DE102013214077B4 - Hydrodynamischer Retarder - Google Patents

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Abstract

Hydrodynamische Maschine, insbesondere hydronamischer Retarder umfassend ein erstes Schaufelrad, insbesondere Rotor (1), und ein hierzu konzentrisch angeordnetes zweites Schaufelrad, insbesondere Stator (2), die gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum (4) bilden und die um eine gemeinsame Drehachse (5) gruppiert sind, wobei jedes Schaufelrad (1, 2) aus wenigstens zwei Bauteilen zusammengesetzt ist, einem Grundkörper (7a, b) und mehreren Schaufeln (8), und die Schaufeln (8) aus einem Schaufelteil (31) und einem Schenkelteil (32) bestehen, wobei die Schaufeln (8) einteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaufelteile (31) der Schaufel (8) jedes Schaufelrades (1, 2) in einer Kreisbogenform mit im Wesentlichen einem Radius R von einem radial inneren Schaufelende an einer radial inneren Wandung des Grundkörpers (7a, b) zu einem radial äußeren Schaufelende an einer radial äußeren Wandung des Grundkörpers (7a, b) erstrecken, wobei die Schaufeln (8) aus einem Blech gefertigt sind, welches derart abgewinkelt ist, dass der Radius R des Schaufelteils (31) im Wesentlichen gleich ist mit dem Radius RA des Arbeitsraumes (4) oder des Schenkelteils (32).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder, zur Erzeugung eines Bremsmomentes mittels eines Fluides.
  • Hydrodynamische Maschinen oder auch hydrodynamischer Retarder, umfassen allgemein ein Gehäuse, in dem ein erstes Schaufelrad, insbesondere Rotor, und ein hierzu konzentrisch angeordnetes zweites Schaufelrad, insbesondere Stator, die gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum bilden und die um eine gemeinsame Drehachse gruppiert sind, angeordnet sind.
  • Retarder oder auch hydrodynamische Bremsen können in einem Antriebsstrang motorseitig bzw. getriebeseitig angeordnet sein. Der Füllungsgrad des Retarders mit einem Arbeitsfluid, zum Beispiel Öl oder auch Wasser mit und ohne Zusätze, bestimmt das Bremsmoment. Bei Bedarf, Bremsbetrieb, wird das Arbeitsfluid aus einem Vorratsbehälter in den Arbeitsraum geleitet, welches beim Abschalten des Retarders, (Nicht-Bremsbetrieb) durch die Schaufelräder, wieder zurückgepumpt wird.
  • Im Bremsbetrieb beschleunigt der Rotor das zugeführte Öl, wodurch dieses durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt wird. Die Form und Anordnung der Schaufeln bewirkt, dass das Öl in den Stator und von diesem wieder zurück zum Rotor geleitet wird, wodurch der Rotor und in weiterer Folge dann auch z. B. die Gelenkwelle des Antriebstrangs abgebremst wird.
  • Jedes Schaufelrad besteht aus jeweils einem Grundkörper und einer an diesem befestigten Beschaufelung, mit einer Mehrzahl von Schaufeln. Der Arbeitsraum ist mit einer Fluidzufuhr sowie einer Fluidabfuhr verbunden, durch welche ein Arbeitsfluid zu- und abgeführt werden kann.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Schaufelradausführungen bekannt. Insbesondere werden unterschiedliche Schaufelformen offenbart. So ist zum Beispiel aus der US 5,147,181 A eine Schaufelform bekannt, die durch einen Bogen der Schaufel gekennzeichnet ist, der eine bestimmte Parabelform aufweist.
  • Aus der DE 10 2010 006 332 A1 und der DE 10 2010 006 333 A1 ist eine weitere bogenförmige Schaufelform bekannt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Bogen, in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse auf jedes Schaufelrad, eine Kreisbogenform aufweist.
