-
llydrodynamischer Drehmomentwandler
-
Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Drehmomentwandler, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, mit wenigstens einem Leitrad, einem Turbinenrad und einem Pumpenrad
und mit durch Hilfsschaufeln in Abhängigkeit von der Anströmrichtung veränderbarer
Beschaufelung, die je nach Strömungsrichtung im 1hinblick auf die Hauptschaufeln
verschiedene Stellungen einnehmen. Der Drehmomentwandler kann als Zentripetalwandler
aus drei Rädern, nämlich aus Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad, oder aus vier Rädern,
nämlich aus Pumpenrad, Turbinenrad und zwei Leiträdern, bestehen.
-
HydrodynamischS Drehmomentwandler dieser Bauart, die in automatischen
oder halbautomatischen Getrieben für Motorstraßenfahrzeuge verwendet werden, haben
im Schubbetrieb, beispielsweise bei einem einen Berg hinunterfahrenden Fahrzeug,
die negative Eigenschaft, daß sie ein viel geringeres Drehmoment iibertragen, als
im Zugbetrieb.
-
Die Reduzierung der bbertragungsfähigkeit des Drehmomentes der Drehmomentwandler
auf die Hälfte oder gar ein Drittel im Schubbetrieb gegenüber dem Zugbetrieb führt
zu großem Schlupf zwischen Antriebsstrang und bremsendem Motor. Dabei fällt die
Motordrehzahl unverhältnismäßig weit ab und es ergibt sich dadurch ein sehr viel
geringeres Motorbremsvermögen bei gleicher Fahrgeschwindigkeit als bei einem Fahrzeug
mit mechanischem Getriebe oder mit einem Drehmomentwandler, der im Schubbetrieb
iiberbrückt wird.
-
Diese Erscheinung wird insbesondere bei niedrigen oder mittleren Fahrgeschwindigkeiten
oder bei Bergab fahrten von Fahrern automatischer Getriebefahrzeuge als unangenehm
empfunden; beim Umsteigen eines Fahrers von einem Fahrzeug mit mechanischem Getriebe
auf automatisches Getriebe kann diese Erscheinung sogar verkehrsgefährdend sein,
solange sich der Fahrer noch nicht daran gewöhnt hat. Auf jeden Fall führt diese
Erscheinung zu verstärktem Einsatz der mechanischen Reibungsbremsen und erhöht
damit
deren Verschleiß. Insbesondere müssen bei Scheibenbremsen die Bremsbeläge, die ohnehin
schon stärker verschleißen als die von Trommelbremsen, noch öfter ausgewechselt
werden, wenn das Fahrzeug mit einem automatischen Getriebe ausgerüstet ist, das
im Schubbetrieb nur ein geringes Drehmoment zu übertragen vermag.
-
Die Verringerung der Übertragungsfähigkeit des hydrodynamischen Drehmomentwandlers
ist darauf zurückzuführen, daß bei schiebendem Fahrzeug das Turbinenrad schneller
als das Pumpenrad dreht und daß sich demzufolge bei Zentripetalwandlern die Strömungsrichtung
der umlaufenden Arbeitflüssigkeit umkehrt und das Turbinenrad zur Pumpe wird.
-
Die praktisch immer vorhandene Rückwärtsanstellung der jetzt als Pumpenschaufel
wirkenden Turbinenschaufel bedingt eine geringere Übertragungsfähigkeit des Drehmoments.
-
Der Schaufelwinkel am Eintritt des Turbinenrades kann aber andererseits
nicht wesentlich anders gewählt werden, ohne die Wandlerkennwerte für den Zugbetrieb,
insbesondere bei der Anfahrwandlung, in unerwünschter Weise zu beeinflussen.
-
Die Möglichkeit zur Beseitigung dieser negativen Eigenschaften hydrodynamischer
Wandler ist theoretisch durch eine Vergrößerung des Wandlerdurchmessers gegeben.
Hierbei müßten jedoch neben einer möglichen Verschlechterung der Kennlinien, da
nämlich der Pumpenaustrittswinkel über das normale Maß hinaus nach rückwärts angestellt
werden müßte, wobei sich Pumpenaustrittswinkel und Turbineneintrittswinkel
nähern,
soviel schwerwiegende Nachteile, wie größere Baumaße, größeres Gewicht, größere
Drehmasse, höherer Preis und größeres Ölvolumen in Kauf genommen werden, daß sich
eine weitere Erörterung der Vergrößerung des Wandlers von selbst verbietet.
