DE1902189B2

DE1902189B2 - Zweistufuger hydrodynamischer drehmomentwandler

Info

Publication number: DE1902189B2
Application number: DE19691902189
Authority: DE
Inventors: Karl Gustav Stockholm Aahlen
Original assignee: SRM Hydromekamk AB, Stockholm
Priority date: 1968-01-19
Filing date: 1969-01-17
Publication date: 1972-06-22
Also published as: JPS571711B1; SE347804B; NO132369C; DE1966294B2; GB1235561A; DE1966294C3; DE1966294A1; CS196232B2; US3543517A; DE1902189A1; FI55080B; BE727011A; FI55080C; NO132369B; NL6900890A; FR2000459A1; CH532214A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zweistufige hydrodynamische Drehmomentwandler mit einem radial nach außen durchströmten Pumpenschaufelring, zwei im radial einwärts durchströmten Kreislaufabschnitt liegenden Turbinenschaufelringen und einem zwischen den Turbinenschaufelringen liegenden Leitschaufelring, wobei der Ablenkwinkel des Leitschaufelringes zwiichen 25 und 50° und der Ablenkwinkel des in Strömungsrichtung gesehen zweiten Turbinenschaufelringes zwischen 40 und 65° liegen. Ein solcher Wandler ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 2,690,054 bekannt.

Mit einer derartigen Beschaufelung ausgerüstete hydrodynamische Drehmomentwandler haben heute bezüglich Leistungsgüte und Wirkungsgrad einen hohen konstruktiven Entwicklungsstand erreicht, dessen Verwirklichung jedoch äußerste Präzision in der Fertigung verlangt und dementsprechend hohe Werkzeugkosten mit sich bringt. Um trotzdem den Oestehungsnreis des einzelnen Wandlers niedrig zu halten, müs sen die Werkzeugkosten im Serienbau auf möglichst große Stückzahlen umgelegt werden. Dies bedingt, daß eine bestimmte Wandlergröße für einen weiten Bereich unterschiedlicher maximaler Eingangsleistun- s gen und maximaler Eingangsdrehzahlen verwendet werden kann.

Zur Lösung des vorstehenden Problems ist es bekannt, das Leistungsaufnahmevermögen des Wandlers durch Vorschaltung eines seine E^:ngangsdrehzahl

in ändernden Getriebes der jeweiligen maximalen Leistung des Antriebsmotors anzupassen oder durch eine auf den Einzelfall abgestimmte Drehmomentverzweigung nur einen Teil der gesamten Motorleistung über den Wandler zu führen, was in beiden Fällen

π die weitgehende Verwendung einer einzigen Wandler-Grundgröße ermöglicht. Beide Lösungswege haben jedoch ihre Nachteile. Die Anwendung eines mechanischen Getriebes macht die Getriebeanordnung teuer, da Drehschwingungsprobleme auftreten, die eine be sondere Beachtung und besondere Vorkehrungen zur Absorption und Dämpfung dieser Schwingungen er fordern; sie ist deshalb grundsätzlich auf Schienen fahrzeuge beschränkt. Die Drehmomentverzweigung kommt demgegenüber praktisch nur bei Antrieben für Lastkraftwagen und Erdbewegungsfahrzeuge in Betracht, wo sie eine einfache Lösung für die im Zu sammenhang mit dem Direktantrieb auftretenden Probleme bei der Anpassung des Getriebes an die Motor daten liefert

