DE69008869T2

DE69008869T2 - Vorrichtung zum schmieren von lagern und zum kühlen einer hydrodynamischen kupplung.

Info

Publication number: DE69008869T2
Application number: DE69008869T
Authority: DE
Inventors: Hakan Fransson; Lars-Olov Strandas
Original assignee: Saab Scania AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2010-12-21
Also published as: SE8904416D0; US5323610A; EP0507887B1; SE8904416L; SE465685B; BR9007916A; EP0507887A1; WO1991010076A1; DE69008869D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruches 1. Die Erfindung wird vorteilhafterweise bei Verbrennungsmotoreinheiten der Verbundart für Kraftfahrzeuge angewendet, die einen Verbrennungsmotor, eine durch die Abgase des Motors angetriebene Turbine und eine zwischen der Turbine und einer vom Motor ausgehenden Kurbelwelle angeordnete Kraftübertragung mit einer mit Öl durchströmten hydrodynamischen Kupplung aufweist.

Stand der Technik

Die Konstrukteure von Verbrennungsmotoren haben lange Zeit versucht, aus den Abgasen des Motors die größtmögliche Energie zu erhalten, die ansonsten verloren ginge. Eine übliche Möglichkeit dafür besteht darin, den Motor mit einem sogenannten Turbolader auszustatten, mit einer Turbine, die durch die Abgase angetrieben wird und mechanisch an einen Kompressor gekoppelt ist, mit dem die Verbrennungsluft zum Aufladen des Motors komprimiert wird. Seit ihrer Erscheinung vor 40 bis 50 Jahren sind Turbolader weiterentwickelt und verfeinert worden und haben dadurch einen hohen Grad von Einstellbarkeit und Betriebssicherheit erhalten. Dennoch verbleibt nach Verlassen der Turbine immer noch eine große Energiemenge in den Abgasen.
Ein Verfahren zur Nutzung von wenigstens einem Teil dieser überschüssigen Energie besteht darin, in Serie mit und stromabwärts dieser ersten Turbine eine zweite von den Abgasen angetriebene Turbine anzuordnen. Wenn diese Turbine in irgend einer Weise gekoppelt ist, so dar sie einen Teil der überschüssigen Energie mechanisch an die Kurbelwelle des Motors bzw. an damit verbundene Kraftübertragungen überträgt, erhält man ein Turboverbundsystem.
Derartige Systeme sind bereits bekannt, z.B. durch das US- Patent 4,586,337 (US Cl. 60-605) und die veröffentlichte internationale Patentanmeldung 86/00,665 (IPC4 Cl. F02B 41/10, 37/00, 67/00). Diese beiden Schriften zeigen Abgasturbinen, die über eine lange Welle und eine hydrodynamische Kupplung die vom Auspuff erhaltene Energie zur vorderen Ventilsteuerung einer Nockenwelle übertragen.
Durch die hydrodynamische Kupplung sollen die in der Auspuffturbine auftretenden Drehschwingungen von denen des Motors getrennt werden. In den SAE-Transactions, Band 62, Seiten 276-277, 1954 ist ein Turboverbundmotor dargestellt, der für Flugzwecke konstruiert und von Curtis-Wright entwickelt worden ist. Dieser 18-Zylinder-Motor weist drei Abgasturbinen-Bereiche auf, die über eine hydrodynamische Kupplung überschüssige Energie erhalten und an eine Kurbelwelle übertragen. Die Kupplung wird vom Schmierölsystem des Motors gespeist und über ihre Eingangswelle mit Öl versorgt.
Bei diesen Turboverbundsystemen ist es wichtig, die Verluste in der Kraftübertragung zwischen der Abgasturbine und der Kurbelwelle auf ein Minimum zu reduzieren, so daß sichergestellt ist, daß die von den Abgasen über die Turbine erhaltene überschüssige Energie der Kurbelwelle eine wirkliche zusätzliche Antriebskraft geben kann. Es ist von Vorteil, das Schmieröl des Motors als Antriebsmedium in der hydrodynamischen Kupplung zu verwenden, weil gleichzeitig die Lager in der hydrodynamischen Kupplung geschmiert werden können, und die Ölpumpe des Motors kann verwendet werden, um die hydrodynamische Kupplung gefüllt und kontinuierlich durchströmt zu halten, so daß die in der Kupplung erzeugte Wärme abgeleitet wird.
