DE10046828A1

DE10046828A1 - Verfahren zur Steuerung der Leistungsaufnahme einer hydrodynamischen Kupplung durch Füllungsgradsteuerung und eine hydrodynamische Kupplung

Info

Publication number: DE10046828A1
Application number: DE10046828A
Authority: DE
Inventors: Werner Klement; Klaus Vogelsang; Peter Edelmann; Heinz Hoeller; Juergen Friedrich; Reinhard Kernchen; Karl-Heinz Diele
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2002-03-28
Also published as: DE10046834A1; DE10046833A1; DE10046830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsaufnahme eines Anfahrelementes in Form einer hydrodynamischen Kupplung, umfassend ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, die miteinander wenigstens einen mit Betriebsmittel befüllbaren torusförmigen Arbeitsraum bilden, in einem Antriebsstrang mit mindestens noch einer, mit der hydrodynamischen Kupplung koppelbaren Antriebsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsaufnahme als Funktion des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung frei einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsaufnahme einer hydrodynamischen Kupplung, insbesondere als Anfahrelement in einem Antriebsstrang durch Füllungsgradsteuerung, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner eine hydrodynamische Kupplung, eine Verwendung derselben und eine Verwendung des Verfahrens.

Während des Anfahrvorganges, d. h. dem Hochlauf der Antriebsmaschine und gleichzeitiger Übertragung von Drehmoment auf den Abtrieb in einem Antriebsstrang, insbesondere in Fahrzeugen aber auch stationären Anlagen, steht zunehmend die Problematik des Energieverbrauches der Antriebsmaschine im Vordergrund, da dabei in der Regel zuwenig Energie für die Eigenbeschleunigung der Antriebsmaschine zur Verfügung steht. Als Anfahrelemente in Fahrzeugen finden dabei u. a. hydrodynamische Kupplungen Verwendung. Diese sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt. Diesbezüglich wird auf das Druckwerk Voith: "Hydrodynamik in der Antriebstechnik", Vereinigte Fachverlage, Krausskopf Ingenieur Digest, Mainz 1987, verwiesen, in der Regel sind dabei die Anfahrelemente in einer Getriebebaueinheit integriert. Die Getriebebaueinheit weist dazu einen ersten hydrodynamischen Getriebeteil und einen weiteren zweiten Getriebeteil, welcher für den Einsatz in Fahrzeugen in der Regel vorzugsweise von einem mechanischen Getriebeteil gebildet wird, auf. Da die Leistungsaufnahme der hydrodynamischen Kupplung von deren Ausgestaltung selbst und nicht von einer, an diese wenigstens mittelbar auf der Abtriebsseite angeschlossenen Arbeitsmaschine abhängig ist, ist beim Einbau eines derartigen Elementes zwischen einer Antriebsmaschine und einer Arbeitsmaschine zu berücksichtigen, daß für jeden Belastungszustand zwischen der Arbeitsmaschine und der hydrodynamischen Kupplung auch ein Gleichgewichtszustand zwischen der Antriebsmaschine und dem hydrodynamischen Bauelement gegeben sein muß. Dabei steht die von der Antriebsmaschine abgegebene Leistung im seltensten Fall vollständig der Getriebebaueinheit, insbesondere dem hydrodynamischen Bauelement während des Anfahrvorganges zur Verfügung. Leistungen für Hilfsmaschinen, wie zum Beispiel Lüfter, Lichtmaschinen, Pumpen und so weiter, die vor dem Anfahrelement beziehungsweise dem Getriebeeingang angeordnet sind, müssen dabei von der zur Verfügung stehenden Antriebsleistung abgezogen werden. Wesentlich für die Verwendung eines hydrodynamischen Bauelementes in Form einer hydrodynamischen Kupplung für den Anfahrvorgang sind dabei die nachfolgend genannten Vorteile hydrodynamischer Leistungsübertragung: verschleißfrei sowie schwingungsdämpfend und thermisch stabil. Im Zusammenwirken mit Antriebsmaschinen für unterschiedliche Einsatzzwecke werden dabei an das Übertragungsverhalten auch während des Anfahrvorganges konkrete Anforderungen gestellt. Insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen ist während des Anfahrvorganges ein bestimmtes Verhalten, insbesonders eine bestimmte Leistungsaufnahme durch das Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung gewünscht, um die Antriebsmaschine in einem hinsichtlich eines bestimmten Parameters optimierten Betriebsbereiches fahren zu können. Während des Anfahrvorganges bei niedrigen Drehzahlen ist es dabei erforderlich, um einen möglichst entlasteten Motorhochlauf zu realisieren, das ein entsprechendes Überschußmoment zur Eigenbeschleunigung der Antriebsmaschine vorhanden ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anfahreinheit der eingangs genannten Art, insbesondere ein Verfahren zur Steuerung der Leistungsaufnahme derart weiterzuentwickeln, daß diese insbesondere für den Einsatz in Antriebssträngen von Fahrzeugen oder anderen Anwendungsbereichen geeignet sind, wobei neben den Vorteilen der hydrodynamischen Leistungsübertragung auch ein wesentlich entlasteter Hochlauf der Antriebsmaschine gewährleistet werden sollte. Dabei soll sich die Ausführung der Anfahreinheit durch einen geringen konstruktiven, fertigungstechnischen und steuerungstechnischen Aufwand auszeichnen und kostengünstig sein. Des weiteren soll die erfindungsgemäße Lösung, unabhängig vom Einsatzgebiet am hydrodynamischen Bauelement, nur geringfügige Modifikationen erfordern.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. Vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten sind in den Verwendungsansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zur Steuerung der Leistungsaufnahme eines Anfahrelementes in Form einer hydrodynamischen Kupplung, umfassend ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, die miteinander wenigstens einen mit Betriebsmittel befüllbaren torusförmigen Arbeitsraum bilden, in einem Antriebsstrang mit mindestens noch einer, mit der hydrodynamischen Kupplung koppelbaren Antriebsmaschine, die Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von deren Füllungsgrad frei einstellbar. Diese freie Einstellbarkeit ermöglicht es, hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien, beispielsweise Energieverbrauch und Schadstoffemission, optimierte Betriebspunkte im Kennfeld der Antriebsmaschine anzusteuern.