-
Eine an sich bekannte Verwendung eines Schubfreilaufs zur Ausschaltung
des Wandlers im Schub ist nicht in jedem Falle zu empfehlen, da Verschlechterungen
der Schaltgüte zu erwarten sind. Außerdem sind zusätzliche Einrichtungen zum Lösen
des Schubfreilaufs während des Schaltvorganges aufwendig und teuer.
-
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Verbesserung der Übertragungsfähigkeit
eines Drehmomentwandlers im Schub unter Vermeidung der genannten Nachteile durchzuführen.
-
Es sind zwar durch die DT-PS 613 838 und dessen Zusatz-Patentschriften
616 o42 und 617 173 sowie die DT-PS 1 o69 977 Flüssigkeitsgetriebe bekannt, die
durch die Aufteilung des Turbinenrades in Haupt und Hilfsschaufeln auf den ersten
Blick gewisse konstruktive Ähnlichkeiten mit der erfindungsgemäßen Ausführung aufzuweisen
scheinen. Die bekannten Getriebe unterscheiden sich aber von der Erfindung wesentlich
durch die zur Lösung anstehende Aufgabe.
-
Den Getrieben nach den genannten Patentschriften liegt nämlich die
gemeinsame Aufgabe zugrunde, die im Wandlerbetrieb auftretenden Stoßverluste zu
verringern, um den
Wirkungsgrad des Wandlers über einen großen Betriebsbereich
hinweg zu verbessern. Da die Stoßverluste einerseits von den gegebenen Eintrittswinkeln
aller im Strömungskreislauf vorhandenen Schaufelräder, andererseits von den wechselnden
Anströmrichtungen an diesen Radeintritten abhängig sind, letztere aber vom Ablauf
der Strömungsvorgänge vorgegeben sind und kaum beeinflußt werden können, ohne andere
Kennwerte mit zu beeinflussen, bleibt nur die Möglichkeit, die Schaufeleintrittswinkel
aller Räder den jeweiligen Anströmverhältnissen bestmöglichst anzupassen.
-
Wegen der Schaufeleintrittswinkel von Pumpen- und Turbinenrad erübrigt
sich eine Umgestaltung der Schaufeleintrittspartien bei den bekannten Getrieben,
weil dort die Änderung der Anströmrichtung über den ganzen Betriebsbereich nur in
einem engen Winkelbereich erfolgt und damit der mögliche Gewinn an verbessertem
Wirkungsgrad unverhältnismäßig gering gegenüber dem notwendigen Aufwand ist. Ungeteilte
gegossene Profil schaufeln im Pumpenrad und Turbinenrad können wegen des gegebenen,
engen Anströmwinkelbereichs am Pumpen- bzw. Turbineneintritt der Forderung nach
Verringerung der Stoßverluste gut angepaßt werden.
-
Die wechselnden Anströmrichtungen am Leitradeintritt jedoch - hier
ist mit Änderungen der Anströmrichtung bis zu maximal 1400 zwischen Anfahrpunkt
und Kupplungspunkt zu rechnen - lassen Maßnahmen im Sinne der bekannten Flüssigkeitsgetriebe
nach den genannten Patentschriften
gerechtfertigt erscheinen, um
die Stoßverluste am Leitradeintritt zu verringern und damit den Wirkungsgrad zu
verbessern.
-
Der Erfindung liegt nun die ganz andere Aufgabe zugrunde, die im Schubbetrieb
geringe Übertragungsfähigkeit der hydraulischen Drehmomentwandler zentripetaler
Bauart zu erhöhen und damit die Bremsfähigkeit der Fahrzeuge mit voll-oder halbautomatischen
Getrieben zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß das Turbinenrad
wenigstens auf der Einlaufseite mit Hilfsschaufeln versehen ist, die so angeordnet
und ausgebildet sind, daß sie sich der Strömungsrichtung des Strömungsmittels zufolge
einstellen und im Zugbetrieb nicht stören, d. h. keine Verschlechterung der Kennlinie
hervorrufen, oder ihm förderlich sind, im Schubbetrieb jedoch eine möglichst große
Bremswirkung erzeugen. ljierzu können, insbesondere wenn es sich bei dem Turbinenrad
um eine Blechkonstruktion handelt, die Hilfsschaufeln als Schaufelgitter ausgebildet
sein, deren Schaufeln sich in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung jeweils an
einen Anschlag anlegen, der ihr Weiterverschwenken in der entsprechenden Drehrichtung
verhindert. Eine solche Konstruktion wi-rd dann vorgesehen, wenn sich die Schaufelgitter
der Hilfsschaufeln in einem gewissen Abstand von den Haupt schaufeln befinden. Befinden
sich jedoch Teile der Hilfaschaufeln noch im Bereich der Hauptschaufeln,
dann
können die Anschläge entfallen und werden von einer der jeweils benachbarten Hauptschaufeln
gebildet. In dem Falle, in dem die Ilauptschaufeln die Anschläge für die Jlilfsschaufeln
bilden, werden letztere zweckmäßigerweise auch länger ausgebildet als im anderen
Falle.
