WO2003054408A1 - Hydrodynamische baueinheit - Google Patents

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WO2003054408A1
WO2003054408A1 PCT/EP2002/013225 EP0213225W WO03054408A1 WO 2003054408 A1 WO2003054408 A1 WO 2003054408A1 EP 0213225 W EP0213225 W EP 0213225W WO 03054408 A1 WO03054408 A1 WO 03054408A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydrodynamic
impeller
housing
primary
channel
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/013225
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Klement
Klaus Vogelsang
Martin Becke
Reinhard Kernchen
Karl-Heinz Diele
Original Assignee
Voith Turbo Gmbh & 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 Turbo Gmbh & Co. Kg filed Critical Voith Turbo Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2003054408A1 publication Critical patent/WO2003054408A1/de

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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
    • F16D33/18—Details
    • F16D33/20—Shape of wheels, blades, or channels with respect to function
    • 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
    • F16D33/06—Rotary fluid couplings or clutches of the hydrokinetic type controlled by changing the amount of liquid in the working circuit

Definitions

  • the invention relates to a hydrodynamic structural unit, in particular with the features from the preamble of claim 1.
  • Hydrodynamic units are used as starting units in gear units.
  • the design as a combined starting and / or braking device is also conceivable.
  • a starting unit which comprises a hydrodynamic component in the form of a hydrodynamic clutch and a lock-up clutch.
  • the hydrodynamic clutch and the lock-up clutch are connected in parallel.
  • such hydrodynamic clutches have a so-called impeller shell, which is connected to the primary impeller in a rotationally fixed manner. This surrounds the secondary impeller almost completely in the axial direction and in the radial direction.
  • An alternative is to provide a separate filling pump device that supports the hydrodynamic circuit outside the toroidal working space.
  • this version is also associated with additional effort.
  • a major disadvantage also consists in the fact that the throughput quantity depends on the quantity of the operating fluid emerging from the toroidal working space during operation and the conditions of the external circuit. Particularly for use in vehicles, however, very high throughputs must be expected due to the permanent load. These represent an essential problem which cannot be satisfactorily achieved without additional aids. However, the tools require drive power and must be fitted in the available space.
  • the invention is therefore based on the object of further developing a hydrodynamic unit for use as a starting and / or braking unit in such a way that an optimal mode of operation is ensured in all operating states, in particular an optimum operating temperature can be ensured. This means that due to the very high speed when used in vehicles, a very high throughput in the external circuit must be achieved.
  • the solution according to the invention should be characterized by the least possible design effort / the axial length being kept as short as possible. Furthermore, it should be possible to determine the pressure in the work space as precisely as possible, which is required as an essential input variable for a plurality of control processes.
  • the solution according to the invention is characterized by the features of claim 1. Advantageous configurations are given in the subclaims.
  • the hydrodynamic structural unit comprises an input and an output and a hydrodynamic component arranged therebetween, comprising a primary impeller which is at least indirectly, ie directly or indirectly, non-rotatably connected to the input and a secondary impeller which is non-rotatably connectable to the output and which together form a work space which is toroidal.
  • the hydrodynamic component is free of a stator, that is to say it is only a speed conversion device, so that only a variation in the speed on the output side is possible for a specific predetermined power to be transmitted.
  • the hydrodynamic component is free of a primary impeller shell which is coupled in a rotationally fixed manner to the primary impeller and surrounds the secondary impeller in the axial and circumferential directions.
  • the stationary housing offers the advantage that, particularly in the case of fill-level-controlled hydrodynamic components in the form of hydrodynamic couplings, in which the secondary paddle wheel is connected to the output in a rotationally fixed manner during operation, the pressure can be tapped as an input variable to be processed in the stationary housing as a proportional variable to the degree of filling , the tap in the stationary housing is relatively easy to do and the effort required for this can be kept very low.
  • the inner wall of the stationary housing and the outer circumferences of the primary bucket wheel and secondary bucket wheel each delimit a bucket wheel secondary space in the axial direction.
  • the bucket wheel adjoining space there are no more axially Partitions arranged in the direction and extending in the radial direction are provided.
  • a gap of small size is provided in the radial direction between the housing and the outer circumferences of the paddle wheels.
  • the equipment can be removed from the gap via the stationary housing with or without intermediate storage or via channels or cavities arranged in it.
  • the radial gap is coupled to at least one cavity in the housing.
  • the size of the gap in the radial direction can be described by specifying a size in the range between greater than 0% and including 25% of the cross section of entry and exit in or out of the working space.
  • the external part of the closed circuit can be referred to as a cooling circuit in itself, since heat can be dissipated by heat radiation via the line connections between the outlet and the inlet.
