DE102004011521A1

DE102004011521A1 - Turboverbundeinheit

Info

Publication number: DE102004011521A1
Application number: DE102004011521A
Authority: DE
Inventors: Kurt Adleff; Reinhold Dr. Pittius; Klaus Vogelsang; Harald Hoffeld; Alexander KÖRNER
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turboverbundeinheit, umfassend: DOLLAR A - eine hydrodynamische Kupplung mit einem Primärrad und einem Sekundärrad; DOLLAR A - ein Antriebsrad, welches drehfest mit dem Primärrad verbunden oder integral mit diesem ausgeführt ist; DOLLAR A - ein Abtriebsrad, welches drehfest mit dem Sekundärrad verbunden oder integral mit diesem ausgeführt ist. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Turboverbundeinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - Maßnahmen getroffen sind, um die Turboverbundeinheit gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turboverbundeinheit, im Englischen Turbocompound genannt, im einzelnen mit einer Strömungskupplung (hydrodynamische Kupplung), welche eine Antriebsseite mit einem Antriebsrad, in der Regel einem ersten Zahnrad, und eine Abtriebsseite mit einem Abtriebsrad, in der Regel einem zweiten Zahnrad, aufweist.
Turboverbundeinheiten werden zusammen mit Verbrennungsmotoren verwendet und dienen zur Nutzung des Energiegehalts der Abgase des Verbrennungsmotors. Zu diesem Zweck ist die Einheit derart in der Abgasleitung bzw. im Bereich der Abgasleitung angeordnet, dass die Abgase eine Leistungsturbine im Abgasstrom antreiben, mittels welcher in der Regel über ein geeignetes mechanisches Getriebe Antriebsleistung auf das Antriebsrad der Turboverbundeinheit übertragen wird. Das Antriebsrad ist regelmäßig als Zahnrad mit einem vergleichsweise großen Durchmesser ausgeführt.
Das Antriebsrad ist drehfest mit dem Primärrad, aufgrund seiner häufig ausgeführten besonderen konstruktiven Ausbildung auch Außenrad genannt, der hydrodynamischen Kupplung verbunden. Das Primärrad bildet mit einem Sekundärrad einen torusförmigen Arbeitsraum aus, welcher mit einem Arbeitsmedium, in der Regel Öl, Wasser oder ein Wassergemisch, befüllbar ist, so dass sich aufgrund der Fliehkräfte beim Antrieb des Primärrades ein Strömungskreislauf ausbildet, mittels welchem Drehmoment bzw. Antriebsleistung vom Primärrad auf das Sekundärrad übertragen wird. Das Sekundärrad, welches aufgrund seiner häufig ausgeführten besonderen konstruktiven Ausgestaltung auch Innenrad genannt wird, steht mit einem Abtriebsrad in drehfester Verbindung, wobei das letztere beispielsweise als ein mit der Kupplungswelle verbundenes oder integral mit dieser ausgeführtes Zahnrad mit vergleichsweise kleinem Durchmesser ausgeführt ist.
Das Abtriebsrad treibt in der Regel über ein zweites mechanisches Getriebe die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors an. Beispielsweise kann ein Zwischenrad mit einem Zahnrad auf der Abtriebswelle der Turboverbundeinheit kämmen und zugleich in einem kämmenden Eingriff mit einem Kurbelwellenzahnrad stehen.
Die 1 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung einer Turboverbundeinheit, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung getroffen werden kann.
Solche Turboverbundeinheiten sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Zum Beispiel wird auf die Veröffentlichung DE 101 97 014 T1 verwiesen, deren 4 zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung nochmals in der 2 des vorliegenden Dokumentes, welche einen Axialschnitt durch die bekannte Turboverbundeinheit zeigt, dargestellt ist. Wie man sieht, ist der bauliche Aufwand sowie der Montageaufwand für bekannte Turboverbundeinheiten erheblich. So ist eine ganze Reihe von Lagern erforderlich, und insbesondere die axiale Ausdehnung der Verbundeinheit ist beträchtlich. Schließlich ist, wie man leicht anhand der Schraffuren erkennen kann, der notwendige Materialaufwand groß, was einerseits zu einer Erhöhung der Herstellungskosten und andererseits zu erheblichen thermischen Spannungen im Betrieb führt. Schließlich führt der Aufbau der bekannten Turboverbundeinheiten zu vergleichsweise großen Schwingungen im Betrieb aufgrund von häufigen Unwuchten, was nachteilig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Turboverbundeinheit darzustellen. Die erfindungsgemäße Turboverbundeinheit soll sich insbesondere durch einen kompakten, besonders hinsichtlich seiner axialen Baulänge reduzierten, leicht montierbaren Aufbau auszeichnen und einen möglichst schwingungs- und geräuscharmen Betrieb ermöglichen. Dabei soll die Herstellung möglichst kostengünstig und rasch ausgeführt werden können.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Turboverbundeinheit, wie sie in zahlreichen Ausführungen in der nachfolgenden Beschreibung und dem Patentanspruch dargestellt ist bzw. ein entsprechendes Verfahren zu deren Herstellung gelöst. Ferner werden viele vorteilhafte Weiterbildungen der verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungen beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Turboverbundeinheit eine für den Einsatz bei der Leistungsübertragung aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verwendete Vorrichtung, umfassend eine hydrodynamische Kupplung mit einem Primärrad und einem Sekundärrad, welche miteinander zur Drehmomentübertragung einen mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum ausbilden, ein Antriebsrad, welches drehfest mit dem Primärrad verbunden oder integral mit diesem ausgeführt ist, sowie ein Abtriebsrad, welches drehfest mit dem Sekundärrad verbunden oder integral mit diesem ausgeführt ist, verstanden. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Primärrad gegen eine Drehbewegung verriegelbar, so dass ein Turboverbundretarder (Turbocompoundretarder) geschaffen wird, welcher bei festgesetztem Primärrad die Leistungsturbine im Abgasstrom bremst und somit Bremsleistung zur Abbremsung beispielsweise eines Kraftfahrzeugs beiträgt.
Das Antriebsrad ist vorteilhaft als Zahnrad mit einem vergleichsweise großen Durchmesser ausgeführt, beispielsweise mit einem Durchmesser, welcher in etwa dem Außendurchmesser der hydrodynamischen Kupplung entspricht, oder dessen Umfang vollständig außerhalb des Kupplungsgehäuses angeordnet ist. Eine mögliche Gestaltung des Außendurchmessers bzw. des Umfangs des Zahnrads kann man in allen beigefügten Zeichnungen erkennen, welche einzelne Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellen.
Das Abtriebsrad ist vorteilhaft als ein auf der Abtriebswelle der hydrodynamischen Kupplung sitzendes bzw. ein mit der Abtriebswelle verbundenes oder integral mit dieser ausgeführtes Zahnrad ausgeführt, welches einen kleineren Außendurchmesser als das Antriebszahnrad aufweist. Zum Beispiel sei auf die Ausführung in der 1 verwiesen.
Das Primärrad ist vorteilhaft als Außenrad ausgeführt, d. h. als eine Kupplungshälfte, welche mit einer Schale verbunden oder versehen ist, wobei die letztere das Sekundärrad zumindest weitgehend umschließt. Das Sekundärrad ist in diesem Fall als Innenrad ausgebildet, da es innerhalb des durch das Primärrad und die Schale gebildeten Hohlraumes liegt. Auch diese Ausgestaltung der Erfindung kann man leicht aus den beigefügten Zeichnungen entnehmen.
