DE2037105C3

DE2037105C3 - Hydrodynamischer Drehmomentwandler

Info

Publication number: DE2037105C3
Application number: DE19702037105
Authority: DE
Inventors: Franz 7920 Heidenheim Hertrich
Original assignee: Voith Getriebe KG
Current assignee: Voith Getriebe KG
Priority date: 1970-07-27
Filing date: 1970-07-27
Publication date: 1974-04-18
Also published as: SE369289B; FR2103707A5; DE2037105A1; AT304211B; JPS5514305B1; DE2037105B2; GB1326154A

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Drehmomentwandler, Insbesondere für Schienentriebfahrzeuge, mit einem zentrifugal durchströmten Pumpenrad, einem zentrifugal durchströmten, mit eindimensional gekrümmten Schaufeln ausgestatteten, dem Pumpenradaustritt unmittelbar nachgeordneten Turbinenrad und mit einem zentripetal durchströmten, ebenfalls mit eindimensional gekrümmten Schaufeln ausgerüsteten Leitrad, wobei das Wirkungsgradoptimum des Drehmomentwandler bei einem Verhältnis zwischen Turbinen- und Pumpenrad-Dreh- ZaMnTZn₁, von etwa 0,7.5 bis 1,0 liegt (Marsehvvandler).

Ein derartiger Marschwandler kann /.. B. Bestandteil eines für Diesellokomotiven verwendeten hydrodynamischen Getriebes mit mindestens zwei Drehrnomentwandlern sein, wobei die Drehmomentübertragung im unteren Geschwindigkeitsberdch durch einen sogenannten Anfahrwandler und im oberen Geschwindigkeitsbereich durch den genannten Marschwandler erfolgt.

Anfahr- und Marschwandlcr unterscheiden sich grundsätzlich durch die Art der Ausbildung ihrer Schaufelräder und somit durch ihr Betriebsverhaltcn. Die wesentlichen Unterschiede bestehen darin, daß beim Anfahrwandler eine stärkere Wandlung des Drehmomentes als beim Marschwandler stattfindet und das Wirkungsgradoptimum bei einem gegenüber dem Marschwandler wesentlich kleineren Drehzahlverhältnis ItTIn₁, liegt, nämlich /wischen 0,3 und 0,6. Die vorliegende Erfindung befaßt sich ausschließlich mit solchen Drehmomentwandler!!, welche als Marschwandler einsetzbar sind.

Bei den bekannten Marschwandlern (»Voith Forschung und Konstruktion«, Heft 6, 1959, S. 2.1 bis

ίο 2.7) ist der Turbinenrad-Austrittsdurchmesser um 18¹Vn größer als der Pumpenrad-Austrittsdurchmesser; außerdem beträgt der Austrittswinkel der Pumpenradschaufeln 90°, wobei dieser Austritts-■jvinkel definiert ist als der Winkel zwischen der vom Austrittsende einer Schaufel geradlinig nach außen geführten Verlängerung der Schaufelskelettlinie und der negativen Richtung der Umfangsgeschwindigkeit des genannten Austrittsendes. Solche Marschwandler haben sich bewährt und sind wegen der obenge-

ao nannten Anordnung und Ausbildung der Schaufelräder mit vertretbarem Aufwand genau zu fertigen und bieten insoweit gute Voraussetzungen für ei..e Garantie bestimmter Kennwerte. Den bekannten Marschwandlern haftet jedoch der Nachteil an, daß

ihre Leistungsaufnahme nicht — wie dies bei Wandlern für Diesellokomotiven gewünscht wird — unabhängig von der Abti«ebsdrehzahl oder Fahrgeschwindigkeit ist, sondern daß iihre Leistungsaufnahme mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit stark zunimmt.

Dies führt bei hohen Falirgeschwindigkeitcn zu einer unerwünschten Motordrilckung unter die eingestellte Drehzahl, so daß der Dieselmotor zu rußen beginnt und sich bei länger andauerndem gedrücktem Betritb am Dieselmotor Folgeschäden einstellen können.

