DE10353518A1

DE10353518A1 - Verfahren zur Reduzierung des aufnehmbaren Momentes einer hydrodynamischen Kupplung im Bereich hohen Schlupfes und hydrodynamische Kupplung

Info

Publication number: DE10353518A1
Application number: DE2003153518
Authority: DE
Inventors: Achim Dr. Menne
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2005-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des aufnehmbaren Momentes einer hydrodynamischen Kupplung in hohen Schlupfbereichen, wobei die Kupplung ein Primärschaufelrad und ein Sekundärschaufelrad (3) umfasst, die miteinander einen befüllbaren Arbeitsraum bilden; DOLLAR A gkennzeichnet durch die folgenden Merkmale: DOLLAR A - bei welchem bei Inbetriebnahme der hydrodynamischen Kupplung diese mit einem gewünschten Füllungsgrad vordefinierter Größe, insbesondere minimalem Füllungsgrad, befüllt wird; DOLLAR A - bei welchem während oder bei Einstellung des gewünschten oder minimalen Füllungsgrades in hohen Schlupfbereichen in einem Bereich von einschließlich 70% bis 100% Mittel zur Beeinflussung des sich im Arbeitsraum einstellenden Strömungskreislaufes wirksam sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des aufnehmbaren Momentes einer hydrodynamischen Kupplung im Bereich hohen Schlupfes, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner eine hydrodynamische Kupplung, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 5.
Hydrodynamische Kupplungen, insbesondere steuer- bzw. regelbare hydrodynamische Kupplungen sind in einer Vielzahl von Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt. Diese weisen in der Regel einen gleichen Grundaufbau aus einem in der Regel als Pumpenrad fungierenden Primärschaufelrad und einem als Turbinenrad fungierenden Sekundärschaufelrad auf, die miteinander einen torusförmigen und mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum bilden. Die einzelnen Kupplungen unterscheiden sich jedoch je nach Ausführung ihrer Gehäuse sowie den Möglichkeiten der Steuerung bzw. Regelung, wobei hier insbesondere auf unterschiedliche Stelleinrichtungen abgestellt wird. Bei der hydrodynamischen Kupplung handelt es sich dabei um einen Drehzahlwandler. Dieser ist frei von einem Leitrad. Die Steuerung bzw. Regelung erfolgt durch Steuerung bzw. Regelung des Füllungsgrades, der durch den Massenstrom bestimmt ist. Je nach Füllungsgrad ergeben sich für eine hydrodynamische Kupplung, insbesondere das durch das Primärschaufelrad aufnehmbare und übertragbare Moment M_P in Bezug auf die während des Hochlaufens der Kupplung sich ändernde Drehzahldifferenz zwischen dem Primärschaufelrad und dem Sekundärschaufelrad bestimmte Kennlinien. Diese sind im Wesentlichen für konstant gefüllte Kupplungen durch einen nahezu konstanten Momentenaufnahmeverlauf bei gleicher Füllung über einen großen Schlupfbereich charakterisiert. Bei Stellkupplungen, bei denen der Füllungsgrad durch den Schöpfrohrhub gegeben ist, sind jedoch andere Kennlinienverläufe erzielbar. Häufig ist es jedoch erforderlich, insbesondere beim Einsatz derartiger hydrodynamischer Kupplungen als Anfahrelemente in Fahrzeugen, gerade im Anlaufbereich, d. h. im Bereich sehr hohen Schlupfes, zur Vermeidung einer negativen Drückung der Drehzahl der Antriebsmaschine, das durch die hydrodynamische Kupplung aufnehmbare Moment, welches dem vom Primärschaufelrad aufnehmbaren Moment entspricht, möglichst gering zu halten. Dies wird gemäß den Ausführungen aus dem Stand der Technik durch Einstellung eines minimalen Füllungsgrades realisiert. Allerdings zeigt sich häufig, dass diese Maßnahme nicht ausreicht, da gerade im Bereich sehr hohen Kupplungschlupfes zwischen 70 % und 100 % sehr hohe Momente durch die Kupplung aufgenommen werden. Dadurch kann es zu einer unerwünschten Rückwirkung auf die Drehzahl der mit der hydrodynamischen Kupplung gekoppelten Antriebsmaschine kommen, so dass hier die gewünschte Fahrdynamik nicht gegeben ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung des aufnehmbaren Momentes durch die hydrodynamische Kupplung zu entwickeln, das verlässlich eine Minimierung des Leerlaufmomentes, d.h. insbesondere des durch die hydrodynamische Kupplung bei maximalem Schlupf aufnehmbaren Momentes ermöglicht. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich dabei durch einen geringen konstruktiven und steuerungstechnischen Aufwand auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Das Verfahren zur Reduzierung des durch die hydrodynamische Kupplung aufnehmbaren Momentes auf ein gewünschtes vordefiniertes Zielmoment und damit die Minimierung des Leerlaufmomentes der hydrodynamischen Kupplung während des Anfahrvorganges ist dadurch charakterisiert, dass die Reduzierung des Momentes in einer Kombination aus Einstellung des Füllungsgrades und Wirkung von mechanischen Einbauten realisiert wird. Dazu wird erfindungsgemäß der minimale Füllungsgrad eingestellt. Die Einstellung kann dabei gesteuert oder geregelt erfolgen. Zusätzlich, d. h. gleichzeitig oder aber geringfügig zeitlich versetzt, werden mechanische Einbauten im sich im Arbeitsraum einstellenden Strömungskreislauf des Arbeitskreislaufes wirksam. Diese bewirken eine Beeinflussung des Übertragungsverhaltens, insbesondere des durch die hydrodynamische Kupplung aufnehmbaren Momentes, insbesondere des Momentes am Primärschaufelrad und damit auch des übertragbaren Momentes auf das Sekundärschaufelrad im Bereich sehr hohen Schlupfes von einschließlich 70 % bis 100 % und damit einer sehr hohen Drehzahldifferenz zwischen dem Sekundärschaufelrad und dem Primärschaufelrad. Ferner ist auch eine Beeinflussung im übrigen Schlupfbereich von 0 bis 70% möglich.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, neben einer Minimierung des Leerlaufmomentes, d. h. des aufnehmbaren Momentes während des Anfahrvorganges, und dadurch der Vermeidung der negativen Rückwirkung auf die Antriebsmaschine auch gewisse Anfahrstrategien zu verwirklichen. Somit kann eine Kennlinie der hydrodynamischen Kupplung mit diesen beiden Maßnahmen dahingehend variiert werden, dass das Leistungsübertragungsverhalten während des Anlaufens der hydrodynamischen Kupplung gegenüber der sich sonst theoretisch bei der Einstellung des entsprechenden Füllungsgrades ergebenden Übertragungsfähigkeit gezielt verändert wird. Vorrichtungsmäßig weist die hydrodynamische Kupplung wenigstens ein Primärschaufelrad und ein Sekundärschaufelrad auf, die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren torusförmigen Arbeitsraum bilden. Die hydrodynamische Kupplung ist frei von einem Leitrad. Ferner sind dieser hydrodynamischen Kupplung Mittel zur Einstellung der Befüllung des torusförmigen Arbeitsraumes mit Betriebsmittel zugeordnet und Mittel zur Beeinflussung des sich im Arbeitsraum aufbauenden Strömungskreislaufes des Arbeitskreislaufes vorgesehen. Bei diesen Mitteln handelt es sich

a) um zusätzliche, vorzugsweise mechanische Einbauten oder
b) um gegenüber den anderen Bereichen von Primärschaufelrad und Sekundärschaufelrad verschiebbare Schaufelradteile.

Bei der Lösung gemäß a) werden dabei zusätzliche Elemente verwendet, welche den sich im Arbeitskreislauf einstellenden Strömungskreislauf beeinflussen und zum Teil zumindest in dem Bereich hohen Schlupfes stören. Diese können dabei

1.) im Bereich des Innendurchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes
2.) im Bereich des Außendurchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes oder
3.) direkt im torusförmigen Arbeitsraum auf einem beliebigen Durchmesser

Bei der Ausführung gemäß 3.) erfolgt eine Anordnung von beispielsweise ringförmigen Elementen im Arbeitsraum, wobei die Anordnung mit beliebigem Durchmesser erfolgen kann. Bei allen gemäß 1.) bis 3.) beschriebenen Ausführungen handelt es sich um zusätzliche mechanische Einbauten. Diese sind vorzugsweise lösbar mit dem jeweiligen Schaufelrad oder je nach Anordnung mit einem anderen ortsfesten Element gekoppelt. Vorzugsweise erfolgt jedoch immer eine Befestigung am jeweiligen Schaufelrad. Konventionelle standardisiert ausgeführte hydrodynamische Kupplungen bzw. Schaufelräder können somit je nach Einsatzfall mit beliebigen mechanischen Einbauten bestückt werden.