-
Weiterhin können die Hilfsschaufeln - dies gilt insbesondere für ein
gegossenes Turbinenrad - in orm von Schaufel stummeln ausgebildet sein, die auf
der Einlauf-und/oder der Auslaufseite auf einem dort frei drehbar angeordneten flilfsturbinenrad
sitzen.
-
Eine sehr vorteilhafte Konstruktion ist bei gegossenen Turbinenrädern
dadurch möglich, daß das Elilfsturbinenrad eine zwischen den Innenkanten der Einlaufseite
und der Auslaufseite angeordnete Nabe hat, auf der die Schaufel stummeln sowohl
der Einlauf- als auch der Auslaufseite angebracht sind. Durch eine solche Konstruktion
einer gemeinsam von beiden Hilfsschaufeln benutzten Nabe kann eine Nabe eingespart
werden, da ja für jedes Hilfsturbinenrad eine Nabe vorhanden sein muß.
-
Für einen guten Wirkungsgrad der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn
das Profil der llilfsturbinenschaufeln so ausgebildet ist, daß die "Trennfläche"
zwischen llilfsturbinenschaufelstummeln und Elauptturbinenschaufel einen Winkel
p von 80 bis 120 Grad zur Umfangsrichtung bildet.
-
Wie schon erwähnt, kehrt sich im Schubbetrieb, wenn das Fahrzeug vom
Motor abgebremst wird, die Umlaufströmung im Zentripetalwandler um, so daß das Turbinenrad
zur Pumpe wird. Bei dem erfindungsgemäßen Wandler wird nun der die Übertragungsfähigkeit
des Wandlers bestimmende Schaufelaustrittewinkel der "Pumpe", die im Nörmalbetrieb
Turbine ist, (im Normalbetrieb entspricht also dem Schaufelaustrittswinkel der "Pumpe
der Eintritts-0 winkel der Turbinenschaufel) größer als 90°. Die "Pumpenschaufel"
ist also rückwärts angestellt und damit verantwortlich für die stark reduzierte
Dbertragungsfähigkeit des Wandlers im Schub.
-
Die erfindungsgemäße Aufteilung des Turbinenrades ermöglicht nun,
mit verhältnismäßig geringem Aufwand die gewünschte Verbesserung der Übertragungsfähigkeit
im Schubbetrieb, ohne einen nachteiligen Einfluß auf die Kennlinien im Normalbetriebsbereich
des Wandlers zu bewirken.
-
Ein mit der erfindungsgemäßen Art von Vorschaufeln an der Turbineneintrittskante
ausgestatteter Drohmomentwandler bringt keine Verbesserung des Wirkungsgrades im
Sinne der bekannten Ausführungen nach den genannten Patentschriften mit sich, da
die sich im schon erwähnten engen kinkelbereich bewegenden Anströmungen am Turbinenradeintritt
die im Sinne der Erfindung ausgebildeten Vor schaufeln nicht aus der dem Normalprofil
entsprechenden Lage herausdrehen wOrden.
-
Werden nun gemäß der Erfindung Ililfsschaufeln nicht nur an der Eintrittsseitessondern
auch an der Austrittsseite der Turbine vorgesehen, dann kann die Drehmomentübertragung
im Schub gegenüber der einseitigen Anbringung von llilfsturbinenschaufeln noch erhöht
werden.
-
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten des
Gegenstandes der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt
durch ein gegossenes Turbinenrad mit einer auf einer Nabe sitzenden Elilfsschaufel,
Fig. 2 und 3 Schnitte durch gegossene Schaufeln der Turbine im Zug- und im Schubbetrieb,
Fig.
