DE20220983U1 - Hydrodynamische Kupplung und Anfahreinheit - Google Patents
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Abstract
Hydrodynamische
Kupplung (1)
1.1 mit einem Pumpenrad (4) und einem Turbinenrad (5), die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum (6) bilden;
1.2 die hydrodynamische Kupplung (1) ist frei von einem Leitrad;
1.3 mit mindestens einem Austritt (10) aus dem Arbeitsraum (6); gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
1.4 der Austritt (10) oder die Austritte sind am Turbinenrad (5) angeordnet.
1.1 mit einem Pumpenrad (4) und einem Turbinenrad (5), die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum (6) bilden;
1.2 die hydrodynamische Kupplung (1) ist frei von einem Leitrad;
1.3 mit mindestens einem Austritt (10) aus dem Arbeitsraum (6); gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
1.4 der Austritt (10) oder die Austritte sind am Turbinenrad (5) angeordnet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner eine Anfahreinheit.
- Hydrodynamische Kupplungen werden u.a. in Getriebebaueinheiten für den Einsatz in Fahrzeugen als Anfahrelement eingesetzt. In der Druckschrift WO 02/18818 ist eine Ausführung der Anfahreinheit beschrieben, die einen mit einem Antrieb koppelbaren Eingang und einen mit einem Abtrieb koppelbaren Ausgang umfasst. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang ist eine hydrodynamische Kupplung mit einem als Turbinenrad fungierenden Sekundärrad und einem als Pumpenrad fungierenden Primärrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, angeordnet. Dem Pumpenrad ist dabei eine sogenannte Pumpenradschale zugeordnet, welche drehfest mit diesem verbunden ist und das Turbinenrad in axialer Richtung umschließt. Die Pumpenradschale kann dabei einteilig mit dem Pumpenrad ausgeführt sein, vorzugsweise werden jedoch mehrteilige Ausführungen verwendet, wobei die drehfeste Verbindung über entsprechende Verbindungselemente realisiert wird. Diese Anfahreinheit umfasst ferner eine schaltbare Kupplung in Form einer Überbrückungskupplung, welche zur hydrodynamischen Kupplung parallel geschaltet ist. Diese weist einen Kupplungseingang und einen mit diesem wenigstens mittelbar in Wirkverbindung bringbaren Kupplungsausgang auf. Dies bedeutet, dass während eines Großteils des Betriebes der Anfahreinheit die Leistungsübertragung nur über eine der beiden Komponenten erfolgt. Die hydrodynamische Kupplung wird in dieser Ausführung dabei wechselweise zentrifugal oder zentripetal durchströmt. Die zentripetale Durchströmung ist durch die Führung des Betriebsmittels entlang des Außenumfanges des Turbinenrades zwischen den einzelnen Kupplungsscheiben der Überbrückungskupplung bis in den Bereich der Trennebene zwischen Pumpenrad und Turbinenrad im Bereich des äußeren Durchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes und von dort in den torusförmigen Arbeitsraum im Pumpenrad charakterisiert. Der dabei verbleibende Spalt zwischen den Kupplungsscheiben der Überbrückungskupplung dient als Drosselstelle. Durch diese Drossel stellt sich eine Druckdifferenz zwischen der auf den Kupplungsausgang wirkenden Kolbenfläche und diesem ein, aus welcher dann die erforderliche Anpresskraft für das Öffnen und Schließen der Überbrückungskupplung resultiert. Dies wird im einfachsten Fall bei Ausführung en mit Zuordnung der Funktion des Kolbens zum Turbinenrad durch die drehfeste Verbindung und axiale Verschiebbarkeit oder Verschwenkbarkeit des Turbinenrades sowie Vorspannung dessen durch Steuerung der Drücke oder der diese wenigstens indirekt charakterisierenden Größen in den einzelnen mit den Eintritten in und den Austritten aus dem Arbeitsraum gekoppelten Betriebsmittelführungskanälen bzw. -räumen realisiert. Vorzugsweise wird dabei wenigstens der Auslassdruck gesteuert. Der Austritt des Betriebsmittels aus dem torusförmigen Arbeitsraum erfolgt dabei im Bereich der Trennebene, d. h. dem Spalt zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad im Bereich der radial inneren Abmessung des torusförmigen Arbeitsraumes in radialer Richtung nach innen zur Rotationsachse hin. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass beim Austritt aus dem Arbeitsraum über den in der Trennebene vorhandenen Spalt zwischen Pumpenrad und Turbinenrad nicht die gewünschten hohen Entleergeschwindigkeiten erzielt werden. Des Weiteren ist mit dieser Art der Entleerung bei Ausführungen mit Druckauslasssteuerung eine Umsetzung der Geschwindigkeit der im Arbeitskreislauf vorhandenen Meridianströmung in einen dieser entsprechenden Druck im mit dem Austritt gekoppelten Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum, nicht möglich.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass zum einen sehr hohe Entleergeschwindigkeiten erzielt werden und die Lösung des weiteren für Ausführungen mit Druckauslasssteuerung einen großen Stellbereich ermöglicht. Die Lösung soll sich dabei durch einen geringen konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwand auszeichnen.
- Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Erfindungsgemäß umfasst eine hydrodynamische Kupplung mit einem Pumpenrad und einem Turbinenrad, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum bilden, und die frei von einem Leitrad ist, mindestens einen Austritt aus dem Arbeitsraum, der am Turbinenrad angeordnet ist. Dieser erstreckt sich dabei vorzugsweise durch die Wand des Schaufel tragenden Teiles am Turbinenrad vom Schaufelgrund zum Außenumfang hin und ist in der Regel als Kanal geringer Länge ausgebildet, wobei der Begriff Kanal die Ausführungen als Bohrung, Schlitz oder Durchgangsöffnung mit einschließt.
- Mit dieser Lösung werden die sich aus dem Arbeitskreislauf im Arbeitsraum ergebende Strömungsrichtung und die aus diesem resultierenden Strömungskräfte in optimaler Weise ausgenutzt. Bei Anordnung des Austrittes am Turbinenrad im Bereich des Innendurchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes bietet diese Lösung insbesondere bei zentripetaler Durchströmung den Vorteil, die ohnehin in Richtung zur Rotationsachse hin erfolgende Entleerung des Arbeitskreislaufes durch Ausnutzung der Meridiangeschwindigkeit zu beschleunigen. Des Weiteren kann die im Arbeitskreislauf vorherrschende Meridiangeschwindigkeit besser in einen, sich im mit dem Austritt gekoppelten Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum einstellenden Druck umgesetzt werden. Dies bietet gerade bei Ausführungen mit Druckauslasssteuerung den Vorteil, dass auf diesen Druck mit geringerem Aufwand gezielter Einfluss genommen werden kann und auch gegenüber anderen Lösungen dieser einen größeren Stellbereich ermöglicht. Vorzugsweise ist der Austritt dabei im Bereich des Innenumfanges des torusförmigen Arbeitsraumes am Turbinenrad angeordnet. Die Auslassöffnung wird in einem Winkel β von > 0° bis ≤ 90°, ausgehend von einem räumlichen Mittelpunkt im Bereich der Trennebene T im Bereich des Innenumfanges angeordnet. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Austritten bzw. von Verbindungskanälen im Turbinenrad vorgesehen. Diese können entweder
-
- 1. auf einer gemeinsam gedachten theoretischen Umfangslinie oder aber
- 2. auf mehreren verschiedenen theoretischen Umfangslinien angeordnet sein.
- Unter Umfangslinien werden dabei theoretisch gedachte Linien am Innenumfang des Arbeitsraumes am Turbinenrad verstanden, welche parallel zur gedachten Trennebene zwischen dem Pumpen- und dem Turbinenrad im eingebauten Zustand der Kupplung ausgerichtet sind bzw. bei Berücksichtigung des Neigungswinkels der Kanäle gegenüber der Trennebene T aufgrund tangentialer Führung zur Kreislaufkontur theoretisch gedachte Linien am Außenumfang des Schaufel tragenden Teils des Turbinenrades. Es besteht dabei die Möglichkeit, die Anordnung wechselweise auf unterschiedlichen Umfangslinien vorzunehmen.
- Die Austritte bzw. Kanäle am Turbinenrad können des Weiteren auf einer Umfangslinie oder mehreren Umfangslinien in
- 1. konstanten Abständen oder
- 2. unterschiedlichen Abständen
- Für die Gestaltung des Querschnittes der Verbindungskanäle bzw. Austritte sind eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar. Diese können beispielsweise durch einen kreisrunden Querschnitt charakterisiert sein oder aber oval. Andere Ausführungen sind ebenfalls denkbar und werden entsprechend den technischen Gegebenheiten gewählt.
