DE102009030526B3

DE102009030526B3 - Anfahreinheit

Info

Publication number: DE102009030526B3
Application number: DE200910030526
Authority: DE
Inventors: Rainer Schips; Daniel Flemmer; Achim Dr. Menne
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anfahreinheit mit einer hydrodynamischen Kupplung, in deren Kreislaufströmung ein Drosselbauteil über einen druckbetätigbaren Verstellmechanismus einbringbar ist. Der Verstellmechanismus wird über einen Verstellsteuerdruck aus einer Steuerleitung betätigt. Eine Überbrückungskupplung für die hydrodynamische Kupplung wird mittels einem Einkuppelsteuerdruck aus derselben Steuerleitung betätigt. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: - zwischen dem Arbeitsraum und jener Seite des Kolbenraumes, welche der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbens abgewandt ist, ist eine Verbindung vorgesehen, in welche eine Drosselstelle eingebracht ist, die einen Druckabfall zwischen dem Arbeitsraum und der entsprechenden Seite des Kolbenraumes erzielt; und/oder - die Seite des Kolbenraumes, welche der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbens abgewandt ist, ist über eine teilweise oder vollständig druckausgleichende Verbindung mit dem Zentrum der Kreislaufströmung im Arbeitsraum, dem Arbeitsmediumablauf oder über eine direkte druckausgleichende Verbindung mit der Seite der Anpressscheibe der Einkuppeleinrichtung verbunden, welche der mit dem Einkuppelsteuerdruck beaufschlagten Seite abgewandt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anfahreinheit mit einer hydrodynamischen Kupplung.
Hydrodynamische Kupplungen sind bekannt. Sie weisen ein Pumpenrad und ein Turbinenrad auf, welche in der Regel die beiden einzigen Schaufelräder der hydrodynamischen Kupplung sind. Demnach ist kein Leitrad vorgesehen. Häufig werden hydrodynamische Kupplungen in Anfahreinheiten, wie zum Beispiel in der DE 103 53 519 A1 beschrieben, eingesetzt, wobei eine mechanische Kupplung (Überbrückungskupplung) parallel zu der hydrodynamischen Kupplung angeordnet ist. Die hydrodynamische Kupplung wird zum verschleißfreien Anfahren verwendet.
Das Pumpenrad und das Turbinenrad bilden miteinander einen, in der Regel torusförmigen, über einen Arbeitsmediumzulauf und einen Arbeitsmediumablauf mit Arbeitsmedium befüllbaren und entleerbaren Arbeitsraum aus, wobei das Arbeitsmedium beispielsweise Öl, Wasser oder ein Wassergemisch ist. Im Pumpenrad wird das Arbeitsmedium radial nach außen beschleunigt, tritt in das Turbinenrad ein, wird dort radial nach innen verzögert und tritt wieder in das Pumpenrad ein. Mittels dieses Arbeitsmediumkreislaufs (Kreislaufströmung) wird Drehmoment beziehungsweise Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad verschleißfrei übertragen.
Es ist bekannt, in hydrodynamischen Kupplungen feststehende oder verschiebbare Drosselbauteile anzuordnen, um den Arbeitsmediumkreislauf und damit das Übertragungsverhalten der hydrodynamischen Kupplung zu beeinflussen, insbesondere gezielt einzustellen. Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift DE 103 53 519 A1 zwei alternative Möglichkeiten, Drosselbauteile vorzusehen. Gemäß der ersten Ausführung sind feststehende, in Axialrichtung, das heißt in Rotationsachsenrichtung, der hydrodynamischen Kupplung oder in Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung ausgerichtete Drosselbauteile vorgesehen, welche je nach Schlupf zwischen Pumpenrad und Turbinenrad eine mehr oder minder drosselnde Wirkung auf den Arbeitsmediumkreislauf ausüben. Gemäß der zweiten Ausführungsform sind in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung verschiebbare Wandbereiche des Pumpenrads als Drosselbauteil vorgesehen, um den Arbeitsmediumkreislauf zu beeinflussen.
In den Druckschriften DE 103 53 519 A1 und DE 103 53 554 A1 sind jeweils Beispiele zur geregelten Betätigung des Drosselbauteils und der Überbrückungskupplung offenbart. Das Drosselbauteil ist mittels eines druckbetätigbaren Verstellmechanismus in Rotationsachsenrichtung der hydrodynamischen Kupplung zur Beeinflussung der Kreislaufströmung im und/oder am Arbeitsraum verschiebbar. Die mechanische Überbrückungskupplung weist mehrere Kupplungselemente auf, die über eine druckbetätigbare Einkuppeleinrichtung miteinander reibschlüssig in Verbindung bringbar sind, derart, dass das Pumpenrad und das Turbinenrad drehfest gekoppelt sind. Die Einkuppeleinrichtung ist über einen Einkuppelsteuerdruckführungskanal an den Arbeitsmediumzulauf angeschlossen. Die Druckbetätigung der Einkuppeleinrichtung erfolgt über den Druck des durch diesen Arbeitsmediumzulauf geführten Arbeitsmediums. In der DE 103 53 519 A1 erfolgt die Druckbetätigung des Verstellmechanismus über eine separat angesteuerte Ventileinheit. Die DE 103 53 554 A1 schlägt dagegen vor, auch die Druckbetätigung des Verstellmechanismus über den Arbeitsmediumzulauf und den Einkuppelsteuerdruckführungskanal zu steuern. Die Betätigungszustände der Einkuppeleinrichtung und des Verstellmechanismus sind dabei eine Funktion eines Differenzdruckes zwischen dem Druck des durch den Arbeitsmediumzulauf geführten Arbeitsmediums und dem Druck, der im Innenraum (Innenraumdruck) eines Gehäuses der hydrodynamischen Kupplung herrscht.
