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Die
Erfindung betrifft ein Schaufelrad für eine hydrodynamische Maschine,
insbesondere für
einen hydrodynamischen Retarder oder eine hydrodynamische Kupplung,
das heißt
ein Retarderschaufelrad oder ein Kupplungsschaufelrad. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen von solchen Schaufelrädern.
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Schaufelräder von
hydrodynamischen Maschinen sind dem Fachmann bekannt. Sie weisen eine
Schaufelradschale und eine Vielzahl von in Radialrichtung verlaufenden
Schaufeln auf. Die Schaufelradschale bildet einen Sektor oder insbesondere eine
Hälfte
eines in Umfangsrichtung des Schaufelrades geschlossenen Ringraumes
aus, in welchen die Schaufeln eingebracht sind, so dass sie sich
ausgehend von ihrem hinteren Ende, das am Schaufelradboden angeordnet
ist, das heißt
im axial hinteren beziehungsweise inneren Bereich des Ringraumes,
bis zu ihrem vorderen Ende, welches an der vorderen freien Öffnung des
Ringraumes mündet,
erstrecken.
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Zwei
in Axialrichtung gegenüberstehend
angeordnete Schaufelräder
bilden somit einen geschlossenen Ringraum beziehungsweise torusförmigen Arbeitsraum
einer hydrodynamischen Maschine aus, welcher zur Drehmomentübertragung
von einem Schaufelrad auf das andere mit einem Arbeitsmedium befüllbar ist.
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Die
Schaufelräder
von solchen hydrodynamischen Maschinen wie Kupplungen und Retardern können aus
unterschiedlichen Werkstoffen und durch verschiedene Fertigungsverfahren
hergestellt werden, deren Auswahl sich nach den physikalischen (Festigkeits-)
und chemischen (Beständigkeits-)
Anforderungen sowie der erforderlichen zu fertigenden Stückzahl richtet.
Je nach Gestaltung der Schaufelräder
sind jedoch die Auswahl der Werkstoffe sowie des Fertigungsverfahrens
beschränkt.
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Wenn
beispielsweise ein Schaufelrad mit einer sogenannten geraden Beschaufelung
ausgeführt wird,
wie sie schematisch in der 1 dargestellt
ist, so kann dieses Schaufelrad durch verschiedenste Verfahren hergestellt
werden, beispielsweise durch Fräsen,
Zusammenschweißen
von Blechen oder einstückigem
Gießen.
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Wie
man in der 1 erkennen
kann, versteht der Fachmann unter einer geraden Beschaufelung die
senkrechte Anordnung der Schaufeln 2 in dem Ringraum 3 auf
dem Schaufelradboden 4, das heißt mit einem Winkel α von 90°. Links in
der 1 ist eine Draufsicht
auf den Ringraum 3 in Axialrichtung des Schaufelrads dargestellt,
wohingegen rechts ein Schnitt durch die Schaufeln 2 in
Umfangsrichtung dargestellt ist.
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Wenn
hingegen das Schaufelrad mit einer schrägen Beschaufelung ausgeführt ist,
wie dies schematisch in der 2 dargestellt
ist, wobei die Bezugszeichen entsprechender Bauteile mit jenen der 1 übereinstimmen, so ist die Anzahl
der zur Herstellung des Schaufelrads verfügbaren Fertigungsverfahren
gegenüber
Schaufelrädern
mit gerader Beschaufelung beschränkt.
Aufgrund dessen, dass die Schaufeln 2 im Ringraum 3 schräg auf dem Schaufelradboden 4 angeordnet
sind, das heißt
zwischen den Schaufeln 2 und dem Schaufelradboden 4 ein
spitzer Winkel α zwischen
0 und 90° (wobei
die Grenzwerte nicht eingeschlossen sind) und ein stumpfer Winkel β zwischen
90 und 180° (wobei
die Grenzwerte nicht eingeschlossen sind) ausgebildet sind, und
sich die aneinander angrenzenden Winkel α und β auf jeder Seite der gezeigten
Mittellinie einer jeden Schaufel (die in der gezeigten Ausführung dem linienförmigen Querschnitt
einer unendlich dünnen Schaufel
entspricht) zu 180° addieren,
galt bisher die einstückige
Herstellung des Schaufelrads im Druckgussverfahren mangels Entformbarkeit
zwischen dem Druckgusswerkzeug und dem Schaufelrad nach dem Gießen als
unmöglich
beziehungsweise war nur mit einem sehr aufwendigen Druckgusswerkzeug
mit einer großen
Anzahl von Schiebern vorstellbar, wobei letzteres eine wirtschaftliche
Herstellung nicht zulässt.
