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Hydraulischer Drehmomentenwandler Die Erfindung bezieht sich auf einen
hydraulischen Drehmomentenwandler mit einer Anzahl in einem umlaufend getriebenen
Gehäuse angeordneter Schaufelräder, welche gemeinsam einen im wesentlichen ringförmigen
Strömungskreislauf bilden, wobei diese Schaufelräder aus einem fest mit dem umlaufenden
Gehäuse verbundenen Hauptpumpenrad und einem frei drehbar angeordneten Hilfspumpenrad,
einem mit der Abtriebswelle verbundenen Turbinenrad sowie einem zwischen dem Turbinen-
und dem Hauptpumpenrad auf einer Freilaufkupplung angeordneten Leitrad bestehen.
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Es ist bei hydraulischen Drehmomentenwandlern bekannt, ein Haupt-
und ein Hilfspumpenrad vorzusehen, die durch eine entweder innerhalb oder außerhalb
der Schaufelbegrenzung angeordnete Kupplung miteinander ein- oder ausrückbar sind.
Die bekannten Drehmomentenwandler befassen sich durchweg mit dem Problem, den Wirkungsgrad
über einen großen Drehzahlbereich zu verbessern, d. h. den effektiven Durchmesser
bzw. die Schaufellänge und damit die Austrittswinkel an den Schaufeln veränderlich
zu machen, um die Stoßverluste zu mindern. Demgegenüber soll mit der Erfindung die
Aufgabe gelöst werden, einen Drehmomentenwandler zu schaffen, der eine Mehrzahl
unendlich wandelbarer Drehmomentenübersetzungsbereiche aufweist, was dadurch erreicht
wird, daß das Haupt- und das Hilfspumpenrad in an sich bekannter Weise durch eine
Kupplung verbindbar sind, wobei die Kupplung zur Erzeugung einer Mehrzahl unendlich
wandelbarer Drehmomentenübersetzungsbereiche unabhängig von Geschwindigkeitsänderungen
wahlweise ein- und ausrückbar ist.
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Mit diesem verbesserten Drehmomentenwandler kann man den Wirkungsgrad
und das Drehmomentenverhältnis bei relativ niedrigen Drehzahlverhältnissen zwischen
der Turbine und dem Pumpenrad während des Antriebes bei hohem Drehmomentenverhältnis
erhöhen. In entsprechender Weise kann man den Wirkungsgrad und das Drehmomentenverhältnis
bei relativ hohen Drehzahlverhältnissen zwischen der Turbine und dem Pumpenrad während
des Antriebes bei niedrigem Drehmomentenverhältnis steigern. Auf diese Weise werden
die Gesamtleistungen des Drehmomentenwandlers besser der Verwendung in Kraftfahrzeugen
angepaßt.
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Die oben angeführten erwünschten Ergebnisse können dadurch erreicht
werden, indem die Schaufeln des Hilfspumpenrades entweder auf einem größeren Radius
als die Schaufeln des Primärpumpenrades oder aber daß die Austrittskanten der Schaufeln
des Haupt- und des Hilfspumpenrades in etwa gleich großen radialen Abständen von
der Drehachse des Drehmomentenwandlers angeordnet werden. Es ist verständlich, daß
das auf die Flüssigkeit durch die Pumpenschaufeln übertragene Moment proportional
dem Quadrat des Radius des Pumpenradauslasses sein wird, so daß, wenn man die sekundären
Pumpenschaufeln auf einem größeren Radius als die Schaufeln des primären Pumpenrades
anordnet, wesentliche Unterschiede in der Betriebsweise des Drehmomentenwandlers
unter verschiedenen Betriebsbedingungen erreicht werden können. Falls die Austrittskanten
der Hilfspumpenschaufeln etwa einen gleichen axialen Abstand von der Drehachse des
Drehmomentenwandlers aufweisen wie die Austrittskanten der Hauptpumpenschaufeln,
inuß man unterschiedliche Austrittswinkel an den Schaufeln der verschiedenen Pumpenräder
vorsehen, damit die Arbeitsflüssigkeit verschiedene Momente ausüben kann.
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Demgemäß sieht eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes vor,
daß die Schaufelaustrittskanten des Haupt- und des Hüfspumpenrades gleichen radialen
Abstand von der Drehachse, jedoch verschieden große Austrittswinkel für die Arbeitsflüssigkeit
aufweisen.
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Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, daß zwei Hilfsschaufelräder vorgesehen sind und daß deren Kupplungsteile
aus
einer ersten Kupplung, welche sich innerhalb des durch die umlaufenden Schaufelkränze
gebildeten Ringes befindet und zur Kupplung des Hilfsschaufelrades mit dem Hauptschaufelrad
dient, und aus einer zweiten Kupplung bestehen, welche außerhalb des Ringes angeordnet
ist und zur Kupplung des ersten Hilfsschaufelrades mit dem zweiten Hilfsschaufelrad
dient.
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Nach einem weiteren Merkmal ist die Erfindung gekennzeichnet durch
einen Stellmotor zur Betätigung der Kupplungsteile, die durch den Stellmotor normalerweise
im Eingriff gehalten werden, und durch Mittel, welche durch das Gaspedal, falls
dieses vom Fahrer in eine vorbestimmte Stellung gebracht wird, betätigt werden,
um den Stellmotor zu betätigen und den Kupplungsteil auszurücken, wodurch bei einem
relativ hohen Drehmomentenverhältnis ein unendlich wandelbarer Bereich der Drehmomentenübersetzung
ermöglicht wird.
