DE1902189A1 - Verfahren zur Erweiterung des Anwendungsumfanges eines in den Abmessungen seiner toroidfoermigen Arbeitskammer vorgesehenen hydrodynamischen Drehmomentwandlers und entsprechend diesem Verfahren hergestellte Drehmomentwandler - Google Patents

Description

In Sachen:

S.R.M. Hydromekanik AB
Stockholm-Vällingby 1/Schweden

Verfahren zur Erweiterung des Anwendungsumfanges eines in den Abmessungen seiner toroidförmigen Arbeitskammer vorgesehenen hydrodynamischen Drehmomentwandlers und entsprechend diesem Verfahren hergestellte. Drehmomentwandler. '

Die Erfindung bezieht sich auf hydrodynamische Drehmomentwandler und hat insbesondere ein Verfahren zur Erweiterung des Anwendungsumfanges eines in den Abmessungen seiner toroidförmigen Arbeitskammer vorgegebenen hydrodynamischen Drehmomentwandlers von einem niedrigen Bereich des übertragbaren spezifischen Drehmomentes (Ms) zwischen 40 und 80 Kpm. auf einen hohen Bereich des übertragbaren spezifischen Drehmomentes bis zu 140 Kpm.zum Inhalt, wobei in der Arbeitskammer ein Pumpenschaufelring, ein erster und ein zweiter Türbinenschaufelring und ein zwischen den TurbinenschaufeIringen liegender Leitschaufelring derart angeordnet sind, daß sich die Turbinenschaufelringe und der Leitschaufelring in dem radial einwärts gerichteten Strömungsabschnitt und der Pumpenschaufelring in dem radial auswärts gerichteten Strömungsabschnitt der Arbeitskammer befinden.

Hydrodynamische Drehmomentwandler sind heute, sowohl ,unter dem Gesichtspunkt ihres Leistungsvermögens und ihres Wirkungsgrades, wie auch unter dem Gesichtspunkt der bei ihnen zur Anwendung kommenden Herstellungsmethoden hochentwickelte Getriebe. Ein Problem, dem die auf diesem Gebiet arbeitenden Ingenieure nach wie vor gegenüberstehen, ist die Entwicklung

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einer Drehmomentwandlereinheit, die über einen weiten Bereich den unterschiedlichen Verhältnissen verschiedener maximaler Eingangsleistungen und maximaler Drehzahlen entsprechend den jeweils vorgegebenen Werten anpassungsfähig ist, so daß sich die. Werkzeugkosten auf eine große Zahl von Getrieben unterschiedlicher Anwendung verteilen. Gleichzeitig muß-jedoch die hohe Leistungsgüte, die sonst bei den verschiedenen Anwendungsfällen von Spezialkonstruktionen gefordert wird, über den gesamten Bereich der Kombinationen von maximaler Eingangsleistung und maximaler Drehzahl erhalten werden.

Die Herstellung von Schaufelblattsystemen für Drehmomentwandler erfordert sehr hohe Werkzeugkosten, besonders dort, wo Drehmomentwandler für Kraftfahrzeuge hergestellt werden sollen, und in solchen Fällen ist eine Herabsetzung der Herstellungskosten unter dem Gesichtspunkt der ständigen Aufgabe, alle Kosten zu senken,äußerst erwünscht. Für die Herstellung hydraulischer Drehmomentwandler bestand bisher, nur die Möglichkeit, entweder einen Drehmomentwandler mit verhältnismäßig geringem Leistungsvermögen einfach.und billig herzustellen oder einen Hochleistungswandler mit hoher Drehmomentvervielfachung und gutem Wirkungsgrad zu schaffen, der dann Jedoch die Anwendung teurerer Fertigungsmethoden erforderte und folglich auch selbst entsprechend teuer war. Die bisher für die billigen Typen von Drehmomentwandlern benutzten Herstellungsmethoden bestanden in der Hauptsache entweder darin, Stanzteile aus Stahl miteinander zu verschweißen oder vergleichsweise rohe, im Feingußverfahren hergestellte SchaufeIblattkompOnenten zu verwenden. Beide Herstellungs— . ".-· methoden erläUibeh nur den Bau von Wandlern miΐτ verhältnismäßig geringen, wirtschaftlich ausnutzbaren; Drehmonientübersetzungsverhälthissen beim Anfahren und im Betrieb. Formaler-'weise werden däb-ei sog. eineinhalbstufige Anordnungen benutzt;,

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oft mit Freilauf für das Leitrad in Form sog. Kuppelwandler.

Wandler mit großer Drehmomentübersetzung und gutem Wirkungsgrad werden bis jetzt entweder mit gezogenen Schaufelprofilen hergestellt, die an ihren Seitenringen vernietet sind _i oder sie enthalten gefräste !Profile, die beispielsweise mit den seitlichen Ringen hart verlötet sind. Schließlich ist es auch bekannt, die Schaufeln von für die Übertragung hoher Leistungen vorgesehenen Drehmomentwandlern, bei denen die Kosten für die Schaufelherstellung nicht so stark ins Gewicht fallen, aus Stahlrohlingen mit Hilfe von Profilfräsmaschinen herzustellen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Getriebe mit einem hydrodynamischen Drehmomentwandler zu schaffen, der unter Beibehaltung jeweils einer bestimmten Größe eines Basis-Schaufelblattsystems innerhalb eines weiteren Bereichs maximaler Eingangsleistung und maximaler Eingangsdrehzahl anpassungsfähig ist als bisher. Natürlich darf dabei der größere Bereich der Anpassungsmöglichkeit nicht eine im Durchschnitt schlechtere Leistungsgüte zur Folge haben. Außerdem sollen sich die gemäß der Erfindung gestellten Anforderungen nicht dahingehend auswirken, daß auf teurere Fertigungsmethoden ausgewichen werden muß. Im Gegenteil, es wird angestrebt, einen anpassungsfähigen Typ von Drehmomentwandler zu schaffen, für dessen Herstellung Fertigungsverfahren mit niedrigeren Stückkosten als bisher Anwendung finden können.

