DE102013224094B4

DE102013224094B4 - Hydrodynamische Maschine mit Koppelvorrichtung

Info

Publication number: DE102013224094B4
Application number: DE102013224094.5A
Authority: DE
Inventors: Achim Menne
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: WO2015078579A3; DE102013224094A1; CN204784317U; WO2015078579A2

Abstract

Hydrodynamische Maschine, insbesondere hydrodynamischer Retarder, zum Anbau an ein Getriebe, umfassend ein Gehäuse bestehend aus Rotorgehäuseteil (3) und Statorgehäuseteil (4), in denen zumindest eine Welle (25), zwei Schaufelräder, insbesondere Rotor (1) und Stator (2), die einen torusförmigen mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum (26) ausbilden, angeordnet sind, wobei die Schaufelräder (1, 2) und ein Hochtriebszahnrad (5) um eine gemeinsame Drehachse (28) angeordnet und das zumindest ein Schaufelrad (1) und das Hochtriebszahnrad (5) unabhängig voneinander drehbar gelagert sind, wobei das Hochtriebszahnrad (5) außerhalb des Gehäuses (3, 4) angeordnet und mit der Welle (25) drehfest verbunden ist, und der Rotor (1) auf der Welle (25) drehbar gelagert ist, wobei zur Drehmomentübertragung zwischen Hochtriebszahnrad (5) und Rotor (1) eine Koppelvorrichtung (31) vorgesehen ist, die im Gehäuse (3, 4) der hydrodynamischen Maschine angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung (31) in Axialrichtung gesehen hinter dem Hochtriebszahnrad (5) und den Schaufelrädern, Rotor (1) und Stator (2), angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hydrodynamische Maschine, insbesondere einen hydrodynamischen Retarder, sowie einen Antriebsstrang mit einer derartigen hydrodynamischen Maschine, zur Erzeugung eines Bremsmomentes mittels eines Arbeitsfluides, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Insbesondere betrifft die Erfindung hydrodynamische Retarder, die als verschleißfreie Dauerbremse in Antriebsstränge, insbesondere Kraftfahrzeugantriebsstränge, beispielsweise in Lastkraftwagen, eingesetzt werden.
Derartige Retarder können als Wasserretarder, die als Arbeitsmedium das Kühlwasser des Fahrzeuges nutzen, oder als Ölretarder, die als Arbeitsmedium ein Öl verwenden, ausgebildet sein.
Der Wasserretarder ist dabei meist in den Fahrzeugkühlkreislauf eingebunden bzw. an diesen angebunden. Der Ölretarder weist demgegenüber einen Ölkreislauf und einen Ölkühlkreislauf auf, wobei der Ölkühlkreislauf in den Fahrzeugkühlkreislauf eingebunden bzw. an diesen angebunden sein kann.
Derartige Retarder umfassen zwei Schaufelräder auf einer Drehachse, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum ausbilden, von denen wenigstens eines drehbar gelagert und über den Antriebsstrang, sowie ein auf der Retarderwelle angeordnetes Zahnrad, antreibbar ist. Der Arbeitsraum ist für einen ersten Betriebszustand, Bremsen, über wenigstens einen vorgesehenen Arbeitsmediumeinlass mit Arbeitsmedium befüllbar. Während der Bremsung bildet sich im Arbeitsraum eine Kreislaufströmung, wobei das Arbeitsmedium ein Drehmoment und/oder eine Antriebsleistung hydrodynamisch vom ersten auf das zweite Schaufelrad überträgt. Für einen zweiten Betriebszustand, Nicht-Bremsbetrieb, wird das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum des Retarders abgepumpt, um eine Drehmoment- und/oder Antriebsleistungsübertragung zu vermeiden.
Um unnötige Verluste durch das Mitdrehen des Rotors im Nicht-Bremsbetrieb zu vermeiden, sind weiterhin Retarder bekannt, die vom Antrieb bzw. vom Getriebe des Fahrzeuges entkoppelbar sind. Hierzu wird eine Koppel- und/oder Synchronisiervorrichtung verwendet. Die Synchronisiervorrichtung ist, wie z. B. in der DE 10 2011 120 620 A1 offenbart, meist zwischen Getriebe und Retarder positioniert bzw. angeordnet. So können alle zu schmierenden Bauteile der Synchronisiervorrichtung über die Getriebeschmierung mit Getriebeöl versorgt werden und der Wasserkreislauf des Wasserretarders ist relativ gut vom Wasserkreislauf zu trennen.