  • cooling devices can advantageously be integrated into these.
  • both of the paddle wheels are sealed off from the housing, i. H. performed sealingly, as well as between the primary impeller and the secondary impeller in the radially inner region, d. H. a seal is provided below a radial extension of the toroidal working space.
  • These seals are preferably all designed as contact seals. Versions with rotating unions are also conceivable.
  • means for generating an influencing pressure on the operating medium guided in the closed circuit can be provided, ie there is also the possibility of controlling the degree of filling of the hydrodynamic component.
  • at least one node for the optional connection of means for filling and / or emptying and / or means for presetting the pressure is arranged in the system in the closed circuit.
  • the means for presetting the pressure are preferably connected to the closed circuit in a pressure-tight manner and serve to generate a static superimposed pressure in the closed circuit.
  • the means for presetting pressure preferably comprise a pressure-tightly closed container, which is connected in a pressure-tight manner to the closed circuit.
  • the pressure is preselected by applying pressure to the container level. Another possibility is to create a print using additional elements. It is crucial, however, that by applying a pressure in a closed circuit there is a possibility of control and regulation in the case of feedback. It is especially for regulation Particularly favorable if the controlled variable, ie the pressure, can be tapped in an optimal manner as with the solution according to the invention in the stationary housing and enables a correspondingly reliable statement about the pressure in the work area.
  • the means of filling usually include one
  • the means for filling and emptying and the means for presetting the pressure are formed by one system in order to simplify the overall system.
  • the filling and emptying is preferably also carried out via the container connected pressure-tight to the closed system and exerting a pressure on the container level or via pump devices.
  • At least one opening is provided for connecting the working space and the gap in the primary impeller, which forms a channel through the primary impeller, which extends from the inner surface of the bladed part of the primary impeller to the outer circumference of the primary impeller and is oriented such that the Can describe the position by means of at least one directional component, which is tangential to the contour of the working or flow circuit arising between the two paddle wheels in the toroidal working space.
  • the solution according to the invention makes it possible that, in addition to the flow circuit in the toroidal work space for the purpose of power transmission, a secondary flow of operating resources is branched off, which flows directly into the gap and from there is passed on to the housing can.
  • the connecting channel, ie the opening on the primary impeller, is preferably designed such that it is oriented tangentially in the direction of the circuit contour, ie the flow that occurs in the working area in the operating state and in the direction of flow. This enables the bypass flow to be generated with the least possible resistance and flow rate loss.
  • connection channels i. H. provided by openings in the primary impeller.
  • Circumferential lines mean theoretically imaginary lines on the outer circumference of the primary impeller, which run parallel to the imaginary central plane between the pump and turbine impeller when the clutch is installed. It is possible to arrange the arrangement alternately on different circumferential lines.
  • the connecting lines or openings on the primary impeller can furthermore on one circumferential line or several circumferential lines in
  • cross section of the connecting channels or openings can be one have a circular cross section, oval designs or designs with cross sections in the form of elongated holes are also conceivable.
  • the configuration of the connecting channel from the toroidal working space to the outer circumference of the primary impeller can take many forms.
  • a directly directed, in particular tangential to the circuit contour in the working space is preferably provided design.
  • it is avoided, which leads to considerable disturbances of the secondary flow and thus to its function. Slight deviations from a straight line in the connecting channel are, however, conceivable.
  • connecting channel between the toroidal working space and the outer circumference of the primary impeller can also be used
  • the individual options with regard to the cross-sectional configurations of the connecting channels or openings, their arrangement on one or a plurality of different circumferential lines on the primary impeller and / or the configuration of the course of the connecting channel or the opening on the primary impeller from the toroidal working space to the outer circumference of the primary impeller can be combined with each other according to the effect to be achieved.
  • the concrete selection is preferably made according to the circumstances of the application, in particular the equipment used.
  • the solution according to the invention has the advantage that the hydrodynamic structural unit can be preassembled and supplied as a completely self-sufficient unit for different purposes. This can then be combined with other components to form an overall unit.
  • the hydrodynamic component can be designed as a starting element, the hydrodynamic component in the form of the hydrodynamic coupling functioning as a starting element, the drive of which is coupled to the input and the output of which is coupled to the output, with the output being between the starting element and the output of the hydrodynamic unit and thus the starting unit is provided a free wheel.