Zu diesem Zweck wird bei der Erfindung von einem Drehmomentwandler ausgegangen, dessen Schaufeln grundsätzlich zweidimensional gestaltet sind, d.h., obwohl die Blätter sich verjüngen, sind sie nicht wie ein Flugzeugpropeller verdreht, und die Querschnittsform der Blätter, betrachtet in allen Ebenen . normal zu ihrer Hauptachse, ist verhältnisgleich zum Basis-: profil.. Ein derartiges, auch im Folgenden nur kurz als zwei-

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dimensionales System bezeichnetes Schaufelprofil ist aus den US-Patentschriften 2 690 053 und 2 690 054 bekannt. Das in diesen beiden Patentschriften im einzelnen mit genauen Winkelangaben beschriebene Schaufelblattsystem zeichnet sich durch ein hohes Leistungsvermögen.aus und ist in einem Bereich spezifischer Drehmomentaufnahme - diese wird durch den sog. Ms-Faktor gekennzeichnet-- zwischen 40- und 80 Kpm anpassungsfähig. Die Größe dieses Bereichs ist nicht nur ein Maßstab für die Anpassungsfähigkeit eines Schaufelblattsystems, sondern läßt gleichzeitig erkennen, wieviele verschiedene Grundgrößen nebeneinander hergestellt werden müssen, um das in der Praxis vorkommende Spektrum möglicher Kombinationen verschiedener· maximaler Eingangsleistung und maximaler Drehzahl zu decken.' Es ist augenscheinlich, daß, je größer der mit einer einzigen Grundgröße des Wandlers durch Anpassung lediglich einzelner seiner Teile zu bestreichende MS-Bereich ist, desto geringer die Anzahl der nebeneinander her zu f ertigende/xGrundgrößen sein wird. Mit "je/weniger Grundgrößen man auskommt, umso größer werden auch die Stückzahlen, auf die sich die Werkzeugkosten für eine Grundgröße verteilen und desto niedriger die Stückkosten.

Um das Ergebnis vorwegzunehmen: Es ist durch die Erfindung gelungen, den Ms-Bereich von 4-0 bis 80 nunmehr bis herauf auf 140 Kpm auszuweiten, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen. An Beispielen ausgedrückt bedeutet dies, daß grund-■■-■" sätzlich dieselbe Wandlergröße, lediglich unter Austausch nur einzelner Schaufelringe.Verwendung finden kann im Bereich von beispielsweise 40PS Eingangsleistung bei I70O Upm im Umschaltpunkt bis zu 140PS bei I7OO Upm im Umschaltpunkt, und ebenso dasselbe Schaufelblattsystem für eine Eingangsleistung von 140PS zwischen I7OO Upm und 2600 Upm im Umschaltpunkt.

Die verstehenden Beispiele veranschaulichen die Schwächen eines Drehmomentwandler syst ems im Verhältnis zu einem mecha-

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nischen Getriebe, weil sich die Drehmomentaufnahme des Wandlers mit der zweiten Potenz der Drehzahl tmd die Leistungsaufnahme sogar mit der dritten Potenz der Drehzahl ändert, wohingegen, wenn dynamische Beanspruchungen und Materialermüdung außer Betracht gelassen werden, ein mechanisches Getriebe ein bestimmtes Drehmoment völlig unabhängig von der Drehzahl übertragen kann.

Zur Lösung des oben aufgezeigten Problems, mit einer möglichst geringen Anzahl von Wandlergrundgrößen auszukommen, ist es bisher bekannt, eine auf den jeweiligen Einzelfall abzustimmende Drehmomentverzweigung oder ein mechanisches Getriebe zwischen Motor und hydraulischem Getriebe vorzusehen, was in beiden Fällen die weitgehende Verwendung einer einzigen Wandler-Grundgröße mit einem bestimmten Ms-Faktor ermöglicht. Die Anpassung an die jeweils gegebenen Verhältnisse erfolgt dabei durch Änderungen an der Drehmomentverzweigung bzw. im mechanischen Getriebeteil. Beide Lösungswege haben jedoch, ihre Fachteile. Die Anwendung eines mechanischen Getriebes -_a macht die Getriebeanordnung teuer, da Drehschwingungsprobleme auftreten, die eine besondere Beachtung und besondere Vorkehrungen zur Absorption und Dämpfung dieser !Schwingungen erfordern. Die Anwendung derartiger Getriebeanordnungen ist deshalb grundsätzlich auf Schienenfahrzeuge beschränkt. Für LKW-Antriebe und Erdbewegungsfahrzeuge wird dagegen.die Drehmomentverzweigung stärker bevorzugt, da sie eine einfache Lösung für die im Zusammenhang mit dem.Direktantrieb auftretenden Probleme bei der Anpassung des Betriebes an die Motordaten liefert. Die prinzipiell beste Lösung wäre jedoch in jedem Fall, wie. mit der Erfindung angejbrebt, ein in wenigen Grundgrößen zu fertigender hydrodynamischer Drehmomentwandler, der in jeder Baugröße einen weiten Bereich möglicher Kombinationen von. maximaler Eingangsleistung und maximaler Drehzahl verschiedener Motoren deckt, so daß mechanische Schwierigkeiten

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vermieden werden. Wenn dies ohne Einbußen an Leistungsvermögen "und ohne Erhöhung der Herstellungskosten für den Drehmomentwandler erzielt v/erden kann, würde damit ein großer Beitrag in der Entwicklung von Getrieben mit hydrodynamischen Drehmomentwandlern geliefert werden.

Die Drehmomentaufnahme- .bzw." -Übertragungsfähigkeit des Schaufelsystems eines bestimmten Drehmomentwandlers wird in der Praxis als Bezugsgröße, nämlich bezogen auf den entsprechenden Wert eines Drehmomentwandlers genormter Größe unter bestimmten Betriebsbedingungen (Drehzahl), angegeben. Dieses spezifische Drehmoment wird abgekürzt mit Ms. Eine Ms-Zahl von 80 bedeutet also beispielsweise, daß der durch diese Kenngröße charakterisierte Drehmomentwandler eine doppelt so hohe Drehmomentaufnahme hat wie ein Drehmomentwandler mit einer Ms 4-0..