Bei den gemäß des Standes der Technik ausgebildeten Ausführungsformen einer gattungsgemäßen Anfahreinheit ist der Aufwand zur Steuerung der Druckbetätigung der Einkuppeleinrichtung und des Verstellmechanismus jeweils relativ hoch. Bei der Ausführungsform der DE 103 53 519 A1 muss eine zusätzliche Steuerung für die separate Ventileinheit des Verstellmechanismus bereitgestellt werden. Die Ausführungsform der DE 103 53 554 A1 erfordert eine relativ aufwendige Steuerung des Differenzdruckes zwischen dem Druck des durch den Arbeitsmediumzulauf geführten Arbeitsmediums und dem Innenraumdruck.
In der Druckschrift DE 10 2007 008 814 B3 , die eine Anfahreinheit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zeigt, wird vorgeschlagen, die Betätigungszustände der Einkuppeleinrichtung und des Verstellmechanismus als eine Funktion eines Druckes in einer gemeinsamen Steuerleitung einzustellen. In einem ersten Druckbereich erfolgt die Betätigung des Verstellmechanismus, und in einem zweiten, höheren Druckbereich wird die Einkuppeleinrichtung aktiviert. Weil somit mehrere Druckbereiche nebeneinander vorgesehen sind, sind die einzelnen Bereiche klein und es werden hohe Anforderungen an das druckabhängige Ansprechverhalten der Einkuppeleinrichtung und des Verstellmechanismus gestellt.
Zudem hat sich während des Betriebes derartiger Anfahreinheiten gezeigt, dass der erforderliche Steuerdruck zur Betätigung des Verstellmechanismus, vorliegend als Verstellsteuerdruck bezeichnet, in der Praxis sehr hoch ausfällt, was dazu führt, dass der Steuerdruck zum mechanischen Schließen der Überbrückungskupplung, vorliegend als Einkuppelsteuerdruck bezeichnet, in einen noch höheren Steuerdruckbereich verschoben werden muss, da beim Betrieb der Anfahreinheit, beginnend mit einem Schlupf von 100 Prozent zwischen Pumpenrad und Turbinenrad, die hydrodynamische Kupplung zunächst mit teilweise oder vollständig in die Kreislaufströmung eingebrachtem Drosselbauteil betrieben werden soll, bei abnehmendem Schlupf zwischen Pumpenrad und Turbinenrad dann bei einem bestimmten Schlupfgrenzwert das Drosselbauteil in seine inaktive Position gebracht werden soll, in welcher es die Kreislaufströmung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum nur wenig oder nicht beeinflusst, und anschließend bei weiter vermindertem Schlupf zwischen Pumpenrad und Turbinenrad, insbesondere im Bereich des Mindestschlupfes, der bei hydrodynamischer Leistungsübertragung zwischen Pumpenrad und Turbinenrad einstellbar ist, die Überbrückungskupplung geschlossen werden soll. Diese Betriebszustände sind gewünscht, wie im vorliegend zitierten Stand der Technik beschrieben ist, um das durch die hydrodynamische Kupplung aufnehmbare Moment im Bereich großen Schlupfes zu vermindern und so ein Drücken eines Antriebsmotors, insbesondere Verbrennungsmotors, zu vermeiden, der Antriebsräder des Fahrzeugs über die Anfahreinheit und ein in der Regel nachgeschaltetes Wechselgetriebe antreibt. Gleichzeitig soll der Wirkungsgrad der Anfahreinheit im Bereich kleinen Schlupfes durch Überbrücken der hydrodynamischen Kupplung verbessert werden, sodass hydrodynamische Verluste nach dem Abschluss des Anfahrvorganges oder von Gangwechselvorgängen vermieden werden.
Aufgrund dessen, dass der maximal verfügbare Steuerdruck bei Vorsehen der Anfahreinheit zum Anfahren eines Fahrzeugs in der Regel begrenzt ist, bedeutet ein erhöhter Druckbereich für den Verstellsteuerdruck und ein notwendiger Abstand zu dem auf einem höheren Niveau vorgesehenen Einkuppelsteuerdruck, dass der verfügbare Druckbereich für den Einkuppelsteuerdruck stark minimiert ist. Ferner bedeutet ein erhöhter Druckbereich für den Einkuppelsteuerdruck, dass Maßnahmen getroffen werden müssen, um den auf die Anpressscheibe der Einkuppeleinrichtung wirkenden Gegendruck, der dem Einkuppelsteuerdruck entgegenwirkt und in Richtung eines Öffnens der Überbrückungskupplung wirkt, zu erhöhen. Solche Maßnahmen sehen beispielsweise das Einbringen einer vergleichsweise starken Feder, insbesondere Tellerfeder, vor, welche dem Einkuppelsteuerdruck entgegenwirkt.
Die Ursache dafür, warum der erforderliche Verstellsteuerdruck zum Deaktivieren des Verstellmechanismus, das heißt zum Herausfahren des Drosselbauteils aus der Kreislaufströmung, unerwartet hoch war, selbst wenn kein Vorspannungselement, insbesondere in Form einer elastischen Feder, vorgesehen wurde, welches entgegen dem Verstellsteuerdruck wirkt, um das Drosselelement in die Kreislaufströmung zu drücken, war bisher unbekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anfahreinheit, insbesondere zum Einsatz zwischen einem Antriebsmotor, beispielsweise Verbrennungsmotor, und Antriebsrädern beziehungsweise einem den Antriebsrädern vorgeschalteten Getriebe bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere die Druckverhältnisse in der hydrodynamischen Kupplung derart verbessert, dass eine dem Einkuppelsteuerdruck entgegenwirkende Feder, die insbesondere die Anpressscheibe der Einkuppeleinrichtung beaufschlagt, schwächer ausgeführt werden kann oder sogar weggelassen werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Anfahreinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung dar.