Gemäß dem unter 2.) aufgeführten Lösungsansatz umfassen die Mittel zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes des sich im Arbeitsraum einstellenden Arbeitskreislaufes keine zusätzlichen Elemente sondern werden von den Strömungskreislauf begrenzenden Wänden der Schaufelräder gebildet. Dabei können einzelne Wandbereiche, insbesondere in Form von Ringflächenbereichen in axialer Richtung gegenüber der Trennebene zwischen Primärschaufelrad und Sekundärschaufelrad verschoben werden, so dass eine äußere Führung nicht mehr gegeben ist. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung werden ganze Kreislaufteile in axialer Richtung verschoben, d. h. vorzugsweise in Form von Segmenten. Die einzelnen Kreislaufteile bzw. Wände sind dabei drehfest am jeweiligen Schaufelrad bzw. einer mit diesem gekoppelten Welle gelagert, jedoch in axialer Richtung gegenüber dieser verschiebbar.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eines der beiden Schaufelräder, Primärschaufelrad oder Sekundärschaufelrad, drehfest in Umfangsrichtung jedoch in axialer Richtung verschiebbar gelagert, so dass auch eine Beeinflussung des Strömungskreislaufes während des Anfahrvorganges im Anfahrbereich der hydrodynamischen Kupplung, d.h. während des Aufbaus des Strömungskreislaufes sicher gewährleistet wird, so dass hier noch kein Moment übertragen wird. Damit wird es möglich, die Antriebsmaschine im gewünschten Betriebspunkt zu betreiben und die Leistungsübertragung unabhängig, d. h. entkoppelt von der Motordrehzahl einzuleiten.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 verdeutlicht anhand eines Diagramms das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung der Momentenaufnahme durch das Primärschaufelrad;
2 verdeutlicht eine Kennlinie einer hydrodynamischen Kupplung gemäß dem Stand der Technik;
3a bis 3e verdeutlichen schematisch vereinfachte Darstellungen möglicher Ausgestaltungen der Mittel zur Beeinflussung des sich im Arbeitsraum einstellenden Arbeitskreislaufes;
4a und 4b verdeutlichen anhand von Signalflussbildern den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 2 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung die mit einer hydrodynamischen Kupplung 1 erzielbare theoretische Kupplungskennlinie, insbesondere Pumpenkennlinie, gemäß dem Stand der Technik für unterschiedliche Füllungsgrade, insbesondere einen maximalen Füllungsgrad FG_max und einem minimalen Füllungsgrad FG_min. Die Pumpenkennlinie beschreibt dabei das durch die hydrodynamische Kupplung 1 aufnehmbare Moment, welches dem Moment M_P am Primärschaufelrad entspricht, aufgetragen über dem Drehzahlverhältnis γ von der Drehzahl am Sekundärschaufelrad n_T und der Drehzahl n_P am Primärschaufelrad. Daraus wird ersichtlich, dass auch bei minimalem Füllungsgrad FG_min ein Zielpunkt, d. h. ein minimales Moment M_PZiel im Leerlauf nicht erzielt werden kann. Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, neben einer Füllungsgradsänderung ΔFG in Richtung des minimalen Füllungsgrades FG_min zusätzlich im Bereich hohen Schlupfes eine Drückung des aufnehmbaren Momentes vornehmen zu können. Dabei wird durch die Kombination aus einer Füllungsgradsänderung ΔFG in Richtung des minimalen Füllungsgrads FG_min und der Wirkung von zusätzlichen Mitteln zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitskreislauf eine Drückung des Zielpunktes in Richtung geringes Leerlaufmoment und damit geringes durch das Primärschaufelrad aufzunehmendes Moment M_Pmin vorgenommen. Der Zielpunkt im Leerlauf, d. h. bei noch stehendem Sekundärschaufelrad gegenüber der in der 2 gezeigten konventionellen Lösung wird zu kleineren Momenten M_P verlagert. Erst bei geringer werdendem Schlupf gleicht sich die Kennlinie wieder der einer konventionellen Ausführung für eine bestimmte Füllung, insbesondere der minimalen Füllung an.
Die Auswirkung der erfindungsgemäßen Kombination der beiden Maßnahmen sind in 1 sowohl für den minimalen als auch einen beliebigen, vorzugsweise maximalen Füllungsgrad FG_max widergegeben. Das Zielmoment bei γ = 0 für minimalen Füllungsgrad FG_min ist M_Pmin (FG_min), während das Zielmoment bei γ = 0 und maximalem Füllungsgrad FG_max mit M_PZiel (FG_max) bezeichnet ist. Die Drückung des aufnehmbaren Pumpenmomentes M_P kann somit auch zur Realisierung bestimmter Anfahrstrategien genutzt werden.
