DE102004011033B3

DE102004011033B3 - Hydrodynamischer Wandler

Info

Publication number: DE102004011033B3
Application number: DE102004011033A
Authority: DE
Inventors: Hans Schirle; Georg Wahl; Andreas Dr. Basteck
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-06
Filing date: 2004-03-06
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2024-03-07
Also published as: CN1664394A; JP4727258B2; US20050235636A1; KR101078786B1; KR20060043126A; US7155904B2; CN100458207C; JP2005265188A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Wandler, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale:
- ein Pumpenrad, das im Betrieb von innen nach außen durchströmt ist;
- ein Turbinenrad, das im Betrieb von außen nach innen durchströmt ist;
- Leitschaufeln zwischen Pumpenrad und Turbinenrad;
- Leitschaufeln zwischen Turbinenrad und Pumpenrad.
Gemäß der Erfindung weist ein solcher Wandler das weitere Merkmal auf:
- ein Drehzahlverhältnis zwischen der Drehzahl n_T des Turbinenrades und der Drehzahl n_P des Pumpenrades von zwischen 1,2 und 4 bei annähernd gleichem oder fallendem λ Verlauf.
- Mit dem Verhältnis R/r gleich oder größer eins können verschiedene Drehzahlverhältnisse zwischen Pumpe und Turbine verwirklicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Wandler mit einem Pumpenrad, einem Turbinenrad sowie mit Leitschaufeln.

Solche Wandler sind seit langem bekannt. Siehe beispielsweise WO 02/14 706 A2 (= D1), US 3 888 082 B (= D2).

Wandler der genannten Art werden im Allgemeinen zwischen einen Motor und eine Arbeitsmaschine geschaltet. Ihre Anwendung in Kraftfahrzeugen ist weit verbreitet.

Eine wichtige Größe ist das Drehmoment M_T, das die Turbine des Wandlers an die Arbeitsmaschine abgeben kann. Dieses wird vom Drehmoment M_P der Pumpe beeinflusst, aber auch vom Drehzahlverhältnis ν = n_T/n_P. Bei Anwendung hydrodynamischer Wandler bei Kraftfahrzeugen liegt das Drehzahlverhältnis bei 0,95 bis 0,98 – siehe „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Bosch, 22. Auflage (= D3), Seite 558, linke Spalte.

Die wichtigsten Vorteile eines hydrodynamischen Wandlers bestehen in der Stufenlosigkeit von Drehzahl- und Drehmomentänderung, in der Schwingungsdämpfung sowie im Abbau von Drehmomentspitzen. Sie werden in der Praxis nur in Verbindung mit mechanischen Stufengetrieben betrieben. Siehe D3. Dort heißt es auf Seite 557, rechte Spalte, dass hydrodynamische Wandler nur in Verbindung mit mechanischen Stufengetrieben wirtschaftlich betrieben werden können, da ein Dauerbetrieb mit hohem Schlupf im Hinblick auf den Wirkungsgrad nur begrenzt möglich ist.

Es gibt eine große Anzahl von unterschiedlichen Bauformen von Wandlern. So können Pumpe und Turbine gleichsinnig umlaufen. Hierbei können Pumpenrad und Turbinenrad – in einem Axialschnitt gesehen – auf ein- und derselben Seite des Strömungskreislaufes angeordnet sein. Sie können aber auch einander gegenüberliegen.

Ferner können Pumpenrad und Turbinenrad gegensinnig umlaufen, mit einem Umkehrleitrad zwischen Pumpenrad und Turbinenrad.

Leiträder können verstellbar oder nicht verstellbar sein, und auf verschiedene Weise angeordnet.