Die Arbeitsmediumzufuhr in den Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung erfolgt vorteilhaft über eine Axialbohrung in der Kupplungswelle, welche in einer strömungsleitenden Verbindung mit einer oder mehreren Radialbohrungen steht, wobei die letztere(n) radial innen im Arbeitsraum bzw. radial innerhalb des Arbeitsraumes münden. Bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung der hydrodynamischen Kupplung mit Außenrad und Innenrad mündet die Axialbohrung in der Kupplungswelle, vorliegend auch als Abtriebswelle bezeichnet, auf der Antriebsseite der Turboverbundeinheit. Man beachte wiederum die in den Figuren hinsichtlich der Arbeitmediumzufuhr gezeigten Einzelheiten.
Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Turboverbundeinheit ein einziges Lager, welches entsprechend als Axialradiallager ausgeführt ist. Dieses Axialradiallager wird insbesondere von der Kupplungswelle getragen und weist einen ein- oder mehrteiligen Lagerinnenring sowie vorteilhaft einen einteiligen Lageraußenring auf, welcher jedoch auch mehrteilig ausgeführt sein könnte. Der Lageraußenring trägt, in der Regel unmittelbar, das Außenrad bzw. allgemein das Primärrad der hydrodynamischen Kupplung und unmittelbar oder mittelbar zugleich das Antriebsrad bzw. das Antriebszahnrad der Turboverbundeinheit. Der Lagerinnenring ist vorteilhaft auf die Kupplungswelle aufgeschoben, beispielsweise beginnend von dem axialen Ende der Antriebsseite und wird geeignet, beispielsweise durch einen aufgeschraubten Ring, gegen Herunterrutschen fixiert. An dem axial entgegengesetzten anderen Ende des Lagers ist die Kupplungswelle vorteilhaft mit einem Bund versehen, welcher zumindest den Lagerinnenring axial abstützt. Details kann man wiederum den beigefügten Figuren und der zugehörigen Figurenbeschreibung entnehmen.
Das Lager ist gemäß einer Ausführungsform als fettgeschmiertes Lager, welches gegenüber seiner Umgebung abgedichtet ist, ausgeführt, und weist aufgrund seiner axialen Ausdehnung vorteilhaft mehrere, beispielsweise zwei, Laufbahnen bzw. Kugel- oder Wälzkörperkränze auf.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird der notwendige axiale Bauraum der Turboverbundeinheit dadurch reduziert, dass die Räder der hydrodynamischen Kupplung mit einer schrägen, d. h. gegenüber einer axialen Schnittebene geneigten Beschaufelung ausgebildet sind. Durch diese schräge Beschaufelung wird die Leistungszahl λ der hydrodynamischen Kupplung erhöht, wobei λ eine dem Fachmann bekannte Größe ist (siehe beispielsweise DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Auflage, Springer-Verlag, Seiten R 50/R 51), die wie folgt definiert ist:
wobei die Formelzeichen die folgende Bedeutung haben:

M_p:: Drehmoment des Pumpenrades (Primärrades)
Pp:: Leistung des Pumpenrades
D:: Hydraulischer Durchmesser (äußerer Durchmesser des Arbeitsmediumkreislaufs in dem Arbeitsraum)
ρ:: Dichte des Arbeitsmediums
ω_p:: Winkelgeschwindigkeit des Pumpenrades.

Zumindest eines oder beide Kupplungsräder (Primärrad und Sekundärrad bzw. Außenrad und Innenrad), insbesondere mit der schrägen Beschaufelung, sind gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung aus einem Druckguss, insbesondere Silumin-Druckguss, Kokillenguss oder aus Kunststoff hergestellt. Bei Verwendung eines Metalls eignet sich für den Druck- oder Kokillenguss insbesondere Leichtmetall als Werkstoff. Vorteilhaft sind die Räder (eines oder beide) aus Aluminium-Druck- oder -kokillenguss hergestellt. Eins oder beide Räder können alternativ auch aus Magnesium oder Zink hergestellt sein. Alle die genannten Werkstoffe können auch jeweils oder in Kombination als Bestandteil einer Legierung verwendet werden. Ebenso sind Sinterverfahren denkbar.
Diese erfindungsgemäße Lösung weist gegenüber bekannten Läuferteilen, insbesondere mit schräger Beschaufelung, welche aus Aluminiumsand oder – feinguss hergestellt sind, den Vorteil der kostengünstigeren Herstellung der Turboverbundeinrichtung auf. Durch Verdrehen der Gussform nach dem Druckgießen eines jeden Kupplungsrades um die Drehachse des Kupplungsrades beim Entfernen der Gussform von dem Gussteil ist es möglich, die Kupplungsräder einteilig zu gießen, obwohl die schrägstehende Beschaufelung grundsätzlich den Fachmann von einer solchen Gießbearbeitung abhalten würde, da Probleme beim Lösen der Gussform erwartet werden. Die Drehung der Gussform beim Lösen vom Gussteil erfolgt in Richtung der Schaufelneigung, beginnend vom Schaufelgrund hin zum freien Schaufelende.
Besonders vorteilhaft ist es hinsichtlich des Lösens der Gussform nach dem eigentlichen Gießvorgang, wenn die ausgeführten Winkel der einzelnen Schaufeln gegenüber einer Senkrechten, d. h. gegenüber einer axialen Schnittebene durch die Turboverbundeinheit, mit zunehmendem Radius des Kupplungsrades zunehmen, insbesondere proportional zu dem Radius sind. Bei dieser besonderen Ausführung stehen die Schaufeln somit im radial äußeren Bereich flacher als im radial inneren Bereich. Zusätzlich können die Schaufeln mit einer sphärische Krümmung ausgeführt sein.
Die Schaufelkante ist vorzugsweise gerade ausgeführt, kann jedoch auch gekrümmt ausgeführt sein. Gemäß einer Ausführung erstreckt sich die Schaufelkante ausschließlich in radialer Richtung des Schaufelrades, d.h. nicht in Umfangsrichtung, und ihre Längsachse in radialer Richtung verläuft durch den Mittelpunkt des Schaufelrades. Alternativ kann sie jedoch auch parallel oder in einem Winkel zu einer Mittelpunktsebene bzw. Symmetrieachse des Schaufelrades verlaufen.
Gemäß eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer Turboverbundeinheit werden daher sowohl das Primärrad/das Außenrad als auch das Sekundärrad/das Innenrad der hydrodynamischen Kupplung mittels Druckguss oder Kokillenguss einteilig in einem Arbeitsschritt ausgegossen, und anschließend wird die ein- oder mehrteilige Gussform, welche die schrägstehenden Schaufeln umschließt, unter Drehung gegenüber der Längsachse bzw. der Drehachse der Schaufelräder abgehoben.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Drehmomentübertragung vom Antriebsrad, d. h. insbesondere dem Antriebszahnrad, auf das Primärrad, vorteilhaft das Außenrad, der hydrodynamischen Kupplung. Wie man in der 2 erkennen kann, sind herkömmlich das Zahnrad und das Außenrad mittels einer Vielzahl von axial eingefügten Schrauben verschraubt. Entsprechend ist es notwendig, Material („Futter") im Rücken des Außenrades vorzusehen, in welches die Schrauben eingeschraubt werden können. Gleichzeitig muss das Zahnrad vergleichsweise massiv ausgebildet sein, um die Schraubenköpfe aufzunehmen. Schließlich führt die notwendige Bohrbearbeitung zu Aufwand bei der Herstellung und damit zu einer Erhöhung der Herstellungskosten. Gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung sind das Antriebsrad, vorteilhaft Zahnrad, und das Primärrad, vorteilhaft Außenrad, unmittelbar formschlüssig miteinander verbunden oder einteilig ausgeführt. Beispielsweise kann das Antriebsrad auf das Primärrad aufgeschraubt oder in dieses eingeschraubt werden. Das Antriebsrad bzw. Antriebszahnrad weist ein entsprechendes Außengewinde bei der eingeschraubten Verbindung und ein entsprechendes Innengewinde bei der aufgeschraubten Verbindung auf. Das Primärrad bzw. Außenrad ist mit einem entsprechend komplementären Gewinde versehen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform, in welcher das Außenrad insbesondere aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, Silumin oder Kunststoff hergestellt ist, kann auch zunächst nur das Antriebsrad bzw. Antriebszahnrad, welches vorteilhaft aus Stahl hergestellt ist, mit einem entsprechenden Gewinde versehen sein, und das komplementäre Gewinde in das Außenrad erst mittels des Gewindes im Antriebszahnrad beim Ein- bzw. Aufschrauben des Antriebszahnrades in das Leichtmetall geschnitten werden.