Die 3a bis 3e verdeutlichen beispielhaft mögliche Ausgestaltungen der Mittel zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitskreislauf. Die hydrodynamische Kupplung 1 ist hier in schematisch vereinfachter Darstellung nur schematisiert wiedergegeben. Erkennbar ist ein Primärschaufelrad 2, welches in der Regel als Pumpenrad fungiert und ein so genanntes Sekundärschaufelrad 3, das beim Einsatz in Antriebssträngen bei Leistungsübertragung von der Antriebsmaschine zum Abtrieb als Turbinenrad fungiert. Das Primärschaufelrad 2 ist dabei mit einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine wenigstens mittelbar, d. h. direkt oder indirekt, über weitere Übertragungselemente drehfest verbunden, während das Sekundärschaufelrad mit einem hier im Einzelnen nicht dargestellten Abtrieb wenigstens indirekt, d. h. entweder direkt oder über weitere Übertragungselemente, verbindbar ist. Verbindbar bedeutet dabei, dass entweder eine ständige drehfeste Verbindung vorgesehen ist, oder aber eine Schaltbarkeit gegeben ist. Primärschaufelrad 2 und Sekundärschaufelrad 3 bilden einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum 4. In diesem stellt sich bei Rotation des Primärschaufelrades 2 ein Strömungskreislauf 5 ein. Dieser Strömungskreislauf 5 ist hier mittels eines Pfeils dargestellt. Bei der hydrodynamischen Kupplung 1 kann es sich dabei um eine hydrodynamische Kupplung mit stehendem Gehäuse oder aber mit rotierendem Gehäuse handeln. Im erstgenannten, hier nicht dargestellten Fall umschließt das Gehäuse Primärschaufelrad 2 und Sekundärschaufelrad 3, wie in der 3a beispielhaft dargestellt, unter Bildung von so genannten Schaufelradnebenräumen 6 und 7 in axialer Richtung und in radialer Richtung in Umfangsrichtung vollständig. Im zweiten Fall ist das Gehäuse, welches mit 9 bezeichnet ist, drehfest mit dem Primärschaufelrad 2 verbunden und umschließt das Sekundärschaufelrad 3 in Umfangsrichtung vollständig und in radialer Richtung teilweise. Das Gehäuse 9 kann dabei im Primärschaufelrad 2 auch als integrale Baueinheit ausgeführt werden. Die hydrodynamische Kupplung, insbesondere der Arbeitsraum 4, ist, wie bereits aufgeführt, befüllbar. Das bedeutet, es ist wenigstens ein Eintritt 10 in den Arbeitsraum 4 und ein Austritt 11 aus dem Arbeitsraum 4 vorgesehen. Diese können je nach Art der Durchströmung der hydrodynamischen Kupplung unterschiedlich angeordnet sein. Dabei können bei Ausführungen mit rotierendem Gehäuse 9 die zwischen Primärschaufelrad 2 und Sekundärschaufelrad 3 im Bereich des Innendurchmessers d_I4 des Arbeitsraumes und im Bereich des Außendurchmesser d_A4 gebildeten Öffnungen bzw. Spalten 12 und 13 genutzt werden oder aber es sind entsprechende Kanäle an den einzelnen Schaufelrädern vorgesehen, hier beispielsweise ein in strichpunktierter Darstellung wiedergegebener Kanal 14, der sich vom Schaufelgrund 15 des Primärschaufelrades 2 durch wenigstens eine Schaufel 16 der Beschaufelung des Primärschaufelrades 2 bis in den Bereich des Schaufelendes 17 erstreckt und somit in den Raum geringsten statischen Druckes, den so genannten Kernraum 18. Diese Aussage gilt in Analogie auch für die Auslassöffnungen. Diese sind dann vorzugsweise am Sekundärschaufelrad 3 ausgeführt. Die Befüllung über die Beschaufelung erfolgt dabei vorzugsweise bei zentrifugaler Durchströmung. Es ist jedoch auch eine Befüllung über den Spalt 12 möglich. Der Austritt erfolgt in diesem Fall über den Spalt 13 oder über den in der 3a mit durchbrochener Linie verdeutlichten Austritt 11, beispielsweise am Turbinenrad. Bei zentripetaler Durchströmung erfolgt die Versorgung mit Betriebsmittel um den Umfang der Schaufelräder herum in radialer Richtung von außen nach innen, d. h. von der Öffnung bzw. dem Spalt 13 in den Arbeitsraum 4 und die Entleerung erfolgt im Bereich des Spaltes 12 bzw. im Bereich des Innendurchmessers d_I4 des Arbeitsraumes 4. Der hydrodynamischen Kupplung 1 sind dabei ferner Mittel zur Einstellung eines vordefinierten oder gewünschten Füllungsgrades FG zugeordnet. Diese sind mit 19 bezeichnet und umfassen wenigstens eine Stelleinrichtung 20. Diese Stelleinrichtung kann vielgestaltig ausgeführt sein und eine Reihe von Komponenten umfassen. Beispielsweise kann zur Steuerung des Füllungsgrades eine mit dem Eintritt 10 oder dem Austritt 11 gekoppelte Ventileinrichtung benutzt werden, wobei der Druck in den mit dem Eintritt 10 bzw. Austritt 11 gekoppelten Leitungen variiert wird und/oder eine Druckdifferenz als Stellgröße gewählt wird. Eine andere Ausführung besteht darin, beispielsweise bei Kopplung zwischen Eintritt 10 und Austritt 11 über einen Kreislauf diesen mit einem statischen Überlagerungsdruck zu beaufschlagen und somit den Füllungsgrad massiv zu beeinflussen. Die konkrete Art und Weise der Beeinflussung des Füllungsgrades hängt dabei von den Gegebenheiten, insbesondere den vorherrschenden Randbedingungen, ab. Die Einstellung eines vordefinierten oder gewünschten Füllungsgrades über die Mittel 19 erfolgt dabei in Form einer Steuerung oder aber Regelung. Dazu ist der hydrodynamischen Kupplung 1 eine Steuervorrichtung und/oder Regelvorrichtung 22 zugeordnet, die wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 23 umfasst. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 23 kann dabei als bauliche Einheit in Form eines Steuergerätes vorliegen oder aber als so genanntes virtuelles Steuergerät, bei welchem die einzelnen Komponenten in räumlicher Entfernung voneinander angeordnet sind und über ein Datenkommunikationsnetzwerk miteinander gekoppelt werden. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 23 ist dabei mit der Stelleinrichtung 20 gekoppelt. Bei Integration der hydrodynamischen Kupplung in Antriebssträngen von Fahrzeugen wird dabei in Abhängigkeit einer gewünschten Aktivierung der hydrodynamischen Kupplung 1 die Befüllung der hydrodynamischen Kupplung 1 mit minimalem Füllungsgrad FG_min eingeleitet. Durch die zusätzliche Wirkung von Mitteln 24 zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitsraum 4 kann dabei bei minimalem Füllungsgrad FG_min eine zusätzliche Drückung des aufnehmbaren Momentes M_P am Primärschaufelrad 2 realisiert werden. Dies bedeutet, dass im Bereich des Anlaufens der hydrodynamischen Kupplung 1 bei sehr hohen Schlupfwerten von 70 % bis 100 %, d. h. auch einem diesen charakterisierenden minimalem Drehzahlverhältnis γ, das minimal von der hydrodynamischen Kupplung 1 aufnehmbare Moment, welches dem Moment M_P am Primärschaufelrad 2 entspricht, beeinflusst werden kann und kleiner als das theoretisch bei diesem Füllungsgrad FG_min sich einstellenden aufnehmbaren Moment M_P eingestellt werden. Es ergibt sich dann eine Verlagerung des durch das Primärschaufelrad 2 aufnehmbaren Moments M_P in Richtung zu einem Zielpunkt in der Kupplungskennlinie bzw. Pumpenkennlinie in Richtung eines geringeren Momentes, wie in der 1 dargestellt.
Die Mittel 24 zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitskreislauf können vielgestaltig ausgeführt sein. Diese umfassen im einfachsten Fall mechanische Einbauten 25. Bei der Ausführung gemäß 3a erfolgt dabei eine Anordnung einer Drosselscheibe 26, die in radialer Richtung ausgerichtet ist, in Strömungsrichtung betrachtet bezogen auf den Strömungskreislauf im Arbeitsraum 4 im Bereich des Austrittes 21 des Strömungskreislaufes aus dem Sekundärschaufelrad 3 oder aber im Bereich des Eintrittes 28 des Strömungskreislaufes am Primärschaufelrad 2. Die Drosselscheibe 26 ist dabei im Bereich der Trennebene T zwischen Primärschaufelrad 2 und Sekundärschaufelrad 3 angeordnet. Diese ist durch einen Außendurchmesser D_d charakterisiert, welcher größer als der Innendurchmesser d_I4 des torusförmigen Arbeitsraumes 4 ist. Der Durchmesser Dd kann dabei fix gewählt werden oder ist variabel. Da gerade im Bereich geringer Befüllung der Strömungskreislauf im Arbeitsraum sich im Wesentlichen mehr im Bereich des Innendurchmesser d_I4 bei Umwälzung des Betriebsmittels durch Rotation des Primärschaufelrades 2 bewegt, erfolgt in diesem Bereich auch die größte Beeinflussung durch die Drosselscheibe 26. Mit geringer werdendem Schlupf, d. h. Angleichung der Drehzahlen in Richtung Gleichheit, und mit zunehmenden Füllungsgrad FG in Richtung maximaler Füllungsgrad FG_max stellt sich ein stabiler Strömungskreislauf ein, wobei der Einfluss der Drosselscheibe 26 auf diesen sich verringert.
Dies gilt in Analogie auch die für die in der 3b beschriebene Ausführung. Der Grundaufbau der hydrodynamischen Kupplung 1 entspricht dem in der 3a beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente auch die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist hier eine Drosselscheibe 29 vorgesehen, die jedoch im Bereich des Austrittes 30 am Primärschaufelrad, d. h. des Übergangs des Strömungskreislaufes vom Primärschaufelrad 2 zur Trennebene T, oder aber, wie hier dargestellt, am Eintritt 31 des Strömungskreislaufes in das Sekundärschaufelrad 3 angeordnet ist. Diese Drosselscheibe 29 bzw. Blende ist durch einen Innendurchmesser D_B charakterisiert, der kleiner als der Außendurchmesser d_A4 des torusförmigen Arbeitsraumes 4 und größer als der Durchmesser d_I4 des torusförmigen Arbeitsraumes ist. Dabei kann der Innendurchmesser der Blende D_B ebenfalls fix oder variabel ausgewählt werden. Auch wird eine ähnliche Wirkung wie bei der in der 3a beschriebenen Ausführung erzielt.
