CS196232B2 - Double-step hydrodynamic torque converter - Google Patents

Description

Vynález se týká dvoustupňového hýdrodynamického měniče kroutícího mementu s věncem · čerpadlových lopatek protékaným 'radiálně ven, se dvěma věnci turbinových lopatek, umístěnými v části hydraulického okruhu protékané radiálně dovnitř a s' věncem rozváděčích lopatek ležících mezi věnci turbinových lopatek, přičemž unei odchylky Φ mezi optimálním relativním směrem vstupu a směrem výstupu kapaliny je pro rozváděči lopatky 25 až 50° a úhel odchylky Φ pro turbinové lopatky druhého stupně turbiny je 40 až 63°.

Hydrodynamické měniče kroutícího momentu s takovým olopatkovánim dosáhly z hlediska výkonu a účinnosti vysokého stupně · vývoje·, jehož realizace však vyžaduj® ve výrobě maximální přesnost . a nese sebou vysoké náklady. Aby i presto byla cena jednotlivého měniče únosná, musí §e náklady na výrobní nástroj® v sériové výrobě rozdělit na co největší počet vyrobených kusů. To· znamená, ža určitá velikost měniče musí být použitelná pro Široký rozsah maximálního příkonu a maximálních vstupních otáček. .

K vyřešení tohoto problému lže příkon měničů přizpůsobit okamžitému maximálnímu výkonu iniáoího motoru tím, že se přen měniče vřadí převod měnící jeho vstupní

V otáčky, nebo že se přes měnič vede jen část celkového' výkonu hnábíh© motoru rozdělením kroutícího mementu. Qbě řešení umožňují použití jediné základní velikosti měniče, mají však i svá nevýhody, Mechanický převod . zdražuje zařízení, protože při rotaci vznikají kmity, které se musejí tlumit a zachycovat, takže teto řešení je omezeno v podstatě na kolejová vozidla. Rozdělení kroutícího momentu přichází naproti tomu v úvahu jen ú pb-Mhů základních a jiných siiniěníeh vozidel, sde představuje jednoduché vyřešení problémů vznikajících v souvislosti s přímým pohonem při přizpůsobování převodovky charakteristikám ffiotOrú.

Výrobci měničů musejí proto vyrábět několik růžůýen základních velikosti, jejiehž odstupňovaní a tedy počet závisí na rozsahu různých kombíhací maximálního příkonu a maximálních vstupních otáček, který překrývá každá VélilíVztáŽhoU Veličinu tvOří měrný kroutící moment, nazývaný součioiteičϊn ' Ms, který vyjadřuje, zs lopatkový systém s určitým vnějším průměrem torůidní pracovní komory je při smluvních vstupních otáčkách 1700 ot/mm v řadicím Bodě (Mi=sMz) schopen absorbovat na primární straně tento měrný kroutící moment § žádaným výkonem · a účinností. Každý · vstupní kroutící moment, který dOdáva hnací motor

198232

1962 ³ při jakýchkoli otáčkách v řadicím bodě, Se dá na základě jistých matematických vztahů platných pro hydraulické měniče přepočítat nejprve na uvedené vztažné otáčky v řadícím bodě, a potom se vypočte potřebný průměr lopatkového systému ve srovnání s průměrem, к němuž je vztažen měrný krouticí moment.

Měrný kroutící moment lopatkového systému, při kterém výkon a účinnost vyhovují stanoveným požadavkům, není samozřejmě omezen na určitou hodnotu, nýbrž zahrnuje většj nebo menší rozsah hodnot. Známé měniče mají poměrně velký rozsah Ms mezi 40 a 80. Tento velký rozsah 1:2 je důsledkem použitého dvoustupňového lopatkového systému, kde jak věnec čerpadlových lopatek, tak věnec turbinových lopatek leží v radiálních úsecích toroldního okruhu proudění. Mimoto se ho dosahuje tím, že se ideální úhly· odchylky, což jsou.....

