-
Mehrstufiger hydraulischer Momentwandler Die Erfindung bezieht sich
auf hydraulische Momentwandler mit mehreren angetriebenen Turbinenschaufelkränzen
und bezweckt eine Anpassung derartiger Momentwandler an stark wechselnde Betriebsverhältnisse
durch Änderung der Anzahl der getriebenen Turbinenschaufeln. Der Momentwandler soll
also, entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen, als einstufiges, zwei-oder
mehrstufiges Flüssigkeitsgetriebe arbeiten können, wobei sich für die verschiedenen
Stufenzahlen verschiedene Wirkungsgradkurven ergeben, die im Verhältnis zueinander
so verlaufen, daß man über den größten Teil des Belastungsbereiches einen möglichst
hohen und flach verlaufenden Wirkungsgrad erhält.
-
Es ist bereits vorgeschlagen worden, in einem hydraulischen Momentwandler
mehrere parallele Flüssigkeitskreisläufe anzuordnen, die abwechselnd in Betrieb
gesetzt werden können, beispielsweise derart, daß bei Einschaltung des einen Kreislaufes
das Flüssigkeitsgetriebe als einstufiger Momentwandler und bei Einschaltung eines
zweiten Kreislaufes und gleichzeitiger Ausschaltung des ersten Kreislaufes als zweistufiger
Momentwandler arbeitet. Derartige Getriebe erfordern jedoch für die praktische Ausführung
verwickelte Konstruktionen und ergeben nicht den gewünschten hohen Wirkungsgrad.
Außerdem tritt bei Umschaltung des Flüssigkeitsstromes von dem einen auf den oder
die anderen Kreisläufe eine kurzzeitige Unterbrechung der Kraftübertragung auf,
die im praktischen Betrieb sehr unerwünscht ist. Nach anderen Vorschlägen wird ein
Teil eines Turbinenschaufelkranzes wahlweise aus dem Kreislauf
herausgeführt
oder in denselben eingesetzt; was jedoch wegen der verschiedenen Strömungsverhältnisse
ebenfalls ungünstig auf den Wirkungsgrad des Getriebes einwirkt.
-
Der Momentwandler nach der Erfindung unterscheidet sich von den bekannten
Vorschlägen dadurch, daß die Anzahl der selbständigen Turbinenschaufelkränze in
ein und demselben Flüssigkeitskreislauf veränderlich ist. Während bei dem zuletzt
genannten bekannten Vorschlag ein Teil eines Turbinenschaufelkranzes aus dem Flüssigkeitskreislauf
entfernbar angeordnet ist, so daß das Getriebe immer mit derselben- Stufenzahl arbeitet,
wird gemäß der Erfindung die Anzahl der selbständigen Turbinenschaufelkränze veränderlich
gemacht, so daß das Getriebe also mit verschiedener Stufenzahl arbeiten kann. Von
dem ersten Vorschlag unterscheidet sich das Getriebe nach der Erfindung dadurch,
daß die Flüssigkeit unabhängig von der Anzahl wirksamer Turbinenschaufelkränze stets
in ein und demselben Flüssigkeitskreislauf arbeitet.
-
Bei einem Getriebe gemäß der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft,
die Turbinenläufer in entgegengesetztem Drehsinn umlaufen zu lassen. Dadurch passen
sich die Strömungsverhältnisse besser den durch die Änderung der Anzahl der Turbinenschaufelkränze
bedingten verschiedenen Verhältnissen an. Außerdem kommen die feststehenden Leitschaufeln
zwischen zwei aufeinanderfolgenden, entgegengesetzt umlaufenden Turbinenschaufelkränzen
in Wegfall, und man erhält für eine gegebene Anzahl von Turbinenschaufeln eine größere
Summe der Quadrate der Umfangsgeschwindigkeiten.
