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Strömungsgetriebe Es ist mehrfach vorgeschlagen worden, die Schaufelräder
von Strömungsgetrieben mit drehbaren Schaufeln auszurüsten, um diese hinsichtlich
ihrer Ein- und Austrittswinkel den verschiedenen Betriebsbedingungen anpassen zu
können. Nach einigen Vorschlägen werden die Schaufeln willkürlich von außen verstellt.
Andere sehen eine fliehkraftabhängige Verstellung der Schaufeln vor. Auch mit elastisch
ausgebildeten Schaufeln mit selbsttätiger Verstellung durch den Druck der Getriebeflüssigkeit
hoffte man schon zum Ziel zu kommen.
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Die Erfindung betrifft eine neue Lösung für das selbsttätige Verstellen
der Schaufeln von Strömungsgetrieben zur selbsttätigen Anpassung des Übersetzungsverhältnisses
eines Strömungswandlers an den jeweiligen Betriebszustand. Die Erfindung geht dabei
davon aus, daß bei Strömungsgetrieben kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Antriebs-
und Abtriebsdrehzahl besteht, daß also auch die Schaufeln eines Laufrades nicht
in ausschließlicher Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl n1 oder von der Abtriebsdrehzahl
n2 verstellt werden dürfen, sondern in Abhängigkeit vom Verhältnis n2 : n1.
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Es ist an sich bekannt, mehrstufige Strömungsgetriebe in Abhängigkeit
von n2 : n1 umzuschalten. Die hierzu verwendeten Schalteinrichtungen, bei denen
zumeist von der Primärwelle und von der Sekundärwelle angetriebene Drehzahlmeßpumpen
verwendet werden, eignen sich wohl für die Umschaltung bei einem bestimmten Drehzahlverhältnis,
derart, daß bei allen Motordrehzahlen stets im richtigen Betriebszustand von einem
Getriebekreislauf
auf den anderen umgeschaltet wird, aber nicht
zur stetigen Verstellung etwa von Schaufeln. Die Erfindung geht daher einen anderen
Weg, indem sie eine Vorrichtung angibt, die nicht in Abhängigkeit von n2 : n1, sondern
in Abhängigkeit vom Verhältnis des Drehmomentes zum Quadrat der Drehzahl arbeitet.
Bei einem Drehmomentwandler üblicher Ausführung ist nämlich beispielsweise das Verhältnis
Moment am Turbinenrad zum Quadrat der Abtriebsdrehzahl (M2 : n22) eine eindeutige
Funktion von n2 : n1.
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Gemäß der Erfindung wird ein Laufrad des Wandlers drehbar auf seiner
Welle gelagert und mit dieser Welle über ein Verstellgetriebe verbunden, das das
auf die Welle einwirkende Drehmoment gegen die dem Quadrat der Drehzahl des Laufrades
proportionale Fliehkraft auswiegt und die Verstellung der Drehschaufeln oder sonstigen
verstellbaren Getriebeteile in Abhängigkeit von der relativen Verdrehung zwischen
dem Laufrad und seiner Welle vornimmt. Das Verstellgetriebe wird etwa gebildet durch
mehrere Fliehgewichte, die am Laufrad, gleichmäßig über den Umfang verteilt, drehbar
gelagert sind, ferner durch Laschen oder Stützarme, mit denen sich die Fliehgewichte
gegen Arme an der Welle des Laufrades abstützen, derart, daß die Radien der Drehachsen
der Fliehgewichte, die Verbindungslinien zwischen den Drehachsen und den Anlenkungspunkten
der Laschen, die Laschen selbst und die Arme an der Welle Gelenkvierecke bilden.
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Die Verstellung von Schaufeln in Abhängigkeit von der Relativverdrehung
zwischen dem Laufrad und seiner Welle ist eine bei Strömungskupplungen an sich bekannte
Maßnahme. Sie geschieht dort aber nur zur Begrenzung des maximal übertragenen Drehmomentes,
weshalb dort auch Laufrad und Welle lediglich über einige das Drehmoment messende
Federn miteinander verbunden sind, während das Verstellgetriebe zwischen Laufrad
und Welle gemäß der Erfindung den Wert M : n2 zu messen hat und die Schaufelverstellung
zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Wandlers dient.
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Andererseits ist aber auch schon ein Strömungswandler vorgeschlagen
worden, bei dem das Turbinenrad mit der Abtriebswelle über eine dem oben angegebenen
Verstellgetriebe entsprechende Vorrichtung verbunden ist. Diese Einrichtung dient
dort aber ebenfalls nicht zur stetigen Veränderung des Übersetzungsverhältnisses
des Wandlers, sondern lediglich zur starren Verbindung von Pumpen- und Turbinenradwelle,
bei dem für alle Antriebsdrehzahlen gleichbleibenden Drehzahlverhältnis n2 : n1
= I.
