DE102005050219B3

DE102005050219B3 - Hydrodynamische Maschine

Info

Publication number: DE102005050219B3
Application number: DE200510050219
Authority: DE
Inventors: Werner Adams; Kurt Adleff; Peter Heilinger; Dieter Laukemann
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine DOLLAR A - mit einem mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum; DOLLAR A - mit einer Eingangswelle; DOLLAR A - mit einem im Arbeitsraum angeordneten, beschaufelten Primärrad, das in einer Triebverbindung mit der Eingangswelle steht oder schaltbar ist und mit Arbeitsmedium beaufschlagbar ist; DOLLAR A - mit einem im Arbeitsraum angeordneten, beschaufelten Sekundärrad, welches derart mit Arbeitsmedium beaufschlagbar und gegenüber dem Primärrad positionierbar ist, dass mittels eines Strömungskreislaufes des Arbeitsmediums im Arbeitsraum ein Drehmoment von dem Primärrad auf das Sekundärrad übertragen wird; wobei DOLLAR A - die Größe des maximal übertragbaren Drehmoments von der Drehzahl der Eingangswelle sowie dem Füllungsgrad des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium abhängig ist. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - die hydrodynamische Maschine derart eingerichtet ist, dass der Betrag des maximal übertragbaren Drehmoments, umfassend sowohl ein positives Drehmoment als auch ein negatives Drehmoment, von dem Primärrad auf das Sekundärrad unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Eingangswelle periodisch veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine und insbesondere eine hydrodynamische Kupplung oder einen hydrodynamischen Wandler.
Bekanntlich weisen solche hydrodynamische Maschinen ein Primärrad auf, welches bei der hydrodynamischen Kupplung und dem hydrodynamischen Wandler Pumpenrad und beim Retarder auch Rotor genannt wird. Das Primärrad ist drehbar in einem mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum angeordnet.
Ferner weisen diese Maschinen ein Sekundärrad auf, welches dem Primärrad gegenüberstehend derart in dem Arbeitsraum angeordnet ist, dass Drehmoment vom Primärrad auf das Sekundärrad übertragen wird, dadurch, dass sich im Arbeitsraum ein Strömungskreislauf ausbildet, welcher die Drehmomentübertragung bewirkt. In bestimmten Betriebszuständen ist auch eine negative Drehmomentübertragung möglich, das heißt vom Sekundärrad auf das Primärrad.
Das Sekundärrad wird bei hydrodynamischen Kupplungen oder Wandlern Turbinenrad genannt, da es vergleichbar mit einer Turbine hydrodynamisch angetrieben rotiert. Beim Retarder hingegen wird das Sekundärrad Stator genannt, da es feststehend im Arbeitsraum angeordnet ist, um das Primärrad abzubremsen.
Als bedeutender Vorteil solcher hydrodynamischen Maschinen wird angesehen, dass eine Dämpfung von Drehschwingungen beziehungsweise eine Trennung der Drehschwingungen zwischen Antriebsseite und Abtriebsseite beziehungsweise zwischen Rotor und Stator durch das „mechanisch" zwischengeschaltete Arbeitsmedium erreicht wird.

Zum Stand der Technik wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:

Die aus dem erstgenannten Dokument bekannten Merkmale sind im Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefasst.