Zur Lösung der obigen Aufgaben bedient sich die Erfindung eines Drehmomentwandlers mit rotierendem Gehäuse, der für die meisten Anwendungsfälle, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, nicht mehr als zwei Turbinenstufen erfordert und bei dem die Form des hydraulischen Kreises und die Form und Anordnung der Leitschaufeln und der Turbinenschaufein Leistungscharakteristiken mit einem hohen Drehmomentübersetzungsverhältnis beim Anfahren, einem "hohen Spitzenwirkungsgrad mit flacher Wirkungsgradkurve über einen verhältnismäßig weiten Bereich von Drehzahlverhältnissen np/r^ sowie hohe Werte von n^/n,* im TJmsehaltpunkt gewährleisten. Hierbei bedeuten n^ die Drehzahl des Pumpenteils bzw. eines Teiles auf der Eingangsseite und n^ die Drehzahl des Turbinenteils bzw. eines Teils auf der Abtriebsseite. Die Erweiterung des An— wendungsumfanges eines solchen in den, Abmessungen seiner toroidförmigen Arbeitskammer vorgegebenen hydrodynamischen Drehmomentwandlers wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß der für den niedrigen Drehmomenthereich in bekannter Weise einen Ablenkwinker § von 50 bis 90° aufweisende erste Turbinenschaufelring für den hohen Drehmomentbereich gegen einen einen Ablenkwinkel von 90 bis 115° aufweisenden Schauf elring ausgetauscht wird,'während die bekannten Ablenkwinkel des Leitschaufelringes von 25 bis 50° und des zwei
behalten werden.

50° und des zweiten Turbinenschaufelringes von 40 bis 65°'bei-

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Die Erfindung bietet eine äußerst befriedigende Lösung der obengenannten Probleme und hält gleichzeitig die Vorteile der Drehmomentwandler nach den amerikanischen Patentschriften 2 690 053 und 2 690 054 aufrecht. Gleichzeitig schafft sie auch die Voraussetzung-dafür, daß verbesserte Herstellungsmethoden angewandt werden können, die eine Verminderung der Produktionskosten ermöglichen. Diese Verbilligung geht noch über die Ersparnis hinaus, welche bereits aufgrund des weiten Anwendungsgebietes der Wandler durch Herstellung größerer Serien erzielt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: .

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Drehmomentwandler gemäß der Erfindung,

Fig. 2 bis 9 Querschnitte durch die Schaufeln des Wandlers nach Fig. 1 gemäß den dort entsprechend eingetragenen und bezeichneten Schnittlinien,

Fig. 10 bis 12 Schnitte ähnlich Fig. 1 durch andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig. 13 eine Seitenansicht auf ein Teil des Toroidkernes

des Wandlers, worin die Schaufelblätter der ersten und der zweiten Turbinenstufe gehaltert sind,

Fig. 14 einen Schnitt nach Linie A^-A in Fig. 13,

Fig. 15 eine Ansicht entsprechend der Linie C-C in Fig.14,

Fig. 16 eine Schraubverbindung für ein Schaufelblatt der zweiten Turbinenstufe,

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Fig.. 17 einen Querschnitt durch ein Schaufelblatt-der ersten Turbinenstufe in größerem Maßstab,

Pig. 18 ausschnittsweise einen Querschnitt durch eine Trägerscheibe äer zweiten Turbine und die sie tragende Welle,

Fig. 19. ein Diagramm, aus dem die Breite des Anwendungsgebietes eines Drehmomentwandlers gemäß der Erfindung hervorgeht,

Fig. 20 über dem DrehmomentiibersetZungsverhältnis aufgetragene Wirkungsgradkurven, die mit entsprechend der Erfindung ausgeführten, im übrigen die charakteristischen Merkmale der Wandler nach den USA-Patentschriften 2 690 053 und 2 690 054 aufweisenden Drehmomentwandlern im unteren bzw. oberen Bereich spezifischer Drehmomente erhalten werden.

Der in Fig. 1 dargestellte Drehmomentwandler gehört zum Typ" der Wandler mit rotierendem Gehäuse und zwei Stufen (s. die USA-Patentschrift 2 69O 054). Das rotierende Gehäuse 10 bildet das Primärglied, welches um eine mit A bezeichnete Achse rotiert. Das Gehäuse 10 trägt einen Ring von Pumpenschaufelblättern 12, die mit einem inneren Kernringelement 14 verbunden sind. Das letztere sowie ein weiteres Kernringelement 20 ist bei 54- abgedichtet. Ein drehbares sekundäres Turbinenglied 16/16a trägt einen Ring sekundärer Turbinenschaufeln 18, die an ihren inneren Enden in das Kernringelement 20 übergehen, das zusammen mit dem. Kernringelement 14 eine Kammer 54a bildet." Das Kernringelement 20 trägt weiterhin einen Ring Schaufelblätter 22 der ersten Turbinenstufe, welche außerdem am Flansch 22a eines Turbinenseitenringes 48 befestigt sind. Der

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letztere ist von einer Trägerscheibe 24 der Leitschaufeln durch einen Zwischenraum 62 getrennt und bei 50 gegen das Gehäuse 10 abgedichtet. In axialer Richtung befindet sich zwischen dem Seitenring 48 und dem Gehäuse 10 ein Zwischenraum 56. Das Reaktionsteil des Wandlers, bestehend aus der Trägerscheibe 24 mit den Schaufelblättern 26, kann zu jeder Zeit gegen Drehung in eine beliebige Richtung festgehalten werden. Andererseits kann aber auch vorgesehen sein, daß das Reaktionsteil 24 unter bestimmten Bedingungen in einer Richtung umläuft (s. USA-Patentschrift 3 005 359). Derartige Drehmomentwandler werden üblicherweise als Doppelrotationswandler bezeichnet. Schließlich kann das Reaktionsteil auch dazu dienen, Leistung zu übertragen, wenn es als bewegliches Reaktionsglied in der gleichen Richtung wie das Pumpenrad rotiert oder auch in der entgegengesetzten Richtung wie dieses, jedoch langsamer. Unter diesen Bedingungen wirkt das Leitrad als ausgleichendes Pumpenrad (vgl. die britische Patentschrift Nr. 88b 063).

