DE3721402C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Wendegetriebe, insbesondere ein Schiffswendegetriebe, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein Getriebe dieser Gattung ist aus der DE-AS 12 45 790 bekannt.

Das bekannte Getriebe weist zwei koaxial zur Antriebswelle angeordnete Strömungskupplungen auf, die über ein Planetengetriebe mit der Antriebswelle verbunden sind. Zwischen den beiden Strömungskupplungen ist ein gemeinsames Ritzel angeordnet, von dem aus die Propellerwelle angetrieben wird. Jeder Fahrtrichtung ist eine der beiden Strömungskupplungen zugeordnet, welche wechselweise durch Füllen und Entleeren ein- bzw. ausgeschaltet werden. Damit allein aber tritt noch keine Drehrichtungsumkehr ein. Es müssen außerdem mechanische Haltebremsen betätigt werden, die einerseits auf den Planetenträger, andererseits auf das Hohlrad des Planetengetriebes wirken. Erst dadurch ist der Kraftfluß in der neuen Drehrichtung hergestellt, also durch ein energieverzehrendes und verschleißbehaftetes Manöver. Die Haltebremsen dienen auch als Verzögerungsbremsen für die Propellerwelle, wobei das Planetengetriebe schaltbar ausgeführt ist. Jeweils eines der Primärschaufelräder der Strömungskupplungen ist immer stillgesetzt, was zu hohen Ventilationsverlusten in der jeweils nicht aktiven Strömungskupplung führt. Einrichtungen zur Verminderung der Ventilationsverluste in dieser jeweils als Strömungsbremse wirkenden und derzeit nicht benützten Strömungskupplung sind nicht vorgesehen. Es ist daher mit einem unwirtschaftlichen Betriebsverhalten zu rechnen. Es ist ferner nicht möglich, bei voller Antriebsleistung ohne Leistungsunterbrechung das Schiff in seiner Fahrtrichtung umzusteuern.

Aus der DE-AS 29 13 255 und der DE-OS 30 18 642 ist ein Getriebe bekannt, welches in einer ersten Ausführungsform für jede Fahrtrichtung eine Strömungskupplung aufweist, in einer weiteren Ausführungsform hingegen eine Strömungskupplung für die Rückwärtsfahrt und eine schlupffreie mechanische Schaltkupplung für die Vorausfahrt. Während mittels der ersten Ausführungsform ein Umsteuern allein durch Füllen und Entleeren der Strömungskupplungen einer einzigen Maschinenanlage möglich ist, kann bei der weiteren Ausführungsform die Fahrtrichtung mittels Strömungskupplungen nur dann gewechselt werden, wenn gleichzeitig ein weiterer zur Gesamtmaschinenanlage gehörender Antriebsmotor in seiner Drehrichtung umgesteuert wird. Zur Durchführung schneller Wendemanöver, z. B. in Eisgewässern, müssen daher stets mindestens zwei Maschinenanlagen gleichzeitig in Betrieb sein, um die bekannten Vorteile der Strömungskupplungen für Anfahrgänge ausnutzen zu können. Die mechanischen Schaltkupplungen eignen sich nämlich nicht für derartige Manöver bei hoher Leistung. Aufgrund des vorliegenden Aufbaues der Maschinenanlagen läuft ein Anfahrvorgang für Marschfahrt in freiem Gewässer wie folgt ab: Zunächst übernimmt die eine Maschinenanlage mittels der Strömungskupplung den Anfahrvorgang so lange, bis die andere Maschinenanlage mit entgegengesetzt laufendem Motor mittels der mechanischen Schaltkupplung die Propellerwelle antreibt. Der Motor der ersten Maschinenanlage wird nunmehr umgesteuert und kann alsdann ebenfalls über die mechanische Schaltkupplung der betreffenden Maschinenanlage dem Propeller Leistung zuführen. Zu berücksichtigen ist dabei, daß der Propeller auf den Antrieb durch zwei Maschinenanlagen ausgelegt ist, und daß eine Maschinenanlage allein aufgrund der Propellercharakteristik nicht in der Lage ist, ihre volle Leistung und Drehzahl zu entfalten.