-
Einige Beispiele von gemäß der Erfindung ausgeführten hydraulischen
Momentwandlern sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt Fig. i einen mehrstufigen
hydraulischen Momentwandler im halben Teilmittellängsschnitt, bei dem zwei Turbinenschaufelkränze
in entgegengesetztem Drehsinn umlaufen und auf eine gemeinsame getriebene Welle
arbeiten, Fig. i a -einen Schnitt durch das Gehäuse des hydraulischen Getriebes
in größerem Maßstab, Fig. 2 ein Kurvenschaubild über Wirkungsgrade und Zugkräfte,
Fig.3 ein Anwendungsbeispiel eines Momentwandlers nach der Erfindung auf ein Motorfahrzeug,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Turbinenlaufschaufelkränze aus dem
Kreislauf entfernbar angeordnet sind, und Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Turbinen im gleichen Drehsinn umlaufen.
-
Im Ausführungsbeispiel der Fig. i und i a bezeichnet i die mit einer
Maschine beliebiger Art verbundene treibende Welle des Momentwandlers, die in Lagern
:2 und 3 gelagert, ist. Das Lager 2 wird von einem Gehäuseteil 4 getragen, während
das Lager 3 auf einer Verlängerung 5 einer feststehenden Welle 6 aufgesetzt ist.
Mit der treibenden Welle i ist der die Pumpenschaufeln 7 tragende Pumpenläufer 8
fest verbunden, der ir einem Lager 9 gelagert ist. Mit io sind die Schaufeln des
ersten Turbinenläufers bezeichnet die von einer Scheibe ii getragen werden, welche
mit der als Hohlwelle ausgebildeten Turbinenwelle 12 fest verbunden ist. Die Schaufeln
des zweiten Turbinenläufers, der im vorliegenden Beispiel in entgegengesetztem Drehsinn
umläuft, sind mit 13 bezeichnet. Hinter dem zweiten Turbinenschaufelkranz sind Leitschaufeln
14 angeordnet. Im Betriebe strömt die Arbeitsflüssigkeit im Sinne des Pfeiles 15
durch die Arbeitskammer und überträgt dabei die ihr vom Pumpenläufer mitgeteilte
Leistung an die Turbinenschaufeln io und 13, während der Unterschied zwischen den
Sekundärmomenten und dem Primärmoment von den Leitschaufeln 14 aufgenommen wird.
Auf der in den Lagern 16; 17 und 18 gelagerten Turbinenwelle 12 ist ein Ritzel i9
aufgekeilt, das mit einem auf der getriebenen Welle 2o befestigten Zahnrad 21 im
Eingriff steht. Die Laufschaufeln 13 sind in später zu beschreibender Weise mit
dem Turbinenläufer 22 verbunden, der mit der gleichfalls als Hohlwelle ausgebildeten
Turbinenwelle 23 fest verbunden ist. Auf der Welle 23 ist ein Ritzel 24 angebracht,
das mit Hilfe eines Umkehrrades 25 mit einem- Zahnrad 26 kämmt. Das Zahnrad 26 ist
gleichfalls auf der getriebenen Welle 2o befestigt, so daß also beide Turbinen des
Getriebes auf dieser Welle arbeiten. Die vom Momentwandler übertragene Leistung
wird vom Kupplungsteil 27 auf die getriebene Maschine abgegeben. Die getriebene
Welle 2o ruht in Lagern 28 und 29.
-
Die Schaufeln 13 des zweiten Turbinenläufer s sind an einem Ring 3o
befestigt, der an seinem äußeren Umfang Vorsprünge 31 besitzt, die in axial verlaufende
Nuten 32 des Turbinenläufers 22 eingreifen, so däß der Ring 30 zusammen mit
den Schaufeln 13 in axialer Richtung gegenüber dem Läufer 22 verschoben werden kann;
während die genannten Teile gezwungen sind, an der Drehbewegung zusammen teilzunehmen.