4 und 5 in schematischer Darstellung die Profile von Schaufeln des Leitrades, des
Turbinenrades mit Hilfsturbinenrad und des Pumpenrades im Zugbetrieb und im Schubbetrieb,
Fig. 6 und 7 aus Blech gefertigte Turbinenschaufeln im Zugbetrieb und im Schubbetrieb,
wobei die Hilfsschaufeln an den Hauptschaufeln selbst anliegen und diese somit als
Anschlag verwenden, Fig. 8 und9 aus Blech hergestellte llauptturbinenschaufeln mit
in größerem Abstand von ihnen angeordneten Hilfsturbinenschaufeln, die für jede
Drehrichtung besondere Anschläge benötigen, im Zug- und im Schubbetrieb, Fig. lo
einen Schnitt durch ein gegossene Turbinenrad mit einer einzigen Nabe für Hilfsschaufeln
auf der Einlauf- und auf der Auslaufseite, Fig. 11 und 12 Schnitte durch Turbinenschaufeln
an der Eintrittsseite im Zugbetrieb und im Schubbetrieb, Fig, 13 und 14 Schnitte
durch Turbinenschaufeln an der Auslaufseite im Zugbetrieb und im Schubbetrieb.
-
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein gegossenes Turbinenrad 1 eines
zentripetal durchströmten hydrodynamischen Drehmomentwandlers dargestellt. An der
Innenschale des Turbinenrades 1 ist eine Nabe 3 drehbar gelagert, die im Bereich
der Eintrittskante 2 des Turbinenrades Iiilfsschaufeln 4 trägt. Die Hilfsschaufeln
liegen bei Zugbetrieb an der in Fig. 2 dargestellten Weise an der oberen Kante der
Hauptschaufel 1 an. In Fig. 2 zeigen die Pfeile S die Strömungsrichtung und der
Pfeil D die Drehrichtung des Turbinenrades beim Zugbetrieb des Wandlers an. Im Schubbetrieb
wird die Strömungsrichtung S umgekehrt, wie in Fig. 3 angegeben ist. Dadurch werden
die Hilfsschaufeln 4 an die in der Zeichnung untenliegende Kante der Hauptschaufel
1 angelegt. Die Drehrichtung D des Turbinenrades ist beim Zugbetrieb und beim Schubbetrieb
die gleiche. Wie aus Fig. 3 weiterhin erkennbar ist, schließen die Trennflächen
des Hilfsturbinenschaufelstummels mit der Umfangs- oder Drehrichtung des Wandlers
einen Winkel von ca. 9o0 ein, der mit p bezeichnet ist. Bei richtiger Wahl der Trennfuge
zwischen der Hilfs- und llauptschaufel und des Winkels entsteht beim Übergang von
Zug- auf Schubbetrieb eine resultierende Umfangskraft auf die Hilfsschaufel 4, die
so gerichtet ist, daß sich das Hilfsrad verdreht und die Hilfsschaufel an der Druckseite
der Haupt schaufel zur Anlage kommt. Die "Trennfläche" zwischen Hilfs- und Hauptschaufel,
die unter dem dinkel P zur Drehrichtung verläuft, legt jetzt die Richtung der Druckseite
der Schaufel am Austritt fest und bewirkt, daß die Strömung das Rad unter einem
steileren Winkel verläßt. Dadurch wird die Drehmomentaufnahme
der
jetzt als Pumpe arbeitenden Turbine erhöht, wobei durch die Variation des Winkels
die Momentaufnahme in gewissen Grenzen verändert werden kann. Beim Übergang zum
Zugbetrieb wechseln die Schaufelkräfte ihre Richtung und die IIilfsschaufeln werden
wieder in ihre Normallage beim Zugbetrieb zuriickgedreht, wie in Fig. 2 dargestellt
ist. Die Verdrehung der Itilfsschaufeln erfolgt selbsttätig durch die Strömungskräfte.
-
In den Fig. 4 und 5 sind zur leichteren Erkennbarkeit des Gesamtaufbaues
der Schaufeln diese schematisch dargestellt. Fig. 4 zeigt die Schaufeln des Leitrades
L, des Turbinenrades T mit der I1ilfsbeschaufelung II und des Pumpenrades P im Zugbetrieb.