- Vorzugsweise wird der Austritt in Form eines Verbindungskanals, der sich durch die Wand des Schaufel tragenden Teiles vom Schaufelgrund bis zum Außenumfang erstreckt, gebildet. Die Ausgestaltung des Verbindungskanals kann vielgestaltig erfolgen. Vorzugsweise ist immer eine direkt gerichtete, d. h. insbesondere tangential zur Kreislaufkontur im Arbeitsraum ausgerichtete Gestaltung erwünscht, da in diesem Fall die volle Meridiangeschwindigkeit ausgenutzt werden kann. Es besteht jedoch auch die theoretische Möglichkeit, geringfügige Änderungen eines derartigen Verlaufes vorzunehmen, diese sollten jedoch den Toleranzbereich nicht erheblich überschreiten. Der Verbindungskanal kann dabei mit
- 1. konstantem Querschnitt oder
- 2. mit unterschiedlichen Querschnitten
- Um mögliche Kurzschlussströme durch den zusätzlichen Austritt bzw. den sich im zwischen Pumpenrad und Turbinenrad im Bereich der Trennebene am Innenumfang des torusförmigen Arbeitsraumes ergebenden Spalt zu vermeiden, sind Mittel zur Reduzierung dieser Kurzschlussströme vorgesehen. Diese umfassen im einfachsten Falle eine Laufspaltdrossel bzw. Dichtung zwischen dem Pumpen- und dem Turbinenrad im Bereich der Trennebene am Innenumfang des torusförmigen Arbeitsraumes. Die konkrete Ausgestaltung hängt dabei vom Einsatzfall ab und dem Ermessen des Fachmannes.
- Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
-
1a bis1c verdeutlichen in schematisch stark vereinfachter Darstellung mögliche besonders vorteilhafte Ausführungen erfindungsgemäß gestalteter hydrodynamischer Kupplungen; -
1d verdeutlicht in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Ausführung einer hydrodynamischen Kupplung mit stehendem Gehäuse; -
2a bis2d zeigen Anordnungen eines Austrittskanals; -
3a und3b verdeutlichen in schematisch vereinfachter Darstellung mögliche Querschnitte eines Austrittskanals; -
4 verdeutlicht eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer hydrodynamischen Kupplung gemäß1b ; -
5a und5b verdeutlichen besonders vorteilhafte Weiterentwicklungen einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Kupplung am Beispiel einer Ausführung gemäß1b mit zusätzlichen Maßnahmen zur Reduzierung von Kurzschlussströmen. - Die
1a bis1d verdeutlichen in schematisch stark vereinfachter Darstellung mögliche Ausführungsformen erfindungsgemäß gestalteter hydrodynamischer Kupplungen1 . Die Ausführungen gemäß1a bis1c sind dabei durch ein rotierendes Gehäuse2 charakterisiert. Die Ausführung gemäß1d ist durch ein stehendes Gehäuse3 charakterisiert. Die hydrodynamische Kupplung1 umfasst jeweils ein als Pumpenrad4 bezeichnetes Primärschaufelrad und ein als Turbinenrad5 bezeichnetes Sekundärschaufelrad. Pumpenrad4 und Turbinenrad5 bilden dabei einen Arbeitsraum6 miteinander, welcher vorzugsweise torusförmig ausgebildet ist. Die hydrodynamische Kupplung1 ist frei von einem Leitrad. Bei der Ausführung gemäß1a ist das Pumpenrad4 drehfest mit einer rotierenden Pumpenradschale7 , welche ein rotierendes Gehäuse2 bildet, verbunden. Diese wiederum ist wenigstens mittelbar drehfest mit einem im Einzelnen nicht dargestellten Antrieb koppelbar. Das Turbinenrad5 ist beim Einsatz in Antriebssträngen wenigstens mittelbar drehfest mit einem Abtrieb gekoppelt. In der Regel erfolgt die Verbindung über eine Turbinenradwelle8 , wobei der Begriff Welle funktional zu verstehen ist, d. h. sowohl eine Ausführung als Vollwelle als auch Hohlwelle einschließt. Bezüglich der möglichen räumliche Anordnungen von Pumpenrad4 und Turbinenrad zueinander bestehen, bezogen auf die Integration im Antriebsstrang, verschiedene Möglichkeiten. Gemäß1a ist in axialer Richtung das Pumpenrad4 hinter dem Turbinenrad5 angeordnet. Die rotierende Pumpenradschale7 umschließt dabei das Turbinenrad5 in axialer Richtung und wenigstens teilweise in radialer Richtung unter Bildung eines Zwischenraumes9 . Denkbar sind jedoch auch räumliche Anordnungen, bei welchen das Pumpenrad4 