An seinem inneren Umfang ist der Ring 30 mit einem Gewinde 33 versehen. Ein
an -seinem äußeren Umfang mit einem entsprechenden Gewinde versehener Ring 34 besitzt
an seinem inneren Umfang eine Verzahnung 35, in die ein Zahnrad 36 eingreift, dessen
Achse 37 auf der einen Seite im Turbinenläufer 22 und auf der anderen Seite in einer
Scheibe 38 gelagert ist. Die Scheibe 38 ist bei 39 mit dem Turbinenläufer 22 verbunden.
Im Betriebe laufen also die Turbinenschaufeln 13, der Ring 3o, der Turbinenläufer
22, der Ring 34, die Scheibe 38 und die Achse 37 des Zahnrades 36 gemeinsam um.
-
Um ohne Unterbrechung des Umlaufes die Turbinenschaufeln 13 aus dem
Kreislauf entfernen zu können, ist im vorliegenden Beispiel folgende Anordnung getroffen.
Eine innerhalb der Turbinenhohlwelle 23 angeordnete und bei 40 und 41 gelagerte-
Hohlwelle 42 ist an ihrem linken Ende zu einem Zahnrad 43 ausgebildet, welches in
das Zahnrad 36 eingreift. Auf einer Verlängerung 44 der Turbinenwelle 23 ist ein
Planetengetriebe angeordnet,
das aus einem auf der Verlängerung
44 befestigten Innenzahnrad 45, einem am Gehäuseteil46 befestigten Außenzahnrad
47 sowie einer Anzahl Zwischenrädern 48 besteht, die auf Achsen 49 frei gelagert
sind. Die Hohlwelle 42 trägt ein zweites Planetengetriebe, das aus einem auf der
genannten Welle befestigten Innenzahnrad 5o, einem äußeren Zahnrad 51 und aus einer
Anzahl von Planetenrädern 52 besteht, die ebenfalls auf den Achsen 49 frei gelagert
sind. Das Außenzahnrad 51 ist an seinem äußeren Umfang als Schneckenrad ausgebildet,
das im Eingriff mit einer im Gehäuseteil46 gelagerten selbsthemmenden Schnecke 53
steht.
-
Die beschriebene Vorrichtung zur Verschiebung der Turbinenschaufeln
13 arbeitet in folgender Weise. In der aus der Zeichnung ersichtlichen Lage
wird die Bewegung der Turbinenwelle 23 auf das Innenzahnrad 45 übertragen. Da das
Außenrad 47 fest mit dem Gehäuse verbunden ist, rollen die Planetenräder 48 auf
der Verzahnung des Außenrades ab, und die Planetenradachse 49 dreht sich um die
gemeinsame Achse 54 des Planetenradgetriebes, da infolge der Selbsthemmung der Schnecke
53 das Außenrad 51 des zweiten Planetengetriebes stillsteht. Da die einander entsprechenden
Räder der beiden Planetengetriebe die gleichen Durchmesser besitzen, erhalten die
Planetenräder 52 des zweiten Planetengetriebes die gleiche Bewegung wie die Planetenräder
48, und aus demselben Grund läuft das Innenrad 5o mit der gleichen Geschwindigkeit
und in der gleichen Richtung um wie das Innenrad 45. Es bewegt sich daher also auch
die mit dem Zahnrad 43 versehene Welle 42 in derselben Richtung und mit derselben
Drehzahl wie der Turbinenläufer 22, so daß das Zahnrad 36 keine Bewegung um die
eigene Achse 37 ausführt. Der Ring 34 behält daher seine Lage im Verhältnis zum
Turbinenläufer bei.