Bei bestimmten Anwendungsfällen, zum Beispiel beim Antrieb eines Kolbenverdichters als Arbeitsmaschine durch eine Antriebsmaschine, wobei in den Antriebsstrang zwischen Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine eine hydrodynamische Kupplung oder ein hydrodynamischer Wandler geschaltet ist, hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass unerwartet eine Drehschwingung in Form eines periodischen negativen Drehmoments auf die Antriebsmaschine beziehungsweise ein in Kraftflussrichtung hinter dieser angeordnetes Getriebe übertragen wird, obwohl aufgrund der Trägheit des Meridianstromes von Arbeitsmedium im Arbeitsraum der zwischengeschalteten hydrodynamischen Kupplung beziehungsweise des hydrodynamischen Wandlers eine solche negative Drehmomentübertragung ausgeschlossen schien. Diese Übertragung eines negativen Drehmoments von dem Kolbenverdichter auf ein zwischen der Antriebsmaschine und dem Kolbenverdichter angeordnetes Zahnradgetriebe führt dazu, dass sich die bei der Übertragung eines positiven Drehmomentes, das heißt eines Drehmomentes von der Antriebsmaschine auf die Arbeitsmaschine, in Anlage befindlichen Flanken von einander zugeordneten Zahnrädern des Getriebes kurzzeitig voneinander abheben und anschließend, nach dem Ende der negativen Drehmomentübertragung, wieder aufeinanderstoßen. Dieses kurzzeitige Anheben und anschließende Aufeinanderstoßen führt zu einem Zahnradklappern, was wegen des Geräusches unerwünscht ist und zudem einen erhöhten Verschleiß bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine darzustellen, welche das Übertragen eines solchen unerwünschten negativen Drehmoments auf die Antriebsseite zuverlässig verhindert, bei zugleich hohem Wirkungsgrad bei der Drehmoment- beziehungsweise Leistungsübertragung von der Antriebsseite auf die Abtriebsseite. Ferner soll ein Verfahren zum Antreiben einer Arbeitsmaschine mittels einer Antriebsmaschine über eine hydrodynamische Maschine dargestellt werden, bei welchem bei einem möglichst geringen Verlust von Antriebsleistung eine unerwünschte negative Drehmomentübertragung auf die Antriebsmaschine beziehungsweise die Antriebsseite der hydrodynamischen Maschine vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine hydrodynamische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine hydrodynamische Maschine in einem Antriebsstrang, insbesondere eine hydrodynamische Kupplung (Turbokupplung) beziehungsweise ein hydrodynamischer Wandler eine Dämpfung beziehungsweise Abkopplung von Drehschwingungen, wie sie oben beschrieben worden ist, bei hohen Frequenzen der Drehschwingung zufriedenstellend bewirkt. Bei Drehmomentschwankungen mit einer niedrigen Frequenz, beispielsweise bei der Drehfrequenz, wie sie bei Kompressorantrieben typisch ist, kann jedoch eine Schwingung von der Abtriebsseite der hydrodynamischen Maschine auf die Antriebsseite „durchschlagen", so dass im Antriebsstrang auf der Antriebsseite, das heißt auf der Seite des Primärrades der hydrodynamischen Maschine, eine Drehmomentumkehr eintritt beziehungsweise weitergeleitet wird, die bei Zahnradgetrieben zu dem unerwünschten Zähneklappern führt.

Dies hat folgenden Hintergrund: Wenn der Kompressor als Kolbenverdichter ausgeführt ist, weist er einen Nulldurchgang im Antriebsmoment auf. Der Kolben wird nämlich bei einer Komprimierung des Druckmediums, beispielsweise Druckluft, in seinem zugeordneten Zylinder das Druckmedium komprimierend in den Zylinder hineingeschoben, durch die Übertragung von Antriebsmoment beziehungsweise Antriebskraft von der Antriebsmaschine über die hydrodynamische Maschine auf die Kolbenstange, welche den Kolben schiebt, bis der Kolben einen Umkehrpunkt, auch oberer Totpunkt genannt, erreicht. Bei der Bewegung unmittelbar im Anschluss nach Erreichen des Umkehrpunktes erfolgt eine Beschleunigung des Kolbens aufgrund des Druckes des noch im Zylinder befindlichen Druckmediums, so dass von dem Kolben über die Kolbenstange eine Antriebskraft auf die Abtriebswelle der hydrodynamischen Maschine, welche mit dem Sekundärrad in Triebverbindung steht, übertragen wird. Diese Antriebskraft beschleunigt das Sekundärrad der hydrodynamischen Maschine. Erreicht das Sekundärrad eine Drehzahl, welche größer ist als die augenblickliche Drehzahl des Primärrades, wird über den Strömungskreislauf im Arbeitsraum Drehmoment von dem Sekundärrad auf das Primärrad übertragen, was im Sinne der vorliegenden Erfindung als eine negative Drehmomentübertragung von dem Primärrad auf das Sekundärrad bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Arbeitsmaschine versucht die Antriebsmaschine zu beschleunigen, und eine solche Beschleunigung in Abhängigkeit von Trägheiten zwischen der hydrodynamischen Maschine und der Antriebsmaschine auch erfolgt. Wenn diese Beschleunigung beispielsweise ein Zahnradgetriebe hinter der Antriebsmaschine erreicht, tritt das unerwünschte Zähneklappern auf.