úhly mezi optimálním relativním vstupním směrem proudění do kanálů mezi lopatkami jednotlivých lopatkových věnců a výstupním směrem na konci lopatky, a výstupní úhly — což jsou úhly mezi směrem výstupu proudění z kanálu a spojnicí konců dvou lopatek tvoříeích tento kanál, , se u prvního stupně turbiny, u rozváděčíhb kola a dru-.....

hého stupně turbiny udržují v určitých mezích, zatímco čerpadlové lopatky je třeba přizpůsobit hodnotám .zvoleným v těchto mezích. Tyto meze jsou dány zkušenostmi a všechny pokusy o jejich překročení vedly až dosud vždycky ke značnému poklesu výkonu a účinnosti, takže odborníci považovali za nezbytné vyrábět za sebou následující velikosti měničů jedné konstrukční řady _v poměrně malých odstupech.

Účelem vynálezu je obměnit měnič uvedeného typu s minimálními náklady tak, aby se podstatně zvětšil přenášený kroutící moment a tím se mohly zvětšit odstupy mezi jednotlivými velikostmi měničů jediné řady.

Podstata vynálezu spočívá V tom, že turbinové lopatky prvního stupně turbiny dvoustupňového hydrodynamického měniče jsou vytvořeny s úhlem odehylky Ф v rozsahu 9D až 115° a s výstupním úhlem a 29 až 38°, přičemž výstupní úhel a turbinových lopatek druhého stupně turbiny je v rozmezí 50 až 62°.

Tím se dosáhne toho, že rozsah Ms Se z dosavadních. 4Q.až. 80 zvětší na 40 až Ϊ40; aniž by se · snížil. výkon a účinnost, a aniž by bylo třeba měnit a zvětšit celý lopatkový systém. Vyjádřeno příkladem to znamená; že v rozmezí příkonu 29 828 ,W až 104 398 W při 1700 ot/min v řadicím bodě; lze po pouhé výměně jednotlivých věnců lopatek použít stejné velikostí měničů, a že měniče téže velikosti lze použít při příkonu 104 398 W při vstupních otáčkách jak 1700 ot/min, tak 2600 ot/min v řadicím bodě.

Podle výhodného provedení vynálezu mají turbinové lopatky prvního stupně turbiny poměr mezi poloměrem hlavy lopatky a. nej-.

:větší délkou lopatky, ve směru proudění rovný 0,13 až 0,14, přičemž jé účeíné, áby^:ťúř; binové lopatky prvního stupně túrbihý měly poměr mezi největší šířkou,^měřenou kolmo к podélnému rozměru, a největší délkou rovný 0,45.

Vynález bude popsán na příkladě provedění s odkazem na přiložené výkresy, kde na obr. 1 je schematický podétlný/^ez.^polo- . vinou měniče podle- vynálezu',· pbř;.2 až 5 a 6 až 9 jsou řezy odpovídající podobně očíslovaným čarám řezu na obr.. 1; ňbr. 10, 11 a 12 jsou řezy analogické s obr, l a ukazují jiné tvary měničů podle vynálezu, obr. 13 je pohled na turbinové jádro, Iřťéfé nese věnce turbinových lopatek prvního a dru-, hého stupně turbiny, obr. 14 je řez turbinovým jádrem v rovině A — A z obr. 13, obr. 15 je řez rovinou C — C z obr. 14, obr. 16 ukazuje šroubové upevnění turbinové lopatky druhého stupně -turbiny, - obr. 17 je řez turbinovou lopatkou prvního stupně turbiny ve zvětšeném měřítku, obr. 18 ukazuje drážkové spojení druhého stupně turbiny a hřídele, který ji nese, obr. 19 je diagram, z něhož je patrný široký rozsah použitelnosti měniče podle vynálezu a obr. 20 ukazuje výkonové charakteristiky měniče určitě’ velikosti pří nejnížš’ím~dóšúd ‘dosažitelném jmenovitém kroutícím momentu, znázorněném plnou čarou, a nejvyšším jmenovitém kroutícím momentu měniče podle vynálezu, zakresleném čerchovanou čarou.