-
Soll nun eine Verschiebung der Schaufeln 13 des zweiten Turbinenläufers
aus dem Flüssigkeitskreislauf bewerkstelligt werden, so wird das Außenrad 51 des
auf der Welle 42 angeordneten Planetengetriebes mit Hilfe der Schnecke 53 in entsprechender
Richtung gedreht. Diese Drehbewegung wird ohne Beeinflussung des Umlaufes der Planetenradachse
49 durch das Planetenrad 52 auf das Innenrad 5o und damit auch auf die Welle 42
und das Zahnrad 43 übertragen. Die dadurch entstehende Relativbewegung zwischen
dem Zahnrad 43 und dem Zahnrad 36 bewirkt eine Verdrehung des Ringes 34 gegenüber
dem Turbinenläufer mit dem Ergebnis, daß der Ring 30 und die daran befestigten
Turbinenschaufeln 13 mit Hilfe des Gewindes 33 nach rechts geschraubt werden, bis
die Schaufeln zur Gänze aus dem Flüssigkeitskreislauf herausgezogen sind. Nach Stillsetzung
der Schnecke 53 hört die genannte Relativbewegung wieder auf, und die Wellen 23
und 42 laufen dann wieder mit der gleichen Drehzahl um.
-
Wenn dieTurbinenschaufeln 13 aus dem Flüssigkeitskreislauf herausgezogen
sind, nehmen sie bei starrer Verbindung der Zahnräder 24, 25, 26 am Umlauf teil,
da sie in diesem Falle von der getriebenen Welle 2o über die genannten Zahnräder
in Umlauf gehalten werden, wodurch Ventilationsverluste entstehen, die den Wirkungsgrad
des hydraulischen Getriebes ungünstig beeinflussen können. Um dies zu vermeiden,
ist das Zahnrad 24 auf der Turbinenwelle 23 nicht starr befestigt, sondern mit dieser
durch eine Freilaufkupplung 55 verbunden, die so ausgebildet ist, daß sie die Turbinenwelle
23 mit dem Zahnrad 24 kuppelt, wenn die Turbinenwelle auf das Zahnrad antreibend
wirkt, d. h. bestrebt ist, schneller umzulaufen als das Zahnrad, und daß sie die
beiden Teile entkuppelt, wenn die Drehzahl der Turbinenwelle geringer wird als die
des Zahnrades 24. Letzteres ist der Fall, wenn die Turbinenschaufeln 13 aus dem
Kreislauf herausgezogen sind, da sie dann von der Flüssigkeit nicht mehr beaufschlagt
werden. Infolge der Freilaufverbindung kommt dann der Turbinenläufer sowie die gesamte
Einrichtung zur Verschiebung der Turbinenschaufeln zum Stillstand. Werden die Turbinenschaufeln
dann wieder in den Kreislauf eingeführt, so beginnt das beschriebene System wieder
umzulaufen, und sobald die Drehzahl des Turbinenläufers diejenige des Zahnrades
24 erreicht hat, kuppelt der Freilauf 55 selbsttätig die Turbinenwelle 23 mit dem
Zahnrad 24.
-
Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm zeigt den Verlauf des Wirkungsgrades
und der Zugkraftkurve eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Momentwandlers. Die
Abszisse stellt die Sekundärdrehzahl des Getriebes dar. Die Kurve 64 zeigt den Verlauf
der Wirkungsgradkurve für den Fall, daß beide Turbinenkränze in Betrieb sind.
