DE4202810A1 - Drehmomentwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentwandler, der aufgebaut ist aus einer Pumpe, einer Turbine und einem Leitrad, die einen rohr­ förmigen Ringkörper bzw. ein Toroid bilden, in dem Hydraulikflüssig­ keit zirkuliert.

Die Pumpe, Turbine und das Leitrad des Drehmomentwandlers bilden drei Arten von Rädern, die mit Schaufeln versehen sind, durch wel­ che mit Hilfe der Hydraulikflüssigkeit ein Drehmoment übertragen wird.

Es wurden bereits Drehmomentwandler beschrieben, bei welchen der Grad der "Flachheit" mit Hinblick auf den Querschnitt des durch die drei Schaufelräder gebildeten Ringkörpers vergrößert wird. Die infolgedessen reduzierte axiale Länge des Drehmomentwandlers bringt den Vorteil eines geringeren Gewichts und einer besseren Leistung bei der Kraftübertragung und ermöglicht darüber hinaus die Mehrstufigkeit der Übertragung selbst. Hinzukommt, daß durch die reduzierten Abmessungen des Ringkörpers bzw. Toroids in axialer Richtung des Wandlers Raum für die Installation einer Verriegelungs­ einrichtung mit mehreren Scheiben zur Verfügung gestellt wird.

Jedoch neigen die dahingehend modifizierten Schaufelräder zur Er­ zeugung von Stauungen oder Gegenströmungen in der Hydraulikflüs­ sigkeit, während diese hindurchgefördert wird, so daß also die Flüs­ sigkeit mit den Schaufelrädern kollidiert und folglich die Leistung des Drehmomentwandlers herabsetzt. Daher ist es wünschenswert, vergleichbare Leistungseigenschaften eines Drehmomentwandlers zu erhalten, dessen Ringkörperelemente dahingehend modifiziert sind, daß die Flachheit des Wandlers in axialer Richtung vergrößert wird.

Ein in der japanischen Offenlegungsschrift 57-37 791 beschriebener Drehmomentwandler hat flach gestaltete Ringkörperelemente, die für eine vergleichbare Leistung des Drehmomentwandlers sorgen. Da Flachheitsverhältnis L/H, wobei L die Länge des rohrförmigen Ring­ körpers in der axialen Erstreckung des Drehmomentswandlers und H die Länge in dessen radialer Richtung ist, liegt in einem Bereich von 0,64 bis 0,87. Nach diesen Spezifikationen allerdings kann der rohr­ förmige Ringkörper nicht so flach gestaltet werden, daß es für die Schaffung des notwendigen Unterbringungsraums in der axialen Richtung des Drehmomentwandlers reicht.

Demzufolge ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, die Modifizierung der die Ringkörperelemente eines Drehmomentwandlers bildenden Schaufelräder in flache Gestalt so zu optimieren, daß der Leistungs­ standard vergleichbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merk­ male gelöst.

Dazu weist der erfindungsgemäße Drehmomentwandler nach einem Aspekt der Erfindung einen rohrförmigen Ringkörper auf, der gebil­ det ist aus Pumpe, Turbine und Leitrad. Das Flachheitsverhältnis L/H des Ringkörpers, das definiert ist als die axiale Länge L im Verhält­ nis zum Radius H, liegt in einem Bereich von 0,55 bis 0,65. Das Durchmesserverhältnis d/D, das definiert ist als der Innendurchmes­ ser d des rohrförmigen Ringkörpers im Verhältnis zu dessen Außen­ durchmesser D, liegt in einem Bereich von 0,35 bis 0,45. Das Verhält­ nis seines Durchflußquerschnitts a1/A beträgt zwischen 0,16 und 0,20, wobei A der durch den äußersten Durchmesser des rohrförmi­ gen Ringkörpers definierten Kreisfläche und a1 dem Durchfluß­ querschnitt von Pumpe und Turbine entspricht. Da Durchflußquer­ schnitts-Verhältnis a2/A, wobei a2 der Durchflußquerschnitt des Stators ist, ist um 0,02 bis 0,04 größer als das Verhältnis von a1/A und liegt in einem Bereich von 0,19 bis 0,23.

