EP1971788A1 - Hydrodynamische kupplung - Google Patents

Hydrodynamische kupplung

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Publication number
EP1971788A1
EP1971788A1 EP07818353A EP07818353A EP1971788A1 EP 1971788 A1 EP1971788 A1 EP 1971788A1 EP 07818353 A EP07818353 A EP 07818353A EP 07818353 A EP07818353 A EP 07818353A EP 1971788 A1 EP1971788 A1 EP 1971788A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wheel
hydrodynamic coupling
exhaust gas
bladed
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07818353A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Adleff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Voith Paper GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH, Voith Paper GmbH and Co KG filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP1971788A1 publication Critical patent/EP1971788A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D33/00—Rotary fluid couplings or clutches of the hydrokinetic type
    • F16D33/02—Rotary fluid couplings or clutches of the hydrokinetic type controlled by changing the flow of the liquid in the working circuit, while maintaining a completely filled working circuit
    • F16D33/04—Rotary fluid couplings or clutches of the hydrokinetic type controlled by changing the flow of the liquid in the working circuit, while maintaining a completely filled working circuit by altering the position of blades

Definitions

  • the invention relates to a hydrodynamic coupling, that is a turbomachine, which operates on the Föttinger principle.
  • Hydrodynamic couplings are known to have a bladed primary wheel, also called pump impeller, and a bladed secondary wheel, also called a turbine wheel. Both impellers face each other axially to form a separating gap and together form a generally toroidal working space.
  • the working space can be filled with a working medium, for example oil, water or a mixture thereof, in order to transfer torque from the impeller to the turbine wheel via a working medium circuit in the working space which is established during operation of the hydrodynamic coupling.
  • a particular application for a hydrodynamic coupling is a so-called turbocompound system.
  • a turbocompound system which is generally used in a motor vehicle, for example a truck, a useful turbine is arranged in the exhaust gas stream of an internal combustion engine, which is acted upon by the exhaust gas.
  • the power turbine converts the energy contained in the exhaust gas into a rotational movement.
  • the rotational movement is transmitted to the crankshaft of the internal combustion engine to drive the crankshaft.
  • a hydrodynamic coupling is introduced to the
  • the hydrodynamic coupling in such a turbocompound system is designed as a constant filling coupling, that is, as a hydrodynamic coupling whose working space is always at least one predetermined Working fluid quantity is filled, the power turbine is protected from overspeeding due to lack of torque support.
  • the impeller When applying a drive power to the shaft, the impeller moves on the external thread against the force of compression springs in the direction of the turbine wheel and thus "closes” the working fluid circuit in the working space, so that drive power from the impeller to the turbine wheel and thereby from the impeller bearing input shaft to a
  • the force of the compression springs outweighs the force driving the pump impeller towards the turbine wheel from the input torque and drives the impeller away from the turbine wheel an interruption of the torque transmission from the impeller to the turbine reaches.
  • hydrodynamic retarder are known in which the rotor with a return device, which a pressure surge on a rotor formed by the Piston surface selectively exerts, is axially displaceable from a working position to an idle position.
  • a hydrodynamic retarder is described in German Utility Model DE 299 03 829 U1.
  • patent specification DE 518 828 also describes a return device for the primary wheel or the secondary wheel of a hydrodynamic coupling, by means of which pressure oil can be selectively applied to a piston ring surface of the rotor of the displaceable wheel in order to effect an axial displacement.
  • the present invention has for its object to provide a hydrodynamic coupling, in particular constant filling, in which the torque or rotational power transmission between the two paddle wheels is automatically high in a first direction and is interrupted or reduced in a second, opposite direction.
  • the hydrodynamic coupling should have the simplest possible and compact construction and, in particular when used in a turbocompound system, improve this compared to the prior art.
  • the hydrodynamic coupling according to the invention is particularly suitable for systems, for example turbocompound systems, in which certain Operating conditions, a torque transmission from the primary to the secondary takes place, and in other operating conditions, an undesirable torque transmission from the secondary to the primary wheel should be prevented or reduced, thus a kind of free-wheeling function should be achieved.
  • At least one of the two wheels is mounted on a thread, in particular normal thread, coarse thread, swirl, helical or the like, that it by a rotational movement or a relative rotational movement relative to the thread / teeth in the axial direction of the hydrodynamic Clutch can be moved or moved so as to be approached in certain operating conditions in the direction of the other paddle or held with a predetermined minimum separation gap with respect to this, and can be traversed in other operating conditions of the other paddle wheel to the torque transmission through the working medium circuit largely or completely prevent or at least mitigate it.
  • a helical toothing or the like may be provided, by means of which the movable bladed wheel is supported, usually on a shaft.
  • the two bladed wheels can advantageously be mounted on a common shaft.
  • one of the two bladed wheels for example the secondary wheel
  • the second bladed wheel in particular the primary wheel
  • the first bladed wheel thus rotates with the speed of the shaft, whereas the speed of the second bladed wheel rotates in accordance with the torque or rotational power transmission in the working space at a different speed.
  • the hydrodynamic coupling advantageously has an oblique blading, that is to say the blades of the primary wheel and of the secondary wheel do not run in axial sectional planes through the axis of rotation, but are arranged at an angle thereto.
