DE102009019587A1

DE102009019587A1 - Hydrodynamische Komponente und Kraftübertragungsvorrichtung mit einer hydrodynamischen Komponente

Info

Publication number: DE102009019587A1
Application number: DE102009019587A
Authority: DE
Inventors: Eugen Kombowski
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-11-19
Also published as: US8359850B2; US20090282821A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Komponente, umfassend zumindest zwei miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bildende Schaufelräder, die jeweils eine von einer Schale gestützte Beschaufelung aufweisen, wobei zumindest eines der Schaufelräder im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes frei von der Stützung der Wand ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes Mittel zur Strömungsführung im Bereich der fehlenden Schalung vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftübertragungsvorrichtung mit einer hydrodynamischen Komponente.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Komponente, umfassend zumindest zwei miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bildende Schaufelräder, die jeweils eine Schale aufweisen, welche die einzelnen Schaufeln über einen Bereich abstützt, wobei zumindest eines der Schaufelräder im in radialer Richtung inneren Endbereich der einzelnen Schaufeln frei von einer Abstützung der Schaufeln durch die Schale ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kraftübertragungsvorrichtung zur Leistungsübertragung zwischen einem antriebsseitigen und einem abtriebsseitigen Bauelement, umfassend einen Eingang und einen Ausgang und einer zwischen diesen angeordneten hydrodynamischen Komponente.
Hydrodynamische Komponenten sind in unterschiedlichen Ausführungen für eine Vielzahl von Anwendungsfällen bekannt. Diese werden häufig in Kraftübertragungsvorrichtungen in Form kombinierter Anfahr- und Überbrückungseinheiten in Kraftfahrzeugen oder in stationären Anlagen eingesetzt. Die hydrodynamische Komponente kann dabei als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler, umfassend ein bei Kopplung mit dem Eingang der Kraftübertragungsvorrichtung als Pumpenrad fungierendes erstes Schaufelrad und ein als Turbinenrad fungierendes und mit dem Abtrieb gekoppeltes weiteres Schaufelrad sowie zumindest ein dazwischen angeordnetes Leitrad umfassen. Eine Drehzahlwandlung bedingt dabei auch immer eine Drehmomentwandlung. Demgegenüber sind auch Ausführungen bekannt, die lediglich eine hydrodynamische Komponente mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad in Form einer hydrodynamischen Kupplung aufweisen und damit lediglich zur Drehzahlwandlung geeignet sind. Die einzelnen Schaufelräder sind durch eine Beschaufelung charakterisiert, die in einer ringförmigen Schale angeordnete und sich mit zumindest einer Richtungskomponente in radialer Richtung erstreckende Schaufeln umfasst. Die Schalengeometrie ist derart ausgeführt, dass diese zum einen die Schaufeln bei Ausbildung des torusförmigen Arbeitsraumes abstützt und ferner auch einen Anschluss an Anschlusselemente, insbesondere die Getriebeausgangswelle, ermöglicht. Insbesondere bei Ausbildung der Schalen als Blechformbauteile sind diese häufig durch eine stark getopfte Ausführung charakterisiert, die im Bereich des Innendurchmessers des Arbeitsraumes zu einer starken Einschnürung der Schale führt, was eine starke Schwächung in diesem Bereich, der jedoch wiederum wesentlich für die Kraftübertragung ist, da über diesen auch die Kraftübertragung erfolgt, bedingt. Ein wesentliches Problem besteht häufig darin, dass zur Anbindung an die mit der Getriebeeingangswelle verbun dene Abtriebsnabe der Übergang zwischen dem Turbinenrad und der Abtriebsnabe entsprechend auszugestalten ist, was eine entsprechend geformte Turbinenradschale bedingt. Der schaufeltragende Bereich in radialer Richtung wird dadurch nach innen hin relativ stark verkürzt, da die Turbinenradschale in diesem Bereich nicht mehr der Torusform folgt, sondern möglichst gerade oder mit einer speziellen Formgebung zur Anbindung an die Abtriebsnabe ausgeführt ist. Durch diese Ausgestaltung werden relativ große Spalte im Übertritt zwischen dem Leitrad und dem Turbinenrad erzeugt. Werden die Schaufeln jedoch weitestgehend in Richtung Leitrad gezogen und die Spalte damit möglichst gering gehalten, erfolgt im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes keinerlei Abstützung der Strömungsführung im Arbeitsraum mehr, da die in radialer Richtung inneren Schaufelenden frei von einer Abstützung sind und einen Strömungsübertritt ermöglichen. Damit werden insbesondere bei hydrodynamischer Leistungsübertragung zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad über das Leitrad starke Strömungsabrisse erzeugt, welche für die Betriebsweise unerwünscht sind und zu instabilen Situationen führen können. Diese müssen mit anderen Maßnahmen wiederum ausgeglichen werden, was zu einem erhöhten konstruktiven und mitunter auch steuerungstechnischen Aufwand führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Komponente der eingangs genannten Art, insbesondere für den Einsatz in Kraftübertragungsvorrichtungen derart weiterzuentwickeln, dass die genannten Nachteile vermieden werden, wobei eine beliebige Anschlusskonfiguration für das jeweilige Schaufelrad, insbesondere das Turbinenrad möglich sein soll.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße hydrodynamische Komponente, umfassend zumindest zwei miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bildende Schaufelräder, die jeweils eine Schale aufweisen, welche die einzelnen Schaufeln über einen Bereich abstützt, wobei zumindest eines der Schaufelräder im in radialer Richtung inneren Endbereich der einzelnen Schaufeln frei von einer Abstützung der Schaufeln durch die Schale ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass diesem im in radialer Richtung inneren und von einer Abstützung durch die Schale freien Endbereich der einzelnen Schaufeln Mittel zur Strömungsführung zugeordnet sind.
