DE10251968A1

DE10251968A1 - Hydrodynamische Kupplung und Anfahreinheit

Info

Publication number: DE10251968A1
Application number: DE2002151968
Authority: DE
Inventors: Achim Dr. Menne
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung DOLLAR A - mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum bilden; DOLLAR A - die hydrodynamische Kupplung ist frei von einem Leitrad; DOLLAR A - mit mindestens einem dem Arbeitsraum zugeordneten Austritt. DOLLAR A Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale: DOLLAR A - Der Austritt oder die Austritte sind am Turbinenrad angeordnet und verbinden den Arbeitsraum mit einem Raum außerhalb.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner eine Anfahreinheit.

Hydrodynamische Kupplungen werden u.a. in Getriebebaueinheiten für den Einsatz in Fahrzeugen als Anfahrelement eingesetzt. In der Druckschrift WO 02118818 ist eine Ausführung der Anfahreinheit beschrieben, die einen mit einem Antrieb koppelbaren Eingang und einen mit einem Abtrieb koppelbaren Ausgang umfasst. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist eine hydrodynamische Kupplung mit einem als Turbinenrad fungierenden Sekundärrad und einem als Pumpenrad fungierenden Primärrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, angeordnet. Dem Pumpenrad ist dabei eine sogenannte Pumpenradschale zugeordnet, welche drehfest mit diesem verbunden ist und das Turbinenrad in axialer Richtung umschließt. Die Pumpenradschale kann dabei einteilig mit dem Pumpenrad ausgeführt sein, vorzugsweise werden jedoch mehrteilige Ausführungen verwendet, wobei die drehfeste Verbindung über entsprechende Verbindungselemente realisiert wird. Diese Anfahreinheit umfasst ferner eine schaltbare Kupplung in Form einer Überbrückungskupplung, welche zur hydrodynamischen Kupplung parallel geschaltet ist. Diese weist einen Kupplungseingang und einen mit diesem wenigstens mittelbar in Wirkverbindung bringbaren Kupplungsausgang auf. Dies bedeutet, dass während eines Großteils des Betriebes der Anfahreinheit die Leistungsübertragung nur über eine der beiden Komponenten erfolgt. Die hydrodynamische Kupplung wird in dieser Ausführung dabei wechselweise zentrifugal oder zentripetal durchströmt. Die zentripetale Durchströmung ist durch die Führung des Betriebsmittels entlang des Außenumfanges des Turbinenrades zwischen den einzelnen Kupplungsscheiben der Überbrückungskupplung bis in den Bereich der Trennebene zwischen Pumpenrad und Turbinenrad im Bereich des äußeren Durchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes und von dort in den torusförmigen Arbeitsraum im Pumpenrad charakterisiert. Der dabei verbleibende Spalt zwischen den Kupplungsscheiben der Überbrückungskupplung dient als Drosselstelle. Durch . diese Drossel stellt sich eine Druckdifferenz zwischen der auf den Kupplungsausgang wirkenden Kolbenfläche und diesem ein, aus welcher dann die erforderliche Anpresskraft für das Öffnen und Schließen der Überbrückungskupplung resultiert. Dies wird im einfachsten Fall bei Ausführung en mit Zuordnung der Funktion des Kolbens zum Turbinenrad durch die drehfeste Verbindung und axiale Verschiebbarkeit oder Verschwenkbarkeit des Turbinenrades sowie Vorspannung dessen durch Steuerung der Drücke oder der diese wenigstens indirekt charakterisierenden Größen in den einzelnen mit den Eintritten in und den Austritten aus dem Arbeitsraum gekoppelten Betriebsmitteiführungskanälen bzw. -räumen realisiert. Vorzugsweise wird dabei wenigstens der Auslassdruck gesteuert. Der Austritt des Betriebsmittels aus dem torusförmigen Arbeitsraum erfolgt dabei im Bereich der Trennebene, d.h. dem Spalt zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad im Bereich der radial inneren Abmessung des torusförmigen Arbeitsraumes in radialer Richtung nach innen zur Rotationsachse hin. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass beim Austritt aus dem Arbeitsraum über den in der Trennebene vorhandenen Spalt zwischen Pumpenrad und Turbinenrad nicht die gewünschten hohen Entleergeschwindigkeiten erzielt werden. Des Weiteren ist mit dieser Art der Entleerung bei Ausführungen mit Druckauslasssteuerung eine Umsetzung der Geschwindigkeit der im Arbeitskreislauf vorhandenen Meridianströmung in einen dieser entsprechenden Druck im mit dem Austritt gekoppelten Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum, nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass zum einen sehr hohe Entleergeschwindigkeiten erzielt werden und die Lösung des weiteren für Ausführungen mit Druckauslasssteuerung einen großen Stellbereich ermöglicht. Die Lösung soll sich dabei durch einen geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand auszeichnen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß umfasst eine hydrodynamische Kupplung mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, und die frei von einem Leitrad ist, mindestens einen Austritt aus dem Arbeitsraum, der am Turbinenrad angeordnet ist. Dieser erstreckt sich dabei vorzugsweise durch die Wand des Schaufel tragenden Teiles am Turbinenrad vom Schaufelgrund zum Außenumfang hin und ist in der Regel als Kanal geringer Länge ausgebildet, wobei der Begriff Kanal die Ausführungen als Bohrung, Schlitz oder Durchgangsöffnung mit einschließt.