Die Hersteller von Drehmomentwandlern sind des halb genötigt, mehrere verschiedene Grundgrößen vor zusehen, deren Staffelung und somit Anzahl von dem von jeder Größe überdeckbaren Bereich verschiede ner Kombinationen von maximalen Eingangsleistungen mit maximalen Eingangsdrehzahlen abhängt. Die Bezugsgröße hierfür bi'det das spezifische Drehmoment - auch Ms Faktor genannt -, welches besagt, daß ein Schaufelsystem mi; einem bestimmten Außen durchmesser der das System aufnehmenden toroidför migen Arbeitskammer bei einer Eingangsdrehzahl von vereinbarungsgemäß 1700 U/min im Umschaltpunkt dieses spezifische Drehmoment mit der gewünschten Leistungsgüte und dem angestrebten Wir kungsgrad primärseitig aufzunehmen vermag. Jedes von irgendeinem Antriebsmotor bei einer beliebigen Drehzahl im Umschaltpunkt abgegebene Eingangs drehmoment läßt sich unter Berücksichtigung be stimmter. für hydraulische Drehmomentwandler geltender mathematischer Zusammenhänge dann zunächst auf die vorgenannte Bezugsdrehzahl im Umschaltpunkt umrechnen, und es läßt sich dann weiter der notwendige Durchmesser des Schaufelsystems im Vergleich zu dem Durchmesser, auf den das spezifische Drehmoment bezogen ist, rechnerisch ermit 5 teln.

Das spezifische Drehmoment eines Schaufelsystems, bei welchem Leistungsgüte und Wirkungsgrad den gestellten Anforderungen genügen, ist natürlich nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt, sondern umfaßt einen mehr oder weniger großen Bereich, Die bekannten Wandler der eingangs genannten Art zeichnen sich durch einen vergleichsweise an und für sich bereits großen Ms-Bereich von 40 bis 80 mkp aus. Diese große Spanne im Verhältnis von 1:2 ist eine

6) Folge des verwendeten zweistufigen Schaufelsystems, bei dem sowohl der Pumpenschaufelring wie auch die Turbinenschaufeiringe in radial gerichteten Abschnitten des toroidformigen Strömungskreislaufes liegen.

Er wird weiterhin dadurch erhalten, daß man die ideellen Ablenkwinkel - dfis sind die Winkel zwischen der optimalen relativen Eintrittsrichtung der Strömung in die zwischen den Schaufeln befindlichen Kanäle der einzelnen Schaufelringe und der Austrittsrichtung am Schaufelende - und die Abströmwinkel - das sind die Winkel, unter denen die Strömung den zwischen den Schaufeln eines Schaufelrings gebildeten Kanal am Schaufelende im Verhältnis zur Verbindungslinie zwischen den Enden der den jeweiligen Kanal bildenden Schaufeln wieder verläßt - für die erste Turbinenstufe, das Leitrad und die zweite Turbinenstufe innerhalb halb bestimmter Grenzen hält, wobei die Pumpenschaufeln den innerhalb der Grenzen ausgewählten Werten anzupassen sind. Alle Versuche, diese auf Erfahrung beruhenden Grenzen zu überschreiten, hatten bisher stets zu einem erheblichen Absinken der Leistungsgüte bzw. des Wirkungsgrades geführt, so daß sich der Fachmann gezwungen sah, die aufeinanderfolgenden Größen innerhalb einer Wandlerbaureihe verhältnismäßig eng zu staffeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wandler der eingangs genannten Art mit geringstniöglichem Auf wand derart abzuändern, daß das übertragbare spezi fische Drehmoment wesentlich vergrößert wird und hierdurch eine wesentlich größere Staffelung der einzelnen Wandlergrößen innerhalb einer Baureihe erhal ten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein solcher Wandler derart ausgebildet, daß der erste Turbinenschaufelring einen Ablenkwinkel zwischen 90° und 1!5° aufweist und daß die Abströmwinkel der Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes zwischen 29° und 38°, des Leitschaufelringes zwi sehen 32° und 41° und des zweiten Turbinenschaufel ringes zwischen 50° und 62° liegen.