Demgegenüber ist beim Gegenstand der DE-OS 30 18 642 bei jeder Maschinenanlage der schlupffreien mechanischen Schaltkupplung eine Strömungskupplung parallelgeschaltet. Es besteht somit die Möglichkeit, bei Marschfahrt die Strömungskupplung zu überbrücken und trotzdem mit nur einer Maschinenanlage ein Wendemanöver mittels der beiden Strömungskupplungen durchzuführen. Den bekannten Getrieben ist gemeinsam, daß Dieselmotoren niedriger Drehzahl verwendet werden sollen, die in ihrer Drehrichtung umsteuerbar sind. Bei den Strömungskupplungen wird von Schnellentleereinrichtungen gesprochen, was darauf hindeutet, daß es sich um großvolumige Kupplungen handelt, die aufgrund der niedrigen Drehzahl eine solche Einrichtung verlangen. Die Schaufelräder der jeweils nicht eingeschalteten Strömungskupplungen rotieren gegensinnig, und es entstehen durch Luftventilation und Wandreibung innerhalb der Kupplung erhebliche Leistungsverluste und Erwärmung, insbesondere in der der Rückwärtsfahrt zugeordneten Strömungskupplung bei Vorwärtsfahrt. Zu berücksichtigen ist dabei die unter Umständen sehr hohe Übertragungsleistung und der somit beträchtliche Leistungsverlust.

Ein solchermaßen ausgerüstetes Schiff ist ferner nicht in der Lage, besonders langsam zu fahren (mit sogenannter Schleichfahrt), nämlich mit einer Propellerdrehzahl, die einer Motordrehzahl unterhalb dessen Leerlaufdrehzahl entspricht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Getriebe hinsichtlich der Funktion und Wirtschaftlichkeit dahingehend zu verbessern, daß eine hohe Leistung bei kleinen Verlusten übertragbar ist, und daß Schleichfahrt des Schiffes sowie schnelle Wendemanöver auch unter maximaler Last möglich sind, bei gleichzeitig einfachem Aufbau des Getriebes.

Diese Aufgabe wird durch Anwendung der kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Es ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die Strömungskupplungen mit Schaufeln auszurüsten, die gegen die Achsrichtung schräggestellt sind und ferner die Umkehrzahnradstufe im Kraftfluß zwischen der Antriebswelle und der Primärseite der der anderen Drehrichtung zugeordneten Strömungskupplung anzuordnen. Die Erfindung nutzt die in der DE-OS 30 13 024 beschriebene Tatsache, daß ein mit schräger Beschaufelung versehenes Kupplungsschaufelrad eine wesentlich höhere spezifische Leistung übertragen kann als mit gerader achsparalleler Beschaufelung. Dies führt zu einer erheblichen Reduktion der Abmessungen, insbesondere des Außendurchmessers sowie des Gewichtes der Kupplungen. Vor allem aber wird die Verlustleistung der Kupplung infolge Wandreibung und Ventilation, die mit der fünften Potenz des Außendurchmessers abnimmt, deutlich vermindert.

Die Anordnung der Umkehrzahnradstufe auf der Primärseite von einer der Strömungskupplungen, also zwischen der Antriebswelle und dem Primärschaufelrad, ergibt folgenden Vorteil: Das Sekundärschaufelrad dieser betreffenden Kupplung dreht sich bei Füllung bereits mit der Drehrichtung, die, bezogen auf die Getriebeabtriebswelle, der dieser Kupplung zugeordneten Fahrtrichtung entspricht. Somit kann vorteilhafterweise das Sekundärschaufelrad dieser betreffenden Kupplung unmittelbar mit einem Ritzel verbunden werden, das - wie bekannt - mit einem Großrad kämmt, welches beispielsweise - wie ebenfalls bekannt - auf der Welle des anzutreibenden Propellers befestigt ist. Wird die mit der Umkehrzahnradstufe verbundene Strömungskupplung der Rückwärtsfahrtrichtung zugeordnet, so ergibt sich der Vorteil, daß nur ein einziges Ritzel notwendig ist, mit dem die Sekundärschaufelräder beider Kupplungen in Drehverbindung stehen. Durch die aus der DE-AS 12 45 790 bekannte Ausbildung der Umkehrzahnradstufe bei hohen Drehzahlen als Planetengetriebe gemäß Anspruch 4, die koaxiale Anordnung der Strömungskupplungen sowie die Anordnung eines gemeinsamen Ritzels zwischen den beiden Kupplungen ergibt ein sehr kompaktes Getriebe mit kleinstem Bauaufwand.