Dieser Aufbau hat aber den Nachteil, dass der Retarder, insbesondere Wasserretarder, nicht zusammen mit der Synchronisierungseinheit als geprüfte Baueinheit geliefert und an das Getriebe montiert werden kann, wodurch die Betriebssicherheit des Retarders beeinträchtigt werden kann.
In der DE 103 05 239 A1 ist eine spezielle Antriebsanordnung mit einem entkoppelbaren Retarder offenbart, wobei der Retarder in dem Getriebegehäuse integriert ist.
Eine weitere Lösung zeigt die DE 16 00 148 A . Hier ist das Kupplungssystem radial innerhalb des Arbeitsraums des Retarders angeordnet. Einen derartige Anordnung hat den Nachteil, dass das Kräfteverhältnis von Bremsmoment und Reibmoment relativ ungünstig ist, so dass der Reibbelag schneller verschleißt. Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, den Aufbau derart zu ändern, dass die Betriebssicherheit verbessert wird.
Die Aufgabe wird mittels eines hydrodynamischen Retarders mit den Merkmalen des Anspruches 1, sowie einem Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße hydrodynamische Maschine umfasst ein Gehäuse, in dem zumindest eine Welle, zwei Schaufelräder, insbesondere Rotor und Stator, die einen torusförmigen mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum ausbilden und ein Hochtriebszahnrad angeordnet sind. Weiterhin sind die Schaufelräder und das Hochtriebszahnrad um eine gemeinsame Drehachse angeordnet, wobei zumindest ein Schaufelrad und das Hochtriebszahnrad unabhängig voneinander drehbar gelagert sind.
Die Hydrodynamische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung in Axialrichtung gesehen hinter dem Hochtriebszahnrad und den Schaufelrädern, Rotor und Stator, angeordnet ist.
Bei der hydrodynamischen Maschine kann es sich um einen hydrodynamischen Retarder handeln, der als Wasserretarder oder Ölretarder ausgeführt sein kann und der zum Anbau an ein Getriebe geeignet ist.
Durch die Anordnung der Koppelvorrichtung im Gehäuse der hydrodynamischen Maschine kann die Hydrodynamische Maschine mit der Koppelvorrichtung in Betrieb genommen werden, sodass die Koppelfunktion von Getriebe und Retarder vorab getestet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung kann der Rotor über zwei beabstandete Lagerungen auf der Welle gelagert sein, sodass die Laufruhe des Rotors verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführung kann die Koppelvorrichtung eine Synchronisiereinheit umfassen. Vorteilhaft ist es, wenn die Synchronisiereinheit ein Einfach-Doppel- oder Dreifachkonussystem umfasst. Eine Synchronisiereinheit mit mehreren Reibflächenpaaren, wie das Doppel- oder Dreifachsystem, verbessert die Funktion der Drehzahlanpassung.
Weiterhin kann die Synchronisiereinheit ein Synchronisierelement mit einer Sperrverzahnung umfassen, sodass sichergestellt ist, dass die Koppelung nur dann erfolgt, wenn die Verzahnungen der Koppelvorrichtung zueinander fluchten.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Koppelvorrichtung einen Kolben, mittels dem die Koppelvorrichtung vom Entkopplungszustand in den Kopplungszustand bewegt werden kann. Die Betätigung des Kolbens kann hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Der für die Betätigung erforderliche Ansteuerungskanal kann auf unterschiedliche Weise durch das Retardergehäuse zum Kolben geführt werden. So kann die Betätigung des Kolbens getriebeseitig, durch einen Wellenkanal, oder retarderseitig, über einen Anschlusskanal, erfolgen.
Daneben besteht die Möglichkeit den Kolben mittels eines Betätigungselementes, wie zum Beispiel einer Betätigungsstange, zu betätigen.
Weiterhin kann der Rotor mit einer Hohlwelle drehfest verbunden oder einstückig ausgeführt sein und die Hohlwelle einen Zylinderbereich aufweisen, in dem der Kolben der Koppelvorrichtung axial verschiebbar gelagert ist.