Unter Arbeitsraum im Sinne der Erfindung wird dabei der Raum verstanden, der durch die Schaufelgeometrie der einzelnen Beschaufelungen, insbesondere deren Außenumfang bezo gen auf den durch die Beschaufelung gebildeten Torus charakterisiert ist. Der Torus ist dabei in radialer Richtung betrachtet durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser beschreibbar. Der Innendurchmesser entspricht den in Einbaulage der Beschaufelung betrachtet radial innen in Richtung zur Rotationsachse weisenden Schaufelenden, während der Außenumfang durch die in radialer Richtung äußeren Schaufelenden beschreibbar ist.
Der in radialer Richtung innere Endbereich der einzelnen Schaufeln entspricht dem in radialer Richtung im torusförmigen Arbeitsraum innen liegenden Bereich der einzelnen Schaufel. Die in den Arbeitsraum weisende Seite der Schaufel wird als Schaufeloberseite und die sich an der Schale abstützende Seite als Schaufelgrund oder Schaufelunterseite bezeichnet. Die in Umfangsrichtung weisenden Schaufelseiten bilden je nach Anströmung Schaufelvorder- und Schaufelrückseiten.
Die erfindungsgemäße Zuordnung von Mitteln zur Strömungsführung im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes in Anpassung an die Schaufelgeometrie im nicht von der jeweiligen Schale gestützten Bereich der Beschaufelung bietet den Vorteil, dass unabhängig von der Ausgestaltung der Geometrie einer zur Beschaufelung gehörigen Schale, insbesondere zur Realisierung eines Verbindungs- und Anschlussbereiches mit Anschlusselementen in Kraftflussrichtung im radial inneren Bereich, eine gerichtete Strömung aufgrund der Führung durch die Mittel im Arbeitsraum aufrechterhalten werden kann. Dadurch können gerade für den Verbindungsbereich beliebige Geometrien der Schalung gewählt werden.
Die erfindungsgemäßen Mittel zur Strömungsführung können in unterschiedlicher Art und Weise realisiert werden. Diese sind jedoch derart ausgebildet und angeordnet, dass diese geeignet sind, im nicht von einer Schale gestützten Bereich der Beschaufelung, insbesondere im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes, die Strömungsführung zu gewährleisten, wobei die Führung vorzugsweise in Anpassung an die Schaufelgeometrie erfolgt.
In einer ersten besonders vorteilhaften Ausführung werden die Mittel dabei von mit den einzelnen Schaufeln integral ausgeführten Leitelementen gebildet, die in Umfangsrichtung betrachtet die Geometrie des fehlenden Schalenbereiches nachbilden. Dies wird vorzugsweise dadurch gelöst, dass die einzelne Schaufel bei der Herstellung im in Einbaulage radial inneren Schaufelendbereich einen zusätzlichen flächigen Leitbereich aufweist, der in einem Winkel zur Schaufelvorder- beziehungsweise Rückseite ausgebildet ist und in Umfangsrichtung betrachtet derart geformt und ausgeführt ist, dass dieser den fehlenden Schalenbereich ausgleicht. Die Ausbildung des vorzugsweise flächigen Leitelementes erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass dieses an die Kontur der Schaufel im Querschnitt betrachtet im radial innenliegenden Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes angepasst angelenkt ist und in Umfangsrichtung weist. Die in den Arbeitsraum weisende Fläche ist eben und an den Verlauf der Schaufeln angepasst. Dies wird bei der Formgebung der einzelnen Schaufeln berücksichtigt, insbesondere bei Ausbildungen der Schaufeln als Blechformteile.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung ist dabei zur Gewährleistung einer stabilen Strömungsführung das flächige Leitelement, welches in radialer Richtung betrachtet den fehlenden radial inneren Bereich der Schale nachstellt, in Strömungsrichtung betrachtet vorzugsweise an der Schaufelvorderseite angeordnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung betrachtet in Richtung der in Strömungsrichtung liegenden Schaufelrückseite des benachbarten Schaufelelementes, wodurch Strömungsabrisse beim Eintritt in die jeweilige Schaufel vermieden werden.
Die einteilige Ausführung der Mittel zur Strömungsführung mit den einzelnen Schaufeln bietet den Vorteil, dass hier keine zusätzlichen Verbindungen, insbesondere drehfeste Verbindungen zwischen diesen und der eigentlichen Schale für das jeweilige Schaufelrad vorzusehen sind, sondern diese mit der Integration der Schaufeln in die entsprechende Schale, insbesondere bei Ausbildung als Blechformelement durch den bei Kopplung mit der Schale erzeugten Stoffschluss, Kraftschluss oder Formschluss mit in ihrer Lage fixiert werden.