  • Gemäß dieser Patentschriften ist es für die Strömungsführung der hydrodynamischen Kreislaufströmung im Arbeitsraum entscheidend, dass der Bogen diese bestimmte Form aufweist, insbesondere um die Leistungsdichte der hydrodynamischen Maschine zu verbessern.
  • Die DE 197 07 557 B4 offenbart weiterhin ein Schaufelrad, das aus einem Grundkörper und einer Mehrzahl von geraden Schaufeln besteht, die in den Grundkörper eingesetzt und mit diesem verbunden sind. Dabei besteht eine Schaufel aus einem aufwendig gefertigtem Blechteil, das einen an die Rundung den Grundkörpers angepassten Schenkel aufweist.
  • Obwohl hydrodynamische Maschinen mit den verschiedensten Schaufelprofilen bekannt sind, besteht ein fortwährender Bedarf, ein Optimum hinsichtlich der Leistungsdichte bei gleichzeitig günstigen Herstellungskosten und hoher Zuverlässigkeit zu erreichen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder anzugeben, der die genannten Anforderungen noch besser als bisher bekannte Ausführungsformen erfüllt. Insbesondere soll eine hohe Leistungsdichte bei einer möglichen kostengünstigen Herstellung erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine hydrodynamische Maschine gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine oder der Retarder umfasst ein erstes Schaufelrad, insbesondere Rotor, und ein hierzu konzentrisch angeordnetes zweites Schaufelrad, insbesondere Stator, die gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum bilden und die um eine gemeinsame Drehachse gruppiert sind, wobei jedes Schaufelrad aus wenigstens zwei Bauteilen zusammengesetzt ist, einem Grundkörper und mehreren Schaufeln. Dabei erstrecken sich die Schaufeln jedes Schaufelrades in einem Bogen von einem radial inneren Schaufelende an einer radial inneren Wandlung des Grundkörpers zu einem radial äußeren Schaufelende an einer radial äußeren Wandung des Grundkörpers.
  • In einer vorteilhaften Ausführung weist der Bogen der Schaufeln, in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse auf jede Schaufel, eine Kreisbogenform auf, die im Wesentlichen einen Radius R aufweist, der zumindest im Wesentlichen mit dem Radius RA des Arbeitsraumes übereinstimmt.
  • Weiterhin kann die Schaufel senkrecht zur Trennebene zwischen Rotor und Stator in dem Grundkörper positioniert sein. Alternativ dazu können die Schaufeln in Drehrichtung gesehen aber auch nach vorn geneigt sein, vorzugweise um 0,5° bis 5°.
  • Weiterhin kann das Verhältnis zwischen dem Radius R des Arbeitsraumes und dem Durchmesser Dp des Rotors in einem Bereich von 1:10 und 1:35, vorzugsweise in einem Bereich von 1:15 und 1:25, und besonders vorzugsweise bei 1:20 liegen.
  • Zur Verlustleitungssteigerung im Bremsbetrieb kann die der Trennebene zugewandte Schaufelvorderkante einer Schaufel, eine Übergangskante aufweisen. Dies kann beispielsweise eine Phase sein, die spitz zuläuft.
  • Weiterhin kann die der Trennebene zugewandte Schaufelvorderkante einer Schaufel eine konvexe Kontur aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Verlustleistung im Nicht-Bremsbetrieb verringert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführung bestehen die Schaufeln aus einem Schaufelteil und einem Schenkelteil, wobei die Schaufeln einteilig ausgebildet sind. Die Schaufeln können beispielsweise aus einem Blech gefertigt sein, welches derart abgewinkelt ist, dass der Radius R des Schaufelteils nahezu gleich ist mit dem Radius RA des Schenkelteils, welches in den Arbeitsraum des Schaufelrades eingesetzt wird. Die Herstellung kann beispielweise im Biege- oder Biege-Zieh-Verfahren erfolgen.
  • Die derart hergestellten Schaufeln können in vorteilhafterweise in die Grundkörper eingesetzt und mit diesen verschweiß, verlötet oder verklebt werden.
  • Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaufelrades kann folgende Schritte aufweisen:
    • – einsetzen der Schaufeln in einen Werkstückhalter
    • – einsetzen der Schaufeln in den Grundkörper, mittels des Werkstückhalters
    • – einpressen der Schaufeln in den Grundkörpergrund, sodass die Schaufel richtig im Grundkörper positioniert ist
    • – fixieren der Schaufeln im Grundkörper mittels einer Fixiervorrichtung
    • – verschweißen oder verlöten von Schaufeln und Grundkörper
  • Beim Verkleben muss vor dem Einsetzen der Schaufeln mit Hilfe des Werkstückhalters in den Grundkörper der Klebstoff ein oder zweiseitig aufgebracht werden.
  • Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
  • In diesen zeigen:
  • 1 einen Retarder mit einem erfindungsgemäßen Schaufelrad im Schnitt
  • 2 Schaufelrad
  • 3 Schaufel in drei Ansichten
  • 4 Schritte des Fertigungsverfahrens
  • 1 zeigt einen Retarder mit einem erfindungsgemäßen Schaufelrad im Schnitt, welcher insbesondere in Bussen und Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommt.
  • Der Rotor 1 ist hierbei auf einer Hohlwelle 22 montiert, die in Triebverbindung mit einer Antriebswelle 13 steht. Der Retarder umfasst ein Gehäuse 12, bestehend aus mehreren Gehäuseteilen, einen Rotor 1 und einen Stator 2, welche miteinander einen torusförmigen Ringraum bzw. Arbeitsraum 4 bilden. Der Arbeitsraum 4 setzt sich zusammen aus der rotorseitigen Arbeitsraumhälfte 4a und der statorseitigen Arbeitsraumhälfte 4b sowie dem Trennspalt, der zwischen den Arbeitsraumhälften positioniert ist. In diesem Fall ist der Trennspalt mittig zwischen den Arbeitsraumhälften bzw. zur Trennebene 3 positioniert.
  • Rotor 1 wie auch Stator 2 setzen sich zusammen aus den Grundkörpern 7a, b und einer an diesen befestigten Beschaufelung mit einer Mehrzahl von Schaufeln 8.
  • Der Retarder wird mit einem Arbeitsfluid, insbesondere einem Öl betrieben, welches mittels der Pumpe 21 über den Kanal 14 in den Spiralkanal 11a gepumpt wird. Vom Spiralkanal 11a gelangt das Öl durch den Einlassspalt 9 in den Arbeitsraum 4. Der Einlassspalt 9 wird im Wesentlichen durch den Trennspalt 3 gebildet, der sich radial in Bezug auf die Drehachse 5 erstreckt. Dies bewirkt, dass die Ölzufuhr radial erfolgt. Im Arbeitsraum 4 bildet sich während des Bremsbetriebs eine Kreislaufströmung 6. Die entstehende Bremsenergie wird überwiegend in Wärme umgesetzt, sodass es erforderlich ist, das Öl permanent mittels einem Wärmetauscher zu kühlen.
  • Dieses Öl wird über den Fluidauslass bzw. den Auslasskanal 10 aus der Kreislaufströmung in den Spiralkanal 11b abgeleitet.