Die Schaufelblätter 26 des Leitschaufelringes sind an ihren Enden über eiKßiSeitenring 28 verbunden, der mit Zwischenraum 58 zum Toroidkern angeordnet ist. Wie gezeigt^befindet sich auch zwischen der Trägerscheibe 24a und der Scheibe 16a des Turbinengliedes ein Zwischenraum 60. Aus Pig. 1 ist ersichtlich, daß der innere Umfang des Querschnitts des Strömungsweges 30 des Arbeitsmediums durch den aus den Elementen 14, 20 und 28 gebildeten Toroidkern-und der AuBenumfang des Strömungskreislaufquerschnitts vom Gehäuse 10, dem Turbinengliedflansch 16a einem Teil des Reaktionsgliedes 24 und dem Flansch 22a gebildet sind.

Aus Fig. 1 gehen einige Eigentümlichkeiten hervor, die von Wichtigkeit zur Erzielung der erfindungsgemäßen Resultate sind. So ist beispielsweise ersichtlich, daß die Schaufelblätter

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grundsätzlich zweidimensional sind, d.h., sie verjüngen sich nur in einer Richtung ausreichend, um eine vorteilhafte Herstellung im Gußverfahren zu ermöglichen. Die getroffene Anordnung mit dem Pumpenglied im nach außen gerichteten Strömungsabschnitt und dem Turbinenglied im einwärts gerichteten Strömungsabschnitt gestattet, die Form und Größe der Pumpenschaufeln in weiten Grenzen zu variieren, so daß die Drehmomentaufnahme des Pumpengliedes, und damit der Ms-Faktor, ohne Inderung der Turbinenseite veränderf werden kann. Ähnliche Anordnungen mit den gleichen vorteilhaften Merkmalen in Hinblick auf die Herstellung sind in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellt, wo entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen tragen wie in Fig. 1. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.- 11 weicht nur insofern von der Konstruktion nach Fig. 1 ab, als die Pumpenschaufelblätter 12 an einer besonderen, entsprechend der toroidförmigen Arbeitskammer gewölbten Trägerscheibe 68 ■ befestigt sind.

In den Fig. 2 bis 5 uncL 6 bis 9, in denen Schaufelradprofile .mit den neuen Merkmalen gemäß der Erfindung dargestellt sind, stellt ⁰^- den Auslaß- oder Abströmwinkel der verschiedenen Schaufelblätter und b den Kleinstabstand zwischen benachbarten Schaufelblättern.des gleichen Schaufelringes oder, mit anderen Worten, den engsten Teil oder "Flaschenhals" des Strömungskanals zwischen den Schaufelblättern dar. Der Winkel "C^- wird" gemessen zwischen einer Geraden XT (s. Fig. 7) und einer Tangente an den durch die Auslaßkanten der Schaufelblätter gezogenen Kreisbogen. Die Gerade XT stellt die durch die Auslaßkante' eines bestimmten Schaufelblattes gezogene Tangente an einen Kreis mit dem Radius b um die im Abstand ρ versetzte Auslaßkante des genachbarten Schaufelblattes dar.

In den Fig. 3 bis5 ist die Richtung der in die Leit- bzw. Turbi'nenschaufelringe beim Anfahren aus dem Stand, d.h. also

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bei drehendem Pumpenteil und feststehendem Turbinenteil, eintretenden Flüssigkeit durch die Pfeilrichtung I^ gekennzeichnet, wohingegen die Pfeile I^ die Richtung der relativen Eintrittsgeschwindigkeit im Umschaltpunkt darstellen. Der zwischen diesen beiden Richtungen eingeschlossene Winkel Y umgreift'den normalerweise benutzten Betriebsbereich« Die optimale ralative Eintrittsrichtung ist durch I gekennzeichnet.

In den Fig* 5 und 9 ist zur Charakterisierung der abgerundeten Einlaßkanten der dort dargestellten Turbinenschaufeln ein Radius r eingetragen, obgleich die Kreisbogenform mit bezug ■■■-auf den Mittelpunkt ο nur grundsätzlich gilt und"Abweichungen möglich sind. Als Einlaßbereich der Schaufelblätter wird derjenige Bereich angesehen, welcher sich einlaßseitig einer durch den Mittelpunkt ο gezogenen Linie s befindet, die senkrecht auf der optimalen Einlaßrichtung I steht. Desweiteren ist zur Bezeichnung der Länge der Schaufelblätter in Strömungsrichtung des Maß CO und für die Breite (s. Fig. 1) das Maß 1 eingetragen.

Durch Vergleich der Fig. 3»'^ und,5 mit den Fig. 6, 7 und 8 läßt sich erkennen, daß im Falle der Fig. 3 und 7 der Ablenkungswinkel §> zwischen der günstigsten Einlaß- und Auslaßrichtung unterschiedlich groß ist, während er bei den Fig. 4 und bzw. 5 und 9 trotz einer Vergrößerung des Winkels oC im wesentlichen unverändert bleibt. Weiterhin zeigt der Vergleich, daß die in den Fig. 2 und 6 dargestellten Pumpenschaufelprofile im höheren Ks-Bereich (Fig. 6) einen größeren Radius der Ausläßkante und/oder einen größeren Winkel oL aufweisen als im niedrigen Es-Bereich (Fig- 2). Gleichzeitig ist der Einlaßbereich des Pumpenschaufelringes im höheren Ms-Bereich für eine größere Durchflußmenge an Arbeitsflüssigkeit ausgelegt.