Mit dieser Lösung werden die sich aus dem Arbeitskreislauf im Arbeitsraum ergebende Strömungsrichtung und die aus diesem resultierenden Strömungskräfte in optimaler Weise ausgenutzt. Bei Anordnung des Austrittes am Turbinenrad im Bereich des Innendurchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes bietet diese Lösung insbesondere bei zentripetaler Durchströmung den Vorteil, die ohnehin in Richtung zur Rotationsachse hin erfolgende Entleerung des Arbeitskreislaufes durch Ausnutzung der Meridiangeschwindigkeit zu beschleunigen. Des Weiteren kann die im Arbeitskreislauf vorherrschende Meridiangeschwindigkeit besser in einen, sich im mit dem Austritt gekoppelten Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum einstellenden Druck umgesetzt werden. Dies bietet gerade bei Ausführungen mit Druckauslasssteuerung den Vorteil, dass auf diesen Druck mit geringerem Aufwand gezielter Einfluss genommen werden kann und auch gegenüber anderen Lösungen dieser einen größeren Stellbereich ermöglicht. Vorzugsweise ist der Austritt dabei im Bereich des Innenumfanges des torusförmigen Arbeitsraumes am Turbinenrad angeordnet. Die Auslassöffnung wird in einem Winkel β von > 0° bis ≤ 90°, ausgehend von einem räumlichen Mittelpunkt im Bereich der Trennebene T im Bereich des Innenumfanges angeordnet. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Austritten bzw. von Verbindungskanälen im Turbinenrad vorgesehen. Diese können entweder

1. auf einer gemeinsam gedachten theoretischen Umfangslinie oder aber
2. auf mehreren verschiedenen theoretischen Umfangslinien angeordnet sein.

Unter Umfangslinien werden dabei theoretisch gedachte Linien am Innenumfang des Arbeitsraumes am Turbinenrad verstanden, welche parallel zur gedachten Trennebene zwischen dem Pumpen- und dem Turbinenrad im eingebauten Zustand der Kupplung ausgerichtet sind bzw. bei Berücksichtigung des Neigungswinkels der Kanäle gegenüber der Trennebene T aufgrund tangentialer Führung zur Kreislaufkontur theoretisch gedachte Linien am Außenumfang des Schaufel tragenden Teils des Turbinenrades. Es besteht dabei die Möglichkeit, die Anordnung wechselweise auf unterschiedlichen Umfangslinien vorzunehmen.

Die Austritte bzw. Kanäle am Turbinenrad können des Weiteren auf einer Umfangslinie oder mehreren Umfangslinien in

1. konstanten Abständen oder
2. unterschiedlichen Abständen

zwischen zwei einander benachbarten Austritten angeordnet werden. Die Auswahl der Anzahl sowie die Anordnung liegen dabei im Ermessen des Fachmannes.

Für die Gestaltung des Querschnittes der Verbindungskanäle bzw. Austritte sind eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar. Diese können beispielsweise durch einen kreisrunden Querschnitt charakterisiert sein oder aber oval. Andere Ausführungen sind ebenfalls denkbar und werden entsprechend den technischen Gegebenheiten gewählt.