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Die
Herstellung von einem Schaufelrad mit einer schrägen Beschaufelung, wie sie
die vorliegende Erfindung betrifft, war daher bisher auf zerspanende
Herstellungsverfahren beziehungsweise auf Herstellungsverfahren
durch Zusammensetzen einzelner Bauteile beschränkt. Solche Herstellungsverfahren
sind jedoch, insbesondere wenn eine große Stückzahl von Schaufelrädern mit
denselben Abmaßen
hergestellt werden sollen, verhältnismäßig teuer, so
dass man trotz schlechterem strömungstechnischem
Wirkungsgrad bei großen
Stückzahlen
häufig auf
gerade beschaufelte Schaufelräder
zurückgegriffen
hat, welche auch durch Gießen,
insbesondere Druckgießen,
einstückig
herstellbar waren.
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Das
Dokument
DE 10 94 112
A beschreibt eine hydrodynamische Kupplung mit schräggestellten
Schaufeln, wobei die Schaufeln als zur Schalenachse schraubenförmig verwundene
Flächen
mit konstanter Steigung ausgebildet sind. Hierdurch sind die Schaufeln
radial außen
stärker
geneigt als radial innen. Dadurch ist es möglich, die Schaufeln einstückig zu
gießen
und die Kokille durch eine Schraubenbewegung auszuziehen. Allerdings
werden durch die vorgeschlagene Form die Schaufeln im radial äußeren Bereich
schlanker als im radial inneren Bereich, so dass, um die Schaufeln
im radial äußeren Bereich ausreichend
stark auszuführen,
die Schaufeln im radial inneren Bereich unnötig dick sind.
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Zum
weiteren Stand der Technik wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaufelrad für eine hydrodynamische
Maschine und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Schaufelrads anzugeben, wobei das Schaufelrad durch Druckgießen und
anschließendes Entformen,
insbesondere ohne Zerstörung
des Druckgusswerkzeugs, hergestellt werden kann. Insbesondere soll
dabei ein kostengünstig
herstellbares Druckgusswerkzeug verwendbar sein, vorteilhaft zur Herstellung
einer Vielzahl von Schaufelrädern,
und der strömungstechnische
Wirkungsgrad der hergestellten Schaufeln soll durch die Art der
Ausführung einer
Schrägbeschaufelung
optimiert sein.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Schaufelrad mit den Merkmalen von Anspruch 1 und
ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das
erfindungsgemäße Schaufelrad,
welches insbesondere als Retarderschaufelrad oder als Kupplungsschaufelrad
eines hydrodynamischen Retarders beziehungsweise einer hydrodynamischen Kupplung
ausgeführt
ist, umfasst eine Schaufelradschale und eine Vielzahl von in Radialrichtung
verlaufenden Schaufeln. Dabei soll die Beschreibung „in Radialrichtung verlaufende
Schaufeln" im Sinne
der vorliegenden Erfindung nicht nur ausschließlich in Radialrichtung verlaufende
Schaufeln umfassen, sondern auch solche Schaufeln, die im wesentlichen in
Radialrichtung verlaufen, aber zugleich in eine andere Richtung,
beispielsweise in Umfangsrichtung, gekrümmt sind. Gemäß einer
vorzuziehenden Ausführung
der Erfindung sind jedoch zumindest die vorderen Enden der einzelnen
Schaufeln geradlinig in Radialrichtung des Schaufelrads verlaufend
ausgeführt.