Erfindungsgemäß kann die Kopplung formschlüssig erfolgen. Dazu kann der Kolben eine Außenverzahnung aufweisen, die über den Verschiebebereich in eine Innenverzahnung im Zylinderbereich der Hohlwelle eingreift und eine Innenverzahnung die mit der Außenverzahnung der Kupplungsscheibe in Eingriff bringbar ist, sodass ein Drehmoment von der Hohlwelle auf die Welle übertragbar ist.
Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Antriebsstrang für eine Maschine vorgeschlagen, der sich dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung baulich in der hydrodynamischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angeordnet ist.
In diesem Antriebsstrang kann die Schmierung der Koppelvorrichtung und der Lager getriebeseitig erfolgen. Somit kann insbesondere beim Wasserretarder auf eine separate Schmiervorrichtung verzichtet werden.
Des Weiteren kann die Welle getriebeseitig im Getriebegehäuse gelagert sein.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:
1 Retarder mit Kopplungsvorrichtung, die retarderseitig angesteuert wird
2 Retarder mit Kopplungsvorrichtung die getriebeseitig angesteuert wird
3 Retarder mit Kopplungsvorrichtung die getriebeseitig angesteuert wird, wobei ein separater Schmierkanal vorgesehen ist
4 Retarder mit Kopplungsvorrichtung die mittels Zugstange betätigt wird
Alle Figuren zeigen einen erfindungsgemäßen Retarder mit einer Kopplungsvorrichtung. Die gezeigten Retarder sind alle als Wasserretarder ausgeführt. Da das Arbeitsmedium bei Wasserretardern Wasser ist, ist es erforderlich, dass alle Lager und die Kopplungsvorrichtung über ein Schmiersystem mit Schmiermittel versorgt werden. Hierzu werden in den folgenden Figurenbeschreibungen verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
1 zeigt einen Retarder mit Kopplungsvorrichtung 31, wobei die Kopplungsvorrichtung 31 retarderseitig angesteuert wird. Die Kopplungsvorrichtung 31 umfasst einen Kolben bzw. Betätigungskolben 9, an dem eine Schiebemuffe mit einer äußeren Mitnahmeverzahnung 19 und einer inneren Mitnahmeverzahnung 18 vorgesehen ist. Die Ansteuerung des Kolbens 9 erfolgt über die durch das Statorgehäuse 4 führende Steuerleitung 7b, über die Druckluft oder Öl in den Kolbenraum 32 geleitet werden kann.
Der Rotor 1 ist auf einer Hohlwelle angeordnet bzw. im dargestellten Fall mit der Hohlwelle einteilig ausgeführt, die über die Lager 13, 14 auf der Welle 25 gelagert ist. Die Welle 25 ist über das Hochtriebszahnrad 5 mit dem Getriebe gekoppelt bzw. die Welle 25 wird über das Getriebe und das Hochtriebszahnrad 5 angetrieben. Die Lagerung der Welle 25 erfolgt einmal über das Lager 11 im Getriebegehäuse 24 und zum anderen über das Lager 13, der Hohlwelle des Rotors 1 und dem Lager 12 im Rotorgehäuse 3.
Im Bereich der Kopplungsvorrichtung 31 ist die Hohlwelle derart ausgeformt, dass die Kopplungsvorrichtung 31 bzw. der Kolben 9 darin Platz findet. Der Kolbenraum 32 ist gegenüber dem Statorgehäuse 4 mittels des Deckels 8 abgedichtet, durch den nur die Steuerleitung 7b führt, die anschließend auch durch das Statorgehäuse 4 geführt ist.
Im Nicht-Bremsbetrieb befindet sich der Kolben 9 in der in 1 gezeigten Position. In dieser Position rotiert die Welle 25, da diese, wie bereits beschrieben, in Triebverbindung mit dem Getriebe steht. Mit der Welle werden auch Teile der Kopplungsvorrichtung 15, 16, 17 und 23 mit angetrieben. Wird nun ein Bremsmoment benötigt, wird vorzugsweise Druckluft in den Kolbenraum geleitet, wodurch der noch nicht rotierende Kolben 9 in Richtung Stator 2 bewegt wird.