Vorzugsweise wird der Austritt in Form eines Verbindungskanals, der sich durch die Wand des Schaufel tragenden Teiles vom Schaufelgnand bis zum Außenumfang erstreckt, gebildet. Die Ausgestaltung des Verbindungskanals kann vielgestaltig erfolgen. Vorzugsweise ist immer eine direkt gerichtete, d.h. insbesondere tangential zur Kreislaufkontur im Arbeitsraum ausgerichtete Gestaltung erwünscht, da in diesem Fall die volle Meridiangeschwindigkeit ausgenutzt werden kann. Es besteht jedoch auch die theoretische Möglichkeit, geringfügige Änderungen eines derartigen Verlaufes vorzunehmen, diese sollten jedoch den Toleranzbereich nicht erheblich überschreiten. Der Verbindungskanal kann dabei mit

1. konstantem Querschnitt oder
2. mit unterschiedlichen Querschnitten

ausgeführt werden, wobei immer möglichst große Querschnittsflächen angestrebt werden.

Um mögliche Kurzschlussströme durch den zusätzlichen Austritt bzw. den sich im zwischen Pumpenrad und Turbinenrad im Bereich der Trennebene am Innenumfang des torusförmigen Arbeitsraumes ergebenden Spalt zu vermeiden, sind Mittel zur Reduzierung dieser Kurzschlussströme vorgesehen. Diese umfassen im einfachsten Falle eine Laufspaltdrossel bzw. Dichtung zwischen dem Pumpen- und dem Turbinenrad im Bereich der Trennebene am Innenumfang des torusförmigen Arbeitsraumes. Die konkrete Ausgestaltung hängt dabei vom Einsatzfall ab und dem Ermessen des Fachmannes.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
1a bis 1c verdeutlichen in schematisch stark vereinfachter Darstellung mögliche besonders vorteilhafte Ausführungen erfindungsgemäß gestalteter hydrodynamischer Kupplungen;
1d verdeutlicht in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Ausführung einer hydrodynamischen Kupplung mit stehendem Gehäuse;
2a bis 2d zeigen Anordnungen eines Austrittskanals;
3a und 3b verdeutlichen in schematisch vereinfachter Darstellung mögliche Querschnitte eines Austrittskanals;
4 verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer hydrodynamischen Kupplung gemäß 1b;
5a und 5b verdeutlichen besonders vorteilhafte Weiterentwicklungen einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Kupplung am Beispiel einer Ausführung gemäß 1b mit zusätzlichen Maßnahmen zur Reduzierung von Kurzschlussströmen.
Die 1a bis 1d verdeutlichen in schematisch stark vereinfachter Darstellung mögliche Ausführungsformen erfindungsgemäß gestalteter hydrodynamischer Kupplungen 1. Die Ausführungen gemäß 1a bis 1c sind dabei durch ein rotierendes Gehäuse 2 charakterisiert. Die Ausführung gemäß 1d ist durch ein stehendes Gehäuse 3 charakterisiert. Die hydrodynamische Kupplung 1 umfasst jeweils ein als Pumpenrad 4 bezeichnetes Primärschaufelrad und ein als Turbinenrad 5 bezeichnetes Sekundärschaufelrad. Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 bilden dabei einen Arbeitsraum 6 miteinander, welcher vorzugsweise torusförmig ausgebildet ist. Die hydrodynamische Kupplung 1 ist frei von einem Leitrad. Bei der Ausführung gemäß 1a ist das Pumpenrad 4 drehfest mit einer rotierenden Pumpenradschaie 7, welche ein rotierendes Gehäuse 2 bildet, verbunden. Diese wiederum ist wenigstens mittelbar drehfest mit einem im Einzelnen nicht dargestellten Antrieb koppelbar. Das Turbinenrad 5 ist beim Einsatz in Antriebssträngen wenigstens mittelbar drehfest mit einem Abtrieb gekoppelt. In der Regel erfolgt die Verbindung über eine Turbinenradwelle 8, wobei der Begriff Welle funktional zu verstehen ist, d.h. sowohl eine Ausführung als Vollwelle als auch Hohlwelle einschließt. Bezüglich der möglichen räumliche Anordnungen von Pumpenrad 4 und Turbinenrad zueinander bestehen, bezogen auf die Integration im Antriebsstrang, verschiedene Möglichkeiten. Gemäß 1a ist in axialer Richtung das Pumpenrad 4 hinter dem Turbinenrad 5 angeordnet. Die rotierende Pumpenradschale 7 umschließt dabei das Turbinenrad 5 in axialer Richtung und wenigstens teilweise in radialer Richtung unter Bildung eines Zwischenraumes 9. Denkbar sind jedoch auch räumliche Anordnungen, bei weichen das Pumpenrad 4 in Kraftflussrichtung betrachtet räumlich in axialer Richtung vor dem Turbinenrad 5 angeordnet ist. Dem Arbeitsraum 6 ist