Alternativ kann eine Rändelverzahnung zwischen dem Antriebsrad und dem Primärrad vorgesehen werden. Beide Ausführungsformen weisen den Vorteil auf, dass sowohl die Herstellung des Antriebszahnrades als auch die des Außenrades weitgehend oder vollständig frei von Bohrbearbeitungen ist, und die Verbindungselemente ausschließlich im Rahmen einer Drehbearbeitung ausgeformt werden können.
Alternativ wäre auch das Vorsehen einer anderweitig mechanisch bearbeiteten, beispielsweise gefrästen oder gegossenen oder geschmiedeten Verzahnungen zwischen Antriebsrad und Primärrad denkbar. Auch eine Fügefläche zwischen Antriebsrad und Primärrad in Form eines Polygons, beispielsweise Sechs- oder Achtecks ist möglich.
In jedem Fall kann durch einen Verzicht auf eine Verschraubung mittels zusätzlicher Schrauben die axiale Baulänge der Turboverbundeinrichtung stark verkürzt und eine wesentliche Werkstoffeinsparung erzielt werden.
Sofern das Antriebszahnrad und das Außenrad mit solch einer Gewindekombination versehen sind, dass das Antriebszahnrad in Antriebsdrehrichtung auf das Außenrad aufgeschraubt oder in dieses eingeschraubt wird, ist keine zusätzliche axiale Sicherung erforderlich, um zu verhindern, dass sich die Verbindung zwischen dem Antriebszahnrad und dem Außenrad löst.
Weitere Details des ersten Aspekts der Erfindung betreffend die Verbindung zwischen Außenrad und Antriebszahnrad werden weiter unten mit Bezug auf die 3 und 4 näher erläutert und sind im Einzelnen aus den Figuren entnehmbar.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verbindung zwischen dem Innenrad bzw. allgemein dem Sekundärrad der hydrodynamischen Kupplung und der Kupplungswelle, welche insbesondere als Abtriebswelle ausgebildet ist, auf welcher die hydrodynamische Kupplung zusammen mit dem Antriebszahnrad insbesondere fliegend gelagert ist.
Vorteilhaft können die im Zusammenhang mit der Verbindung zwischen dem Antriebszahnrad und dem Außenrad beschriebenen Merkmale auch auf die Verbindung zwischen Innenrad und Kupplungswelle angewendet werden. So ist es beispielsweise möglich, das Innenrad auf die Welle aufzuschrauben, und zwar vorteilhaft derart durch Auswahl der Gewindedrehrichtung, dass im Betrieb kein unbeabsichtigtes Lösen, sondern allenfalls ein weiteres Anziehen erfolgen kann. Alternativ ist eine Rändelung denkbar, welche beispielsweise auf die Welle aufgewalzt wird, wobei anschließend das Innenrad, welches vorteilhaft aus einem Leichtmetall, beispielsweise aus Aluminium oder Silumin hergestellt ist, oder aus Kunststoff hergestellt sein kann, auf die Welle aufgeschoben wird.
Das Innenrad kann gleichfalls wie zuvor das Außenrad zunächst ohne Verzahnung, Gewinde oder Rändelung vorgesehen sein, und derart auf die Welle in einer Presspassung geschoben werden, dass das Gewinde bzw. die Verzahnung oder Rändelung außen auf der Welle sich innen in das Innenrad einschneidet, so dass die gewünschte formschlüssige Verbindung erreicht wird.
Auch bei der Verbindung des Innenrades (oder allgemein Sekundärrades) kann gemäß einer Ausführung eine Fügefläche in Form eines Polygons, beispielsweise Sechs- oder Achtecks, vorgesehen werden.
Vorteilhaft ist die Welle insbesondere im Bereich der Rändelung, der Verzahnung bzw. des Gewindes mit Anflachungen versehen, welche einen Luftdurchtritt zwischen dem Innenrad und der Welle ermöglichen. Diese Anflachungen, welche zum Beispiel gefräst oder geschmiedet werden können, können zum Ansetzen beispielsweise eines Werkszeugs, beispielsweise eines Gabelschlüssels, verwendet werden, um die Welle zu drehen. Bei dieser Ausführung können zusätzliche Bohrungen zur Entlüftung des Kupplungsraumes im Bereich der Flanschverschraubung und zusätzliche Anfräsungen zum Ansetzen eines Gabelschlüssels an anderer Stelle eingespart werden, was zu einem verminderten Aufwand und zu verminderten Kosten bei der Herstellung führt.
Weitere Details werden weiter unten mit Bezug auf die 4 beschrieben, und sind insbesondere der 4 entnehmbar.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verbindung zwischen dem Lager und dem Antriebsrad bzw. dem Antriebszahnrad. Insbesondere, wenn zwischen dem Antriebszahnrad und dem Lageraußenring kein (wesentliches) Drehmoment übertragen werden soll, da dieses an anderer Stelle von dem Antriebszahnrad auf das Außenrad übertragen wird, müssen im wesentlichen nur Axialkräfte von dem Lager aufgenommen werden. Vorteilhaft ist gemäß einer Ausführungsform das Antriebszahnrad mittels eines Presssitzes mit dem Lageraußenring verbunden, bzw. in einem Presssitz auf diesen aufgeschoben. Durch einen solchen Presssitz kann eine optimale Zentrierung des Zahnrades auf dem Lageraußenring erreicht werden, und zugleich können die möglichen Axialkräfte zuverlässig vom Zahnrad auf das Lager übertragen werden, ohne dass zusätzliche axiale Sicherungen in Form von zusätzlichen Bauteilen erforderlich sind. Auch dies führt zu einem verminderten Aufwand bei der Herstellung.
Alternativ oder zusätzlich kann am inneren Umfang des Antriebszahnrades, welcher über den Lageraußenring geschoben wird, ein radial nach innen herausragender Bund vorgesehen sein, welcher in einer Untermaßpassung in eine vorgesehene Nut im Lageraußenring eingreift. Für diese Ausführung ist es notwendig, das Antriebszahnrad vor dem Aufschieben auf den Lageraußenring auf eine höhere Temperatur zu bringen als den Lageraußenring, durch Aufheizen des Antriebszahnrades und/oder Abkühlen des Lageraußenrings. Durch diese Behandlung weitet sich der innere Umfang des Antriebszahnrades derart auf bzw. schrumpft der äußere Umfang des Lageraußenringes derart zusammen, dass der hervorstehende Bund des Antriebszahnrades über den Lageraußenring in den Bereich der Nut im Lageraußenring geschoben werden kann. Bei der anschließenden Temperaturvergleichmäßigung zwischen Antriebszahnrad und Lageraußenring wird eine formschlüssige Verbindung erreicht und das Antriebszahnrad ist sehr sicher gegen ein axiales Verschieben auf dem Lageraußenring durch die Untermaßpassung gesichert.