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Eine weitere, äußerst vorteilhafte Ausbildung ist gekennzeichnet durch
einen Stellmotor zur Betätigung der Kupplungsteile, die normalerweise durch diesen
Stellmotor im Eingriff gehalten werden, sowie durch differentiell betätigte Mittel,
welche gleichzeitig auf die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges und auf das Durchtreten
des Gaspedals ansprechen, womit der Stellmotor so bewegt wird, daß dieser bestrebt
ist, die Kupplungsteile auszurücken, um in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeitsverringerung
des Kraftfahrzeuges oder von einer Erhöhung des Druckes auf das Gaspedal einen bei
hohem Drehmomentenverhältnis unendlich wandelbaren Bereich der Drehmomentenübertragung
zu erreichen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein durch
Druckflüssigkeit betätigter Kolben zur Betätigung der Kupplung vorgesehen ist und
daß ein Druckflüssigkeitskanal sich durch wenigstens eine Schaufel der Schaufelräder
in im wesentlichen radialer Richtung erstreckt und eine Verbindung zur Betätigung
des Kolbens herstellt.
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Durch die Erfindung wird ein verbesserter hydraulischer Drehmomentenwandler
geschaffen, der in der Konstruktion einfach ist und eine Mindestzahl an unterschiedlichen
Schaufelrädern aufweist und doch ein unendlich wandelbares, relativ hohes Drehmomentenverhältnis,
welches für schnelle Beschleunigungen zur Verfügung stehen soll, ermöglicht oder
aber ein relativ niedriges Drehmomentenverhältnis, welches für die normale Fahrzeugbeschleunigung
benötigt wird. Die erwähnten Merkreale und Vorteile der Erfindung werden aus der
Beschreibung und aus den Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt Fig. 1 einen Teilschnitt
einer Ausführung der Erfindung, wobei die Betätigungskupplung innerhalb des Wandlers
angeordnet ist, Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 1 einer abgeänderten Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Betätigungskupplung außerhalb des Wandlers angebracht ist,
Fig.3 einen vereinfachten Schnitt ähnlich den Fig. 1 und 2 mit einer zweiten Abänderung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Organe des Hilfspumpenrades Ein- und
Austrittsradien aufweisen, die gleich dem Austrittsradius der Schaufeln des primären
Pumpenrades sind, Fig. 4 A und 4. B schematische Diagramme in vektorieller Darstellung
der Momente an den Schaufeln des Wandlers, Fig. 5 eine schematische Darstellung
der Schaufeln mit dem Bereich der Eintritts- und Austrittswinkel, weiche bei den
oben angeführten Drehmomentenwandlern verwendet werden können, Fig.6 eine schematische
Darstellung der Betätigungseinrichtung für die Kupplung, welche die verschiedenen
Pumpenräder mit einer Ventileinrichtung verbindet, die durch das Gaspedal eines
Fahrzeuges betätigt wird, Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Betätigungsvorrichtung
mit auf Geschwindigkeit ansprechenden Mitteln zur Betätigung der Kupplung, Fig.
8 einen Schnitt ähnlich wie in Fig. 1, 2 und 3 mit einer weiteren Abwandlung des
Erfindungsgegenstandes, welcher mehrere Pumpenräder aufweist.
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Die Fig. 9 A, 9 B und 9 C zeigen den Einiluß des auf die Flüssigkeit
durch die Pumpenräder, welche unterschiedliche Austrittsradien haben, übertragenen
Momentes, und zwar zeigt Fig. 9 A einen teilweisen Querschnitt durch ein zweiteiliges
Pumpenrad eines Drehmomentenwandlers, Fig. 9 B die Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
an den Pumpenschaufeln (dargestellt in Fig. 9 A), Fig. 9 C ein Diagramm des Momentes
eines Flüssigkeitsteilchens bei unterschiedlichem radialem Abstand, Fig. 10 ein
Leistungsdiagramm eines in den Fig. 1 und 2 gezeigten hydrodynamischen Drehmomentenwandlers
während seines Antriebes bei hohem oder bei niedrigem Drehmomentenverhältnis.
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Der hydrodynamische Drehmomentenwandler wird nun mit Bezug auf die
Fig. 1 beschrieben. Eine Scheibe 11 ist mit der Kurbelwelle des Fahrzeuges verbunden,
und die ringförmigen Gehäuseteile 12 und 13 sind mit der Scheibe 11 verbunden und
bilden das Gehäuse des Drehmomentenwandlers. Der Drehmomentenwandler 15 selbst enthält
ein primäres Pumpenrad 16, welches mit dem Gehäuseteil 13 unmittelbar verbunden
ist, ein sekundäres Pumpenrad 17, welches drehbar zum primären Pumpenrad 16 angeordnet
und so ausgebildet ist, daß es mit diesem durch eine Reibungskupplung 18 verbunden
werden kann, sowie ein Turbinenrad 19 und ein Leitrad 20.