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Die nachstehende Tabelle gibt.die Kombinationen der Werte-

oCund <$ für den hohen und niedrigen Ms-Bereieh auf der Turbinenseite wieder; · ·

niedriger MS-Bereich (4-0 - 80)

hoher MS-Bereich (bis 140)

oL

Min. Max.

Min. Max.

Min. Max.

Min. Max;

1. Turbinenstufe

Leitrad

2. Turbinenstufe

50

25
40

22

28

65 48

38 . {25

40

115

50

65

.29

50

38 [

41

62 j

Aus den Fig. 3 und 7 läßt sich weiterhin entnehmen, daß bei zunehmendem Ms-Faktor der Wert des Winkels Y abnimmt. Ferner ändert sich auch die mittlere Eintrittsrichtung, weshalb man das Blattprofil dahingehend anpaßt, daß nicht nur der Ablenkwinkel § , sondern auch das Verhältnis zwischen dem Einlaßkantenradius und der Schaufelblattlänge der ersten Turbinenstufe gegenüber dem normalen Ms-Bereich vergrößert wird. Für den unteren Ms-Bereich (Ms 40 bis 80) galt üblicherweise ein prozentuales Verhältnis von r/ CO von 11%.Dieses Verhältnis, muß für den hohen Ms-Bereich (MS 80 bis 140) auf 13 bis 14% vergrößert werden, während gleichzeitig auch das Verhältnis der Stärke der Schaufelblätter zu ihrer Länge von 35% auf ungefähr 45% ansteigt. Unter der Stärke der Schaufelblätter· wird dabei die größte Querschnittserstrecküng im rechten Kinkel zur LängserStreckung verstanden.

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Durch Anpassung des Schaufelblattprofils in der aufgezeigten Weise ist es möglich, unter Beibehaltung der Wandlergröße die Pumpenleistung zu steigern, gleichzeitig aber die bisher dann unvermeidlich auftretenden Verluste in den übrigen Stufen dadurch zu vermeiden, daß deren Bereiche besseren und schlechteren Wirkungsgrades gegeneinander ausgeglichen werden. Dabei lassen sich sogar die Verluste der ersten Stufe trotz der Tatsache, daß diese im höheren Hs-Bereich eine proportional größere Leistung aufnimmt, senken und zum Teil auch die erhöhten sog. Ventilationsverluste ausgleichen.

Die in den Fig. 1, 10, 11 und 12 dargestellte sich verjüngende Schaufelblattform verbessert die Führung des Flüssigkeitsstromes und gestattet gleichzeitig eine Herstellung der Schaufelblätter zusammen mit den sie tragenden Scheiben oder Ringen im Gußverfahren unter Verwendung einer festen Form. Durch dieses. Herstellungsverfahren wird dann weiterhin auch die spanende Bearbeitung, die zur Montage der Einzelteile notwendig ist, vermindert.

Es ist bereits an früherer Stelle dieser Beschreibung gesagt worden, daß mit Hilfe der Erfindung der Mö-Bereich eines bestimmten Schaufelblattsystems ausgedehnt werden kann und daß dabei grundsätzlich zweidimensionale Schaufelblätter in sich verjüngender Form gemäß den Darstellungen in den Fig. 1, 10, 11 und 12 Verwendung finden können. Die Erweiterung des Ms-Bereiches führt jedoch nicht zu einer Verminderung des Wirkungsgrades, sondern hat im Gegenteil völlig unerwartet den erreichbaren Wirkungsgrad gesteigert. Nun sollte die Leistungssteigerung jedoch nicht durch teurere Fertigungsverfahren er- ■ kauft werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung richtet sich daher darauf, eine Konstruktion des erfindungsgemäßen Drehmomentwandlers zu schaffen, deren Einzelteile

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keine oder wenigstens keine ins Gewicht fallende maschinelle Bearbeitung brauchen. Aus den Fig.. 13 bis '17 ist ersichtlich, mit welchen Mitteln dieses' Ziel zu erreichen angestrebt wird.

Es sei zunächst auf Pig. 16 Bezug genommen. Dort ist gezeigt, daß die Schaufelblätter und die sie tragenden Scheiben oder Ringe mit im Querschnitt rechteckigen (s. dazu auch Fig. 13) Vorsprüngen 18A und entsprechenden Ausnehmungen 16Ξ bzw. Durchbrüchen ineinandergreifen, wobei in radialer Richtung ein verhältnismäßig großes Spiel vorgesehen ist. In Umfangs-. richtung dagegen ist eine solche Passung zwischen den zusammenwirkenden parallelen Oberflächen der Vorsprünge und Ausnehmungen oder Einsenkungen vorgesehen, daß ein Gleiten möglich ist. Der Zweck dieser Ausbildung besteht darin, daß diametral gegenüberliegende Paare von Vorsprüngen und Ausnehmungen die genaue Lage der einzelnen Teile relativ zueinander in Richtung senkrecht zu einer Geraden durch die diametral gegenüberliegenden Vorsprünge bzw. Ausnehmungen bestimmen. Mit anderen V/orten bestimmen bereits zwei Paare von Vorsprüngen und Ausnehmungen, die zueinander um 90° am Umfang versetzt liegen, die relative Lage der Ringe, wobei sich lediglich die notwendige Toleranz in der Breite der Vorsprünge und Ausnehmungen bzw. Durchbrücheji, also das Spiel in Umfangsrichtung, auswirkt, jedoch im wesentlichen vollständig jegliche Abweichung von der theoretischen Form zwischen diametral gegenüberliegenden Vorsprüngen und Ausnehmungen als Einflußfaktor ausscheidet, so daß die Teile exakt zentriert werden. Nach diesem System werden die Pumpenschaufelblätter 12 mit ihrem Seitenring 14 (s. Fig. 12) und die Leitschaufelblätter 26 mit ihrem Seitenring 28 an den freien Enden miteinander vernietet oder verschweißt, so daß eine in sich steife Anordnung entsteht.