Zusätzlich oder alternativ kann das Zahnrad stoffschlüssig, zum Beispiel durch Schweißen, Löten oder Kleben mit dem Lager, d. h. dem Lageraußenring, verbunden werden.
Alle diese Maßnahmen führen zu einer optimalen axialen Sicherung, wobei insbesondere die Untermaßpassung zu einer geringen Verpressung des Lagers führt. Gleichzeitig wird die Montage vereinfacht und weitere Sicherungsmaßnahmen können eingespart werden. Bei der direkten Verbindung der verschiedenen Bauteile kann sich während des Betriebes im wesentlichen keine Unwucht einstellen, und auf eine zusätzliche Zentrierung kann vorteilhaft verzichtet werden.
Zusätzlich kann das Antriebszahnrad mittelbar über das Außenrad bzw. allgemein das Primärrad der hydrodynamischen Kupplung gegenüber dem Lageraußenring axial gesichert sein, beispielsweise durch einen radial nach innen ragenden Vorsprung bzw. eine Umbördelung im Außenrad, welche radial in eine Nut im Lageraußenring eingreift. Wenn sich gleichzeitig das Antriebszahnrad axial am Außenrad abstützt, kann es dadurch mittelbar axial gesichert werden.
Schließlich kann auch das Antriebszahnrad auf dem Lageraußenring aufgeschraubt werden, vorteilhaft derart, dass ein Losdrehen im Betrieb unmöglich wird. Zusätzlich kann nach dem Aufschrauben das Antriebszahnrad auf dem Lageraußenring verkeilt oder verstempelt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verbindung der Kupplungsschale mit dem Antriebs(Zahn)rad bzw. dem Außenrad der hydrodynamischen Kupplung.
So ist die Schale vorteilhaft durch Tiefziehen hergestellt und wird insbesondere im Anschluss ausschließlich axial bearbeitet, beispielsweise abgeschnitten oder abgestochen. Insbesondere wir die tiefgezogene Schale mittels eines Laserschnittes auf die gewünschte axiale Länge gekürzt.
Herkömmliche Schalen wurden gedreht, gedrückt oder gegossen, die Fügeflächen spanend bearbeitet oder gegossen, und die Passungen spanend bearbeitet oder speziell spanlos kalibriert. Durch erfindungsgemäßes Tiefziehen der Kupplungsschale können die Kosten vermindert werden, die Schale besonders leicht ausgeführt werden und die Unwuchten klein gehalten werden.
Das Gegenstück zur Schale, d. h. das Antriebszahnrad oder Außenrad, kann mit einer zylindrischen oder konischen Fläche, insbesondere auf seinem äußeren Umfang, für eine Passung, insbesondere Presspassung, mit der tiefgezogenen Schale versehen sein. Zusätzlich kann die Schale auf dem Antriebszahnrad und/oder dem Außenrad stoffschlüssig, beispielsweise durch Laserschweißen, befestigt werden.
Gegenüberstehend zu dem Rücken des Innenrades der hydrodynamischen Kupplung kann die Schale auf ihrer Innenseite mit Aussparungen bzw. Taschen versehen sein, welche eine Pumpwirkung im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung erzeugen, was den Gegendruck für entlang der Schale aus dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung ausströmendes Arbeitsmedium erhöht. Diese Aussparungen, welche insbesondere ausschließlich eingeprägt werden, wirken wie Schaufeln, was eine Beschleunigung des Arbeitsmediums in Umfangsrichtung im Bereich dieser Aussparungen bewirkt.
Vorteilhaft ist die Schale mit angeformter Wuchtmasse versehen, d. h. durch Umformen des Tiefziehteils wird Werkstoff zum „Abwuchten" zur Verfügung gestellt. Dieser Werkstoff kann beispielsweise durch eine Stauchung der tiefgezogenen Schale oder eine Umbördelung, insbesondere im Bereich ihres freien axialen Endes, d. h. dem axialen Ende, welches dem Ende, das an dem Antriebszahnrad und/oder dem Außenrad angeschlossen ist, entgegengesetzt ist, zur Verfügung gestellt werden.
Weitere Details werden weiter unten, insbesondere mit Bezug auf die 6 und 10 bis 11 beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Anordnung des Lagers auf der Kupplungswelle. So wird zur Entlastung der Dichtungen eines gegenüber der Umgebung und damit dem Arbeitsmedium abgedichteten, insbesondere mit Fett geschmierten Lagers der Arbeitsmediumeinlass in den Kupplungsarbeitsraum in einem Bereich radial außerhalb der Lagerabdichtung vorgesehen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die axial neben dem Lager angeordnete Wellenschulter gegenüber dem Lagersitzdurchmesser so weit vergrößert wird, dass der Raum zwischen dem Lager und der Wellenschulter minimiert wird. Insbesondere ist zwischen der Wellenschulter und dem Lageraußenring ein Radialspalt ausgebildet, welcher vorteilhaft mittels der Lagerdichtung axial und radial abgedichtet ist. Dadurch wird die Beaufschlagung des abgedichteten, insbesondere fettgeschmierten Lagers mit Arbeitsmedium, insbesondere mit Kupplungsöl, stark vermindert.
Auf der außenliegenden Seite des Lagers, d. h. an dem axialen Ende des Lagers, welches dem im Bereich der Wellenschulter angeordneten Lagerende entgegengesetzt ist, kann dieselbe Wirkung durch ein zusätzliches auf der Welle befestigtes, radial nach außen ragendes Element erzielt werden. Dieses radial nach außen ragende Element kann beispielsweise eine Haltemutter sein, welche zum Halten des Lagers auf die Kupplungswelle aufgeschraubt wird.
Weitere Details können insbesondere der 7 und der zugehörigen Figurenbeschreibung entnommen werden.
Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung mündet der Arbeitsmediumzulauf an der inneren Oberfläche des Kupplungsinnenrades. Dies kann beispielsweise durch eine Vielzahl von Bohrungen, welche im Kupplungsinnenrad vorgesehen sind, erreicht werden, die einerseits in den Arbeitsraum münden und andererseits in einer strömungsleitenden Verbindung mit entsprechenden Radialbohrungen in der Kupplungswelle stehen. Gemäß einer besonderen Ausführung münden die Bohrungen im Kupplungsinnenrad im Bereich des Kupplungsraumzentrums. Weitere Details können der 8 und der zugehörigen Figurenbeschreibung entnommen werden.
Schließlich betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung die Ausführung des gegenüber der Umgebung und damit gegenüber dem Arbeitsraum abgedichteten Lagers mit einer Nachschmiermöglichkeit dieses Lagers, um somit die Kupplungsgebrauchdauer zu verlängern. Herkömmliche begrenzt nämlich die Lebensdauer des abgedichteten, in der Regel fettgeschmierten Lagers, die Lebensdauer der hydrodynamischen Kupplung.
Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung sind in der Kupplungswelle radial innerhalb des Lagers eine oder mehrere Radialbohrungen vorgesehen, welche an ihrem radial inneren Ende in die Axialbohrung der Arbeitsmediumzufuhr münden. Das radial äußere Ende erstreckt sich durch den Lagerinnenring hindurch und mündet im Schmiermittelraum des abgedichteten Lagers. Das radial innere Ende der wenigstens einen Nachschmierbohrung ist im normalen Betriebszustand gegenüber der Arbeitsmediumzufuhr abgedichtet. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen einer verschiebbaren Hülse in der Axialbohrung der Arbeitsmediumzufuhr erfolgen, welche derart in dieser Axialbohrung verschiebbar ist, dass sie in einer ersten Stellung – geschlossenen Stellung oder Betriebsstellung – die Radialbohrungen des Nachschmiersystems verschließt und in einer zweiten Stellung – Nachschmierstellung – die Nachschmierbohrungen frei gibt, so dass Schmiermittel für das Lager in das Lager hineingedrückt werden kann.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht eine kontinuierliche Nachschmierung des Lagers vor. Beispielsweise kann insbesondere radial außerhalb des Lagers ein Schmiermittelvorratsraum, welcher mit Schmiermittel gefüllt ist, vorgesehen sein, der durch eine geeignete Schmiermittelzufuhr mit dem Lagerinneren verbunden ist. Der Schmiermittelvorratsraum ist vorteilhaft druckbeaufschlagt, entweder gezielt für bestimmte Zeitintervalle oder ständig, beispielsweise durch einen federbelasteten Kolben, so dass das Schmiermittel in das Lagerinnere gepresst wird. Dadurch kann erreicht werden, dass aus dem Lager austretendes Schmiermittel, welches beispielsweise über die Lagerdichtungen in Richtung des Arbeitsraums austritt, automatisch durch Schmiermittel aus dem Vorratsraum ersetzt wird. Ein Austreten des Schmiermittels über die Lagerdichtung in den Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung findet insbesondere dann statt, wenn im Arbeitsmediumraum kein Betriebsdruck und somit ein geringer Druck vorliegt. Dadurch ist die Druckdifferenz zwischen dem Lagerinneren und dem Arbeitsraum groß, was zu einer vorgegebenen Leckage von Schmiermittel aus dem Lager führt. Somit kann eine kontinuierliche Nachschmierung des Lagers erreicht werden. Weitere Details werden weiter unten mit Bezug auf die 9 beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das Wuchten der Turboverbundeinheit. An Turboverbundeinheiten werden äußerst hohe Anforderungen hinsichtlich der Beschränkung der im Betrieb auftretenden Schwingungen und Unwuchten gestellt. Diese Anforderungen werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen vortrefflich erfüllt.
Gemäß eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Wuchten Werkstoff von der Turboverbundeinheit, beispielsweise im Bereich eines Bundes der Kupplungswelle, welche auf der Abtriebsseite angeordnet ist, entfernt und zugleich dabei der Kupplungsarbeitsraum mit Druckluft beaufschlagt, um ein Eindringen von Verunreinigungen in den Kupplungskreislauf zuverlässig zu verhindern. Vorzugsweise ist dabei der Bereich zwischen der Kupplungsschale und der Welle und/oder dem Innenrad im Bereich vor der Abwuchtstelle als Diffusor ausgeführt.
Vorteilhaft wird beim Wuchten der Werkstoff mittels eines oder mehrerer Laserstrahlen abgetragen. Dabei kann dieselbe Laserquelle einerseits zum Wuchten und andererseits zum Verschweißen der Kupplungsschale auf dem Antriebsrad bzw. dem Kupplungsaußenrad verwendet werden.
Alternativ kann das Wuchten durch Werkstoffhinzufügen erfolgen. Insbesondere können Wuchtgewichte an der Turboverbundeinheit, beispielsweise an der Schale oder dem Antriebsrad, welche vorteilhaft mit entsprechenden Stegen, Sicken oder Ähnlichem versehen sind, montiert werden. Da theoretisch Wuchtgewichte in der Größe von einigen Zehntel Gramm erforderlich sind, wird vorteilhaft der Unwuchtausgleich mit wenigstens zwei in ihrer Umfangswinkelposition justierbaren Gewichten ausgeführt. Vorzugsweise werden die Gewichte radial innen an einem Turboverbundbauteil, beispielsweise dem Antriebsrad, anliegend montiert, um ein Wegfliegen im Betrieb durch die Fliehkraft zu verhindern.
Gemäß einer Ausführung wird der Unwuchtausgleich durch Umbördeln oder Verbiegen des freien Endes der Kupplungsschale ausgeführt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung soll noch erwähnt werden, dass herkömmlich das Wuchten bis zu 3/4 des Montageaufwandes ausmacht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft mit weiteren Details beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine Anordnung einer Turboverbundeinheit im Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine;
2 eine Ausführung einer Turboverbundeinheit gemäß des Standes der Technik;
3–11 Details von Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Turboverbundeinheiten.
In der 3 erkennt man eine erfindungsgemäße Turboverbundeinheit mit einer hydrodynamischen Kupplung, umfassend ein Innenrad 1 (Sekundärrad) und ein Außenrad 2 (Primärrad) sowie einer am Außenrad 2 befestigten, sowie das Innenrad 1 weitgehend umschließenden Kupplungsschale 3. Das Innenrad 1 und das Außenrad 2 bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 4 aus, welcher radial von innen über eine Arbeitsmediumzufuhr 5 befüllt wird. Überschüssiges Arbeitsmedium kann aus dem Arbeitsraum 4 radial nach außen durch den Spalt zwischen dem Innenrad 1 und der Kupplungsschale 3 in axialer Richtung auf der Abtriebsseite der Kupplung austreten.
Die hydrodynamische Kupplung ist fliegend auf der Kupplungswelle 6 gelagert, und zwar mittels des Axialradiallagers 7. Das Lager 7 weist einen zweiteiligen Lagerinnenring 7.1 und einen einteiligen Lageraußenring 7.2 auf. Das Lager 7 ist mit Schmiermittel, insbesondere Fett, gefüllt und gegenüber der Umgebung abgedichtet. Zur Abdichtung sind die Lagerdichtungen 7.3 an den axialen Enden des Lagers zwischen dem Lagerinnenring 7.1 und dem Lageraußenring 7.2 vorgesehen.
Der Lageraußenring 7.3 trägt sowohl das Kupplungsaußenrad 2 als auch das Antriebszahnrad 8, welches drehfest mit dem Außenrad 2 verbunden ist, worauf im Einzelnen noch eingegangen wird.
Nicht dargestellt ist das Abtriebsrad, welches abtriebsseitig, d. h. bei der gezeigten Darstellung im Bereich des rechten Endes der Kupplungswelle 6 angeordnet ist. Eine mögliche Ausbildung ist in der 1 gezeigt.
Das Innenrad 1 und/oder das Außenrad 2 können beispielsweise aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder aus Kunststoff ausgebildet sein. Als Herstellungsverfahren kommen insbesondere Druckguss oder Kokillenguss in Betracht. Das Antriebszahnrad 8 wird vorteilhaft aus Stahl gefertigt.
Alternativ können auch das Außenrad und das Antriebszahnrad 8 aus demselben oder einem ähnlichen Werkstoff ausgebildet sein, beispielsweise aus Sphäroguss oder Stahl, oder als Blechkonstruktion, insbesondere kombiniert mit Schmiede-/Gussteilen, ausgeführt sein. Bei Auswahl desselben oder eines ähnlichen Werkstoffs für das Außenrad 2 und das Antriebszahnrad 8 kann ein ähnliches Ausdehnungsverhalten dieser Bauteile im Betrieb erreicht werden.
Wie man in der 3 sieht, sind sowohl das Außenrad 2 als auch das Antriebszahnrad 8 ohne Bohrbearbeitung hergestellt. Beide Bauteile können beispielsweise ausschließlich durch eine Drehbearbeitung nachgearbeitet werden, insbesondere nachdem sie zuvor als Rohling gegossen wurden.