Die Erfinder haben erkannt, dass gerade dann, wenn das Drosselbauteil aus der Kreislaufströmung herausgefahren werden soll, insbesondere in eine inaktive Position im Bereich des Trennspaltes zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung und/oder im hydrodynamischen Zentrum des Arbeitsraumes, um welches sich die Kreislaufströmung dreht, also im Bereich eines bereits verringerten Schlupfes zwischen Pumpenrad und Turbinenrad, sich dem das Drosselbauteil verfahrenden Verstellsteuerdruck ein verhältnismäßig großer Arbeitsmediumdruck entgegenstellt, der einerseits durch die Druckkraft der Meridianströmung im Arbeitsraum und andererseits durch einen Staudruck aufgrund des in Umfangsrichtung der hydrodynamischen Kupplung mitgerissenen Arbeitsmediums entsteht. Um diesen ungünstigen Druckverhältnissen entgegenzuwirken, haben die Erfinder Maßnahmen erkannt, um den Druck an dem Kolben des Verstellmechanismus, mittels welchem das Drosselbauteil insbesondere aus der Kreislaufströmung verschiebbar ist, welcher dem Verstellsteuerdruck entgegenwirkt, zu vermindern. Dieser dem Verstellsteuerdruck entgegenwirkende Druck herrscht auf der Seite des Kolbens, die der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbens abgewandt ist, also sozusagen auf der anderen Seite des Kolbens positioniert ist. Die beiden Seiten des Kolbens beziehungsweise die beiden Teilbereiche des Kolbenraumes, in welchem sich der Kolben bewegt und in welche der Kolbenraum durch den Kolben unterteilt wird, können durch den Kolben zueinander abgedichtet sein.
Eine erste erfindungsgemäße Maßnahme sieht vor, dass zwischen dem Arbeitsraum und jener Seite des Kolbenraums, welche der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbendrucks abgewandt ist, eine Verbindung vorgesehen ist, in welcher eine Drosselstelle eingebracht ist. Die Drosselstelle bewirkt einen Druckabfall, sodass der Druck auf jener Seite des Kolbenraums, welcher dem Verstellsteuerdruck entgegenwirkt, geringer, insbesondere wesentlich geringer, als der Druck im Arbeitsraum ist, zumindest als der Druck außerhalb des hydrodynamischen Zentrums im Arbeitsraum zu jenem Zeitpunkt, zu welchem das Drosselbauteil in seine inaktive Position bewegt werden soll.
Eine alternative erfindungsgemäße Maßnahme, die jedoch auch zusätzlich zu der zuerst genannten Maßnahme vorgesehen werden kann, sieht vor, dass zwischen jener Seite des Kolbenraumes, welche der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbens abgewandt ist, und dem Zentrum beziehungsweise hydrodynamischen Zentrum der Kreislaufströmung im Arbeitsraum eine teilweise oder vollständig druckausgleichende Verbindung vorgesehen ist, die insbesondere durch das Drosselbauteil und/oder den Kolben und/oder einen Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Drosselbauteil, der insbesondere durch eine Kolbenwandung und Speichen gebildet wird, wie nachfolgend noch erläutert wird, geführt ist oder von diesen Bauteilen ausschließlich ausgebildet wird. Hierdurch ist eine deutliche Druckreduzierung auf der entsprechenden Seite des Kolbens möglich, sodass die dem Verstellsteuerdruck entgegenwirkende Druckkraft merklich gemindert wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung, welche wiederum zusätzlich oder alternativ zu der zuvor dargestellten Verbindung mit Drosselelement ausgeführt werden kann, sieht eine teilweise oder vollständig druckausgleichende Verbindung zwischen der genannten dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite des Kolbens und dem Arbeitsmediumablauf vor. Da im Arbeitsmediumablauf aufgrund von Druckverlusten innerhalb der hydrodynamischen Kupplung der Druck in dem entscheidenden Betriebszustand geringer ist als im Arbeitsmediumkreislauf an jener Stelle, die mit dem besagten Kolbenraum auf der dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite verbunden ist, kann auch hierdurch eine signifikante Gegendruckreduzierung erreicht werden.
Ferner weist die erfindungsgemäße Anfahreinheit, welche insbesondere in einem Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen oder auch in einem Schienenfahrzeug oder anderem Fahrzeug zum Einsatz gelangt, jedoch auch in einer stationären Anlage verwendet werden kann, eine hydrodynamische Kupplung mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad auf, die miteinander einen torusförmigen, über einen Arbeitsmediumzu- und einen Arbeitsmediumablauf mit Arbeitsmedium befüllbaren und entleerbaren Arbeitsraum ausbilden, in welchem die beschriebene Kreislaufströmung des Arbeitsmediums ausbildbar ist, wobei das Drosselbauteil mittels des druckbetätigbaren Verstellmechanismus zur Beeinflussung der Kreislaufströmung im und/oder am Arbeitsraum verschiebbar ist. Das Drosselbauteil ist vorteilhaft über Speichen an dem druckbetätigbaren Kolben, welcher den Verstellmechanismus zumindest teilweise ausbildet, angeschlossen und weist zusammen mit diesen Speichen in einem Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung eine T-Form auf. Eine solche T-Form hat den Vorteil, dass dadurch besonders leicht eine inaktive Position des Drosselbauteils im Zentrum des Arbeitsraumes beziehungsweise hydrodynamischen Zentrum der Kreislaufströmung gewählt werden kann, das heißt im Bereich des Trennspaltes zwischen Pumpenrad und Turbinenrad auf mittlerem Durchmesser zwischen dem Außendurchmesser des Arbeitsraumes und dem Innendurchmesser des Arbeitsraumes beziehungsweise etwas radial nach innen verschoben hierzu.
