DE102005003660A1

DE102005003660A1 - Drehmomentwandler mit Turbinenrad mit dünnem Torus

Info

Publication number: DE102005003660A1
Application number: DE200510003660
Authority: DE
Inventors: Jean M. Ypsilanti Schweitzer; Jeya Ann Arbor Gandham
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: DE102005003660B4; US20050160725A1; US7082755B2

Abstract

Ein Drehmomentwandler umfasst ein Pumpenrad und ein Turbinenrad. Das Pumpenrad weist von einem radial inneren Einlass bis zu einem radial äußeren Auslass durch einen torischen Weg eine im Wesentlichen konstante Strömungsquerschnittsfläche hindurch auf. Das Drehmomentwandler-Turbinenrad weist eine Strömungsquerschnittsfläche am Einlass auf, die im Wesentlichen gleich ist wie die Strömungsquerschnittsfläche am Auslass des Pumpenrades, und eine Strömungsquerschnittsfläche am Auslass, die im Wesentlichen gleich ist wie die Strömungsquerschnittsfläche am Einlass des Pumpenrades. Die Größe der Strömungsquerschnittsfläche des Turbinenrades entlang eines torischen Weges nimmt von dem Einlass des Turbinenrades bis zu einem Punkt im Wesentlichen in der Mitte durch den Strömungsweg ab, von dem aus die Strömungsquerschnittsfläche zunimmt, so dass die Strömungsquerschnittsfläche am Auslass im Wesentlichen gleich der Strömungsquerschnittsfläche am Einlass ist.

Description

Diese Erfindung betrifft hydrodynamische Antriebsmechanismen, und im Besonderen Drehmomentwandleraufbauten, die ein Pumpenrad und ein Turbinenrad umfassen.

Gegenwärtige automatische Lastschaltgetriebe umfassen im Allgemeinen eine hydrodynamische Antriebseinrichtung, wie etwa einen Drehmomentwandler oder eine Fluidkopplungseinrichtung. Der Drehmomentwandler wird hauptsächlich dafür angewandt, eine Drehmomentvervielfachung in dem unteren Drehzahlbereich bereitzustellen. Der Drehmomentwandler besteht aus einem motorgetriebenen Pumpenrad, einem Fluidturbinenrad und einem Fluidleitrad. Das von dem Motor angetriebene Pumpenrad beschleunigt Fluid für den Durchgang zu dem Turbinenrad. Das Turbinenrad wandelt die von dem Pumpenrad kommende Fluidenergie in mechanische Energie um, die auf die Antriebswelle eines Getriebes übertragen wird.

Der Leitradmechanismus, der zwischen dem Fluideinlass des Pumpenrades und dem Fluidauslass des Turbinenrades angeordnet ist, lenkt das Fluid von dem Turbinenrad zu dem Pumpenrad um, wodurch der Strömungswirkungsgrad verbessert und die Drehmomentvervielfachung des hydrodynamischen Drehmomentwandlers erhöht wird. Das Fluid gelangt von dem inneren Torusabschnitt des Pumpenrades im Wesentlichen radial nach außen in einen torusförmigen Weg und dann über den Weg in dem Turbinenrad in einem im Wesentlichen torusförmigen Weg zurück zu dem Leitrad. Die Strömungsquerschnittsfläche in dem Pumpenrad und in dem Turbinenrad ist im gesamten Strömungsbereich des Torus oder über die Strömungslänge des Torus im Wesentlichen konstant. In Turbinenradaufbauten mit konstanter Querschnittsfläche kann die Strömung darin einen Energieverlust erfahren, wenn eine Umkehr oder Trennung der Strömung in der Nähe der Mitte des Strömungsweges benachbart zu der inneren Seitenwand des Torus auftritt. Diese Strömungsinkonsistenz verringert den Wirkungsgrad des Drehmomentwandlers.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Drehmomentwandler mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad bereitzustellen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Turbinenrad im Vergleich mit dem Pumpenrad die Form eines dünnen Torus auf.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Turbinenrad mehrere Schaufeln auf, die mit inneren und äußeren Schalen zusammenwirken, um mehrere Strömungswege innerhalb des Turbinenrades zu bilden.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzen die Strömungswege durch das Turbinenrad hindurch eine Querschnittsfläche am Einlass, die im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche am Auslass des Pumpenrades ist, eine Querschnittsfläche am Auslass, die im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche am Einlass des Pumpenrades ist, und eine sich kontinuierlich ändernde Querschnittsfläche zwischen dem Einlass des Turbinenrades und dem Auslass des Turbinenrades.

Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung nimmt die Strömungsquerschnittsfläche durch das Turbinenrad hindurch von dem angetriebenen Einlass zu im Wesentlichen der Mitte des Strömungsweges hin ab, und nimmt dann zurück bis zur ursprünglichen oder Einlassquerschnittgröße zu.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen ist:
1 eine schematische Darstellung eines Drehmomentwandler-Turbinenrades, das die vorliegende Erfindung enthält, im Vergleich mit einem Drehmomentwandler-Turbinenrad einer normalen Einheit;
2 eine Kurve eines Strömungsquerschnittsflächenverhältnisses über einen Längenbruchteil des Torus eines Turbinenrades;
3 eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines Torus, der den Strömungslängenweg des Torus beschreibt;
4 eine schematische Darstellung einer Fluidströmung durch ein Drehmomentwandler-Turbinenrad hindurch zwischen aufeinanderfolgenden Schaufeln; und
5 eine Kurve, die die effektive Strömungsquerschnittsfläche von sowohl einem herkömmlichen Turbinenrad als auch einem Turbinenrad, das die vorliegende Erfindung enthält, über den Längenbruchteil des Torus darstellt.
In den Zeichnungen ist in 1 eine schematische Darstellung eines Drehmomentwandlers 10 zu sehen, der ein Drehmomentwandler-Flügelrad oder Pumpenrad 12 und ein Drehmomentwandler-Turbinenrad oder Turbinenrad 14 mit dünnem Torus umfasst. Das Leitrad des Drehmomentwandlers ist der Klarheit wegen aus der Zeichnung weggelassen worden. In 1 ist in gestrichelten Linien auch ein Drehmomentwandler-Turbinenrad 16 gezeigt, das ein herkömmlicher oder der normale Drehmomentwandler-Torus ist. Das Turbinenrad 14 mit dünnem Torus verringert die Gesamtbreite des Drehmomentwandlers 10, wodurch der Gesamtlängenbedarf eines Getriebes, in dem das Turbinenrad mit dünnem Torus angewandt wird, verringert wird.
Wie es in 4 zu sehen ist, weist das Drehmomentwandler-Turbinenrad 14 mehrere beabstandete Schaufeln auf, an die Strömung von dem Drehmomentwandler-Pumpenrad 12 abgegeben wird. Das Drehmomentwandler-Pumpenrad 12 weist eine Querschnittsfläche 18 am Auslass auf, und das Drehmomentwandler-Turbinenrad 14 weist eine Querschnittsfläche 20 am Einlass auf, die gleich der Querschnittsfläche 18 ist. Dies ist bei 22 in 4 dargestellt.
Die Strömung in das Turbinenrad kann in eine torische Geschwindigkeit F und eine Relativgeschwindigkeit W aufgeteilt werden. Diese beiden Geschwindigkeiten stehen miteinander über eine Funktion des Kosinus des Winkels θ in Beziehung oder sind proportional zueinander. Wenn die Strömung zwischen den Schaufeln des Turbinenrades hindurchtritt, fallen die Relativgeschwindigkeit und die torische Geschwindigkeit im Wesentlichen am Mittelpunkt 24 zusammen und sind am Auslass 26 mit dem Winkel θ getrennt.
Das herkömmliche oder normale Turbinenrad 16 weist von dem Einlass 20 bis zu dem Turbinenradauslass 28 eine konstante Strömungsquerschnittsfläche auf, während der Turbinenradtorus 14 eine Querschnittsfläche am Einlass 20 aufweist, die gleich der Querschnittsfläche 18 ist und seine Querschnittsfläche bis zu annähernd am Mittelpunkt 30 abnimmt und seine Querschnittsflächengröße danach in Richtung eines Auslasses 32 zunimmt. Diese Änderung der Querschnittsfläche ist in 2 dargestellt. Auf der einen Achse ist das Brutto-Strömungsquerschnittsflächenverhältnis dargestellt, und auf der anderen der Längenbruchteil des Torus. Das Brutto-Strömungsquerschnittsflächenverhältnis des Torus stellt die Querschnittsfläche an einem besonderen Konstruktionspunkt entlang der Strömungslänge des Torus dividiert durch die Querschnittsfläche an dem Einlass des Torus dar. Die Strömungslänge des Torus, über die der Längenbruchteil des Torus berechnet wird, ist in 3 durch Linie 34 dargestellt.
In 2 ist zu sehen, dass das Brutto-Strömungsquerschnittsflächenverhältnis des Torus über den Längenbruchteil des Torus für einen herkömmlichen oder normalen Drehmomentwandler, der durch Linie 36 dargestellt ist, konstant ist, d.h. die Brutto-Strömungsquerschnittsfläche ist für die gesamte Länge der Strömung des Torus eins. Wie es bei Linie 38 in 2 zu sehen ist, nimmt das Brutto-Strömungsquerschnittsflächenverhältnis des Torus von dem Einlass an Punkt 40 bis zu annähernd der Mitte des Längenbruchteils des Torus ab und nimmt dann bis zu dem Auslass 42 des Torus zu. Diese Änderung des Brutto-Strömungsquerschnittsflächenverhältnisses verringert oder beseitigt die Energieverluste, die sonst innerhalb des Strömungsweges des Turbinenrades auftreten könnten.