Die Übertragung eines solchen negativen Drehmomentes von dem Primärrad auf das Sekundärrad, das heißt ein Leistungsfluss vom Sekundärrad auf das Primärrad, kann dadurch verhindert werden, dass man Maßnahmen ergreift, die dafür sorgen, dass die Drehzahl des Sekundärrades in keinem Betriebszustand größer ist als die Drehzahl des Primärrades. Dies wird dadurch erreicht, dass man in der hydrodynamischen Maschine einen möglichst großen Schlupf einstellt, beispielsweise durch eine entsprechende Begrenzung des Füllungsgrades des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium, so dass die Drehzahl des Primärrades im „normalen" Antriebszustand, das heißt wenn eine positive Antriebskraft von der Kolbenwelle auf den Kolben übertragen wird, deutlich größer als die Drehzahl des Sekundärrades ist. Dies führt jedoch zu einer stetigen hohen Verlustleistung, was unerwünscht ist.

Alternativ ist es möglich, die Schwungmassen auf der Antriebsseite der hydrodynamischen Maschine und/oder der Abtriebsseite der hydrodynamischen Maschine zu vergrößern, so dass deren Trägheit eine Drehmomentumkehr vermeidet. Dies ist jedoch insbesondere bei Anordnung der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Maschine beziehungsweise des entsprechenden Antriebsstranges in einem Kraftfahrzeug unerwünscht, da man hier für einen günstigen Kraftstoffverbrauch möglichst leichte Bauteile verwenden möchte.

Die Erfinder haben nun eine Möglichkeit erkannt, bei welcher die Verlustleistung gering ist und trotzdem eine negative Drehmomentübertragung sicher vermieden wird. Da nämlich der mittlere Wirkungsgrad der hydrodynamischen Maschine, insbesondere einer Turbokupplung, nicht vom momentanen Schlupf zwischen Primärrad und Sekundärrad (über dem Drehwinkel gesehen) sondern vom mittleren Schlupf (über dem Drehwinkel gesehen) abhängig ist, schlagen sie eine Maßnahme vor, die das Übertragungsverhalten der hydrodynamischen Maschine mit Bezug auf den Drehwinkel derart ändert, dass kurz vor Eintritt der negativen Beschleunigungsphase, das heißt kurz vor Eintritt des Zustandes, in welchem von der Arbeitsmaschine ein Drehmoment auf das Sekundärrad der hydrodynamischen Maschine übertragen wird, der Schlupf zwischen Primärrad und Sekundärrad möglichst groß ist, wohingegen er in der restlichen Phase der Drehperiode, das heißt über dem restlichen Bereich des Drehwinkels, möglichst gering ist, um den mittleren, den Wirkungsgrad bestimmenden Schlupf über einem Drehwinkel von 360 Grad möglichst gering zu halten.

Die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine weist einen mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum auf, in welchem ein Primärrad und ein Sekundärrad derart angeordnet sind, dass mittels eines in den Arbeitsraum gefüllten Arbeitsmediums Drehmoment von dem schneller drehenden Schaufelrad auf das langsam drehendere bzw. stehende Schaufelrad übertragen wird. Bei Ausbildung einer hydrodynamischen Maschine als hydrodynamische Kupplung oder als hydrodynamischer Wandler, wobei die hydrodynamische Maschine in einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang angeordnet ist, wird somit durch Ausbilden eines Strömungskreislaufes von Arbeitsmedium im Arbeitsraum Drehmoment von dem Primärrad auf das Sekundärrad und damit von der Antriebsmaschine auf die Arbeitsmaschine übertragen.

Das Primärrad ist zu diesem Zweck mit einer Eingangswelle verbunden, und das Sekundärrad, im Falle eines hydrodynamischen Wandlers oder einer hydrodynamischen Kupplung, mit einer Ausgangswelle.

Unter Drehmomentübertragung im Sinne der vorliegenden Erfindung vom Primärrad auf das Sekundärrad wird dabei sowohl die Übertragung eines positiven Drehmoments, das heißt eines Leistungsflusses vom Primärrad auf das Sekundärrad, als auch die Übertragung eines negativen Drehmoments, das heißt eines Leistungsflusses vom Sekundärrad auf das Primärrad, verstanden.