Durch die vorstehenden Änderungen gelingt es. den Ms Bereich von bisher 40 bis 80 mkp nunmehr bis auf 140 mkp als obere Grenze, d.h. also vom Doppelten auf das Dreieinhalbfache auszuweiten, ohne daß dadurch die Leistungsgäte und der Wirkungsgrad unter die gestellten Bedingungen absinken und ohne daß hierzu etwa das gesamte Schaufelsy stern geändert bzw. vergrößert werden müßte. An einem Beispiel ausgedrückt, bedeutet dies, daß in einem Bereich von 40 bis 140 PS Eingangsleistung bei 1700 U/min, im Umschaltpunkt und letztlich die selbe Wandlergroße lediglich unter Austausch nur ein zelner Schaufelringe und ebenso dieselbe Wandlergrößs für eine Eingangsleistung von 140 PS bei sowohl einer Eingangsdrehzahl von 1700 U/min, wie 2600 U/min, im Umschaltpunkt Verwendung finuen kann.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung be trägt für die Schaufelblätter des ersten Turbinenschau felrings das Verhältnis zwischen dem Radius der Einlaßkante zur größten Länge zweckmäßig 0.13 bis 0,14, wobei es weiterhin vorteilhaft ist, daß für die Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelrings das Verhältnis der größten Schaufetstärke, im rechten Winkel zur Längserstreckung gemessen, gegenüber der größten Schaufellänge mit etwa 0,45 bemessen wird.

Nach einem anderen Merkmal zur vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die Einlaßkante der Pumpenschaufelblätter auf einem größeren Radius mit Bezug auf d<e Drehachse als die Auslaßkante der Schaufelblätter des zweiten Turbinenschaufelrings.

Schließlich ist es bei der Verwirklichung der Erfindung zweckmäßig, daß in bekannter Weise die Schau felUätter sämtlicher Schaufelringe im wesentlichen ί nur zweidimensional gewölbt sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausluhrungsbeisptels näher erläutert, Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen der Erfin-

Ui dung zugrunde liegenden zweistufigen hydrodynamischen Drehmomentwandler,

Fig. 2 bis 5 Querschnitte durch die Schaufeln des Wandlers nach Fig. 1 gemäß den dort mit römischen Zahlen bezeichneten Schnittlinien,

π F i g. 6 einen Querschnitt durch zwei dem höheren Bereich des spezifischen Drehmoments angepaßte Pumpenschaufelblätter,

F i g. 7 einen Querschnitt durch zwei Schaufeln des ersten Turbinenschaufelringes mit einem Ablenkwin-

kel und einem Abströmwinkel gemäß der Erfindung,

Fig. 8 ein Diagramm, '-\s dem die Breite des An wendungsgebietes eines Lrehmomentwandlers nach der Erfindung hervorgeht, und

F i g. 9 über dem Drehzahluntersetzungsverhältnis

aufgetragene Wirkungsgradkurven für eine bestimmte Wandlergröße beim untersten bisher erreichbaren spe zifischen Drehmoment (ausgezogene Linie) und beim obersten durch die Erfindung erreichbaren spezifi sehen Drehmoment (strichpunktierte Linie).

Der in Fig I dargestellte Drehmomentwandler gehört zum Typ der Wandler mit rotierendem Ge häuse und zwei Stufen. Das rotierende Gehäuse 10 bildet das Primärglied, welches um eine mit A be zeichnete Achse von einem (nicht dargestellten) An triebsmotor gedreht wird. Das Gehäuse 10 trägt einen Ring von Pumpenschaufelblättern 12, die mit einem inneren Kernringelement 14 verbunden sind. Letzteres sowie ein weiteres Kernringelement 20 sind bei 54 gegeneinander abgedichtet. Auf einer Hohl welle 16 sitzt ein Turbinenrad 16a, das einen Ring se kundärer Turbinenschaufeln 18 trägt, weiche an ihren inneren Enden in das Kernringelement 20 übergehen, das zusammen mit dem Kernringelement 14 eine to roidförmige Kammer 54a bildet. Das Kernringele ment 20 trägt weiterhin einen Ring primärer Turbi nenschaufelblätter 22, deren andere Enden am Flanschteil 22a eines Turbinenseitenringes 48 befe stigt sind. Letzterer ist von einer Trägerscheibe 24 eines Leitschaufelringes 26 durch einen Zwischen raum 62 getrennt und bei 50 gegen das rotierende Wandlergehäuse 10 abgedichtet. In axialer Richtung befindet sich zwischen dem Seitenring 48 und dem Gehäuse 10 ein Zwischenraum 56.