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Das Turbinenrad 19 ist mit der Nabe 21 verbunden, die auf einer Antriebswelle
22 aufgekeilt ist. Das Leitrad 20 ist auf einer Freilaufkupplung 23 gelagert, welche
aus einem äußeren, auf dem Leitrad 20 befestigten Ring 24 sowie aus einer Anzahl
von Kupplungselementen 25 und aus einem auf der Hohlwelle 27 befestigten Innenring
besteht. Die Hohlwelle 27 ist auf einem unbeweglichen Teil des Getriebegehäuses
befestigt. Die Freilaufkupplung 23 arbeitet so, daß sie dem Leitrad 20 eine
im Uhrzeigersinn gerichtete Drehung gestattet, doch verhindert sie eine entgegengesetzte
Drehung des Leitrades, wodurch ermöglicht wird, daß die Flüssigkeit, welche das
Turbinenrad 19 verläßt, in eine mehr nach vorwärts gerichtete Strömung umgelenkt
wird, bevor sie erneut in das Pumpenrad 16 eintritt. Das Leitrad 20 arbeitet auf
diese Weise ständig, während der Drehmomentenwandler 15 eine Drehmomentenwandlung
erzeugt, und sobald die das Turbinenrad 19 verlassende Flüssigkeit eine genügend
große, nach vorwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufweist, um das Leitrad
20 im Uhrzeigersinn zu drehen, wird sich die Freilaufkupplung 23 schneller drehen
und den Freilauf des Leitrades ermöglichen.
Die Kupplung 18 ist
zur Verbindung des primären Pumpenrades 16 mit dem sekundären Pumpenrad 17 vorgesehen
und befindet sich im Kernraum des Ringes, welcher durch die Teile 16, 17, 19 und
20 des Drehmomentenwandlers gebildet wird. Die Kupplung 18 enhält die Muffen 28
und 29, die so angeschlossen sind, daß sie mit dem primären Pumpenrad 16 rotieren
können, wobei die Muffe 28 drehbar auf einem Lager 30, welches an der äußeren Schale
31 des Leitrades 20 befestigt ist, angeordnet ist. Die Kupplung 18 enthält außerdem
einen ringförmigen Teil 32,
welcher auf dem sekundären Pumpenrad 17 befestigt
und mit einer Druckplatte 33 versehen ist. Zwischen dem ringförmigen Teil 32 und
der Druckplatte 33 liegt ein Reibscheibenpaar 34 und 35, das an den kolbenartigen
Teilen 36 bzw. 37 eines Stellmotors angeordnet ist, so daß, wenn die Druckflüssigkeit
zwischen die Teile 36 und 37 des Stellmotors strömt, dieselben axial verschoben
werden und eine Reibverbindung zwischen diesen Teilen und dem ringförmigen Teil
32 bzw. der Druckplatte 33 herstellen. Die Teile sind so ausgebildet, daß sie gemeinsam
mit der Muffe 29 rotieren können. Wenn die Kupplung 18 eingerückt ist, so wird das
primäre Pumpenrad 16 mit dem sekundären Pumpenrad 17 kraftschlüssig verbunden, und
beide laufen gemeinsam um.
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Es sind Schaltmittel vorgesehen, um die Druckflüssigkeit in den ringförmigen
Hohlraum zwischen den Kolbenteilen 36 und 37 einzuführen; in diesen Schaltmitteln
sind Kanäle vorgesehen, die aus dem Innern der Welle 22 führen. Die Nabe 21 enthält
Kanäle 38 und 39 sowie eine ringförmige Nut 40. Die innere Schale 41. des Leitrades
20 weist mindestens eine Bohrung 42 auf, welche gegenüber der in der Nabe 41 vorgesehenen
Nut 40 angeordnet ist, damit eine Verbindung zwischen den Kanälen 38 und 39 hergestellt
wird. Mindestens eine der Leitradschaufeln 20 weist wenigstens einen radial nach
außen gerichteten Druckflüssigkeitskanal 43 auf, der mit der Bohrung 42 mittels
eines kurzen Rohrstückes 44 in Verbindung steht. Der Druckflüssigkeitskanal 43 erstreckt
sich durch die äußere Schale 31 und steht in Verbindung mit dem Raum 45, wobei dieser
mit dem Raum zwischen den kolbenartigen Teilen 36 und 37 durch den Einlaß 46 und
eine Nut 47 in der Lagermuffe sowie durch Einlässe 48 bzw. 49 in den Muffen 28 und
29 verbunden ist.
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Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet
sich nicht wesentlich von der in Fig. 1 gezeigten Ausführung. Der einzige Unterschied
besteht darin, daß bei der ersteren Ausführung die Kupplung zur Verbindung des primären
Pumpenrades 16 mit dem sekundären Pumpenrad 17 außerhalb des Raumes liegt, der durch
die in Fig. 2 gezeigten Teile des Drehmomentenwandlers gebildet ist.
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In der Fig. 2 stellt der ringförmige Gehäuseteil 12 eine Wand der
Flüssigkeitsdruckkammer dar, und zwischen ihm und dem ringförmigen Gehäuseteil
13
befindet sich ein ringförmiger Teil 51, welcher einen Teil des Druckzylinders
zur Betätigung der außerhalb des Wandlers liegenden Reibungskupplung 52 bildet.