Die Größe des maximal übertragbaren Drehmomentes unabhängig von dem Leistungsfluss, das heißt der Betrag des maximal übertragbaren Drehmoments, ist sowohl von der Drehzahl des angetriebenen Schaufelrades, das heißt bei einer durch eine Antriebsmaschine angetriebenen Eingangswelle von der Drehzahl der Eingangswelle beziehungsweise des Primärrades, als auch von dem Füllungsgrad des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium abhängig. Ein hochgefüllter Arbeitsraum führt zu einer Übertragung eines großen Drehmoments, wohingegen ein nur teilweise gefüllter Arbeitsraum das maximal übertragbare Drehmoment begrenzt. Gleichfalls ermöglicht eine hohe Eingangsdrehzahl, das heißt Drehzahl der Eingangswelle, eine hohe Drehmomentübertragung, wohingegen bei einer geringeren Drehzahl auch das maximal übertragbare Drehmoment beschränkt ist. Allgemein gilt für eine hydrodynamische Kupplung bzw. einen hydrodynamischen Wandler, siehe beispielsweise das Taschenbuch für den Maschinenbau „Dubbel", Seiten R 50/R 51, 18 Auflage, Springer-Verlag, dass die Leistungsübertragung beziehungsweise Drehmomentübertragung durch die folgende Beziehung dargestellt wird:

wobei die Formelzeichen die folgende Bedeutung haben:

M_p:: Drehmoment des Pumpenrades (Primärrades)
P_p:: Leistung des Pumpenrades
D:: Hydraulischer Durchmesser (äußerer Durchmesser des Arbeitsmediumkreislaufs in der Arbeitskammer)
ρ:: Dichte des Arbeitsmediums
ω_P:: Winkelgeschwindigkeit des Pumpenrads

Die Leistungszahl Lambda ist dem Fachmann als dimensionslose Größe bekannt, welche die übertragbare Leistung einer hydrodynamischen Maschine in der Abhängigkeit ihrer Bauform und der genannten Betriebsgrößen beschreibt.

Aus der obenstehenden Formel ergibt sich für eine hydrodynamische Maschine mit einer vorgegebenen Bauform die Abhängigkeit des maximal übertragbaren Drehmoments beziehungsweise des Betrags des maximal übertragbaren Drehmoments von der Drehzahl der Eingangswelle (welche das Pumpenrad dreht, hier als Primärrad bezeichnet) und des Füllungsgrades des Arbeitsraums, welcher in die Variable ρ eingeht, wobei bei einem hohen Füllungsgrad ρ groß ist und bei einem geringen Füllungsgrad ρ entsprechend klein ist.

Die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine ist derart eingerichtet, dass der Betrag des maximal übertragbaren Drehmoments unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Eingangswelle und insbesondere des Füllungsgrades des Arbeitsraums periodisch veränderbar ist.

Wenn beispielsweise das Sekundärrad einer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführten hydrodynamischen Maschine über eine Ausgangswelle in einer Triebverbindung mit der Kolbenwelle eines Kolbenverdichters steht, ohne dass zwischen der Ausgangswelle und der Kolbenwelle ein Übersetzungsgetriebe angeordnet ist, so umfasst eine einzige Umdrehung des Sekundärrads einen Kolbenhubzyklus, das heißt der Kolben der Kolbenmaschine wird in seinem zugeordneten Zylinder einmal vollständig eingeschoben und wieder herausgezogen, wenn sich das Sekundärrad einmal vollständig um seine Achse dreht. Um kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes in der hydrodynamischen Maschine (Turbokupplung oder hydrodynamischer Wandler) das maximal übertragbare Drehmoment zu begrenzen, während es während des verbleibenden Restes des einmaligen Umlaufs des Sekundärrads möglichst hoch ist, wird das Übertragungsverhalten der hydrodynamischen Maschine, nämlich das maximal übertragbare Drehmoment, periodisch pro einmaligem Umlauf des Sekundärrades periodisch verändert. Insofern zwischen dem Sekundärrad und der Kolbenwelle, beziehungsweise allgemein der Arbeitsmaschine, ein Übersetzungsgetriebe angeordnet ist, kann die periodische Änderung des maximal übertragbaren Drehmoments auch pro vorgegebene Vielzahl von Umläufen des Sekundärrades beziehungsweise pro Teilumlauf des Sekundärrades ausgeführt werden.

Die periodische Veränderung des maximal übertragbaren Drehmoments unabhängig von den genannten Größen, beispielsweise unabhängig davon, dass die Eingangswelle mit einer sich periodischen ändernden Drehzahl angetrieben wird, der Füllungsgrad des Arbeitsraums periodisch verändert wird und/oder die Ausgangswelle periodisch von einer Arbeitsmaschine angetrieben wird, kann insbesondere mittels einer Steuervorrichtung ausgeführt werden, welche eine Vielzahl von Leitschaufeln im Strömungskreislauf zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad „auf- und zudreht", das heißt deren An- und/oder Abströmung mit Arbeitsmedium und/oder ihre Position relativ zu den Schaufeln des Primärrades und/oder des Sekundärrades verstellt.

