DE102018122921A1

DE102018122921A1 - Hydrodynamischer Wandler

Info

Publication number: DE102018122921A1
Application number: DE102018122921.6A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Ritzel; Rainer Fähnle
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-03-19
Also published as: WO2020057889A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Wandler mit wenigstens einem mit Pumpenschaufeln beschaufelten Pumpenrad, wenigstens einem mit Turbinenschaufeln beschaufelten Turbinenrad und wenigstens einem mit Leitschaufeln beschaufelten Leitrad, die hintereinander in einem Arbeitsraum zur Ausbildung eines hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislaufs eines Arbeitsmediums angeordnet sind;mit wenigstens einem Arbeitsmediumeinlass zur Zufuhr des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum; wobeider Arbeitsraum sich torusförmig um eine Drehachse des Pumpenrades und des Turbinenrades erstreckt und einen radial inneren Durchmesser sowie einen radial äußeren Durchmesser aufweist.Der erfindungsgemäße hydrodynamische ist Wandler dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumeinlass radial außerhalb des radial inneren Durchmessers in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislauf unmittelbar vor einer Eintrittskante wenigstens einer Pumpenschaufel des Pumpenrades im Arbeitsraum mündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Wandler gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Hydrodynamische Wandler weisen im Gegensatz zu hydrodynamischen Kupplungen neben einem beschaufelten angetriebenen Pumpenrad und einem beschaufelten vom Pumpenrad hydrodynamisch angetriebenen Turbinenrad ein Leitrad im Arbeitsraum auf, sodass neben einer Drehmomentübertragung auch eine sogenannte Drehmomentwandlung möglich ist, das heißt am Pumpenrad und am Turbinenrad liegt nicht dasselbe Drehmoment an. Solche hydrodynamische Wandler werden beispielsweise, wie auch bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in einem Automatgetriebe eines Pkws oder Nutzkraftfahrzeugs oder eines Busses eingesetzt.
Der Arbeitsraum, in welchem das Pumpenrad, das Turbinenrad und das Leitrad angeordnet sind, wird mit Arbeitsmedium über einen Arbeitsmediumeinlass befüllt. In der Regel wird der Arbeitsmediumeinlass über eine Vielzahl von über dem Umfang um die Drehachse des Pumpenrades und des Turbinenrades verteilt angeordnete Kanäle gebildet, die jeweils im Bereich des radial inneren Durchmessers des Arbeitsraumes münden. Beispielsweise weist das Pumpenrad im Bereich seiner Nabe Axialbohrungen auf, welche diese Kanäle bilden, und das Arbeitsmedium strömt somit entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf durch die Axialbohrungen, was hinsichtlich des Wirkungsgrads ungünstige Einströmbedingungen ergibt. Um diese ungünstigen Einströmbedingungen zu verbessern, kann vor die Mündungen der Axialbohrungen im Pumpenrad ein Leitblech gesetzt werden, das die Strömung aus den Axialbohrungen radial nach außen ablenkt. Dieses Leitblech hat ferner die Funktion, die aus dem Turbinenrad austretende Arbeitsmediumströmung daran zu hindern, in die Axialbohrungen einzutreten.
Obwohl somit bereits Maßnahmen getroffen wurden, um durch eine günstigere Strömungsführung im Bereich des Arbeitsmediumeinlasses den Wirkungsgrad des hydrodynamischen Wandlers zu steigern, besteht der grundsätzliche Wunsch einer weiteren Wirkungsgradsteigerung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrodynamischen Wandler anzugeben, bei dem durch konstruktive Maßnahmen, die kostengünstig und einfach herstellbar sind, eine weitere Wirkungsgradsteigerung erreicht werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hydrodynamischen Wandler mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden vorteilhafte und besonders zweckmäßige Gestaltungen der Erfindung angegeben.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der hydrodynamische Wandler wenigstens ein mit Pumpenschaufeln beschaufeltes Pumpenrad, wenigstens ein mit Turbinenschaufeln beschaufeltes Turbinenrad und wenigstens ein mit Leitschaufeln beschaufeltes Leitrad auf. Die Schaufelräder sind hintereinander in einem Arbeitsraum zur Ausbildung eines hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislaufes eines Arbeitsmediums angeordnet. Ferner ist wenigstens ein Arbeitsmediumeinlass zur Zufuhr des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum vorgesehen. Eine Abfuhr des Arbeitsmediums aus dem Arbeitsraum kann beispielsweise über einen separaten Arbeitsmediumauslass erfolgen.