Die Hauptlager in der Flüssigkeitskupplung lagern einerseits das Laufrad im Pumprad und andererseits den stehenden Teil der Kupplung entweder im Lauf- oder im Pumprad. Bei konstantem Lauf sind die Lager, welche das Laufrad im Pumprad lagern, nur dem in der Flüssigkeitskupplung zwischen Pumprad und Laufrad vorherrschenden Schlupf ausgesetzt. Diese Lager, die das Laufrad im Pumprad lagern, können daher Langsamlauflager genannt werden, die nur bei Ausgleichsvorgängen höheren Geschwindigkeiten ausgesetzt werden, insbesondere bei momentanen Änderungen des Drehmoments auf die Eingangswelle zum Pumprad. Die Lager, die entweder das Pump- oder das Laufrad im stehenden Teil der Kupplung lagern, sind während des Betriebs kontinuierlich erheblich höheren Geschwindigkeiten ausgesetzt. Diese Lager können daher Schnellauflager genannt werden.
Das Prinzip, Schmieröl/Antriebsflüssigkeit zur Arbeitskammer einer hydrodynamischen Kupplung durch einen stehenden Teil in der Kupplung über Hauptlager zuzuführen, ist an sich aus den Patentschriften US,A,3,058,296, US-A,3,136,129 und FR,E,91671 bekannt.
Die FR,E,91671 stellt eine Lösung dar, bei der die Langsamlauflager der Kupplung, die das Laufrad im Pumprad lagern, mit Öl durchströmt sind, welches dann zur Arbeitskammer der Kupplung geführt wird. Das Schnellauflager weist jedoch überhaupt keine Durchflußschmierung auf.
Bei dem am nächsten kommenden Stand der Technik gemäß US,A,3,058,296 und US,A,3,136,129 werden sowohl die Langsamlauflager als auch die Schnellauflager von der gesamten Öl-/Hydraulikflüssigkeit durchströmt, die zur Arbeitskammer der Kupplung geleitet wird. Wenn die in der Arbeitskammer der Flüssigkeitskupplung erzeugte Wärme effektiv abgeleitet werden soll, erfordert dies relativ große Strömungen. Dies führt zu großen Verlusten in den Schnellauflagern.

Aufgabe der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine effektive Ölversorgung einer Arbeitskammer in einer mit Öl durchströmten hydrdynamischen Kupplung zu schaffen, wobei die Ölversorgung für eine Ableitung der in der Flüssigkeitskupplung erzeugten Wärme eingestellt werden kann.
Eine weitere Aufgabe ist es, gleichzeitig eine Schmierung der Lager der hydrodynamischen Kupplung unter Verwendung des gleichen Ölversorgungssystems zu erhalten, wobei diese Lager alle so konstruiert sind, daß sie von einem Ölstrom geschmiert werden, der durch sie hindurchströmt, ehe der Hauptölstrom die Arbeitskammer der hydrodynamischen Kupplung erreicht, was dazu führt, daß die Lager mit kühlerem Öl geschmiert werden.
Eine weitere Aufgabe ist es, jedes Lager von einem Ölstrom durchströmen zu lassen, der an die unterschiedlichen Arten von Lagern so angepaßt ist, daß die in den Lagern erzeugten Reibungsverluste so gering wie möglich gehalten werden.
In Anbetracht dessen ist die erfindungsgemäße Anordnung durch die Merkmale gekennzeichnet, wie sie dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 entnommen werden können.
Weitere die Erfindung und deren Vorteile kennzeichnende Merkmale können einer im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsform der Erfindung entnommen werden, wie sie mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 ist das Schema einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoreinheit.