In dem den vorstehenden Spezifikationen entsprechenden Drehmo­ mentwandler ist bei unveränderter Leistungsqualität ausreichend axi­ aler Raum vorhanden. Da insbesondere der relative Durchflußquer­ schnitt des Leitrads, in dem leicht Gegenströmungen entstehen kön­ nen, die aufgrund der verstärkt kollidierenden Flüssigkeit einen Lei­ stungsverlust zur Folge haben, größer bemessen ist als der relative Durchflußquerschnitt der anderen Schaufelräder, wird die Turbulenz der Flüssigkeit verringert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der einzigen Zeichnungsfigur, in der eine Querschnitts-Teilansicht des erfindungsgemäßen Drehmo­ mentwandlers in bevorzugter Ausführungsform gezeigt ist.

Die Linie O-O in Fig. 1 bezeichnet die Drehachse des Drehmoment­ wandlers.

Eine Frontabdeckung 1 und ein Laufradgehäuse 3a, das an einen vorspringenden Randbereich 1a der Frontabdeckung 1 geschweißt ist, bilden eine Hydraulikflüssigkeitskammer, in der drei Arten von Schaufelrädern (eine Pumpe 3, Turbine 4 und ein Leitrad 5), die zu­ sammen einen rohrförmigen Ringkörper bilden, und eine Verriege­ lungseinrichtung 6 angeordnet sind. Der radial innere Bereich des Laufradgehäuses 3a ist an eine Nabe 7 des Laufrads geschweißt.

Die Frontabdeckung 1 ist mit der Kurbelwelle eines nicht abgebilde­ tan Motors antriebsmäßig verbunden.

Die Pumpe 3 besteht aus einem Laufradgehäuse bzw. einer Laufrad­ schale 3a, einer ringförmigen inneren Schale 3b und einer Vielzahl von Schaufel 3c, die zwischen der Laufradschale 3a und der inneren Schale 3b in in Umfangsrichtung vorgegebenen Abständen angeord­ net sind. Die Turbine 4 liegt der Pumpe 3 gegenüber und besteht im Prinzip aus einem äußeren Gehäuse bzw. einer Schale 4a, einer inne­ ren Schale 4b und einer Vielzahl von in Umfangsrichtung in vorge­ gebenen Abständen zwischen der äußeren Schale 4a und der inneren Schale 4b angeordneten Schaufeln. Der radial innere Bereich der Turbinenaußenschale 4a ist an einem Flansch 8a einer Turbinennabe 8 befestigt, und zwar mit Hilfe von Nieten 9. Die Turbinennabe 8 zeigt eine innere Keilverzahnung 10, die mit den das Gegenstück dazu bildenden Elementen an einer nicht gezeigten Ausgangswelle in Eingriff steht.

Zwischen den radial inneren Bereichen der Pumpe 3 und der Turbine 4 ist ein Leitrad 5 angeordnet und besteht aus einem Leitradträger 5a, einer inneren Schale 5b und einer Vielzahl von Schaufeln 5c, die in Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen entlang des Leitradträgers 5a befestigt sind und die innere Schale 5b halten. Der Leitradträger 5a ist über eine Einwegkupplung 11 mit einem inneren Laufring 12 verbunden.

Demzufolge bilden die äußeren Schalen und die inneren Schalen rund um jedes Rad der Flügelräder ringförmige Strömungsdurchlässe, durch welche eine Hydraulikflüssigkeit gegen den Uhrzeigersinn zir­ kuliert, wie anhand der Pfeile in dar Zeichnungsfigur dargestellt. Der Ausgang der Pumpe 3 grenzt an den Eingang der Turbine 4 und der Ausgang der Turbine 4 an den Eingang des Leitrads 5 und des­ sen Ausgang wiederum an den Eingang der Pumpe 3, wodurch eine rohrförmige Ringkörper-Konfiguration entsteht.