Das Antriebszahnrad 8 ist mit einem radial innen gelegenen axialen Bund 8.1 auf den Lageraußenring 7.2 aufgeschoben. Der axiale Bund 8.1 erstreckt sich axial in Richtung des Kupplungsaußenrades 2 und trägt auf seiner radial außenliegenden Seite ein Gewinde 8.3. Dieses Außengewinde 8.3 ist in eine radial innere Aussparung in dem Außenrad 2 eingeschraubt, und zwar derart, dass das Antriebszahnrad 8 sich beim Betrieb der Turboverbundeinheit allenfalls in das Außenrad 2 festschraubt, jedoch nicht löst. Radial außerhalb des axialen Bundes 8.1 ist das Antriebszahnrad 8 mit einem weiteren axialen Vorsprung 8.2 versehen, welcher einen radial äußeren Anschlag für das Außenrad 2 bildet. Durch diesen radial äußeren Anschlag wird das Außenrad 2 im Antriebszahnrad 8 zentriert. Die Passung für die formschlüssige Verbindung zwischen dem axialen Vorsprung 8.2 des Zahnrades 8 und der entsprechenden Aussparung im Außenzahnrad 2 wird durch eine geeignete Passungsauswahl auf das Gewindespiel derart abgestimmt, dass die Unwucht im Betrieb durch fehlerhafte Ausrichtung reduziert wird.
Alternativ zu dem Gewinde 8.3 kann eine Rändelverzahnung oder eine mechanisch bearbeitete und/oder gegossene und/oder geschmiedete Verzahnung vorgesehen werden. Alle formschlüssigen Verbindungen weisen den gemeinsamen Vorteil auf, dass sie die axiale Baulänge gegenüber herkömmlichen, beispielsweise verschraubten, Turboverbundeinrichtungen reduzieren.
Bei Verwendung eines Außenrades 2 aus Aluminium und eines Zahnrades 8 aus Stahl weist das Außenrad 2 eine größere Wärmedehnung als das Zahnrad 8 auf, was zu einer festen Verbindung zwischen den beiden Bauteilen bei höheren Betriebstemperaturen führt. Da jedoch der Werkstoff des Außenrades vergleichsweise weich ist, können übermäßige Druckspannungen vermieden werden, so dass die Klemmlängen entsprechend kurz ausgeführt werden können.
Insbesondere dann, wenn bei der Montage der Turboverbundeinheit nur das Zahnrad 8 mit einem Gewinde bzw. einer entsprechenden Rändelung oder Verzahnung versehen wird, welches/welche anschließend selbstschneidend in das Außenrad 2 eingefügt wird, wird vorteilhaft die Aussparung im Außenrad 2, welche den axialen Bund 8.1 des Zahnrades aufnimmt, derart gegenüber dem eingreifenden axialen Bund 8.1 verlängert ausgeführt, dass sich ein Spanraum 9, wie dargestellt, ergibt. Dieser Spanraum 9 nimmt Späne auf, welche beim Eindrehen bzw. Einschieben des Zahnrades 8 in das Außenrad 2 anfallen.
Für eine axiale Zentrierung können im Außenrad 2 axial am Zahnrad 8 anstoßende Stege 10 vorgesehen sein. Diese Stege bieten den Vorteil, dass die axial zu bearbeitende Fläche des Außenrades 2 vermindert ist und zugleich eine genaue Zentrierung erleichtert wird, im Vergleich zu einer vollständigen axialen Anlage zwischen Zahnrad 8 und Außenrad 2.
Ferner bieten zusätzliche radiale Stege 12 auf dem äußeren Umfang des Außenrades 2 und/oder dem inneren Umfang des Antriebszahnrades 8 im Bereich der Fügeflächen den Vorteil, dass Luft bei der Montage zum Beispiel durch gegossene Kanäle zwischen den Stehen entweichen kann, und keine zusätzlichen Entlüftungsbohrungen, wie sie herkömmlich vorgesehen sind, notwendig sind. Erst wenn die axialen Stege 10 zur Anlage am Zahnrad 8 kommen, wird das Zahnrad 8 gegenüber dem Außenrad 2 axial abgedichtet. Somit wird die Fügekraft bei der Montage besonders klein gehalten.
Die Stege 10 sind wegen ihrer Abdichtfunktion vorteilhaft als umlaufender Bund ausgeführt, wohingegen die Stege 12 wegen ihrer Entlüftungsfunktion in Umfangsrichtung des Außenrades 2 Unterbrechungen, beispielsweise in Form von eingegossenen oder eingearbeiteten Kanälen, aufweisen.
Ein unter Umständen durch die Fertigungstechnik erforderlicher Zwischenraum zwischen dem Zahnrad 8 und dem Außenrad 2 wird durch die am Zahnrad 8 anliegenden Stege 10 des Außenrads 2 abgedichtet. Dadurch kann kein Öl in diesen Zwischenraum eintreten und eine Unwucht herbeiführen.
Gemäß einer besonderen, nicht dargestellten Ausführung, ist das Zahnrad 8 und das Außenrad 2 einteilig ausgeführt, wodurch der Fertigungs- und Montageaufwand nochmals vereinfacht wird.
Eine besonders große Drehmomentübertragung zwischen Zahnrad 8 und Außenrad 2 ist möglich, wenn das Zahnrad 8 durch Reibschweißung mit dem Außenrad 2 verbunden wird. Sofern eine solche Reibschweißung oder andere stoffschlüssige Verbindungen vorgesehen werden, kann das Zahnrad 8 zugleich zur axialen Sicherung des Lagers 7 dienen. Wie man sieht, ist zwischen dem Zahnrad 8 und dem Lageraußenring 7.2 eine radiale Anschlagfläche vorgesehen.
Eine solche Reibschweißungsverbindung ist beispielhaft in der oberen Hälfte der 4 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 11 versehen.
Gemäß der Ausführung, welche in der 4 in der unteren Hälfte dargestellt ist, ist das Zahnrad 8 nur mittelbar auf dem Lager 7 angeordnet, indem es unmittelbar durch das Außenrad 2 getragen wird, welches wiederum unmittelbar durch das Lager 7 getragen wird. Das Zahnrad 8 wird vorteilhaft bei der Montage auf dem Außenrad 2 zentriert. Auch hier kommt eine stoffschlüssige Verbindung, zum Beispiel mittels Laserschweißen oder Reibschweißen zwischen dem Zahnrad 8 und dem Außenrad 2 in Betracht oder reibschlüssige Verbindungen, zum Beispiel ein Presssitz, sowie formschlüssige Verbindungen, beispielsweise durch Ausführen der Verbindungsfläche als Polygon oder durch Bördeln.
Alternativ kann das Zahnrad, das Außenrad und/oder der Lageraußenring einteilig ausgeführt sein. Dies kann in einer Ausführung durch Verwenden eines einzigen „gemeinsamen" Rohlings, zum Beispiel aus Stahl- oder Sphäroguss, oder durch Kombination von Einzelteilen, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind, erreicht werden.
Auch bei diesen beschriebenen Ausführungen ergibt sich der Vorteil, dass weder Schrauben noch Nieten oder ähnliche gesonderte Befestigungselemente zum Einsatz kommen, und die Drehmomentübertragung über Reib- oder Formschluss erreicht wird.
In der 4 ist zudem die erfindungsgemäße Entlüftung des Arbeitsraums 4 der hydrodynamischen Kupplung über Anflachungen 13, welche auf dem äußeren Umfang der Kupplungswelle 6 radial innerhalb des Innenrades 1 ausgebildet sind, gezeigt. Diese Anflachungen auf der Kupplungswelle 6 sind vorteilhaft im Bereich der Rändelung bzw. des Gewindes der Kupplungswelle 6 vorgesehen und ermöglichen einen Luftdurchtritt zwischen dem Innenrad 1 und der Welle 6. Die Anflachungen 13 können beispielsweise gefräst oder geschmiedet werden und können zum Ansetzen zum Beispiel eines Gabelschlüssels verwendet werden, um die Welle 6 bei der Montage zu drehen.