-
Diese Kurve erreicht ihren Höchstwert bei beispielsweise 450 Umdrehungen
in der Minute. Die Kurve 65 stellt den Verlauf des Wirkungsgrades dar, wenn nur
der eine Turbinenkranz in Betrieb ist, und erreicht ihren Höchstwert bei beispielsweise
9oo Umdrehungen in der Minute. Die beiden Kurven schneiden sich in einem Punkt 66,
der einer Umdrehungszahl von beispielsweise 6oo entspricht. Beim Anfahren und bei
geringen Geschwindigkeiten wird mit beiden Turbinenläufern gearbeitet, während bei
Erreichung der dem Punkt 66 entsprechenden Sekundärdrehzahl die Turbinenlaufschaufeln
13 aus dem Kreislauf gezogen werden und das Getriebe nur mit den Turbinenlaufschaufeln
ro arbeitet. Die stark ausgezogenen Teile der Wirkungsgradkurve stellen somit den
tatsächlichen Verlauf des Wirkungsgrades vor. Wie aus dem Diagramm ersichtlich,
behält der Wirkungsgrad über einen großen Bereich der Drehzahl einen sehr günstigen
Wert. Die Kurve 67 stellt den Verlauf der Zugkraft bei Verwendung beider Turbinenkränze
dar, während die Linie 68 die Zugkraft bei Verwendung eines einzigen Turbinenkranzes
zeigt. Die stark ausgezogenen Teile dieser beiden Kurven geben den Verlauf der Zugkraft
bei der Änderung der Stufenzahl des Getriebes gemäß der Erfindung wieder.
-
Fig. 3 zeigt eine Form der Anwendung eines Momentwandlers gemäß der
Erfindung auf ein Motorfahrzeug. Es bezeichnet 69 das Gehäuse des Motors
und
7o das Gehäuse des Momentwandlers. Die Turbinenwelle 12 arbeitet über die Zahnradübersetzung
i9, 2r auf die Welle 2o, die über eine Gelenkkupplung 71 und die Kegelräder 72 und
73 das vordere Räderpaar 74 antreibt. Die in entgegengesetztem Sinne umlaufende
zweite Turbinenwelle 23 treibt über eine Welle 75, eine Gelenkkupplung 76 und die
Räder 77 und 78 das Hinterradpaar 79 ari. Die Wellen 2o und 75 können gegebenenfalls
auch miteinander verbunden sein, wie dieses bei 8o angedeutet ist. Die Anordnung
getrennter Treibwellen hat jedoch den Vorteil, daß beispielsweise durch Gleiten
eines Radpaares verursachte vorübergehende Unterschiede in der Belastung von den
in entgegengesetztem Sinne umlaufenden Turbinen selbsttätig ausgeglichen werden.
-
Zum Anfahren und für die geringe Geschwindigkeiten sind beide Turbinen
eingeschaltet, während bei Erreichung höherer Fahrgeschwindigkeiten der eine Turbinenschaufelkranz
durch Betätigung der Schnecke 53 aus dem Kreislauf gezogen wird und der Antrieb
also nur auf das Räderpaar 74 erfolgt.
-
Die Einrichtung zur Außerbetriebsetzung der Turbinenschaufeln 13 ist
in gleicher Weise ausgebildet wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. i und braucht
daher hier nicht näher beschrieben zu werden.
-
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel; bei dem das Getriebe zwei Turbinenkränze
besitzt, die beide aus dem Flüssigkeitskreislauf entfernbar angeordnet sind. Die
Pumpenwelle ist hier mit ioo, der Pumpenläufer mit ioi und die Pumpenschaufeln mit
io2 bezeichnet. Die Laufschaufeln des ersten Turbinenkranzes 103 sind mit dem ersten
Turbinenläufer 104 und die Schaufeln des zweiten, in entgegengesetzter Richtung
umlaufenden- Turbinenkranzes io5 mit dem zweiten Turbinenläufer io6 verbunden. Die
feststehenden Leitschaufeln io7 sind wieder mit einer stillstehenden Welle io8 verbunden.
Die Vorrichtung zur Verschiebung der Turbinenschaufeln 105 ist in der Zeichnung
nicht vollständig dargestellt, da sie mit der in Fig. i beschriebenen entsprechenden
Vorrichtung übereinstimmt. Auch die Turbinenschaufeln 103, des ersten Turbinenläufers
sind in gleicher Weise verschiebbar angeordnet.