  • the blades are not perpendicular to an axially perpendicular plane through the separation gap.
  • the inclination or the angle of attack with respect to an axial section plane is such that the blades, which are advantageously aligned with each other, move in a first direction to each other in a first direction in a power transmission between the two paddles and in a second, opposite direction, moving spit each other.
  • fleeing and Sp dirtyend are known in the art.
  • Fled means that the inclination of the faster-rotating impeller, starting in the separating gap in the direction of the Schaufelrad Camills is designed in the direction of rotation
  • spit means that the inclination of the Blades of the faster rotating paddle wheel, starting in the separating gap in the direction of the Schaufelradteils counter to the direction of rotation is executed.
  • hydrodynamically relatively more power at the same amount of working fluid in the working space is transferred as in the fleeing operation.
  • Exhaust gas energy utilization that is, with transmission of drive power from the exhaust gas turbine to the crankshaft, moves the movable paddle wheel automatically to the other paddle wheel or remains approached, because the primary wheel connected to the exhaust gas turbine rotates faster than the secondary wheel connected to the crankshaft.
  • the startup and shutdown is thus exclusively due to the speed ratio between Primary and secondary determines or depending on which of the two wheels rotates faster compared to the other.
  • the coupling according to the invention can be designed as a constant filling coupling.
  • constant fill coupling in the present case is understood to mean a coupling in which the quantity of working medium in the working space and / or within the coupling varies, but there is always a minimum amount of working medium in the working space and / or the coupling.
  • an external working medium circuit may or may not be provided.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a hydrodynamic coupling in one
  • FIG. 2 shows a section through a hydrodynamic coupling designed according to the invention in a first operating state with a secondary wheel approached;
  • Figure 3 shows the hydrodynamic coupling of Figure 2 in a second
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 2 in a hydrodynamic coupling with inlet control
  • Figure 5 shows the hydrodynamic coupling of Figure 4 in a worn state of the secondary wheel, in addition, a bypass is opened by the shutdown.
  • FIG. 1 shows a turbocompound system with an internal combustion engine 10, which has a crankshaft 11, and an exhaust gas turbine 12 in the exhaust stream 13 of the internal combustion engine 10.
  • the exhaust gas turbine 12 is in a drive connection with the crankshaft 11, in the present case via the gear train 15th , the hydrodynamic coupling 14 and the gear train 16.
  • This drive connection if sufficient exhaust gas or exhaust gas energy is present in the exhaust stream 13, transmitted drive power from the exhaust gas turbine 12 to the crankshaft 11.
  • the hydrodynamic coupling 14 is therefore provided to reduce or prevent this drag torque according to the invention with an axially displaceable paddle wheel, which automatically when the Abgaspiturbine 12 generates a drag torque is traversed by the other paddle wheel.
  • FIGS. 2 to 5 A section through such a hydrodynamic coupling is shown in FIGS. 2 to 5.
  • the primary wheel 1 is the secondary wheel 2, while maintaining a more or less large separation gap axially opposite.
  • the size of the separating gap is determined by the axial position of the secondary wheel 2, which is directly supported on a thread 4 of a shaft 5.
  • Both the primary wheel 1 and the secondary wheel 2 each have a blading 7, which is advantageously designed as an inclined blading.
  • the shaft 5 carries a rolling bearing 6, here in the form of a double ball bearing, and the primary wheel. 1
  • the working space 3 is always filled with a minimum amount of working fluid.
  • the primary wheel 1 is connected via the flange 19 indirectly to the exhaust gas turbine (not shown).
  • the secondary wheel 2 is (not shown) via the shaft 5 and a provided on this gear 20 or flange indirectly with the crankshaft (not shown).
  • FIG 3 shows the conditions which result when the power flow from the crankshaft (not shown) via the secondary wheel 2 to the primary wheel 1 and then the exhaust gas utilization turbine (not shown) takes place, see the arrows.
  • the secondary wheel 2 runs at a higher speed than the primary wheel 1.
  • the secondary wheel 2 is thereby automatically driven off the primary wheel 1.
  • the shutdown is again without the force of springs or a hydrodynamic actuator.
  • the power transmission is prevented or at least reduced by the larger axial distance between the secondary 2 and the primary wheel 1.
  • the inlet 8 is not closed, whereas it is closed in the extended state of the secondary wheel 2 ( Figure 5). This closing takes place automatically by the shutdown of the secondary wheel 2.
  • the outlet opening of the inlet 8 is an inlet opening of a bore 9 in the secondary wheel 2 opposite.
  • the bore 9 opens into the working space 3.
  • the bore 9 is moved along, so that the inlet 8 in the extended state of the secondary wheel 2 of the bore 9 no longer faces. Rather, the inlet 8 is then closed by a radially inner surface of the secondary wheel 2.
  • a bypass 21 may be provided, by means of which working medium in the worn state of the secondary wheel 2 is guided past the working space 3.
  • this is achieved in that the bypass 21 facing the inlet 8 in the worn state of the secondary wheel 2 such that the working fluid is passed from the inlet 8 through the bypass 21 and outside the working chamber 3 and the coupling shell 18 is output.