Mit der Bezugsziffer 14 ist die erfindungsgemäße Verbindung zwischen dem Innenrad 1 und der Kupplungswelle 6 bezeichnet, welche analog zu den zuvor beschriebenen Verbindungstechniken zwischen dem Zahnrad 8 und dem Außenrad 2 ausgeführt werden kann.
In der 5 ist eine besondere Verbindung des Zahnrades 8 mit dem Lageraußenring 7.2 dargestellt. Das Zahnrad 8 wird mittels eines Presssitzes auf einem Teil der äußeren Umfangsfläche des Lageraußenrings 7.2 getragen. Dieser Presssitz ist mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnet. Zusätzlich kann das Zahnrad 8 jedoch mit einem gegenüber dem Presssitz 15 radial nach innen überragenden Vorsprung versehen sein, welcher in eine Aussparung im Lageraußenring 7.2 eingreift. Diese Untermaßpassung ist mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet. Die Untermaßpassung 16 hat den Vorteil, dass eine optimale axiale Sicherung erreicht wird und nur eine geringe Verpressung des Lagers erforderlich ist, da der Presssitz 15 entsprechend mit einer geringen Presskraft ausgeführt werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann, wie bei 18 dargestellt, das Außenrad 2 der hydrodynamischen Kupplung mit einem radial nach innen ragenden Vorsprung versehen sein, welcher in eine Aussparung in der äußeren Umfangsfläche des Lageraußenrings 7.2 eingreift. Wenn das Zahnrad 8 axial am Außenrad 2 anliegt, ist somit auch das Zahnrad 8 axial gegen Verschieben auf dem Lageraußenring 7.2, zumindest in einer Richtung, gesichert. Sofern der radiale Vorsprung im Außenrad 2 mit dem Lageraußenring 7.2 verstemmt wird, kann auch eine axiale Sicherung in beide Richtungen erreicht werden. Gleiches gilt bei einem vollständig in die Aussparung des Lageraußenrings 7.2 eingreifenden, radial nach innen gerichteten Vorsprung im Außenrad 2.
Wie bei 19 gezeigt, kann das Zahnrad 8 auch zusätzlich oder alternativ mit dem Lageraußenring 7.2 stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben.
Gemäß einer besonderen Ausführung ist der Lageraußenring 7.2 auf seinem äußeren Umfang, zumindest im Bereich des anliegenden Zahnrades 8 und/oder des anliegenden Außenrades 2, mit einer Verzahnung oder einer Polygonform versehen, so dass zuverlässig Drehmoment übertragen werden kann. Beispielsweise kommt eine sechseckige oder achteckige Fügefläche auf dem äußeren Umfangs des Lageraußenrings 7.2 in Betracht. Gemäß einer besonderen Ausführung weist der Lageraußenring 7.2 über seine gesamte axiale Länge eine entsprechende äußere Form in Umfangsrichtung auf. Alternativ können nur einzelne oder alle einzelnen Fügeflächen derart gestaltet sein.
In der 6 sind einige an der Kupplungsschale 3 getroffenen erfindungsgemäßen Maßnahmen dargestellt. So erkennt man bei 20 die in der Beschreibungseinleitung dargestellten Aussparungen oder Sicken, welche insbesondere in die tief gezogene Schale 3 eingeprägt sind. Diese Aussparungen erhöhen den Gegendruck für das aus dem Arbeitsraum 4 ausströmende Arbeitsmedium durch eine entsprechende Pumpfunktion. Bei 21 ist dargestellt, wie durch Umbördeln des freien Endes der Kupplungsschale 3 Material zum „Abwuchten" zur Verfügung gestellt wird.
Schließlich erkennt man bei 22 den Anschluss der Schale 3 an dem Zahnrad 8 bzw. an dem Außenrad 2. So kann die Schale insbesondere ausschließlich tiefgezogen und anschließend axial bearbeitet werden, beispielsweise abgeschnitten, insbesondere durch Laserschnitt, oder abgestochen werden. Mit ihrem einen axialen Ende, welches dem freien Ende (rechts in der 6) entgegengesetzt angeordnet ist, wird die Schale 3 dann auf das Zahnrad 8 und/oder das Außenrad 2 aufgeschoben, z. B. in einer zylindrischen oder konischen Passung und gegebenenfalls angeschweißt, beispielsweise mittels Laserschweißen. Durch das Aufschieben der Schale 3 außen auf das Zahnrad 8 bzw. das Außenrad 2 nimmt die Schale automatisch eine besonders runde Form ein.
Die Schale 3 ist insbesondere ausschließlich stoffschlüssig oder formschlüssig mit dem Zahnrad 8 und/oder dem Außenrad 2 verbunden. Dadurch kann der Fertigungsaufwand vermindert werden, und die Bauteile sind unwuchtoptimiert.
Gemäß einer besonderen Ausführung ist das Außenrad 2 axial zwischen der Schale 3 und dem Zahnrad 8 eingeklemmt, siehe die untere Hälfte in der 6.
In 7 ist eine verbesserte Ausführung hinsichtlich des Arbeitsmediumeintritts in den Arbeitsraum 4 der hydrodynamischen Kupplung gezeigt. Wie man sieht, weist die Kupplungswelle 6 eine radial verlaufende Schulter 6.1 auf, welche in unmittelbarer Nähe zum Lagerinnenring 7.1 und zum Lageraußenring 7.2 angeordnet ist. Dabei kann der Lagerinnenring 7.1 unmittelbar an der Schulter 6.1 anstoßen, während zwischen dem Lageraußenring 7.2 und der Schulter 6.1 ein minimaler Spalt vorgesehen ist, da sich beide Bauteile im Betrieb mit unterschiedlicher Drehzahl drehen.
Die Lagerabdichtung 7.3 am Lagerende, welches der Schulter 7.1 zugewandt ist, dichtet sowohl den Lagerinnenring 7.1 gegenüber dem Lageraußenring 7.2 als auch das Lager 7 gegenüber der Welle 6 ab. Die Dichtung 7.3 dreht sich dabei mit der Umfangsgeschwindigkeit des Lageraußenrings 7.2, so dass sich bei 7.4 eine Relativdichtung, sowie zwischen der Dichtung 7.3 und der Kupplungswelle 6 eine weitere Relativdichtung ergibt.
Dadurch, dass der Arbeitsmediumeintritt in den Arbeitsraum 4 radial außerhalb der Abdichtung des Lagers 7 erfolgt, wird die Lagerbelastung minimiert.
Mit 23 ist eine derart radial nach außen vergrößerte Haltemutter bezeichnet, welche auf die Welle 6 aufgeschraubt ist, dass sie vergleichbar wie die Schulter 6.1 wirkt, d. h. am Lagerinnenring 7.1 anliegt und diesen somit axial sichert und mit dem Lageraußenring 7.2 einen nur schmalen Spalt ausbildet. Auch hier kann eine Laderenddichtung 7.3 entsprechend dem anderen axialen Ende des Lagers 7 abdichtend wirken.
Die Lagerdichtungen 7.3 können als Dichtlippe oder als Labyrinth ausgeführt sein.