Der ringförmige Teil 51 weist eine im wesentlichen zylindrische Fläche 53 und einen
radial nach innen gerichteten Flansch 54 auf, welcher die Druckplatte der Kupplung
52 bildet. Gegenüber der Druckplatte 54 liegt eine Reibscheibe 55, welche mit einem
schalenförmigen Teil 50, der seinerseits mit dem sekundären Pumpenrad 17
verbunden ist, im Eingriff steht. Der Antriebsteil 11 weist einen zylindrischen
Absatz 56 und eine elastische Scheibe 57- auf, welche auf den Absatz 56 aufgezogen
ist und dort durch einen Sicherungsring 58, welcher in eine Rinne 59 im Antriebsteil
11 eingelassen ist, gehalten wird. Die Scheibe 57 erstreckt sich radial nach auswärts
und berührt die innere zylindrische Fläche 53, wobei die Scheibe 57 mit einem Druckteil
60 versehen ist, welcher mit der Reibscheibe 55 in Eingriff kommen kann und einen
Dichtungsring 61 aufweist, der gegen die zylindrische Fläche 53 drückt, um den Hohlraum
62, welcher zwischen den Teilen 12 und 57 gebildet wird, abzudichten.
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Wenn die Druckflüssigkeit in den Hohlraum 62 eindringt, bewegt sich
die elastische Scheibe 57 nach rechts und drückt den Teil 60 gegen die Reibscheibe
55 und bewirkt dadurch ihren Eingriff mit der Druckplatte 54. Dadurch wird die Kupplung
52 eingerückt und verbindet das primäre Pumpenrad 16 mit dem sekundären Pumpenrad
17. Es sind Mittel vorgesehep, um die Druckflüssigkeit in den Hohlraum einzuführen;
diese Mittel enthalten eine Leitung 63, welche in dem Antriebsteil 11 vorgesehen
ist und welche mit dem Inneren der Welle 22 sowie mit dem Hohlraum 62 in Verbindung
steht.
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Bei den beiden Ausführungen der Erfindung, welche in den Fig. 1 und
2 dargestellt wurden, sind die Form und die ringförmige Anordnung der Pumpenräder
16 und 17 im wesentlichen gleich, wobei das sekundäre Pumpenrad 17 mit Bezug auf
das primäre Pumpenrad 16 hinter diesem liegt. Es ist bekannt, daß durch die Rotation
der Pumpenräder eines hydraulischen Drehmomentenwandlers ein Moment auf die eingeschlossene
Flüssigkeit übertragen wird und daß dieses Moment proportional dem Quadrat des Radius
der Austrittsstelle der Flüssigkeit aus dem Pumpenrad ist. Dadurch und im Hinblick
darauf, daß der Austritt des sekundären Pumpenrades 17 auf einem größeren Radius
von der Rotationsachse als der Austritt des primären Pumpenrades 16 liegt, wird
während der Verbindung des sekundären Pumpenrades 17 mit dem primären, 16, das Moment
der im Drehmomentenwandler 15 eingeschlossenen und eine Doppelrotation ausführenden
Flüsigkeit größer sein, als wenn das sekundäre Pumpenrad 17 von dem primären Pumpenrad
16 getrennt ist, und zwar unter der Voraussetzung, daß es sich in beiden Fällen
um dieselbe Drehungszahl handelt. Dies trifft auch zu, obwohl die Austrittswinkel
der Schaufeln der beiden Pumpenräder 16 und 17 im wesentlichen identisch sind.
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Dieselbe Wirkung kann auch dann erreicht werden, wenn die Schaufeln
des sekundären Pumpenrades unterschiedliche Austrittswinkel aufweisen, obwohl der
Flüssigkeitsaustritt der sekundären Pumpenradschaufeln auf demselben Radius wie
der Flüssigkeitsaustritt bei dem primären Pumpenrad angeordnet ist. Die in der Fig.
3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt diese axiale Konstruktion des
Drehmomentenwandlers, bei welcher sich die Flüssigkeitsaustritte der beiden Pumpenräder
auf einem im wesentlichen gleichen Radius befinden.
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Die in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt
einen sogenannten Axialwandler, bei dem die Flüssigkeit der beiden Pumpenräder auf
einem im wesentlichen gleichen Radius von der Drehachse des Wandlers strömt. Der
diesbezügliche Drehmomentenwandler gleicht im wesentlichen dem in den
Fig.
1 und 2 gezeigten Wandler, mit dem Unterschied, daß sich das primäre Pumpenrad 71
weiter radial nach außen als das primäre Pumpenrad 16 erstreckt, wobei das sekundäre
Pumpenrad 72 im wesentlichen zylindrisch ist, d. h. daß sein Einlaß und sein Auslaß
auf im wesentlichen demselben Radius wie das primäre Pumpenrad 71 angeordnet sind.
Die Turbine 73 hat im wesentlichen dieselbe Form wie die Turbine 19, doch hat das
Leitrad 74 etwas größere axiale Abmessungen als das Leitrad 20.
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Das Leitrad 74 ist auf einer Freilaufkupplung 23 angeordnet, und seine
äußere Schale 75 enthält eine Lagermuffe zur drehbaren Befestigung der Muffe 76,
welche mit der inneren Schale des primären Pumpenrades 71 aus einem Teil besteht.
Die Muffe 76 weist einen radialen Flansch 77 auf, welcher eine Druckplatte für die
Kupplung 78, durch welche die Verbindung zwischen dem primären Pumpenrad 71 und
dem sekundären Pumpenrad 72 hergestellt wird, bildet. Die Kupplung 78 enthält auch
eine Reibscheibe 79, welche mit dem sekundären Pumpenrad 72 verbunden ist, sowie
einen Kolben 80, welcher sich innerhalb des Zylinders 81, der durch die äußere Fläche
der Muffe 76 und die innere Fläche eines axialen Teiles des Ringes 82 gebildet wird,
bewegen kann.