Die Schaufeln der Schaufelräder sind so angeordnet, daß bei Dre­ hung der Pumpe 3 zusammen mit der Frontabdeckung 1 Hydraulik­ flüssigkeit aus der Pumpe 3 in die Turbine 4 strömt und diese dreht. Die von der Turbine 4 zum Leitrad 5 strömende Flüssigkeit wird in koordinierter Weise durch die Flügel 5c des Stators 5 in Richtung auf die Pumpe 3 zurückgeleitet. Insbesondere ändert das Leitrad 5 das Moment der Hydraulikflüssigkeit dahingehend, daß ein hohes Drehmomentverhältnis erreicht wird, wenn sich die Pumpe 3 mit hoher Geschwindigkeit und die Turbine 4 mit niedriger Ge­ schwindigkeit dreht.

Die Verriegelungseinrichtung 6 ist zwischen der Turbine 4 und der Frontabdeckung 1 koaxial dazu angeordnet und weist einen schei­ benförmigen Kolben 14 auf, dessen radial innerer Bereich 14a durch den Flansch 8a der Turbinennabe 8 verschiebbar gehalten ist. Der Kolben 14 zeigt einen in Richtung auf die Turbine 4 vorspringenden Randbereich 14b.

Radial innerhalb des vorspringenden Randbereichs 14b des Kolbens 14 ist eine Vielzahl von Torsionsfedern 15 angeordnet, die sich in Umfangsrichtung erstrecken. Eine an der Innenseite des Kolbens 14 befestigte Halteplatte 16 hat gebogene Abschnitte, die als Sitz für die Enden der Torsionsfedern 15 dienen. Turbinensitze 4d, die an dem radial äußeren Bereich der äußeren Turbinenschale 4a befestigt sind, dienen ebenfalls zur Halterung der Enden der Torsionsfedern 15, wodurch die Turbine 4 in Umfangsrichtung mit dem Kolben 14 elastisch verbunden ist.

Ein ringförmiges Reibelement 19 ist entlang des Randes der Seiten­ fläche des Kolbens 14 befestigt, und zwar einer flachen Reibfläche 1b der Frontabdeckung 1 gegenüberliegend. Zwischen der Reibfläche 1b und dem Reibelement 19 sind eine Kupplungsscheibe 17 und eine Kupplungsplatte 18 angeordnet, wodurch eine Mehrscheibenkupplung gebildet wird. Die Kupplungsscheibe 17 befindet sich im Eingriff mit dem Kolben 14, derart, daß sie zwar gegenüber dem Kolben 14 nicht drehbar, jedoch in axialer Richtung verschiebbar ist. Die Kupplungs­ platte 18 steht mit dem vorspringenden Randbereich 1a der Frontab­ deckung 1 so in Eingriff, daß sie sich relativ zur Frontabdeckung 1 nicht drehen, aber in axial Richtung gleiten kann.

Der Drehmomentwandler nach der beschriebenen bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung zeigt ein Flachheitsverhältnis L/H, das in einem Bereich von 0,55 bis 0,65 festgelegt ist. Dabei entspricht L der Länge des rohrförmigen Ringkörpers in der axialen Richtung des Wandlers und H der Länge des rohrförmigen Ringkörpers in der ra­ dialen Richtung des Wandlers. Da Durchmesserverhältnis d/D ist in einem Bereich von 0,35 bis 0,45 festgelegt, wobei d der Durchmesser der radial inneren Grenze des rohrförmigen Ringkörpers und D der Durchmesser dessen radial äußerer Grenze ist. Ein weiteres Verhält­ nis, nämlich a1/A, ist in einem Bereich von 0,16 bis 0,20 festgelegt. Dabei bezeichnet A die durch den äußersten Durchmesser des rohr­ förmigen Ringkörpers definierte Kreisfläche und a1 den Durchfluß­ querschnitt (die Fläche des Querschnitts senkrecht zur Strömung) der Pumpe 3 und Turbine 4. Ein weiteres Verhältnis, nämlich a2/A, ist um 0,02 bis 0,04 größer als das Verhältnis von a1/A und liegt in einem Bereich von 0,19 bis 0,23, wobei a2 den Durchflußquerschnitt das Leitrads 5 bezeichnet.