Měnič podle obr. 1 je dvoustupňový typ s otočnou skříní 10.’ Skříň 10 představuje čerpadlo nebo primární člen, který se otáčí kolem osy A a nese věnce čerpadlových lopatek 12, které jsou spojeny s čerpadlovým jádrem 14. Čerpadlové jádro· 14 a turbinoyé jádro 20 jsou utěsněny v místě 54. Otočně namontovaný sekundární člen neboli turzina, sestávající z hřídele 16 a vnějšího věnce 16a, nese turbinové lopatky 18 druhého stupně turbiny, jejichž vnitřní konce jsou spojeny s turbinovým jádrem 20, které společně s čerpadlovým jádrem 14 ohraničuje komoru 54a. Turbinové jádro 20 nese věnec turbinových lopatek 22 prvního· stupně turbiny nesených přídavně přírubou 22a turbinového výstupku .48, který je oddělen od reakčního kotouče 24 nesoucího· rozváděči lopatky 23 mezerou 62 a utěsněn proti skříni 10 v místě 50, Turbinový výstupek 48 je. také oddělen od skříně 10 mezerou 56. Reakční kotouč 24 nese věnec' reakčních rozváděčích lopatek 26, spojených na vnitřních krajích vnitřním prstenecem 28, který je - oddělen od jádra mezerou 58.; Vnější věnec 16a, nesoucí turbinové lopatky 18, a reakční věnec 24 jsou odděleny mezerou 60.

Reakční kotouč 24 může být zajištěn proto otáčení v obop směrech nebo může rotovat za určitých provozních podmínek v určitém směru a určitou rychlostí vůči turbinovým lopatkám 18, 22; takové měniče se nazývají dvoufázové měniče. Reakční kotouč může být také uspořádán pro dodávání

Výkonu,,· jestliže. pracuje · jako pohyblivý reakční ' člen ..otáčející · se ve stejném směru jako- oběžné kolo čerpadla·’ stejnou nebo menší . rychlostí; za těchto podmínek může •působit jako· vyrovnávací oběžné kolo.

Z obr. 1 je patrno, · že jádro tvořící vnitřní obvod· průřezu hydraulického okruhu neboli cesty .průtoku .30 pro pracovní kapalinu je tvořeno . čerpadlovým jádrem . · 14, turbinovým jádrem 20 a prstencem 28, ·· a vnější obvod průřezuhydraulického okruhu je tvořen skříní 10, · vnějším · věncem 16 turbinového· členu 16a, · · částí reakčního· kotouče 24

a. přírubou 22a· turbinového výstupku· 48. Úseky · · 32, · 34 hydraulického okruhu . jsou propojeny s úseky 36, 38. .

, · · Při · · · · této· konstrukci měniče, · kde čerpadlové lopatky 12 leží v úseku hydraulického· okruhu přetékaného radiálně ven, zatímco turbinové lopatky 18, 22 prvního i · druhého · stupně turbiny a rozváděči lopatky 26 leží · ·v části hydraulického · · okruhu protékaného radiálně dovnitř, · kde velikost a tvar čerpadlových lopatek 12 · v širokém rozmezí tak, aby byl-o možno · měnit moment zachycovaný čerpadlem a tedy i součinitel Ms' bez konstrukčních změn turbiny.

Obr.· 2 až 7 znázorňují lopatkování, které má nové charakteristické znaky vynálezu. V těchto ·obrázcích úhel a udává ·výstupní úhly · lopatek a b minimální vzdálenost mezi sousedními lopatkami stejného věnce neboli nejužší průřez průtokového kanálu mezi lopatkami. Výstupní úhel a je úhel sevřený přímkou XY (obr. 7), která prochází výstupní hranou lopatky a která tvoří tečnu oblouku o poloměru rovném vzdálenosti b, narýsovaného z výstupní hrany sousední lopatky vzdálené o rozteč p> a spojnicí konců lopatek omezujících průtokový kanál.

V obr. 3 až 5 je směr kapaliny, vstupující do věnců rozváděčích lopatek 26 a turbi nových lopatek 18, 22 obou: stupňů turbiny při rozjíždění, tj. při otáčejícím se Čerpadle a při zastavené turbině, označen přímkami I-st, zatímco · přímky I sh označují směr relativní vstupní rychlosti v řadicím bodě. Úhel γ mezi těmito dvěma přímkami udává hranice · normálně · používaného rozsahu měniče. Optimální relativní směru vstupu je označen I o,

V obr. 5 - a 9 je k vyznačení · zaobleného tvaru · hlavy turbinových lopatek 18 druhého stupně turbiny zakreslen poloměr r, třebaže tvar hlavy se· může odchylovat od přesných kruhových oblouků, ale zachovává sl obecně obloukový tvar vůči středu O. Vstupní oblast neboli hlava lopatky leží nad přímkou · S, procházející středem O kolmo · na optimální relativní vstupní úhel I o. Délka lopatek · ve směru proudění je označena ω (obr. 5 a,9) a délka v osovém směru je označena 1· (obr. 1).