  • this freewheel enables the following functional states:
  • a lock-up clutch is additionally provided, which is connected in parallel to the hydrodynamic component, but is only in engagement with the hydrodynamic component during periods of less time or in defined phases, the flow of power between the input and the output of the starting unit being interruptable ,
  • This interruption can occur when using the starting unit in automated gearboxes with the mechanical transmission part downstream of the starting unit due to the switchability of the lock-up clutch with simultaneous emptying or already empty hydrodynamic clutch or when using automated gearboxes with a mechanical gearbox part or secondary or group shifting set when switching between the lower gears by emptying the hydrodynamic coupling, ie the hydrodynamic component.
  • the output sides of the hydrodynamic clutch and the lock-up clutch are preferably coupled to one another in a rotationally fixed manner via the freewheel.
  • the advantage of such an arrangement in turn essentially consists in the fact that only two states have to be differentiated with regard to the power transmission, this being done purely mechanically via the lock-up clutch or hydrodynamically via the hydrodynamic component. With the appropriate control, the advantages of hydrodynamic power transmission can also be optimally used for certain driving conditions.
  • a device for optionally holding the secondary paddle wheel to operate the element which can be operated as a hydrodynamic clutch in traction mode, optionally also as a hydrodynamic retarder, and thus to enable a wear-free braking device using existing components.
  • a separate hydrodynamic braking device which is used in particular when used in commercial vehicles, can be omitted.
  • the ventilation losses of this retarder when using the hydrodynamic unit as a combined start / brake unit are compared to conventional retarders low.
  • the device for holding or coupling the secondary vane wheel to the housing is preferably designed as a braking device in the form of a disk. This takes effect on the output of the hydrodynamic clutch, ie on the secondary impeller.
  • the brake element is connected to the secondary blade wheel between the turbine wheel and the freewheel.
  • FIG. 1 illustrates the schematically simplified representation
  • FIG. 2a illustrates in a schematically simplified representation a further embodiment of a hydrodynamic structural unit designed according to the invention with an external circuit part of the closed circuit that is fully integrated in the housing;
  • FIG. 2b illustrates in a schematically simplified representation a further embodiment of a hydrodynamic structural unit designed according to the invention with an external circuit part of the closed circuit partially integrated in the housing;
  • FIGS. 3a to 3d show arrangements of an outlet channel
  • FIGS. 4a and 4b illustrate in a schematically simplified representation
  • FIGS 5, 6a and 6b illustrate possible cross sections and courses of a
  • FIG. 7 illustrates the possibility of filling level control for an embodiment according to FIG. 2b
  • Figure 8 illustrates a spiral configuration of an im
  • Housing with inlet and outlet coupled channel for equipment management in a closed circuit Housing with inlet and outlet coupled channel for equipment management in a closed circuit.
  • FIG. 1 illustrates in a schematically simplified representation the basic principle of a hydrodynamic structural unit 1 designed according to the invention.
  • This comprises an input E and an output A.
  • the hydrodynamic structural unit 1 further comprises a hydrodynamic component 2 arranged between the input E and the output A.
  • a primary impeller 3 which can be coupled non-rotatably to the input E and a secondary impeller 4 which can be coupled non-rotatably to the output A.
  • a housing 5 which encloses the hydrodynamic component 2, in particular the primary impeller and the secondary impeller 3 or 4 in the radial and axial directions. This is a stationary housing. According to the hydrodynamic component 2 is free of a rotationally fixed with the primary impeller
  • the paddle wheel secondary spaces 7 and 8 formed between the respective paddle wheels - primary paddle wheel 3 and secondary paddle wheel 4 - and the inner wall 6 of the housing 5 are thus not considered in the axial direction by further internals or partitions and are separated solely by the inner wall 6 and the contour or delimits the outer circumference 9 or 10 of the individual paddle wheels 3 and 4.
  • the two paddle wheel secondary spaces 7 and 8 form the housing interior 14.
  • a radial gap 46 is smaller between the inner wall 6 of the housing 5, in particular the surface or surfaces 47 facing the blade wheels - primary blade wheel 3 and secondary blade wheel 4 and the two blade wheels - primary blade wheel 3 and secondary blade wheel 4 Size provided.
  • the dimension of the gap 13 viewed in the radial direction in cross section is between greater than 0 and including 25% of the cross sections of entry and exit into the working space 11.
  • the primary impeller and secondary impeller form a working space 11.
  • This is preferably toroidal.
  • At least one outlet 12 from the toroidal working space 11, which opens into the gap 46, is arranged between the primary impeller 3 and the secondary impeller 4 or on one of the two impellers.
  • this outlet 12 is provided on the primary impeller 3.
  • This is arranged, for example, as a channel 13 in the primary impeller 3 and connects the toroidal working space 11 to the space outside the toroidal working space 11, i.e. the housing interior 14, which is delimited by the housing inner wall 6.