mindestens ein Austritt 10 für Betriebsmittel zugeordnet. Erfindungsgemäß wird der Austritt 10 von einer Öffnung 11 am Turbinenrad 5 gebildet. Dieser verbindet den Arbeitsraum 6 mit einem Raum außerhalb. Der Austritt 10 ist dabei als Kanal 12, der sich durch die Wand 13 des Turbinenrades 5 vom Schaufelgrund 14 bis zum Außenumfang 15 erstreckt. Dadurch wird es möglich, die Meridiangeschwindigkeit im Arbeitskreislauf AK besser für den Entleervorgang zu nutzen, indem in Strömungsrichtung entleert wird. Die Anordnung des Austrittes 10 kann dabei grundsätzlich an beliebiger Stelle im Turbinenrad 5, insbesondere in radialer Richtung im Axialschnitt betrachtet über die gesamte radiale Erstreckung des schaufeltragenden Teiles 16 am Turbinenrad 5 erfolgen. Zur Vermeidung von Strömungsbeeinflussungen, insbesondere bei zentripetaler Durchströmung ist, wie in 1a dargestellt, der Austritt 10 vorzugsweise als Kanal 12, der sich durch die Wand 13 des Turbinenrades 5 vom Schaufelgrund 14 bis zum Außenumfang 15 im Bereich des Innendurchmessers d_i des schaufeltragenden Teiles 16 des Turbinenrades 5 erstreckt, ausgeführt. Die Anordnung des Austrittes 10 erfolgt somit in radialer Richtung betrachtet am innenliegenden Teil des Turbinenrades 5, wobei die Anordnung in einem Winkelbereich, bezogen auf die Trennebene T zwischen Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 von 0 < β ≤ 90° bezogen auf den räumlichen Mittelpunkt M des torusförmigen Arbeitsraumes 6 erfolgt. Zur besseren Umsetzung der Meridiangeschwindigkeit des im Arbeitsraum 6 bei Betrieb der hydrodynamischen Kupplung 1 sich, einstellenden Betriebsmittelstromes in Druck und der Vermeidung von unerwünschten Strömungsabrissen ist der Austritt 10 derart gestaltet, dass wenigstens eine Richtungskomponente im Betriebszustand der Kupplung in Strömungsrichtung der sich zwischen dem Pumpenrad 4 und dem Turbinenrad 5 einstellenden Arbeitskreislaufes AK zu der sich in diesem Betriebszustand einstellenden mit Pfeil gekennzeichneten Kreislaufkontur ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist der Austritt 10 bzw. sind bei Vorsehen einer Mehrzahl von Austritten diese jedoch tangential zu der sich im Betrieb einstellenden Kreislaufkontur des Arbeitskreislaufes AK ausgerichtet.
Die 1b verdeutlicht eine weitere mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung 1 mit Anordnung des Austritts 10 bzw. der Austritte 10 im Bereich des Innenumfanges des schaufeltragenden Teiles 16 im Bereich des Innendurchmessers d_i des torusförmigen Arbeitsraumes 6 erfolgt. Diese Ausführung entspricht im Wesentlichen dem in der 1a beschriebenen, wobei es sich hierbei um eine spezielle Ausgestaltung der hydrodynamischen Kupplung 1 handelt, die durch die axiale Verschiebbarkeit des Turbinenrades 5 charakterisiert ist. Dies wird dadurch möglich, dass das Turbinenrad 5 drehfest mit der Turbinenradwelle 8, jedoch in axialer Richtung verschiebbar, verbunden ist. Diese Verbindung wird über eine Profilverbindung 17 erzielt, die in Umfangsrichtung einen Kraft- oder Formschluss ermöglicht. Im einfachsten Fall wird dazu eine Keilwellenverbindung 18 verwendet, bei welcher die profiltragenden Teile – der Außenumfang 19 der Turbinenradwelle 8 und der Innenumfang 20 des Turbinenrades 5 – mit entsprechend komplementär zueinander ausgebildeten Verzahnungen ausgeführt sind. Zur Realisierung der Möglichkeit der Kopplung des Turbinenrades 5 mit anderen Übertragungselementen wird die Turbinenradwelle 8 durch das Pumpenrad 4 geführt, beispielsweise indem dieses einen Kupplungshals 21 in Form einer Hohlwelle aufweist. Die Anordnung des Austrittes 10 bzw. der Austritte 10 erfolgt ebenfalls in Analogie zu der in 1a beschriebenen.
Die 1c verdeutlicht eine alternative Ausgestaltungsform zu 1b, bei welcher die Verbindung des Turbinenrades 5 mit der Turbinenradwelle 8 drehfest erfolgt. Allerdings ist das Turbinenrad 5 elastisch an die Turbinenradwelle 8 angebunden. Die Mittel 22 zur elastischen Anbindung ermöglichen ein Verschwenken des Turbinenrades 5 in axialer Richtung. Im Übrigen entspricht der Grundaufbau dem in den 1a bzw. 1b bereits beschriebenen, weshalb für. gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