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Es sind Betätigungsmittel zum Einrücken der Reibungskupplung 78 vorgesehen;
sie gleichen im wesentlichen den in der Fig. 1 für die Kupplung 18 beschriebenen
Schaltmitteln. Mindestens eine der Leitradschaufeln 74 ist mit einem Druckflüssigkeitskanal
83 versehen, welcher sich durch die innere Schale 84 erstreckt und welcher die Verbindung
zwischen der Flüssigkeit in der äußeren Nut 85 auf dem Umfang der Muffe 76 und der
äußeren Rinne 86 an der Turbinennabe 87 herstellt. Eine Reihe von Bohrungen 88 in
der Muffe 76 verbindet die Nut 85 mit dem Zylinder 81. Dadurch wird der Kanal 89
mit der Druckflüssigkeit versorgt, wobei diese Flüssigkeit den Zylinder 81 durch
dieselben Leitungen verläßt und die Bewegung des Kolbens 80 bewirkt, welcher mit
der Reibscheibe 79 in Eingriff kommt und hierdurch das primäre Pumpenrad 71 mit
dem sekundären Pumpenrad 72 verbindet.
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Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Drehmomentenwandler arbeiten
alle im wesentlichen auf dieselbe Weise. Die Arbeitsweise der drei Drehmomentenwandler
wird zuerst an Hand der Fig. 4A beschrieben.
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Fig. 4 A zeigt Vektoren, die das von der aus den verschiedenen Schaufelrädern
des Drehmomentenwandlers ausströmenden Flüssigkeit herrührende Moment darstellen,
und zwar in dem Falle, wenn die Kupplung 18, 52 und 78 ausgerückt ist. Unter diesen
Bedingungen wird der Drehmomentenwandler ein hohes Drehmomentenverhältnis mit unendlich
viel Wandlungen der Übersetzung liefern. Die Leistungscharakteristik in diesem Bereich
der Drehmomentenwandlung ist in der Fig. 10 mit vollen Linien dargestellt. In der
Fig.4A wurden einerseits die Momentenvektoren dargestellt, die sich beim Anfahren
ergeben, sowie dann, wenn der Drehmomentenwandler kein Drehmoment wandelt (Kupplungspunkt),
und schließlich in einem Betriebszustand, der zwischen dem Anfahr- und Kupplungspunkt
liegt.
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Bei der in Fig. 4A gezeigten Stellung ist die Kupplung 18 gelöst,
und die Flüssigkeit verläßt die Schaufeln des sekundären Pumpenrades 17 im wesentlichen
in derselben Richtung und mit demselben Energieinhalt, wie sie auch die Schaufeln
des primäen Pumpenrades verläßt, wobei das sekundäre Pumpenrad 17 vom primären Pumpenrad
gelöst ist und sich demnach frei drehen kann. Durch den Freilauf des sekun-. dären
Pumpenrades 17 entstehen geringe Verluste; die vom sekundären Laufrad herrührenden
Momentenvektoren sind daher etwas kürzer als diejenigen am Austritt des primären
Pumpenrades 16.
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Beim Anfahren steht die Turbine samt Leitrad zunächst still, und das
primäre Pumpenrad 16 stellt das Eingangsorgan dar. Die Flüssigkeit verläßt das erste
Pumpenrad 16 und erzeugt ein Moment hls-1; dieses Moment wirkt auf das sekundäre
Pumpenrad 17. Das sekundäre Pumpenrad 17 läuft frei, und die Flüssigkeit verläßt
das sekundäre Pumpenrad 17 und erzeugt ein Moment hIS-2 und tritt in das Turbinenrad
19 ein. Solange sich das Turbinenrad 19 beim Anfahren nicht dreht, verläßt die Flüssigkeit
das Turbinenrad unter einem Winkel, welcher dem Austrittswinkel des Turbinenrades
im wesentlichen gleich ist, und das Moment, das von der Flüssigkeit erzeugt wird,
welche das Turbinenrad unter diesen Umständen verläßt, ist durch den Vektor hTs
bezeichnet, wonach der Flüssigkeitsstrom in das Leitrad 20 eintritt. Das
Leitrad lenkt die Flüssigkeit von einer nach rückwärts gerichteten Strömungsrichtung,
die Sie beim Eintritt in das Leitrad aufweist, in eine nach vorwärts gerichtete
Strömungsrichtung um, und das Moment der Flüssigkeit, welche das Leitrad 20 während
des Anfahrens verläßt, ist durch einen Vektor hSs dargestellt.
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Wenn das Turbinenrad 19 in Vorwärtsrichtung zu rotieren beginnt, wird
die Flüssigkeit eine größere nach vorwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente
beim Verlassen des Turbinenrades aufweisen, und in einem Punkt zwischen dem Anfahr-
und dem Kupplungszustande verläßt die Flüssigkeit die Turbine mit einem Moment,
welches durch den Vektor hTi bezeichnet wurde. Die Flüssigkeit verläßt also während
dieses mittleren Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Turbinenrad und dem Pumpenrad
das Leitrad mit einem Moment, welches durch den Vektor hSi bezeichnet wurde, und
tritt erneut in das erste Pumpenrad 16 ein. Bei demselben Übersetzungsverhältnis
zwischen dem Turbinen- und dem Pumpenrad verläßt die Flüssigkeit das erste und das
zweite Pumpenrad mit Momenten, die entsprechend durch die Vektoren hli-1 bzw. hTi-2
dargestellt wurden.