In einem Nebenraum der hydrodynamischen Kupplung ist eine Überbrückungskupplung mit wenigstens zwei Kupplungselementen angeordnet, die über eine druckbetätigbare Anpressscheibe einer Einkuppeleinrichtung miteinander kraftschlüssig in Verbindung bringbar sind, derart, dass das Pumpenrad und das Turbinenrad drehfest aneinander gekoppelt werden, wenn die Überbrückungskupplung geschlossen ist. Sowohl der Verstellmechanismus als auch die Einkuppeleinrichtung beziehungsweise der Kolben des Verstellmechanismus und die Anpressscheibe der Einkuppeleinrichtung werden zu deren Druckbetätigung über eine vom Arbeitsmediumzulauf und Arbeitsmediumablauf separate, jedoch gemeinsame Steuerleitung mit Arbeitsmedium druckbeaufschlagt, wobei ein zur Druckbetätigung des Verstellmechanismus, insbesondere zum Verbringen des Drosselbauteils aus seiner aktiven Position in der Kreislaufströmung in seine inaktive Position außerhalb der Kreislaufströmung im Arbeitsraum, nötiger Verstellsteuerdruck und ein zur Druckbetätigung der Einkuppeleinrichtung, um die Überbrückungskupplung zu schließen, nötiger Einkuppelsteuerdruck in der Steuerleitung anlegbar sind. Der Verstellsteuerdruck und der Einkuppelsteuerdruck unterscheiden sich, wie in der Beschreibungseinleitung dargelegt, vorzugsweise um eine vorgegebene Druckdifferenz voneinander, wobei bevorzugt der Einkuppelsteuerdruck entsprechend größer ist als der Verstellsteuerdruck.
Der Kolben ist gemäß der ersten erfindungsgemäßen Maßnahme über eine Kolbenwandung mit dem Drosselbauteil verbunden und bevorzugt einteilig damit ausgeführt sowie in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung verschiebbar.
Ferner stehen sich dann die radial äußere Oberfläche der Kolbenwandung und wenigstens ein Vorsprung des Turbinenrades und/oder die Kolbenwandung und wenigstens ein Vorsprung des Pumpenrades gegenüber und bilden oder begrenzen die Drosselstelle miteinander. Zusätzlich oder alternativ kann auch wenigstens ein Vorsprung auf der Kolbenwandung vorgesehen sein, der dem Pumpenrad/Turbinenrad oder einem Vorsprung desselben gegenübersteht. Ferner ist es möglich, eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Vorsprüngen vorzusehen, um die Drosselstelle oder eine Vielzahl von Drosselstellen auszubilden. Der wenigstens eine Vorsprung kann gemäß einer Ausführungsform durch einen Dichtring ausgebildet werden, oder eine entsprechende Vielzahl von Dichtringen.
Mit Vorteil weist die Kolbenwandung auf der dem Turbinenrad oder dem Pumpenrad zugewandten Fläche eine zur Drehachse der hydrodynamischen Kupplung winklige Wandungsfläche auf, sodass der Strömungsquerschnitt für Arbeitsmedium an der Drosselstelle beim Verschieben des Kolbens relativ zum Pumpenrad oder Turbinen in Abhängigkeit der Position des Kolbens variiert wird. Hierdurch wird eine Anpassung der Druckdifferenz an den Schlupf erzielt, sodass bei größerem Schlupf und bei in die Kreislaufströmung eingebrachtem Drosselbauteil eine geringere Drosselwirkung an der Drosselstelle in der Verbindung zwischen Arbeitsraum und Kolbenraum eingestellt wird als bei teilweise oder vollständig aus der Kreislaufströmung entferntem Drosselbauteil.
Die zuvor genannte Maßnahme der winkligen Wandungsfläche der Kolbenwandung kann entsprechend der Maßnahme des Vorsprungs wiederum auch auf dem jeweils anderen Bauteil ausgeführt werden. Das heißt, wie der Vorsprung auch auf der Kolbenwandung, die dem Pumpenrad oder dem Turbinenrad zugewandt ist, dann in der Regel als radial nach außen ragender Vorsprung, ausgeführt sein kann, kann die zur Drehachse der hydrodynamischen Kupplung winklige Wandungsfläche an dem Pumpenrad oder dem Turbinenrad in dem Bereich ausgeführt sein, welcher der Kolbenwandung gegenübersteht.
Sehr vorteilhaft ist die Steuerleitung zumindest teilweise vom Hohlraum einer Hohlwelle ausgebildet. Dabei bildet die Hohlwelle die Rotationsachse der hydrodynamischen Kupplung aus.
Der Verstellmechanismus umfasst vorteilhaft einen Verstellsteuerdruckführungskanal und die Einkuppeleinrichtung einen Einkuppelsteuerdruckführungskanal, wobei Verstellsteuerdruckführungskanal und Einkuppelsteuerdruckführungskanal von der Steuerleitung abzweigen.
Wenn die Druckbetätigung des Verstellmechanismus und der Einkuppeleinrichtung zeitlich nacheinander eingeleitet werden soll, ist es möglich, dass der Verstellmechanismus und/oder die Einkuppeleinrichtung Steuerkraftdifferenzierungsmittel aufweisen, wobei die Steuerkraftdifferenzierungsmittel eine die Druckbetätigung des Verstellmechanismus und/oder der Einkuppeleinrichtung unterstützende oder entgegenwirkende Kraft zur Einstellung der Druckdifferenz erzeugen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann jedoch eine vergleichsweise geringe Steuerkraftdifferenzierung vorgesehen sein oder auf ein Steuerkraftdifferenzierungsmittel in Form einer Feder oder allgemein eines mechanischen Kraftspeichers kann vollständig verzichtet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren exemplarisch erläutert werden.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anfahreinheit;
2 eine Detailansicht einer gegenüber der 1 leicht geänderten Anfahreinheit;
3 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anfahreinheit.
