DE4336386A1 - Turbinen- und/oder Pumpenrad - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Turbinen- und/oder Pumpenrad, insbeson­ dere für einen hydrodynamischen Wandler nach der Gattung der unab­ hängigen Ansprüche. Derartige Wandler, die auch als Föttingerge­ triebe bekannt geworden sind (Dubbel: Taschenbuch für Maschinenbau, 14. Auflage, Seiten 904 ff.), werden bevorzugt zur hydrodynamischen Leistungsübertragung eingesetzt, wobei ausgehend von einem treiben­ den Pumpenrad über eine zirkulierende, leistungsübertragende Flüssigkeit (meist Öl) ein Drehmoment auf ein Turbinenrad übertragen wird.

Die bekannten Turbinen- und/oder Pumpenräder, im folgenden Turbinen­ räder genannt, werden aus tiefgezogenen und gebogenen Blechteilen, mit Schalen und Schaufelstruktur, zusammengesetzt. Der Zusammenhalt der Einzelteile wird durch Aussparungen und durch die Aussparungen durchgesteckte und umgebogene Blechlaschen oder durch Verschweißen der einzelnen Blechteile erreicht. Es sind auch Turbinenräder aus Kunststoff bekannt geworden, bei denen entweder die Hohlräume des Turbinenrads mit ausschmelzbaren Kernen gebildet oder bei denen einzeln hergestellte Kunststoffelemente mittels Ultraschall ver­ schweißt werden.

Vorteil der Erfindung

Das Turbinenrad mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist den Vorteil auf, daß lediglich zwei Hauptbaugruppen, der Schaufel­ einsatz und die Außenschale, getrennt hergestellt und montiert werden müssen. Die Funktionsbauteile wie Schaufeln, innerer Ring oder Nabenteil sind dabei so auf die Hauptbaugruppen verteilt, daß jedes Hauptbaugruppenteil im Spritzgießverfahren herstellbar ist.

Auf diese Weise werden die Fertigungskosten gegenüber dem Kernaus­ schmelzverfahren erheblich reduziert. Außerdem können als Materia­ lien sämtliche im Spritzgießverfahren verarbeitbare Kunststoffe thermoplastischer oder duroplastischer Art verwendet werden, ohne daß dabei Rücksicht auf die Verschweißbarkeit zu nehmen ist.

Gegenüber den aus Metall hergestellten Turbinenräder sind aus Kunst­ stoff hergestellte Turbinenräder erheblich leichter und weisen des­ halb ein geringeres Trägheitsmoment auf. Die aufwendig aus Blech­ teilen zusammengefügten Turbinenräder, bei denen die Verbindung der einzelnen Blechteile durch Umbiegen von einander durchdringenden Blechlaschen erfolgt, führt zudem zu Störungen der Ebenheit der Außen- und Innenhaut im Bereich des strömenden Fluids und ferner zu Undichtheiten an den Durchtrittsstellen dieser Blechlaschen. Hieraus ergeben sich Strömungsverluste und ein geringerer Wirkungsgrad.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Merkmale sind vorteil­ hafte Weiterbildungen des Turbinenrads nach den unabhängigen An­ sprüchen möglich. So können sowohl der Schaufeleinsatz als auch die Außenschale jeweils ein Nabenteil aufweisen, wobei das Nabenteil der Außenschale seinerseits ein Anschlußstück, zum Übertragen des Dreh­ moments nach außen, aufnehmen kann. Das Anschlußstück kann nachträg­ lich eingesetzt oder direkt eingespritzt sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nabenteile des Schaufelein­ satzes und der Außenschale ein in Zusammenbaustellung miteinander korrespondierendes Gewinde aufweisen, dergestalt, daß der Schaufel­ einsatz mit der Außenschale verschraubbar ist und daß die während des s Betriebs der Turbine auf die Schaufeln wirkende Kraft diese Ver­ schraubung festzieht. Dadurch ist erreicht, daß sich die beiden Teile einfach montieren lassen und während des Betriebs den erhöhten Anforderungen Stand halten. Wenn die Außenschale Vorsprünge und/oder Ausnehmungen aufweist, an denen sich die Schaufeln abstützen können ergibt sich ein stabiles Gebilde, da die auf die Schaufeln wirkende Kraft die Schaufeln selbst aufgrund des Gewindes sowohl gegen die Außenschale als auch gegen die Vorsprünge und/oder Ausnehmungen preßt. Das Gewinde ist hierzu am besten als Steilgewinde ausgeführt, das die gleiche Teilung wie der Schaufeleinsatz aufweist.

Die so montierten Teile lassen sich einfach mittels eines am Umfang beide Teile umgreifenden Blechstreifens miteinander verbinden. Da bei Belastung die auftretenden Kräfte die Außenschale und den Schaufeleinsatzes zusammenpressen, sind an den Blechstreifen keine erhöhten Anforderungen zustellen.