Gemäß einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch möglich, dass die Mittel separate, insbesondere ringförmig ausgebildete oder zu einem Ring geformte Elemente oder aus Ringsegmenten gebildete Elemente umfassen, die entweder drehfest mit dem jeweiligen Schaufelrad im Schaufelendbereich oder aber mit einem benachbarten Schaufelrad verbunden sind. Gemäß einer ersten alternativen Ausführung umfassen die Mittel ein in Umfangsrichtung ausgebildetes ringförmiges Blechelement, welches mit seinem Außenumfang derart ausgeführt ist, dass dieses die Kontur des freien überstehenden Schaufelbereiches nachbildet und somit das ringförmige Element geeignet ist, die fehlende Schalengeometrie in diesem Bereich nachzubilden. Der Außenumfang des ringförmigen Elementes entspricht dabei vorzugsweise direkt der von den Außenumfängen der Schaufelenden im nicht abgestützten Bereich ausgespannten Fläche und ist frei von Unterbrechungen.
Die vom Außenumfang des ringförmigen Elementes beschreibende Strömungsleitfläche ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass diese geeignet ist, zum einen die fehlende Schaleninnenfläche im überstehenden Bereich der freien Schaufelenden zu bil den und ferner einen berührenden Kontakt mit den Schaufeln in diesem Bereich einzugehen. Dadurch übernimmt das ringförmige Element ferner eine Stützfunktion für die Beschaufelung des jeweiligen Schaufelrades im entsprechenden Schaufelendbereich.
Das ringförmige Element kann hinsichtlich der Dimensionierung derart ausgeführt werden, dass mit der Beschaufelung eine Presspassung erzielt wird.
Das ringförmige Element als separates Element ist drehfest mit der Schale des jeweiligen Schaufelrades verbunden. Die Verbindung erfolgt gemäß einer ersten besonders vorteilhaften Ausführung unlösbar. Vorzugsweise werden dabei stoffschlüssige Verbindungen gewählt. In einer zweiten Ausführung ist es jedoch auch denkbar, auf lösbare Verbindungen zurückzugreifen. In diesem Fall kann die durch die Kontur der Außenfläche des ringförmigen Elementes beschreibbare Strömungsleitfläche variabel einstellbar ausgeführt werden, insbesondere verstellbar.
In einer zweiten alternativen Ausführung ist es vorgesehen, die im überstehenden Bereich der einzelnen Schaufeln nachzubildende Schalengeometrie durch Mittel zur Strömungsführung in Form zumindest eines Leitelementes vorzusehen, welches jedoch drehfest mit einem anderen Schaufelrad, insbesondere dem benachbarten Schaufelrad einer hydrodynamischen Komponente verbunden ist. In diesem Fall erfolgt die Anordnung beabstandet zu den durch die freien Schaufelenden beschreibbaren und in radialer Richtung weisenden Flächenbereichen. Das Leitelement beschreibt ebenfalls eine in Umfangsrichtung durchgängige und sich in axialer Richtung an die Kontur des freien Bereiches der Schaufeln angepasste Führungsfläche.
Die erfindungsgemäße Lösung findet besonders bei Ausführungen von hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlern für Pumpenräder oder Turbinenräder Verwendung. Eine besonders vorteilhafte Ausführung besteht dabei darin, diese in hydrodynamischen Komponenten von Kraftübertragungsvorrichtungen zu integrieren. Bei diesen Ausführungen wird insbesondere bei Ausgestaltung des Turbinenrades die Beschaufelung des Turbinenrades im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes derart ausgebildet, dass diese bei getopfter Ausbildung der Schale durch die Mittel zur Strömungsführung abgestützt ist.
Die erfindungsgemäße Losung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1a verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Axialschnittes das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung;
1b verdeutlicht eine Integration einer erfindungsgemäß ausgeführten hydrodynamischen Komponente in einer Kraftübertragungsvorrichtung;
2a und 2b verdeutlichen in unterschiedlichen Ansichten eine erste besonders vorteilhafte Ausführung der Mittel zur Strömungsführung im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes in integraler Bauweise mit der Beschaufelung;
3 verdeutlicht die Integration der Mittel zur Strömungsführung an der Beschaufelung gemäß der ersten Ausführung in einer Kraftübertragungsvorrichtung anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt von dieser;
4 verdeutlicht eine alternative Ausführung der Mittel zur Strömungsführung in Form eines separaten flächigen Leitelementes;
5 verdeutlicht eine weitere alternative Ausführung der Mittel zur Strömungsführung.