In der 8 ist eine Ausführung gezeigt, bei welcher die Zufuhr des Arbeitsmediums im Vergleich zu der Ausführung aus der 7 noch weiter radial nach außen versetzt wurde, indem die Zufuhr bis in das Innenrad 1 hineingeführt wurde. In der oberen Hälfte endet die Arbeitsmediumzufuhr in Form einer Vielzahl von Bohrungen auf dem inneren Umfang des torusförmigen Arbeitsraums 4. Gemäß der Ausführung, welche in der unteren Hälfte der Figur 8 dargestellt ist, mündet die Arbeitsmediumzufuhr im Bereich des Zentrums des Arbeitsraums 4, d. h. im Kern des Strömungskreislaufes.
In der 9 ist ein Lager 7 mit einer Nachschmiermöglichkeit dargestellt. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird Schmiermedium, insbesondere Fett, radial von innen in das Lager 7 nachgefüllt. Dazu ist in der axialen Bohrung der Arbeitsmediumzufuhr 5 eine Hülse 24 mit einer Durchgangsbohrung eingefügt, welche in der Betriebsposition, bezogen auf den Betrieb der Turboverbundeinheit, Radialbohrungen 25, welche ausgehend von der Betriebsmittelzufuhr 5 durch die Kupplungswelle 6 und den Lagerinnenring 7.1 ausgeführt sind, verschließt. Durch Verschieben der Hülse 24 werden die Bohrungen 25 gegenüber der Arbeitsmediumzufuhr 5 geöffnet, so dass Schmiermedium, insbesondere Fett, in das Innere der Lager 7 zugeführt werden kann.
Gemäß einer zweiten Möglichkeit ist ein Vorratsraum für Schmiermittel, insbesondere Fett, vorgesehen, beispielsweise wie dargestellt im Bereich zwischen dem Zahnrad 8 und dem Außenrad 2 oder alternativ in einem einzelnen der beiden Bauteile. In diesem Vorratsraum wird das nachzuführende Schmiermedium druckbeaufschlagt, beispielsweise durch die dargestellte Feder-Kolben-Kombination 26, so dass über entsprechende Bohrungen 27, beispielsweise im Außenrad 2 und im Lageraußenring 7.2, Schmiermedium in das Innere des Lagers 7 gedrückt wird.
Der Kolben der Feder-Kolben-Kombination 26 drückt dabei insbesondere bei Stillstand der Turboverbundeinheit Fett aus dem Vorratsraum in das Lager, da dann aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Lagerinneren und dem Arbeitsraum 4 sich eine entsprechende Leckage über die Lagerdichtung 7.3, welche im Bereich der Wellenschulter 6.1 angeordnet ist, erzeugt wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, gezielt zu bestimmten Zeiten das Schmiermedium im Vorratsraum mit Druck zu beaufschlagen und/oder Schmiermedium aus dem Lager abzulassen, um den Druck in diesem zu senken, so dass keine ständige Nachschmierung im Stillstand der Kupplung stattfindet.
In der 10 sind verschiedene Verfahren zum Auswuchten der Turboverbundeinheit angedeutet. So kann beispielsweise am freien Ende der Kupplungsschale 3 Werkstoff, insbesondere mittels eines Lasers, abgetragen werden, siehe das Bezugszeichen 28. Gleichzeitig wird der Arbeitsraum 4 der hydrodynamischen Kupplung vorteilhaft mit Druckluft beaufschlagt, welche dann entlang des Spaltes zwischen dem Innenrad 1 und der Kupplungsschale 3 strömt. Das Ende dieses Spaltes ist vorteilhaft, wie bei 29 dargestellt, in Form eines Diffusors ausgebildet, um die mitreißende Wirkung der Druckluft auf das abgetragene Material zu verbessern. Somit kann wirkungsvoll ein Eintritt von beim Wuchten abgetragenem Werkstoff in den Kupplungskreislauf verhindert werden. Die Druckluft kann beispielsweise über die Arbeitsmediumzufuhr 5 zugeführt werden.
Das Wuchten und das Verschweißen der Schale können vorteilhaft auf einer einzigen Maschine durchgeführt werden, insbesondere durch ein Laserverfahren. So können einerseits die freien Enden der Kupplungsschale 3 mittels Laser geeignet gekürzt werden und andererseits die entgegengesetzten Enden der Kupplungsschale 3 an dem Antriebszahnrad 8 und/oder dem Außenrad 2 angeschweißt werden, wie durch das Bezugszeichen 30 angedeutet ist.
Eine besonders einfache Ausführung der Laserbehandlung auf einer einzigen Maschine kann dadurch ermöglicht werden, dass Wuchtmasse im Bereich des Zahnrades 8, beispielsweise wie durch das Bezugszeichen 31 angedeutet ist, abgetragen wird, da sich dieser Bereich in der Nähe der Schweißstelle 30, an welcher die Kupplungsschale 3 mit dem Zahnrad 8 verschweißt wird, befindet.
In der 11 sind weitere Maßnahmen zum Wuchten der Turboverbundeinheit dargestellt. So können, wie durch das Bezugszeichen 32 angedeutet ist, Wuchtgewichte auf das freie Ende der Kupplungsschale 3 aufgesteckt werden. Wenn dabei das freie Ende der Kupplungsschale 3 im wesentlichen oder vollständig radial nach innen ausgerichtet ist, kann ein Lösen der Wuchtgewichte während des Betriebes nahezu ausgeschlossen werden.
Um die Verwendung äußerst kleiner Wuchtmassen in der Größenordnung von Zehntel Gramm zu vermeiden, können zwei oder mehr Wuchtgewichte (m₁, m₂) verwendet werden, welche in ihrer Winkelposition justierbar sind. Die Winkelposition bezieht sich dabei auf die Umfangsrichtung, beispielsweise auf den Umfang des freien Endes der Kupplungsschale 3.
Wie mit 33 angedeutet ist, kann die Kupplungsschale 3 mit umbiegbaren Wuchtlaschen versehen sein. Diese können zum Ausgleich von Unwuchten umgebogen werden, wodurch sich ihre radiale Lage ändert, was wiederum zu einer Änderung des Schwerpunktes führt.
Eine weitere Maßnahme, welche alternativ oder zusätzlich vorgenommen werden kann, sieht das Anbringen von einem oder mehreren Wuchtgewichten am Zahnrad 8 vor. Diese Wuchtgewichte sind wiederum vorteilhaft in ihrer Umfangsposition justierbar, so dass mit Wuchtdifferenzen zweier oder mehrerer Wuchtgewichte gearbeitet werden kann. Wie bei 34 gezeigt, werden die Wuchtgewichte vorteilhaft in wenigstens eine radial nach innen geöffnete Aussparung im Bereich des äußeren Umfangs des Zahnrades 8 eingebracht. Diese Wuchtgewichte können beispielsweise durch Verformung eines schmalen Steges, welcher seitlich zu der Aussparung im Zahnrad 8 ausgebildet ist, einfach im Zahnrad 8 eingeklemmt werden.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Turboverbundeinheit umfasst eine Vielzahl von einzelnen Maßnahmen, wie sie zuvor dargestellt wurden, wobei die meisten Maßnahmen einzeln oder in Kombination anwendbar sind.

Claims

Turboverbundeinheit, umfassend: 1.1 eine hydrodynamische Kupplung mit einem Primärrad (2) und einem Sekundärrad (1); 1.2 ein Antriebsrad (8), welches drehfest mit dem Primärrad (2) verbunden ist oder integral mit diesem ausgeführt ist; 1.3 ein Abtriebsrad, welches drehfest mit dem Sekundärrad (1) verbunden oder integral mit diesem ausgeführt ist; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 Maßnahmen getroffen sind, um die Turboverbundeinheit gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.