Aus der DE-OS 31 42 797 ist zwar eine Anordnung mit nur einem einzigen Ritzel und mit einem hydrodynamischen Strömungskreislauf bekannt, bei dem je ein Primär- und Sekundärschaufelrad in einem feststehenden Gehäuse untergebracht sind, welches am Profilaußendurchmesser eine radial einschiebbare Umkehrbeschaufelung aufweist. Der Strömungskreislauf stellt für die Vorwärtsdrehrichtung (Schaufelräder drehen gleichsinnig, Umkehrbeschaufelung außer Eingriff) eine Strömungskupplung dar und für die Rückwärtsdrehrichtung (Schaufelräder drehen gegensinnig, Umkehrbeschaufelung eingerückt) einen Drehmomentwandler. Der Wirkungsgrad des hydrodynamischen Strömungskreislaufes ist jedoch in keiner der beiden Drehrichtungen befriedigend. Diese Ausführung ist wegen der erforderlichen großen Abmessungen des Strömungskreislaufes sehr teuer und kann nur mit Lastunterbrechung geschaltet werden. Das Einrücken der Umkehrbeschaufelung darf nur bei entleertem Kreislauf erfolgen.

Eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit wird erzielt durch Abbau innerer Verluste in den Kupplungen, insbesondere der Ventilationsverluste im ausgeschalteten Zustand. Es ist nach Anspruch 7 vorgesehen, daß mindestens eine der Strömungskupplungen, wie für sich allein aus der DE-OS 30 13 024 bekannt, mit einem beide Schaufelräder umhüllenden, feststehenden und Füll- und Entleerleitungen aufweisenden Gehäuse sowie mit beweglichen Strömungshindernissen zur Verringerung der Ventilationsverluste ausgerüstet ist.

Die gemäß Anspruch 3 vorgesehene Wahl der Übersetzung der Umkehrzahnradstufe ins Langsame bringt neben der Drehrichtungsumkehr zwei Vorteile mit sich. Erstens wird dadurch erreicht, daß durch die niedrigere Propellerdrehzahl keine Strömungsablösung an den Propellerschaufeln während der Abbremsung des Schiffes mit rückwärtsdrehendem Propeller eintritt. Zweitens steht an der Propellerwelle von der Strömungskupplung her ein höheres Übertragungsmoment zur Verfügung, so daß der erhöhte Drehmoment-Bedarf des Propellers auch zum Abbremsen der Propellermasse selbst und Umsteuern in die andere Drehrichtung gedeckt werden kann. Die Übersetzung der Umkehrzahnradstufe ins Langsame macht es zwar üblicherweise erforderlich, den Durchmesser der Strömungskupplung für die Rückwärtsfahrtrichtung zu vergrößern, wenn dieselbe Antriebsleistung übertragen werden soll. Da aber gemäß Anspruch 1 die Schaufeln der Strömungskupplung schräggestellt sind, kann mit dieser Maßnahme auf eine Durchmesservergrößerung verzichtet werden. Mit anderen Worten: Durch Schrägstellung der Schaufeln in der Strömungskupplung wird es möglich, eine ins Langsame übersetzte Umkehrzahnradstufe auf der Primärseite der Strömungskupplung für die Rückwärtsfahrtrichtung anzuordnen.

Gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, daß mindestens eine der beiden Strömungskupplungen mit einer Regeleinrichtung versehen werden kann, die für sich allein aus der DE-PS 32 11 337 (US-PS 45 97 481) bekannt ist. Diese Regeleinrichtung umfaßt einen Auslaß für das Arbeitsmedium aus dem inneren der Strömungskupplung durch Bohrungen, die tangential in Strömungsrichtung an der äußeren Kontur des Innenprofiles verlaufen, wobei sich diese Auslaßbohrungen am Sekundärschaufelrad befinden und nach innen zur Kupplungsachse hin gerichtet sind. Sie münden in eine druckdichte, feststehende und zu einem Druckventil führende Leitungsverbindung, der sich eine Meßeinrichtung anschließt. Diese gestattet es, die Propellerdrehzahl unter die der Leerlaufdrehzahl der Antriebsmaschine entsprechende Drehzahl zu senken. Das Schiff ist somit in der Lage, auch dann mit Schleichfahrt zu manövrieren, wenn zum Antrieb schnellaufende Dieselmotoren oder Gasturbinen verwendet werden. Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, daß der der Vorwärts-Drehrichtung zugeordneten Strömungskupplung eine mechanische Überbrückungskupplung angegliedert ist, wie es aus der eingangs zitierten DE-OS 30 18 642 bekannt ist. In jener Schrift jedoch ist die mechanische Überbrückungskupplung von der Strömungskupplung separat angeordnet, nämlich auf der dem gemeinsamen Ritzel gegenüberliegenden Seite, wo die Schaltkupplung besser zugänglich ist.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Getriebe,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der schrägen Beschaufelung der Kupplungs-Schaufelräder.

Die Fig. 1 zeigt in einem schematischen Halbschnitt eine Antriebswelle 1 eines mit einer nicht dargestellten Antriebsmaschine verbundenen und in einem Gehäuse 2 untergebrachten hydrodynamischen Wendegetriebes. Mit der Antriebswelle 1 ist ein Primärschaufelrad 3 verbunden, welche mit einem Sekundärschaufelrad 4 einen torusförmigen Kupplungskreislauf bildet. Das Sekundärschaufelrad 4 bildet eine das Primärschaufelrad 3 umhüllende Schale und mündet in eine als Hohlwelle 5 ausgebildete Nabe. An der dem Antrieb des Getriebes entgegengesetzten Seite der Antriebswelle befindet sich ein Wendegetriebe 6, bestehend aus einem auf der Antriebswelle 1 befestigten Sonnenrad 7, einem fest im Gehäuse 2 gelagerten Doppelplanetenrad 8 sowie einem Hohlrad 9, welches mit einem weiteren Primärschaufelrad 10 drehfest verbunden ist. Ein Sekundärschaufelrad 11 bildet mit dem Primärschaufelrad 10 einen weiteren torusförmigen Kupplungskreislauf und mündet entsprechend der Anordnung des Sekundärschaufelrades 4 in eine als Hohlwelle ausgebildete Nabe 12. Die Nabe 5 und die Nabe 12 sind einander zugekehrt und sind über eine als Hohlwelle ausgebildete Ritzelwelle 13 miteinander verbunden, die im Gehäuse 2 gelagert ist. Das Ritzel 13 steht mit einem weiteren Zahnrad 14 in Drehverbindung, welches sei­ nerseits auf einer Abtriebswelle 15 befestigt ist. Die Ab­ triebswelle 15 kann entweder mit einem weiteren Untersetzungs­ getriebe oder direkt mit der Propellerwelle in Verbindung stehen.

Die aus den Schaufelrädern 3 und 4 bestehende erste Strömungs­ kupplung ist der Vorwärtsfahrtrichtung, die aus den Schaufelrä­ dern 10 und 11 bestehende zweite Strömungskupplung der Rück­ wärtsfahrtrichtung zugeordnet. Auf der Antriebswelle 1 ist fer­ ner eine Überbrückungskupplung 16 angeordnet zur Überbrückung der beiden Schaufelräder 3 und 4. Die Überbrückungskupplung 16 ist als eine druckmittelbetätigte Lamellenkupplung ausgebildet, bestehend aus einem auf der Antriebswelle 1 befestigten Innen­ lamellenträger 17 und einem daran befestigten ringförmigen Zy­ linderteil 18, in dem sich ein Ringkolben 19 befindet zur Druckbeaufschlagung des Lamellenpakets 20. Ein Außenlamellen­ träger 21 stellt die Verbindung her zwischen den Außenlamellen und der umlaufenden Schale des Sekundärschaufelrades 4, welches seinerseits mit dem Ritzel 13 in Verbindung steht.