Figur 2 zeigt im Detail die hydrodynamische Kupplung nach einer erfindungsgemaßen Ausführungsform.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Figur 1 zeigt das Schema einer Verbrennungsmotoreinheit 1 der Turboverbund-Art, mit einem Verbrennungsmotor 2, einem Abgasturbolader 22, der aus einer Abgasturbine 23 und einem von dieser angetriebenen Turbokompressor 24 besteht, der die Ansaugluft des Motors 2 komprimiert, einer zweiten Abgasturbine 3, die im Folgenden Leistungsturbine genannt wird, und einer zwischen der Leistungsturbine 3 und einer Kurbelwelle 5 im Verbrennungsmotor 2 angeordneten Kraftübertragung 4. Die Kurbelwelle 5 des Motors 2 treibt eine Masse 6, z. B. in Form eines schweren Landfahrzeugs, über eine Kraftübertragung 46 bestehend aus einer Kupplung 43 und einem Getriebe 25 an. Die Abgase des Motors 2 treiben in einer ersten Stufe die Abgasturbine 23 und danach die in Reihe gekoppelte Leistungsturbine 3 an.
Figur 2 zeigt im Detail eine hydrodynamische Kupplung 16, die Teil der Kraftübertragung 4 ist. Die Primärseite der Kupplung 16 wird durch die Leistungsturbine 3 über eine Welle 40, welche von letzterer ausgeht, und einem auf dieser Welle 40 angeordneten Zahnrad 41 getrieben. Das Zahnrad 41 greift in ein Zahnrad 19 ein, welches an einem in der Kupplung 16 angeordneten Pumprad 8 befestigt und Teil dieses Rades ist und treibt es an. Das Zahnrad 19 und das Pumprad 8 werden einerseits durch ein Kugellager 9 in einem Achsschenkel 10, der im Kupplungsgehause 37 befestigt ist, und andererseits in einem Kugellagersystem 12, das aus einem oder mehreren Kugel lagern 12 besteht, auf einer Lagerschale 13 gelagert, die in der Kupplung 16 an der Ausgangswelle 17 der Kupplung 16 angeordnet ist. Durch das Gehäuse 37 und den Achsschenkel 10 verläuft ein Kanal 14, durch den vom Schmiersystem des Motors 2 kommendes Öl einerseits zu (nicht dargestellten) Lagern, welche die Welle 40 lagern, und andererseits zur Kupplung 16 befördert wird. Der Kanal 14 wird einstellbar über eine Lagerdichtungsscheibe 35 gedrosselt und hält das Lager 9 in seiner Position und bildet gleichzeitig eine einstellbare Öffnung 21 zwischen sich und der Lagerschale 13. Die Öffnung 21 ist vorteilhafterweise so eingestellt, dar der durch sie strömende Ölstrom ausreicht, um die Flüssigkeitskupplung zu durchströmen und die erzeugte Wärme abzuleiten.
Bei einer Anwendung auf eine hydrodynamische Kupplung in einem Verbundsystem für einen 6-Zylinder-Verbrennungsmotor mit 400 PS und einem Druck von 3 Bar für das Ölschmiersystem wird die zum Ableiten der erzeugten Wärme erforderliche Strömung bei einem Durchlauf von 2 Litern pro Minute erreicht. Der größere Teil dieser Strömung strömt dann durch das Langsamlauflager 12, welches das Laufrad im Pumprad lagert. Hinter der Öffnung 21 mündet der Kanal 14 in einen Raum stromaufwärts des Langsamlauflagers 12. Der Raum ist im Hinblick auf das Schnellauflager 9 über einen Dichtungsring 36 abgedichtet, der jedoch genügend Öl für die Schmierung des Lagers 9 durchläßt.