  • In 2 wird ein Schaufelrad bestehend aus einem Grundkörper, Rotorgrundkörper 7a oder Statorgrundkörper 7b, mit Schaufel 8 gezeigt. Der hier gezeigte Grundkörper 7 besteht aus einem Blechteil, in das die Schaufeln 8 eingesetzt sind. Die Schaufel 8 kann, wie in der Ansicht A dargestellt, ein mit dem Radius R gebogenes Blech sein. Der Bogen erstreckt sich dabei von einem radial inneren Schaufelende an einer radial inneren Wandung des Grundkörpers (7), (Durchmesser Dp – 4R), zu einem radial äußeren Schaufelende an einer radial äußeren Wandung des Grundkörpers (7), (Durchmesser Dp). Zur Befestigung bzw. Fixierung der Schaufeln 8 im Grundkörper 7, können Laschen an der Schaufel 8 und entsprechende Öffnungen im Grundkörper 7 vorgesehen werden (nicht dargestellt). Weiterhin können die Schaufel 8 mit dem Grundkörper 7 verschweißt, verlötet oder verklebt sein.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführung der Schaufel 8 in drei Ansichten. Die hier gezeigte Schaufel besteht aus einem Blech, das derart gebogen ist, dass ein Schaufelteil 31 und ein Schenkelteil 32 entsteht, die nahezu rechtwinkelig zueinander angeordnet sind. Wie in der Draufsicht, linke untere Darstellung, zu erkennen ist, ist das Schaufelteil 31 mit einem Radius R gebogen. Das Schenkelteil 32 ist derart geformt, dass in einem Grundkörper hintereinander angeordnete Schaufeln 8, bestehend aus Schaufelteil 31 und Schenkelteil 32, bündig aneinandergrenzen.
  • In der Schnittdarstellung A-A ist der Radius RA des Schenkelteils 32 sowie die konvexe angefasste Schaufelvorderkante 30 dargestellt. Der Radius RA spricht im Wesentlichen dem Radius R. Der Radius RK der Schaufelvorderkante 30 kann einen Wert aufweisen, der in etwa dem 2,5 fachen des Radius RA entspricht. Die dargestellte Mittellinie oberhalb der Schaufelvorderkante 30 entspricht der Mitte zwischen den beiden Schaufelrädern, Rotor und Stator bzw. der Mitte des Trennspalts.
  • In der Schnittdarstellung B-B ist insbesondere der Winkel α zu erkennen. Das Schaufelteil 31 steht im Wesentlichen senkrecht zur Trennebene. Im Sinne der Erfindung sind unter senkrecht alle Winkel zu verstehen, die durch das Biegeverfahren des einteiligen Schaufelteils 8 zwangsmäßig dadurch entstehen, dass das Blech eine Dicke hat und gewisse Biegeradien eingehalten werden müssen.
  • Idealerweise ist die Schaufel 8 derart gebogen, dass der Winkel α um 0,5° bis 5° kleiner als 90° ist, das Schaufelteil 31 also in Drehrichtung nach vorne geneigt ist.
  • Zur Befestigung der Schaufel 8 im Grundkörper 7a, b ist im Schenkelteil 32 eine Öffnung 34 vorgesehen (Bohrung).
  • 4 zeigt das Fertigungsverfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaufelrades. In einem vorbereitenden Verfahrensschritt, hier nicht dargestellt, werden die Schaufeln 4 in ein Setzwerkzeug 25 eingesetzt. Idealerweise ist das Setzwerkzeug 25 derart ausgelegt, dass alle Schaufeln 8 für ein Schaufelrad in das Setzwerkzeug 25 eingesetzt werden können. In einem ersten Schritt werden die Schaufeln 8 unter Verwendung des Setzwerkzeugs 25 in den Grundkörper 7 (Rotor oder Stator) eingesetzt.
  • In einem zweiten Schritt wird die Schaufel 8 mit einem Presswerkzeug 26 in den Grundkörpergrund gedrückt, sodass der Stift 33 in das Stiftloch 34 eingreift. Mit dem Presswerkzeug 26 wird die Schaufel 8 so lange auf dem Grundkörpergrund gehalten, bis der Stift 33, in einem dritten Schritt, mittels einem Stempel 27 gestaucht wird, sodass eine Art Nietverbindung entsteht. Idealerweise verbleibt nach dem Vernieten ein Spalt zwischen Grundkörper 7 und Schaufel 4 bzw. Schenkelteil 32 von ≤ 0,1 mm.
  • Die so befestigten Schaufeln 8 werden anschließend in einem vierten Schritt mit dem Grundkörper verlötet oder verschweißt.