Die 3c verdeutlicht eine weitere alternative Ausgestaltung der mechanischen Einbauten 25. Diese sind in Form eines so genannten Drosselringes ausgeführt, der entweder im Primärschaufelrad 2, im Sekundärschaufelrad 3 oder in beiden vorhanden sein kann. Bei der in der 3c dargestellten Ausführung sind derartige Drosselringe 32 und 33 im Primärschaufelrad 2 und im Sekundärschaufelrad 3 angeordnet. Die Anordnung erfolgt dabei auf einem Durchmesser, der größer dem Innendurchmesser des Arbeitsraumes d_I4 und kleiner dem Außendurchmesser d_A4 des torusförmigen Arbeitsraumes 4 ist, vorzugsweise erfolgt die Anordnung im Bereich der im Querschnitt in radialer Richtung vorliegenden Symmetrieachse S des torusförmigen Arbeitsraumes 4. Dieser Durchmesser ist mit D_RT für das Sekundärschaufelrad 3 und D_RP für das Primärschaufelrad 2 bezeichnet. Vorzugsweise sind beide Drosselringe 32 und 33 auf einem gemeinsamen Durchmesser angeordnet bzw. weisen den gleichen Außendurchmesser und Innendurchmesser auf. Eine Abweichung in radialer Richtung und damit der Größe der Drosselringe 32 und 33 ist möglich. Dies gilt auch für die Breite in axialer Richtung, die hier für den Drosselring 33 am Primärschaufelrad 2 mit a und für den Drosselring 32 am Sekundärschaufelrad 3 mit b bezeichnet ist. Diese kann je nach Einzelfall fix oder variabel sein. Die Befestigung der Drossel an den einzelnen Schaufelrädern Primärschaufelrad 2 oder Sekundärschaufelrad 3 kann vielgestaltig erfolgen. Vorzugsweise werden stoffschlüssige oder aber formschlüssige Lösungen gewählt.
Die 3d und 3e verdeutlichen alternative Ausgestaltungen gegenüber den 3a bis 3c. Bei diesen werden keine zusätzlichen Kreislauf ablenkenden oder störenden Teile in den Arbeitsraum 4 eingebaut bzw. wirken in diesem, sondern es werden Kreislauf führende Teilbereiche, die von den einzelnen Schaufelrädern Primärschaufelrad 2 oder Sekundärschaufelrad 3 gebildet werden, verschoben. Dabei zeigt die in der 3d dargestellte Ausführung die Möglichkeit der Verschiebbarkeit eines Teils 34 der den Strömungskreislauf führenden bzw. begrenzenden Ringfläche am Primärschaufelrad 2. Denkbar ist auch eine derartige Ausgestaltung am Sekundärschaufelrad 3. Dabei wird ein Teil der Ringfläche in axialer Richtung gegenüber der Trennebene T verschoben, vorzugsweise derart, dass ein Teil der strömungsführenden Begrenzungswand, die durch das entsprechende Schaufelrad – Primärschaufelrad 2 oder Sekundärschaufelrad 3 – gebildet wird, in diesem Funktionszustand nicht mehr zur Führung zur Verfügung steht.
Demgegenüber offenbart 3e eine Ausgestaltung, bei welcher nicht nur ein Teil der den Kreislauf begrenzenden Ringfläche vom Primärschaufelrad 2 oder Sekundärschaufelrad 3 verschoben wird, sondern ein Segment des Primärschaufelrades 2 und/oder Sekundärschaufelrades 3, so dass der sich zwischen Primärschaufelrad 2 und Sekundärschaufelrad 3 ausgebildete Strömungskreislauf überhaupt keine Führung über einen wesentlichen Teilbereich seines Strömungsweges erfährt. Das einzelne Segment kann dabei beliebig groß ausgestaltet sein. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst dieses das gesamte Schaufelrad. Auch hier kann das Segment 35 in axialer Richtung verschoben werden. Die Verschiebung erfolgt auch hier bei gewünschter Beeinflussung des Strömungskreislaufes von der Trennebene T weg.
Die axiale Verschiebbarkeit der einzelnen Randbereiche vom Primärschaufelrad 2 und Sekundärschaufelrad 3 bzw. der den Kreislauf führenden Teile in Form von Segmenten 35 kann druckgesteuert erfolgen, wobei gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung hier der ohnehin in der Kupplung vorhandene Druck genutzt werden kann. Dies gilt insbesondere bei zentripetaler Durchströmung für Ausführungen mit Überbrückungskupplung, wobei in diesem Fall der zum Auseinanderhalten der einzelnen Elemente der Überbrückungskupplung erforderliche Betriebsmittelstrom teilweise genutzt wird, um diese Verschiebung in axialer Richtung zu bewerkstelligen.