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Zwei
axial entgegenstehend zueinander angeordnete, erfindungsgemäß ausgeführte Schaufelräder bilden
einen torusförmigen
Arbeitsraum miteinander aus, in welchem die Schaufeln angeordnet sind.
Ein Axialschnitt durch den Arbeitsraum weist beispielsweise genau
oder im wesentlichen eine Kreisform auf. Dementsprechend bildet
die Schaufelradschale eines erfindungsgemäßen Schaufelrades einen Sektor
oder eine Hälfte
eines in Umfangsrichtung geschlossenen Ringraumes aus, in welchem
die Schaufeln derart eingebracht sind, dass sie sich von einem Schaufelradboden,
in welchem die Schaufeln mit ihrem hinteren Ende in die Schaufelradschale übergehen,
bis zu dem freien Ende des Ringraumes, an welchem die Schaufeln
mit ihrem vorderen Ende stirnseitig münden, erstrecken.
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Das
erfindungsgemäße Schaufelrad
ist dabei mit einer schrägen
Beschaufelung ausgeführt, das
heißt
die Schaufeln sind in einem (abgewickelten) Schnitt in Umfangsrichtung
durch die Schaufeln gesehen derart schräggestellt gegenüber dem Schaufelradboden
beziehungsweise auf dem Schaufelradboden angeordnet, dass sich zwischen
einer Mittellinie durch die Schaufeln, welche sich imaginär insbesondere
dadurch ergibt, dass die Schaufeln theoretisch unendlich dünn ausgeführt sind,
und dem Schaufelradboden auf der einen Seite der Mittellinie ein
spitzer Winkel und auf der entgegengesetzten Seite der Mittellinie
ein stumpfer Winkel ergibt, wobei die Winkel, da sie bis zur unendlich
dünnen
Mittellinie reichen, derart aneinander angrenzen, dass sie sich bei
einem in Umfangsrichtung ebenen oder im wesentlichen ebenen Schaufelradboden
(zumindest auf der Innenseite des Ringraumes) zu einem Winkel von 180° addieren.
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Erfindungsgemäß sind die
Schaufeln und die Schaufelradschale einstückig druckgegossen, und die
Schaufeln sind um eine in Radialrichtung verlaufende Achse des Schaufelrads
derart verwunden, wobei diese Achse beispielsweise auf der mittleren Höhe zwischen
dem Schaufelradboden und dem vorderen freien Ende des Ringraumes
beziehungsweise der Ringraumhälfte
verläuft,
dass ein bündig
an entgegengesetzten, einander zugewandten Oberflächen jeweils
zweier in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneter Schaufeln
anliegender und den Zwischenraum zwischen diesen Schaufeln im wesentlichen
oder vollständig
füllender
Gießkern durch
eine Schraubbewegung des Gießkerns und/oder
des Schaufelrads um die Drehachse des Schaufelrads herausnehmbar
ist. Der Gießkern
ist dabei insbesondere einstückig
ohne eine Zerstörung desselben
beziehungsweise ohne eine Verformung beziehungsweise ohne eine bleibende
Verformung herausnehmbar. Die Drehachse des Schaufelrads ist jene
Mittelachse, die in Axialrichtung durch den Mittelpunkt des Schaufelrads
verläuft,
und um welche sich das Schaufelrad im Betrieb dreht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines hydrodynamischen Schaufelrads, insbesondere
einer hydrodynamischen Kupplung oder eines hydrodynamischen Retarders,
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des Schaufelrads und
die Schaufelradschale zusammen einstückig im Druckgussverfahren
bei Verwendung eines Druckgusswerkzeuges mit einem Gießkern, wobei
der Gießkern
durchaus aus mehreren miteinander fest verbundenen Einzelstücken bestehen
kann, hergestellt werden, und nach der Herstellung des Schaufelrads
das Druckgusswerkzeug und das Schaufelrad durch eine Schraubbewegung
des Werkzeugs und/oder des Schaufelrads um die Drehachse des Schaufelrads
voneinander getrennt werden.