  • the bypass 21 is also executed in the case shown in the form of a bore through the secondary wheel 2.
  • the mouth of the bypass 21 is axially offset from the inlet 8 and is covered by a radially outer surface of the shaft 5.
  • the secondary wheel is shown as axially displaceable, additionally or alternatively, the primary wheel may be axially displaceable in order to achieve the effect according to the invention.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung - mit einem beschaufelten Primärrad und einem beschaufelten Sekundärrad, die sich axial gegenüberstehen und miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum, der mit einem Arbeitsmedium befüllbar oder befüllt ist, ausbilden; - wenigstens eines der beiden beschaufelten Räder ist auf einem Gewinde, einer Schrägverzahnung oder dergleichen gelagert, so dass es durch eine relative Drehbewegung gegenüber dem Gewinde, der Schrägverzahnung oder dergleichen in eine erste Richtung von dem anderen beschaufelten Rad in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung abfahrbar ist, und durch eine relative Drehbewegung in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung in Richtung des anderen beschaufelten Rads anfahrbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass - die hydrodynamische Kupplung frei von einer Rückstelleinrichtung für das in Axialrichtung verfahrbare Rad ist, welche das verfahrbare Rad unmittelbar oder mittelbar mit einer Federkraft oder mit einer axialen Druckkraft zum Verfahren desselben beaufschlagt.

Description

Hydrodynamische Kupplung
Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, das heißt eine Strömungsmaschine, die nach dem Föttinger-Prinzip arbeitet.
Hydrodynamische Kupplungen weisen bekanntlich ein beschaufeltes Primärrad, auch Pumpenrad genannt, und ein beschaufeltes Sekundärrad, auch Turbinenrad genannt, auf. Beide Schaufelräder stehen sich axial unter Bildung eines Trennspalts gegenüber und bilden gemeinsam einen in der Regel torusförmigen Arbeitsraum aus. Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise öl, Wasser oder ein Gemisch hieraus, befüllbar, um über einen sich im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung einstellenden Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum Drehmoment beziehungsweise Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad zu übertragen.
Ein besonderer Anwendungsfall für eine hydrodynamische Kupplung, wie ihn die vorliegende Erfindung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung betrifft, ist ein sogenanntes Turbocompoundsystem. Bei einem Turbocompoundsystem das in der Regel in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem LKW, Anwendung findet, ist im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eine Nutzturbine angeordnet, welche mit dem Abgas beaufschlagt wird. Die Nutzturbine wandelt im Abgas enthaltene Energie in eine Rotationsbewegung um. Die Rotationsbewegung wird auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen, um die Kurbelwelle anzutreiben. In die Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle ist eine hydrodynamische Kupplung eingebracht, um die
Antriebsleistung verschleißfrei von der Nutzturbine auf die Kurbelwelle zu übertragen.
Wenn die hydrodynamische Kupplung in einem solchen Turbocompoundsystem als Konstantfüllungskupplung ausgeführt ist, das heißt als eine hydrodynamische Kupplung, deren Arbeitsraum stets mit mindestens einer vorbestimmten Arbeitsmediummenge befüllt ist, so wird die Nutzturbine vor einer Überdrehzahl aufgrund von fehlender Drehmomentabstützung geschützt.
Um die Drehmomentübertragung einer Konstantfüllungskupplung einzuschalten beziehungsweise auszuschalten wird in der US 2,359,930, welche allgemein eine hydrodynamische Kupplung jedoch kein Turbocompoundsystem betrifft, vorgeschlagen, das Pumpenrad auf einer Welle mit einem Außengewinde zu lagern. Das Pumpenrad selbst weist eine Hülse mit einem Innengewinde auf, das mit dem genannten Außengewinde im Eingriff steht. Bei Aufbringen einer Antriebsleistung auf die Welle wandert das Pumpenrad auf dem Außengewinde entgegen der Kraft von Druckfedern in Richtung des Turbinenrads und „schließt" damit den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum, so dass Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad und dadurch von der das Pumpenrad tragenden Eingangswelle auf eine das Turbinenrad tragende Ausgangswelle übertragen wird. Wenn das an dem Pumpenrad beziehungsweise dessen Welle angreifende Drehmoment reduziert wird, überwiegt die Kraft der Druckfedern die das Pumpenrad in Richtung des Turbinenrads treibende Kraft aus dem Eingangsdrehmoment und fährt das Pumpenrad vom Turbinenrad ab. Durch dieses axiale Abfahren wird eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad erreicht.
Um die Druckfedern in der hydrodynamischen Kupplung vorsehen zu können, ist ein entsprechender Bauraum notwendig, welcher zu relativ großen Abmaßen der hydrodynamischen Kupplung in Axialrichtung führt. Ferner ist eine Vielzahl von Lagern erforderlich, um die Eingangswelle und die Ausgangswelle fluchtend zueinander zu lagern. Schließlich ist der vorgeschlagene Aufbau der hydrodynamischen Kupplung komplex und anfällig für Störungen.