Um die Drehzahldifferenzzwischen dem stehenden Rotor und der angetriebenen Welle 25 auszugleichen, bzw. den Kolben 9, die Hohlwelle und damit auch den Rotor 1 auf Wellendrehzahl zu beschleunigen, ist eine Synchronisationsvorrichtung vorgesehen. Die Synchronisationsvorrichtung umfasst ein Konussystem 17 mit einer Sperrverzahnung 30. Wird der Kolben 9 nach vorne bewegt, stößt die innere Verzahnung 18 zuerst gegen die rotierende Sperrverzahnung 30 der Synchronisationsvorrichtung, wodurch das Konussystem 17 zusammengedrückt wird und eine Drehzahlsynchronisation stattfindet, bis die Differenzdrehzahl so gering oder gleich null ist, dass die innere Verzahnung 18 in die Mitnahmeverzahnung 22 der Kupplungsscheibe 23 auf der Drehmomentstütze 16 geschoben werden kann und somit eine drehfeste Mitnahmeverbindung entsteht.
Die Rückstellung des Kolbens erfolgt über die Rückstellfeder 10.
Die notwendige Schmierung der Lager 11, 12, 13 und 14 sowie der Koppelvorrichtung 31 erfolgt durch den Zuführkanal 6 in der Welle 25. Durch diesen Zuführkanal 6 gelangt Getriebeöl in den inneren Kolbenraum, wobei die Kolbenbewegung eine Pumpwirkung bewirkt, sodass ausreichend Öl durch die Kopplungsvorrichtung sowie die Lager 12, 13, 14 befördert wird.
Damit es zu keiner Vermischung zwischen Öl und Arbeitsmedium kommt, ist zwischen Arbeitsraum 26 und dem Teil des Retarders, in dem die zu schmierenden Bauteile untergebracht sind, eine Leckagekammer 27 vorgesehen, die die beiden Fluide voneinander trennt, wobei in die Leckagekammer 27 eintretendes Öl bzw. Arbeitsmedium über einen hier nicht gezeigten Kanal abgeführt werden kann.
2 zeigt einen alternativen Retarderaufbau, wobei die Kopplungsvorrichtung 31 hier getriebeseitig angesteuert wird. Die Steuerleitung 7a führt bei diesem Aufbau durch die Welle 25. Die hydraulische bzw. pneumatische Ansteuerung erfolgt von der Getriebeseite aus über einen nicht dargestellten Anschluss.
Um auf einen zusätzlichen Schmierstoffkanal verzichten zu können, ist eine Druckansteuerung mittels Öldruck zu bevorzugen. Dies lässt insbesondere eine vereinfachte Dichtung, z. B. Rechteckdichtung, zwischen Welle 25 und Kolben 9 zu. Die vereinfachte Dichtung ist derart ausgelegt, dass eine gewisse Leckage vorhanden ist, mittels der die Schmierung von Koppelvorrichtung 31 und Lagern 11, 12, 13 und 14 gewährleistet werden kann.
Erfolgt die Ansteuerung mittels Druckluft, muss die Dichtung zwischen Welle 25 und Kolben 9 dicht ausgeführt sein. Der Kolbenhub bewirkt, dass ein gewisse Pumpwirkung entsteht, durch die ein Ölaustausch über die beiden Lager 13, 14 erfolgt, wobei dieser vorzugsweise derart ausgelegt ist, dass der Raum um die Synchronisationselemente nicht dauerhaft geflutet ist.
Idealerweise ist die Schmierung in allen Ausführungen derart ausgelegt, dass an den Reibflächen der Synchronisationselemente im Nicht-Bremsbetrieb kein Öl anliegt und während des Synchronisationsvorgangs vermehrt Öl an die Reibflächen gelangt.
3 zeigt einen weiteren alternativen Aufbau des Retarders, wobei in dieser Ausführung ein separater Schmierkanal 6 vorgesehen ist. Der Schmierkanal 6 führt hier parallel zum Steuerkanal 7a. Über den separaten Schmierkanal 6 kann der Schmiermittelfluss besser geregelt werden.