Im Hinblick auf das Schnellauflager 9 ist es wichtig, daß der Ölstrom nicht so groß wird, daß die Reibungsverluste im Lager beginnen zuzunehmen. Für ein typisches kugelförmiges Kugellager kann das Mindestmaß an erforderlichem Ölstrom für eine effektive Schmierung ungefähr einen Zentiliter pro Minute betragen. Dies entspricht einer kontinuierlichen Dämpfung des Lagers. Für dieses kugelförmige Kugellager kann der höchstmögliche Ölstrom ungefähr einen Liter pro Minute betragen, und sollte dieser Wert überschritten werden, wird das Lager schwergangig und heißer und erzeugt große Reibungsverluste. Der Dichtungsring 36, der vorzugsweise ein Stahlring ist, ist an seiner radialen Innenseite geschliffen, wobei er eine geeichte Öffnung zwischen dem Dichtungsring 36 und der Lagerdichtungsscheibe 35 aufweist. Diese Öffnung ist so groß, daß ein begrenzter Ölstrom aus dem Raum stromaufwärts des Langsamlauflagers 12 zum Schnellauflager 9 austreten kann. Der Hauptanteil des Ölstroms durchläuft zunächst das Langsamlauflager 12 und schmiert dieses und erreicht dann die Arbeitskammer 34, während ein begrenzter Nebenstrom zum Schnellauflager 19 weitergeleitet wird. Der zum Schnellauflager geleitete Nebenstrom ist passend eingestellt, so dar das Schnellauflager einen Strom erhält, der innerhalb der erlaubten Mindest- und Höchststrombereiche für die betreffende Lagerart liegt wobei ein Spielraum sowohl im Hinblick auf die Mindest- als auch die Höchststromgrenzen gegeben ist.
Das Pumprad 8 bildet eine Einheit zusammen mit dem Zahnrad 19, einem Lagerhalter 15, einem Schaufelhalter 18 und einem Gehäuse 20. Das Zahnrad 19, der Lagerhalter 15 und der Schaufelhalter 18 werden durch eine Bolzenverbindung 7 zusammengehalten. Der Schaufelhalter 18 besteht aus einem Ring halbtorischer Form, in der die Schaufeln 28 der Primärseite angeordnet sind. Das Gehäuse 20 ist am Schaufelhalter 18 über eine Bolzenverbindung 23 befestigt die in in jeweiligen Flanschen 24 und 26 angeordneten Löchern 38 jeweils am Umfang des Gehäuses 29 und des Schaufelhalters 18 befestigt sind. Das Gehäuse 20 ist so gebogen, daß eine enge Öffnung 27 zwischen ihm und der Lagerschale 13 gebildet wird. Dadurch ist im Pumprad 8 eine Kammer 28 ausgebildet, in der die Sekundärseite der Kupplung 16 in Form eines Laufrades 30 angeordnet ist. Das Laufrad 30 besteht aus der Lagerschale 13 und einem Schaufelhalter 31, der in einem Flansch 33 auf der Lagerschale 13 durch eine Bolzenverbindung 32 gesichert ist. Der Schaufelhalter 31 weist die Form eines Ringes von beinahe halbtorischer Form auf, in dem die Schaufeln der Sekundärseite angeordnet sind. Der Schaufelhalter 31 wird so in Richtung Schaufelhalter 18 gedreht, daß diese zusammen eine torusförmige Arbeitskammer 34 bilden.
Dadurch wird Öl durch den Kanal 14 zur Kupplung 16 und weiter durch das Lager 12 zur Arbeitskammer 34 geleitet. Im Pumprad 8 wird das Öl in eine kreisförmige Bewegung versetzt. Aufgrund der Zentrifugalkraft wird das Öl nach außen zum äußeren Rand des Pumprades 8 gedrückt, von wo aus es mit einer höheren Geschwindigkeit quer hindurch zum Laufrad 30 strömt. Im Laufrad 30 wird die Strömungsenergie des Öls in eine mechanische Drehbewegung umgewandelt. Das Öl bleibt in der Arbeitskammer 34 aufgrund der Zentrifugalkraft in der Kupplung, wird jedoch neues, kühles Öl zugeführt, strömt das erwärmte Öl um den äußeren Rand des Laufrades 30 und wird durch einen überströmkanal/die Öffnung 27 ausgesprüht, der bzw. die sich radial innerhalb der Arbeitskammer 34 und dessen Pumprad und Laufrad 8, 30 befindet. Die Größe der Öffnung 27 bestimmt die dynamische Elastizität der Kupplung. Ist die Öffnung groß und weist einen großen Innendurchmesser in der Aussparung im Gehäuse 20 auf, wird der Füllgrad in der Arbeitskammer 34 reduziert, und die Kupplung wird dadurch elastischer. Dadurch kann die dynamische Elastizität der Kupplung einfach durch Dimensionierung der Größe der Öffnung angepaßt werden. Wenn die Kupplung in einem Gehäuse 37 eingebaut ist, wird das Öl im Gehäuse einerseits von der Öffnung 27 und andererseits vom Schnellauflager 9 gesammelt. Das Öl wird dann weiter durch ein Ablaufloch 39 im Gehäuse 37 zu einer (nicht dargestellten) Ölwanne geleitet.