Der wenigstens eine Arbeitsmediumeinlass umfasst beispielsweise eine Vielzahl von Bohrungen im Pumpenrad, die um die Drehachse des Pumpenrades (und damit auch des Turbinenrades) verteilt angeordnet und mit Abstand zueinander positioniert sind.
Der Arbeitsraum erstreckt sich torusförmig um die Drehachse und weist einen radial inneren Durchmesser sowie einen radial äußeren Durchmesser auf. Dabei beziehen sich die Durchmesser auf die Abstände in Radialrichtung über die Drehachse und senkrecht zur Drehachse, im Gegensatz zu einem Durchmesser in Diametralrichtung des Torus in einem Axialschnitt entlang der Drehachse durch den Arbeitsraum.
Erfindungsgemäß ist der Arbeitsmediumeinlass radial außerhalb des radial inneren Durchmessers in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislauf unmittelbar vor einer Eintrittskante wenigstens einer Pumpenschaufel des Pumpenrades im Arbeitsraum mündend vorgesehen.
In anderen Worten weist die Mündung des Arbeitsmediumeinlasses, beziehungsweise bei einer Ausgestaltung des Arbeitsmediumeinlasses durch eine Vielzahl von Einlasskanälen weisen die Mündungen der Einlasskanäle einen Abstand in der Radialrichtung zu dem radial inneren Durchmesser des Arbeitsraumes auf.
Bevorzugt mündet der Arbeitsmediumeinlass beziehungsweise münden die den Arbeitsmediumeinlass bildenden Einlasskanäle radial innerhalb des radial äußeren Durchmessers im Arbeitsraum. Das bedeutet, auch hier ist ein entsprechender Abstand in der Radialrichtung zum radial äußeren Durchmesser des Arbeitsraumes vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet das Pumpenrad einen Arbeitsraumwandabschnitt aus, der in Richtung der Arbeitsmediumströmung im Arbeitsmediumkreislauf einen pumpenschaufelfreien ersten Bereich und einen nachfolgenden zweiten Bereich, der sich um die Drehachse zwischen den Pumpenschaufeln des Pumpenrades erstreckt, aufweist, wobei der Arbeitsmediumeinlass bezogen auf die Arbeitsmediumströmung im Arbeitsmediumkreislauf am Ende des ersten Bereiches im Arbeitsraumwandabschnitt des Pumpenrades mündet.
Beispielsweise beträgt ein Abstand der Mündung des Arbeitsmediumeinlasses von der Eintrittskante der Pumpenschaufel in einem Axialschnitt durch den Arbeitsraum gesehen weniger als ein Fünftel, ein Achtel oder ein Zehntel der Erstreckung der Pumpenschaufel entlang eines oder des Arbeitsraumwandabschnittes, den das Pumpenrad ausbildet.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die jedoch mit der ersten Ausführungsform kombiniert werden kann, stehen sich das Pumpenrad und das Turbinenrad am radial inneren Durchmesser des Arbeitsraumes in Richtung der Drehachse einen Axialspalt begrenzend gegenüber und das Pumpenrad weist am radial inneren Durchmesser einen um die Drehachse umlaufenden Pumpenradaxialvorsprung auf, der einen Abschnitt einer Arbeitsraumwandung ausbildet und sich in Richtung des Turbinenrades erstreckt.