Ferner sind hydrodynamische Retarder bekannt, bei welchen der Rotor mit einer Rückstelleinrichtung, die einen Druckstoß auf eine vom Rotor ausgebildete Kolbenfläche gezielt ausübt, aus einer Arbeitsposition in eine Leerlaufposition axial verschiebbar ist. Ein solcher hydrodynamischer Retarder wird in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 299 03 829 U1 beschrieben.
Schließlich beschreibt die Patentschrift DE 518 828 ebenfalls eine Rückstelleinrichtung für das Primärrad oder das Sekundärrad einer hydrodynamischen Kupplung, mittels welcher auf eine Kolbenringfläche des Rotors des verschiebbaren Rades gezielt Drucköl aufgebracht werden kann, um eine axiale Verschiebung zu bewirken.
Wie leicht erkennbar ist, führen auch solche Rückstelleinrichtungen, die mit wahlweise aufbringbaren axialen Druckkräften arbeiten, zu einer Komplexität des Aufbaus eine hydrodynamische Maschine und somit zu einem größeren Bauraum, höheren Herstellungs- und Wartungskosten. Ferner sind solche Vorrichtungen, die mit einem Druckstoß oder einem Druckimpuls arbeiten, störungsanfällig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung, insbesondere Konstantfüllungskupplung, anzugeben, bei welcher die Drehmoment- beziehungsweise Drehleistungsübertragung zwischen den beiden Schaufelrädern automatisch in eine erste Richtung hoch ist und in eine zweite, entgegengesetzte Richtung unterbrochen beziehungsweise herabgesetzt wird. Die hydrodynamische Kupplung soll dabei einen möglichst einfachen und kompakten Aufbau aufweisen und insbesondere bei Verwendung in einem Turbocompoundsystem dieses gegenüber dem Stand der Technik verbessern.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung ist besonders für Systeme, beispielsweise Turbocompoundsysteme, geeignet, in welchen in bestimmten Betriebszuständen eine Drehmomentübertragung vom Primärrad auf das Sekundärrad stattfindet, und in anderen Betriebszuständen eine unerwünschte Drehmomentübertragung vom Sekundärrad auf das Primärrad unterbunden beziehungsweise vermindert werden soll, somit eine Art Freilauffunktion erreicht werden soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eines der beiden Räder derart auf einem Gewinde, insbesondere Normalgewinde, Steilgewinde, Drallgewinder, einer Schrägverzahnung oder dergleichen gelagert ist, dass es durch eine Drehbewegung beziehungsweise eine relative Drehbewegung gegenüber dem Gewinde/der Verzahnung in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung verschoben beziehungsweise verfahren werden kann, um so in bestimmten Betriebszuständen in Richtung des anderen Schaufelrads angefahren beziehungsweise mit einem vorgegebenen minimalen Trennspalt gegenüber diesem gehalten zu werden, und in anderen Betriebszuständen von dem anderen Schaufelrad abgefahren werden kann, um die Drehmomentübertragung über den Arbeitsmediumkreislauf weitgehend oder vollständig zu unterbinden oder zumindest abzuschwächen.
Anstelle des Gewindes kann auch eine Schrägverzahnung oder dergleichen vorgesehen sein, mittels welcher das verfahrbare beschaufelte Rad getragen wird, in der Regel auf einer Welle.
Im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik wird bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung jedoch auf die bisher notwendigen Druckfedern als Rückstelleinrichtung und ferner auf jegliche, eine Federkraft auf das verfahrbare Rad aufbringende Rückstelleinrichtung verzichtet. Vielmehr erfolgt das An- und Abfahren des in Axialrichtung verfahrbaren beschaufelten Rads, das Primärrad und/oder das Sekundärrad, ausschließlich durch das Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Schaufelrädern. Wenn das Primärrad mit einer größeren Drehzahl umläuft als das Sekundärrad, wird durch das Gewinde beziehungsweise die Schrägverzahnung eine Kraft in eine erste Axialrichtung auf das verfahrbare Rad aufgebracht. Wenn das Sekundärrad mit einer größeren Drehzahl umläuft als das Primärrad, wird auf das verfahrbare Rad eine Kraft in einer zweiten axialen Richtung aufgebracht, wobei die zweite Axialrichtung entgegengesetzt zu der ersten Axialrichtung gerichtet ist. Allein durch diese Kraftaufbringung, das heißt die Umwandlung von Drehmoment in eine Schubkraft mittels dem Gewinde, erfolgt das Verfahren, das heißt das An- und Abfahren, des verfahrbaren Rads gegenüber dem anderen beschaufelten Rad.
Die beiden beschaufelten Räder können vorteilhaft auf einer gemeinsamen Welle gelagert sein. Beispielsweise kann eines der beiden beschaufelten Räder, beispielsweise das Sekundärrad, unmittelbar, insbesondere mittels der Verzahnung, auf der Welle gelagert sein, und das zweite beschaufelte Rad, insbesondere das Primärrad, kann auf dieser Welle relativgelagert sein, das heißt über ein zwischengeschaltetes Lager, insbesondere Wälzlager, auf der Welle gelagert sein. Das erste beschaufelte Rad läuft somit mit der Drehzahl der Welle um, wohingegen die Drehzahl des zweiten beschaufelten Rads entsprechend der Drehmoment- beziehungsweise Drehleistungsübertragung im Arbeitsraum mit einer abweichenden Drehzahl umläuft.