Durch diese Anordnungen kann Öl als Arbeitsmedium zur Kupplung 16 und zur Schmierung und Kühlung zum Lagersystem 12 der Kupplung 16 geleitet werden. Die Versorgung erfolgt duch Teile der Kupplung 16/des Kupplungsgehäuses 37, die sich nicht drehen, wodurch die Möglichkeiten, lecksichere Ölströmungen zur Kupplung 16 zu schaffen, verbessert werden.

Claims

1. Anordnung zur effektiven Ölversorgung einer Arbeitskammer (34) in einer mit Öl durchsströmten hydrodynamischen Kupplung (16) und zur Schmierung der Lager (12, 9) der Kupplung, deren Ölversorgung durch einen Kanal (14) in dem stehenden Teil (10) der Kupplung (16) bewirkt wird, der in einen Raum der Kupplung (16) stromaufwärts eines ersten Lagers (12) mündet, durch welches das Pumprad (8) im Laufrad (30) der Kupplung (16) gelagert ist, wobei das Öl nach Durchströmen des ersten Lagers (12) die das Pumprad (8) und das Laufrad (30) enthaltende Arbeitskammer (34) der Kupplung (16) erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung des stehenden Teils (10) in einem der Räder (8, 30) der Kupplung (16) ein zweites Lager (9) angeordnet ist, welches mit dem Raum stromaufwärts des ersten Lagers (12) über eine Drossel (36) in Verbindung steht, wobei die Drossel gegen den Hauptölstrom zur Kupplung (16) abdichtet und nur eine zur Durchflußschmierung des zweiten Lagers (9) ausreichende Ölmenge durchläßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (34) der Kupplung (16) durch einen Überströmkanal (27) in Form einer Öffnung (27) entleert wird, die zwischen einer Lagerschale (13), die auf einer von der Kupplung (16) ausgehenden Kraftabgabewelle (17) angeordnet ist, und einem einen Teil der Kupplung (16) bildenden Pumpenrad (8) liegt, wobei der Überströmkanal radial innerhalb der Arbeitskammer (34) der Kupplung (16) liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung in einem Gehäuse (37) eingeschlossen ist, das einerseits das über den Überströmkanal (27) für die Arbeitskammer (34) der Kupplung (16) ausgetretene Öl und andererseits das durch das zweite Lager (9) geströmte Öl sammelt, wobei ein im Bodenteil des Gehäuses (37) angeordnetes Loch (39) das Öl zu einem Ölsumpf im Ölversorgungssystem weiterführt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Raum mündende und durch den stehenden Teil (10) hindurchgehende Kanal (14) mittels einer Lagerdichtungsscheibe (35) für das zweite Lager (9) einstellbar gedrosselt ist, wobei die Lagerdichtungsscheibe (35) einen einstellbaren Spalt (21) zwischen sich und einem mit dem Pumprad (8) rotierenden Bauteil (13) bildet.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ölversorgungssystem zu einem Ölversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor (2) gehört, und daß die hydrodynamische Kupplung (16) zur Übertragung von aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors in einer Verbundmaschine (3) gewonnener Energie an die Kurbelwelle (5) des Verbrennungsmotors (2) verwendet wird.