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Beim Kupplungszustand verläßt die Flüssigkeit das Turbinenrad in einer
noch mehr nach vorn gerichteten Strömungsrichtung, die durch den Vektor hTe dargestellt
ist, und stößt gegen die hinteren Flächen der Leitradschaufeln 20, wodurch eine
nach vorwärts gerichtete Drehung des Leitrades 20 hervorgerufen wird. Die
Freilaufkupplung 23 läßt eine solche Drehung des Leitrades 20 zu. Beim Kupplungszustand
verläßt die Flüssigkeit das Leitrad 20 mit einem Moment, welches durch den Vektor
hSc gekennzeichnet ist, und tritt erneut in das erste Pumpenrad 16 ein, die Flüssigkeit
verläßt das erste Pumpenrad 16 und übt ein Moment hle-1 aus und das sekundäre Pumpenrad
17 und übt ein Moment hlc-2 aus.
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Die in der Fig. 10 dargestellten voll ausgezogenen Kurven zeigen die
Leistungen des Drehmomentenwandlers nach den Fig. 1, 2 oder 3, während dieser mit
einem hohen Drehmomentenverhältnis arbeitet. Die Kurve 91 bezeichnet die Leistungskurve
des Drehmomentenwandlers, falls die Kupplung gelöst ist, während die Kurven 92 und
93 das entsprechende
Drehmomentenverhältnis und K-Faktor-Kurven
unter denselben Arbeitsverhältnissen darstellen. Es wird bemerkt, daß die Kurve
92 den Verlauf der Drehmomentenverhältnisse zwischen dem Turbinenrad und dem Pumpenrad
in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen diesen Teilen anzeigt
und daß die Kurve 91 das Drehmomentenverhältnis zwischen der Turbine und dem Pumpenrad,
multipliziert mit dem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen dem Turbinenrad und dem
Pumpenrad, aufgetragen mit Bezug auf das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen diesen
beiden Teilen, darstellt. Die K-Faktor-Kurve bezeichnet den Verlauf des Verhältnisses
in Abhängigkeit von dem Drehzahlverhältnis zwischen dem Turbinenrad und dem Pumpenrad.
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Mit Bezug auf die Fig. 4B wird nun die Wirkungsweise des Drehmomentenwandlers
bei eingerückter Kupplung 18 beschrieben. Unter diesen Umständen ist das primäre
Pumpenrad 16 mit dem sekundären Pumpenrad 17 verbunden, und die beiden wirken im
wesentlichen als einheitliche Schaufeln, so daß es lediglich nötig ist, das Drehmoment
der aus den Schaufeln des sekundären Pumpenrades 17 ausströmenden Flüssigkeit zu
betrachten. Während die Kupplung 18 eingerückt ist, liefert der Drehmomentenwandler
unendlich viel Wandlungen des Drehmomentenübersetzungsverhältnisses im Bereich eines
relativ niedrigen Drehmomentenverhältnisses und im Bereich einer niedrigen Anfahrdrehzahl.
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Wenn beim Anfahren die Kupplung 18 eingerückt ist, verleihen die Schaufeln
16 und 17 des Pumpenrades der Flüssigkeit ein durch den Vektor lls bezeichnetes
Moment, und da das Turbinenrad 19 zu dieser Zeit stillsteht, verläßt die Flüssigkeit
dasselbe in einer Richtung, die im wesentlichen mit den Austrittswinkeln der Turbinenschaufeln
gleich ist, und mit einem Moment, welches durch den Vektor LTs bezeichnet wurde.
Die Flüssigkeit, welche das Turbinenrad verläßt, trifft auf die Leitschaufeln 20,
und diese lenken die Strömungsrichtung der Flüssigkeit um, wodurch erreicht wird,
daß die Flüssigkeit die Leitschaufeln mit einem durch den Vektor ISs dargestellten
Moment verläßt.
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Bei einem mittleren Drehzahlverhältnis zwischen der Turbine und dem
Pumpenrad, irgendwo zwischen dem Anfahr- und dem Kupplungspunkt, verleihen die Pumpenradschaufeln
16 und 17 der Flüssigkeit ein durch den Vektor Ili dargestelltes Moment, und unter
diesen Umständen rotiert die Turbine 19 im Uhrzeigersinn mit einem gewissen Geschwindigkeitsverhältnis
zur Drehzahl des Pumpenrades, und die Flüssigkeit verläßt das Turbinenrad unter
diesen Umständen mit einem durch den Vektor ITi bezeichneten Moment. Die Flüssigkeit
trifft noch immer gegen die vorderen Flächen der Leitschaufeln 20 auf und
verläßt dieselben mit einem durch den Vektor ISi bezeichneten Moment. Wenn der Drehmomentenwandler
keine Übersetzung des Drehmomentes bewirkt, d. h. wenn der Kupplungspunkt erreicht
wurde, verläßt die Flüssigkeit die Pumpenschaufeln mit einem durch den Vektor llc
bezeichneten und die Turbinenschaufeln mit einem durch den Vektor lTc bezeichneten
Moment. Unter diesen Umständen trifft die Flüssigkeit auf die hintere Fläche der
Leitradschaufein 20 und läßt das Leitrad im Uhrzeigersinn rotieren, wobei die Flüssigkeit
die Leitschaufeln mit einem durch den Vektor ISc bezeichneten Moment verläßt.