in Kraftflussrichtung betrachtet räumlich in axialer Richtung vor dem Turbinenrad5 angeordnet ist. Dem Arbeitsraum6 ist mindestens ein Austritt10 für Betriebsmittel zugeordnet. Erfindungsgemäß wird der Austritt10 von einer Öffnung11 am Turbinenrad5 gebildet. Dieser verbindet den Arbeitsraum6 mit einem Raum außerhalb. Der Austritt10 ist dabei als Kanal12 , der sich durch die Wand13 des Turbinenrades5 vom Schaufelgrund14 bis zum Außenumfang15 erstreckt. Dadurch wird es möglich, die Meridiangeschwindigkeit im Arbeitskreislauf AK besser für den Entleervorgang zu nutzen, indem in Strömungsrichtung entleert wird. Die Anordnung des Austrittes10 kann dabei grundsätzlich an beliebiger Stelle im Turbinenrad5 , insbesondere in radialer Richtung im Axialschnitt betrachtet über die gesamte radiale Erstreckung des schaufeltragenden Teiles16 am Turbinenrad5 erfolgen. Zur Vermeidung von Strömungsbeeinflussungen, insbesondere bei zentripetaler Durchströmung ist, wie in1a dargestellt, der Austritt10 vorzugsweise als Kanal12 , der sich durch die Wand13 des Turbinenrades5 vom Schaufelgrund14 bis zum Außenumfang15 im Bereich des Innendurchmessers di des schaufeltragenden Teiles16 des Turbinenrades5 erstreckt, ausgeführt. Die Anordnung des Austrittes10 erfolgt somit in radialer Richtung betrachtet am innenliegenden Teil des Turbinenrades5 , wobei die Anordnung in einem Winkelbereich, bezogen auf die Trennebene T zwischen Pumpenrad4 und Turbinenrad5 von 0 < β ≤ 90° bezogen auf den räumlichen Mittelpunkt M des torusförmigen Arbeitsraumes6 erfolgt. Zur besseren Umsetzung der Meridiangeschwindigkeit des im Arbeitsraum6 bei Betrieb der hydrodynamischen Kupplung1 sich einstellenden Betriebsmittelstromes in Druck und der Vermeidung von unerwünschten Strömungsabrissen ist der Austritt10 derart gestaltet, dass wenigstens eine Richtungskomponente im Betriebszustand der Kupplung in Strömungsrichtung der sich zwischen dem Pumpenrad4 und dem Turbinenrad5 einstellenden Arbeitskreislaufes AK zu der sich in diesem Betriebszustand einstellenden mit Pfeil gekennzeichneten Kreislaufkontur ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist der Austritt10 bzw. sind bei Vorsehen einer Mehrzahl von Austritten diese jedoch tangential zu der sich im Betrieb einstellenden Kreislaufkontur des Arbeitskreislaufes AK ausgerichtet. - Die
1b verdeutlicht eine weitere mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung1 mit Anordnung des Austritts10 bzw. der Austritte10 im Bereich des Innenumfanges des schaufeltragenden Teiles16 im Bereich des Innendurchmessers di des torusförmigen Arbeitsraumes6 erfolgt. Diese Ausführung entspricht im Wesentlichen dem in der1a beschriebenen, wobei es sich hierbei um eine spezielle Ausgestaltung der hydrodynamischen Kupplung1 handelt, die durch die axiale Verschiebbarkeit des Turbinenrades5 charakterisiert ist. Dies wird dadurch möglich, dass das Turbinenrad5 drehfest mit der Turbinenradwelle8 , jedoch in axialer Richtung verschiebbar, verbunden ist. Diese Verbindung wird über eine Profilverbindung17 erzielt, die in Umfangsrichtung einen Kraft- oder Formschluss ermöglicht. Im einfachsten Fall wird dazu eine Keilwellenverbindung18 verwendet, bei welcher die profiltragenden Teile – der Außenumfang19 der Turbinenradwelle8 und der Innenumfang20 des Turbinenrades5 – mit entsprechend komplementär zueinander ausgebildeten Verzahnungen ausgeführt sind. Zur Realisierung der Möglichkeit der Kopplung des Turbinenrades5 mit anderen Übertragungselementen wird die Turbinenradwelle8 durch das Pumpenrad4 geführt, beispielsweise indem dieses einen Kupplungshals21 in Form einer Hohlwelle aufweist. Die Anordnung des Austrittes10 bzw. der Austritte10 erfolgt ebenfalls in Analogie zu der in1a beschriebenen. - Die