Bevorzugt weist auch das Turbinenrad oder alternativ weist nur das Turbinenrad am radial inneren Durchmesser einen um die Drehachse umlaufenden Axialvorsprung, Turbinenradaxialvorsprung genannt, auf, der einen Abschnitt einer Arbeitsraumwandung ausbildet und sich in Richtung des Pumpenrades erstreckt.
Der Arbeitsraum eines erfindungsgemäßen hydrodynamischen Wandlers ist beispielsweise hohltorusförmig und weist einen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad diametral gegenüberstehenden Kern auf, der insbesondere vom Leitrad getragen wird. Damit ist der Arbeitsraum in einem Querschnitt durch die Drehachse des hydrodynamischen Wandlers, das heißt durch die Drehachse des Pumpenrades und des Turbinenrades, gesehen, nicht vollkreisförmig wie ein Volltorus, sondern ringförmig.
Insbesondere stehen die Pumpenschaufeln in Richtung der Drehachse den Leitschaufeln gegenüber und die Turbinenschaufeln sind radial innerhalb der Pumpenschaufeln und der Leitschaufeln im Arbeitsraum positioniert.
Das Leitrad beziehungsweise die Leitschaufeln können starr oder verdrehbar zur Arbeitsmediumströmung an einem Gehäuse des hydrodynamischen Wandlers angeschlossen sein.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit axialem Arbeitsmediumeinlass;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit radialem Arbeitsmediumeinlass.

In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten hydrodynamischen Wandlers in einem schematischen Querschnitt durch eine Drehachse 7 gezeigt, um welche das Pumpenrad 1 und das Turbinenrad 2 umlaufen. Das Pumpenrad 1 und das Turbinenrad 2 sind in einem Arbeitsraum 4 zusammen mit einem Leitrad 3 angeordnet, wobei das Pumpenrad 1 im Arbeitsraum befindliches Arbeitsmedium derart beschleunigt, dass ein hydrodynamischer Arbeitsmediumkreislauf 5 im Arbeitsraum 4 gebildet wird. Das Leitrad 5 lenkt die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf 5 derart um, dass das Arbeitsmedium mit einem vorgegebenen Anströmwinkel in das Turbinenrad 2 eintritt, sodass dieses hydrodynamisch vom Pumpenrad 1 angetrieben wird, aber nicht mit demselben Drehmoment beaufschlagt sein muss, wie das Pumpenrad 1.
Das Pumpenrad 1 weist eine Vielzahl von Pumpenschaufeln 11 auf, die in einem Kranz um die Drehachse 7 positioniert sind. Das Turbinenrad 2 weist entsprechend eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 12 auf, die ebenfalls in einem Kranz um die Drehachse 7 positioniert sind. Das Leitrad 3 weist entsprechend in einem Kranz um die Drehachse 7 positionierte Leitschaufeln 13 auf.
Der Arbeitsraum 4 ist hohltorusförmig mit einem vom Arbeitsmedium umströmten Kern 14. Der Kern 14 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel vom Leitrad 3 getragen.
Das Arbeitsmedium strömt über den Arbeitsmediumeinlass 6 in den Arbeitsraum 4, wobei der Arbeitsmediumeinlass 6 in Form wenigstens einer, insbesondere einer Vielzahl von Bohrungen, hier beispielhaft Axialbohrungen, im Pumpenrad 1 ausgeführt ist. Die Position ist dabei derart, dass der Arbeitsmediumeinlass 6 radial außerhalb des radial inneren Durchmessers DI und radial innerhalb des radial äußeren Durchmessers DA im Arbeitsraum 4 mündet. Zudem mündet der Arbeitsmediumeinlass 6 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislauf 5 unmittelbar vor einer Eintrittskante 11.1 der Pumpenschaufeln 11.