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Die unterbrochenen Linien der Fig. 10 bezeichnen die Leistungscharakteristik
des in Fig. 1 dargestellten Drehmomentenwandlers bei eingerückter Kupplung, wobei
der Wirkungsgrad durch die Kurve 91a, das Drehmomentenverhältnis durch die Kurve
92 a und der K-Faktor durch die Kurve 93 a dargestellt wurde.
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Die Fig. 5 zeigt schematisch die Turbinen-, Leit-und Pumpenschaufeln,
und die Winkelabweichung für die Ein- und Austrittsteile der Schaufeln. zeigt den
Winkelbereich, welcher in der Konstruktion eines Drehmomentenwandlers in Übereinstimmung
mit dem vorgesehenen Prinzip verwendbar erscheint. Die gezeigten Winkel wurden zwischen
der Tangente an die Hauptströmungsrichtung und der Schaufeltangente gemessen, und
zwar in demselben Punkt für die betreffenden Eintritts- und Austrittskanten jeder
Schaufel.
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Die in jeder Ausführungsform gezeigte Kupplung kann auf irgendeine
beliebige Weise betätigt werden. Fig. 6 und 7 zeigen zwei Arten der Betätigung dieser
Kupplungen. In der Fig. 6 werden Schaltmittel zum Ein- und Ausrücken der Kupplung
18 in Abhängigkeit mit dem Durchtreten des Gaspedals 95 vorgesehen, wie es gewöhnlich
für die Brennstoffzufuhr eines Kraftfahrzeugmotors benutzt wird. Fig. 6 zeigt ein
Schieberventil 96, welches durch die Feder 97 gewöhnlich nach oben gedrückt wird
und welches beim Durchtreten des Gaspedals 95 in eine bestimmte Stellung nach unten
bewegt werden kann. Das Schieberventil 96 kann sich im Schieberkörper 98 hin- und
herbewegen, und Öffnungen 99,100 und 101 sind mit einer öldruckpumpe 102, einem
Ölsumpf 103 und einer Ölleitung 103 a, welche zum Kolben 36 der Kupplung 18 führt,
verbunden. Bei normalen Arbeitsbedingungen, wenn das Gaspedal 95 zwischen seiner
unbelasteten Stellung 104 und einer gegebenen belasteten Stellung 104 a liegt, wird
das Ventil 96 eine Verbindung zwischen den Öffnungen 99 und 101 herstellen. Danach
wird durch den von der Pumpe 102 gelieferten Öldruck die Kupplung 18 eingerückt,
und der Drehmomentenwandler 15 wird im Bereich der niedrigen Drehmomentenverhältnisse
und bei niedrigen Anfahrdrehzahlen arbeiten. Falls eine schnellere Beschleunigung
des Fahrzeuges erwünscht ist, so ist es üblich, daß der Fahrer auf das Gaspedal
95 tritt, und durch dieses Durchtreten des Pedals wird das Ventil 96 bewegt, das
eine Verbindung zwischen den Öffnungen 100 und 101 herstellt. Dadurch wird der Antriebsmotor
für die Kupplung 18 entleert, womit ein hohes Drehmomentenverhältnis und hoher Bereich
der Anfahrdrehzahl des Drehmomentenwandlers erreicht wird.
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Fig. 7 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Betätigungseinrichtung,
welche etwas mehr selbsttätig wirkt. In dieser Ausführungsform wird die Kupplung
nicht nur durch das Gaspedal betätigt, sondern auch durch einen Regler 105, welcher
seinerseits auf die Geschwindigkeit des Fahrzeuges anspricht. Der Regler
105 weist eine Anzahl von Zentrifugalgewichtela 106 auf, welche jeweils durch
ein Hebelpaar 107 und 108 (in der Form eines Scharniergelenkes) gehalten werden.
Die Hebel 107 und 108 sind jeweils an einer axial unbeweglichen Hülse 109 und an
einer axial beweglichen Hülse 110 angeschlossen. Ein Schneckengetriebe 111, welches
auf
die Umdrehungszahl des Fahrzeuges anspricht, treibt eine Welle
112 an, welche mit der Hülse 109 fest verbunden ist, und sobald sich die Umdrehungszahl
der Welle 11,2 erhöht, bewegen sich die Gewichte 110 nach auswärts und sind bestrebt,
das Ventil 113 anzuheben. Ein Gaspedal 114 ist durch eine Feder 116 mit einem
Hebel 115, welcher ebenfalls auf die Hülse 110 wirkt, verbunden, wobei durch Ausdehnung
der Gaspedalfeder 116 das Ventil 113 gehoben wird und durch das Durchtreten
des Gaspedals 114 die Feder 116 das Ventil nach unten drückt.