Die dargestellten Kupplungen sind aufgrund ihres Aufbaus mit rotierender Pumpenradschale 7 für Anwendungen prädestiniert, die sich durch eine zentripetale Bettiebsmittelführung, beispielhaft in 1c mittels Pfeilen dargestellt, auszeichnen. Bei diesem wird der zwischen dem Turbinenrad 5 und der rotierenden Pumpenradschale 7 befindliche Zwischenraum 9 als Betriebsmittelführungskanal bzw. -Raum 23 genutzt. Der Eintritt des Betriebsmittels erfolgt dann beispielsweise im Bereich des Außenumfanges 24 des Turbinenrades im Bereich der Trennebene die bzw. den zwischen Pumpenrad und Turbinenrad 4 und 5 in diesem Bereich gebildeten Spalt 25. Der Austritt des Betriebsmittels erfolgt dann in Strömungsrichtung im unteren Bereich des Turbinenrades 5, d.h. im Bereich des Innendurchmessers d_i des torusförmigen Arbeitsraumes 6 bzw. des radial innen legenden Teils des Außenumfanges 15 des Schaufel tragenden Teils 16. Der Austritt mündet in einen zweiten Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum 29, der vom Außenumfang 15 des Schaufel tragenden Teils 16 des Turbinenrades 5 und dem Pumpenrad 4, in der Regel dem Außenumfang des Schaufel tragenden Teils des Pumpenrades 4, gebildet wird. Die Betriebsmittelführungskanäle bzw. -räume 23 und 29 sind über entsprechende Anschlüsse miteinander unter Bildung eines geschlossenen Kreislaufes oder mit einer Betriebsmittelversorgungsquelle unter Bildung eines offenen Kreislaufes koppelbar. Zur Steuerung der Druckverhältnisse zwischen dem Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum 23 und dem torusförmigen Arbeitsraum 6 sind dann entsprechende Mittel vorzusehen. Diese dienen dabei der Beeinflussung des Druckes und/oder Volumenstromes in einem der beiden Betriebsmittelführungskanäle bzw. -räume oder in beiden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dienen diese ferner zur Änderung der Durchströmungsrichtung der Kupplung.
Die 1d verdeutlicht eine weitere mögliche Ausgestaltung einer hydrodynamischen Kupplung 1, bei welcher die erfindungsgemäße Anordnung des Austrittes 10 im Bereich des Innendurchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes 6 des Turbinenrades 5 erfolgt. Der Grundaufbau entspricht im Wesentlichen dem in der 1a beschriebenen. Allerdings weist diese hydrodynamische Kupplung 1 kein rotierendes Gehäuse 2, sondern nur ein stehendes Gehäuse 3 auf, welches die beiden Schaufelräder- Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 – in axialer und radialer Richtung unter Bildung von Zwischenräumen umschließt.
Vorzugsweise sind jeweils eine Mehrzahl von Austritten 10 bzw. Kanälen 12 am Turbinenrad 5 vorgesehen. Diese können dabei entweder auf einer gemeinsam gedachten theoretischen Umfangslinie oder aber auf mehreren verschiedenen Umfangslinien am Innenumfang des die Schaufeln tragenden Teiles 16 des Turbinenrades angeordnet sein. Unter Umfangslinien werden dabei theoretisch gedachte in Umfangsrichtung ausgerichtete und verlaufende Linien am Außenumfang 15 des Schaufel tragenden Teils 16 am Turbinenrad 5 verstanden, welche parallel zu gedachten Trennebene T zwischen dem Pumpenrad 4 und dem Turbinenrad 5 im eingebauten Zustand der hydrodynamischen Kupplung 1 verlaufen. Es besteht dabei die Möglichkeit, die Anordnung wechselweise auf unterschiedlichen Umfangslinien vorzunehmen. Eine Möglichkeit dieser Anordnung ist in schematisch vereinfachter Darstellung in der 2b in einer Ansicht A auf das Turbinenrad 5 gemäß 1b im abgewickelten, d.h. in eine Ebene geklappten Zustand wiedergegeben. Das Turbinenrad ist mit 5 bezeichnet, die Kanäle mit 12.12 bis 12.n2b. Eine Anordnung einer Vielzahl von Kanälen 12.12c bis 12.n2c auf einer Umfangslinie ist in einer entsprechenden Ansicht A auf den Außenumfang 15 des Schaufeln tragenden Teiles 16 des Turbinenrades 5 in 2c wiedergegeben. Die einzelnen Kanäle 12.12c bis 12.n2c zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum 6 und dem Außenumfang 15 des Schaufeln tragenden Teles 16 sind dabei auf einer Umfangslinie mit konstanten Abständen a oder gemäß 2d mit unterschiedlichen Abständen zwischen zwei in Umfangsrichtung einander benachbarten Kanälen 12.124 bis 12.n2d ausgeführt. Diese Abstände sind dabei mit a1 und a2 bezeichnet.