Außerdem sind die Strömungsrichtung S und die Drehrichtungen D von Turbinenrad und
Pumpenrad angegeben. Fig. 5 dagegen zeigt die Beschaufelung beim Schubbetrieb. Im
Gegensatz zu Fig. 4 liegt nunmehr das Hilfsturbinenrad H auf der anderen Seite der
Turbinenschaufel an. Außerdem ist erkennbar, daß nunmehr das Turbinenrad als Pumpenrad
und das Pumpenrad nunmehr als Turbinenrad wirken, wobei die Drehrichtungen bei umgekehrter
Strömungsrichtung die gleichen geblieben sind. Die Abströmung der im Schubbetrieb
als Pumpe arbeitenden Turbine wird steiler, als ohne die verstellbare Hilfsschaufel,
sodaß die Drehmomentaufnahme im Schubbetrieb entsprechend größer wird. Durch Umkehr
der Strömungsrichtung vom Schubbetrieb zum Zugbetrieb werden die Hilfsschaufeln
wie gewiinscht selbsttätig an die andere Seite des Turbinenrades angelegt.
-
In den Fig. 6 und 7 ist eine andere Ausführung im Zug-und Schubbetrieb
dargestellt, bei der ein Blechturbinenrad verwendet worden ist. Die Beschaufelung
des Turbinenrades wird durch ein Haupt schau felgitter 5 und durch ein Hilfsschaufelgitter
6 gebildet. Die Hilfsschaufeln sind jeweils um Zapfen 7 verschwenkbar. Die Hilfsschaufeln
6 werden je nach der Strömungsrichtung S an die eine oder die andere Seite der Haupt
schaufeln 5 angelegt. Da sich die Hilfsschaufeln an den Hauptschaufeln anlegen,
brauchen sie keine besonderen Anschläge.
-
Anders ist es dagegen bei einer Ausführung nach den Fig. 8 und 9.
Auch dort sind Hauptschaufeln 8 und Hilfsschaufeln 9 im Zugbetrieb und im Schubbetrieb
dargestellt. Im Zugbetrieb stellen sich die Schaufeln in Strömungsrichtung oder
liegen am Anschlag loa an, wie in Fig. 8 dargestellt ist, und haben keine verschlechternde
Wirkung auf die Wandlerkennlinie. Im Schubbetrieb kehrt sich gemäß Fig. 9 die Strömungsrichtung
S um, und die jetzt auf die Hilfsschaufeln 9 wirkenden Strömungskräfte verdrehen
diese in die in Fig. 9 dargestellte Richtung. Die Schwenkbewegung der Hilfsschaufeln
9 wird in diesem Falle durch einen Anschlag lob begrenzt, der ein Weiterverschwenken
der Hilfaschaufeln 9 verhindert. Die in der in Fig. 9 dargestellten Lage stehenden
Hilfaschaufeln bewirken ein steileres Abströmen der Strömung und damit ein größeres
aufgenommenes Moment der zur Pumpe gewordenen Turbine.
-
In Fig. 10 ist wiederum eine TurbXnenbeschaufelung im Schnitt dargestellt.
Das llauptturbinenrad 11 ist gegossen und trägt an der Innenschale zwischen den
Innenseiten der Einlaufseite 12 und der Auslaufseite 13 eine Nabe 14. Diese Nabe
trägt auf der Einlaufseite Hilfsschaufeln 15 und auf der Auslaufseite nochmals Hilfsschaufeln
16. Diese llilfsschaufeln können sich unter dem Einfluß der Strömung S gemeinsam
mit der Nabe 14 verdrehen und legen sich im Schubbetrieb an anderen Seiten der Hauptschaufeln
an als im Zugbetrieb.
-
In den Fig. 11 und 12 sind die Einlaufseiten im Bereich der Schaufeln
des Hauptturbinenrades 11 mit den Hilfsturbinenschaufeln 15 dargestellt. In Fig.
12, den Schubbetrieb darstellend, ist die Strömungsrichtung S gegenüber Fig. 11
umgekehrt. Durch die Umkehr der Strömungsrichtung S werden die liilfsschaufeln 15
an die jeweils andere Seite der llauptschaufeln angelegt.
-
In den Fig. 13 und 14 sind die Auslaufseiten im Bereich der Schaufeln
des Turbinenrades 11 mit den lfilfsschaufeln 16 dargestellt. Auch hier werden die
Schaufelstummeln 16 durch die Umkehr der Strömungsrichtung S jeweils von der einen
Seite der Turbinenschaufeln an die andere Seite derselben zur Anlage gebracht.
-
Die gleichzeitige Verwendung von Hilfsschaufeln auf der Einlauf- und
der Auslaufseite des Turbinenrades bewirkt eine stärkere Anhebung der bbertragungsfähigkeit
des Wandlers im Schubbetrieb als die Verwendung von Hilfsschaufeln nur auf der Einlaufseite
des Turbinenrades.