Für di'e Turbinenschaufeln der ersten und zweiten Stufe ist dagegen eine andere Art der Befestigung vorgesehen. In diesem

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Fall sollen sich, die Schaufelringe, auseinandernehmen lassen (s. Fig. 12), und.zu diesem Zweck enthalten die Schaufelblätter der ersten Turbinenstufe eine mit eingegossene Schraube 22A (Fig. 17) und die Schaufeln der zweiten Turbine weisen einen durchgehenden Schraubenbolzen auf. Durch die Verschraubung läßt sich die axiale Lage der einzelnen Teile festlegen, wohingegen die Zentrierung und die Winkellage wie vorbeschrieben auch hier mittels Vorsprängen und passenden Ausnehmungen oder Durchbrächen gesichert wird.

Ein parallelliegendes Problem stellt die drehsichere Befestigung der Turbine und des Leitrades auf ihrer jeweiligen Welle dar, wobei ebenfalls kostspielige Fertigungsverfahren vermieden werden sollen. Denkt man in diesem Fall an eine Ausführung der Turbine als Gußteil, so tritt die besondere Schwierigkeit auf, daß z.B. dann, wenn die Turbinennabe aus Alluminium besteht und die Welle aus Stahl, beide Materialien verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, so daß ein Aufschrumpfen nicht ratsam erscheint. Vom ökonomischen Standpunkt aus scheiden auch Herstellungsverfahren, die mit Gußeinlagen arbeiten, aus.

Wie Fig. 18 zeigt, wird in Ausgestaltung der Erfindung zur Überwindung der vorstehend genannten Schwierigkeiten eine Vielkeilverbindung zwischen einem äußeren Alluminiumring oder einer Nabe 16a und einer Stahlwelle 16 vorgeschlagen. Dabei ist die Form und Größe der zusammemrirkenden Keile sowie das vorgesehene Spiel derart gewählt, daß sieh die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Teile nicht schädlich auswirken können . Auch die unterschiedliche Belastbarkeit der. beiden Materialien Alluminium und Stahl ist dabei berücksichtigt, und zwar einmal durch die Wähl der Durchmesser, zum anderen aber auch durch die Anzahl und Querschnittsform der

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zusammenwirkende Keile. Die Seitenflächen der Keile 16B, 160 (Fig. 18) liegen in Radialebenen oder parallel zu solchen. Die über den.Umfang gemessene !Stärke a und b der Keile (Fig.18) und ihre in radialer Richtung gemessene Höhe sind so bemessen, daß sich unter Berücksichtigung der'Festigkeitswerte des * Materials der Nabe einerseits und des Materials der Welle·, andererseits die gleiche Tragfähigkeit der Keile ergibt. Es ist wohlbekannt, daß bereits eine kleine Änderung des Schaufelblattprofils innerhalb eines bestimmten Systems zu.einer starken Minderung des Wirkungsgrades, insbesondere beim Anfahr-Drehmomentübersetzungsverhältnis, führen kann. Auch die Toroidform der Arbeitskammer ist von großem Einfluß, wenn- eine optimale Leistungsfähigkeit angestrebt wird, ebenso wie auch die Anordnung der Schaufelblattringe relativ zueinander in dem Flüssigkeitskreislauf. Schließlich muß auch die Spaltr breite zwischen den Ringen mit in Betracht gezogen werden. Es ist also eine große Anzahl von Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit eines bestimmten Schaufelblattsystems beeinflussen. Die Entwicklung eines Systems, welches nicht nur eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist, sondern ^uch in der Herstellung billig ist, war die Aufgabe der mit der Herstellung von hydrodynamischen Drehmomentwandlern, befaßten Ingenieure seit der Konstruktion des Lysholm/Smith-Getriebes in den frühen dreißiger Jahren. Leider hat die Praxis bisher deutlich gezeigt, daß sich die bekannten Lösungen in Kompromissen erschöpfen und mit niedrigen Herstellungskosten stets auch nur eine geringe Leistungsfähigkeit zu erzielen war. '

Obgleich die Literatur grundsätzlich völlig richtig eine bestimmte Beziehung zwischen der G-etriebegröße und der sog. spezifischen Drehmomentaufnahme fordert,_: um eine optimale: Leistungsfähigkeit zu erhalten, ermöglicht die Erfindung, doch, daß'unter Beibehaltung -jeweils einer bestimmten Getriebegröße geringe Modifikationen des Schaufelblattsystems dazu benutzt

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werden können, um innerhalb eines sehr weiten Ms-Bereiches für jedes spezifische Drehmoment einen Drehmomentwandler hoher Leistungsgüte au erhalten. Wie. vorstehend, gezeigt werden konnte _% zeigt das erfindungsgemäße Getriebe außerdem bauliche Merkmale, die den Wirkungsgrad erhöhen und solche, die den (Jetriebehersteller in die lage versetzen, Fertigungsverfahren anzuwenden, die eine hohe Hersteilungsgenauigkeit in der Serie gestatten, so daß die an einer Yersuchseinheit gemessene hohe Leistungsfähigkeit auch von einer Einheit aus der laufenden !Fertigung erreicht werden kann. Dies ist bei den gewöhnlich verfügbaren Getrieben normalerweise nicht der Fall. Die Änderung des Wirkungsgrades zwischen den in der laufenden Fertigung hergestellten Getrieben mit einem Drehmomentwandler gemäß der Erfindung liegen innerhalb eines Toleranzbereiches von 1%, während bei anderen verfügbaren Getrieben die Abweichungen bis zu 5°/6 betragen* Die Erfindung schafft somit einen Drehmomentwandler hoher Leistungsfähigkeit und großer Anpassungsfähigkeit nicht nur im IrQto-typ,, sondern für die laufende Serie, gleichzeitig lassen sich aber auch niedrigere Herstellungskosten erzielen* Aufgrund der gesteigerten Leistungsfähigkeit ist mit der Erfindung ein größeres Drehmomentübersetzungsverhältnis beim Anfahren von im Durchschnitt 50$ gegeben,, wenn dieses über &<%& gesamten Hs-Bereich betrachtet wird, zugleich aber ist dabei zu. beachten, daß der Hs-Bereieh bis auf Ks 140 ausgedehnt worden ist· Die sich im Ks-Bereich ausdrückende.'Anpassungsfähigkeit ist nunmehr praktisch verdoppelt* Das gilt für alle BroduktlQnseinhe.iten,, da die für '.' die Erfindung entscheidenden. Merkmale beliebig reproduzierbar sind, und weil dafür- Formgießverfahren verwendet werden können, lassen, sieh die Stüokkosten um bis- zu 5Q$ senken. Me erhaltenen Ergebnisse stellen also einen hohen technischen Fortschritt gegenüber den. gewöhnlich verfügbaren Getriebeeinheiten dar· /