Würde das Verhältnis von L/H unter 0,55 liegen, so würden die inne­ ren Schalen 3b und 4b flacher gestaltet und das Entstehen von Ge­ genströmungen wahrscheinlich werden, die die Leistung des Drehmo­ mentwandlers verschlechtern. Läge das Verhältnis von L/H über 0,65, so wäre die Flachheit das sich ergebenden Ringkörpers nicht ausrei­ chend. Bei einem Verhältnis von a1/A unter 0,16 würde sich der Durchflußquerschnitt der Pumpe 3 und Turbine 4 verringern und damit auch die Durchflußrate pro Zeiteinheit und demzufolge wie­ derum die Kapazität das Drehmomentwandlers. Würde die Differenz zwischen den Verhältnissen a2/A und a1/A weniger als 0,02 betragen, käme es aufgrund der Kollision der Hydraulikflüssigkeit am Eingang des Leitrads 5 (ein an den Ausgang dar Turbine 4 angrenzender Be­ reich) zu einem erhöhten Leistungsverlust bei der Übertragung und damit zu einer Verschlechterung der Leistungseffizienz. Bei einer über 0,04 liegenden Differenz der Verhältnisse a2/A und a1/A wäre das Leitrad 5 nicht in der Lage, das Eingangs/Ausgangs-Drehmo­ mentverhältnis ausreichend hochzustufen. Läge das Verhältnis von a2/A unter 0,19, so würde sich der Verlust durch Kollision am Leit­ rad noch vergrößern. Bei einem Verhältnis von a2/A über 0,23 schließlich würde das Drehmoment nicht ausreichend erhöht werden.

Der gemäß den vorstehenden Spezifikationen bemessene Drehmoment­ wandler erreicht den gewünschten Grad an Flachheit ohne Ver­ schlechterung seiner Leistung. Die grundlegende Ursache für eine verringerte Leistung des Drehmomentwandlers ist die Neigung zur Bildung von Gegenströmungen rund um das Leitrad, in welchem Be­ reich die Hydraulikflüssigkeit einer Strömungsänderung unterzogen wird, die über eine kurze Distanz in einem großen Winkel erfolgt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform jedoch ist das Verhältnis das Durchflußquerschnitts von a2/A des Leitrads 5 wesentlich größer bemessen als das Durchflußquerschnittsverhältnis der Pumpe 3 und Turbine 4, womit sich also der Energieverlust aufgrund der mit dem Leitrad 5 kollidierenden Flüssigkeit verringert und die Fähigkeit des Leitrads 5 zur Umkehr des Moments erhalten bleibt.

Weil das Flachheitsverhältnis von L/H des rohrförmigen Ringkörpers verringert wird, vergrößert sich der Unterbringungsraum innerhalb des Drehmomentwandlers, was bedeutet, daß die Verriegelungsein­ richtung 6, deren Verriegelungsfunktion durch die Verwendung einer Mehrscheibenkupplung verbessert wird, in dem Drehmomentwandler installiert werden kann, ohne dessen gesamte axiale Länge X (in der Zeichnung angedeutet) zu vergrößern. Durch die kürzere Länge L das Ringkörpers wird die Verdichtung bzw. dichtere Bauweise des Drehmomentwandlers realisiert, sein Gewicht verringert und der Kraftstoffverbrauch das Fahrzeugs, in welchem er installiert ist, verbessert.

Die anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschriebene Erfin­ dung läßt sich in verschiedenen Details abwandeln, ohne von ihrem Rahmen abzuweichen, der in den Ansprüchen wiedergegeben ist.