Dabei erfolgt bei Vorliegen einer, die gewünschte aufzunehmende Leistung der hydrodynamischen Kupplung wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe eine Änderung der Leistungsaufnahme durch die Steuerung des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung. Die Füllungsgradsteuerung erfolgt dabei vorzugsweise durch das Erzeugen und/oder Aufbringen eines Beeinflussungsdruckes auf ein ruhendes Medium, insbesondere den im Rahmen einer Betriebsmittelversorgungseinrichtung in einer Betriebsmittelspeichereinrichtung sich einstellenden Betriebsmittelspiegel oder einen Steuermittelspiegel. Dabei wird ein Teil des im Arbeitsraum befindlichen Betriebsmittels während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung in einem geschlossenen Kreislauf zwischen wenigstens einem Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum zwischen Pumpenrad und Turbinenrad und wenigstens einem Eintritt in den torusförmigen Arbeitsraum geführt, wobei der Eintritt mit einer gegenüber der Umgebung druckdicht geschlossenen Betriebsmittelspeichereinheit gekoppelt ist. Es wird dann eine Stellgröße zur Erzeugung eines Beeinflussungsdruckes auf das in der Betriebsmittelspeichereinheit ruhende Medium erzeugt und die Stelleinrichtung angesteuert. Die Befüllung oder Entleerung erfolgt bis zur Einstellung einer Druckwaage zwischen dem Betriebsmittelspiegel in der Betriebsmittelspeichereinrichtung und dem rotierenden geschlossenen Kreislauf.

Die vorrichtungsmäße Ausgestaltung der hydrodynamischen Kupplung ist in Anspruch 10 beschrieben.

Erfindungsgemäß umfaßt eine hydrodynamische Kupplung mindestens zwei rotierende Kreislaufteile in Form zweier Schaufelräder, welche miteinander mindestens einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, der mit Betriebsmittel befüllbar ist und in welchem sich bei Betrieb der hydrodynamischen Kupplung ein rotierender Arbeitskreislauf einstellt. Dem torusförmigen Arbeitsraum ist ein Zulauf und ein Ablauf zugeordnet, der mit einem geschlossenen Kreislauf verbunden ist. Dieser umfaßt den Arbeitskreislauf und einen externen Teil, das heißt außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes geführten Teiles, der mit dem Arbeitskreislauf gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist dieser geschlossene Kreislauf druckdicht ausgeführt. Dies bedeutet im einzelnen, daß der Zulauf, insbesondere der Zulaufraum zum Arbeitsraum und der Ablauf, insbesondere der Abströmraum gegenüber der hydrodynamischen Kupplung dicht ausgeführt sind und des weiteren die Betriebsmittelführungsstrecke zwischen dem Zulauf und dem Ablauf im externen Teil des geschlossenen Kreislaufes, d. h. außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes komplett abgedichtet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, daß im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung bei Abfuhr von Betriebsmittel aus dem Arbeitskreislauf in den externen Teil des geschlossenen Kreislaufes Betriebsmittel im externen Teil des Kreislaufes geführt wird und, da der Gesamtkreislauf geschlossen ausführt ist, dem Zulauf wieder zugeführt wird. Aufgrund der druckdichten Ausführung wird während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung, das heißt bei Rotation eines Schaufelrades und dadurch bedingt durch Mitnahme mittels dem Arbeitskreislauf mindestens eines weiteren Schaufelrades ein durch die hydrodynamische Kupplung selbsterzeugter Druck im geschlossenen System aufrecht erhalten. Dieser Kreislauf kann dabei für sich allein schon als Kühlkreislauf bezeichnet werden, da über die Leitungsverbindungen zwischen dem Ablauf und dem Zulauf Wärme durch Wärmestrahlung abgeführt werden kann. Es ist somit bereits mit dieser Ausführung ein Kühlkreislauf möglich.

Werden unter einem weiteren Aspekt Mittel zur Erzeugung eines Beeinflussungsdruckes auf das im geschlossenen Kreislauf geführte Betriebsmittel vorgesehen, besteht die Möglichkeit zusätzlich den Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung zu steuern.