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Das Ventil 113 ist in der Bohrung 117, welche in einem Ventilblock
vorgesehen ist, eingebaut und ist mit entsprechenden Öffnungen 118,119 und 120 verbunden,
welche ihrerseits mit der Kupplung, einem Flüssigkeitsbehälter 121 und einer Druckflüssigkeitspumpe
122 in Verbindung stehen. Wenn das Gaspedal 114 entlastet ist oder wenn der
Regler 105 mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl rotiert, sucht eine Feder
123 das Ventil 113 anzuheben, womit eine Verbindung zwischen den Öffnungen 120 und
118 hergestellt und die Kupplung 18 eingerückt werden soll, damit ein Antrieb bei
niedrigem Drehmomentenverhältnis erreicht wäre. Falls sich die Reglergewichte genügend
langsam drehen oder aber wenn das Gaspedal 114 genügend durchgetreten wurde, wird
das Ventil 113 gegen die Feder 123 gedrückt und eine Verbindung zwischen den COffnungen
118 und 119 herstellen, wodurch der Zylinder der Kupplung entleert wird. Dadurch
wird die Kupplung 18 gelöst und ein Antrieb bei hohem Drehmomentenverhältnis erreicht.
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Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
das Pumpenrad aus mehr als zwei Schaufelrädern besteht. Mit der dargestellten Ausführung
kann man drei verschiedene Antriebsbereiche des Drehmomentenverhältnisses beim Drehmomentenwandler
erreichen. In Fig. 8 ist der Antriebsteil 11 an die ringförmigen Gehäuseteile 12
und 13 angeschlossen, wobei die letzteren mit einem primären Pumpenrad
126 verbunden sind. Der in Fig. 8 dargestellte Drehmomentenwandler weist
ebenfalls ein sekundäres Pumpenrad 127 und ein primäres Pumpenrad 128 sowie eine
Turbine 129, die mit der Abtriebswelle 22 verbunden ist, und ein Leitrad 130, welches
auf der axial unverschiebbaren Hohlwelle 131 mittels einer Freilaufkupplung 132
befestigt ist, auf. Im Kernring des Drehmomentenwandlers befindet sich eine Reibungskupplung
133 zur Verbindung des primären Pumpenrades 126 mit dem sekundären Pumpenrad 127_
Die Kupplung 133 weist einen Hauptteil 134 auf, welcher den Zylinder für den Kolben
135 bildet. Die Kupplung 133 enthält auch eine Reibscheibe 136, welche an das sekundäre
Pumpenrad 127 angeschlossen ist. Die Flüssigkeitskanäle, welche die Druckflüssigkeitsquelle
mit dem Kupplungszylinder verbinden, enthalten eine axiale Bohrung 137 in der Hohlwelle
131, eine radiale Bohrung 138 im Flansch der Welle 131, eine Außennut 139 auf dem
Umfang des Flansches und radial nach auswärts gerichtete Bohrungen 140, welche mindestens
in einer der Leitschaufeln 130 vorgesehen sind, wobei die letzteren eine Verbindung
mit der Außennut 141 in der Außenschale des Leitrades 130 aufweisen. Die
Nut 141 steht mit dem Betätigungszylindgr für die Kupplung durch eine Anzahl von
Bohrungen 142, welche im Hauptteil 134 vorgesehen sind, in Verbindung. Zur Verbindung
des sekundären Pumpenrades 128 mit dem primären Pumpenrad 126 dient eine Kupplung
143; sie weist einen Druckflüssigkeitskanal 140 auf.
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Die Fig. 9 A, 9 B und 9 C zeigen die Wirkung des Momentes der Flüssigkeit,
welche die Pumpenschaufeln verläßt und welche infolge der verschiedenen Auslaßradien
der einzelnen Pumpenschaufeln entsteht. Fig.9A zeigt einen Querschnitt durch die
Pumpenräder 16 und 17, und die strichpunktierte Linie 145 bezeichnet die
mittlere Stromlinie der Arbeitsflüssigkeit, die durch die Pumpenräder 16 und 17
strömt. Fig. 9 B zeigt die Umfangsgeschwindigkeit bei verschiedenen Radien, von
der Drehachse bezogen, welche denjenigen Radien der Hauptströmungsrichtung an dem
Einlaß und Auslaß der primären Pumpenradschaufeln 16 und am Auslaß der sekundären
Pumpenradschaufel 17 entsprechen. Fig. 9 C zeigt Vektoren, welche das Moment einer
Flüssigkeitspartikel bei verschiedenen, der Hauptströmungsrichtung entsprechenden
Radien am Ein- und Auslaß der primären Pumpenradschaufeln 16 und am Auslaß der sekundären
Pumpenradschaufel 17 entsprechen. Fig. 9 C zeigt Vektoren, welche das Moment einer
Flüssigkeitspartikel bei verschiedenen, der Hauptströmungsrichtung entsprechenden
Radien am Ein- und Auslaß der primären Pumpenradschaufeln 16 und am Auslaß der sekundären
Pumpenradschaufeln 17 darstellen. Aus den Figuren ist zu ersehen, daß eine
geringe Änderung der Radien zwischen den Austrittsteilen der verschiedenen Pumpenradschaufeln
eine wesentliche Wirkung auf die der Flüssigkeit zu verleihende Energie ausüben.
Es ist somit möglich, einen Drehmomentenwandler zu schaffen, welcher in der Lage
ist, zahlreiche Drehmomentenübersetzungen mit geringen Änderungen der Austrittsteilradien
der verschiedenen Pumpenschaufeln zu erzeugen.