Man hat durch Änderung der Schaufelradanordnung innerhalb des loroidalen Arbeitsraumes des Drehmomentwandlers versucht, eine bessere Konstanz der Leistungsaufnahme bei unterschiedlichen

Abtriebsdrehzahlen, insbesondere im oberen Abttiensdrehzahlbcrcich, zu erzirlen (z. B. USA.-Patentschrift 2 634 584 und 2 657 592 oder schweizerische Patentschrift 469 212). Die Anordnung der beiden Laufräder (Pumpe und Turbine) eines Wand-

lers auf verschiedenen axialen Seiten des toroidalen Arbeitsraumes bedingt aber eine Konstruktion mit einer umlaufenden -Schale des Wandlers. Dies schafft konstruktiv sehr ungünstige Gegebenheiten für die Lagerung der Laufräder.

So Aufgabe der Erfindung ist es, unter Ausnutzung der günstigen konstruktiven Gegebenheiten des Marschwandlers der eingangs genannten Art diesen so zu verbessern, daß die überhöhte Leistungsaufnahme im oberen Abtriebsdrehzahlbereich beseitigt oder wenigstens doch wesentlich gemildert wird, ohne durch diese Maßnahmen seinen Wirkungsgrad negativ zu beeinflussen, ja diesen möglichst noch zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem eingangs beschriebenen Drehmomentwandler die beiden nachfolgend genannten Merkmale angewandt werden:

a) Der Turb^:nenrad-Aiistrittsdurchmesser (/)'/') ist um 6 bis I5%> größer a!s der Pumpcnrad-Aus-

trittsdurclimesser (/)/.);

b) der AuMriltswinkel der Pumpenradschaufeln beträgt ⁽'O bis 130°.

³ 4

eJes'wÄd^cM radaustriusdurchmessers ausgeführt sind; d.h., es

Ai'viisraum umuewalztn M,J _ uiniuliilcii werden relativ scharfe Einlr Uskanten vorgesehen.

irrwKii,»?r '»nhes.unm, wird Dj₁. |;._Γ|·_|ηϋι.πμ ist au Hand eines in den Figuren

grades davon abgefealttn" d"VeSe!;,^,^^ ^„,.3?'^" '^dynamischen Dreh-

l;in^! ;;;Ss^vt zu^ös'mft;¹¹ ρ¹¹;"¹:¹¹¹""^{1 d}-^Tiir- '-^ S ^«n ^_η^,_η sc„mu _dar^

Ic' der denn Se!,, Λ r' ^Indl'ⁿ^^lfS^ahe ™ - die Pumpen- und Turbinenradbeschaufelung hzw.

c h . eu,m eines ,,r ΐΐ" Υ^ι:ΐ*«^ΓΖιι"Β ^d^^r ^ Leitradbeschaufelung und

; t Ϊ k^gm, dV π , Τ", ^du,^rdlStri)nilL'^{n Tur}- ^F * B- ⁴ die Kennlinien des Wandlers.

¹Si AÄromun S_n? ηΐ Ii 'A" /ΐί '" ^ *, ' ^Α ab Marschwandler aus-

Vhi.iiVlvihl in -ιΐΐ,.η «.tu ■· , erhöhter gebildete Drehmomentwand er weist ein mit einer

"Ϊ ilelictÜ ^B'^trle.^hs;;-^ust:1"^di-^>11 einwandfrei ._s hohlen Primärwelle I verbundenes Pumper rad 2 mit

^gC ■:L^h.^r'^L'^So^L' ^f"- .,^Dur?^{h dle} "^b>'^{n ll1}"" H an- eindimensional gekrümmten Schaufeln 3 auf. deren