In der 1 ist ein schematischer Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anfahreinheit 1 mit einer hydrodynamischen Kupplung 2 dargestellt. Man erkennt das Pumpenrad 3 und das Turbinenrad 4, welche miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 7 ausbilden, in dem sich eine Kreislaufströmung 8 eines Arbeitsmediums ausbilden kann. Der Arbeitsraum 7 wird über einen Arbeitsmediumzulauf 5 und einen Arbeitsmediumablauf 6 mit Arbeitsmedium befüllt oder entleert. Das Pumpenrad 3 und das Turbinenrad 4 sind radialsymmetrisch um eine Welle, hier eine Hohlwelle 24, wie nachfolgend noch erläutert wird, die die Rotationsachse 25 der hydrodynamischen Kupplung 2 ausbildet, angeordnet. Eine ein Drehmoment erzeugende Antriebseinheit kann an das Pumpenrad 3 angekoppelt werden. Das Pumpenrad 3 ist relativ verdrehbar auf der Hohlwelle 24 montiert. Die Hohlwelle 24 kann an ein anzutreibendes Folgeelement (zum Beispiel ein Wechselgetriebe eines Fahrzeugs) zu dessen Antrieb angekoppelt sein. Die hydrodynamische Kupplung 2 wird durch Befüllen des Arbeitsraumes 7 mit Arbeitsmedium durch den Arbeitsmediumzulauf 5 aktiviert und durch Entleeren des Arbeitsraumes 7 durch den Arbeitsmediumablauf 6 deaktiviert. Die hydromechanische Kupplung 2 kann als geregelte, das heißt füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung ausgeführt sein, bei welcher der Füllungsgrad im Arbeitsraum 7 gezielt zwischen einer Mindestfüllung und einer Vollfüllung einstellbar ist, zum Beispiel über eine Druckregelung im Arbeitsmediumzulauf 5 und/oder Arbeitsmediumablauf 6, oder als ungeregelte hydrodynamische Kupplung, bei welcher der Füllungsgrad nicht gezielt einstellbar ist, sondern der Arbeitsraum 7 nur entweder befüllt oder entleert werden kann. Selbstverständlich wäre auch möglich, die hydrodynamische Kupplung 2 als stets vollgefüllte Kupplung auszuführen, bei welcher immer eine vorbestimmte Menge von Arbeitsmedium im Arbeitsraum 7 verbleibt.
Innerhalb des Arbeitsraumes 7 ist ein Drosselbauteil 9 vorgesehen. Das Drosselbauteil 9 weist eine in einem Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung 2 parallel zur Drehachse verlaufende Anströmfläche für Arbeitsmedium auf. Das Drosselbauteil 9 ist in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung 2 verschiebbar. Wird das Drosselbauteil 9 in eine aktive Position verschoben, so strömt die Kreislaufströmung 8 die Anströmfläche an, sodass die Kreislaufströmung 8 gestört wird. Das Drosselbauteil 9 ist vorliegend über in Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung 2 verlaufende Speichen 32 mit dem Verstellmechanismus 10 verbunden. Dabei ist hier das Drosselbauteil 9 einteilig mit dem Verstellmechanismus 10 ausgeführt. In einer inaktiven Position wird die von den Speichen 32 gebildete Fläche von der Kreislaufströmung 8 derart angeströmt, dass die Kreislaufströmung 8 nahezu senkrecht auf die Fläche auftrifft. In dieser Stellung des Drosselbauteils 9 ist die Strömungskraft der Kreislaufströmung 8 auf die von den Speichern 32 gebildete Fläche maximal und kann dazu verwendet werden, das Drosselbauteil 9 aus seiner inaktiven Position in die aktive Position zurückzustellen.
In der 1 ist die inaktive Position des Drosselbauteils 9 in ausgezogenen Linien dargestellt, und die aktive Position des Drosselbauteils 9 ist durch gestrichelte Linien angedeutet.
Der Verstellmechanismus 10 weist einen Kolben 20 auf, der in einem Kolbenraum 18 in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung verschiebbar angeordnet ist. Dabei unterteilt der Kolben 20 den Kolbenraum 18 in einen ersten Teilbereich 21 und einen zweiten Teilbereich 22, wobei die beiden Bereiche 21, 22 beispielsweise durch den Kolben 20 druckdicht voneinander getrennt sind. Der Kolben 20 weist eine in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung verlaufende Kolbenwandung 31 auf, über welche er an den genannten Speichen 32 und damit mittelbar an dem Drosselbauteil 9 angeschlossen ist. Der Kolben 20, die Kolbenwandung 31, die Speichen 32 und das Drosselbauteil 9 können vorteilhaft einteilig ausgeführt sein, insbesondere mit dem Kolben 20, der Kolbenwandung 31 und dem Drosselbauteil 9 als über dem Umfang um die Drehachse 25 geschlossenes Bauteil und die Speichen 32 als über dem Umfang der Drehachse 25 unterbrochenes Bauteil, letzteres um einen Durchtritt von Arbeitsmedium im Arbeitsraum 7 zu ermöglichen.