  • the channel 13 extends through the wall 45 of the primary impeller 3.
  • the channel 13 is designed and aligned such that at least one directional component in the flow direction in the operating state of the hydrodynamic component 2 between the primary impeller 3 and the secondary impeller 4 and essentially tangential to it in the operating state of the circuit contour of the flow circuit which is established as the working circuit 24 in the toroidal working space 11. This means that the exit from the toroidal working space 11 always takes place tangentially to the flow circuit in the toroidal working space 11 which is established as the working circuit 24.
  • the gap 46 is in turn connected to a space outside the housing interior 14.
  • the coupling preferably takes place via in the wall 48 of the Housing 5 arranged channels or cavities 49.
  • at least one inlet 18 is provided on the housing 5, which is coupled to the gap 46.
  • the solution according to the invention makes it possible to guide operating materials from the toroidal working space 5 at high pressure into the gap 46 and from this via the inlet 18 on the housing 5 in a closed circuit 15. Because of the high pressure, the operating medium can be guided in a part 26 of the preferably closed circuit 15, which is guided externally to the working space 11, without additional aids, for example pumping devices.
  • the circuit 15 is shown in FIGS. 2a and 2b for an embodiment according to FIG. 1. This is assigned to the hydrodynamic component 2, in particular the working space 11.
  • the circuit 15 can, as shown schematically in FIG. 2a, be completely integrated in the stationary housing 5. This is designated 15.2a.
  • This solution represents a particularly advantageous embodiment, since a complete system consisting of hydrodynamic structural unit 1 with an integrated external circuit part 26.2a can already be offered preassembled.
  • This closed circuit 15.2a is part of a resource supply system 21, which in the simplest case, when connected to a resource source, consists of this and that of the working circuit 24 and external part 26.2a.
  • Another conceivable possibility is to form the resource supply system 21 from the working circuit 24, external part 26.2a and other components, which can also be part of other resource supply systems or a central resource supply system.
  • the closed circuit 15.2a which is part of the operating medium supply system 21, can be used on the one hand as a cooling circuit, which always branches off a certain amount of operating medium from the working circuit 24 in the toroidal working space 11 during operation of the hydrodynamic component 2 and externally via the circulating part 26.2 a feeds this again.
  • the External circuit part 26.2a is part of the closed circuit 15, which additionally includes the working circuit 24 which is set in the toroidal working space 11.
  • the external part 26.2a is coupled to at least one outlet 12 from the toroidal work chamber 11 and an inlet 19 into the toroidal work chamber 11.
  • Cooling devices 22.2a for example in the form of heat exchangers 23, can be provided in the external circuit part 26.2a.
  • the cooling can take place solely through the circulation or, as shown here, indirectly via a heat exchanger 23.
  • the external circuit part 26.2a of the closed circuit 15 is used to control the degree of filling of the hydrodynamic component 2 and thus also the circulation in the external part 26.2a in the closed circuit 15.
  • FIG. 7 When the hydrodynamic element 2 is in operation, a so-called working circuit 24 is established in the toroidal working space 11, which is also referred to as the hydrodynamic circuit. This is integrated in the closed circuit 15.
  • the working circuit 24 is assigned at least the outlet 12 in the form of a channel 13 and an inlet 19.
  • the closed circuit 15 is designed as a closed pressure system, ie pressure-tight.
  • at least one seal 50 is additionally provided between the primary impeller 3 and the secondary impeller 4 in the area of the inner dimensions of the toroidal working space 5. This is designed as a contact seal.
  • both paddle wheels 3 and 4 are mounted pressure-tight in the housing 5.
  • at least one contact seal 51 and 52 is provided between the two blade wheels 3 and 4 and the housing 5.
  • the pressure-tight design offers the advantage of being able to actively control and additionally regulate the degree of filling by applying a superimposition pressure, which is described in detail in FIG. 7.
  • FIG. 2b schematically shows the guidance of the external part 26.2b only partially in the stationary housing 5.
  • the housing 6 has connections 16 and 17, which have at least one outlet 53 from the housing 5 and an inlet 54 into the housing 5 for clarify a part of the external circuit 26.2b, here the connection 16 the outlet 53 and the connection 17 the inlet 54 into the housing 5.
  • the circuit part 26.2b of the closed circuit 15 means 27.2 b is provided for influencing the temperature of the operating medium guided in the closed circuit 15, for example in the form of a cooler 22.2b.
  • These include a cooling device for direct cooling of the equipment.
  • the closed circuit 15 is part of the equipment supply system 21.