Ferner ist es möglich, die Strömung im Arbeitsmediumkreislauf durch das periodische Einbringen und Herausnehmen eines strömungshindernden Elementes periodisch zu behindern, wobei das maximal übertragbare Drehmoment bei eingebrachtem Strömungshindernis geringer ist als bei nicht eingebrachtem Strömungshindernis.

Eine weitere Möglichkeit sieht die periodische Verstellung der Schaufeln von Primärrad und/oder Sekundärrad hinsichtlich ihres Anströmwinkels beziehungsweise hinsichtlich ihrer Neigung gegenüber einer achssenkrechten Ebene, bezogen auf die Drehachse, vor.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Achsabstand von Primärrad und Sekundärrad periodisch zu ändern.

Eine weitere Möglichkeit, alternativ oder zusätzlich zu den anderen beschriebenen Möglichkeiten, sieht vor, das Primärrad und/oder das Sekundärrad, insbesondere das Sekundärrad, schräg oder taumelnd auf einer Drehachse anzuordnen, so dass sich der Abstand eines Punktes auf einem äußeren Umfang des taumelnd angeordneten Schaufelrades gegenüber dem entgegengesetzt angeordneten Schaufelrad periodisch und insbesondere kontinuierlich ändert.

Schließlich ist es alternativ oder zusätzlich möglich, Primärrad und/oder Sekundärrad derart exzentrisch zu lagern, dass eine periodische Verstellung der radialen Position der beiden Schaufelräder zueinander im Betrieb der hydrodynamischen Maschine erfolgt.

Ferner ist die periodische Änderung von rheologischen Eigenschaften des Arbeitsmediums möglich, welche einen Einfluss auf das Übertragungsverhalten der hydrodynamischen Maschine, das heißt das maximal übertragbare Drehmoment, haben. Beispielsweise kann die Viskosität, welche in der oben stehenden Formel in die Dichte einfließt, des Arbeitsmediums geändert werden. Natürlich ist es auch möglich direkt die Dichte des Arbeitsmediums zu ändern.

Die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine bietet somit bei einer Verwendung in einem Antriebsstrang zwischen einer Antriebsmaschine und einem Kolbenkompressor den Vorteil, dass kurz vor Eintritt der negativen Beschleunigungsphase, das heißt der Phase, bei welcher das Sekundärrad durch den Kolbenverdichter angetrieben wird, der Schlupf, das heißt der Drehzahlunterschied, zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad, sehr groß ist, da das Übertragungsverhalten beziehungsweise das maximal übertragbare Drehmoment klein ist. Während der negativen Beschleunigungsphase, welche aus der Drehmomentumkehr herrührt; ist das Übertragungsverhalten beziehungsweise das maximal übertragbare Drehmoment gering, so dass eine Beschleunigung der Arbeitsmaschine vermieden wird. In der restlichen Phase einer Drehperiode ist das Übertragungsverhalten beziehungsweise das maximal übertragbare Drehmoment hoch, um den mittleren Schlupf, welcher den Wirkungsgrad bestimmt, möglichst gering zu halten.