Eine weitere Ausführung in Bezug auf die Ansteuerung des Kolbens 9 ist in 4 dargestellt. Der Kolben 9 wird in dieser Ausführung mittels eines Betätigungselements 29 bewegt. Das Betätigungselement 29 kann, wie hier dargestellt, eine Zugstange sein, die getriebeseitig angesteuert wird. Denkbar ist hier eine motorische oder aber auch eine elektromagnetische Ansteuerung der Zugstange 29. Weiterhin kann das Betätigungselement 29 auch durch den Deckel 8 und das Statorgehäuse 4 geführt werden, sodass die Ansteuerung retarderseitig erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Rotor mit Hohlwelle
2: Stator
3: Rotorgehäuse
4: Statorgehäuse
5: Hochtriebszahnrad
6: Zuführkanal Schmieröl
7a, b: Steuerkanal
8: Deckel Druckzylinder
9: Betätigungskolben und gleichzeitig Schiebemuffe
10: Rückstellfeder
11–14: Lager 1 bis 4
15: Sperrverzahnung
16: Drehmomentstütze
17: Konussystem
18: Mitnahmeverzahnung Schiebemuffe innen
19: Mitnahmeverzahnung Schiebemuffe außen
20: Mitnahmeverzahnung Welle/Drehmomentstütze
21: Mitnahmeverzahnung Hohlwelle innen
22: Mitnahmeverzahnung Kupplungsscheibe
23: Kupplungsscheibe
24: Getriebegehäuse
25: Welle
26: Arbeitsraum
27: Leckagekammer
28: Drehachse
29: Betätigungselement
31: Kopplungsvorrichtung
32: Kolbenraum

Claims

Hydrodynamische Maschine, insbesondere hydrodynamischer Retarder, zum Anbau an ein Getriebe, umfassend ein Gehäuse bestehend aus Rotorgehäuseteil (3) und Statorgehäuseteil (4), in denen zumindest eine Welle (25), zwei Schaufelräder, insbesondere Rotor (1) und Stator (2), die einen torusförmigen mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum (26) ausbilden, angeordnet sind, wobei die Schaufelräder (1, 2) und ein Hochtriebszahnrad (5) um eine gemeinsame Drehachse (28) angeordnet und das zumindest ein Schaufelrad (1) und das Hochtriebszahnrad (5) unabhängig voneinander drehbar gelagert sind, wobei das Hochtriebszahnrad (5) außerhalb des Gehäuses (3, 4) angeordnet und mit der Welle (25) drehfest verbunden ist, und der Rotor (1) auf der Welle (25) drehbar gelagert ist, wobei zur Drehmomentübertragung zwischen Hochtriebszahnrad (5) und Rotor (1) eine Koppelvorrichtung (31) vorgesehen ist, die im Gehäuse (3, 4) der hydrodynamischen Maschine angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung (31) in Axialrichtung gesehen hinter dem Hochtriebszahnrad (5) und den Schaufelrädern, Rotor (1) und Stator (2), angeordnet ist.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) über zwei beabstandete Lagerungen (13, 14) auf der Welle (25) gelagert ist.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung (31) eine Synchronisiereinheit (17) umfasst.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinheit (17) ein Mehrfachkonussystem umfasst.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung (31) einen Kolben (9) umfasst.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Kolbens (9) hydraulisch oder pneumatisch erfolgt.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Kolbens (9) getriebeseitig, durch einen Wellenkanal (7a), oder retarderseitig, über einen Anschlusskanal (7b) durch das Gehäuse (4), erfolgt.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Kolbens (9) mittels eines Betätigungselementes (29) erfolgt.
Hydrodynamische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mit einer Hohlwelle drehfest verbunden oder einstückig ausgeführt ist und die Hohlwelle einen Zylinderbereich aufweist, in dem der Kolben (9) der Koppelvorrichtung (31) axial verschiebbar gelagert ist.
Hydrodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 5–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (9) eine Außenverzahnung (19) aufweist, die über den Verschiebebereich in eine Innenverzahnung (21) im Zylinderbereich der Hohlwelle eingreift und eine Innenverzahnung (18) die mit der Außenverzahnung der Kupplungsscheibe (23) in Eingriff bringbar ist, sodass ein Drehmoment von der Hohlwelle auf die Welle (25) übertragbar ist.
Antriebsstrang für eine Maschine, umfassend ein Getriebe und eine hydrodynamische Maschine, insbesondere hydrodynamischen Retarder, mit zumindest zwei Schaufelrädern, insbesondere Rotor (1) und Stator (2), die einen torusförmigen mit einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum (26) ausbilden, wobei das Getriebe und die hydrodynamische Maschine baulich miteinander verbunden sind, wobei zur Drehmomentübertragung zwischen hydrodynamischer Maschine und Getriebe eine Koppelvorrichtung (31) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvorrichtung (31) baulich in der hydrodynamischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierung der Koppelvorrichtung (31) und der Lager (11, 12, 13, 14) getriebeseitig erfolgt.
Antriebsstrang nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (25) getriebeseitig im Getriebegehäuse (24) gelagert ist.