  • the control of the operating medium volume flow in the closed circuit 15, in particular in the external part 26.2a or 26.2b, can take place differently. In the simplest case, this takes place as a function of the speed of the rotating circuit parts or is temporarily stored behind the outlet 12 in an outflow space or in a chamber coupled to it.
  • a high flow rate at the outlet 12 is required. This is realized by the meridian flow in the toroidal working space 11 and the exit into the gap 46.
  • This high pressure is directly proportional to the pressure in the toroidal working space 11 and can be tapped in a very simple manner at the inlet 18 into the housing 5 or into a channel or cavity 49 coupled to it in the housing 5.
  • the devices required for this in the form of pressure sensors here for example the pressure sensor 55 in FIGS. 2a and 2b, can thus be mounted on a stationary element.
  • the channels or cavities 49 are designed in such a way that this increases spirally in the direction away from the inlet 18. This solution is especially for Versions with circuit parts partially guided outside the housing 5, as shown in FIG. 2b, are used.
  • the inlet 18 is coupled to the outlet 53 via the channel 49.
  • the part opening to the outlet 53 is also referred to as the outlet channel.
  • This increases spirally in the direction of the outlet 53 and preferably opens into the tangentially guided outlet 53.
  • the channel serves to convert the flow into pressure in the outlet from the housing 5 with relatively little loss and thus to increase the volume flow.
  • a sectional view for the spiral channel 49 in the housing 5 is shown in FIG. 8.
  • the outlet 12 or a plurality of outlets are arranged on the primary impeller 3 in a particularly advantageous manner.
  • an outlet at the secondary impeller or between the two impellers in the area of the parting plane T is also conceivable.
  • the outlet 12 or the adjoining channel 13 is part of the external circuit part 26 which is integrated in the closed circuit 15 and between the outlet 12 and an inlet 19 is connected to the toroidal work space 11. From the gap 46 between the channel 13, ie the housing interior 14, the operating medium then passes through an inlet 18 into the stationary housing 5 or into a channel guided therein.
  • the channel 13, ie the opening on the primary impeller 3, is preferably always designed such that it is oriented tangentially in the direction of the circuit contour, that is to say the flow occurring in the working area in the operating state and in the direction of flow, as in FIG. 3a with the aid of a section from a sectional illustration represented by the primary impeller 3.
  • a plurality of channels 13 are preferably provided on the primary impeller 3. These can either be arranged on a jointly thought theoretical circumferential line or on several different circumferential lines on the primary impeller.
  • Circumferential lines mean theoretically imaginary lines in the outer circumference of the primary impeller 3, which run parallel to the imaginary central plane E between the primary impeller 3 and the secondary impeller 4 when the hydrodynamic component 2 is installed. There is the possibility of alternating the arrangement on different Make circumferential lines.
  • FIG. 3b One possibility of this arrangement is shown in a schematically simplified representation in FIG. 3b in a view from above of a primary impeller 3.
  • the primary impeller is labeled 3, the channels 13.13b to 13.n3b.
  • FIG. 3c An arrangement of a plurality of channels 13.13c to 13.n3c on a circumferential line is shown in a view from above of a primary impeller 3 in FIG. 3c.
  • the individual channels 13.13c to 13.n3c between the toroidal working space 11 and the housing interior 14 are designed on a circumferential line at constant intervals a or according to FIG. 3d with different distances between two channels 13.13d to 13.n3d adjacent to one another in the circumferential direction. These distances are designated a1 and a2.
  • FIGS. 3a to 3d illustrate designs with a constant cross section of the channel 13 or channels 13.13b to 13.n3b, 13.13c to 13.n3c and 13.13d to 13.n3d, viewed in the flow direction from the toroidal working space 5 to the gap 46.
  • FIG. 4 To increase the flow velocity, there is also the possibility according to an embodiment in FIG. 4 to carry out these channels 13 with a change in cross section between the toroidal working space 11 and the outer circumference 9 on the primary impeller 3.
  • FIG. 4 One possibility with a constant gradual reduction in cross-section from the inner circumference to the outer circumference 9 of the primary impeller 3 is shown in FIG.
  • the channel 13 narrows steadily towards the outer circumference 9.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate the design of the channel 13 with a circular cross section and FIG. 5b with an oval cross section.
  • FIG. 6b illustrates in a schematically highly simplified representation an embodiment and application of the hydrodynamic according to the invention Unit 1, in which the hydrodynamic component 2 can function in addition to its preferred function as a hydrodynamic clutch and also as a hydrodynamic brake.
  • the hydrodynamic structural unit is therefore designated 1.6a.