Obwohl das maximal übertragbare Drehmoment gezielt unabhängig von einer Änderung bestimmter Größen, wie der Eingangsdrehzahl, des Füllungsgrades und/oder der Ausgangsdrehzahl der hydrodynamischen Maschine, veränderbar ist beziehungsweise verändert wird, ist es möglich das Ausmaß der Änderung des maximal übertragbaren Drehmoments in Abhängigkeit des Größenwertes dieser bestimmten Größen einzustellen. Beispielsweise kann eine periodische Verminderung des maximal übertragbaren Drehmoments in Abhängigkeit der Eingangsdrehzahl, des Füllungsgrades und/oder der Ausgangsdrehzahl erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit des momentan vorliegenden Wertes dieser Größen, im Unterschied zu der Abhängigkeit von der Änderung dieser Größen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich entsprechend der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Maschine bzw. des Antriebsstranges durch eine periodische Änderung des maximal übertragbaren Drehmoments unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Eingangswelle, des Füllungsgrades des Arbeitsraums mit Arbeitsmedium und/oder der Drehzahl der Ausgangswelle bzw. des Sekundärrads aus.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
1: einen Antriebsstrang mit einer hydrodynamischen Kupplung;
2: eine hydrodynamische Kupplung mit einem zusätzlichen Leitrad mit verstellbaren Leitschaufeln;
3: eine hydrodynamische Kupplung mit einem in den Strömungskreislauf einbringbaren strömungshindernden Element;
4: das Sekundärrad einer hydrodynamischen Kupplung mit verstellbaren Schaufeln;
5: eine hydrodynamische Kupplung mit einem exzentrisch gelagerten Sekundärrad.
In der 1 erkennt man eine Antriebsmaschine 10, beispielsweise die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem daran angeschlossenen Zahnradgetriebe 13. Die Antriebsmaschine 10 treibt über das Zahnradgetriebe 13 die Eingangswelle 4 der hydrodynamischen Maschine 11 an, wobei die hydrodynamische Maschine vorliegend als hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist.
Die Eingangswelle 4 steht in einer Triebverbindung mit dem Primärrad 2, welches eine Vielzahl von Schaufeln 2.1 aufweist. Durch die Rotationsbewegung des Primärrades 2 wird Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, Wasser oder ein Wassergemisch, in Richtung radial nach außen beschleunigt und tritt in das Sekundärrad 3 mit den Schaufeln 3.1 ein, in welchem es radial nach innen umgelenkt und verzögert wird, worauf es anschließend wieder in das Primärrad 2 strömt. Durch diesen Strömungskreislauf, welcher in dem torusförmigen Arbeitsraum 1 ausgebildet wird, wird Drehmoment vom Primärrad 2 auf das Sekundärrad 3 und somit die Ausgangswelle 8, welche das Sekundärrad 3 trägt, übertragen. Die Ausgangswelle 8 steht in einer Triebverbindung beziehungsweise ist integral mit einer Kolbenwelle ausgeführt, welche einen Hub auf den Kolben im Zylinder der Arbeitsmaschine 12, vorliegend ein Kolbenverdichter, ausübt.
In der 2 bis 5 erkennt man verschiedene, vorteilhafte Möglichkeiten erfindungsgemäßer Maßnahmen, um das maximal übertragbare Drehmoment beispielsweise der in der 1 dargestellten hydrodynamischen Kupplung periodisch zu ändern.
Gemäß der 2 ist ein Leitrad mit einer Vielzahl von verstellbaren Leitschaufeln 5 vorgesehen, welche im Strömungskreislauf zwischen dem Primärrad und dem Sekundärrad angeordnet sind. Man beachte, dass in der 2 nur eine. Hälfte des torusförmigen Arbeitsraums 1 dargestellt ist, in welchem sich der drehmomentübertragende Strömungskreislauf ausbildet, siehe die Pfeile. Die Leitschaufeln 5 sind hinsichtlich der Strömung zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 5 hindurch aufdrehbar und zudrehbar. Durch Zudrehen des Strömungsquerschnittes, aufgrund einer Verstellung der Leitschaufeln 5, wird das maximal übertragbare Drehmoment begrenzt.
In der 3 ist ein strömungshinderndes Element 6 angedeutet, welches in den Strömungskreislauf die Kreislaufströmung hindernd mittels einer Betätigungsvorrichtung 7 eingebracht werden kann.
In der 4 ist eine axiale Draufsicht, betrachtet aus dem Arbeitsraum auf das Sekundärrad 3 dargestellt, wobei der Doppelpfeil die Verstellbarkeit der Schaufeln 3.1 mittels einer nur schematisch dargestellten Betätigungsvorrichtung 7 andeuten soll.
In der 5 ist das Sekundärrad 3 auf einer kreisförmigen Drehscheibe exzentrisch positioniert. Die Drehscheibe ist wiederum drehbar derart exzentrisch gegenüber dem Primärrad 2 gelagert, dass in der dargestellten ersten Position 1 sich das Primärrad 2 und das Sekundärrad 3 axial miteinander fluchtend gegenüberstehen, wohingegen in der zweiten Position II des Sekundärrades 3, welche um 180° Grad gegenüber der ersten Position versetzt ist, das Sekundärrad 3 um einen maximalen radialen Abstand gegenüber dem Primärrad 2 versetzt ist.
Immer dann, wenn das Primärrad 2 und das Sekundärrad 3 axial miteinander fluchten, kann das größte Drehmoment übertragen werden, wohingegen bei dem in der Position II dargestellten maximal versetzten Zustand das maximal übertragbare Drehmoment am geringsten ist. In allen Zuständen zwischen diesen Extrempositionen 1, II kann ein entsprechendes Drehmoment übertragen werden, welches hinsichtlich seines Betrags zwischen dem genannten maximalen und minimalen Wert liegt, vorausgesetzt die übrigen Randbedingungen, wie beispielsweise der Füllungsgrad des Arbeitsraums und die Drehzahl der Eingangswelle, bleiben im wesentlichen oder vollständig unverändert.
Die in der Figuren dargestellten Maßnahmen zeigen nur einige Beispiele, um die erfindungsgemäße Maßnahme der periodischen Änderung des maximal übertragbaren Drehmomentes zu erreichen. Schließlich soll festgehalten werden, dass sowohl eine kontinuierliche Änderung des vorgegebenen maximal übertragbaren Drehmomentes, das heißt eine stetige Änderung zwischen einem minimalen maximal übertragbaren Drehmoment und einem maximal maximal übertragbaren Drehmoment, als auch eine diskrete Änderung, das heißt eine Änderung mit Sprungstellen, möglich ist.
Ferner können die gezeigten und weitere Maßnahmen, einzeln in Gruppen oder insgesamt miteinander kombiniert werden.