In einem Nebenraum 11 der hydrodynamischen Kupplung 2 ist eine Überbrückungskupplung 12 angeordnet, mittels welcher das Pumpenrad 3 und das Turbinenrad 4 drehfest aneinander gekoppelt werden können. Die Überbrückungskupplung 12 ist als Lamellenkupplung ausgeführt und weist drehfest mit dem Pumpenrad 3 verbundene erste Kupplungselemente 13 und drehfest mit dem Turbinenrad 4 verbundene zweite Kupplungselemente 14 auf. Zum Schließen der Überbrückungskupplung 12 ist eine Einkuppeleinrichtung 15 vorgesehen, welche mittels einer Anpressscheibe 35 die Kupplungselemente 13, 14 derart aneinander presst, dass diese in einen Reibschluss miteinander treten und somit drehfest aneinander gekoppelt sind.
Die Einkuppeleinrichtung 15 und der Verstellmechanismus 10 werden beide mittels eines Steuerdruckes aus einer Steuerleitung 16 betätigt, der Verstellmechanismus 10 im Sinne eines Verbringens des Drosselbauteils 9 in seine inaktive Position im Bereich des Trennspaltes 36 zwischen Pumpenrad 3 und Turbinenrad 4, und die Einkuppeleinrichtung 15 im Sinne eines Schließens der Überbrückungskupplung 12 durch Aneinanderkoppeln der Kupplungselemente 13, 14. Die Steuerleitung 16 verläuft entlang der Rotationsachse 25 innerhalb der Hohlwelle 24. Über einen Verstelldruckführungskanal 26 wird der Kolben 20 im Sinne eines Verbringens des Drosselbauteils 9 in die inaktive Stellung beaufschlagt, hier durch eine Verbindung der Steuerleitung 16 mittels dem Verstelldruckführungskanal 26 mit dem zweiten Teilbereich 22 des Kolbenraumes 18.
Die Anpressscheibe 35 der Einkuppeleinrichtung 15 wird über einen Einkuppeldruckführungskanal 27 mit dem Steuerdruck aus der Steuerleitung 16 im Sinne eines Schließens der Überbrückungskupplung beaufschlagt.
Auf der anderen Seite der Anpressscheibe 35 herrscht der Druck des Nebenraumes 11, in welchem die Überbrückungskupplung 12 zusammen mit einem Drehschwingungsdämpfer 28, der hier mit der Drehzahl des Turbinenrades 4 umläuft und drehfest an diesem angeschlossen ist, angeordnet ist. Aufgrund der kantigen und „zerklüfteten” Form des Drehschwingungsdämpfers 28 kann man davon ausgehen, dass das Arbeitsmedium im Nebenraum 11 im Wesentlichen mit der Drehzahl des Drehschwingungsdämpfers 28 und damit mit der Drehzahl des Turbinenrades 4 umläuft, obwohl das Gehäuse 34, welches den Nebenraum 11 umschließt, am Pumpenrad 3 drehfest angeschlossen ist und somit mit dessen Drehzahl umläuft. Hingegen ist nicht sichergestellt, dass das Arbeitsmedium im Teilbereich 21 des Kolbenraumes 18 und somit auf der dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite des Kolbens 20 ebenfalls mit der Drehzahl des Turbinenrads 4 umläuft, da der radial innere Fortsatz 23 des Turbinenrades 4 eine vergleichsweise glatte Oberfläche aufweist. Somit ist es möglich, dass an dieser Stelle das Arbeitsmedium mit einer höheren Drehzahl, insbesondere der Drehzahl des Pumpenrades 3 umläuft, was zu einem höheren Staudruck führt.
Ferner ist zu bedenken, dass der Druck aus dem Meridiananteil der Kreislaufströmung 8 entgegen dem Verstellsteuerdruck wirkt. Ferner haben die Erfinder erkannt, dass gerade im radial inneren Bereich des Arbeitsraumes 7, insbesondere im radial inneren Bereich des Trennspaltes 36, wobei dieser Bereich hier mit 33 bezeichnet ist, ein verhältnismäßig großer Druck, insbesondere Staudruck, herrscht. Dieser Druck aus dem Bereich 33 wird über die gezeigte Verbindung 42 tendenziell in den ersten Teilbereich 21 des Kolbenraumes 18 eingebracht, wodurch der dem Verstellsteuerdruck entgegenwirkende Druck auf der dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite des Kolbens 20 erhöht wird. All dies zusammen bewirkt, dass ein erheblicher Verstellsteuerdruck erforderlich ist, um das Drosselbauteil 9 aus seiner aktiven Position innerhalb der Kreislaufströmung 8 in seine inaktive Position außerhalb der Kreislaufströmung 8 zu schieben.
Erfindungsgemäß ist daher in der Verbindung 42 zwischen Arbeitsraum 7 und der dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite des Kolbens 20, hier dem ersten Teilbereich 21 des Kolbenraumes 18, eine Drosselstelle 19 vorgesehen, über welche eine Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsraum 7, insbesondere dem beschriebenen Bereich 33 und dem ersten Teilbereich 21, hergestellt wird. Die Drosselstelle ist gemäß der 1 durch einen Vorsprung 30, hier in Radialrichtung nach innen, am Turbinenrad 4 ausgebildet, der sich in Richtung der Kolbenwandung 31, die parallel zur Rotationsachse 25 verläuft, erstreckt.
Ferner ist der erste Teilbereich 21 mit dem Nebenraum 11 über eine Bohrung 17 verbunden, welche möglichst groß ausgeführt werden sollte, um den Druck im ersten Teilbereich 21 jenem im Nebenraum 11 anzunähern oder anzugleichen.
Anstelle oder zusätzlich zu der gezeigten in Axialrichtung der Kupplung ausgerichteten Bohrung 17, kann auch eine schräg oder rechtwinklig zur Axialrichtung (Rotationsachse 25) der Kupplung ausgerichtete Bohrung vorgesehen sein. Auch mehrere Bohrungen parallel zueinander sind möglich.