Die primären Schaufelblätter 22 bilden die erste Turbinenstufe und die sekundären Schaufelblätter 18 die zweite Turbinenstufe. Der dazwischen befindliche Leitschaufelring 26 mit seiner Trägerscheibe 24 kann zu jeder Zeit gegen Drehung in einer beliebigen Rieh tung festgehalten werden. Es kann aber auch vorge sehen sein, daß der Lettschaufelring 24 unter bestimmten Betriebsbedingungen in einem bestimmten Drehzahlverhältnis und in einer bestimmten Richtung zu den Turbinenschaufelringen umläuft, wie dies beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3.005,359 beet kannt ist. Dei artige Drehmomentwandler werden üblicherweise als Doppelrotationswandler bezeichnet.

Die getroffene Anordnung mit dem Pumpenschaufclring im nach außen gerichteten Strömungsabschnitt und den Turbinenschaufelringen und dem Leitschau-

felfing im einwärts gerichteten Strömungsabschnitt gestattet, die Form und Größe der Pumpenschaufel in weiten Örenzen zu variieren, so daß die Drehmornentaufnahme des Pumpengliedes und damit der Ms-Faktor ohne Änderung der Turbinenseite geändert wer- ι den können.

In den Fig. 2 bis 7 stellen α den Auslaß- oder Abströmwinkel der verschiedenen Schaufelringe und b detr Kleinstabstand zwischen benachbarten Schaufelblättern des gleichen Schaufelfinges, d.h. mit ande in ren Worten den engsten Teil des Strömungskanals zwischen zwei benachbarten Schaufelblättern dessel ben Ringes dar. Der Winkel α wird gemessen zwi sehen einer Geraden XY (s. Fig. 7) und der Verbin dungslinie zwischen den Enden der den Strömungska μ nal begrenzenden Schaufeln. Die Gerade XY stellt die durch die Auslaßkante eines bestimmten Schaufelblat tes gezogene Tangente an einen Kreis mit dem Ra dius b um die im Abstand ρ versetzte Auslaßkante des benachbarten Schaufelblattes dar.

In den F i g. 3 bis 5 ist die Richtung der in die Leit- bzw. Turbinenschaufelringe beim Anfahren aus dem Stand, d.h. also bei drehendem Pumpenteil und feststehendem Turbinenteil, eintretenden Flüssigkeit durch die Pfeilrichtung /„ gekennzeichnet, wohinge gen die Pfeile /,» die Richtung der relativen Eintritts geschwindigkeit im Umschaltpunkt darstellen. Der zwischen diesen beiden Richtungen eingeschlossene Winkel γ umgreift den normalerweise benutzten Be triebsbereich. Die optimale relative Eintrittsrichtung jo ist mit /„ gekennzeichnet.

In Fig. 5 ist zur Charakterisierung der abgerunde ten Einlaßkanten der dort dargestellten sekundären Turbinenschaufeln ein Radius r eingetragen, obgleich

die Kreisbogenform mit Bezug auf dtn Mittelpunkt
nur grundsätzlich gilt und Abweichungen möglich sind. Als Einlaßbereich der Schaufelblätter wird derje nige Bereich angesehen, welcher sich einlaßseitig einer durch den Mittelpunkt O gezogenen Linie 5 befindet, die senkrecht auf der optimalen Einlaßriehtung /„ steht. Des weiteren sind zur Bezeichnung der Länge der Schaufelblätter in Strömungsrichtung das Maß ω und zur Bezeichnung der Länge der Schaufelblätter in Achsrichtung das Maß 1 (s. Fig. I)eingetragen.