-
Der die Turbinenschaufeln 103 tragende rechte Schaufelring iog ist
an seinem inneren Ende zu einem zylindrischen Ring i io ausgebildet, dessen Länge
so gewählt ist, daß er, wenn die Turbinenschaufeln aus dem Kreislauf herausgeführt
sind, den Flüssigkeitskanal vollständig absperrt. In dieser Lage erhält man also
die gleiche Wirkung wie bei vollständig geschlossenen Leitschaufeln im Ausführungsbeispiel
der Fig. i oder bei vollständig geschlossenen Pumpenschaufeln der Ausführungsform
nach Fig. 5.
-
Die beschriebene Ausführungsform kann dahingehend abgeändert werden,
daß das Getriebe ohne Leitschaufeln ausgeführt wird. In diesem Falle erhält man
den Vorteil, däß, wenn die beiden Turbinen aus dem Kreislauf herausgezogen sind,
kein Getriebeteil vorhanden ist, der den Flüssigkeitsumlauf zwischen der Austritts-
und Eintrittsseite der Pumpe bremst, wobei natürlich vorausgesetzt ist, daß Turbinenschaufeln
103 nicht mit dem zylindrischen Ring i io versehen sind. Die Leistungsaufnahme der
Pumpe wird dann bei herausgezogenen Turbinen sehr gering, so daß der Antriebsmotor
im Leerlauf arbeiten kann.
-
Um die Leitschaufeln wegzulassen, kann eine der folgenden Maßnahmen
getroffen werden. Der sonst von den Leitschaufeln getragene Mittelteil des Getriebes
wird mit der Pumpe verbunden, was jedoch mit Rücksicht auf die dabei auftretenden
Ventilationsverluste weniger geeignet ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin,
den Mittelteil frei drehbar auf der Pumpe anzubringen. Schließlich kann der Mittelteil
auf einigen radialen oder axialen Zapfen gehängt werden, die mit frei schwenkbaren
stromlinienförmigen Hüllen bekleidet werden.
-
Fig: 5 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Turbinenläufer
in gleichem. Drehsinn umlaufen. In diesem Falle ist der erste der Turbinenschaufelkränze
aus dem Flüssigkeitskreislauf entfernbar angeordnet. Der Momentwandler gemäß Fig.
5 besteht aus einem Pumpenläufer i i i; der verstellbare Pumpenschaufeln 112 trägt
und dessen Welle als Hohlwelle 113 ausgebildet ist. Die Verstellung der Pumpenschaufeln
erfolgt wieder mit Hilfe von Zahnradsegmenten 114, die gemeinsam von einem auf der
Welle 115 befestigten Zahnrad 116 verstellt werden können. Die Verstelleinrichtung
für die Pumpenschaufeln kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, beispielsweise
in Form des oben beschriebenen Planetengetriebes. Das Turbinenschaufelsystem besteht
aus drei Stufen i 17,
118 und zig, von denen die erstgenannte in der an Hand
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschriebenen Weise aus dem Kreislauf herausgeführt
werden kann, in welchem Falle dann das Getriebe mit nur zwei Stufen arbeitet. Zwischen
den Turbinenschaufelkränzen sind mit dem Gehäuse verbundene feststehende Leitschaufelkränze
i2o und 121 angeordnet. Die Bewegung der Leitschaufeln 117 wird auf die Turbinenwelle
i22 und diejenige der Turbinenschaufeln 118 und ii9, die mit Hilfe eines Zwischenstückes
123 verbunden sind, auf die zweite Turbinenwelle 124 übertragen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt.
So kann z. B. ein dreistufiges Getriebe durch wahlweise Entfernung eines oder zweier
Laufschaufelkränze je nach den Betriebsverhältnissen entweder als dreistufiges,
zweistufiges oder einstufiges Getriebe arbeiten. Die Erfindung ist auch nicht an
das Vorhandensein verstellbarer Pumpenschaufeln, Leitschaufeln oder mit einem Turbinenschaufelsystem
verbundenen Absperrorganen gemäß Fig. 5 gebunden.