Die Ausführungen gemäß der 2b bis 2d können dabei mit konstanten Querschnitt des Kanals 12 bzw. der einzelnen Kanäle 12.12 bis 12.n2b, 12.12c bis 12.n2c und 12.12d bis 12.n2d in Strömungsrichtung vom torusförmigen Arbeitsraum 6 zum Innendurchmesser des Turbinenrades 5 betrachtet erfolgen, wie in 2a anhand eines Ausschnittes aus dem Turbinenrad 5 verdeutlicht. Bezüglich der konkreten Ausgestaltung des Kanals 12 hinsichtlich seiner Querschnittsform bestehen ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten. Diese sind in den 4a und 4b beispielhaft wiedergegeben. Dabei verdeutlicht die 3a die Ausgestaltung des Kanals 12 mit kreisrundem Querschnitt, und die 3b mit einem ovalen Querschnitt. Andere Querschnittsformen sind denkbar.
Die 4 verdeutlicht eine Weiterentwicklung einer Ausführung gemäß 1b, welche der Reduzierung des Rotationsdruckes, vor allem bei stehender Turbine, dient. Bei dieser Ausführung wird der Kanal 12 möglichst weit zum Innenradius d_i–t des Turbinenrades 5 gezogen. Dies wird durch eine entsprechende Verdickung der Wand 13 des Turbinenrades 5 im radial innenliegenden Bereich erzielt. Der Kanal 12 wird dabei möglichst weit in Richtung der Rotationsachse R der Kupplung gezogen. Durch diese Maßnahme ist eine bessere Entleerung von Betriebsmittel aus dem Arbeitskreislauf AK aus dem Arbeitsraum 6 möglich und ein geringeres übertragbares Moment über die hydrodynamische Kupplung 1 bei stehender Turbine. Im dargestellten Fall erfolgt die Verdickung der Wand 13 derart, dass der sich dadurch ergebende Innendurchmesser d_i–16 des Schaufel tragenden Teils 16 dem Innendurchmesser d₂₁ des Kupplungshalses 21 bzw. des Pumpenrades 4 entspricht. Aufgrund der sich dadurch ergebenden Kanalkontur zwischen der Turbinenradwelle 8 und jeweils dem Außenumfang des Schaufel tragenden Teils 16 im Bereich des Innendurchmessers d_i–16 und dem Innenumfang des Pumpenrades, insbesondere dem durch den Innendurchmesser d_i–21 charakterisierten Kupplungshals 21 können Strömungsabrisse weitestgehend vermieden werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Innendurchmesser von Kupplungshals 21 und der Verstärkung der Wand 13 unterschiedlich auszubilden. Ein Wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht neben der verbesserten Kreislaufentleerung in einer Verringerung des übertragbaren Momentes bei stehender Turbine.
Ferner verdeutlicht 4 das Vorsehen von Mitteln zur Reduzierung einer Kurzschlussströmung im Laufspalt 25 im Bereich des inneren Durchmessers des Arbeitsraumes 6. Diese Mittel sind hier mit 26 bezeichnet und sind zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad 5 angeordnet. Diese Mittel umfassen vorzugsweise eine Drossel oder Dichtung, die als Laufspaltdrossel bzw. -dichtung 27 bezeichnet wird, wobei diese Funktion auch von einer Dichtung übernommen werden kann. Diese ist dabei in axialer oder radialer Richtung, bei der in 4 dargestellten Ausführung in axialer Richtung, zwischen Pumpen- und Turbinenrad angeordnet.
Weitere verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung und konstruktiven Einbindung der Laufspaltdrossel bzw. -dichtung 27 sind beispielhaft in den 6a und 6b wiedergegeben. Die 5a verdeutlicht dabei in schematisch vereinfachter Darstellung anhand einer Ausführung gemäß 1b das Vorsehen einer Laufspaltdrossel 27 in radialer Richtung. Dazu weist das Pumpenrad in axialer Richtung einen zum Turbinenrad 5 gerichteten Vorsprung 28 auf, zwischen dem und dem Außenumfang 15 des Schaufel tragenden Teils 16 des Turbinenrades 5 im Bereich des Innendurchmessers d_i des torusförmigen Arbeitsraumes am Turbinenrad die Laufspaitdrossel bzw. -dichtung 27 angeordnet ist. Bei dieser Laufspaltdrossel bzw. -dichtung 27 kann es sich dabei um einen Spalt, Kolbenring, einen Radialwellendichtung, eine Gleitringdichtung oder eine Labyrinthdichtung handeln. Ferner ist es auch denkbar, dass diese Funktion von einem Axiallager übernommen wird. Demgegenüber verdeutlicht die 5b anhand einer Ausführung gemäß 1b das Vorsehen der Laufspaltdrossel zwischen Pumpenrad 4 und Turbinenrad 5 in axialer Richtung.