Das Pumpenrad 1 bildet einen Arbeitsraumwandabschnitt mit einem ersten Bereich 1.1 und einem zweiten Bereich 1.2. Im zweiten Bereich 1.2 sind die Pumpenschaufeln 11 am Arbeitsraumwandabschnitt angeschlossen. Demnach erstreckt sich der zweite Bereich 1.2 entlang des Torus um die Drehachse 7 zwischen den Pumpenschaufeln 11. Der erste Bereich 1.1 ist dem zweiten Bereich 1.2 in Richtung der Arbeitsmediumströmung im Arbeitsmediumkreislauf 5 vorgeordnet und ist frei von Pumpenschaufeln. Der Arbeitsmediumeinlass 6 beziehungsweise entsprechende Einlasskanäle oder Bohrungen sind im ersten Bereich 1.1, und zwar an dessen Ende bezogen auf die Strömung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf 5, vorgesehen.
Durch die Positionierung des Arbeitsmediumeinlasses 6 entfernt von einer Austrittskante der Pumpenschaufeln 12 werden Strömungsverluste beim Eintritt des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum 4 beziehungsweise in den Arbeitsmediumkreislauf 5 reduziert.
Als weitere Maßnahme zur Reduzierung von Strömungsverlusten ist der Axialspalt 8 zwischen dem Pumpenrad 1 und dem Turbinenrad 2 reduziert. Dies wird durch einen Pumpenradaxialvorsprung 9 und einen Turbinenradaxialvorsprung 10 erreicht, wobei auch einer der beiden Vorsprünge 9, 10 ausreichen könnte. Die beiden Vorsprünge 9, 10 bilden jeweils eine umlaufende Erhebung in Richtung der Drehachse 7 auf einer Nabe 15 des Pumpenrades 1 beziehungsweise 16 des Turbinenrades 2. Eine solche Nabe 15, 16 ist beispielsweise innenverzahnt ausgeführt und kann jeweils auf eine entsprechende Antriebswelle beziehungsweise Abtriebswelle gesteckt werden.
Der Pumpenradaxialvorsprung 9 und hier auch der Turbinenradaxialvorsprung 10 verlängern die Strömungskontur beziehungsweise die Arbeitsraumwand im Bereich des Austritts des Arbeitsmediums aus dem Turbinenrad 2 beim Eintritt in das Pumpenrad 1. Dadurch wird die Wegstrecke mit ungeführter Strömung auf ein Minimum reduziert, was entsprechend zu geringen Strömungsverlusten führt.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform mit radial ausgerichtetem Arbeitsmediumeinlass 6, insbesondere in Form wenigstens einer oder einer Vielzahl von Radialbohrungen im ersten Bereich 1.1 des Pumpenrades 1. Im Übrigen gilt das zuvor zur 1 Ausgeführte.
Bezugszeichenliste

1: Pumpenrad
1.1: erster Bereich
1.2: zweiter Bereich
2: Turbinenrad
3: Leitrad
4: Arbeitsraum
5: Arbeitsmediumkreislauf
6: Arbeitsmediumeinlass
7: Drehachse
8: Axialspalt
9: Pumpenradaxialvorsprung
10: Turbinenradaxialvorsprung
11: Pumpenschaufel
11.1: Eintrittskante
12: Turbinenschaufel
13: Leitschaufel
14: Kern
15: Nabe
16: Nabe
DI: innerer Durchmesser
DA: äußerer Durchmesser

Claims

Hydrodynamischer Wandler mit wenigstens einem mit Pumpenschaufeln (11) beschaufelten Pumpenrad (1), wenigstens einem mit Turbinenschaufeln (12) beschaufelten Turbinenrad (2) und wenigstens einem mit Leitschaufeln (13) beschaufelten Leitrad (3), die hintereinander in einem Arbeitsraum (4) zur Ausbildung eines hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislaufs (5) eines Arbeitsmediums angeordnet sind; mit wenigstens einem Arbeitsmediumeinlass (6) zur Zufuhr des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (4); wobei der Arbeitsraum (4) sich torusförmig um eine Drehachse (7) des Pumpenrades (1) und des Turbinenrades (2) erstreckt und einen radial inneren Durchmesser (DI) sowie einen radial äußeren Durchmesser (DA) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumeinlass (6) radial außerhalb des radial inneren Durchmessers (DI) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislauf (5) unmittelbar vor einer Eintrittskante (11.1) wenigstens einer Pumpenschaufel (11) des Pumpenrades (1) im Arbeitsraum (4) mündet.