Unter einem weiteren Aspekt ist im geschlossenen Kreislauf mindestens eine Knotenstelle zum wahlweisen Anschluß von Mitteln zur Befüllung und/oder Entleerung und/oder Mitteln zur Druckvorgabe im System angeordnet. Die Mittel zur Druckvorgabe sind dabei vorzugsweise druckdicht an den geschlossenen Kreislauf angeschlossen und dienen der Erzeugung eine statischen Überlagerungsdruckes im geschlossenen Kreislauf. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Druckvorgabe einen druckdicht abgeschlossenen Behälter, welcher druckdicht mit dem geschlossenen Kreislauf verbunden ist. Die Druckvorgabe erfolgt dabei durch Aufbringen eines Druckes auf den Behälterspiegel. Eine andere Möglichkeit besteht in der Erzeugung eines Druckes durch zusätzliche Elemente, beispielsweise eine entsprechende Pumpeinrichtung.

Die Mittel zur Befüllung umfassen eine Betriebsmittelbehältereinrichtung und Mittel zum Betriebsmitteltransport, beispielsweise Pumpeinrichtungen. Diese dienen auch dem Verlustausgleich.

Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung werden zur Vereinfachung des Gesamtsystems die Mittel zur Befüllung und Entleerung und die Mittel zur Druckvorgabe von einem System gebildet. Die Befüllung und Entleerung erfolgt dabei vorzugsweise ebenfalls über den druckdicht an das geschlossene System angeschlossenen Behälter und Ausübung eines Druckes auf den Behälterspiegel oder über Pumpeinrichtungen.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung beinhaltet das Vorsehen beziehungsweise die Zuordnung von stehenden Staudruckrohren zum Abströmraum, welcher von einem mitrotierenden Gehäuseteil begrenzt wird. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von stehenden Staudruckrohren vorgesehen, welche im bestimmten Abstand zueinander in Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Staudruckrohe fungieren beim Eintauchen in den Abströmraum als Staudruckpumpeinrichtung und sind mit den mit dem Abströmraum gekoppelten Leitungsverbindungen verbunden. Diese wandeln dabei die kinetische Energie in Druckenergie um und erzeugen so selbsttätig einen Kühlkreislauf, welcher zur Sicherstellung des Dauerbetriebes der hydrodynamischen Kupplung erforderlich ist. In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung sind im geschlossenen Kreislauf Mittel zur Wärmeabfuhr vorgesehen. Diese können dabei als Kühleinrichtungen oder Wärmetauscher ausgeführt sein.

Die erfindungsgemäß gestaltete hydrodynamische Kupplung als Anfahrelement ist hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten in Antriebssträngen nicht auf eine konkrete Anwendung beschränkt. Die Anwendung kann in Antriebssträngen von stationären Anlagen oder mobilen Einrichtungen, vorzugsweise im Fahrzeug erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 verdeutlicht eine vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäß gestalteten Anfahrelementes in Form einer Turbokupplung anhand eines Ausschnittes aus einem Antriebsstrang;

Fig. 2 verdeutlicht anhand einer schematisierten Darstellung einer hydrodynamischen Kupplung und dem dieser zugeordneten Betriebsmittelversorgungssystem das Grundprinzip der Füllungsgradsteuerung.