Porovnání obr. 3 s obr. 7 ukazuje, že úhel . odchylky Φ mezi optimálním relativním směrem vstupu I o a směrem výstupu prvního turbinového stupně je u měniče podlé vynálezu (obr. 7) značně odlišný od známého měniče (obr. 3). Naproti tomu u druhého stupně (obr. 5) zůstává v podstatě nezměněn, i když se zvětšila hodnota a. Srovnání obr. 2 a 6 ukazuje, že profily čerpadlových lopatek 12 mají v rozsahu vysokého Ms · (obr. · 6) větší poloměr výstupní hrany a/nebo větší úhel a než v· rozsahu nižšího Ms (obr. 2). Současně je vstupní část čerpadla v rozsahu vysokého Ms (obr. 6) uzpůsobena pro větší množství cirkulační kapaliny.

Následující tabulka udává kombinace hodnot výstupního úhlu a a úhlu odchylky Φ pro rozsah nízkého Ms u známých měničů a pro rozsah vysokého· Ms u měniče podle vynálezu na turbinové straně měniče:

Rozsah nízkého Ms až 80

Φu

Rozsah vysokého Ms až do 140

Φa

	min.	max. min.
prviíí	50	90	22
stupeň
turbiny
rozváděči	25	50	28
stupeň
druhý	40	65	48
stupeň ·
turbiny
Z obr.	3 a 7 je	dále	patrno, že jsvy-
šuje-li se·	Ms, zmenšuje se	úhel γ. Dále se·
mění· střední · vstupní směr	a profil lopatky

max.	min.	max.	min.	max.
28	75	115	29	38
38	25	50	32	41
58	40	65	50	62
zvětší	poměr	tloušťky	lopatek	a délky ω

se přizpůsobí tak, že nejen úhel odchylky Φ, ale také poměr · mezi · poloměrem ... hlavy a délkou turbinové · lopatky 22 prvního stupně turbiny se · zvětší proti oblasti normálního Ms. · Pro nízký rozsah (Ms 40—80) bývá poměr r/ω obyčejně 11 %. · Avšak pro vysoký rozsah (Ms 80—140) se poměr r/ω účelně zvětší · na 13 až 14 °/o, přičemž současně se z 35 % asi · na 45 % a hodnota Φ průměrně ze · 70 % na 95 °/o. Tloušťkou lopatek Se myslí maximální příčný rozměr lopatky měřený kolmo na délku ω ve směru proudění.

Tím, že se lopatkový profil upraví uvedeným způsobem, je možno zvýšit výkon čerpadla při stejné velikosti měniče, · a současně odstranit dosud nezbytné ztráty v ostatních stupních tím, že se jejich rozsahy s vyšší a nižší účinností vzájemně vyrovnají.

198232

Přitom lze dokonce snížit ztráty v prvním stupni presto, že první stupeň v oblasti vysokého Ms absorbuje úměrně větší část eliergie, a 'částečně vyrovnat zvýšené ventilační ztráty.

Zužující se tvar lopatek podle obr. 1, 10, 11 a 12 .zlepšuje vedení kapaliny a současně umožňuje, aby se lopatky mohly odlévat společně s věnci v jedné formě. litím pod tlakem. Tyto způsoby lití zjednodušují a snižují obrábění potřebné pro upevňování různých částí к sobě. Ke zvýšení hospodárnosti při výrobě je výhodné montovat lopatkový systém ze součástí, které nevyžadují žádné nebo prakticky žádné obrábění, toho se dosáhne spojením ve tvaru, podle obr. 13 a 17.