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Insbesondere
erfolgt das Trennen beziehungsweise die Entformung des Schaufelrads
und des Werkzeugs derart, dass keine Zerstörung und/oder keine Verformung
beziehungsweise dauerhafte Verformung des Werkzeugs beziehungsweise seines
Gießkerns
und des Schaufelrads erfolgt.
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Das
Druckgusswerkzeug kann beispielsweise durch Fräsen und/oder Erodieren oder
auch andere spanabhebende Verfahren hergestellt werden, insbesondere
indem ein Negativ des zu gießenden Schaufelrads
hergestellt wird. Auch eine Herstellung durch Laserschneiden kommt
in Betracht. Besonders vorteilhaft wird das hergestellte Druckgusswerkzeug zur
Herstellung einer Vielzahl von Schaufelrädern verwendet.
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Abweichend
von einer herkömmlich
ausgeführten
Beschaufelung eines hydrodynamischen Schaufelrads sind die Schaufeln
gemäß der Erfindung
mit einer nicht ebenen seitlichen Schaufelfläche aufgrund der Verwindung
in Radialrichtung ausgeführt.
Hierdurch kann neben der Drehentformbarkeit des Schaufelrads beim
Druckgussverfahren zugleich eine Maximierung des Volumens des Arbeitsraums, das
heißt
des nicht durch die Schaufeln besetzten Anteils des Ringraumes erreicht
werden, was im Vergleich zum Stand der Technik bei einer schrägen Beschaufelung
zu einem erheblich verbesserten Wirkungsgrad führt. Besonders kann durch die
erfindungsgemäß vorgesehene
Verwindung erreicht werden, dass die Schaufeln im radial äußeren Bereich mit
einer geringeren Steigung als im radial inneren Bereich ausgeführt sind.
Das bedeutet, dass bei einem Einsatz von einem oder insbesondere
zwei erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelrädern im
radial äußeren Bereich
die Schaufeln zweier Räder stärker spießend zueinander
angeordnet sind, was zu einer schnelleren Strömung des Arbeitsmediums in
diesem Bereich führt.
Gleichzeitig ist der Strömungskanal
im radial inneren Bereich der Beschaufelung gegenüber herkömmlichen
Ausführungen
erweitert, was sich besonders günstig
auswirkt, da gerade in diesem radial inneren Bereich der Strömungskanal
bisher vergleichsweise eng war.
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Somit
kann durch die Erfindung eine optimale hydrodynamische Übertragungsfähigkeit
einer maximalen Menge von Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf
erreicht werden, da der Volumenanteil, der von den Schaufeln selbst
eingenommen wird, minimal ist.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand der 3 bis 7 exemplarisch
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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Die 1 u. 2 Prinzipskizzen
zum Erläutern
des Unterschiedes zwischen einer geraden und einer schrägen Beschaufelung;
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3 eine
dreidimensionale schematische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Schaufelrads;
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4 eine
schematische Darstellung eines Axialschnitts durch ein erfindungsgemäß ausgeführtes Schaufelrad;
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5–7 die
Entwicklung einer geometrischen Beschreibung des Schaufelprofils
eines erfindungsgemäßen Schaufelrads
anhand von jeweils einem Schnitt in Umfangsrichtung durch die Beschaufelung
beziehungsweise eine Abwicklung eines achskonzentrischen Schnittes
am radial inneren Ende der Schaufeln und einem entsprechenden Schnitt
am radial äußeren Ende
der Schaufeln.
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In
den 3 und 4 erkennt man die Schaufeln 2 eines
Schaufelrads, die bis auf den Bereich entlang eines freien vorderen
Endes 6 von der Schaufelradschale 1 vollständig umschlossen
werden. Die Schaufeln 2 sind dabei in einen im Axialschnitt
durch das Schaufelrad im wesentlichen halbkreisförmigen Ringraum 3 eingesetzt,
der durch die Schaufelradschale 1 gebildet wird. Im axial
hinteren Bereich (rechts in der 4) beziehungsweise
am weitesten innen im Ringraum 3 bildet die Schaufelradschale 1 den
sogenannten Schaufelradboden 4 aus, auf welchem die Schaufeln 2 schrägstehend
angeordnet sind. Die Schaufeln 2 gehen dabei mit ihrem
hinteren Ende 5 in den Schaufelradboden beziehungsweise
die Schaufelradschale 1 über. An ihrem vorderen Ende 6 schließen die
Schaufeln 2 entlang der Öffnungsfläche des Ringraums 3 bündig mit
der Schaufelradschale 1 ab.