Die Zufuhr von Arbeitsflüssigkeit zu den Strömungskupplungen erfolgt über jeweils getrennte Zuführleitungen 22 und 23 sowie über Kanäle 24, die in den Schaufelrädern 4 und 11 in das Inne­ re der Kupplungen führen. Die Entnahme von Arbeitsflüssigkeit aus dem Inneren der Strömungskupplungen, also zum Entleeren, für den erforderlichen kontinuierlichen Flüssigkeitsdurchsatz zur Kühlung sowie zum Regeln des Füllungsgrades erfolgt über Kanäle 25, die tangential vom Profil des Schaufelrades ausgehen und in den radial inneren Bereich des betreffenden Schaufelra­ des münden, wie es als für sich allein bekannt eingangs ge­ schildert ist. Der Weitertransport der Arbeitsflüssigkeit von der Vorwärts-Kupplung 3, 4 erfolgt über einen innerhalb der Antriebswelle 1 angeordneten Kanal 26 zu einer Regeleinrichtung 29, die vorteilhafterweise an der Stirnseite des Getriebes am freien Ende der Antriebswelle 1 mit der Mündung des Kanals 26 angeordnet ist. Der Weitertransport der Arbeitsflüssigkeit aus der Rückwärts-Kupplung 10, 11 erfolgt ebenfalls über einen Ka­ nal 27 zu derselben Regeleinrichtung 29. Dichtungen 28 überneh­ men die gegenseitige Abdichtung der Kanäle 26 und 27 sowie ge­ gen den drucklosen Bereich außerhalb der Kupplungen und der Antriebswelle 1.

Die beiden Schaufelräder 10 und 11 der Rückwärts-Kupplung ste­ hen einander stirnseitig gegenüber, ohne daß eines der beiden Schaufelräder von einer umlaufenden Schale umschlossen ist. Statt dessen bildet das Getriebegehäuse 2 eine die Schaufelrä­ der 10 und 11 eng umschließende Schale. Zwischen den beiden Schaufelrädern 10 und 11 sind bewegliche Strömungshindernisse 30 angeordnet. Dies können, wie bekannt, Blendenschieber sein, die durch Federkraft in den äußeren Profilraum eingeschoben und bei Inbetriebnahme der Kupplung durch Füllen mittels einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung aus dem Profil her­ ausgezogen werden.

Weitere Einzelheiten über die Betätigung dieser Strömungshin­ dernisse sowie der Regeleinrichtung 29, der Steuerungseinrich­ tung zur Füllung der Kupplungen über die Kanäle 22 und 23 sowie zur Betätigung der Überbrückungskupplung 16 sind der Klarheit wegen weggelassen.

In der Fig. 2 sind die Kupplungs-Schaufelräder 4, 10 und 3, 11 in einem Zylinderschnitt dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Schaufeln 32 gegenüber der Drehachse 31, also der Längsach­ se der Antriebswelle 1, schräggestellt sind. Diese für sich allein, z. B. von hydrodynamischen Retardern her bekannte Aus­ bildung der Schaufeln ermöglicht es, die Außenabmessungen der Strömungskupplungen bis zur Größenordnung von 50% zu reduzie­ ren, was nicht nur mit einer Verkleinerung des gesamten Getrie­ bes mit entsprechender Gewichtseinsparung verbunden ist, son­ dern auch mit deutlicher Reduzierung der Verluste, insbesondere der Wandreibungsverluste. Dies betrifft insbesondere die Kupp­ lung für die Rückwärtsfahrt, bei der während der überwiegenden Vorwärtsfahrt des Schiffes die beiden Schaufelräder 10 und 11 gegensinnig rotieren. Durch die reduzierten Außenabmessungen, die einschiebbaren Strömungshindernisse zwischen die Schaufel­ räder sowie die reduzierte Drehzahl der Rückwärts-Kupplung ist eine Getriebebauart gegeben, die auch für höchste Übertragungs­ leistungen eine wirtschaftliche Lösung darstellt. Insbesondere kann bei maximaler Leistung ohne Lastunterbrechung in geringst­ möglicher Zeitspanne reversiert werden. Die Regulierbarkeit des Füllungsgrades mittels der Regeleinrichtung 29 erlaubt wirt­ schaftliche Schleichfahrt und Manövrierfähigkeit.