Die 1a verdeutlicht in schematisiert stark vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäß ausgebildete hydrodynamische Komponente 1, vorzugsweise in Form eines hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers 2 im Axialschnitt. Diese umfasst ein Pumpenrad P und ein Turbinenrad T sowie als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler ferner zumindest ein Leitrad L. Der hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler 2 fungiert dabei als hydrodynamisches Getriebe. Eine Wandlung des Drehmomentes bedingt auch immer eine Drehzahlwandlung. Die einzelnen Schaufelräder, Pumpenrad P, Turbinenrad T und Leitrad, bilden einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum 5. Das Pumpenrad P ist dabei beim Einsatz zur Leistungsübertragung in Antriebssträngen im Kraftfluss vom Antrieb zum Abtrieb betrachtet zwischen einem antriebsseitigen Bauelement 3 und einem abtriebsseitigen Bauelement 4 angeordnet und mit dem antriebsseitigen Bauelement 3 gekoppelt, während das Turbinenrad T mit dem abtriebsseitigen Bauelement 4 gekoppelt ist. Die Schaufelrädern, insbesondere Pumpenrad P und Turbinenrad T weisen jeweils eine Beschaufelung auf. Jede Beschaufelung umfasst eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse R, welche auch der Mittenachse des hydrodynamischen Drehzahl-/Drehmomentwandlers 2 entspricht, angeordnete und diese stützende Schaufeln. Die Schaufeln sind hier mit 6 für das Pumpenrad P und 7 für das Turbinenrad T bezeichnet. Die einzelnen Schaufeln 6 und 7 sind jeweils in einer Schale, insbesondere der Pumpenradschale 8 und der Turbinenradschale 9, angeordnet. Die Beschaufelung eines Schaufelrades und die dazu gehörige Schale, insbesondere Pumpenradschale 8 und Turbinenradschale 9 können als integrale Baueinheit beispielsweise bei Ausführung als Gussteil ausgebildet werden oder aber von separaten Elementen, die miteinander durch einen Formschluss, Kraftschluss und/oder Stoffschluss verbunden sind, gebildet werden. Über die jeweiligen Schalen, Pumpenradschale 8 und Turbinenradschale 9 erfolgt die Anbindung an die antriebsseitigen beziehungsweise abtriebsseitigen Bauelemente 3, 4, weshalb die Schalengeometrie des einzelnen Schaufelrades, insbesondere Pumpenrades P und/oder Turbinenrades T auf diese Erfordernisse abzustimmen ist. Der den torusförmigen Arbeitsraum 5 beschreibende Bereich der einzelnen Schaufelräder P, T ist durch den Schaufeln tragenden Bereich 8S der Pumpenradschale 8 beziehungsweise 9S der Turbinenradschale 9 charakterisiert. Diese sind jeweils in der dargestellten Axialschnittebene, welche durch die Rotationsachse R und eine Senkrechte zu dieser beschreibbar ist, durch einen Außendurchmesser d_AP beziehungsweise d_AT sowie einen Innendurchmesser d_IP, d_IT charakterisiert. Die Schalenform der Pumpenradschale 8 beziehungsweise der Turbinenradschale 9 folgt dabei der Schaufelform.
Die 1a verdeutlicht anhand eines Axialschnittes eine Ansicht auf eine Schaufel 7 des Turbinenrades T sowie 6 des Pumpenrades und der Turbinenradschale 9 sowie der Pumpenradschale 8. Ersichtlich ist dabei, dass insbesondere im Hinblick auf Kopplungen mit den abtriebsseitigen Bauelementen 4, die über das Turbinenrad T realisiert werden, die Turbinenradschale 9 im Bereich des Innendurchmessers d_IT der an der Ausbildung des torusförmigen Arbeitsraumes beteiligten Beschaufelung zur Ausbildung von Anschlussbereichen/Verbindungsbereichen zur Koppelung mit Anschlusselementen geeignet sein muss. Dabei ist es problematisch, die Schalengeometrie in radialer Richtung betrachtet im radial inneren Bereich entsprechend der durch die Geometrie der Schaufeln 6, 7 im Schaufelgrund 10 für das Pumpenrad P und 11 für das Turbinenrad T vorgegebenen Form verlaufen zu lassen. Dies würde je nach Ausführung zu einer sehr stark getopften Bauweise führen, die gerade im Bereich des radial inneren Durchmessers sehr hohen Spannungen ausgesetzt ist und damit schadensanfällig wäre. Unter Schaufelgrund 10, 11 wird dabei die Seite oder Fläche der einzelnen Schaufel, 6, 7 verstanden, die am Innenumfang der jeweiligen Schale zum Anliegen gelangt. Im in radialer Richtung innen liegenden Bereich zumindest eines der Schaufelräder 5, 7, hier beispielhaft der beiden Schaufelrädern P, T im Bereich des Innendurchmessers d_IT beziehungsweise d_IP verbleibt dann ein Bereich 13.6, 13.7, in welchem die jeweilige Schaufel 6, 7 frei von einer Abstützung durch die Pumpenradschale 8 beziehungsweise Turbinenradschale 9 ist. Je nach Ausführung der Kopplungen zwischen den jeweiligen Schaufelrädern P, T und der Anordnung der Verbindungen kann lediglich auch nur eines der Schaufelräder P, T durch eine derartige Bauweise mit in radialer Richtung frei von