Aus dem Vorherge?■ aden läßt sich ferner entnehmen, daß die Änderung .eines ouer mehrerer Merkmale nach der Erfindung zu einem beträchtlichen Absinken der Leistungsfähigkeit führt, wodurch die engen Grenzen verdeutlicht werden, innerhalb derer ein Konstrukteur arbeiten muß, um die ,gewünschten Resultate zu erhalten, und worin sich weiterhin zeigt, wie diese Resultate von der Kombination der obengenannten Merkmale abhängen.

]?ig. 19 zeigt die Ausdehnung des Ms-Bereichs wie oben beschrieben, wobei deutlich wird, in welchem Maße die Erfindung die Möglichkeit an die Hand gibt, mit einzelnen Grundgrößen von Drehmomentwandlern einen großen Bereich verschiedener An— triebsmaschinen zu bedienen, und zwar einfach derart, daß der hydrodynamische Drehmomentwandler ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Getriebes unmittelbar mit der Antriebseinheit gekuppelt wird. -

Fig. 20 zeigt die Leistungsfähigkeit charakterisierende Wirkungsgradkurven, wie man sie mit einem Drehmomentwandler gemäß der Erfindung im niedrigen Ms-Bereich (in Fig. 19 das Feld 1, f ) und im hohen Ms-Bereich (in Fig. 19 das Feld h,. f) erhält. Dabei ist ersichtlich, daß das Drehzahlverhältnis np/n- im Umschalt— punkt für die den hohen Ks-Bereich kennzeichnende Kurve großer ist als im Falle der für den niedrigen Ms-Bereich ausgewählten Kurve. Gleichzeitig konnte aber auch der ¥irkungsgrad für den hohen Ms-Bereich gesteigert werden. Diese gemäß der Erfindung erzielten Resultate können ohne weiteres einem Vergleich mit den von einem dreistufigen,, speziell für eine bestimmte Ms-Zahl konstruierten Drehmomentwandler erreichten Werten standhalten.. '

Patentanspräche /

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Claims (19)

1. Patentansprüche

   . Ί. Verfahren zur Erweiterung des. Anwendungsumfanges eines in den Abmessungen seiner toroidförmigen Arbeitskammer vor- -" gegebenen hydrodynamischen Drehmomentwandlers von einem niedrigen Bereich des übertragbaren spezifischen Drehmomentes (Ms) zwisehen 4-0 und 80 Kpm auf einen hohen Bereich des übertragbaren spezifischen Drehmomentes bis zu 140 Kpm, wobei in der Arbeitskammer ein Pumpenschaufelring, ein erster und ©in zweiter Turbinenschaufelring und ein -zwischen den Turbinenschauf elringen liegender Xeitschaufelring derart.angeordnet sind, daß sich die Turbinenschaufelringe und der Leitschaufelring in dem radial einwärts gerichteten Strömungsabschnitt und der Pumpenschaufelring in dem radial auswärts gerichteten. Strömungsabschnitt der Arbeitskammer befinden, dadurch gekennzeichnet, daS der für den niedrigen Drehmomentbereich in bekannter Weise-, einen-Ablenkwinkel ( φ ) von 50 bis 90° aufweisende erste Turbinenschaufelring (22) für den hohen Drehmomentbereich gegen einen einen Ablenkwinkel von 90 bis 115 aufweisenden Schaufelring ausgetauscht wird, während die bekannten Ablenkwinkel des Leitschaufelringes (26) von 25 bis 50° und. des zweiten Turbinenschauf elringes 08) von 4-0 bis 65° beibehalten werden.
2. 2. ,Nach.dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter hydrodynamischer Drehmomentwandler, d ad u r cn g e k e-n η ζ e i. c h η et ,daß die Schaufeln sämtlicher Schau-'. felringe (12, 18, 22, 26) im viesentlichen nur zweidimensional gewölbt sind.

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3. 3· Drehmomentwandler nach. Anspruch. 2, d a d u-r c h gekennzeichnet , daß die Oberflächen der Schaufelblätter wenigstens eines Schaufelringes unter einem Winkel aus dem Bereich von 0,5 bis 1,5° geneigt verlaufen, wobei der Winkel zu.messen ist zwischen einer Erzeugenden des Schaufelblattprofils und einer zur Schaufelblattachse parallelen Linie, welche die Erzeugende in einem auf der Oberfläche des Schaufelblattes gelegenen Punkt schneidet.
4. 4-. Drehmomentwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter sämtlicher Schaufelringe zweidimensional gewölbt sind und unter, Winkeln von 0,5 bis 1,5°» gemessen zwischen einer Erzeugenden des Schaufelblattprofils und einer zur Schaufelblattach.se parallelen Linie, welche die Erzeugende in einem auf der Oberfläche des Schaufelblattes gelegenen Punkt schneidet, geneigt verlaufen.
5. 5. Drehmomentwandler nach Anspruch 3 oder 4-, dad u rch gekennzeichnet , daß di.e Oberfläche der Schaufelblätter in dem in Strömungsrichtung gesehen vorderen Bereich unter einem Winkel von 1 bis 1,5° und im hinteren Bereich unter einem Winkel von 0,5 bis 1° geneigt ist. _:
6. 6. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter oder nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5 ausgeführter Drehmomentwandler, dadurch gekennzeichnet, daß für den hohen Ks-Bereich ein erster Turbinenschaufelring (22) vorgesehen ist, bei dem der Radius (r) der Einlaßkante im Verhältnis zur Länge X&O) der Schaufelblätter zwischen der Einlaßkante und der Auslaßkante kleiner ist als bei einem für den niedrigen Ms-Bereich verwendeten ersten Turbinenschaufelring. . -