Die 4a und 4b verdeutlichen beispielhaft das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einstellung eines minimalen Leerlaufmomentes, insbesondere zur Drückung des durch das Primärschaufelrad 2 aufnehmbare Momentes M_P. Gemäß 4a wird auf eine Ausführung mit fest eingestellten mechanischen Einbauten 25 verwiesen. Nach dem Start im Antriebsstrang, welcher in der Regel durch eine Inbetriebnahme einer Antriebsmaschine, vorzugsweise einer Verbrennungskraftmaschine, charakterisiert ist, erfolgt ein Signal zur Vorgabe der Aktivierung der hydrodynamischen Kupplung 1, das in der Regel mit einem Füllsignal einhergeht. Dabei wird während des Anfahrvorganges ein minimaler Füllungsgrad FG_min vorgegeben und eingestellt. Die Einstellung erfolgt dabei durch Ansteuerung der entsprechenden der hydrodynamischen Kupplung 1 zugeordneten Stelleinrichtung, wobei je nach Art der Stelleinrichtung ein Druck oder Weg oder eine andere Größe als Stellgröße fungiert.
Bei ortsfesten mechanischen Einbauten in der hydrodynamischen Kupplung 1 beeinflussen diese das Momentenaufnahmeverhalten durch die hydrodynamische Kupplung 1, und bewirken insbesondere eine Verringerung des theoretisch aufnehmbaren Momentes M_P. Die Wirkung wird dabei durch mechanische Einbauten erzielt, die derart ausgeführt sind, dass diese geeignet sind, den Momentenverlauf für das durch die hydrodynamische Kupplung 1 bzw. des Primärschaufelrads 2 aufnehmbare Moment M_P in Abhängigkeit vom Schlupf, d. h. dem Drehzahlverhältnis zwischen Sekundärschaufelrad n_T und Primärschaufelrad n_P, derart im Bereich höherer Schlupfwerte, vorzugsweise im Bereich von 70 % – 100 % Schlupf eine Drückung des aufnehmbaren Momentes M_P gegenüber konventionellen Lösungen zu ermöglichen.
Gegenüber der in der 4a beschriebenen Ausgestaltung anhand des Signalflussbildes verdeutlicht 4b das Signalflussbild mit zusätzlich veränderlichem Füllungsgrad FG und aktiver Beeinflussung durch Verschiebbarkeit der mechanischen Einbauten während des Betriebes. Auch hier wird nach dem Start im Antriebsstrang und dem Hochlaufen der Antriebsmaschine ein minimaler Füllungsgrad FG für die hydrodynamische Kupplung vorgegeben. Allerdings wird parallel oder mit geringem zeitlichen Versatz eine Verschiebung von Kreislauf führenden Wänden oder einzelnen Kreislaufteilen entsprechend den 3d und 3e vorgenommen, so dass hier eine aktive Einflussnahme auf die Wirkung der Mittel zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitskreislauf 14 gegeben ist.

1: hydrodynamische Kupplung
2: Primärschaufelrad
3: Sekundärschaufelrad
4: Arbeitsraum
5: Strömungskreislauf
6: Schaufelradnebenraum
7: Schaufelradnebenraum
8: ruhendes Gehäuse
9: Gehäuse
10: Eintritt
11: Austritt
12: Spalt
13: Spalt
14: Kanal
15: Schaufelgrund
16: Schaufel
17: Schaufelende
18: Kernraum
19: Mittel zur Einstellung eines vordefinierten oder definierten bzw.
: gewünschten Füllungsgrades
20: Stelleinrichtung
21: Austritt aus dem Sekundärrad
22: Steuer- und/oder Regelvorrichtung
23: Steuer- und/oder Regeleinrichtung
24: Mittel zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitsraum
25: mechanische Einbauten
26: Drosselscheibe
27: Austritt
28: Eintritt
29: Drosselstelle
30: Austritt
31: Eintritt
32: Drosselring
33: Drosselring
μ: Drehzahlverhältnis
n_T: Drehzahl am Sekundärschaufelrad
n_P: Drehzahl am Primärschaufelrad
M_P: vom Primärschaufelrad aufnehmbares Moment
d_I4: Innendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes
d_A4: Außendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes
D_d: Außendurchmesser des Drosselringes
D_B: Innendurchmesser der Drosselscheibe bzw. Blende
a, b: Breite der Drosselringe
d_RP: Anordnungsdurchmesser des Drosselringes am Primärschaufelrad
d_RT: Anordnungsdurchmesser des Drosselringes am Sekundärschaufelrad

Claims

Verfahren zur Reduzierung des aufnehmbaren Momentes (M_P) einer hydrodynamischen Kupplung (1) in hohen Schlupfbereichen, wobei die Kupplung ein Primärschaufelrad (2) und ein Sekundärschaufelrad (3) umfasst, die miteinander einen befüllbaren Arbeitsraum (4) bilden; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.1 bei welchem bei Inbetriebnahme der hydrodynamischen Kupplung (1) diese mit einem gewünschten Füllungsgrad vordefinierter Größe, insbesondere minimalem Füllungsgrad (FG_min) befüllt wird; 1.2 bei welchem während oder bei Einstellung des gewünschten oder minimalen Füllungsgrades (FG_min) in hohen Schlupfbereichen in einem Bereich von einschließlich 70 % bis 100 % Mittel (24) zur Beeinflussung des sich im Arbeitsraum (4) einstellenden Strömungskreislaufes wirksam sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Füllungsgrad (FG_min) eingeregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitsraum (4) mechanische Einbauten (25) umfassen, die sich in den Arbeitsraum (4) erstrecken, wobei diese derart ausgeführt und dimensioniert sind, dass zumindest im Bereich von 70 % bis 100 % Schlupf das theoretisch über den im Arbeitsraum (4) ohne Einbauten einstellenden Strömungskreislauf übertragbare bzw. durch das Primärschaufelrad (2) aufnehmbare Moment (M_P) auf ein gewünschtes vordefiniertes Zielmoment (M_PZiel) herabgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Befüllens des Arbeitsraumes (4) oder der Einstellung des minimalen Füllungsgrades (FG_min) die Mittel (24) zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes im Arbeitsraum (4), umfassend in axialer Richtung verschiebbare den Kreislauf führende Wände (34) und/oder Segmente (35) der Schaufelräder (2, 3), betätigt werden.