1c verdeutlicht eine alternative Ausgestaltungsform zu1b , bei welcher die Verbindung des Turbinenrades5 mit der Turbinenradwelle8 drehfest erfolgt. Allerdings ist das Turbinenrad5 elastisch an die Turbinenradwelle8 angebunden. Die Mittel22 zur elastischen Anbindung ermöglichen ein Verschwenken des Turbinenrades5 in axialer Richtung. Im Übrigen entspricht der Grundaufbau dem in den1a bzw.1b bereits beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. - Die dargestellten Kupplungen sind aufgrund ihres Aufbaus mit rotierender Pumpenradschale
7 für Anwendungen prädestiniert, die sich durch eine zentripetale Betriebsmittelführung, beispielhaft in1c mittels Pfeilen dargestellt, auszeichnen. Bei diesem wird der zwischen dem Turbinenrad5 und der rotierenden Pumpenradschale7 befindliche Zwischenraum9 als Betriebsmittelführungskanal bzw. -Raum23 genutzt. Der Eintritt des Betriebsmittels erfolgt dann beispielsweise im Bereich des Außenumfanges24 des Turbinenrades im Bereich der Trennebene die bzw. den zwischen Pumpenrad und Turbinenrad4 und5 in diesem Bereich gebildeten Spalt25 . Der Austritt des Betriebsmittels erfolgt dann in Strömungsrichtung im unteren Bereich des Turbinenrades5 , d. h. im Bereich des Innendurchmessers di des torusförmigen Arbeitsraumes6 bzw. des radial innen legenden Teils des Außenumfanges15 des Schaufel tragenden Teils16 . Der Austritt mündet in einen zweiten Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum29 , der vom Außenumfang15 des Schaufel tragenden Teils16 des Turbinenrades5 und dem Pumpenrad4 , in der Regel dem Außenumfang des Schaufel tragenden Teils des Pumpenrades4 , gebildet wird. Die Betriebsmittelführungskanäle bzw. -räume23 und29 sind über entsprechende Anschlüsse miteinander unter Bildung eines geschlossenen Kreislaufes oder mit einer Betriebsmittelversorgungsquelle unter Bildung eines offenen Kreislaufes koppelbar. Zur Steuerung der Druckverhältnisse zwischen dem Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum23 und dem torusförmigen Arbeitsraum6 sind dann entsprechende Mittel vorzusehen. Diese dienen dabei der Beeinflussung des Druckes und/oder Volumenstromes in einem der beiden Betriebsmittelführungskanäle bzw. -räume oder in beiden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dienen diese ferner zur Änderung der Durchströmungsrichtung der Kupplung. - Die
1 d verdeutlicht eine weitere mögliche Ausgestaltung einer hydrodynamischen Kupplung1 , bei welcher die erfindungsgemäße Anordnung des Austrittes10 im Bereich des Innendurchmessers des torusförmigen Arbeitsraumes6 des Turbinenrades5 erfolgt. Der Grundaufbau entspricht im Wesentlichen dem in der1a beschriebenen. Allerdings weist diese hydrodynamische Kupplung1 kein rotierendes Gehäuse2 , sondern nur ein stehendes Gehäuse3 auf, welches die beiden Schaufelräder- Pumpenrad4 und Turbinenrad5 – in axialer und radialer Richtung unter Bildung von Zwischenräumen umschließt. - Vorzugsweise sind jeweils eine Mehrzahl von Austritten
10 bzw. Kanälen12 am Turbinenrad5 vorgesehen. Diese können dabei entweder auf einer gemeinsam gedachten theoretischen Umfangslinie oder aber auf mehreren verschiedenen Umfangslinien am Innenumfang des die Schaufeln tragenden Teiles16 des Turbinenrades angeordnet sein. Unter Umfangslinien werden dabei theoretisch gedachte in Umfangsrichtung ausgerichtete und verlaufende Linien am Außenumfang15 des Schaufel tragenden Teils16 am Turbinenrad5 verstanden, welche parallel zu gedachten Trennebene T zwischen dem Pumpenrad4 und dem Turbinenrad5 im eingebauten Zustand der hydrodynamischen Kupplung1 verlaufen. Es besteht dabei die Möglichkeit, die Anordnung wechselweise auf unterschiedlichen Umfangslinien vorzunehmen. - Eine Möglichkeit dieser Anordnung ist in schematisch vereinfachter Darstellung in der