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7. 7. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch. 1 hergestellter oder nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6 ausgeführter Drehmomentwandler, dadurch gekennzeichnet, daß für den niedrigen Ms-Bereich die Einlaßkante der Pumpenschaufelblätter (12) einen kleineren Radius aufweist als die Auslaßkante der Schaufelblätter (18) des zweiten Turbinenschaufe!ringes und daß für den,hohen Ms-Bereich dieses Verhältnis umgekehrt ist. ■
8. 8. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter oder nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7 ausgeführter Drehmomentwandler, dadurch gekennzeichnet, daß für den niedrigen Drehmomentbereich die Schaufelblätter des ersten Turbinensehaufelrings Abströmwinkel ( O^) von 22 bis 28°, die des Leitschaufelrings von 28 bis 38° und die des zweiten Turb inens chaufe Ir ing s von 4-8 bis 58° aufweisen, während die im hohen Ms-Bereich verwendeten Schaufelringe in der genannten Reihenfolge Abströmwinkel von 29 bis 38 bzw. 32 bis 41° bzw. 50 bis 62° aufweisen.
9. 9. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellter oder nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8 aufgeführter Drehmomentwandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter (12, 26) wenigstens eines Schauf elringes einstückig mit einer sie tragenden Scheibe (24-a), einem Ring oder einem Teil (14-) des Toroidkernes des Wandlers ausgebildet sind.
10. 10. Drehmomentwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaufelblätter (22) des ersten Turbinenschaufelringes einstückig mit einer sie tragenden Scheibe (22a) oder einem .Ring unter Verjüngung zum Toroidkern hin, die Schaufelblätter (26) des Leitschaufelringe"s einstückig mit einer Nabe (24-ä) unter Verjüngung eben-

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    falls zum Toroidkern hin und die Schaufelblätter (18) der zweiten Turbinenstufe entweder einstückig mit einer weiteren Nabe (16a) oder einem Kernteil (20) der toroidförmigen Arbeitskammer unter "Verjüngung zu ihrem freien Ende hin ausgebildet sind. '".-■■"
11. 11. Drehmomentwandler nach Anspruch 10, dad-urch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter mit den einstückig dazu gefertigten Scheiben, Ringen oder {Doroidkernteilen durch Formguß hergestellt sind.
12. 12. Drehmomentwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die freien Enden der einstückig mit einem Träger hergestellten Schaufelblätter an einem Teil des Toroidkernes oder einem passenden Sextenring oder einer Scheibe zentriert sind, indem sie darin mit Vorsprüngen (18A) , die im wesentlichen in Radialebenen oder Parallelebenen zu diesen liegende parallele Oberflächen aufweisen, in entsprechend geformte Ihirchbrüche oder Ausnehmungen (16E) eingreifen. .
13. 13. Drehmomentwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorsprünge (18A) in den Durchbrüchen oder Ausnehmungen (16E) in Radialriehtung verhältnismäßig viel Spiel haben.
14. 14. Drehmomentwandler nach Anspruch 12 oder 13₅ dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen den Vorsprüngen (18A) und den mit diesen zusammenwirkenden Durchbrüchen bzw. Ausnehmungen (16E) eine Gleitführung in Radialrichtung zuläßt.
15. 15. Drehmomentwandler nach einem der Ansprüche 9 bis 14., dadurch gekennzeichnet, daß in die

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    Schaufelblätter (22) eine Schraube (22a) zur Verschraubung mit einem zugehörigen Seitenring eingegossen ist (Fig. 12).
16. 16. Drehmomentwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenringe (16a, 20) eines Schaufelringes (18) durch Schrauben miteinander verbunden sind, die sich durch Bohrungen in den Schaufeln erstrecken (Fig. 16), und daß die Schaufelblätter einstückig mit dem einen oder anderen Seitenring gegossen sind, wobei die Anlagefläche des Schraubenkopfes und/oder der Mutter im Verhältnis zum Gewinde der Schraube derart bemessen ist, daß bei wachsender Belastung das Gewinde eher nachgibt als das Material unter dem Schraubenkopf oder der Mutter.
17. 17. Drehmomentwandler nach Anspruch 15 oder-16, ■ dadurch gekennzeichnet , daß- die Turbinen-" radnabe (I6a) und/oder die Leitnabe (24-a) mittels einer Vielkeilverbindung (16b, c) mit geraden parallelen-Keil.flank.en auf eine Welle aufgepaßt sind, wobei die radiale Keilhöhe im Verhältnis zu der über den Umfang gemessenen Keilbreite (a bzw. b) ■derart bemessen ist, daß die Keile der Welle und die Keile der Nabe die gleiche Tragfähigkeit aufweisen.
18. 18. Drehmomentwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile der Welle. (16). und der. Nabe (16a) nach Höhe und 3reite in Verhältnis zueinander derart bemessen sind, daß sie auch unter Berücksichtigung unterschiedlicher Scherfestigkeit verschiedener Materialien der Kabe und der Welle die gleiche Tragfähigkeit aufweisen.
19. 19. Drehmomentwandler nach Anspruch 18, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Welle (16) aus Stahl

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    ■und* die Nabe (I6a) aus Allumi-nium hergestellt ist und daß die Breite der Keile der Nabe im Verliältnis zu ihrer Höhe größer ist als bei den Keilen der Welle.

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