Claims (8)

1. Drehmomentwandler, bei welchem eine Pumpe (3), eine Turbine (4) und ein Leitrad (5) einen rohrförmigen Ringkörper bilden, durch welchen eine Hydraulikflüssigkeit zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis L/H, in welchem L der axialen Länge des rohrför­ migen Ringkörpers und H der radialen Länge des rohrförmigen Ring­ körpers entspricht, in einem Bereich von 0,55 bis 0,65 festgelegt ist, daß ein Verhältnis d/D, in welchem d der Innendurchmesser des rohrförmigen Ringkörpers und D dessen Außendurchmesser ist, in ei­ nem Bereich von 0,35 bis 0,45 festgelegt ist, daß ein Flächenverhält­ nis a1/A, in welchem a1 die Querschnittsfläche senkrecht zur Strö­ mung in den Pumpen- und Turbinendurchlässen und A die Fläche das durch den äußersten Durchmesser das rohrförmigen Ringkörpers definierten Kreises ist, in einem Bereich von 0,16 bis 0,20 festgelegt ist und daß ein Flächenverhältnis a2/A um 0,02 bis 0,04 größer ist als das Flächenverhältnis a1/A und in dem Bereich von 0,19 bis 0,23 liegt, in welchem a2 die Fläche das Querschnitts senkrecht zur Strö­ mung in dem Leitrad ist.

2. Drehmomentwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste äußere Schale (3a), die an ein Eingangs-Rotationselement (1) anschließbar ist und den rohrförmigen Ringkörper umschließt, wobei die Pumpe (3) die genannte erste äußere Schale (3a) und eine Viel­ zahl von Pumpenschaufeln (3c) aufweist, die an ihren Längskanten zwischen dem Innenraum der ersten äußeren Schale (3a) und einer dieser gegenüberliegenden ersten inneren Schale (3b) befestigt sind und dazwischen einen Strömungsdurchlaß bilden, wobei die Turbine (4) eine an ein Ausgangsteil anschließbare zweite äußere Schale (4a) und eine Vielzahl von Turbinenschaufeln (4c) aufweist, die an ihren Längskanten zwischen der zweiten äußeren Schale (4a) und einer zweiten inneren Schale (4b) befestigt sind und dazwischen einen Strömungsdurchlaß bilden, und wobei das Leitrad (5) einen Leitrad­ träger (5a) und eine Vielzahl von Schaufeln (Sc) aufweist, die an ih­ ren Längskanten zwischen dem Leitradträger (5a) und einer dritten inneren Schale (5b) befestigt sind und dazwischen einen Strömungs­ durchlaß bilden.

3. Drehmomentwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Strömungsdurchlässe so gebildet ist, daß der Ausgang der Pumpe (3) an den Eingang der Turbine (4), der Ausgang der Turbine (4) an den Eingang des Leitrads (5) und der Ausgang des Leitrads (5) an den Eingang der Pumpe (3) angrenzt, wodurch dieser rohrförmige Ringkörper bzw. das Toroid gebildet wird.

4. Drehmomentwandler nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine in einem zwischen der ersten äußeren Schale (3a) und der zweiten äußeren Schale (4a) der Turbine gebildeten Raum angeordnete Ver­ riegelungseinrichtung (6) für die mechanische Verbindung der ersten äußeren Schale (3a) mit der Turbine (4).

5. Drehmomentwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung (6) koaxial zur Turbine (4) ange­ ordnet ist.

6. Drehmomentwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung (6) einen in axialer Richtung be­ weglichen scheibenförmigen Kolben (14) und eine Vielzahl von Verrie­ gelungsscheiben aufweist, die axial zwischen dem Kolben (14) und der ersten äußeren Schale (3a) bewegbar sind.

7. Drehmomentwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Verriegelungsscheiben (17, 18) eine erste Scheibe aufweist, die mit der ersten äußeren Schale (3a) derart in Eingriff steht, daß sie in axialer Richtung verschiebbar, jedoch nicht drehbar ist, und eine zweite Scheibe, die mit dem Kolben (14) derart in Ein­ griff steht, daß sie in axialer Richtung verschiebbar, jedoch nicht drehbar ist.

8. Drehmomentwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung (6) ein elastisches Element (15) zur elastischen Verbindung des Kolbens (14) mit der zweiten äußeren Schale (4a) der Turbine aufweist.