2b in einer Ansicht A auf das Turbinenrad5 gemäß1b im abgewickelten, d. h. in eine Ebene geklappten Zustand wiedergegeben. Das Turbinenrad ist mit5 bezeichnet, die Kanäle mit12.12b bis12.n2b . Eine Anordnung einer Vielzahl von Kanälen12.12c bis12.n2c auf einer Umfangslinie ist in einer entsprechenden Ansicht A auf den Außenumfang15 des Schaufeln tragenden Teiles16 des Turbinenrades5 in2c wiedergegeben. Die einzelnen Kanäle12.12c bis12.n2c zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum6 und dem Außenumfang15 des Schaufeln tragenden Teiles16 sind dabei auf einer Umfangslinie mit konstanten Abständen a oder gemäß2d mit unterschiedlichen Abständen zwischen zwei in Umfangsrichtung einander benachbarten Kanälen12.12d bis12.n2d ausgeführt. Diese Abstände sind dabei mit a1 und a2 bezeichnet. - Die Ausführungen gemäß der
2b bis2d können dabei mit konstanten Querschnitt des Kanals12 bzw. der einzelnen Kanäle12.12b bis12.n2b ,12.12c bis12.n2c und12.12d bis12.n2d in Strömungsrichtung vom torusförmigen Arbeitsraum6 zum Innendurchmesser des Turbinenrades5 betrachtet erfolgen, wie in2a anhand eines Ausschnittes aus dem Turbinenrad5 verdeutlicht. - Bezüglich der konkreten Ausgestaltung des Kanals
12 hinsichtlich seiner Querschnittsform bestehen ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten. Diese sind in den Figuren 4a und 4b beispielhaft wiedergegeben. Dabei verdeutlicht die3a die Ausgestaltung des Kanals12 mit kreisrundem Querschnitt, und die3b mit einem ovalen Querschnitt. Andere Querschnittsformen sind denkbar. - Die
4 verdeutlicht eine Weiterentwicklung einer Ausführung gemäß1b , welche der Reduzierung des Rotationsdruckes, vor allem bei stehender Turbine, dient. Bei dieser Ausführung wird der Kanal12 möglichst weit zum Innenradius di–t des Turbinenrades5 gezogen. Dies wird durch eine entsprechende Verdickung der Wand13 des Turbinenrades5 im radial innenliegenden Bereich erzielt. Der Kanal12 wird dabei möglichst weit in Richtung der Rotationsachse R der Kupplung gezogen. Durch diese Maßnahme ist eine bessere Entleerung von Betriebsmittel aus dem Arbeitskreislauf AK aus dem Arbeitsraum6 möglich und ein geringeres übertragbares Moment über die hydrodynamische Kupplung1 bei stehender Turbine. Im dargestellten Fall erfolgt die Verdickung der Wand13 derart, dass der sich dadurch ergebende Innendurchmesser di–6 des Schaufel tragenden Teils16 dem Innendurchmesser d21 des Kupplungshalses21 bzw. des Pumpenrades4 entspricht. Aufgrund der sich dadurch ergebenden Kanalkontur zwischen der Turbinenradwelle8 und jeweils dem Außenumfang des Schaufel tragenden Teils16 im Bereich des Innendurchmessers d1–16 und dem Innenumfang des Pumpenrades, insbesondere dem durch den Innendurchmesser di–21 charakterisierten Kupplungshals21 können Strömungsabrisse weitestgehend vermieden werden. Es ist jedoch auch denkbar, die Innendurchmesser von Kupplungshals21 und der Verstärkung der Wand13 unterschiedlich auszubilden. Ein Wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht neben der verbesserten Kreislaufentleerung in einer Verringerung des übertragbaren Momentes bei stehender Turbine. - Ferner verdeutlicht
4 das Vorsehen von Mitteln zur Reduzierung einer Kurzschlussströmung im Laufspalt25 im Bereich des inneren Durchmessers des Arbeitsraumes6 . Diese Mittel sind hier mit26 bezeichnet und sind zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad5 angeordnet. Diese Mittel umfassen vorzugsweise eine Drossel oder Dichtung, die als Laufspaltdrossel bzw. -dichtung27 bezeichnet wird, wobei diese Funktion auch von einer Dichtung übernommen werden kann. Diese ist dabei in axialer oder radialer Richtung, bei der in4 dargestellten Ausführung in axialer Richtung, zwischen Pumpen- und Turbinenrad angeordnet. - Weitere verschiedene Möglichkeiten zur Ausgestaltung und konstruktiven Einbindung der Laufspaltdrossel bzw. -dichtung