Die hydrodynamische Kupplung weist vorteilhaft eine Schrägbeschaufelung auf, das heißt die Schaufeln des Primärrad und des Sekundärrads verlaufen nicht in Axialschnittebenen durch die Drehachse, sondern sind winklig hierzu angeordnet. Anders ausgedrückt stehen die Schaufeln nicht senkrecht auf einer achssenkrechten Ebene durch den Trennspalt. Die Schrägstellung beziehungsweise der Anstellwinkel gegenüber einer Axialschnittebene ist derart, dass die Schaufeln, welche vorteilhaft miteinander fluchten, bei einer Leistungsübertragung zwischen den beiden Schaufelrädern in eine erste Richtung sich fliehend zueinander und in eine zweite, entgegengesetzte Richtung, sich spießend zueinander bewegen.
Die Begriffe fliehend und spießend sind dem Fachmann bekannt. Fliehend bedeutet, dass die Schrägstellung des sich schneller drehenden Schaufelrads, beginnend im Trennspalt in Richtung des Schaufelradbodens in Drehrichtung ausgeführt ist, wohingegen spießend bedeutet, dass die Schrägstellung der Schaufeln des sich schneller drehenden Schaufelrads, beginnend im Trennspalt in Richtung des Schaufelradbodens entgegen der Drehrichtung ausgeführt ist. Im spießenden Betrieb wird hydrodynamisch verhältnismäßig mehr Leistung bei derselben Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum übertragen als im fliehenden Betrieb.
Bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Turbokupplung in einem Turbocompoundsystem kann folgendes Verfahren verwirklicht werden: In Bethebszuständen, in welchen genügend Abgas mit einer ausreichenden Abgasenergie vorhanden ist, mit welchem die Abgasnutzturbine beaufschlagt wird, findet eine Antriebsleistungsübertragung von der Abgasnutzturbine über die hydrodynamische Kupplung auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors statt. In Bethebszuständen, in denen nur wenig Abgas und/oder eine zu niedrige Abgasenergie zur Verfügung steht, und so eine Leistungsübertragung von der Kurbelwelle über die hydrodynamische Kupplung auf die Abgasnutzturbine stattfinden würde, was im Traktionsbetrieb unerwünscht ist, fährt das verfahrbare Schaufelrad, beispielsweise das Sekundärrad, automatisch dadurch von dem anderen Schaufelrad ab, dass sich das mit der Kurbelwelle in einer Triebverbindung verbundene Sekundärschaufelrad schneller dreht als das in einer Triebverbindung mit der Abgasnutzturbine stehende Primärrad. Das axiale Abfahren bewirkt eine Verminderung oder Unterbrechung der Antriebsleistungsübertragung über die hydrodynamische Kupplung, so dass von der Abgasnutzturbine kein unerwünschtes Schleppmoment auf die Kurbelwelle übertragen wird.
Im erstgenannten Fall hingegen, im Traktionsbetrieb mit
Abgasenergieausnutzung, das heißt mit Übertragung von Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle, fährt das verfahrbare Schaufelrad automatisch an das andere Schaufelrad heran beziehungsweise bleibt herangefahren, weil das mit der Abgasnutzturbine verbundene Primärrad schneller umläuft als das mit der Kurbelwelle verbundene Sekundärrad. Das An- und Abfahren wird somit ausschließlich durch das Drehzahlverhältnis zwischen Primärrad und Sekundärrad bestimmt, beziehungsweise in Abhängigkeit davon, welches der beiden Räder im Vergleich zu dem anderen schneller umläuft.
Die erfindungsgemäße Kupplung kann als Konstantfüllungskupplung ausgeführt sein. Unter Konstantfüllungskupplung werden gemäß einer Ausführungsform solche Kupplungen verstanden, die in allen Betriebszuständen dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Arbeitmediummenge im Arbeitsraum und/oder innerhalb der Kupplung aufweisen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird unter Konstantfüllungskupplung vorliegend eine Kupplung verstanden, bei welcher die Menge von Arbeitsmedium im Arbeitsraum und/oder innerhalb der Kupplung variiert, jedoch stets eine Mindestarbeitsmediummenge im Arbeitsraum und/oder der Kupplung vorhanden ist. Bei beiden Ausführungsformen kann ein externer Arbeitsmediumkreislauf vorgesehen sein oder auch nicht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer hydrodynamischen Kupplung in einem
Turbocompoundsystem;
Figur 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgeführte hydrodynamische Kupplung in einem ersten Betriebszustand mit angefahrenem Sekundärrad;
Figur 3 die hydrodynamische Kupplung aus der Figur 2 in einem zweiten
Betriebszustand mit abgefahrenem Sekundärrad;
Figur 4 eine Darstellung entsprechend der Figur 2 bei einer hydrodynamischen Kupplung mit Einlasssteuerung; Figur 5 die hydrodynamische Kupplung aus der Figur 4 in einem abgefahrenen Zustand des Sekundärrads, wobei zusätzlich ein Bypass durch das Abfahren geöffnet wird.