h iViP ..ncl rHrrh ι · ^In ^"^"der Weise ₂₀ Pumpenrad 2 herum a.igeorun,:
π η M ιΓΪγπΓ,Η ι'¹"" ,^ΠίΚ' ^VVCltCrC ^V"^b^- sional gekrümmte Schaufeln 7 ^weisende Schaufel-HlI r :ΐ . ^gli^ng u ^I ₁-^Cl _I ^slunB^saufnah'"'-· des kranz 4 des Turbinenrades 5, das mit der zentral an-}^λ·''7^ ^ hoten Antr^hsdrehzahlhereieh erzieh. geordneten Sekundärwelle 6 verbunden ist. Nach -i„ υ «n ^Fa<|^hinann erstaunlich, daß dem zentrifugal durchströmten Turbinenschaufelg,;auL cmc Vergrößerung des Austrittswinkels der _a5 kra.iz 4 ist ein schaufdloser, durch Wände des still-I .-mpcnradsthaufeln emc Erniedrigung der Steigung stehenden Wandlergehäuscs 8 und den Kernring 12 ckr I eis.ungsaufnahme-Kennhme des Wandlers im begrenzter Raum 9 angeordnet, der die aus dem hohen Abtriebsdrehzahibereich erbringt, da man von Turbinenrad austretende Strömung von der zentriemem solchen Pumpenrad gerade das Gegenteil er- fugalen in eine achspa.rallele Richtung und sodann in warten soMte. Reihenversuche mit unterschiedlicher ₃° die zentripetale Richtung umlenkt. Nach der zweit.-n Pumpenradbcschaufelung ergaben nämlich, daß die 90°-Umlenki.ng tritt die Strömung in das zentripeta' ^e.iuing der Leistungsaufnahme-Kennlinie des _zu durchströmende stillstehende Leitrad 10 ein, dcs-Wondlcrsim oberen Abtriebsdrehzahibereich mit zu- sen Schaufeln 11 ebenfalls nur eindimensional genehmendem Austnttswinkel der Pumpenradschaufeln krümmt sind. Gegen Ende der Leitradschaufcln wird sie.ler wird. Daß bei weiterer Steigerung des Winkels 35 die Strömung — geführt durch die Wände des ein Ahtlaclien der Kennlinie der Leistungsaufnahme Wandlergcliäuses 8 und des Kernringes 12 sowie des cmtrit , konnte nicht vorgesehen werden. Auch Pumpenrades 2 — von der zentripetalen wieder in Tn ι ι⁰ _l.^Vermu.^tu ₁ ⁿ8 ^dcs Fachmannes dagegen. die zentrifugale Richtung umgelenkt. Die Strömung tiau mire/' die an sich schon ungewöhnliche, in die- wird also in der Mericlianebene toroidal im Kreislauf scm hall aocr zunächst ganz abwegig erscheinende ₄o se führt. Der mittlere Stromfaden 13 ist slrichpupi-Oestallung der Pumpenradschaufeln auch eine Wir- tiert eingezeichnet.

kungsgradsteigerung, insbesondere im Bereich hoher Die in einem solchen Marschwandler besonders bei

Verhältnisse zwischen Turbinen- und Pumpenrad- hohen Abtriebsdrehzahlen auftretende und vor allem

Urcnzalil crziclbar ist. _vom Turbinenrad 5 verursachte unerwünscht hohe

hs sind zwar schon Drehmomentwandler bekannt ₄₅ Massenumlaufgeschwindigkeit wird ctfmdungngcmäß

(z. H. USA.-Falcntschrift 3 212 265), bei denen der durch die radiale Verkürzung des Yurbinc.ischaufel-

lurbinenrad-Austnttsdurchmesser nur etwa 12" π kranzes auf ein erträgliches Maß zurückgeführt. Das

großer als der Pumpenrad-Austrittsdurchmesser ist. Verhältnis der Außendurchmesser des Turbinen- und

Bei diesen bekannlcM Wandlern liegt jedoch das des Pumpenrades ist mit etwa 1,1 sehr klein. Durch

.Virkungsgradoptimum stets bei einem Dreh/ahlver- 50 das Hinzutreten der Maßnahme, daß der Austritts-

haltnis η I In₁₁ von etwa 0,6 oder sogar darunter: ti. h.. winkel 14 (F i g. 2) der Pumpenradschaufeln 3 größer

es handelt sich hier nicht um Marschwandler, son- al.i ^;J0° gemacht ist, wird die eben beschriebene

eiern um typische Anfahrwaiidler, bei denen die Wirkung überraschenderweise noch unterstützt. Wie

Leistungsaufnahme mit zunehmender Abtriebsdreh- aus Fig. I sowie aus den F i g. 2 und 3 erkennbar,

zahl nur wenig oder gar nicht ansteigt und bei denen 55 ist der Turbincnradaustritt und der Leitradeintritt

also das der Erfindung zugrunde liegende Problem auf einen gleichen Durchmesser gelegt. Fig. 3 zeigt,

überhaupt nicht auftritt. daß d_er F.infittswinkcl 15 der Leitschaufel» 11

Besonders günstige Resultate erzielt man, wenn größer als Wⁿ gemacht ist. Wie Fig. 2 erkennen derTurbmoiirad-Aiistrittsdurchrnesser um etwa 1 ()·>/« läßt, ist die F.intrittskantc 16 der Pumpenradschaugrößer als der Pumpenrad-Austrittsdurchmesser ist 60 fein 3 scharfkantig ausgeführt. Der Abrundungsund wenn der Austrittswinkcl der Pumpenradschaii- radius ist kleiner als 6/1000 des Pumpenrad-Ausfeln 105 bis 110° beträgt. trittsdurchmessers D₁, gewählt.