  • the hydrodynamic unit 1.6 is preferably designed as a combined starting and braking unit 28, as shown in FIG. 6b.
  • FIG. 6a shows only one version of the assembly 1.6a as a starting unit 35 with an additional possibility of load-free shifting and thus the possibility of use in automated manual transmissions.
  • the hydrodynamic component 2 forms the starting element 36 for both.
  • a lock-up clutch 37 can be integrated with the combined starting and braking unit 28 according to FIG. 6b or the starting unit 35 according to FIG. 6a, but this is preferably carried out separately.
  • the input E of the hydrodynamic unit 1.6 which either directly forms the input E of the combined starting and braking unit 28 or the starting unit 35 or is coupled to it, for example via the lock-up clutch 37 belonging to it, is with a drive machine (not shown here) at least indirectly connected.
  • the output A of the hydrodynamic unit 1.6a or 1.6b generally also forms the output of the combined starting and / or braking unit 28 or the starting unit 35.
  • the designations input E and output A always relate to the direction of power flow in traction mode viewed from the engine to the output.
  • the inputs E and outputs A can be designed in the form of solid or hollow shafts or flange-like elements or flexplates, each of which can be coupled in a known manner to the corresponding connection elements - drive machine or switching stage.
  • the hydrodynamic component 2 when functioning as a hydrodynamic clutch 43, likewise comprises a drive 38 and an output 39.
  • the drive 38 is formed by the primary impeller 3 and the output 39 by the secondary impeller 4.
  • a freewheel F is provided.
  • the freewheel F makes it possible to prevent excessive wear in the synchronizing devices during the gear change and thus to increase comfort.
  • Such start-up units are generally coupled in a drive train to a speed / torque converter, that is to say a transmission, or form a transmission assembly with corresponding gear stages.
  • the overall transmission then consists of the starting unit and the downstream speed / torque conversion units.
  • This has the input E of the starting unit 35 as an input.
  • the transmission input shaft which is formed by the input E of the starting unit, must be torque-free and decoupled from additional dimensions. Otherwise there would be the danger that the synchronizing elements and / or claws of the shifting elements, in particular the transmission stages downstream of the starting unit 35, would not be able to cope with the gear stage change or would be subjected to considerable stress and wear.
  • both the drive machine and the secondary paddle wheel 4.6a or 4.6b are decoupled from the input shaft E in order to change gear.
  • the freewheel F can additionally be used with the use of an additional braking device 40 according to FIG. 6b to determine the secondary impeller 4 and thus use the hydrodynamic component 2 as a hydrodynamic retarder 44.
  • This additional braking device 40 is preferably designed as a disk brake device in the form of a disk and is coupled to the output 39 of the hydrodynamic component 2 before the freewheel F.
  • the braking device 40 comprises at least a first stationary disk 41, which is preferably arranged on the housing 5, and a second disk element 42, which can be brought into operative connection with the stationary disk 41 at least indirectly, ie directly or via further interposed disk elements.
  • the second disc element 42 is rotatably coupled to the output 39, in particular the secondary blade wheel 4.6b.
  • the Hydrodynamic component 2 can thus at least two operating states - a first operating state for power transmission, which is particularly suitable during the start-up process when used in transmissions of vehicles and describes the function of a hydrodynamic clutch and a second operating state for braking, ie the function as a retarder become.
  • the function of the stator impeller is assigned by fixing it to the stationary transmission parts, in particular the housing 5, to the secondary impeller 4, ie to the turbine wheel, which functions as a hydrodynamic clutch.
  • the function of the rotor blade wheel is taken over by the primary blade wheel 3, which also functions as a pump wheel when functioning as a hydrodynamic clutch.
  • FIG. 7 illustrates a system for controlling the degree of filling using an embodiment according to FIG. 2b.
  • the same reference numerals are therefore used for the same elements.
  • the operating medium exits at a correspondingly high pressure from the toroidal working space 11 via the channel 13 into the housing interior 14, in particular the gap 13. Due to the very high pressure difference between the outlet 12 from the toroidal working space 11 and the inlet 19, these can be used to maintain a cooling volume flow during the operation of the hydrodynamic component.
  • Means 29 for filling and means 30 for pressurizing are assigned to the external circuit part 26.2b in order to influence the functions of loss-resource tracking and to influence the degree of filling in the toroidal working space 11 of the hydrodynamic component 2.
  • These means 29 and 30 can be connected to the closed circuit 15 via a node 31.
  • the node 31 is formed by a valve system 32, which enables the means for filling 29 and the means 30 for pressurization to be completely decoupled and in one other switching position allows coupling.