Die Fig. 1 verdeutlicht eine vorteilhafte Ausführung eines erfindungsgemäß gestalteten Anfahrelementes 1 in Form einer hydrodynamischen Kupplung 2, insbesondere Turbokupplung anhand eines Ausschnittes aus einem Antriebsstrang 3. Die hydrodynamische Kupplung 2, insbesondere Turbokupplung umfaßt wenigstens ein als Pumpenrad 4 fungierendes Primärrad und ein als Turbinenrad 5 fungierendes Sekundärrad, welche miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 6 bilden. Das Anfahrelement 1 umfaßt des weiteren einen, mit einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine wenigstens mittelbar koppelbaren Antrieb 7 und einen mit dem Abtrieb am Antriebssystem wenigstens mittelbar, d. h. indirekt über weitere Übertragungsmittel oder direkt ohne Zwischenschaltung weiterer Übertragungsmittel, koppelbaren Abtrieb 8. Der Abtrieb 8 ist dabei beim Einsatz in Getrieben im allgemeinen mit einem mechanischen Drehzahl- und/oder Drehmomentumformer koppelbar. Der Antrieb 7 und der Abtrieb 8 werden dabei beispielsweise jeweils von einer Welle oder einer Hohlwelle oder einem Flansch gebildet. Die hydrodynamische Kupplung 2 weist des weiteren ein Gehäuse 9 auf, welches mit dem Pumpenrad 4 drehfest verbunden ist und aus Montagegründen vorzugsweise aus einer Mehrzahl von einzelnen Gehäuseteilen 25.1-25.3 besteht. Das Gehäuse 9 ist dazu ebenfalls drehfest mit dem Antrieb 7 gekoppelt. Im dargestellten Fall ist das Gehäuse 9 dazu mit einem Nabenelement 10 verbunden, welches an seinem zum Anfahrelement hingewandten Endbereich 11 flanschartig ausgestaltet ist, wobei die Befestigung bzw. die Realisierung der drehfesten Verbindung zwischen dem Nabenelement 10 und dem Gehäuse 9 im Bereich eines Flansches 12 am Nabenelement 10 erfolgt. Der Antrieb des Nabenelementes 10 erfolgt über eine Antriebswelle 13, welche wenigstens mittelbar, daß heißt entweder direkt oder über weitere Leistungsübertragungselemente mit einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine verbindbar ist und eine entsprechende Welle-Nabe- Verbindung 14, welche im dargestellten Fall als Paßfederverbindung 15 zwischen Nabenelement 10 und Antriebswelle 13 ausgeführt ist. Andere Ausführungsmöglichkeiten zur Realisierung einer drehfesten Verbindung sind ebenfalls denkbar. Das Gehäuse 9 umschließt in axialer Richtung das Turbinenrad 5 unter Bildung eines ersten Zwischenraumes 16. Der erste Zwischenraum 16 wird dabei durch eine Gehäuseinnenwand 17 eines Gehäuseteils 25.1, einen Austritt 18 aus dem Pumpenrad 4 im Bereich der Trennebene 19 zwischen Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5, dem Außenumfang 20 im Bereich der radial äußeren Erstreckung 21 des Turbinenrades 5 und einen mit dem Pumpenrad 4 direkt drehfest verbundenen oder mit dem Pumpenrad eine bauliche Einheit bildenden weiteren Gehäuseteil 25.2, insbesondere dessen Innenfläche 31 begrenzt. Dabei sind Mittel 22 zur Abdichtung des Zwischenraumes 16 zwischen dem Gehäuse 9 und dem Turbinenrad 5 vorgesehen. Diese Mittel zur Abdichtung 22 umfassen mindestens eine berührungsfreie Dichteinrichtung 23, welche vorzugsweise in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt ist. Das Gehäuse 9 bildet des weiteren mit dem Pumpenrad 4 und einem weiteren, mit diesem drehfest gekoppelten Gehäuseteil 25.3 sowie einem zweiten mit Relativdrehzahl zum Gehäuse 9 rotierenden, vorzugsweise jedoch ruhenden Gehäuse 51, welches über eine Lageranordnung 26 auf einer den Abtrieb 8 des Anfahrelementes 1 bildenden Abtriebswelle 27 gelagert ist, einen weiteren zweiten Zwischenraum 28. Dieser wird im wesentlichen durch die Außenfläche 29 des Pumpenrades 4 im radial äußeren Bereich 30, dem die Gehäuseinnenwand 31 tragenden Gehäuseteil 25.2 und einer das Pumpenrad 4 in axialer Richtung wenigstens teilweise umschließenden Innenfläche 33 des Gehäuseteiles 25.3 des Gehäuses 9 gebildet. Das ruhende Gehäuse 51 kann einteilig oder aber mehrteilig ausgeführt sein. Es kann auch - in Abhängigkeit von der Anbindung an den Abtrieb 8 - mit Relativdrehzahl zur Rotation des Gehäuses 9 rotieren. Eine Abdichtung zwischen dem Gehäuseteil 25.3 und einem Gehäuseteil 51.1 des ruhenden Gehäuses 51, in welchem Leitungsverbindungen 41 zur Realisierung eines geschlossenen Betriebsmittelkreislaufes 42 integriert sind, erfolgt über Mittel 34 zur Abdichtung des Zwischenraumes 28 zwischen dem Gehäuse 9 und dem Gehäuse 51, insbesondere den Gehäuseteilen 25.3 und 51.1. Diese Mittel umfassen wenigstens eine berührungsfreie Dichtung 35, welche vorzugsweise in Form einer Labyrinthdichtung ausgeführt ist. Der zweite Zwischenraum 28 ist über entsprechende Durchlaßöffnungen 36 in der Gehäusewand 32 am Gehäuseteil 25.2 mit dem ersten Zwischenraum 16 verbunden. Dem zweiten Zwischenraum 28 sind Mittei 37 zur Abfuhr von, im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung durch die Betriebsmittelführung im torusförmigen Arbeitsraum 6 in den zweiten Zwischenraum 28 gelangten Betriebsmittel zugeordnet, welche beispielsweise in Form von Staudruckpumpen 38 ausgeführt sind. Entsprechend der gewünschten abzuführenden Menge an Betriebsmittel aus dem zweiten Zwischenraum 28 und des dazu zur Verfügung stehenden Zeitraumes sind vorzugsweise in Abhängigkeit des möglichen Strömungsquerschnittes, welcher durch die Dimensionierung der Staudruckpumpen 38 bereitstellbar ist, eine Mehrzahl von Staudruckpumpen 38 vorgesehen, welche vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung im Zwischenraum 28 angeordnet sind bzw. in diesen eintauchen. Die Gehäuseteile 51.1 und 51.2 und der dritte Gehäuseteil 25.3 bilden dabei ein Staudruckpumpengehäuse 54, der Gehäuseteil 25.3 für sich allein die Pumpenradschale 52. Die Gehäuseteile 51.1 und 51.2 können auch als integrale Baueinheit ausgeführt sein, daß heißt es ist lediglich ein Gehäuseteil vorgesehen, welcher die in der Figur dargestellten Gehäuseteile 51.1 und 51.2 in sich vereinigt. Die Mittel zur Abfuhr 37, insbesondere die Staudruckpumpen 38 sind dabei mit Mitteln 39 zur Führung von Betriebsmittel in einem geschlossenen Kreislauf 42 verbunden. Die Mittel 39 zur Führung von Betriebsmittel umfassen dazu vorzugsweise Leitungsverbindungen 41 in Form von Betriebsmittelführungskanälen 50, welche in der dem Pumprad 4 zugewandten Gehäusewand bzw. den Gehäuseteilen 51.1 und 51.2 des Gehäuses 51 eingearbeitet sind. Das rotierende Gehäuse 25 und das ruhende oder mit relativer Drehzahl zum Gehäuse 25 rotierende Gehäuse 51 bilden das Gesamtgehäuse 55 der Kupplung 2. Das Betriebsmittelversorgungssystem 53 umfaßt eine Betriebsmittelspeichereinrichtung 40, welche mit dem geschlossenen Kreislauf 42 über eine Knotenstelle 56 verbunden ist, beispielsweise mittels einer Leitungsverbindung. Die Betriebsmittel-Speichereinrichtung 40 ist vorzugsweise im Bereich unterhalb der Höhe des torusförmigen Arbeitsraumes 6 angeordnet, insbesondere innerhalb der in Einbaulage äußeren radialen Abmessungen der einzelnen Schaufelräder 4 oder 5. Eine Sicherung über Syphon oder andere Hilfsmittel kann in diesem Fall entfallen. Die Betriebsmittelspeichereinrichtung 40 ist dabei druckdicht mit dem Eintritt 44 in den torusförmigen Arbeitsraum 6 über die Knotenstelle 56 verbunden. Die Mittel zur Abdichtung 34 des Zwischenraumes 28, insbesondere des Staudruckpumpengehäuses 54 und der Pumpenradschale 52 sowie die Mittel 22 zur Abdichtung zwischen Turbinenrad 5 und dem rotierenden Gehäuse 9 der Anfahreinheit 1 sind räumlich oberhalb der Meridianmitte in Umfangsrichtung und unterhalb des maximalen Profildurchmessers der beiden Schaufelräder, das heißt des Pumpenrades 4 und des Turbinenrades 5 angeordnet. Des weiteren sind Mittel zur Abdichtung 43 zwischen Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 vorgesehen; wobei diese in radialer Richtung betrachtet unterhalb des inneren Durchmessers d_E des torusförmigen Arbeitsraumes 6 angeordnet sind. Der geschlossene Kreislauf 42 ist somit druckdicht gegenüber der Umgebung. Die Anbindung der Betriebsmittelspeichereinrichtung 40 erfolgt ebenfalls druckdicht an den geschlossenen Kreislauf 42.