Außerdem wird noch zur weiteren Verbesserung Das Ergebnis der erfiiiduiigsgemäßen Maßnahmen

des Wirkungsgrades vorgeschlagen, daß — wie zwar ist in Fig. 4 in üiagrammform dargestellt. Darin ist

an sich bekannt, wie jedoch keineswegs im speziellen 65 das Verhältnis zwischen der Turbinen- und der

Fall in der Wirkung forhersebbar — die Eintritts- Pumpenrad-Drelizahl mit nT/n„, der Wirkungsgrad

kanten der Pumpenradschaufeln mit einem Ab- des Drehmomentwandler mit η und die sogenannte

rundungs-Radius von weniger als 0,fi ¹V_n des Pumpen- spezifische Leistungsaufnahme des Wandlers mit K

bezeichnet. Der Wirkungsgrad»/ (Kurve 17) liegt im Bereich des Drchzahlverhiiltnisses HlIn₁, von 0.57 bis hinauf zu 1,28 über 80°/n; dieser Drehzahlberciih soll möglichst breit sein und sich ins Gebiet hoher Abtriebsdrehzahlen erstrecken; dies ist der Betriebsbercich des Marschwandlcrs. Die spezifische Leistungsaufnahme K ist ebenfalls über dem Abtriehsdrehzahlvcrhältnis nT/n_n aufgetragen, und zwai isl sowohl der Verlauf bei dem bisherigen Wandler (gestrichelte Kurve 18) als auch bei dem erfindungsgemäßen Wandler (voll ausgezogene Kurve 19) dargestellt. Innerhalb eines etwa 6Vo umfassenden ToIeranzslrcifcns (zwischen 97 und 1 (Ι3°/Ό) verläuft die neue /C-Linie so gut wie horizontal. Iirst kurz vor I-jkIc des Wanillerbctricbsbcrciclics tritt die K-Linie oben aus dem Toleranzslrcifen heraus und liegt dann am Hnde des Betricnsbcrcichcs (rt77/i„ 1,28) um nur etwa 5"/« über dem bei lOO'/o Hegenden Mittelwert des K-Wcrtes. Diese Abweichung stellt zwar mich nicht das Ideal dar, jedoch ist die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik (Knirvc 18) ganz beträchtlich. Früher waren K-Werte um Ende des

ίο Betriebsbereiches üblich, die den /f-Wcrt an der P.insattclung der K-Linie um 17 bis. 20% übcrsiiegcn. Cieraclc diese Vcrlicsscrung is! der Haupterfolg der erfindungsgcmäücn Maßnahme.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydrodynamischer Drehmomentwandler, insbesondere für Schienentriebfahrzeuge, mit einem zentrifugal durchströmten Pumpenrad, einem zentrifugal durchströmten, mit eindimensional gekrümmten Schaufeln ausgestatteten, dem Pumpenradaustritt unmittelbar nachgeordneten Turbinenrad und mit einem zentripetal durchströmten, ebenfalls mit eindimensional gekrümmten Schaufeln ausgerüsteten Leitrad, wobei das Wirkungsgradoptimum des Drehmomentwandlers bei einem Verhältnis zwischen Turbinen- und Pumpenrad-Drehzahl ItTIn₁, von etwa 0,75 bis 1,0 liegt (Marschwandler), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Turbinenrad-Auslrittsdurehmesser (DT) ist um 6 bis 15% größer als der Pumpenrad-AiistrittMfurchmesser (/),,);

b) der Austritlswinkel (14) der Pumpenradschaufeln (3) beträgt 90 bis 130°.

2. Drehmomentwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrad-Austrittsdurchmesser (DT) um etwa 10"« größer als der Pumpenrad-Austrittsdurclimesser (D₁.) ist.

3. Drehmomentwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittswinkel (H) der Pumpenradschaufeln (3) 105 bis 110° beträgt.

4. Drehmomentwandler narh einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß — wie an sich bekannt — die Ei.itritt&kanten (16) der Pumpenradschaufeln (3) mit einem Abrundungsradius von weniger als 0,6⁰Zo des PumpenradaustrittsdurchmeysersiD,.) ausgeführt sind.