Die bekannten Wandler-Bauformen haben nicht in allen Fällen befriedigt. Dies gilt besonders bezüglich des Raumbedarfes und der Gesamtkosten eines Antriebstranges.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, dass er die Funktion eines Getriebes übernimmt, so dass dieses entfallen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Wesentliche beziehungsweise vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind die Folgenden:
Aus der großen Zahl konstruktiver Möglichkeiten haben die Erfinder ein Drehzahlverhältnis gewählt, das – im Bereich des maximalen Wirkungsgrades – deutlich über 1 liegt. Bei einem ausgeführten Prototyp der Erfindung liegt es bei 1,85. Generell haben sich Werte zwischen 1,2 und 4 bewährt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, die Austrittskante des Pumpenrades auf einen größeren Radius als die Eintrittskante des Turbinenrades zu legen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, zwischen Turbinenrad und Pumpenrad verstellbare Leitschaufeln vorzusehen.

Die Erfinder haben einen ungewöhnlichen Weg beschritten. Es ist nämlich bekannt, dass Wandler mit einem Drehzahlverhältnis von über 1 tendenziell einen schlechteren Wirkungsgrad aufweisen, als Wandler herkömmlicher Bauart mit einem Drehzahlverhältnis von 1 oder weniger. Wird ein Wandler jedoch gemäß Anspruch 1 gestaltet, so findet keine oder keine nennenswerte Wirkungsgradverschlechterung gegenüber konventionellen Wandlern mit einem kleineren Drehzahlverhältnis statt.

Die Erfindung sowie der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt einen Wandler gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung in einem Axialschnitt.
2 zeigt ein typisches Kennfeld eines Wandlers gemäß dem Stande der Technik.
3 veranschaulicht den Verlauf des Antriebsmomentes, des Turbinenmomentes sowie des Wirkungsgrades über dem Drehzahlverhältnis eines erfindungsgemäßen Wandlers.
Der in 1 gezeigte Wandler weist als wichtigste Bestandteile ein Pumpenrad 1 und ein Turbinenrad 2 auf. Zwischen dem Pumpenrad 1 und dem Turbinenrad 2 sind feststehende Leitschaufeln 3 angeordnet.
Zwischen dem Turbinenrad 2 und dem Pumpenrad 1 sind ebenfalls feststehende Leitschaufeln 4 angeordnet, ferner verstellbare Leitschaufeln 5.
Pumpenrad 1 und Turbinenrad 2 liegen beidseits einer zur Maschinenachse 6 senkrechten Ebene 7.
Pumpenrad 1 weist eine Eintrittskante 1.1 sowie eine Austrittskante 1.2 auf. Turbinenrad 2 weist eine Eintrittskante 2.1 und eine Austrittskante 2.2 auf.
Die Austrittskante 1.2 des Pumpenrades 1 liegt auf einem Radius R, und die Eintrittskante 2.1 des Turbinenrades liegt auf einem Radius r. Das Verhältnis von R zu r liegt deutlich über 1. Es kann 1,2 bis 8 betragen. Im vorliegenden Falle liegt es bei 2.
Man erkennt eine Verstellwelle 8. Diese greift an den Schaufeln des verstellbaren Leitschaufelkranzes 5 an und liegt in der Ebene 7.
Stattdessen könnte die Verstellung der verstellbaren Leitschaufeln auch von innen her erfolgen, und zwar durch eine in der hier nicht gezeigten Antriebswelle des Wandlers verlaufende Verstellwelle, die über einen Winkeltrieb auf die Verstellschaufeln einwirkt.
Die dargestellte Konfiguration hat sich als besonders günstig erwiesen. Die Leitschaufeln 4 und die Verstellschaufeln 5 befinden sich in einem Strömungsabschnitt des Kreislaufes, der im Wesentlichen parallel zur Wandlerachse 6 verläuft, und in dessen Nähe. Die Schaufeln des Pumpenrades 1 und die Schaufeln des Turbinenrades 2 befinden sich beidseits der genannten, zur Achse 6 senkrechten Ebene 7. Die Leitschaufeln 3 verlaufen ebenfalls in einem zur Wandlerachse 6 parallelen Strömungsabschnitt, jedoch radial außen.
Man beachte auch das Verhältnis zwischen den beiden Radien R und 1,2 es ist wesentlich größer als 1. Es hat vorzugsweise einen Wert von größer als und kann einen Wert von 8 oder mehr annehmen.
2 stellt den Verlauf des Turbinenmomentes M_T dar, ferner den Verlauf des Antriebsmomentes M_P sowie des Wirkungsgrades η, und zwar jeweils aufgetragen über dem Drehzahlverhältnis ν (= Turbinendrehzahl/Pumpendrehzahl). Wie man sieht, liegt η_max im vorliegenden, Falle bei einem Drehzahlverhältnis von 1,85. Im Stande der Technik ist das Drehzahlverhältnis bei η_max kleiner als 1 bzw. von etwa 1.
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Wandlers sind die Folgenden:

– ein mechanisches Getriebe kann entfallen
– ein Frequenzumrichter kann entfallen
– die Leistungsdichte ist hoch
– der Wandler benötigt wenig Bauraum
– der Wandler ist mangels eines mechanischen Getriebes und wegen
– der geringen Zahl an Bauteilen nicht störanfällig, sondern zuverlässig und hat eine lange Lebensdauer
– Mit dem Verhältnis R/r gleich oder größer eins können verschiedene Drehzahlverhältnisse zwischen Pumpe und Turbine verwirklicht werden.

Eine weitere Möglichkeit zum Beeinflussen des Drehzahlverhältnisses besteht in der Wahl bestimmter Schaufelgeometrien von Pumpenrad und Turbinenrad.
Bei einem hydrodynamischen Wandler gemäß Anspruch 1 wird im allgemeinen die Aufnahmeleistung des Pumpenrades bei konstanter Pumpendrehzahl und bei steigender Turbinendrehzahl konstant oder nahezu konstant bleiben oder leicht abfallen.

Claims

Hydrodynamischer Wandler, umfassend die folgenden Bauteile beziehungsweise Merkmale: 1.1 ein Pumpenrad (1), das im Betrieb von innen nach außen durchströmt ist; 1.2 ein Turbinenrad (2), das im Betrieb von außen nach innen durchströmt ist; 1.3 Leitschaufeln (3) zwischen Pumpenrad (1) und Turbinenrad (2); 1.4 Leitschaufeln (4, 5) zwischen Turbinenrad 2 und Pumpenrad (1) und Turbinenrad (2); 1.5 ein Drehzahlverhältnis zwischen der Drehzahl n_T des Turbinenrades (2) und der Drehzahl n_P des Pumpenrades (1) bei maximalem Wirkungsgrad zwischen 1,2 und 4; 1.6 bei steigender Turbinenraddrehzahl und konstanter Pumpenraddrehzahl ist die Aufnahmeleistung des Pumpenrades (1) konstant oder fallend; 1.7 die Austrittskanten (1.2) des Pumpenrades (1) liegen auf einem Radius R, der zwischen dem 1,2 bis 8fachen des Radius r beträgt, auf welchem sich die Eintrittskanten (2.1) des Turbinenrades befinden.
Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanten (1.1) der Schaufeln des Pumpenrades (1) auf einem größeren Radius als die Eintrittskanten (2.1) der Schaufeln des Turbinenrades (2) liegen.
Hydrodynamischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Turbinenrad (2) und Pumpenrad (1) verstellbare Schaufeln (5) vorgesehen sind.
Hydrodynamischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verstellen der verstellbaren Schaufeln (5) eine radial verlaufende Welle (8) vorgesehen ist.
Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufende Welle (8) von außen durch den Strömungskreislauf hindurch zu den verstellbaren Schaufeln (5) hindurchgeführt ist.
Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufende Welle in Triebverbindung mit einer Antriebswelle steht, die koaxial zur Drehachse (6) des Wandlers verläuft.
Hydrodynamischer Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Schaufeln (5) in einem Strömungsabschnitt angeordnet sind, der parallel zur Drehachse (6) des Wandlers verläuft.