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Im Gegensatz zu den bekannten Vorschlägen mit selbsttätiger Schaufelverstellung
zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Wandlers, die durchweg den besonderen
hydraulischen Bedingungen des Wandlers nicht Rechnung tragen, wird durch die Ausbildung
gemäß der Erfindung erreicht, daß unabhängig von dem tatsächlichen Wert von Drehzahl
und Drehmoment die Verstellung der Schaufeln stets selbsttätig in der Weise vorgenommen
wird, daß einem bestimmten Verhältnis des Momentes dieses Schaufelrades zum Quadrat
seiner Drehzahl immer genau dieselbe Schaufelstellung entspricht. Die Größe der
Fliehkraft ist nämlich für eine bestimmte Stellung der Gewichte und der Laschen
sowie für eine gegebene Masse der Gewichte genau verhältnisgleich dem Quadrat der
Drehzahlen.
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Die Erfindung kann in erster Linie zur Verstellung der Turbinenschaufeln
eines Strömungswandlers Anwendung finden in der Weise, daß einem bestimmten Verhältnis
des Turbinendrehmomentes zum Quadrat der Turbinendrehzahl stets genau dieselbe Turbinenschaufelstellung
entspricht. Wenn hierbei die Einrichtung beispielsweise für 2ooo Umdrehungen pro
Minute entworfen und berechnet ist, so ist sie auch bei 5oo Umdrehungen je Minute
vollkommen in Ordnung; denn es ergeben sich dabei zwar im Verhältnis I6:I kleinere
Fliehkräfte, aber auch das hydraulische Drehmoment der Turbinen ist bei hydraulischer
Ähnlichkeit der Strömung ebenfalls I6mal kleiner. Die Einrichtung arbeitet damit
über den ganzen Drehzahlbereich, z. B. von der Leerlaufdrehzahl eines Kraftwagenmotors
bis zur Höchstdrehzahl, durchaus einwandfrei.
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In hydraulischer Beziehung ergibt jede Stellung der Turbinenschaufeln
für ein bestimmtes Verhältnis des Turbinendrehmomentes zum Quadrat der Drehzahl
den besten Wirkungsgrad, weil die Winkel der Relativströmung eindeutig durch dieses
Verhältnis bestimmt werden. Durch die Einrichtung kann daher erreicht werden, daß
die Turbinenschaufeln bei jeder Stellung der Fliehgewichte, also bei jedem Übersetzungsverhältnis
des Getriebes den bestmöglichen Wirkungsgrad ergeben.
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In gleicher Weise wie auf die Turbinenschaufeln kann die Erfindung
aber auch auf die Pumpenschaufeln Anwendung finden. Es ist hierbei nur wesentlich,
daß das Verhältnis Moment zu Drehzahl im Quadrat (M : n2) eine eindeutige Funktion
des Verhältnisses der Abtriebs- zur Antriebsdrehzahl ist.
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In welcher Weise die Verstellschaufeln selbst ausgebildet sind, ob
sie etwa in ihrer Gesamtheit verdreht werden oder ob nur die Ein- oder Austrittsenden
drehbar ausgebildet werden, spielt für die Erfindung keine Rolle, zumal hierfür
an sich verschiedene Vorschläge bekannt sind. Die Verstellung der Schaufeln oder
Schaufelteile wird etwa in der Weise vorgenommen, daß eine mit der Welle des Laufrades
verbundene Scheibe an ihrem Umfang mit einer Verzahnung versehen ist, in die mit
dem Drehzapfen der Schaufeln verbundene Hebel eingreifen, derart, daß bei einer
relativen Verdrehung zwischen der verzahnten Scheibe bzw. der die Scheibe tragenden
Welle und dem Laufrad die Schaufeln um ein dieser relativen Verdrehung entsprechendes
Maß verdreht werden.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
Abb.
I zeigt einen Längsschnitt durch einen Wandler mit drehbaren Turbinenschaufeln und
die Abb. 2 und 3 je einen Querschnitt für die beiden äußersten Lagen der Verstelleinrichtung.
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Das Turbinenrad I des Wandlers ist leicht drehbar, aber gegen Axialverschiebung
gesichert, auf der Abtriebswelle 2 gelagert. Die Turbinenschaufeln 3 sind mittels
je eines Zapfens 4 im Laufradkörper eingesetzt. Ein mit den Schaufeldrehzapfen verbundener,
an seinem Ende zahnförmig ausgebildeter Hebel 5 greift in eine am äußeren Umfang
einer mit der Abtriebswelle 2 verbundenen Scheibe 6 vorgesehene Verzahnung 7 ein.