27 sind beispielhaft in den Figuren 6a und 6b wiedergegeben. Die5a verdeutlicht dabei in schematisch vereinfachter Darstellung anhand einer Ausführung gemäß1b das Vorsehen einer Laufspaltdrossel27 in radialer Richtung. Dazu weist das Pumpenrad in axialer Richtung einen zum Turbinenrad5 gerichteten Vorsprung28 auf, zwischen dem und dem Außenumfang15 des Schaufel tragenden Teils16 des Turbinenrades5 im Bereich des Innendurchmessers di des torusförmigen Arbeitsraumes am Turbinenrad die Laufspaltdrossel bzw. – dichtung27 angeordnet ist. Bei dieser Laufspaltdrossel bzw. -dichtung27 kann es sich dabei um einen Spalt, Kolbenring, einen Radialwellendichtring, eine Gleitringdichtung oder eine Labyrinthdichtung handeln. Ferner ist es auch denkbar, dass diese Funktion von einem Axiallager übernommen wird. Demgegenüber verdeutlicht die5b anhand einer Ausführung gemäß1b das Vorsehen der Laufspaltdrossel zwischen Pumpenrad4 und Turbinenrad5 in axialer Richtung. -
- 1
- Hydrodynamische Kupplung
- 2
- Rotierendes Gehäuse
- 3
- Stehendes Gehäuse
- 4
- Pumpenrad
- 5
- Turbinenrad
- 6
- Arbeitsraum
- 7
- Pumpenradschale
- 8
- Turbinenradwelle
- 9
- Zwischenraum
- 10
- Austritt
- 11
- Öffnung
- 12
- Kanal
- 13
- Wand
- 14
- Schaufelgrund
- 15
- Außenumfang des Schaufel tragenden Teils
- 16
- Schaufelrad tragender Teil
- 17
- Profilverbindung
- 18
- Keilwellenverbindung
- 19
- Außenumfang
- 20
- Innenumfang
- 21
- Kupplungshals
- 22
- Mittel zur elastischen Anbindung
- 23
- Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum
- 24
- Außenumfang
- 25
- Spalt
- 26
- Mittel zur Reduzierung der Kurzschlussströmung
- 27
- Laufspaltdrossel
- 28
- Vorsprung
- 29
- zweiter Betriebsmittelführungskanal bzw. -raum
- di
- Innendurchmesser des torusförmigen Arbeitsraumes
- di–16
- Innendurchmesser des Schaufel tragenden Teils
- di–21
- Innendurchmesser des Kupplungshalses
- R
- Rotationsachse
Claims (29)
- Hydrodynamische Kupplung (
1 ) 1.1 mit einem Pumpenrad (4 ) und einem Turbinenrad (5 ), die miteinander einen mit Betriebsmittel befüllbaren Arbeitsraum (6 ) bilden; 1.2 die hydrodynamische Kupplung (1 ) ist frei von einem Leitrad; 1.3 mit mindestens einem Austritt (10 ) aus dem Arbeitsraum (6 ); gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.4 der Austritt (10 ) oder die Austritte sind am Turbinenrad (5 ) angeordnet. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10 ) an der Druckseite der Beschaufelung des Turbinenrades5 angeordnet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10 ) im Bereich des Innendurchmessers des Arbeitsraumes (6 ) angeordnet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10 ) gegenüber der Trennebene T zwischen Pumpenrad (4 ) und Turbinenrad (5 ) bezogen auf den räumlichen Mittelpunkt M des Arbeitsraumes (6 ) am Innenumfang des Schaufelrad tragenden Teiles (16 ) des Turbinenrades (5 ) in einem Winkel β zwischen 0 und einschließlich 60° gegenüber der Trennebene T angeordnet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Austritten (10 ) vorgesehen sind. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritte (10 ) auf einer theoretisch gedachten Umfangslinie am den Arbeitsraum (6 ) begrenzenden Innenumfang des Schaufel tragenden Teils (16 ), welche parallel zur Trennebene (T) zwischen dem Pumpenrad (4 ) und dem Turbinenrad (5 ) verläuft, angeordnet sind. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritte (10 ) auf mehreren theoretisch gedachten Umfangslinien am den Arbeitsraum (6 ) begrenzenden Innenumfang des Schaufel tragenden Teils (16 ), welche parallel zur Trennebene (T) zwischen dem Pumpenrad (4 ) und dem Turbinenrad (5 ) verläuft, angeordnet sind. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) zwischen zwei einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Austritten (10 ) konstant ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Austritten (10 ) variabel (a1, a2) ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (10 ) in Form eines Kanals (12 ) ausgebildet ist, der sich vom Schaufelgrund (14 ) bis an den Außenumfang (15 ) des Schaufel tragenden Teils (16 ) durch die Schaufel tragende Wand (13 ) erstreckt. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal derart gestaltet und ausgerichtet ist, dass wenigstens eine Richtungskomponente im Betriebszustand des der hydrodynamischen Kupplung in Strömungsrichtung des zwischen dem Pumpenrad (4 ) und dem Turbinenrad (5 ) sich einstellenden Arbeitskreislaufes (AK) sowie im wesentlichen tangential zu der sich im Betriebszustand einstellenden Kreislaufkontur des Arbeitskreislaufes zwischen dem Pumpenrad (4 ) und dem Turbinenrad (5 ) ausgerichtet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12 ) tangential in Richtung zur Kreislaufkontur des sich zwischen Pumpenrad (4 ) und Turbinenrad (5 ) im Betriebszustand einstellenden Arbeitskreislaufes (AK) ausgerichtet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12 ) einen Verlauf frei von Richtungsänderungen aufweist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12 ) wenigstens eine Querschnittsänderung über seine Erstreckung aufweist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12 ) in Richtung des Außenumfanges (15 ) des Turbinenrades (5 ) verengt ausgeführt ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals (12 ) kreisförmig oder ovalausgeführt ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12 ) in Form eines Schlitzes ausgeführt ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (12 ) in Richtung zur theoretischen Rotationsachse (R) des Turbinenrades (5 ) hin verlängert ausgeführt ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung des Kanals (12 ) in einem Teilbereich mit verdickter Wandstärke im Bereich des Innendurchmessers des Schaufelrad tragenden Teiles (16 ) am Turbinenrad (5 ) ausgebildet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Schaufel tragenden Teils (16 ) im Teilbereich mit verdickter Wandstärke gleich oder kleiner dem Innendurchmesser des Kupplungshalses (21 ) ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Vermeidung einer Kurzschlussströmung im Bereich der Mündung des Austrittes (10 ) vorgesehen sind. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Laufspaltdrossel- bzw. -dichtung (27) umfassen. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufspaltdrossel bzw. -dichtung (27 ) zwischen dem Pumpenrad (4 ) und dem Turbinenrad (5 ) angeordnet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufspaltdrossel bzw. -dichtung (27 ) von einem Spalt oder einem Kolbenring oder einem Radialwellendichtring oder einer Gleitringdichtung oder einer Labyrinthdichtung oder einem Axiallager gebildet wird. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 25.1 das Pumpenrad (4 ) ist drehfest mit einer Pumpenradschale (7 ) verbunden; 25.2 die Pumpenradschale (7 ) umschließt das Turbinenrad in axialer und zumindest in radialer Richtung unter Bildung eines Zwischenraumes (9 ); 25.3 das Turbinenrad (5 ) ist drehfest mit einer Turbinenradwelle (8 ) verbunden und in axialer Richtung verschiebbar auf dieser gelagert. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 26.1 das Pumpenrad (4 ) ist drehfest mit einer Pumpenradschale (7 ) verbunden; 26.2 die Pumpenradschale (7 ) umschließt das Turbinenrad in axialer und zumindest in radialer Richtung unter Bildung eines Zwischenraumes (9 ); 26.3 das Turbinenrad (5 ) ist drehfest mit einer Turbinenradwelle (8 ) verbunden und elastisch auf dieser gelagert. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (5 ) in axialer Richtung in Einbaulage räumlich vor dem Pumpenrad (4 ) angeordnet ist. - Hydrodynamische Kupplung (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (4 ) der hydrodynamischen Kupplung (1 ) in axialer Richtung in Einbaulage betrachtet räumlich vor dem Turbinenrad (5 ) angeordnet ist. - Anfahreinheit 29.1 mit einem Eingang und einem Ausgang; 29.2 mit einem Anfahrelement in Form einer hydrodynamischen Kupplung (
1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28; 29.3 mit einer der hydrodynamischen Kupplung zugeordneten Überbrückungskupplung; 29.4 die hydrodynamische Kupplung (1 ) und die Überbrückungskupplung sind parallel angeordnet und sowohl parallel als auch gemeinsam schaltbar.
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