Dadurch, daß die wesentlichen Hauptgruppen des Turbinenrads als Spritzgußteile ausgeführt sind, kann das Turbinenrad kostengünstig hergestellt werden. Dabei kann als Material thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff eingesetzt werden. Gegenüber herkömm­ lichen Ausführungen, bei denen einzelne spritzgegossene Teile, wie beispielsweise einzelne Schaufeln, mittels Ultraschall miteinander verschweißt wurden, ergibt sich hier die Möglichkeit die wesentlich höhere temperaturbelastbaren Duroplasten einzusetzen. Ferner ist es möglich, wenn die Turbinenräder erheblichen Belastungen ausgesetzt sind, druckgießbares Metall, insbesondere Aluminium oder Aluminium­ legierungen, zu verwenden.

In vorteilhafter Weise kann ein derartiges Turbinenrad dadurch her­ gestellt werden, daß der innere Ring und die Schaufeln zu einem einen Schaufeleinsatz bildendes erstes Spritzgußteil zusammengefaßt und in einem Verfahrensschritt gespritzt werden, wobei die Schaufeln mittels Hinterschneidungen erzeugenden Schiebern oder Auswerfern im Spritzgießwerkzeug gebildet werden. Das Entformen dieses Schaufel­ einsatzes, das aufgrund der schräggestellten Schaufeln Hinter­ schneidungen aufweist, erfolgt durch eine drehende Bewegung zwischen Schaufeleinsatz und Spritzgießwerkzeug. Ferner wird die Außenschale gespritzt und mit dem Schaufeleinsatz verbunden. Auf diese Weise kann durch lediglich zwei Hauptbestandteile das Turbinenrad trotz erheblicher Hinterschneidungen kostengünstig hergestellt werden. Es ist hierbei nicht nötig, eine teure Kernausschmelztechnik einzu­ setzen. Außerdem ist es nicht nötig, viele kleine Einzelteile mit­ einander zu verschweißen oder über Laschentechnik zu verbinden. Auch an das verwendete Werkzeug werden keine höheren als für Spritzgieß­ werkzeuge üblichen Anforderungen gestellt.

Das Verfahren zur Herstellung vereinfacht sich weiter, wenn der Schaufeleinsatz und die Außenschale jeweils ein Gewindeteil auf­ weisen, und die Montage lediglich durch eine Schraubbewegung ent­ sprechend der Gewindesteigung erfolgen kann.

Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsge­ mäßen Turbinenrades gezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 schematisch ein Föttingerge­ triebe, Fig. 2 einen Schaufeleinsatz, Fig. 2a einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 2, Fig. 3 eine Außenschale, Fig. 3a einen Schnitt gemäß Linie III-III in Fig. 3, Fig. 4 einen Schnitt durch ein zusammengesetztes Turbinenrad gemäß einem ersten Aus­ führungsbeispiel und Fig. 5 einen Schnitt durch ein zusammenge­ setztes Turbinenrad gemaß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung

In Fig. 1 ist eine Wandlerturbine 10 mit zwei Turbinenrädern 12 und zwei Anschlußwellen 14 in einem Gehäuse 16 gezeigt. Innerhalb der Turbinenräder 12 ist schematisch ein Leitrad 18 angedeutet.

Das Turbinenrad enthält im wesentlichen einen Schaufeleinsatz 20 (Fig. 2) und eine Außenschale 22 (Fig. 3).

Der Schaufeleinsatz 20 weist einen inneren Ring 24 auf, um den Schaufeln 26 einseitig angeordnet sind. Die Schaufeln 26 weisen ein Hohlprofil auf und erstrecken sich von einem Nabenteil 28 über den inneren Ring 24 bis zu einem äußeren Ring 30. Die Schaufeln 26 münden jeweils unter einem spitzen Winkel in das Nabenteil 28 und in den äußeren Ring 30.

Der äußere Ring 30 hat die Form eines sich um den äußeren Umfang erstreckenden Bandes.

Das Nabenteil 28 besitzt ein Innensteilgewinde 32, das einen inneren Durchbruch 34 begrenzt. Die Anzahl der Zähne bzw. Gänge des Innen­ steilgewindes 32 ist gleich der Anzahl der Schaufeln 26 des Schaufeleinsatzes 20.

Die Außenschale 22 besitzt ein halbseitig offenes, torusförmiges Profil 36 (in Fig. 4 erkennbar), dessen äußerer Umfang von einem äußeren Ring 38 umgeben ist, der die Form eines sich um den Umfang erstreckenden Bandes aufweist. An den inneren Umfang des torusförmigen Gebildes ist ein Nabenteil 40 angeformt mit einem kegelstumpfförmigen Fortsatz 42, an dessen Mantelfläche ein Außen­ steilgewinde 44 gebildet ist. Ferner weist der kegelstumpfförmige Fortsatz 42 eine zentrische Durchgangsöffnung 46 auf.