Durch Vergleich der Fig. 7 mit Fig. 3 läßt sich er kennen, daß der Ablenkwinkel Φ zwischen der gün stigsten Einlaß- und Auslaßrichtung der ersten Turbi nenstufe bei der Wandlerausführung nach der Erfindung (Fig. 7) von dem eines bekannten Wandlers (Fig. 3) erheblich abweicht. Demgegenüber bleibt er bei der zweiten Turbinenstufe (Fig. 5) trotz der erfin dungsgemäßen Vergrößerung des Winkels α im we sentlichen unverändert. Weiterhin zeigt der Vergleich zwischen der F i g. 2 und der F i g. 6, daß die Pumpenschaufelprofile im höheren Ms-Bereich (Fig. 6) einen größeren Radius der Auslaßkante und/oder einen größeren Abströmwinkel α aufweisen als im niedrigen Ms-Bereich (Fig. 2). Gleichzeitig ist der Einlaßbereich des Pumpenschaufelringes im höheren Ms-Berek!» (Fig. 6) für eine größere Durchflußmenge an Arbeitsflüssigkeit ausgelegt.

Die nachstehende Tabelle gibt die Kombinationen der Werte für den Ablenkwinkel Φ und den Abström winkel α fur den niedrigen Ms-Bereich bei den bekannten Wandlern und den hohen Ms-Bereich bei dem Wandler nach der Erfindung auf der Turbinen seite wieder:

niedriger Ms Bereich
(40-80)

1. Turbinenstufe

ΦΙΊ

90
50
65

η

Min.

Ί

Max.

hoher Ms
(bis

ΦΙΊ

Min.

Max.

Bereich
40)

al

Mm

Ί

Max.

Leitrad ...

Min. Max.

22
28
48

28
38
58

90
25
40

115
50
65

29
32
50

38
41
62

2. Turbinenstufe

50
25
40

Aus den F i g. 3 und 7 läßt sich weiterhin entneh-' men. daß bei zunehmendem Ms-Faktor der Wert des Winkels γ abnimmt. Ferner ändert sich auch die mittlere Eintrittsrichtung, weshalb man das Blattprofil dahingehend anpaßt, daß nicht nur der Ablenkwinkel Φ. sondern auch das Verhältnis zwischen dem Einlaßkantenradius und Schaufelblattlänge der ersten Turbinenstufe gegenüber dem normalen Ms-Bereich vergrößert wird. Für den unteren Ms-Bereich (40 bis 50 mkp) galt überücherweise ein prozentuales Verhältnis von r/oj von 11%. Dieses Verhältnis wird für den hohen Ms-Bereich (80 bis 140 mkp) zweckmäßig auf 13 bis 14% vergrößert, während gleichzeitig auch das Verhältnis der Stärke der Schaufelblätter zu ihrer Länge in Strömungsrichtung von 35% auf ungefähr 45%^W ansteigt. Unter der Stärke der Schaufelblätter wird dabei die größte Querschnittsbreite im rechten Winkel zur Längserstreckung verstanden.

Durch Anpassung des Schaufelblattprofils in der ,mfgezeigten Weise ist es möglich, unter Beibehaltung der Wandlergröße die PumpenJeistung zu steigern.

gleichzeitig aber die bisher dann unvermeidlich auftretenden Verluste in den übrigen Stufen dadurch zu ver-

Ii meiden, 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 Ms-Bereich eine proportional größere Leistung auf

ί nimmt, senken und zum Teil auch die erhöhten söge nannten Ventilationsverluste ausgleichen. Bei dem der Erfindung zugrundeliegenden Drehmomentwandler werden grundsätzlich zweidimensionale Schaufelblätter in sich verjüngender Form gemäß der Darstellung

■o in Fig. 1 verwendet. Die mit Hilfe der Erfindung erzielte Erweiterung des Ms-Bereiches führt jedoch nicht zu einer Verminderung des Wirkungsgrades, sondern hat im Gegenteil völlig unerwartet den erreichbaren Wirkungsgrad gesteigert, wie dies die wei-

.< ter unten erläuterte Fig. 9 veranschaulicht.