Claims

Hydrodynamische Maschine 1.1 mit einem mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum (1); 1.2 mit einer Eingangswelle (4); 1.3 mit einem im Arbeitsraum (1) angeordneten, beschaufelten Primärrad (2), das in einer Triebverbindung mit der Eingangswelle (4) steht oder schaltbar ist und mit Arbeitsmedium beaufschlagbar ist; 1.4 mit einem im Arbeitsraum (1) angeordneten, beschaufelten Sekundärrad (3), welches derart mit Arbeitsmedium beaufschlagbar und gegenüber dem Primärrad (2) positionierbar ist, dass mittels eines Strömungskreislaufes des Arbeitsmediums im Arbeitsraum (1) ein Drehmoment von dem Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) übertragen wird; wobei 1.5 die Größe des maximal übertragbaren Drehmoments von der Drehzahl der Eingangswelle (4) sowie dem Füllungsgrad des Arbeitsraumes (1) mit Arbeitsmedium abhängig ist; dadurch gekennzeichnet, dass 1.6 die hydrodynamische Maschine derart eingerichtet ist, dass der Betrag des maximal übertragbaren Drehmoments, umfassend sowohl ein positives Drehmoment als auch ein negatives Drehmoment, von dem Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Eingangswelle (4) periodisch veränderbar ist.
Hydrodynamische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine derart eingerichtet ist, dass der Betrag des maximal übertragbaren Drehmoments von dem Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) periodisch unabhängig von einer Änderung des Füllungsgrads des Arbeitsraumes (1) veränderbar ist.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine (11) eine hydrodynamische Kupplung oder ein hydrodynamischer Wandler ist und eine mit dem Sekundärrad (3) in einer Triebverbindung stehende Ausgangswelle (8) aufweist, und der Betrag des maximal vom Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) übertragbaren Drehmoments unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Ausgangswelle (8) periodisch veränderbar ist.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche derart eingerichtet ist, dass sie die Übertragung des maximal übertragbaren Drehmoments von dem Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Eingangswelle (4) und insbesondere unabhängig von einer Änderung des Füllungsgrads des Arbeitsraumes (1) periodisch ändert.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von verstellbaren Leitschaufeln (5) im Strömungskreislauf zwischen dem Primärrad (2) und dem Sekundärrad (3) vorgesehen ist, welche periodisch hinsichtlich ihrer An- und/oder Abströmung durch Arbeitsmedium und/oder ihrer Position relativ zu den Schaufeln des Primärrads (2) und des Sekundärrads (3) verstellbar sind.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein strömungshinderndes Element (6) und eine Betätigungsvorrichtung (7) vorgesehen sind, wobei die Betätigungsvorrichtung (7) derart mit dem strömungshindernden Element (6) verschaltet und eingerichtet ist, dass sie das strömungshindernde Element (6) periodisch strömungshindernd in den Strömungskreislauf hinein- und herausschaltet.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (2.1, 3.1) von wenigstens einem Schaufelrad, Primärrad (2) oder Sekundärrad (3), in ihrem Winkel gegenüber einer zur Drehachse oder Symmetrieachse achssenkrechten Ebene durch den Arbeitsraum (1) verstellbar sind, und eine Betätigungsvorrichtung (7) vorgesehen ist, welche derart eingerichtet und mit den verstellbaren Schaufeln (2.1, 3.1) verschaltet ist, dass sie die Stellung der Schaufeln (2.1, 3.1) periodisch ändert.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von Primärrad (2) und Sekundärrad (3) derart axial verschiebbar gelagert ist, und eine Betätigungsvorrichtung (7) vorgesehen ist, welche derart eingerichtet und mit dem verschiebbaren Schaufelrad verschaltet ist, dass sie den axialen Abstand zwischen dem Primärrad (2) und dem Sekundärrad (3) durch Verschiebung des verschiebbaren Schaufelrades periodisch ändert.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von Primärrad (2) und Sekundärrad (3) taumelnd auf einer Drehachse angeordnet ist, so dass sich der Abstand eines Punktes auf seinem äußeren Umfang gegenüber dem anderen Schaufelrad bei einem Umlauf periodisch und insbesondere kontinuierlich ändert.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von Primärrad (2) und Sekundärrad (3) gegenüber dem anderen Schaufelrad exzentrisch gelagert ist.