Hydrodynamische Kupplung (1) 5.1 mit einem Primärschaufelrad (2) und einem Sekundärschaufelrad (3), die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum (4) bilden; 5.2 mit einem Betriebsmittelversorgungssystem, umfassend Mittel (19) zur Einstellung eines Füllungsgrades (FG); 5.3 mit Mitteln (24) zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes des sich im Arbeitsraum (4) einstellenden Arbeitskreislaufes; 5.4 die Mittel (24) sind derart ausgeführt, dass diese geeignet sind, zumindest in einem Bereich großen Schlupfes von 70 % bis 100 % eine Drückung des durch das Primärschaufelrad (2) aufnehmbaren Momentes M_P zu erzielen.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes des sich im Arbeitsraum (4) einstellenden Arbeitskreislaufes mechanische Einbauten (25) umfassen.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Einbauten (25) wenigstens eine Drosselscheibe (26) umfassen, die im Bereich der Trennebene (T) einem der beiden Schaufelräder – Primärschaufelrad (2) oder Sekundärschaufelrad (3) – zugeordnet ist und dem Austritt aus dem Sekundärschaufelrad (3) nachgeordnet oder dem Eintritt in das Primärschaufelrad (2) in Richtung des Strömungskreislaufes vorgeordnet ist, wobei der Außendurchmesser (d_D) der Drosselscheibe größer dem Innendurchmesser (d_I4) des torusförmigen Arbeitsraumes (4) ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Einbauten (25) eine Blende (26) umfassen, die einen Innendurchmesser (D_B) aufweist, der kleiner dem Außendurchmesser (d_A4) des torusförmigen Arbeitsraumes (4) ist und die im Bereich der Trennebene (T) einem der Schaufelräder – Primärschaufelrad (2) oder Sekundärschaufelrad (3) – zugeordnet und dem Austritt aus dem Primärschaufelrad (2) nachgeordnet und/oder dem Eintritt in das Sekundärschaufelrad (3) vorgeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Einbauten (25) wenigstens einen Drosselring (32, 33) umfassen, der im Arbeitsraum (4) auf einem Durchmesser (d_A4 > d > d_I4) angeordnet ist und im Axialschnitt betrachtet im Querschnitt jeweils am Außenumfang des Arbeitsraumes (4) angeordnet ist.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Einbauten (25) an den einzelnen Schaufelrädern – Primärschaufelrad (2) und/oder eine mit diesem gekoppelten Primärradschale und/oder Sekundärschaufelrad (3) – befestigt sind.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zur Beeinflussung des Strömungskreislaufes des sich im Arbeitsraum (4) einstellenden Arbeitskreislaufes in axialer Richtung verschiebbare Wandbereiche (34) eines Schaufelrades – Primärschaufelrad und Sekundärschaufelrad (2, 3) – oder in axialer Richtung verschiebbare Segmente (35) der einzelnen Schaufelräder (2, 3) umfassen.
Hydrodynamische Kupplung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19) zur Einstellung des Füllungsgrades eine der hydrodynamischen Kupplung (1) zugeordnete Stelleinrichtung (20) umfassen, welche wenigstens eine der nachfolgenden Funktionen übernimmt: – Einstellung eines Druckes in einer mit dem Eintritt in den Arbeitsraum gekoppelten Einlassleitung – Einstellung eines Volumenstroms in einer mit dem Austritt gekoppelten Auslassleitung – Einstellung eines statischen Überlagerungdruckes in einem mit dem Eintritt und dem Austritt aus dem Arbeitsraum gekoppelten Kreislauf – Einstellung einer Druckdifferenz – Einstellung eines Ventilweges zur Beeinflussung der in den mit dem Eintritt und/oder Austritt gekoppelten Leitungen vorherrschenden Verhältnisse.