4 definiert, wie es zuvor erwähnt wurde, die torische Strömungsgeschwindigkeit über die Relativgeschwindigkeit durch den Weg des Drehmomentwandler-Turbinenrades. Wenn kleine Leckagen entlang des Weges vernachlässigt werden, ist die Massendurchsatzrate m durch den Durchgang hindurch konstant. Die torische Geschwindigkeit F ist ebenfalls konstant. Die Relativgeschwindigkeit W in einer Richtung tangential zu der Schaufel ist, wie es zuvor erwähnt wurde, proportional zu der torischen Geschwindigkeit F, wie es durch den Kosinus des Winkels θ dargestellt wird. An der zentralen Strömungsquerschnittsfläche 24 sind die beiden Geschwindigkeiten gleich, was zeigt, dass die Geschwindigkeit W relativ zu der torischen Geschwindigkeit F abgenommen hat und dann relativ zu der torischen Strömungsgeschwindigkeit F zunimmt, wenn das Fluid zu dem Auslass 26 gelangt. Die Geschwindigkeit W liegt auch in einem Bereich zunehmenden Druckes vor, wenn das Fluid von dem Einlass 22 zu der zentralen Strömungsquerschnittsfläche 24 strömt.
Unter diesen Bedingungen kann eine Strömungstrennung und Strömungsumkehr bei annährend dem Mittelpunkt des Strömungsweges des Drehmomentwandler-Turbinenrades auftreten. Die vorliegende Erfindung stellt einen Strömungsweg her, bei dem die Relativgeschwindigkeit W in Bezug auf die torische Geschwindigkeit F wegen der Verringerung der Strömungsquerschnittsfläche in Richtung der Mitte des Strömungsweges gleichmäßiger ist.
5 stellt die effektive Strömungsquerschnittsfläche für sowohl den Strömungsweg 44 eines normalen Turbinenrades als auch den Strömungsweg 46 bei einem dünnen Torus dar. Das Turbinenrad mit dünnem Torus und einer ungleichmäßigen Brutto-Strömungsquerschnittsfläche für den Torus weist eine gleichmäßigere effektive Strömungsquerschnittsfläche für den Turbinenradaufbau auf. Dies verbessert die Arbeit des Drehmomentwandlers.
Die Zahlenwerte des Längenbruchteils des Torus von 5 und des Längenbruchteils des Torus von 4 sind identisch und stellen die Position durch den Strömungsflächenquerschnitt des Torus entlang der Länge 34 des Torus dar, wie es in 3 zu sehen ist. Beispielsweise stellt ein Längenbruchteil des Torus von 0,2 einen Punkt entlang der Länge des Torus 34 dar, der in einem Abstand von 20 % von dem Einlass des Turbinenrades 20 innen liegt.
Zusammengefasst umfasst ein Drehmomentwandler ein Pumpenrad und ein Turbinenrad. Das Pumpenrad weist von einem radial inneren Einlass bis zu einem radial äußeren Auslass durch einen torischen Weg hindurch eine im Wesentlichen konstante Strömungsquerschnittsfläche auf. Das Drehmomentwandler-Turbinenrad weist eine Strömungsquerschnittsfläche am Einlass auf, die im Wesentlichen gleich ist wie die Strömungsquerschnittsfläche am Auslass des Pumpenrades, und eine Strömungsquerschnittsfläche am Auslass, die im Wesentlichen gleich ist wie die Strömungsquerschnittsfläche am Einlass des Pumpenrades. Die Größe der Strömungsquerschnittsfläche des Turbinenrades entlang eines torischen Weges nimmt von dem Einlass des Turbinenrades bis zu einem Punkt im Wesentlichen in der Mitte durch den Strömungsweg ab, von dem aus die Strömungsquerschnittsfläche zunimmt, so dass die Strömungsquerschnittsfläche am Auslass im Wesentlichen gleich der Strömungsquerschnittsfläche am Einlass ist.

Claims

Drehmomentwandler (10), umfassend: ein Pumpenrad (12) mit vorbestimmten Strömungswegen, um Fluid von einer radial inneren Position zu einer radial äußeren Position durch einen torischen Weg hindurchzuleiten, und ein Drehmomentwandler-Turbinenrad (14) mit Strömungswegen, um Fluid von dem Pumpenrad (12) durch einen im Wesentlichen torischen Strömungsweg radial nach innen zu lenken, wobei die Strömungswege in dem Drehmomentwandler-Turbinenrad (14) jeweils eine erste Querschnittsfläche an seinem Einlass (22), eine zweite Querschnittsfläche an seinem Auslass (26), eine abnehmende Strömungsquerschnittsfläche zwischen dem Einlass (22) und dem Auslass (26) bis zu einem vorbestimmten Punkt mit einer dritten Querschnittsfläche (24) entlang des Strömungsweges, und eine zunehmende Strömungsquerschnittsfläche von dem vorbestimmten Punkt bis zu der Auslassquerschnittsfläche (26) aufweisen.
Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Querschnittsfläche größer als die dritte Querschnittsfläche ist.
Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Querschnittsfläche gleich der ersten Querschnittsfläche ist.