Hydrodynamische Maschine gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von Primärrad (2) und Sekundärrad (3), insbesondere das Sekundärrad (3), derart exzentrisch, insbesondere auf einer Drehscheibe, gelagert ist, dass sich die Exzentrizität des Schaufelrads, insbesondere des Sekundärrads (3), bei einem Umlauf kontinuierlich zwischen einer ersten Position, in welcher das Primärrad (2) und das Sekundärrad (3) sich konzentrisch gegenüberstehen, und einer zweiten Position, welche hinsichtlich ihres Drehwinkels um 180 Grad gegenüber der ersten Position versetzt ist, in welcher sich das Primärrad (2) und das Sekundärrad (3) in einem maximalen radialen Abstand exzentrisch gegenüberstehen, ändert.
Hydrodynamische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche rheologische Eigenschaften des Arbeitsmediums periodisch ändert.
Hydrodynamische Maschine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, insbesondere eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes im Arbeitsraum, welche die Viskosität des Arbeitsmediums periodisch ändert.
Antriebsstrang mit einer Antriebsmaschine (10) und einer Arbeitsmaschine (12), welche in eine Triebverbindung miteinander geschaltet oder schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Triebverbindung eine hydrodynamische Maschine (11) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 angeordnet ist, wobei die hydrodynamische Maschine (11) als hydrodynamische Kupplung oder als hydrodynamischer Wandler ausgebildet ist, und die Eingangswelle (4) in einer Triebverbindung mit der Antriebsmaschine (10) steht oder in eine solche schaltbar ist, und das Sekundärrad (3) in einer Triebverbindung mit einer Ausgangswelle (8) steht, welche wiederum in einer Triebverbindung mit der Arbeitsmaschine (12) steht oder in eine solche schaltbar ist.
Antriebsstrang gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (12) ein Kolbenverdichter und die Antriebsmaschine (10) insbesondere ein Verbrennungsmotor ist, wobei in die Triebverbindung zwischen der Antriebsmaschine (10) und der hydrodynamischen Maschine (11) insbesondere ein Zahnradgetriebe (13) eingebracht ist.
Verfahren zum Antreiben einer Arbeitsmaschine (12) mittels einer Antriebsmaschine (10), welche in einem Antriebsstrang gemäß Anspruch 14 oder Anspruch 15 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des maximal vom Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) übertragbaren Drehmoments, umfassend sowohl ein positives als auch ein negatives Drehmoment, unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Eingangswelle (4) periodisch verändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des maximal vom Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) übertragbaren Drehmoments unabhängig von einer Änderung des Füllungsgrads des Arbeitsraumes (1) periodisch verändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Maschine (11) eine hydrodynamische Kupplung oder ein hydrodynamischer Wandler ist und eine mit dem Sekundärrad (3) in einer Triebverbindung stehende Ausgangswelle (8) aufweist, und der Betrag des maximal vom Primärrad (2) auf das Sekundärrad (3) übertragbaren Drehmoments unabhängig von einer Änderung der Drehzahl der Ausgangswelle (8) periodisch verändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (5) periodisch verstellt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungshindernde Element (6) periodisch strömungshindernd in den Strömungskreislauf hinein und heraus geschaltet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung der Schaufeln (2.1, 3.1) periodisch geändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand zwischen dem Primärrad (2) und dem Sekundärrad (3) durch Verschieben des verschiebbaren Schaufelrades periodisch geändert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine rheologische Eigenschaft des Arbeitsmediums periodisch geändert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 23 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Arbeitsmediums, insbesondere durch periodische Veränderung der Stärke des Magnetfeldes, periodisch geändert wird.