In der 2 ist als alternative oder zusätzliche Ausgestaltung ein Vorsprung 30 am Verstellmechanismus 10, genauer an der Kolbenwandung 31 vorgesehen, der sich radial nach außen in Richtung des Turbinenrades 4, genauer in Richtung des Fortsatzes 23 des Turbinenrades 4, erstreckt.
Ferner ist in der 3 eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher die Kolbenwandung 31 mit ihrer dem Vorsprung 30 am Turbinenrad 4 zugewandten Oberfläche schräg gegenüber der Rotationsachse (nicht gezeigt) der hydrodynamischen Kupplung verläuft. Hierdurch wird erreicht, dass sich beim Verschieben des Kolbens 20 und damit des Drosselbauteils 9 (nicht gezeigt) der Ringspalt 37 zwischen dem Vorsprung 30 und der Kolbenwandung 31, welche gemeinsam die Drosselstelle 19 ausbilden, in seiner Fläche verändert, sodass die Drosselwirkung mehr oder minder erhöht beziehungsweise vermindert wird. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Seitenverhältnisse umzukehren, das heißt den entsprechenden Bereich des Turbinenrades 4 mit einer schräg zur Rotationsachse verlaufenden Oberfläche zu versehen und den Vorsprung 30 am Verstellmechanismus 10 beziehungsweise der Kolbenwandung 31 vorzusehen.
In der 1 sind weitere alternative Ausgestaltungen der Erfindung schematisch angedeutet. So ist mit strichpunktierter Linie eine Verbindung 43 zwischen der dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite des Kolbens 20 und dem hydrodynamischen Zentrum 28 der Kreislaufströmung 8 im Arbeitsraum 7 angedeutet. Eine solche Verbindung reduziert den Druck im ersten Teilbereich 21 des Kolbenraumes 18, da im hydrodynamischen Zentrum 38 der Kreislaufströmung 8 der niedrigste Druck im Arbeitsraum herrscht.
Ferner ist mit einer weiteren strichpunktierten Linie eine Verbindung 44 zwischen der dem Verstellsteuerdruck abgewandten Seite des Kolbens 20 und dem Arbeitsmediumablauf 6 angedeutet. Da auch im Arbeitsmediumablauf 6 ein vergleichsweise geringer Druck herrscht, wird eine entsprechende Wirkung erzielt.
Schließlich ist auch eine direkt druckausgleichende Verbindung 45, wie durch eine weitere strichpunktierte Linie angedeutet, zwischen den beiden dem jeweiligen Steuerdruck abgewandten Seiten des Kolbens 20 und der Anpressscheibe 35 möglich. Durch den hierbei erzielten Druckausgleich wirkt auf beide Betätigungsorgane derselbe Arbeitsmediumdruck.
Um trotzdem eine Steuerdruckdifferenzierung zu erreichen, das heißt zu bewirken, dass die Überbrückungskupplung 12 bei einem höheren Druck schließt als das Drosselbauteil 9 aus der Kreislaufströmung verschoben wird, kann, wie dargestellt, eine Feder 29 vorgesehen sein, insbesondere in Form einer Tellerfeder, welche dem Einkuppelsteuerdruck entgegenwirkt.
Bezugszeichenliste

1: Anfahreinheit
2: hydrodynamische Kupplung
3: Pumpenrad
4: Turbinenrad
5: Arbeitsmediumzulauf
6: Arbeitsmediumablauf
7: Arbeitsraum
8: Kreislaufströmung
9: Drosselbauteil
10: Verstellmechanismus
11: Nebenraum
12: Überbrückungskupplung
13, 14: Kupplungselemente
15: Einkuppeleinrichtung
16: Steuerleitung
17: Bohrung
18: Kolbenraum
19: Drosselstelle
20: Kolben
21: erster Teilbereich
22: zweiter Teilbereich
23: Fortsatz des Turbinenrades
24: Hohlwelle
25: Rotationsachse
26: Verstelldruckführungskanal
27: Einkuppeldruckführungskanal
28: Drehschwingungsdämpfer
29: Feder
30: Vorsprung
31: Kolbenwandung
32: Speichen
33: Bereich
34: Gehäuse
35: Anpressscheibe
36: Trennspalt
37: Ringspalt
38: hydrodynamisches Zentrum
42: Verbindung
43: Verbindung
44: Verbindung
45: Verbindung

Claims

Anfahreinheit (1) mit einer 1.1 hydrodynamischen Kupplung (2) mit einem Pumpenrad (3) und einem Turbinenrad (4), die miteinander einen torusförmigen, über einen Arbeitsmediumzu- (5) und einen Arbeitsmediumablauf (6) mit Arbeitsmedium befüllbaren und entleerbaren Arbeitsraum (7) ausbilden, in dem eine Kreislaufströmung (8) des Arbeitsmediums ausbildbar ist; wobei ein Drosselbauteil (9) vorgesehen ist, das mittels eines druckbetätigbaren Verstellmechanismus (10) zur Beeinflussung der Kreislaufströmung (8) im und/oder am Arbeitsraum (7) verschiebbar ist; wobei 1.2 der Verstellmechanismus (10) einen druckbetätigbaren Kolben (20) ausbildet oder an einem solchen angeschlossen ist, der in einem Kolbenraum (18) derart angeordnet ist, dass der Kolben (20) zu seiner Verschiebung mit Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, um das Drosselbauteil (9) in die Kreislaufströmung (8) oder aus ihr heraus zu verschieben; und mit 1.3 einer in einem Nebenraum (11) der hydrodynamischen Kupplung (2) angeordneten mechanischen Überbrückungskupplung (12) mit wenigstens zwei Kupplungselementen (13, 14), die über eine druckbetätigbare Anpressscheibe (35) einer Einkuppeleinrichtung (15) miteinander kraftschlüssig in Verbindung bringbar sind, derart, dass das Pumpenrad (3) und das Turbinenrad (4) drehfest koppelbar sind; wobei 1.4 der Kolben (20) des Verstellmechanismus (10) und die Anpressscheibe (35) der Einkuppeleinrichtung (15) zu deren Druckbetätigung über eine vom Arbeitsmediumzu- (5) und Arbeitsmediumablauf (6) separate, jedoch