einer Abstützung durch die jeweilige Schale 8, 9 innen überstehenden Schaufelenden 33.6, 33.7 ausgebildet sein. Bei Integration in Kraftübertragungsvorrichtungen entspricht dies vorzugsweise dem Turbinenrad T. Erläutert wird die Problematik daher hauptsächlich für das Turbinenrad T. Beim Aufbau eines Strömungskreislaufes ist dieser im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes 5 dann nicht mehr gestützt und es kommt zu Strömungsabrissen. Um dies zu vermeiden, sind erfindungsgemäß den einzelnen Schaufeln, insbesondere den Schaufeln 7 des Turbinenrades T beziehungsweise den Schaufeln 6 des Pumpenrades P Mittel 12, hier Mittel 12.7 zur Führung des Strömungskreislaufes im Bereich des Innendurchmessers d_IT des Turbinenrades T sowie Mittel 12.6 zur Führung des Strömungskreislaufes im Bereich des Innendurchmessers d_IP des Pumpenrades P zugeordnet, wobei die Innendurchmesser d_IT, d_IP dem radial inneren Anordnungsdurchmesser der Schaufeln 6, 7 entsprechen. Die Mittel 12.6, 12.7 zur Führung des Strömungskreislaufes 12 in diesem Bereich sind derart ausgebildet und angeordnet, dass diese geeignet sind, den Strömungskreislauf im Querschnitt der hydrodynamischen Komponente 1 betrachtet frei von Strömungsabrissen zwischen den einander benachbarten Schaufelrädern zu führen. Dadurch wird im Wesentlichen ein torusförmiger Strömungskreislauf realisiert, der frei von Störungen im Bereich zwischen Leitrad L und Turbinenrad T beziehungsweise Leitrad und Pumpenrad ist. Durch das Vorsehen dieser Mittel 12.6, 12.7 ist es möglich, die Geometrie der Pumpen- und Turbinenradschale 8, 9 vollkommen frei zu gestalten, insbesondere bei Ausbildung als Blechformbauteil diese im Bereich des Innendurchmesser entsprechend an die baulichen Gegebenheiten beliebig anzupassen, wobei die Ausformung der jeweiligen Schale 8, 9 kraft- und spannungsgerecht erfolgt. Die Mittel 12.6, 12.7 bilden den ansonsten von der jeweiligen Schale ausgebildeten Abstützbereich im Bereich 13.6, 13.7 der in radialer Richtung innen liegenden Schaufelenden 33.6, 33.7.
1b verdeutlicht ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet einer hydrodynamischen Komponente 1 mit an einem Schaufelrad, insbesondere dem Turbinenrad T in radialer Richtung im inneren Bereich der Beschaufelung, der frei von einer direkten Abstützung durch die jeweilige Schale, insbesondere Turbinenradschale 9 ist, vorgesehenen Mitteln 12 zur Strömungsführung im Arbeitraum 5 in einer Kraftübertragungsvorrichtung 26. Diese umfasst zumindest einen Eingang E und einen Ausgang A. Der Ausgang A wird dabei entweder direkt von einer Getriebeeingangswelle 27 oder einem drehfest mit diesem verbundenen Element, beispielsweise einer Nabe 28 gebildet. Zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A ist die hydrodynamische Komponente 1 zur Ausbildung eines hydrodynamischen Leistungszweiges I sowie eine Einrichtung zur Umgehung des hydrodynamischen Leistungszweiges II in Form einer schaltbaren Kupplungseinrichtung 29 angeordnet. Die hydrodynamische Komponente 1 und die schaltbare Kupplungseinrichtung 29 sind parallel angeordnet und parallel, d. h. separat oder aber gemeinsam schaltbar. Dazu ist das Pumpenrad P mit dem Eingang E, insbesondere einem, diesen bildenden oder drehfest mit diesem verbundenen Gehäuse 31 gekoppelt, während das Turbinenrad T über eine Vorrichtung 30 zur Dämpfung von Schwingungen mit einer mit der Getriebeeingangswelle 27 drehfest verbundenen Nabe 28 verbunden ist. Die schaltbare Kupplungseinrichtung 29 umfasst einen ersten Kupplungsteil 29.1, der wenigstens mittelbar, hier über das Gehäuse 31 mit dem Eingang E verbunden ist und einen zweiten Kupplungsteil 29.2, der wenigstens mittelbar, insbesondere über die Vorrichtung 30 zur Dämpfung von Schwingungen mit dem Ausgang A, insbesondere der Getriebeeingangswelle 27 verbunden ist. Erster und zweiter Kupplungsteil 29.1, 29.2 sind wenigstens mittelbar miteinander in Wirkverbindung bringbar, insbesondere durch Erzeugung eines Reibschlusses. Dazu weist die schaltbare Kupplungseinrichtung 29 eine Stelleinrichtung auf, über die die erforderliche Anpresskraft F bei Bedarf erzeugbar ist.
Erkennbar ist hier eine Einbausituation, wie diese sich insbesondere für die Kopplung zwischen Turbinenrad T und der Vorrichtung 30 zur Dämpfung von Schwingungen ergibt. Aufgrund der Bauweise der Turbinenradschale 9 im Verbindungsbereich mit der Vorrichtung 30 verbleibt der Bereich 13 des in radialer Richtung in Einbaulage inneren Schaufelendes 33 frei von einer Abstützung. Erfindungsgemäß sind Mittel 12 zur Strömungsführung in diesem Bereich vorgesehen, welche die Funktion des fehlenden Schalenteiles wenigstens teilweise, vorzugsweise nahezu vollständig übernehmen.
Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der Mittel 12.6. 12.7 beziehungsweise 12 zur Führung des Strömungskreislaufes im radial inneren Bereich des torusförmigen Arbeitsraumes 5 an den radial innen liegenden Schaufelenden 33, 33.6, 33.7 der Beschaufelung an zumindest einem, vorzugsweise beiden dem Leitrad L benachbarten Schaufelrädern, insbesondere Turbinenrad T und Pumpenrad P, bestehen eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Die 2a und 2b verdeutlichen in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Ausschnittes zweier Ansichten die Ausgestaltung der Mittel 12 in integraler Bauweise mit der einzelnen Schaufel, insbesondere hier der einzelnen Schaufel 7 des Turbinenrades T. Es versteht sich von selbst, dass diese Aussagen auch in Analogie auch auf das Pumpenrad P bei Bedarf übertragbar sind.
Gemäß einer ersten besonders vorteilhaften Ausführung werden dabei die einzelnen Schaufeln 7 eines Turbinenrades T in Einbaulage im Bereich des Innendurchmessers d_IT und damit des in radialer Richtung inneren Schaufelendes 33 derart ausgebildet, dass diese eine in Umfangsrichtung verlaufende Schalenform nachstellen. Die einzelne Schaufel 7, welche in 2a beispielhaft in einer Ansicht frei von der diese tragenden Schale in einer Ansicht von oben wiedergegeben ist, ist dabei in Einbaulage im Bereich des Einbau-Innendurchmessers d_IT beziehungsweise des in radialer Richtung inneren Schaufelendes 33 mit einem an diesem angeformten Leitelement 15 in Form eines Leitbleches ausgebildet. Das Leitelement 15 ist dabei integraler Bestandteil der Schaufel 7, wobei die Schaufel 7 in der gewünschten geometrischen Form mit dem Leitelement 15 aus einem Blechelement ausgestanzt werden kann und durch entsprechende Blechumformverfahren die Geometrie für den Einbau im Schaufelrad, insbesondere im Turbinenrad T, erzeugt wird. Das Leitblech 15 ist dabei derart am radial inneren Durchmesser des durch die Schaufel 7 gebildeten Bereiches des torusförmigen Arbeitsraumes 5 angeordnet, dass dieses in Umfangsrichtung unter Ausbildung beziehungsweise Nachbildung der fehlenden Schalengeometrie gerichtet ist. Das angeformte Leitblech bildet einen flächigen Stütz- und Führungsbereich 34 für die Strömung. Erkennbar sind ferner Mittel 35 zur Befestigung der Schaufel 7 an der Schale, insbesondere Turbinenradschale 9. Diese erfolgt beispielhaft durch Formschluss.
Die 2b verdeutlicht einen Ausschnitt einer Abwicklung einer Ausführung gemäß 2a für das Turbinenrad T. In dieser abgewickelten Darstellung erkennbar ist die durch die angeformten Leitelemente in Form von Leitblechen 15 nachgebildete Geometrie der Turbinenradschale 9, die genannte Topfung 37 der Turbinenradschale 8 sowie die zur Anbindung an die Anschlusselemente erforderlichen Mittel 36 zur Befestigung, hier die Durchgangsöffnungen für Nieten einer Nietverbindung der Turbinenradschale 9 mit einem Anschlusselement.
Die Leitelemente, insbesondere Leitbleche 15 sind derart an die einzelne Schaufel, hier die Schaufel 7, angeformt, dass diese in Umfangsrichtung im Bereich des Innendurchmessers d_IT, der durch die jeweilige Schaufel 7 beschreibbar ist, entsprechend der Geometrie des Arbeitsraumes 5 und damit der Schaufelgeometrie im Querschnitt betrachtet zumindest teilweise den fehlenden stützenden Schalenbereich nachbilden. Das Leitelement, insbesondere Leitblech 15 ist zu diesem Zweck vorzugsweise in integraler Bauweise mit der Schaufel 7 in Strömungsrichtung an der Schaufelvorderseite 23 ausgeführt, so dass beim Übertritt von Strömungsmittel vom Leitrad L zum Turbinenrad T keine Strömungsabrisse auftreten. Die Ausbildung des Leitbleches 15 in Umfangsrichtung betrachtet kann dabei derart erfolgen, dass dieses berüh rend an der in Umfangsrichtung nächsten Schaufel, insbesondere an der Schaufelrückseite 24 anliegt. Denkbar ist jedoch auch ein Abstand geringer Größe.
Die 3 verdeutlicht eine Ausführung der Mittel 12 gemäß den 2a und 2b anhand eines Ausschnittes aus einem Axialschnitt durch eine hydrodynamische Komponente 1 in einer Anschlusssituation in einer Kraftübertragungsvorrichtung 26 in einer Ansicht auf die Schaufelrückseite 24.