1: Hydrodynamische Kupplung
2: Rotierendes Gehäuse
3: Stehendes Gehäuse
4: Pumpenrad
5: Turbinenrad
6: Arbeitsraum
7: Pumpenradschale
8: Turbinenradwelle
9: Zwischenraum
10: Austritt
11: Öffnung
12: Kanal
13: Wand
14: Schaufelgrund
15: Außenumfang des Schaufel tragenden Teils
16: Schaufelrad tragender Teil
17: Profilverbindung
18: Keilwellenverbindung
19: Außenumfang
20: Innenumfang
21: Kupplungshals
22: Mittel zur elastischen Anbindung
23: Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum
24: Außenumfang
25: Spalt
26: Mittel zur Reduzierung der Kurzschlussströmung
27: Laufspaftdrossel
28: Vorsprung
29: zweiter Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum
d_i: Innendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes
d_i–16: Innendurchmesser des Schaufel tragenden Teils
d_i–21: Innendurchmesser des Kupplungshalses
R: Rotationsachse

Claims

Hydrodynamische Kupplung (1) 1.1 mit einem Pumpenrad (4) und einem Turbinenrad (5), die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum (6) bilden; 1.2 die hydrodynamische Kupplung (1) ist frei von einem Leitrad; 1.3 mit: mindestens einem Austritt (10) aus dem Arbeitsraum (6); gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.4 der Austritt (10) oder die Austritte sind am Turbinenrad (5) angeordnet.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10) an der Druckseite der Beschaufelung des Turbinenrades 5 angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10) im Bereich des Innendurchmessers des Arbeitsraumes (6) angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10) gegenüber der Trennebene T zwischen Pumpenrad (4) und Turbinenrad (5) bezogen auf den räumlichen Mittelpunkt M des Arbeitsraumes (6) am Innenumfang des Schaufelrad tragenden Teiles (16) des Turbinenrades (5) in einem Winkel β zwischen 0 und einschließlich 60° gegenüber der Trennebene T angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Austritten (10) vorgesehen sind.
Hydradynamische Kupplung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritte (10) auf einer theoretisch gedachten Umfangslinie am den Arbeitsraum (6) begrenzenden Innenumfang des Schaufel tragenden Teils (16), welche parallel zur Trennebene (T) zwischen dem Pumpenrad (4) und dem Turbinenrad (5) verläuft, angeordnet sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austntte (10) auf mehreren theoretisch gedachten Umfangslinien am den Arbeitsraum (6) begrenzenden Innenumfang des Schaufel tragenden Teils (16), welche parallel zur Trennebene (T) zwischen dem Pumpenrad (4) und dem Turbinenrad (5) verläuft, angeordnet sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zwei einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Austritten (10) konstant ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Austntten (10) variabel (a1, a2) ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Austntt (10) in Form eines Kanals (12) ausgebildet ist, der sich vom Schaufelgrund (14} bis an den Außenumfang (15) des Schaufel tragenden Teils (16) durch die Schaufel tragende Wand (13) erstreckt.