Turbinové lopatky 22 prvního stupně, turbinové lopatky 18 druhého stupně turbiny a/nebo rozváděči lopatky 26 jsou vytvořeny na koncích s výstupky 16A obdélníkového průřezu [obr. 16), které jsou uloženy v otvorech 16E vnitřního turbinového jádra 20, nebo nosného kotouče 16a, 22a, 24a. Výstupky 18A a otvory 16E mají dvojice rovnoběžných čelních ploch, které leží v radiálních rovinách nebo jsou s nimi rovnoběžně, Poněvadž otvory 16E mají v radiálním směru větší rozměr než výstupky 16A, jé mezi nimi v radiálním směru určitá, poměrně velká vůle. Protilehlé páry výstupků 18A a otvorů 16E určují polohu částí ve směru kolmém ke své spojnici. To znamená, že dva páry výstupků 18A a otvorů 16E v úhlových vzdálenostech 90° určují relativní polohu věnců, která je ovlivněna pouze nutnou tolerancí šířky výstupků 18A a otvorů 16E neboli obvodovou vůlí, takže se části samočinně vystředí. Pomocí tohoto systému se čerpadlová lopatka 12 a čerpadlové jádro 14 (obr. 12), rozváděči lopatka 26 a její vnitřní prstenec 28 snýtují nebo svaří dohromady na volných koncích v pevnou montážní skupinu. Je však možno demontovat první a druhý stupeň turbiny (obr. 12), a proto první stupeň turbiny obsahuje s ním vcelku odlitý šroub 22A (obr. 17) a druhý stupeň turbiny má průchozí šroub, které určují osovou polohu mezi částmi, zatímco výstupky 18A a otvory 16E určují soustředovost a úhlovou polohu částí.

Použití lití pod tlakem pro části lopatkového systému také přispívá к řešení problému upevnění turbinové a rozváděči části к hřídelům levným spůsobto. Třebaže je tento problém podobný probitou vzájenshé^ mu upevňování věnců, liší se v tom, že smrštění částí při lítí se projevuje různou tepelnou roztažností, když se například hliníkový náboj upevňuje na ocelový hřídel. Za těchto okolností není vhodné používat špo-, jení nalisováním za tepla a ani z ekonomického hlediska není praktické používat odlitých pouzder.

Obr. 18. ukazuje mozne provedeni drážkového spoje mezi hliníkovým vnějším věncem 16a a ocelovým hřídelem 16, které prakticky vylučuje vliv různé tepelně roztažnosti vnějšího věnce 16a a hřídele 16. Nižší pevnost materiálu s větším prodloužením se vyrovná tím, že se zvolí průměr ocelového hřídele 16 a průměr hliníkůVěho věnce 16a podle pevnostních hodnot obou materiálů a rovněž podle počtu drážek, který se volí tak, aby došedačí plochy vyhovovaly materiálu s nižší pevností. Boční plochý drážek 16b, 16c (obr. 1<8) leží v radiálních rovinách nebo v rovinách rovnoběžných š radiálními rovinami. Obvodová šířka a a ř drážek 16A, 16B (obr. 18) a jejich radiální výška se volí tak, aby s ohledem na pevnost materiálů měly drážky na hřídeli 16 a drážky ve věnci 18a stejnou pevnost.

Obr. 19 ukazuje rozšíření oblasti4>ls, a udává, jak vynález umožňuje použít s jednotlivými základními velikostmi měniče nejrůznějších hnacích motorů jednoduše tím, že se hydrodynamický měnič kroutícího momentu podle vynálezu připojí přímo к motoru bez vložených mechanických ozubených převodů a bez dělení kroutícího momentu.

Obr. 20 ukazuje dvě křivky Účinnosti Charakterizující výkon měniče. Plná křivka značí účinnost na dolní hranici Ms = 40 v dosud dosažitelném rozsahu nízkého Ms (ňa obr. 19 rozsah lf), a čerchovaná křivka udává účinnost na horní hranici Ms = 140 rozsahu vysokého Ms podle vynálezu (rozsah hf na obr. 19). Z těchto křivek je vidět, že poměr otáček nz/ni v řadicím bodě je větší pro rozsah vysokého Ms než pro rozsah nízkého Ms. Současně se zvětšila i účinnost pro rozsah vysokého Ms. Tyto výsledky jsůu velmi výhodné oproti výsledkům, kterých se dosáhne u třístupňového měniče točivého momentu, konstruovaného pro jednu zvláštní hodnotu Ms.