Das Gehäuse der Anfahreinheit 9, das Pumpenrad 4, das Turbinenrad 5, der geschlossene Kreislauf 42 sowie die druckdichte Kopplung der Betriebsmittelspeichereinrichtung 40 mit dem geschlossenen Kreislauf 42 bilden Mittel 45 zur Erzeugung einer Druckwaage zwischen einem geschlossenen rotierenden Kreislauf 42 und einem ruhenden Medium. Der geschlossene Kreislauf 42 wird wischen dem Austritt 18 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 6 im Bereich der Trennebene 19 und dem Eintritt 44 in das Pumpenrad 4 realisiert. Das Betriebsmittel gelangt vom Strömungskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum 6 über die Austrittsöffnungen 18 im Bereich der Trennebene 19 des Pumpenrades 4 und des Turbinenrades 5 und die Verbindungskanäle in den zweiten Zwischenraum 28, von wo das Betriebsmittel über die Mittel zur Abfuhr 37, insbesondere die Staudruckpumpen 38 in den geschlossenen Kreislauf 42 geführt wird.

Der Eintritt 44 ist über dis Befüllstelle 47 mit der Betriebsmittelspeichereinrichtung 40 verbunden. Die Befüllstelle 47 ist des weiteren in einer besonders vorteilhaften Ausführung als beschaufelte Fangrinne 48 ausgebildet. Dies bedeutet, daß Leitelemente 49, die sich in Strömungsrichtung in Richtung des torusförmigen Arbeitsraumes 6 erstrecken, vorgesehen sind. Die Abnahme des Betriebsmittelstromes über die äußere, vom Gehäuseteil 25.3 gebildete Pumpenradschale 52 erfolgt vorzugsweise über eine Vielzahl von feststehenden Staudruckpumpen 38, welche in Umfangsrichtung vorzugsweise in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind. Der zu Kühlzwecken erzeugte Kreislauf wird dabei als geschlossener Kreislauf 42 ausgeführt.