  • Alternativ besteht auch die Möglichkeit den Grundkörper 7 mit der Schaufel 8 zu verkleben, wobei dann das Aufbringen des Klebstoffes vor dem ersten Schritt erfolgt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Rotor
    2
    Stator
    3
    Trennebene
    4
    Arbeitsraum
    5
    Drehachse
    6
    Kreislaufströmung
    7a, b
    Grundkörper
    8
    Schaufel
    9
    Einlassspalt
    10
    Auslasskanal
    11a, b
    Einlass- und Auslassspiralen
    12
    Gehäuse
    13
    Retarderwelle
    14
    Pumpenkanal
    20
    Lager
    21
    Pumpe
    22
    Hohlwelle
    25
    Setzwerkzeug
    26
    Presswerkzeug
    27
    Stempel
    30
    Schaufelvorderkante
    31
    Schaufelteil
    32
    Schenkelteil
    33
    Stift
    34
    Stiftloch
    35
    Profilmitte

Claims (9)

  1. Hydrodynamische Maschine, insbesondere hydronamischer Retarder umfassend ein erstes Schaufelrad, insbesondere Rotor (1), und ein hierzu konzentrisch angeordnetes zweites Schaufelrad, insbesondere Stator (2), die gemeinsam einen torusförmigen Arbeitsraum (4) bilden und die um eine gemeinsame Drehachse (5) gruppiert sind, wobei jedes Schaufelrad (1, 2) aus wenigstens zwei Bauteilen zusammengesetzt ist, einem Grundkörper (7a, b) und mehreren Schaufeln (8), und die Schaufeln (8) aus einem Schaufelteil (31) und einem Schenkelteil (32) bestehen, wobei die Schaufeln (8) einteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaufelteile (31) der Schaufel (8) jedes Schaufelrades (1, 2) in einer Kreisbogenform mit im Wesentlichen einem Radius R von einem radial inneren Schaufelende an einer radial inneren Wandung des Grundkörpers (7a, b) zu einem radial äußeren Schaufelende an einer radial äußeren Wandung des Grundkörpers (7a, b) erstrecken, wobei die Schaufeln (8) aus einem Blech gefertigt sind, welches derart abgewinkelt ist, dass der Radius R des Schaufelteils (31) im Wesentlichen gleich ist mit dem Radius RA des Arbeitsraumes (4) oder des Schenkelteils (32).
  2. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelteile (31) der Schaufeln (8) senkrecht zur Trennebene (3) zwischen Rotor (1) und Stator (2) in dem Grundkörper (7a, b) positioniert sind.
  3. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelteile (31) der Schaufeln (8) in Drehrichtung gesehen nach vorn geneigt sind.
  4. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelteile (31) der Schaufeln (8) in Drehrichtung gesehen um 0,5° bis 5° nach vorne geneigt sind.
  5. Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R des Arbeitsraumes (4) zum Durchmesser Dp des Rotors (1) in einem Verhältnis zwischen 1:10 und 1:35, vorzugsweise Zwischen 1:15 und 1:25, und besonders vorzugsweise bei 1:20 liegt.
  6. Hydrodynamische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennebene (3) zugewandte Schaufelvorderkante (30) eine Übergangskante aufweist.
  7. Hydrodynamische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennebene (3) zugewandte Schaufelvorderkante (30) eine konvexe Kontur aufweist.
  8. Hydrodynamische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (8) mit dem Grundkörper (7a, b) verschweißt, verlötet oder verklebt sind.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Schaufelrades entsprechend der Ansprüche 1 bis 8, mit folgenden Schritten: – einsetzen der Schaufeln (8) in einen Werkstückhalter (14) – einsetzen der Schaufeln (8) in den Grundkörper (7a, b) mittels des Werkstückhalters (14) – einpressen der Schaufeln in den Grundkörpergrund – fixieren der Schaufeln im Grundkörper (7a, b) durch Umformung – verschweißen oder verlöten oder verkleben von Schaufeln und Grundkörper (7a, b).
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