Claims (7)

1. Dvoustupňový hydrodynamický měnič kroutícího momentu s věncem čerpadlových lopatek protékaným radiálně ven, se dvěma věnci turbinových lopatek umístěnými v části hydraulického okruhu protékané radiálně dovnitř a s věncem rozváděčích lopatek ležících mezi věnci turbinových lopatek, přičemž úhel odchylky Ф mezi optimálním relativním směrem vstupu a směrem výstupu kapaliny je pro rozváděči lopatky 25 až 50°

VYNALEZU a úhel odchylky Φ pro turbinové lopatky druhého stupně turbiny je 40 až 65°, vyznačený tím, že turbinové lopatky (22) prvního stupně turbin dvoustupňového hydrodynamického měniče jsou vytvořeny s úhlem odchylky Φ v rozsahu 90 až 115° a s výstupním úhlem a 29 až 38°, přičemž výstupní úhel a rozváděčích lopatek (26) je V rozmezí 32 až 41° a výstupní úhel ά turbinových lopatek (18) druhého stupně turbiny je v rozmezí 50 až 62°.

2. Dvoustupňový hydrodynamický měnič podle bodu 1, vyznačený 'tím, že turbinové lopatky (22) prvního stupně turbiny mají poměr mezi poloměrem (r) · hlavy lopatky (22) a největší délkou (ω) lopatky (22) ve směru proudění rovný 0,13 až 0,14.

3. Dvoustupňový' hydrodynamický měnič podle bodu 2, vyznačený tím, že turbinové lopatky (22) prvního stupně turbiny mají poměr mezi největší šířkou, měřenou kolmo k podélnému rozměru, a největší délkou (ω) rovný 0,45.

4. Dvoustupňový hydrodynamický měnič podle bodů 1 · až 3, vyznačený tím, že vstupní hrana . čerpadlových lopatek (12) leží vzhledem k ose otáčení na větším poloměru než výstupní hrana turbinových lopatek (18) druhého stupně turbiny.

5. Dvoustupňový hydrodynamický měnič podle bodů 1 až '4, vyznačený tím, že turbinové lopatky (22) prvního · stupně turbiny jsou vytvořeny jako jeden celek s nosným kotoučem (22a), jsou zkosené a jejich užší konce přiléhají k turbinovému jádru (20), rozváděči lopatky (26) jsou vytvořeny jako jeden celek s nosným kotoučem (24a), jsou zkosené a jejich užší konce jsou přivráceny k turbinovému jádru (20), a turbinové lopatky (18) druhého stupně turbiny jsou vy tvořeny jako jeden celek buď s nosným kotoučem (16a), anebo s turbinovým jádrem (20), jsou zkosené a · jejich užší konce jsou odvráceny od nosného kotouče (16a) nebo od turbinového jádra (20), s nímž vytvářejí jeden celek.

6. Dvoustupňový hydrodynamický měnič podle bodu 5, vyznačený tím, že turbinové lopatky (18) druhého stupně turbiny, turbinové lopatky (22) prvního stupně turbiny, rozváděči · lopatky (26) a příslušný nosný kotouč (16a, 22a, 24a) nebo turbinové jádro (20) jsou vytvořeny v jednom kusu litím pod tlakem.

7. Dvoustupňový hydrodynamický měnič podle bodu 6, vyznačený tím, že volné konce turbinových lopatek (18) druhého stupně turbiny a/nebo turbinových lopatek (22) prvního stupně turbiny a/nebo rozváděčích lopatek (26) jsou soustředně uloženy ve vnitřním turbinovém jádru (20) nebo v nosném kotouči (16a, 22a, 24a) prostřednictvím· výstupků (18A), které mají dvojici rovnoběžných čelních ploch a jsou uloženy v otvorech (16É) opatřených odpovídající dvojicí rovnoběžných čelních ploch, přičemž rovnoběžné čelní plochy leží v radiálních rovinách nebo rovinách rovnoběžných s radiálními rovinami a otvory (16E) mají v radiálním směru větší rozměr než výstupky (18A).