Im Innern des torusförmigen Profils 36 der Außenschale 22 sind Vor­ sprünge 48 angeordnet, die sich bogenförmig über die Innenseite er­ strecken und im Querschnitt Dreiecksgestalt (Fig. 3a) aufweisen.

Das Nabenteil 40 weist Ausnehmungen 50 auf, die sich radial, seit­ lich leicht versetzt erstrecken und auf der Seite des Profils 36 angeordnet sind.

Das Turbinenrad 12, das im wesentlichen aus den beiden Hauptbau­ gruppen Schaufeleinsatz 20 und Außenschale 22 besteht, wird herge­ stellt, indem der Schaufeleinsatz 20 und die Außenschale 22 jeweils im Spritzgußverfahren erzeugt und montiert werden.

Der Schaufeleinsatz 20 weist im Bereich der Schaufeln 26 Hinter­ schneidungen auf, die in der Kavität oder an Auswerfern der Spritz­ gußform gebildet sind und die eine drehende Bewegung zwischen dem Schaufeleinsatz 20 und der die Kavität tragenden Spritzgußform beim Entformen nötig machen. Da auch das Innensteilgewinde eine solche Drehbewegung beim Entformen verlangt, weist das Innensteilgewinde 32 in vorteilhafter Weise eine dieser schraubenförmigen Endformbewegung gleichen Steigung auf. Der Schaufeleinsatz 20 ist somit in einfacher bekannter Spritzgießtechnik herstellbar.

Die Außenschale 22 ist ebenfalls als Spritzgußteil herstellbar, wobei die Endformbewegung aufgrund des Außensteilgewindes 44 ebenfalls drehend erfolgt. Die Vorsprünge 48 sind Teil der Kavität und werden automatisch an die Innenseite des Profils 36 angeformt.

Bei der Montage wird der Schaufeleinsatz 20 mit einer der Steigung des Innen-/Außensteilgewindes 32, 44 entsprechenden Drehbewegung in die Innenseite des Profils 36 eingedreht, wodurch die oberen Kanten 52 der Schaufeln 26 an den Vorsprüngen 48 zur Anlage gelangen.

Zur Arretierung der beiden Teile wird über die äußeren Ringe 30, 38, die passend übereinanderliegen, ein Blechstreifen 54 gelegt und an den Rändern 56 und 58 umgebogen. In das Nabenteil 40 der Außenschale 22 wird von der Seite des Profils 36 ein mit einem Ringkragen 60 versehenes Anschlußstück 62 eingeschoben und von der dieser gegen­ überliegenden Seite mittels einer Sicherungsscheibe 64, die an das Anschlußstück 62 angeschweißt wird, befestigt. Die Form des An­ schlußstücks 62 richtet sich nach den Einbauvorgaben der Wandler­ turbine innerhalb eines Getriebes. Das Anschlußstück 62 kann sowohl vor als auch nach der Montage der Außenschale 22 und des Schaufel­ einsatzes 20 erfolgen.

Beim Betreiben der Wandlerturbine 10 stehen sich zwei Turbinenräder 12 (beziehungsweise ein Pumpen- und ein Turbinenrad) gegenüber, wobei eines über das Anschlußstück 62 angetrieben ist. Durch die Drehbewegung wird das sich in den Hohlräumen zwischen den Schaufeln 26 befindliche Fluid zur Rotation um den inneren Ring 24 gebracht, wodurch aufgrund der besonderen Form der Schaufeln 26 das zweite Turbinenrad 12 ebenfalls in Drehung versetzt wird. Die Dreh­ moment- bzw. Impulsübertragung erfolgt dabei so, daß aufgrund der Schaufelform und der Form des Steilgewindes bei höherem Drehmoment der Schaufeleinsatz 20 bzw. die Schaufeln 26 stärker gegen die Innenseite des Profils 36 gedrückt werden. Die Schaufeln 26 stützen sich dabei an den Vorsprüngen 48 ab, wobei hierdurch die Raume gegeneinander abgedichtet werden. Generell ist zu bemerken, daß aufgrund der glatten Oberfläche der Spritzgußteile in den durchflossenen Bereichen das Fluid optimal strömen kann.

Durch das Zusammenwirken des zu übertragenden Drehmoments und der Innen-/Außensteilgewindeanordnung wird das eigentlich relativ lose ineinandergesteckte Turbinenrad in sich in vorteilhafter Weise ver­ festigt.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 dargestellt ist, ist das Anschlußstück 62′ in die Außenschale 22′ eingespritzt. Ein nachträgliches Zusammenschweißen als Befestigung kann damit entfallen.