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Radial
innen an die Schaufeln 2 angrenzend ist ein kreisförmiger Ring 7 in
Umfangsrichtung im Schaufelrad ausgebildet, welcher ebenfalls bündig mit
dem vorderen Ende 6 der Schaufeln 2 abschließt. Radial
außerhalb
der Schaufeln 2 und angrenzend an diese ist ein äußerer kreisförmiger Ring 8 in
Umfangsrichtung in der Schaufelradschale 1 ausgebildet,
welcher ebenfalls bündig
mit dem vorderen Ende 6 der Schaufeln 2 abschließt. Der äußere Ring 8 weist
insbesondere eine geringere Wandstärke als der innere kreisförmige Ring 7 auf,
beispielsweise dieselbe Wandstärke
wie der Schaufelradboden 4.
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Alle
beschriebenen und dargestellten Teile des Schaufelrads sind vorteilhaft
einstückig
durch Druckgießen,
insbesondere in einem einzigen Gießschritt, hergestellt.
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Das
radial innerste Ende der Schaufeln 2 ist mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet,
wohingegen das radial äußerste Ende
einer jeden Schaufel 2 mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet
ist.
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Anhand
der 5 bis 7 soll nun nachgehend eine erfindungsgemäße geometrische
Dickenausgestaltung beziehungsweise Verwindung in Radialrichtung
der Schaufeln 2 entwickelt werden. In jeder der genannten
Figuren sind links die Verhältnisse
im radial inneren Bereich der Schaufeln 2, insbesondere am
radial innersten Ende 9, und rechts die Verhältnisse
im radial äußeren Bereich,
insbesondere am radial äußersten
Ende 10 der Schaufeln 2, dargestellt. Wie man
sieht, weisen die Schaufeln am radial inneren Ende eine geringere
Steigung P als am radial äußeren Ende
auf. Die Steigung P ergibt sich durch die Höhe h, über welche sich jede Schaufel 2 beginnend am
Schaufelradboden 4 bis zu ihrem vorderen freien Ende 6 erstreckt,
dividiert durch die Breite b des Schaufelradbodens, über welche
sich jede Schaufel 2 in einer Draufsicht über den
Schaufelradboden 4 erstreckt. Die Breite b ist die Kreisbogenlänge, beziehungsweise
die abgewickelte Länge
der Breite.
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Die
Steigung jeder Schaufel 2 kann ferner durch den eingetragenen
spitzen Winkel α zwischen dem
Schaufelradboden und der Schaufel 2 ausgedrückt werden,
wobei der Index a für
die Verhältnisse am
radial äußeren Ende
jeder Schaufel 2 steht, und der Index i für die Verhältnisse
am radial inneren Ende jeder Schaufel 2.
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Der
zugehörige
stumpfe Winkel β zwischen der
Schaufel 2 und dem Schaufelradboden 4 ist nur in
der linken Darstellung in der 5 eingetragen.
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Wie
man sieht, ist der spitze Winkel αi am radial innersten Ende der Schaufeln 2 am
größten, und der
spitze Winkel αa ist am radial äußersten Ende der Schaufeln 2 am
kleinsten. Insbesondere nimmt dieser Winkel α stetig in Radialrichtung von
innen nach außen
ab.