Demgegenüber verdeutlichen die 4 und 5 alternative Lösungen für die Mittel 12 zur Führung des Strömungskreislaufes im radial inneren Bereich 13 der Beschaufelung des Turbinenrades T, der frei von einer Stützung durch die Turbinenradschale 9 ist, insbesondere dem Bereich der radial inneren Schaufelenden 33. In diesem Bereich wird die fehlende Schale an den einzelnen überstehenden Schaufeln im in radialer Richtung von einer Abstützung freien Bereich durch Mittel 12 in Form eines drehfest und unlösbar mit der Turbinenradschale 9 verbundenen ringförmigen Elementes 16 nachgebildet. Dabei handelt es sich entweder um eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten, in Umfangsrichtung verlaufenden ringsegmentförmigen Blechelementen oder aber wie in der 4 dargestellt vorzugsweise um ein vollständig ringförmig ausgebildetes Blechelement 17, das im Querschnitt betrachtet mit seinem Außenumfang 18 an die durch die einzelnen überstehenden Schaufelenden 33 in Umfangsrichtung aufgespannten Flächen anpassbar ist. Die drehfeste Verbindung 21 erfolgt vorzugsweise durch Verschweißen oder Verlöten. Diese ist im Bereich des Schaufelgrundes 9 vorgesehen und verläuft in Umfangsrichtung. Das ringförmige Blechelement 17 kann dabei derart hinsichtlich der Geometrie der durch den Außenumfang 18 gebildeten Anschlussfläche an den Schaufelgrund 9 im überstehenden Bereich 13 angepasst werden, dass eine Presspassung erzeugbar ist. Die unlösbare drehfeste Verbindung 21 erfolgt dabei vorzugsweise der Montage der einzelnen Schaufeln 7.
Demgegenüber verdeutlicht die 5 eine weitere zweite alternative Ausführung, bei welchen die Mittel 12 drehfest mit dem Leitrad L verbunden sind. Die Mittel 12 sind dabei derart konzipiert, dass diese frei von einer berührenden Verbindung mit den überstehenden freien Schaufelenden 33 sind. Dies wird durch wenigstens ein zusätzliches in Umfangsrichtung verlaufendes ringsegmentförmiges oder aber vorzugsweise umlaufendes ringförmiges Blechelement 19 realisiert, welches drehfest mit dem Leitrad L verbunden ist und unter Ausbildung eines Abstandes zur Außenkontur der überstehenden Schaufelenden 33 angeordnet ist. Die drehfeste Verbindung 20 kann vielgestaltig erfolgen. Denkbar sind Ausführungen mit Stoffschluss oder Formschluss oder Kraftschluss. Die Blechgeometrie kann ebenfalls verschie denartig ausgeführt sein. Im einfachsten Fall handelt es sich um ein ringförmiges Formelement, wobei der Ringquerschnitt im Wesentlichen im Profil einen V- oder C-förmigen Querschnitt beschreibt. Ein erster, den Außenumfang des ringförmigen Elementes 19 beschreibender Schenkel des Profilquerschnittes bildet dabei im Abstand zur Beschaufelung die Kontur des in radialer Richtung inneren Schaufelendes 33 der einzelnen Schaufel 7 Schaufel in Form einer Führungsfläche 38 nach. Der zweite in radialer Richtung innere Schenkel des Profilquerschnittes beschreibt den Innenumfang des ringförmigen Elementes 19 und bildet eine Abstützfläche 22, welche sich an einer Abstützfläche 39 des Leitrades L abstützt und mit dieser über eine drehfeste Verbindung 20 verbunden ist. Die drehfeste Verbindung 20 kann durch eine Presspassung oder über Verbindungselemente/Verbindungsmittel realisiert werden.
Die in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungen stellen besonders vorteilhafte Lösungen dar. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Ferner kann die erfindungsgemäße Lösung sowohl für Pumpen- als auch Turbinenräder zum Einsatz gelangen, insbesondere generell für Schaufelräder, die durch eine getopfte, d. h. durch eine örtliche starke Breitenverringerung und/oder Richtungsänderung beschreibbare Schalung charakterisiert sind. Die Erfindung ist sowohl für hydrodynamische Drehzahl-/Drehmomentwandler als auch hydrodynamische Kupplungen einsetzbar.