Die Funktionsweise der Führungssteuerung mittels eines äußeren Druckes auf ein ruhendes Medium ist in schematisch vereinfachter Darstellung in der Fig. 2 erläutert. Dieses verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine hydrodynamische Kupplung 2, den dieser zugeordneten geschlossenen Kreislauf 42, welcher als Kühlmittelkreis ausgeführt ist und die Kopplung zwischen der Turbokupplung 2 und der Betriebsmittel- Speichereinrichtung 40. Die Betriebsmittel-Speichereinrichtung 40 ist dabei beispielsweise als Tank oder Behälter ausgeführt, wobei dieser auch vom Gehäuse der Anfahreinheit oder des Getriebes, in welchem das Anfahrelement 1 angeordnet ist, gebildet werden kann. Die Betriebsmittel- Speichereinrichtung 40 ist dabei vorzugsweise unterhalb des inneren Durchmessers d_E des torusförmigen Arbeitsraumes 6 angeordnet.

Entscheidend ist dabei, daß der Betriebsmittelspiegel sich, entweder unter dieser Abmessung befindet oder aber bei Vorhandensein entsprechender Hilfsmittel, beispielsweise in Form von Syphons und/oder Ventilen, auch höher liegen kann. Zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum 6 bzw. dem Austritt 18 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 6 und der Befüllstelle 47 des torusförmigen Arbeitsraumes 6 ist der geschlossene Kühlmittelkreislauf 42 ausgebildet. In diesem sind beispielsweise Mittel zur Wärmeabfuhr vom Betriebsmittel 57 angeordnet. Diese Mittel 57 umfassen im einfachsten Fall beispielsweise einen Wärmetauscher oder eine Kühleinrichtung. Die Führung des Betriebsmittels aus dem Arbeitsraum 6 in den Arbeitsraum 6 im geschlossenen Kreislauf 42 dient dabei hauptsächlich der Kühlung des Betriebsmittels, insbesondere der Erzeugung eines kontinuierlichen Kühlbetriebsmittelstromes. Das Betriebsmittelversorgungssystem umfaßt eine druckdicht ausgeführte Betriebsmittelspeichereinrichtung 40, beispielsweise in Form eines Betriebsmittelsumpfes in einem Behälter, Tank oder Gehäuse, welche über wenigstens einen Verbindungskanal mit dem geschlossenen Kreislauf 42 im Bereich des Eintrittes 44 koppelbar ist. Die Betriebsmittelspeichereinrichtung 40 ist dabei vorteilhafterweise derart angeordnet, daß der sich einstellende Betriebsmittelspiegel unterhalb des torusförmigen Arbeitsraumes 7 angeordnet ist. Auf den Betriebsmittelspiegel wird zur Änderung des Füllungsgrades FG ein Beeinflussungsdruck p_B aufgebracht, wobei dieser bei Einwirkung auf den geschlossenen Sumpf so lange Betriebsmittel in den Arbeitskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum über Verbindungskanal einläßt, bis der Druck im Bereich des Eintrittes 21 nach dem Wärmetauscher ein Druckgleichgewicht herstellt. Die Befüllung oder Entleerung erfolgt bis zur Einstellung einer Druckwaage zwischen dem Betriebsmittelspiegel in der Betriebsmittelspeichereinrichtung und dem rotierenden geschlossenen Kreislauf.

Des weiteren sind die Profile des Turbinenrades 5 und des Pumpenrades 4 derart gegeneinander in radialer Richtung um eine bestimmte Größe a versetzt, daß der äußere Profildurchmesser des Turbinenrades 5 in radialer Richtung eine größere Abmessung aufweist als der äußere Profildurchmesser des Pumpenrades 4 und der Innenprofildurchmesser des Turbinenrades 5 ebenfalls eine größere Abmessung aufweist als der innere Durchmesser des Pumpenradprofiles.

Eine Veränderung der idealen torussymmetrischen Form kann des weiteren durch einen Profilversatz erfolgen.

Die Staudruckpumpen 38 liefern bei entleerter Turbokupplung 2, bei welcher alle Kreislaufteile betriebsmittelfrei sind, einen Volumenstrom und einen Öldruck als Kühlung oder Betätigung für andere Verbraucher, wie zum Beispiel eine nasslaufende mechanische Kupplung.

Weitere vorteilhafte Ausführungen bestehen darin, daß Mittel zur Verbesserung der Arbeitsraumbefüllung, das heißt der Pumpenkennlinie, durch Einbauten in den mit der Befüllstelle 47 verbundenen Befüllraum 48 vorgesehen werden. Diese Einbauten können als Füllschaufeln 49, Lochblechpakete oder ähnlich ausgeführte Teile ausgeführt sein. Des weiteren ist es denkbar, die Befüllung des Pumpenrades 4 durch mehrere Schaufelgitter an beliebiger Stelle des Toruses oder durch die Schaufel selbst zum Beispiel einen eingeprägten Kanal zur Torusmitte zu gestalten.

Weitere Verbesserungen können darin bestehen, daß die Beschaufelungen von Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 mit unterschiedlichen Schaufelwinkeln ausgeführt sind. Zusätzlich oder als einzelne Lösung können die Schaufeln von Pump- und Turbinenrad 4, 5 unterschiedlich angespitzt werden, was unterschiedliche Abmessungen über die Erstreckung in Umfangsrichtung der einzelnen Schaufel zur Folge hat. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Ein- und Austrittswinkel zwischen Pumpen- und Turbinenrad zu verändern oder eine unterschiedliche Anzahl von Schaufeln in der . Beschaufelung von Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 vorzusehen.