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In
der 5 ist ein Querschnitt durch eine Schaufel 2 dargestellt,
welche eine sehr geringe Dicke aufweist. In der Praxis sind jedoch
in der Regel aufgrund von Festigkeitsanforderungen größere Dicken
der Schaufeln 2 erforderlich, so dass beidseits der Mittellinie
M durch eine solche Schaufel 2 zusätzliches Material vorgesehen
ist. In der 6 ist dieses zusätzliche
Material durch die beiden parallelen Linien zu der Mittellinie M
begrenzt dargestellt, wobei auf jeder Seite der Mittellinie M eine
konstante Materialdicke B vorgesehen ist. Auf der Rückseite jeder Schaufel 2 vorgesehenes
Material weist die Dicke BR auf, wohingegen
das Material auf der Vorderseite jeder Schaufel die konstante Materialdicke
Bv aufweist. Beide Dicken BR und
Bv sind identisch. Die Vorderseite einer
Schaufel ist jene Seite, die bei einer Draufsicht auf das Schaufelrad
in den Ringraum 3 erkennbar ist, wohingegen die Rückseite
einer jeden Schaufel verdeckt hinter der Schaufel liegt.
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Wie
man in der 6 erkennen kann, sind die Materialdicken
BR und Bv im radial äußersten
Bereich jeder Schaufel 2 und im radial innersten Bereich jeder
Schaufel 2 jeweils konstant vom Schaufelradboden 4 bis
zum vorderen Ende 6 der Schaufeln 2 ausgeführt. Bei
der gezeigten Ausführung
sind diese konstanten Materialdicken zudem im radial innersten Bereich
und im radial äußersten
Bereich identisch. Gemäß einer
Ausführung
sind diese Dicken über
der gesamten radialen Erstreckung jeder Schaufel identisch. Gemäß einer
alternativen Ausführung
variieren diese Dicken in Radialrichtung der Schaufeln, beispielsweise
sind sie im radial innersten Bereich und/oder im radial mittleren
Bereich größer als
im übrigen
Bereich ausgeführt.
Der radial mittlere Bereich kann beispielsweise die radiale geometrische
Mitte der Schaufeln 2 sein, das heißt auf dem mittleren Radius
zwischen dem radial innersten Ende 9 und dem radial äußersten
Ende 10 der Schaufeln 2 liegen. Alternativ kann
der mittlere Bereich auch auf jenem Radius liegen, welcher die Ringfläche zwischen
dem radial innersten Ende 9 der Schaufeln 2 und
dem radial äußersten
Ende 10 der Schaufeln 2 halbiert.
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Wie
in der 7 gezeigt ist, ist zusätzlich zu der in der 6 beschriebenen
Dicke B weiteres Material auf jeder Schaufel 2 vorgesehen.
Dabei ist zusätzlich
zu der Materialdicke B aus der 6 auf jeder
Seite der Mittellinie M ein keilförmiges Materialstück K vorgesehen,
um eine Aushebeschräge
auszubilden. Jedes keilförmige
Materialstück
K bildet mit der äußeren Begrenzungsfläche der
zusätzlichen Materialdicke
B einen Aushebeschrägenwinkel δ aus, wobei
die Dicke des keilförmigen
Materialstückes
am vorderen Ende 6 jeder Schaufel 2 Null und am
hinteren Ende jeder Schaufel 2, das heißt am Schaufelradboden 4, maximal
ist. Bei der gezeigten Ausführung
sind die Aushebeschrägenwinkel δ auf beiden
Seiten der Schaufeln 2 identisch, und zudem sind sie im
radial innersten Bereich und im radial äußersten Bereich der Schaufeln 2,
insbesondere in Radialrichtung vom radial innersten Bereich bis
zum radial äußersten
Bereich, identisch. Alternativ können
auf den beiden Seiten jeder Schaufel 2 verschiedene Aushebeschrägenwinkel δ ausgeführt sein und/oder über der
radialen Erstreckung jeder Schaufel 2.
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Der
Aushebeschrägenwinkel δ kann beispielsweise
im Bereich von 0,5° bis
2,5° liegen,
insbesondere im Bereich von 1° bis
2°, insbesondere 1,5° betragen.
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Im
Hinblick auf ein möglichst
großes
Strömungsvolumen
für Arbeitsmedium
im Arbeitsraum wird der Winkel der Aushebeschräge möglichst klein gehalten, insbesondere
auch unter 0,5°,
sofern die gießtechnischen
Anforderungen dies zulassen.