  • the configuration of the means for filling 29 and the means for presetting 30 can take a variety of forms; these means for filling 29 and the means for presetting 30 are preferably formed by a common element or system or by using the same elements.
  • This can be, for example, an operating medium supply tank 33 which is indirectly connected to the closed circuit 15 via the node 31 via an additional energy source, for example a hydrostatic pump or another device. In this case, a loss of resource replenishment takes place from the external resource supply tank 33.
  • a static superimposition pressure can be generated in the closed circuit 15, this pressure being generated either by a corresponding pump device or, for example, air on the resource level in the external resource supply tank 33.
  • the resource level is designated 34.

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Abstract

Eine hydrodynamische Baueinheit gekennzeichnet durch die folgende Merkmale: das hydrodynamische Bauelement (2) ist frei von einer mit dem Primärschaufelrad (3) drehfest gekoppelten und das Sekundärschaufelrad (4) in axialer und in Umfangsrichtung umschliessenden Primärschaufelradschale; die Innenwand des ruhenden Gehäuses und die Aussenumfänge (9) von Primärschaufelrad (3) und Sekundärschaufelrad (4) begrenzen in axialer Richtung jewiels einen Schaufelradnebenraum (7, 8); Zwischen dem Primäschaufelrad (3) und dem Sekundärschaufelrad (4) ist in radialer Richtung ein radialer Spalt vorgesehen; die Abmessung des Spaltes in radialer Richtung in Querschnitt betrachtet beträgt zwischen 0 und 25 % der Querschnitte von Eintritt und Austritt (12) in dem Arbeitsraum (11).

Description

Hydrodynamische Baueinheit
Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Baueinheit, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Hydrodynamische Baueinheiten werden in Getriebebaueinheiten als Anfahreinheit eingesetzt. Denkbar ist auch die Ausführung als kombinierte Anfahr- und/oder Bremseinrichtung. Aus der Druckschrift WO 00/55020 ist eine Ausführung einer Anfahreinheit bekannt, welche ein hydrodynamisches Bauelement in Form einer hydrodynamischen Kupplung und eine Überbrückungskupplung umfaßt. Die hydrodynamische Kupplung und die Überbrückungskupplung sind parallel geschaltet. In der Regel weisen derartige hydrodynamische Kupplungen eine sogenannte Pumpenradschale auf, welche drehfest mit dem Primärschaufelrad verbunden ist. Diese umschließt das Sekundärschaufelrad in axialer Richtung und in radialer Richtung fast vollständig. Um während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung die entstehende Wärme abzuführen, ist dieser in der Regel ein externer Kühlmittelkreislauf zugeordnet, über welchen Betriebsmittel aus dem Arbeitsraum nach außerhalb des Arbeitsraumes geführt wird und nach Kühlung wieder in den Arbeitsraum eintritt. Derartige durchflußgesteuerte Kupplungen sind für eine Vielzahl von Einsatzfällen, insbesondere für stationäre Anwendungen bekannt. In der Regel wird zur Realisierung eines Betriebsmittelumlaufes außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes ein Schöpfrohr verwendet, welches das Betriebsmittel aus der rotierenden Pumpenradschale aufnimmt und wieder dem Eintritt in den torusförmigen Arbeitsraum zuführt. Für Ausführungen als Anfahreinheit in Getriebebaueinheiten stellt sich dabei die Problematik, daß derartige hydrodynamische Baueinheiten in axialer Richtung enormen Bauraum benötigen, welcher insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen nicht zur Verfügung steht. Eine Alternative besteht im Vorsehen einer separaten Füllpumpeneinrichtung, welche den hydrodynamischen Kreislauf außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes unterstützt. Allerdings ist auch diese Ausführung mit Zusatzaufwand verbunden. Ein wesentlicher Nachteil besteht auch darin, daß die Durchsatzmenge von der Menge des aus dem torusförmigen Arbeitsraum austretenden Betriebsmittels während des Betriebes und den Gegebenheiten des externen Kreislaufes abhängt. Insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen muß jedoch aufgrund der Dauerbelastung mit sehr hohen Durchsatzmengen gerechnet werden. Diese stellen ein wesentliches Problem dar, welches ohne zusätzliche Hilfsmittel nicht befriedigend erzielt werden können. Die Hilfsmittel benötigen jedoch Antriebsleistung und sind im zur Verfügung stehenden Bauraum mit einzupassen.