Bezugszeichenliste

1

Anfahrelement

2

Turbokupplung

3

Antriebsstrang

4

Pumpenrad

5

Turbinenrad

6

torusförmiger Arbeitsraum

7

Antrieb

8

Abtrieb

9

Gehäuse

10

Nabenelement

11

zum Anfahrelement hin gewandter Endbereich

12

Flansch

13

Antriebswelle

14

Welle-Nabe-Verbindung

15

Paßfederverbindung

16

Zwischenraum

17

Gehäuseinnenwand

18

Austritt

19

Trennebene

20

Außenumfang

21

radial äußere Erstreckung

22

Mittel zur Abdichtung

23

berührungsfreie Dichteinrichtung

25.1

,

25.2

,

25.3

Gehäuseteil

26

Lageranordnung

27

Abtriebswelle

28

Zwischenraum

29

Außenfläche

30

radial äußerer Bereich

31

Innenfläche

32

Gehäusewand

33

Innenfläche

34

Mittel zur Abdichtung des Zwischenraumes

28

35

berührungsfreie Dichtung

36

Durchlaßöffnung

37

Mittel zur Abfuhr von Betriebsmittel aus dem Arbeitsraum

38

Staudruckpumpe

39

Mittel zur Führung von Betriebsmittel

40

Betriebsmittel-Speichereinrichtung

41

Leitungsverbindungen

42

geschlossener Kreislauf

43

Mittel zur Abdichtung zwischen Pumpenrad und Turbinenrad

44

Eintritt

45

Mittel zur Erzeugung einer Druckwaage zwischen einem geschlossenen rotierenden Kreislauf und einem runden Medium

47

Befüllstelle

48

Befüllraum

49

beschaufelte Leitelemente

50

Betriebsmittelführungskanäle

51

ruhendes Gehäuse

52

Pumpenradschale

53

Betriebsmittelversorgungssystem

54

Staudruckpumpengehäuse

55

Gesamtgehäuse

56

Knotenstelle

57

Mittel zur Wärmeabfuhr
d_E

innerer Durchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Leistungsaufnahme eines Anfahrelementes (1) in Form einer hydrodynamischen Kupplung (2), umfassend ein Pumpenrad (4) und ein Turbinenrad (5), die miteinander wenigstens einen mit Betriebsmittel befüllbaren torusförmigen Arbeitsraum (6) bilden, in einem Antriebsstrang (3) mit mindestens nach einer, mit der hydrodynamischen Kupplung (2) koppelbaren Antriebsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsaufnahme als Funktion des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung (2) frei einstellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen einer, die gewünschte aufzunehmende Leistung der hydrodynamischen Kupplung (2) wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe zur Änderung der aufnehmbaren Leistung der Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung (2) gesteuert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 3.1 mindestens ein Teil des im Arbeitsraum (6) befindlichen Betriebsmittels wird während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung (2) in einem geschlossenen rotierenden Kreislauf (42) zwischen wenigstens einem Austritt (18) aus dem torusförmigen Arbeitsraum (6) zwischen Pumpenrad (4) und Turbinenrad (5) und wenigstens einem Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum (6) geführt;
2. 3.2 die Beeinflussung der Zu- oder Abfuhr von Betriebsmittel zum Arbeitsraum (6) oder vom Arbeitsraum (6) erfolgt durch Erzeugung und Einbringung eines statischen Überlagerungsdruckes in den geschlossenen rotierenden Kreislauf.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale;

1. 4.1 das Betriebsmittel ist dem Arbeitsraum (6) über eine druckdicht mit dem Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum (6) gekoppelten Betriebsmittelspeichereinheit (40) zu- und abführbar;
2. 4.2 die Zu- und Abfuhr von Betriebsmittel zum Arbeitsraum (6) oder vom Arbeitsraum (6) erfolgt durch Aufbringen eines Beeinflussungsdruckes auf den Betriebsmittelspiegel der Betriebsmittelspeichereinheit (40).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen einer, die gewünschte aufzunehmende Leistung der hydrodynamischen Kupplung (2) wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe eine Stellgröße zur Erzeugung eines Beeinflussungsdruckes auf das in der Betriebsmittelspeichereinheit (40) ruhende Betriebsmittel erzeugt wird und eine zur Erzeugung des Beeinflussungsdruckes vorgesehene Stelleinrichtung angesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Füll- oder Entleervorganges durch die Zeitdauer zur Einstellung eines Druckgleichgewichtes zwischen dem in der Betriebsmittelspeichereinheit (40) vorliegenden Betriebsmittel und dem rotierenden geschlossenen Kreislauf (42) des Betriebsmittels charakterisiert ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung und/oder Entleerung einer Vollfüllung in einem Zeitraum von gleich oder kleiner 1s durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsdruck in Abhängigkeit wenigstens einer der nachfolgend genannten Parameter steuerbar ist:

- Drehzahl des Pumpenrades;
- Größe des Momentes am Pumpenrad;
- Größe des Momentes am Turbinenrad.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Teilstromes des während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung (2) im Arbeitsraum (6) befindlichen Betriebsmittels, welches in einem geschlossenen Kreislauf (42) zwischen wenigstens einem Austritt (18) aus dem torusförmigen Arbeitsraum (6) zwischen Pumpenrad (4) und Turbinenrad (5) und wenigstens einem Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum (6) geführt wird, unabhängig von einem Einfluß auf die Leistungsaufnahme in Abhängigkeit der Temperatur im Arbeitskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum (6) gesteuert wird.