1: hydrodynamische Komponente
2: hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler
3: antriebsseitiges Bauelement
4: antriebsseitiges Bauelement
5: Arbeitsraum
6: Schaufel
7: Schaufel
8: Pumpenradschale
8S: von Pumpenradschale gestützter Bereich der Beschaufelung
9: Turbinenradschale
9S: von Turbinenradschale gestützter Bereich der Beschaufelung
10: Schaufelgrund
11: Schaufelgrund
12, 12.6, 12.7: Mittel zur Führung des Strömungskreislaufes
13, 13.6, 13.7: Bereich
14: Schaufeloberseite
15: Leitblech
16: ringförmiges Element
17: Blechelement
18: Außenumfang
19: ringförmiges Element
20: drehfeste Verbindung
21: drehfeste Verbindung
22: Abstützfläche
23: Schaufelvorderseite
24: Schaufelrückseite
26: Kraftübertragungsvorrichtung
27: Getriebeeingangswelle
28: Nabe
29: schaltbare Kupplungseinrichtung
30: Vorrichtung ur Dämpfung von Schwingungen
31: Gehäuse
32, 32.6, 32.7: radial äußerer Endbereich
33, 33.6, 33.7: radial innerer Endbereich
34: Führungsbereich
35: Mittel zur Befestigung
36: Mittel zur Kopplung mit einem Anschlusselement
37: Topfung
38: Führungsfläche
39: Anschlussfläche
d_AP: Außendurchmesser des Arbeitsraumes am Pumpenrad
d_AT: Außendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes am Turbinenrad
d_IP: Innendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes am Pumpenrad
d_IT: Innendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes am Turbinenrad
P: Pumpenrad
T: Turbinenrad
L: Leitrad
R: Rotationsachse
E: Eingang
A: Ausgang
F: Kraft

Claims

Hydrodynamische Komponente (1), umfassend zumindest zwei miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum (5) bildende Schaufelräder (P, T, L), die jeweils eine Schale (8, 9) aufweisen, welche die einzelnen Schaufeln (6, 7) über einen Bereich (8S, 9S) abstützt, wobei zumindest eines der Schaufelräder (P, T) im in radialer Richtung inneren Endbereich (33, 33.6, 33.7) der einzelnen Schaufeln (6, 7) frei von einer Abstützung der Schaufeln (6, 7) durch die Schale (8, 9) ist, dadurch gekennzeichnet, dass diesem in radialer Richtung inneren und von einer Abstützung durch die Schale (8, 9) freien Endbereich (33, 33.6, 33.7) der einzelnen Schaufeln (6, 7) Mittel (12, 12.6, 12.7) zur Strömungsführung zugeordnet sind.
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 12.6, 12.7) zur Strömungsführung im in radialer Richtung inneren Endbereich (33, 33.6, 33.7) der einzelnen Schaufeln (6, 7) Leitelemente (15, 18, 19) umfassen, die entlang zumindest eines Teilbereiches der von einer Abstützung durch die Schale (8, 9) freien Schaufelenden (33, 33.6, 33.7), die Kontur der Schale (8, 9) nachbilden.
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 12.6, 12.7) zur Strömungsführung mit dem in radialer Richtung inneren Endbereich (33, 33.6, 33.7) der einzelnen Schaufeln (6, 7) integral ausgebildete Leitelemente (15) umfassen, die derart angeordnet und ausgebildet sind, geeignet zu sein, Stütz- und Führungsflächen (34) bildende, sich in radialer Richtung entlang des Schaufelgrundes (10, 11) und in Umfangsrichtung erstreckende Bereiche auszubilden.
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Schaufel (6, 7) als Blechformteil ausgebildet ist, umfassend ein im in radialer Richtung innen liegenden Endbereich (33, 33.6, 33.7) in Umfangsrichtung in einem Winkel zu einer Schaufelseite-Schaufelvorderseite (23) und/oder Schaufelrückseite (24) ausgerichtetes flächiges Leitelement (15).
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (15) in Betriebsweise der hydrodynamischen Komponente (1) in Strömungsrichtung betrachtet an der Schaufelvorderseite (23) angeformt ist.
Hydrodynamische Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 12.6, 12.7) zur Strömungsführung zumindest ein ringsegmentförmiges oder ringförmiges Leitelement (16) umfassen, dessen Außenumfang (18) im Wesentlichen die Kontur des torusförmigen Arbeitsraumes (5) im Bereich (13, 13.6, 13.7) der von einer Abstützung freien Schaufelenden (33, 33.6, 33.7) beschreibt und das drehfest mit der jeweiligen Schale (8, 9) des Schaufelrades (P, T) verbunden ist.
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung (21) als unlösbare drehfeste Verbindung ausgebildet ist.
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung (21) als lösbare drehfeste Verbindung ausgebildet ist.
Hydrodynamische Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 12.6, 12.7) zur Strömungsführung ein ringsegmentförmiges oder ringförmiges Leitelement (19) umfassen, dessen Außenumfang im Wesentlich der Kontur des torusförmigen Arbeitsraumes (5) im Bereich (13, 13.6, 13.7) der von einer Abstützung freien Schaufelenden (33, 33.6, 33.7) beschreibt und das beabstandet zu den freien Schaufelenden (33, 33.6, 33.7) angeordnet und drehfest mit einem benachbarten Schaufelrad (L) verbunden ist.
Hydrodynamische Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese als hydrodynamischer Drehzahl-/Drehmomentwandler (2) ausgeführt ist, umfassend ein Pumpenrad (P) und ein Turbinenrad (T) und zumindest ein dazwischen angeordnetes Leitrad (L).
Hydrodynamische Komponente (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Leitelement (19) der Mittel (12) zur Strömungsführung am Leitrad (L) befestigt ist.
Kraftübertragungsvorrichtung (26) zur Leistungsübertragung zwischen einem antriebsseitigen (3) und einem abtriebsseitigen Bauelement (4), umfassend einen Eingang (E) und einen Ausgang (A) und einer zwischen diesen angeordneten hydrodynamischen Komponente (1), wobei die hydrodynamische Komponente (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.