In der Figur 1 erkennt man ein Turbocompoundsystem mit einem Verbrennungsmotor 10, der eine Kurbelwelle 11 aufweist, und einer Abgasnutzturbine 12 in dem Abgasstrom 13 des Verbrennungsmotors 10. Die Abgasnutzturbine 12 steht in einer Triebverbindung mit der Kurbelwelle 11 , und zwar vorliegend über das Rädergetriebe 15, die hydrodynamische Kupplung 14 und das Rädergetriebe 16. Über diese Triebverbindung wird, wenn genügend Abgas beziehungsweise Abgasenergie im Abgasstrom 13 vorhanden ist, Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine 12 auf die Kurbelwelle 11 übertragen.
In Betriebszuständen, in welchen nicht genügend Abgas beziehungsweise Abgasenergie vorhanden ist, wird bisher über die hydrodynamische Kupplung 14 ein Schleppmoment von der Abgasnutzturbine 12 auf die Kurbelwelle 11 übertragen, was unerwünscht ist. Die hydrodynamische Kupplung 14 ist zur Verminderung beziehungsweise Unterbindung dieses Schleppmoments daher erfindungsgemäß mit einem axial verschiebbaren Schaufelrad versehen, das automatisch dann, wenn die Abgasnutzturbine 12 ein Schleppmoment erzeugt, von dem anderen Schaufelrad abgefahren wird.
Ein Schnitt durch eine solche hydrodynamische Kupplung ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt. Man erkennt das Primärrad 1 und das Sekundärrad 2, welche miteinander einen Arbeitsraum 3 ausbilden. Der Arbeitsraum 3, von dem vorliegend nur eine Seite bezogen auf die Drehachse 17 der hydrodynamischen Kupplung dargestellt ist, weist eine torusförmige Gestalt auf. Das Primärrad 1 steht dem Sekundärrad 2 unter Beibehaltung eines mehr oder minder großen Trennspalts axial gegenüber. Die Größe des Trennspalts wird durch die axiale Position des Sekundärrads 2, welches auf einem Gewinde 4 einer Welle 5 unmittelbar getragen wird, bestimmt. Sowohl das Primärrad 1 als auch das Sekundärrad 2 weisen jeweils eine Beschaufelung 7 auf, die vorteilhaft als Schrägbeschaufelung ausgeführt ist.
Die Welle 5 trägt über ein Wälzlager 6, hier in Form eines Doppelkugellagers, auch das Primärrad 1.
Aufgrund dessen, dass die Kupplungsschale 18, welche vorliegend am Primärrad 1 angeschlossen ist und zusammen mit dem Primärrad 1 das Sekundärrad 2 in Axialrichtung beidseitig und in Umfangsrichtung vollständig einschließt, auf ihrem äußeren Umfang keinerlei Auslässe oder Düsen zum Austragen von
Arbeitsmedium aufweist, ist der Arbeitsraum 3 stets mit einer Mindestmenge von Arbeitsmedium befüllt.
Das Primärrad 1 ist über den Flansch 19 mittelbar an der Abgasnutzturbine (nicht dargestellt) angeschlossen. Das Sekundärrad 2 ist über die Welle 5 beziehungsweise einem auf dieser vorgesehenem Zahnrad 20 oder Flansch (nicht dargestellt) mittelbar mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden.
Wenn nun Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle übertragen wird, wie in der Figur 2 durch die Pfeile dargestellt ist, so läuft das Primärrad 1 mit einer größeren Geschwindigkeit um als das Sekundärrad 2. Die gewählte Drehrichtung des Gewindes 4 bewirkt, dass das Sekundärrad 2 bis auf einen minimal möglichen Abstand beziehungsweise minimalen Trennspalt an das Primärrad 1 herangefahren wird, wie dies in der Figur 2 dargestellt ist. Dieses Heranfahren beziehungsweise Halten in der herangefahrenen Position ergibt sich allein aufgrund der Leistungsflussrichtung beziehungsweise des Drehzahlverhältnisses zwischen dem Primärrad 1 und dem Sekundärrad 2. Federn oder eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, um das Sekundärrad 2 an das Primärrad 1 heranzufahren, sind nicht vorgesehen. Die hydrodynamische Kupplung ist demnach frei von einer Rückstelleinrichtung. In der Figur 3 sind die Verhältnisse dargestellt, wie sie sich ergeben, wenn der Leistungsfluss von der Kurbelwelle (nicht dargestellt) über das Sekundärrad 2 auf das Primärrad 1 und dann die Abgasnutzturbine (nicht dargestellt) erfolgt, siehe die Pfeile. In diesem Fall läuft das Sekundärrad 2 mit einer größeren Drehzahl um als das Primärrad 1. Das Sekundärrad 2 wird dadurch automatisch vom Primärrad 1 abgefahren. Das Abfahren erfolgt wiederum ohne die Kraft von Federn oder einer hydrodynamischen Betätigungsvorrichtung. Die Leistungsübertragung wird durch den größeren axialen Abstand zwischen Sekundärrad 2 und Primärrad 1 unterbunden oder zumindest vermindert.