10. Hydrodynamische Kupplung (2)

1. 10.1 mit einem Pumpenrad (4) und einem Turbinenrad (5), die miteinander wenigstens einen torusförmigen Arbeitsraum (6) bilden;
2. 10.2 mit Mitteln zur Führung von Betriebsmittel in einem geschlossenen Kreislauf von wenigstens einer Austrittsstelle (18) aus dem torusförmigen Arbeitsraum (6) in wenigstens einen Eintritt (44) des torusförmigen Arbeitsraumes (6);
3. 10.3 der geschlossene Kreislauf (42) ist druckdicht ausgeführt.

11. Hydrodynamische Kupplung (2) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 11.1 mit einer Knotenstelle (56) im geschlossenen Kreislauf (42);
2. 11.2 mit Mitteln zum wahlweisen Anschluß von Mitteln zur Befüllung und/oder Entleerung und/oder Mitteln zur Beeinflussung des Druckes des im geschlossenen Kreislauf (42) geführten Betriebsmittels an die Knotenstelle (56).

12. Hydrodynamische Kupplung (2) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 12.1 mit einem Betriebsmittelversorgungssystem (53), umfassend eine mit dem Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum (6) verbundene Betriebsmittelspeichereinheit (40);
2. 12.2 mit Mitteln zur druckdichten Verbindung zwischen der Betriebsmittelspeichereinheit (40) und den Eintrittsstellen (44).

13. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 13.1 mit einem drehfest mit dem Pumpenrad (4) gekoppelten Gehäuse (9);
2. 13.2 das Gehäuse (9) umschließt in axialer Richtung das Turbinenrad (5) unter Bildung eines ersten Zwischenraumes (16);
3. 13.3 der erste Zwischenraum (16) wird des weiteren vom Außenumfang des Turbinenrades (5) begrenzt, wobei zwischen Gehäuse (9) und Turbinenrad (5) eine berührungsfreie Dichtung (23) vorgesehen ist;
4. 13.4 das Gehäuse (9) bildet mit einem ruhenden Gehäuseteil (51) einen weiteren zweiten Zwischenraum (28), in welchen Mittel (37) zur Abfuhr von Betriebsmittel aus der Pumpenradschale (52) eintauchen.

14. Hydrodynamische Kupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittei (37) zur Abfuhr von Betriebsmittel mindestens eine feststehende Staudruckpumpeneinrichtung (38) umfassen.

15. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmaie:

1. 15.1 mit Mitteln zur Abdichtung des zweiten Zwischenraumes (28) zwischen dem Gehäuse (9) und dem runden Gehäuseteil (51);
2. 15.2 mit Mitteln (43) zur Abdichtung zwischen dem Pumpenrad (4) und dem Turbinenrad (5) unterhalb des Innendurchmessers (d_E) des torusförmigen Arbeitsraumes (6).

16. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 16.1 der Eintritt (44) ist über eine Befüllstelle (47) mit einem Befüllraum (48) gekoppelt;
2. 16.2 die Befüllstelle (47) ist als beschaufelte Fangrinne (48), umfassend Leitelemente (49) ausgeführt.

17. Hydrodynamische Kupplung (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (49) sich in Strömungsrichtung in Richtung des torusförmigen Arbeitsraumes (6) erstrecken.

18. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Profile des Turbinenrades (5) und des Pumpenrades (4) in radialer Richtung um eine bestimmte Größe (a) versetzt sind.

19. Hydrodynamische Kupplung (2) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Profildurchmesser des Turbinenrades (5) in radialer Richtung eine größere Abmessung als der äußere Profildurchmesser des Pumpenrades (4) aufweist und der Innenprofildurchmesser des Turbinenrades (5) eine größere Abmessung als der Innenprofildurchmesser des Pumpenrades aufweist.

20. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum (6) am Pumpenrad (4) vorgesehen ist.

21. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum (6) am Turbinenrad (5) angeordnet ist.

22. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (44) in den torusförmigen Arbeitsraum durch die Beschaufelung erfolgt.

23. Hydrodynamische Kupplung (2) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüllung des torusförmigen Arbeitsraumes (6) im Bereich statisch geringsten Druckes in den Arbeitsraum (6) erfolgt.

24. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Drehzahlregelung einer, mit der hydrodynamischen Kupplung koppelbaren Antriebsmaschine in einem Antriebsstrang.

25. Verwendung einer hydrodynamischen Kupplung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 23 in einem Antriebsstrang mit einer Antriebsmaschine in Form eines Verbrennungsmotors.

26. Verwendung einer hydrodynamischen Kupplung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 23 in einem Antriebsstrang mit einer Antriebsmaschine in Form eines Elektromotors.

27. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 25 oder 26 in einem Fahrzeug.

28. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 25 oder 26 in einer stationären Anlage.