Hydrodynamischer Wandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumeinlass (6) radial innerhalb des radial äußeren Durchmessers (DA) im Arbeitsraum (4) mündet.
Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (1) einen Arbeitsraumwandabschnitt ausbildet, der in Richtung der Arbeitsmediumströmung im Arbeitsmediumkreislauf (5) einen pumpenschaufelfreien ersten Bereich (1.1) und einen nachfolgenden zweiten Bereich (1.2), der sich entlang des Torus um die Drehachse (7) zwischen den Pumpenschaufeln (11) erstreckt, aufweist, wobei der Arbeitsmediumeinlass (6) bezogen auf die Arbeitsmediumströmung im Arbeitsmediumkreislauf (5) am Ende des ersten Bereichs (1.1) im Arbeitsraumwandabschnitt des Pumpenrades (1) mündet.
Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der Mündung des Arbeitsmediumeinlasses (6) von der Eintrittskante (11.1) der Pumpenschaufel (11) in einem Axialschnitt durch den Arbeitsraum (4) gesehen, weniger als ein Fünftel, ein Achtel oder ein Zehntel des Erstreckung der Pumpenschaufel (11) entlang eines oder des Arbeitsraumwandabschnittes, den das Pumpenrad (1) ausbildet, beträgt.
Hydrodynamischer Wandler mit wenigstens einem mit Pumpenschaufeln (11) beschaufelten Pumpenrad (1), wenigstens einem mit Turbinenschaufeln (12) beschaufelten Turbinenrad (2) und wenigstens einem mit Leitschaufeln (13) beschaufelten Leitrad (3), die hintereinander in einem Arbeitsraum (4) zur Ausbildung eines hydrodynamischen Arbeitsmediumkreislaufs (5) eines Arbeitsmediums angeordnet sind; mit wenigstens einem Arbeitsmediumeinlass (6) zur Zufuhr des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum (4); wobei der Arbeitsraum (4) sich torusförmig um eine Drehachse (7) des Pumpenrades (1) und des Turbinenrades (2) erstreckt und einen radial inneren Durchmesser (DI) sowie einen radial äußeren Durchmesser (DA) aufweist; und sich das Pumpenrad (1) und das Turbinenrad (2) am radial inneren Durchmesser (DI) in Richtung der Drehachse (7) gegenüberstehen und einen Axialspalt (8) begrenzen; dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (1) und/oder das Turbinenrad (2) am radial inneren Durchmesser (DI) einen um die Drehachse (7) umlaufenden Pumpenradaxialvorsprung (9) und/oder Turbinenradaxialvorsprung (10) aufweist, der einen Abschnitt einer Arbeitsraumwandung ausbildet und sich in Richtung des Turbinenrades (2) oder Pumpenrades (1) erstreckt.
Hydrodynamischer Wandler gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (1) am radial inneren Durchmesser (DI) einen um die Drehachse (7) umlaufenden Pumpenradaxialvorsprung (9) aufweist, der einen Abschnitt einer Arbeitsraumwandung ausbildet und sich in Richtung des Turbinenrades (2) erstreckt.
Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem der Ansprüche 5 oder 6.
Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (4) hohltorusförmig ist, mit einem dem Pumpenrad (1) und dem Turbinenrad (2) diametral gegenüberstehenden Kern (14), der insbesondere vom Leitrad (3) getragen wird.
Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenschaufeln (11) den Leitschaufeln (13) in Richtung der Drehachse (7) gegenüberstehen und die Turbinenschaufeln (12) radial innerhalb der Pumpenschaufeln (11) und der Leitschaufeln (13) im Arbeitsraum (4) positioniert sind.
Hydrodynamischer Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumeinlass (6) eine Vielzahl von um die Drehachse (7) mit Abstand zueinander angeordnete im Arbeitsraum mündende Einlasskanäle aufweist.