Es ist mit dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Wendegetriebe wie bei anderen bekannten Schiffswendegetrieben möglich, noch weitere Getriebe der beschriebenen Art zu einer Mehrmaschinen- Antriebsanlage so zu kombinieren, daß mehrere Ritzel 13 auf ein gemeinsames Großrad 14 wirken. Dabei ist von großem Nutzen, daß das erfindungsgemäße hydrodynamische Wendegetriebe nur ein ein­ ziges, beiden Strömungskupplungen gemeinsames Ritzel 13 er­ fordert.

Claims (6)

1. Hydrodynamisches Wendegetriebe, insbesondere Schiffswendegetriebe, mit einer mit der nicht umsteuerbaren Antriebsmaschine verbundenen Antriebswelle (1) und einer mit dem Propeller verbundenen Abtriebswelle (15), deren Drehrichtung umkehrbar ist, sowie mindestens zwei zwischen An- und Abtriebswelle (1, 15) angeordneten, durch Füllen und Entleeren schaltbaren Strömungskupplungen (3, 4, 10, 11), von denen die eine der Vorwärts-Drehrichtung, die andere der Rückwärts-Drehrichtung zugeordnet ist, sowie mit einem an die Antriebswelle (1) angeschlossenen mechanischen Wendegetriebe (6), das ins Langsame übersetzt, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

• a) die Schaufeln (32) der Strömungskupplungen (3, 4, 10, 11) sind gegen die Kupplungsdrehachse (31) schräggestellt;
• b) zumindest die der Rückwärtsfahrt zugeordnete Strömungskupplung (10, 11) weist Einrichtungen (30) zur Verringerung der Ventilationsverluste auf;
• c) das mechanische Wendegetriebe (6) ist als Standgetriebe ausgebildet und verbindet dauernd die Eingangswelle (1) ausschließlich mit dem Primärschaufelrad (10) der Strömungskupplung für die Rückwärts-Drehrichtung.

2. Hydrodynamisches Wendegetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, beide Strömungskupplungen (3, 4, 10, 11) koaxial angeordnet sind und das Drehmoment über ein gemeinsames Ritzel (13) an die Abtriebswelle (15) weitergeleitet wird.

3. Hydrodynamisches Wendegetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Ritzel (13) zwischen den beiden Strömungskupplungen (3, 4, 10, 11) auf einer Hohlwelle (5, 12) angeordnet ist.

4. Hydrodynamisches Wendegetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Rückwärts-Strömungskupplung (10, 11) mit einem beide Schaufelräder umhüllenden, feststehenden und Füll- und Entleerleitungen aufweisenden Gehäuse (2) sowie mit beweglichen Strömungshindernissen (30) zur Verringerung der Ventilationsverluste im ausgeschalteten Zustand versehen ist.

5. Hydrodynamisches Wendegetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Strömungskupplungen (3, 4, 10, 11), wie an sich bekannt, eine Regeleinrichtung (29) aufweist, die den Füllungsgrad der Strömungskupplung (10, 11) derart steuert, daß das erzeugte Abtriebsdrehmoment auf einen Wert eingeregelt wird, der einem Sollwert entspricht.

6. Hydrodynamisches Wendegetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wie an sich bekannt, der der Vorwärts-Drehrichtung zugeordneten Strömungskupplung (3, 4) eine mechanische Überbrückungskupplung (16) angegliedert ist.