Es ist ferner möglich, die Außenschale 22 mit Ausnehmungen statt Vorsprüngen 48 zu versehen, in denen die Schaufelkanten 52 zu liegen kommen. Ferner ist es möglich gänzlich auf Ausnehmungen und Vor­ sprünge in diesem Bereich zu verzichten und die oberen Kanten 52 der Schaufeln mit der Außenschale zu verkleben, zu verschweißen oder ähnlich zu befestigen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Wandstärke der Schaufeln 26 sehr klein gewählt wird.

Außerdem kann auf den inneren Ring 24 verzichtet werden, wenn dies strömungstechnisch vorteilhaft ist, wobei die Schaufeln dann direkt zwischen äußerem Ring 38 und Nabenteil 40 angeordnet sind.

Claims (14)

1. Turbinen- und/oder Pumpenrad, insbesondere für einen hydrodyna­ mischen Wandler, mit mindestens einer Außenschale, einem inneren Ring und mehreren Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (26) und der innere Ring (24) als ein einen Schaufelein­ satz (20) bildendes erstes Spritzgußteil und die Außenschale (22) als ein zweites Spritzgußteil gefertigt sind, und daß die Außen­ schale (22) den Schaufeleinsatz (20) in Zusammenbaustellung aufnimmt.

2. Turbinen- und/oder Pumpenrad, insbesondere für einen hydrodyna­ mischen Wandler, mit mindestens einer Außenschale, einem Nabenteil und mehreren Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (26) und das Nabenteil (40) als ein einen Schaufeleinsatz (20) bil­ dendes erstes Spritzgußteil und die Außenschale (22) als ein zweites Spritzgußteil gefertigt sind, und daß die Außenschale (22) den Schaufeleinsatz (20) in Zusammenbaustellung aufnimmt.

3. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln in Zusammenbaustellung mit der Außenschale verklebt, verschweißt oder dergleichen befestigt sind.

4. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (22) Vorsprünge und/oder Aus­ nehmungen aufweist, an denen sich die Schaufeln (26) in Zusammenbau­ stellung abstützen.

5. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaufeleinsatz (20) ein die Schaufeln (26) ver­ bindendes Nabenteil (28) aufweist.

6. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (22) ein ein Anschlußstück (62) aufnehmendes Nabenteil (40) aufweist.

7. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nabenteil (40) der Außenschale (22) das Anschluß­ stück (62) passend umgreift.

8. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 5 und 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nabenteile (28, 40) des Schaufelrades (20) und der Außenschale (22) ein in Zusammenbaustellung miteinander korres­ pondierendes Gewinde (32, 44) aufweisen so, daß der Schaufeleinsatz (20) mit der Außenschale (22) verschraubbar ist und so, daß die während des Betriebs der Turbine (10) auf die Schaufeln (26) wirkende Kraft diese Verschraubung festzieht.

9. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nabenteil (28) des Schaufeleinsatzes (20) ein Innensteilgewinde (32) und das Nabenteil der Außenschale ein Außen­ steilgewinde (44), aufweist.

10. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkanten der Schaufeln (26) über einen umlaufenden Außenring (30) verbunden sind.

11. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaufeleinsatz (20) und die Außenschale (22) mittels eines am Umfang (30, 38) beide Teile (20, 22) umgreifenden Blechstreifens (54) miteinander verbunden sind.

12. Turbinen- und/oder Pumpenrad nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material zumindest für den Schaufeleinsatz (20) und die Außenschale (22) thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff oder druckgießbares Metall, wie Alu­ minium, verwendet wird.

13. Verfahren zum Herstellen eines Turbinen- und/oder Pumpenrades, insbesondere für einen hydrodynamischen Wandler mit mindestens einer Außenschale, einem inneren Ring und mehreren Schaufeln, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring (24) und die Schaufeln (26) zu einem einen Schaufel­ einsatz (20) bildenden ersten Spritzgußteil zusammengefaßt und in einem Verfahrensschritt gespritzt werden, wobei die Schaufeln (26) mittels Hinterschneidungen erzeugenden Schiebern oder Auswerfern im Spritzgießwerkzeug gebildet werden, und daß das Entformen des Schaufeleinsatzes (20) mittels einer Drehbewegung zwischen Schaufel­ einsatzes (20) und Spritzgießwerkzeug erfolgt, daß in einem weiteren Spritzgießvorgang die Außenschale (22) gespritzt wird, und daß die Außenschale (22) und der Schaufeleinsatz (20) miteinander verbunden werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schaufeleinsatz (20) und an die Außenschale (22) jeweils ein Gewin­ deteil (32, 44) angeformt ist, und daß die Montage von Schaufelein­ satz (20) und Außenschale (22) durch eine Schraubbewegung ent­ sprechend der Gewindesteigung erfolgt.