Fig. 8 zeigt die Ausdehnung des Ms-Bereiches durch die Erfindung, wobei deutlich wird, in welchem Maße dadurch dem Fachmann die Möglichkeit an

2387

die Hand gegeben wird, mit einzelnen GrundgrüUcn von Drehmomcntwnndlern einen gfoUen Bereich ver schiedener Antriebsmaschinen zu erfassen, und /war einfach derart, daß der hydrodynamische Drehmo mentwandler ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Oetriebes und auch ohne Anwendung einer Drehnwmentverzweigung unmittelbar mit dem Antriebsmotor gekuppelt wird.

F i g. 9 zeigt zwei die Leistungsfähigkeit cluirakteri gierende Wirkungsgradkurven. Die ausgezogene Kurve ist der Wirkungsgrad an der unteren Grenze

Ms 40 mkp in dem bisher erreichbaren niedriger Ms Bereich (in Fig. 8 das Feld (/*). und die strich punktierte Linie stellt den Wirkungsgrad an der obe ren Grenze Ms= 140 mkp des crfindungsgeiriiiU erziel baren hohen Ms Bereichs (in Fig. 8 das Feld hf) dar Dabei ist ersichtlich, daü uns Drehzahlverhältnis nJn, im Umschnltpunkt für die den hohen Ms Bereicl kennzeichnende Wirkungsgradkurve größer ist als in Falle der für den niedrigen Ms Bereich erhaltenei Kurve. Gleichzeitig liegt aber auch der Maximalwer des Wirkungsgrades im hohen Ms Bereich höher.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Ϊ09 526/1

2387

Claims

Patentansprüche:

1. Zweistufiger hydrodynamischer Drehmomentwandler mit einem radial nach außen durchströmten Pumpenschaufelring, zwei im radial einwärts durchströmten Kreislaufabschnitt liegenden Turbinenschaufelringen und einem zwischen den Turbinenschaufelringen liegenden Leitschaufelring, wobei der Ablenkwinkel des Leitschaufelringes zwischen 25 und 50° und der Ablenkwinkel des in Strömungsrichtung gesehen zweiten Turbinenschaufelringes zwischen 40 und 65° liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Turbinenschaufelring (22) einen Ablenkwinkel (Φ) zwischen 9ü und 115° aufweist und daß die Abströmwinkel (α) der Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes (22) zwischen 29° und 38°, des Leitschaufelringes (26) zwischen 32° und 41° und des zweiten Turbineuächaufelringes (18) zwischen 50° und 62° liegen.

2. Drehmomentwandler nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß für die Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes (22) das Verhältnis zwischen dem Radius (r) der Einlaßkante zur größten Länge (ω) 0,13 bis 0,14 beträgt.

3. Drehmomentwandler nach Anspruch 2. da durch gekennzeichnet, daß für die Schaufelblätter des ersten Turbinenschaufelringes (22) das Verhältnis der grüßten Schaufelstärke, im rechten Winkel zur Längserstreckung gemessen, gegenüber der größten Schaufellänge etwa 0,45 beträgt.

4. Drehmomentwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkante der Pumpenschaufelblätter (12) auf einem größeren Radius mit Bezug auf die Dreh achse liegt als die Auslaßkante der Schaufelblät ter des zweiten Turbinenschaufelringes (18).

5. Drehmomentwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in bekannter Weise die Schaufelblätter sämtlicher Schaufelringe (12, 18, 22, 26) im wesentlichen nur zweidimensional gewölbt sind.