
stellt die entspre chende Kurve für den Wandler 2 dar.
Die Grenz werte dieser Kurven für den Betriebszustand h2 = 0 (festgebremstes Turbinenrad), das sind also die Strecken 0-38 und 0-39, werden als Mass für die Drehmomentübersetzung des zugehörigen Wandlers angesehen. Der Drehmomentübersetzungswert 0-38 des Anfahrwandlers 1 ist somit auf Grund der unter schiedlich ausgelegten Turbinenradbeschaufelung wesentlich grösser als der entsprechende Wert 0-39 des Marschwandlers 2. Die strichlinierten Kurven il und yj geben den Wirkungsgradverlauf für den Wandler 1 bzw. 2 an.
Ihre optimalen Wirkungsgrade r7ont und ij.Pt, sind dabei praktisch gleich gross. Die ihnen zugeordneten Drehzahlverhältnisse fpo±,t und W opt gelten, wie ein gangs erwähnt, als Masse für die Drehzahlübersetzung der Wandler. Sie ist also beim Marschwandler 2 grösser als beim Anfahrwandler 1.
In dem Diagramm sind ausserdem noch die punk tierten Kurven K und K' für die spezifische Lei stungsaufnahme des Wandlers 1 bzw. 2 eingetragen. Hiernach ist die Leistungsaufnahme in dem für eine Benutzung in Frage kommenden Betriebsbereich bei beiden Wandlern wie erwünscht fast gleich.
Ins gesamt lässt also das Kurvenschaubild deutlich er kennen, dass das Austauschen lediglich der Turbinen- beschaufelung eines Wandlers besonders vorteilhaft dazu geeignet ist, bei fast gleichbleibender Leistungs aufnahme die Drehzahlübersetzung zu vergrössern und die Drehmomentübersetzung zu verkleinern und umgekehrt.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen Einzelheiten zweier Wandler einer andern Typenreihe, bei der die Leit- radbeschaufelungen je verschieden ausgelegt sind, während die Pumpen- und Turbinenradbeschaufelun- gen, ferner das Wandlergehäuse 48 sowie auch die übrigen Bauteile dieser Wandler je gleiche Ausbil dung besitzen.
Die Leitschaufeln 42 und 41 sind in diesem Falle beispielsweise aus gezogenen Profilen hergestellt und durch Zapfen 43, 44, 45 und 46 mit dem flanschartigen Leitradträger 47 sowie mit dem Leitradring 49 vernietet. Der Leitradträger 47 ist in dem Wandlergehäuse 48 eingesetzt und hieran in nicht dargestellter Weise festgeschraubt.
Die Leitschaufeln 41 des einen Wandlertyps (s. Fig. 7) sind ziemlich flach, die Leitschaufeln 42 des andern Typs (s. Fig. 8) dagegen anders geformt, vor allem stärker gekrümmt. Der Leitradträger 47 und der Leitradring 49 können bei beiden Wandlern gleich oder zumindest so ähnlich ausgebildet sein, dass hierfür wiederum gleiche Rohlinge, Dreh schablonen usw. verwendbar sind.
In dem Kurvenschaubild nach Fig. 9 sind in gleicher Weise wie in Fig. 5 die wichtigsten Kenn linien der beiden Wandlertypen zum Vergleich dar gestellt. Der stark ausgezogene Linienzug zeigt den Verlauf der Drehmomentverhältnisse
EMI0004.0049
für den Wandler mit einer Beschaufelung nach Fig. 8, die punktierte Linie e gibt den zugehörigen Wirkungs grad wieder.
Die entsprechenden Kurven
EMI0004.0056
und r@' gehören zu der Beschaufelung nach Fig. 7. Die spezifische Leistungsaufnahme K und K' ist in die sem Diagramm nicht dargestellt worden, da sie ähn lich wie nach Fig. 5 bei beiden Wandlertypen fast gleich ist.
Das Schaubild lässt erkennen, dass sich das Austauschen lediglich der Leitradbeschaufelung besonders dazu eignet, die Drehmomentwandlung hauptsächlich im Anfahrbereich zu verändern, da gegen die Momentwandlung im obern Drehzahlbe reich des Wandlers, ferner den gesamten Wirkungs gradverlauf f7 bzw. fj und die Drehzahlübersetzung Vopt bzw. fF@'"F,t sowie die spezifische Leistungs aufnahme K bzw. K' unverändert oder fast unver ändert zu belassen.
Der Wandlertyp mit der Kurve
EMI0004.0070
kann somit als besonders anfahrfreudig be zeichnet werden und eignet sich vor allem für einen Anfahrgang.
Das beschriebene Herstellungsverfahren kann bei Bedarf noch in der Weise erweitert werden, dass man die beiden Verfahrensvarianten - Austausch entweder der Turbinenbeschaufelung oder der Leit- radbeschaufelung - miteinander kombiniert. Aus gehend von einem bestimmten Wandlergrundtyp, können hiernach entweder die Turbinenbeschaufe- lung oder die Leitradbeschaufelung oder aber beide ausgetauscht werden. Man erhält dann eine ver grösserte Typenreihe, die z.
B. bei Verwendung von zwei verschiedenen Turbinenbeschaufelungen und zwei verschiedenen Leitradbeschaufelungen vier Wandlertypen pro Grundtyp umfasst. Die Betriebs verhältnisse lassen sich dadurch noch mehr variieren als bei den eingangs beschriebenen Typenreihen. Desgleichen dürften sich dann auch die Vorteile der Verminderung der Fertigungskosten, der Vorrats haltung usw. noch mehr auswirken.