In den beiden den Radkörper I bildenden Seitenwänden 8 und 9 sind drei Zapfen Io
drehbar gelagert, mit denen Gewichte I I fest verbunden sind. Die Gewichte sind
teilweise geschlitzt und tragen je einen Gelenkbolzen 12, an welchem jeweils das
Auge einer Lasche I3 eingehängt ist. Die anderen Enden der Laschen fassen an einem
in der Scheibe 6 eingesetzten Zapfen I4 an.
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Bei einer Drehung des Turbinenrades üben die auf die Gewichte II wirkenden
Fliehkräfte Drehmomente auf die Drehzapfen Io aus, die die Gewichte nach außen zu
drehen suchen. Die Laschen sind so angeordnet, daß sie durch das zu übertragende
Drehmoment der Turbinen auf Zug beansprucht werden. Diese Zugkräfte suchen die Gewichte
entgegen der Fliehkraft nach innen zu drehen. Die Einrichtung wirkt daher wie eine
Waage zwischen Fliehkraft und übertragenem Drehmoment.
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Bei der in Abb.2 gezeigten Stellung sind die Fliehgewichte II nach
innen geschwenkt, und die Laschen I3 befinden sich mit den Gewichten in der Strecklage.
Diese Stellung nimmt das Getriebe ein, wenn die Drehzahl sehr niedrig und das Drehmoment
groß ist. Praktisch wird diese Stellung nur bei Stillstand eingenommen, da die geringste
Fliehkraft die Gelenke bereits aus der Strecklage herauszwängt, wenn man von den
Reibungswiderständen an den Gelenken absieht.
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In der Abb.3 dagegen ist das Getriebe bei vollständig nach außen ausgeschwenkten
Gewichten dargestellt. Diese Lage entspricht einem Betriebszustand mit hoher Drehzahl
und geringem Turbinendrehmoment. Zwischen den beiden in den Abb. 2 und 3 gezeigten
Endlagen ist jede Zwischenstellung möglich. Es stellt sich nämlich das Gleichgewicht
stets so ein, daß das übertragene Drehmoment in einem bestimmten Verhältnis zur
Fliehkraft steht. Dieses Verhältnis ist von Punkt zu Punkt verschieden, entsprechend
der ständig wechselnden gegenseitigen kinematischen Lage der Getriebeteile zueinander.
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Der an Hand der Abb. 2 und 3 erläuterten Verstellung der Fliehgewichte
II und der Laschen I3 entspricht eine Verdrehung der mit der Abtriebswelle 2 verbundenen
Scheibe 6; während sich also die Gewichte aus der in der Abb.2 dargestellten Lage
in die in Abb. 3 dargestellte Lage bewegen, verdreht sich die Scheibe 6 gegenüber
dem Radkörper im Uhrzeigersinn um einen bestimmten Winkel. Diese Relativverdrehung,
welche in ihrer Größe von dem Ausschlagwinkel der Gewichte und von den Gelenkabständen
abhängt, unterliegt dem oben dargelegten Zusammenhang wiederum in der Weise, daß
zu einer bestimmten Relativlage von Radkörper und Abtriebsscheibe 6 auch ein bestimmtes
Verhältnis des Drehmomentes zu dem Quadrat der Drehzahl gehört. Bei der erwähnten
Relativverdrehung werden die Turbinenschaufeln 3 über die Verzahnung 7 an der Abtriebsscheibe
und die in diese Verzahnung eingreifenden, mit den Schaufeln verbundenen Hebel 5
verdreht. Sie nehmen daher mit stetig sich änderndem Verhältnis des Turbinenmomentes
zum Quadrat der Turbinendrehzahl eine stetig veränderliche Lage ein. Der Winkelbetrag
der Schaufelverdrehung ist entsprechend dem Verhältnis des Teilkreishalbmessers
der Verzahnung zur Länge der an den Schaufeldrehzapfen befestigten Hebel größer
als die Verdrehung zwischen Radkörper und Abtriebsscheibe.
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Die an Hand der Zeichnung geschilderte Verstellung der Turbinenschaufeln
könnte, wie erwähnt, in gleicher Weise auch an den Pumpenschaufeln vorgenommen werden.
Erforderlichenfalls können aber auch sowohl die Pumpenschaufeln als auch die Turbinenschaufeln
in dieser Weise verstellt werden.
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Das Verstellgetriebe liegt bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel
in einem von den Seitenwänden 8 und 9 gebildeten, mit Öl gefüllten Raum und ist
daher stets gut geschmiert. Die Ölfüllung läuft mit den Gewichten und mit den Laschen
um und verursacht daher keine Energieverluste durch Wandreibungen und Wirbel. Sollte
das ausgeführte System unter gewissen Betriebsbedingungen zu Schwingungen neigen,
so können durch dichtes Abschließen der Gewichte gegen die Wände Dämpfungsräume
gebildet werden.