Beim Abfahren ergibt sich folgender weiterer Vorteil: Arbeitsmedium, welches zuvor im Zwischenraum zwischen der Rückseite des Sekundärrads 2 und der Innenseite der Schale 18 vorhanden war, wird durch das zurückfahrende Sekundärrad 2 verdrängt und über den radial innenliegenden Spalt zwischen Schale 18 und Welle 5 ausgestoßen. Aufgrund dessen, dass der Spalt zwischen Schale 18 und Welle 5 für den Austritt des Arbeitsmediums insbesondere größer ist als jener am äußeren Umfang des Primärrads 2 zwischen dem Primärrad 2 und der Schale 18, wird verhindert, dass das Arbeitsmedium aus dem Raum zwischen der Schale 18 und der Rückseite des Primärrads 2 in den Arbeitsraum 3 einströmt. Somit ist die im Arbeitsraum 3 verbleibende Menge vergleichsweise vermindert.
Eine weitere Gegebenheit, die dem Überströmen von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 beim Abfahren des Sekundärrads 2 entgegenwirkt, ist der vergleichsweise höhere Strömungsdruck im Trennspalt zwischen dem Primärrad 1 und dem Sekundärrad 2 im Vergleich zu dem Strömungsdruck auf der Rückseite des Sekundärrads 2. Diese günstigen Eigenschaften können beispielsweise noch dadurch verstärkt werden, dass entsprechende Schaufeln oder Führungen auf der Rückseite beziehungsweise dem radial äußeren Umfang des Sekundärrads 2 vorgesehen werden, um Arbeitsmedium in Richtung der Rückseite des Sekundärrads 2 und somit weg von dem Arbeitsraum 3 zu fördern. In den Figuren 4 und 5 sind weitere Maßnahmen dargestellt, welche beispielsweise vorgesehen werden können, um zu verhindern, dass sich der Arbeitsraum 3 nach dem Abfahren des Sekundärrads 2 von dem Primärrad 1 erneut stärker befüllt beziehungsweise nach dem Abfahren automatisch teilweise entleert oder weiter entleert wird. So ist ein Zulauf 8 vorgesehen, um
Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 einzubringen. Im angefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 (Figur 4) ist der Zulauf 8 nicht verschlossen, wohingegen er im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 (Figur 5) verschlossen ist. Dieses Verschließen erfolgt automatisch durch das Abfahren des Sekundärrads 2. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel steht die Auslassöffnung des Zulaufes 8 einer Einlassöffnung einer Bohrung 9 im Sekundärrad 2 gegenüber. Die Bohrung 9 mündet im Arbeitsraum 3. Beim axialen Verschieben (Abfahren) des Sekundärrads 2 wird die Bohrung 9 mitverschoben, so dass der Zulauf 8 im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 der Bohrung 9 nicht mehr gegenübersteht. Vielmehr wird der Zulauf 8 dann durch eine radial innenliegende Fläche des Sekundärrads 2 verschlossen.
Zusätzlich oder alternativ kann, wie in der Figur 5 dargestellt ist, ein Bypass 21 vorgesehen sein, mittels welchem Arbeitsmedium im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 am Arbeitsraum 3 vorbeigeführt wird. Vorliegend wird dies dadurch erreicht, dass der Bypass 21 dem Zulauf 8 im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 derart gegenübersteht, dass das Arbeitsmedium aus dem Zulauf 8 durch den Bypass 21 geleitet wird und außerhalb des Arbeitsraumes 3 beziehungsweise der Kupplungsschale 18 ausgegeben wird.
Der Bypass 21 ist in dem gezeigten Fall ebenfalls in Form einer Bohrung durch das Sekundärrad 2 ausgeführt. Im angefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 liegt die Mündung des Bypasses 21 axial versetzt zu dem Zulauf 8 und wird durch eine radial außenliegende Fläche der Welle 5 abgedeckt. Obwohl vorliegend das Sekundärrad als axial verschiebbar dargestellt ist, kann zusätzlich oder alternativ auch das Primärrad axial verschiebbar sein, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Hydrodynamische Kupplung
1.1 mit einem beschaufelten Primärrad (1) und einem beschaufelten Sekundärrad (2), die sich axial gegenüberstehen und miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum (3), der mit einem Arbeitsmedium befüllbar oder befüllt ist, ausbilden;
1.2 wenigstens eines der beiden beschaufelten Räder (2) ist auf einem Gewinde (4), einer Schrägverzahnung oder dergleichen gelagert, so dass es durch eine relative Drehbewegung gegenüber dem Gewinde (4), der
Schrägverzahnung oder dergleichen in eine erste Richtung von dem anderen beschaufelten Rad (1) in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung abfahrbar ist, und durch eine relative Drehbewegung in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung in Richtung des anderen beschaufelten Rads (1) anfahrbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass
1.3 die hydrodynamische Kupplung frei von einer Rückstelleinrichtung für das in Axialrichtung verfahrbare Rad (2) ist, welche das verfahrbare Rad (2) unmittelbar oder mittelbar mit einer Federkraft oder mit einer axialen Druckkraft zum Verfahren desselben beaufschlagt.
2. Hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das dass Anfahren und Abfahren des in Axialrichtung verfahrbaren Rades (2) ausschließlich durch wahlweises Antreiben des Primärrades (1) oder des Sekundärrades (2) mit einer vergleichsweise größeren Drehzahl gegenüber dem anderen beschaufelten Rad (1 , 2) bewirkbar ist.
3. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden beschaufelten Räder (1 , 2) auf einer gemeinsamen Welle (5) gelagert sind.
4. Hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) das Gewinde (4) oder die Schrägverzahnung aufweist, auf welchem/welcher das in Axialrichtung verfahrbare Rad (2) unmittelbar gelagert ist, und über wenigstens ein Lager, insbesondere Wälzlager (6), das andere Rad (1) relativ gelagert trägt.
5. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Kupplung als Konstantfüllungskupplung mit einem stets mit Arbeitsmedium befüllten, insbesondere im wesentlichen konstant befüllten, Arbeitsraum (3) ausgeführt ist, wobei ein externer Kreislauf zum Zuführen und Abführen von Arbeitsmedium in die und aus der hydrodynamischen Kupplung vorgesehen ist, oder sämtliches Arbeitsmedium stets innerhalb der hydrodynamischen Kupplung gehalten wird.
6. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschaufelten Räder (1 , 2) mit einer gegenüber einem Axialschnitt durch die Kupplung winklig angeordneten Beschaufelung (7) versehen sind, wobei der Anstellwinkel derart ausgeführt ist, dass die Beschaufelungen (7) der beiden Räder (1 , 2) zueinander fliehend angeordnet sind, wenn das in Axialrichtung verfahrbare Rad (2) von dem anderen Rad (1) abgefahren ist, und spießend zueinander angeordnet sind, wenn das verfahrbare Rad (2) angefahren angeordnet ist.
7. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (8) zum Zuführen von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum (3) vorgesehen ist, und der Zulauf (8) durch Abfahren des Rads (2) automatisch verschließbar ist.
8. Hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (8) in Form einer Bohrung in einer das abfahrbare Rad (2) tragenden Welle (5) ausgeführt ist, welche insbesondere im axial an das andere Rad (1) angefahrenen Zustand des abfahrbaren Rads (2) einer im Arbeitsraum (3) mündenden Bohrung (9) im abfahrbaren Rad (2) gegenübersteht, und das abfahrbare Rad (2) die Bohrung des Zulaufs (8) im abgefahrenen Zustand verschließend oder im wesentlichen verschließend abdeckt.
9. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (21) für Arbeitsmedium vorgesehen ist, mittels welchem Arbeitsmedium innerhalb der Kupplung am Arbeitsraum (3) vorbeileitbar ist, und dieser Bypass (21) durch die Position des abfahrbaren
Rads (2) im angefahrenen Zustand des abfahrbaren Rads (2) geschlossen und im abgefahrenen Zustand geöffnet ist.
10. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Arbeitsraum (3) abgewandten axialen
Rückseite des verfahrbaren Rads (2) eine Fördervorrichtung, insbesondere in Form von Schaufeln, Vorsprüngen und/oder Aussparungen, vorgesehen ist, um beim Abfahren des Rads (2) Arbeitsmedium in Richtung vom Arbeitsraum (3) weg zu fördern.
11. Turbocompoundsystem, umfassend
11.1 einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Kurbelwelle (11);
11.2 eine Abgasnutzturbine (12), die in einem Abgasstrom (13) des Verbrennungsmotors (10), insbesondere in Strömungsrichtung hinter einem Abgasturbolader, angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass
11.3 eine hydrodynamische Kupplung (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Triebverbindung zwischen der Kurbelwelle (11) und der Abgasnutzturbine (12) angeordnet ist, deren Primärrad (1) in einer Triebverbindung an der Abgasnutzturbine (12) und deren Sekundärrad (2) in einer Triebverbindung an der Kurbelwelle (11) angeschlossen ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Turbocompoundsystems gemäß Anspruch 11 , mit den folgenden Schritten: in Betriebszuständen, in welchen die von der Abgasnutzturbine (12) aus dem Abgasstrom (13) aufgenommene Energie ausreicht, um die Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors (10) anzutreiben, wird
Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine (12) auf das Primärrad (1) übertragen, so dass dieses schneller umläuft als das Sekundärrad (2), das Sekundärrad (2) wird axial an das Primärrad (1) angefahren oder angefahren gehalten, und das Primärrad (1) treibt das Sekundärrad (2) über den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum (3) an; in Betriebszuständen, in welchen die von der Abgasnutzturbine (12) aus dem Abgasstrom (13) aufgenommene Energie nicht ausreicht, um die Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors (10) anzutreiben, wird Antriebsleistung von der Kurbelwelle (11) auf das Sekundärrad
(2) übertragen, so dass dieses schneller umläuft als das Primärrad (1), das Sekundärrad (2) wird axial von dem Primärrad (1) abgefahren oder abgefahren gehalten, und die Leistungsübertragung vom Sekundärrad (2) auf das Primärrad (1) über den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum (3) wird unterbunden oder vermindert.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren und Abfahren des Sekundärrads (2) allein durch Einstellen der genannten Drehzahlverhältnisse zwischen Primärrad (1) und Sekundärrad
(2) und frei von einer zusätzlichen mechanischen Betätigung oder axialen Druckbeaufschlagung erfolgt.
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