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal derart gestaltet und ausgerichtet ist, dass wenigstens eine Richtungskomponente im Betriebszustand des der hydrodynamischen Kupplung in Strömungsrichtung des zwischen dem Pumpenrad (4) und dem Turbinenrad (5) sich einstellenden Arbeitskreislaufes (AK) sowie im wesentlichen tangential zu der sich im Betriebszustand einstellenden Kreislaufkontur des Arbeitskreislaufes zwischen dem Pumpenrad (4) und dem Turbinenrad (5) ausgerichtet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) tangential in Richtung zur Kreislaufkontur des sich zwischen Pumpenrad (4) und Turbinenrad (5) im Betriebszustand einstellenden Arbeitskreislaufes (AK) ausgerichtet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) einen Verlauf frei von Richtungsänderungen aufweist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) wenigstens eine Querschnittsänderung über seine Erstreckung aufweist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Ansprach 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) in Richtung des Außenumfanges (15) des Turbinenrades (5) verengt ausgeführt ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals (12) kreisförmig oder ovalausgeführt ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) in Form eines Schlitzes ausgeführt ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12) in Richtung zur theoretischen Rotationsachse (R) des Turbinenrades (5) hin verlängert ausgeführt ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Kanals (12) in einem Teilbereich mit verdickter Wandstärke im Bereich des Innendurchmessers des Schaufelrad tragenden Teiles (16) am Turbinenrad (5) ausgebildet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Schaufel tragenden Teils (16) im Teilbereich mit verdickter Wandstärke gleich oder kleiner dem Innendurchmesser des Kupplungshalses (21) ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Vermeidung einer Kurzschlussströmung im Bereich der Mündung des Austrittes (10) vorgesehen sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Laufspaltdrossel- bzw. -dichtung (27) umfassen.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufspaltdrossel bzw. -dichtung (27) zwischen dem Pumpenrad (4) und dem Turbinenrad (5) angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufspaltdrossel bzw. -dichtung (27) von einem Spalt oder einem Kolbenring oder einem Radialwellendichtring oder einer Gleitringdichtung oder einer Labyrinthdichtung oder einem Axiallager gebildet wird.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 25.1 das Pumpenrad (4) ist drehfest mit einer Pumpenradschale (7) verbunden; 25.2 die Pumpenradschale (7) umschließt das Turbinenrad in axialer und zumindest in radialer Richtung unter Bildung eines Zwischenraumes (9); 25.3 das Turbinenrad (5) ist drehfest mit einer Turbinenradwelle (8) verbunden und in axialer Richtung verschiebbar auf dieser gelagert.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 26.1 das Pumpenrad (4) ist drehfest mit einer Pumpenradschale (7) verbunden; 26.2 die Pumpenradschale (7) umschließt das Turbinenrad in axialer und zumindest in radialer Richtung unter Bildung eines Zwischenraumes (9); 26.3 das Turbinenrad (5) ist drehfest mit einer Turbinenradwelle (8) verbunden und elastisch auf dieser gelagert.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (5) in axialer Richtung in Einbaulage räumlich vor dem Pumpenrad (4) angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (4) der hydrodynamischen Kupplung (1) in axialer Richtung in Einbaulage betrachtet räumlich vor dem Turbinenrad (5) angeordnet ist.
Anfahreinheit 29.1 mit einem Eingang und einem Ausgang; 29.2 mit einem Anfahrelement in Form einer hydrodynamischen Kupplung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28; 29.3 mit einer der hydrodynamischen Kupplung zugeordneten Überbrückungskupplung; 29.4 die hydrodynamische Kupplung (1) und die Überbrückungskupplung sind parallel angeordnet und sowohl parallel als auch gemeinsam schaltbar.