gemeinsame Steuerleitung (16) mit Arbeitsmediumdrücken beaufschlagbar sind, wobei ein zur Druckbetätigung des Verstellmechanismus (10) nötiger Verstellsteuerdruck und ein zur Druckbetätigung der Anpressscheibe (35) der Einkuppeleinrichtung (15) nötiger Einkuppelsteuerdruck in der Steuerleitung (16) anlegbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass 1.5 zwischen dem Arbeitsraum (7) und jener Seite des Kolbenraumes (18), welcher der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbens (20) abgewandt ist, eine Verbindung (42) vorgesehen ist, in welche eine Drosselstelle (19) eingebracht ist, die einen Druckabfall zwischen dem Arbeitsraum (7) und der entsprechenden Seite des Kolbenraumes (18) erzielt, wobei der Kolben (20) über eine Kolbenwandung (31) mit dem Drosselbauteil (9) verbunden ist und sich die radial äußere Oberfläche der Kolbenwandung (31) und wenigstens ein Vorsprung des Turbinenrades (4) oder Pumpenrades (3) gegenüberstehen und miteinander die Drosselstelle (19) ausbilden oder begrenzen, oder sich ein Vorsprung auf der Kolbenwandung (31) und das Turbinenrad (4) oder Pumpenrad (3) oder ein Vorsprung desselben gegenüberstehen und miteinander die Drosselstelle (19) ausbilden oder begrenzen; und/oder 1.6 die Seite des Kolbenraumes (18), welche der mit dem Verstellsteuerdruck beaufschlagten Seite des Kolbens (20) abgewandt ist, über eine teilweise oder vollständig druckausgleichende Verbindung (43, 44) mit dem Zentrum (38) der Kreislaufströmung (8) im Arbeitsraum (7), dem Arbeitsmediumablauf (6) oder über eine direkte druckausgleichende Verbindung (45) mit der Seite der Anpressscheibe (35) der Einkuppeleinrichtung (15) verbunden ist, welche der mit dem Einkuppelsteuerdruck beaufschlagten Seite abgewandt ist.
Anfahreinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (20) über eine Kolbenwandung (31), insbesondere durch Zwischenschaltung von Speichen (32), mit dem Drosselbauteil (9) verbunden und einteilig damit ausgebildet ist und in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung (2) verschiebbar ist.
Anfahreinheit gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radial äußere Oberfläche der Kolbenwandung (31) und ein Vorsprung (30) des Turbinenrades (4) und/oder die Kolbenwandung (31) und ein Vorsprung (30) des Pumpenrads gegenüberstehen und miteinander die Drosselstelle (19) ausbilden oder begrenzen, wobei der Vorsprung (30) im Wesentlichen in Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung (2) verläuft.
Anfahreinheit gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenwandung (31) auf der dem Turbinenrad (4) oder dem Pumpenrad (3) zugewandten Fläche eine zur Drehachse der hydrodynamischen Kupplung (2) winklige Wandungsfläche aufweist, sodass der Strömungsquerschnitt für Arbeitsmedium an der Drosselstelle (19) beim Verschieben des Kolbens relativ zum Pumpen- (3) oder Turbinenrad (4) in Abhängigkeit der Position des Kolbens (20) variiert wird.
Anfahreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise oder vollständig druckausgleichende Verbindung (43) zwischen der verstellsteuerdruckabgewandten Seite des Kolbens (20) und dem Zentrum (46) der Kreislaufströmung (8) durch einen oder mehrere Kanäle in dem Kolben (20), einer das Drosselbauteil (9) mit dem Kolben verbindenden Kolbenwandung (31) und/oder Speichen (32) sowie in dem Drosselbauteil (9) ausgebildet wird, insbesondere ausschließlich hieraus besteht.
Anfahreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (20) den Kolbenraum (18) in einen ersten Teilbereich (21) und in einen zweiten Teilbereich (22) unterteilt, sodass die beiden Teilbereiche (21, 22) zueinander abdichtend angeordnet sind.
Anfahreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und insbesondere gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorsehen der arbeitsmediumleitenden Verbindung (42) mit der Drosselstelle (19) zwischen dem Arbeitsraum (7) und der verstellsteuerdruckabgewandten Seite des Kolbens (20) diese Seite zusätzlich über eine arbeitsmediumleitende Verbindung, insbesondere eine Bohrung (17) in dem den Kolbenraum (18) vom Nebenraum (11) trennenden Pumpenrad (3) oder Turbinenrad (4), mit dem Nebenraum (11) verbunden ist.
Anfahreinheit gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung (17) im Wesentlichen in Axialrichtung oder Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung (2) verläuft, und insbesondere auf einem kleineren Durchmesser als der Arbeitsraum (7) verläuft.
Anfahreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitung (16) zumindest teilweise vom Hohlraum einer Hohlwelle (24) ausgebildet ist, wobei die Hohlwelle (24) die Rotationsachse (25) der hydrodynamischen Kupplung (2) ausbildet.
Anfahreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (10) einen Verstellsteuerdruckführungskanal (26) umfasst und die Einkuppeleinrichtung (15) einen Einkuppelsteuerdruckführungskanal (27) umfasst, wobei der Verstellsteuerdruckführungskanal (26) und der Einkuppelsteuerdruckführungskanal (27) von der Steuerleitung (16) abzweigen.