Ein weiterer Nachteil bei gewünschter Füllungsgradsteuerung besteht in der Erfassung des aktuellen Füllungsgrades, welcher als Funktion des Druckes im Arbeitsraum ermittelt werden kann. Ein möglichst genauer Abgriff kann dabei nur im oder in unmittelbarer Nähe zum Arbeitskreislauf erfolgen. Die Anbindung von Sensoren an rotierende Elemente ist jedoch problematisch und führt zu Verfälschungen des Ergebnisses bzw. bedingt eine aufwendige Ermittlung der durch Rotation bedingten Druckkomponente.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Baueinheit für den Einsatz als Anfahr- und/oder Bremseinheit derart weiter zu entwickeln, daß in allen Betriebszuständen eine optimale Betriebsweise gewährleistet wird, insbesondere eine optimale Betriebsmitteltemperatur gewährleistet werden kann. Dies bedeutet, daß aufgrund der sehr hohen Drehzahl beim Einsatz in Fahrzeugen ein sehr hoher Durchsatz im externen Kreislauf erzielt werden muß. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich dabei durch einen möglichst geringen konstruktiven Aufwand auszeichnen/wobei die axiale Baulänge möglichst gering zu halten ist. Ferner soll bei dieser eine möglichst genaue Ermittlung des Druckes im Arbeitsraum, der als eine wesentliche Eingangsgröße für eine Mehrzahl von Ansteuervorgängen erforderlich ist, möglich sein. Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die hydrodynamische Baueinheit umfaßt einen Eingang und einen Ausgang und ein dazwischen angeordnetes hydrodynamisches Bauelement, umfassend ein mit dem Eingang wenigstens mittelbar, d. h. direkt oder indirekt drehfest verbundenes Primärschaufelrad und ein mit dem Ausgang drehfest verbindbares Sekundärschaufelrad, die miteinander einen Arbeitsraum bilden, der torusförmig ist. Das hydrodynamische Bauelement ist frei von einem Leitrad, d. h. es handelt sich lediglich um eine Drehzahlwandlungseinrichtung, so daß für eine bestimmte vorgegebene zu übertragende Leistung lediglich eine Variation hinsichtlich der Drehzahl an der Abtriebsseite möglich ist. Zwischen An- und Abtriebsseite, d.h. Primär- und Sekundärschaufelrad, herrscht dabei Momentengleichheit. Beide Schaufelräder sind des weiteren von einem ruhenden Gehäuse umschlossen. Dies bedeutet, daß das hydrodynamische Bauelement frei von einer mit dem Primärschaufelrad drehfest gekoppelten und das Sekundärschaufelrad in axialer und in Umfangsrichtung umschließenden Primärschaufelradschale ist. Im vom ruhenden Gehäuse gebildeten Innenraum sind. somit lediglich die beiden Schaufelräder - Primärschaufelrad und Sekundärschaufelrad - als aktive Elemente zur Leistungsübertragung angeordnet. Das ruhende Gehäuse bietet dabei den Vorteil, daß insbesondere bei füllungsgradgesteuerten hydrodynamischen Bauelementen in Form von hydrodynamischen Kupplungen, bei welchen das Sekundärschaufelrad drehfest im Betrieb mit dem Ausgang verbunden ist, den Druck als zu verarbeitende Eingangsgröße im ruhenden Gehäuse als proportionale Größe zum Füllungsgrad abgegriffen werden kann, wobei der Abgriff im ruhenden Gehäuse relativ einfach zu bewerkstelligen ist und der dafür erforderliche Aufwand sehr gering gehalten werden kann. Die Innenwand des ruhenden Gehäuses und die Außenumfänge von Primärschaufeirad und Sekundärschaufelrad begrenzen dabei in axialer Richtung jeweils einen Schaufelradnebenraum. Im Schaufelradnebenraum sind keine weiteren in axialer Richtung angeordneten und sich in radialer Richtung erstreckenden Trennwände vorgesehen. In radialer Richtung ist zwischen dem Gehäuse und den Außenumfängen der Schaufelräder ein Spalt geringer Größe vorgesehen. An einem der beiden Schaufelräder oder zwischen diesen ist ferner mindestens ein Austritt aus dem Arbeitsraum vorgesehen, welcher in den radialen Spalt mündet. Das Betriebsmittel kann in einer Weiterentwicklung dabei aus dem Spalt des weiteren über das ruhende Gehäuse mit oder ohne Zwischenspeicherung oder über in diesem angeordnete Kanäle oder Hohlräume abgeführt werden. Zu diesem Zweck ist der radiale Spalt mit mindestens einem Hohlraum im Gehäuse gekoppelt. Während des Betriebes des hydrodynamischen Bauelementes gelangt Betriebsmittel aus dem Arbeitsraum über den Austritt in den Spalt. Dadurch baut sich in diesem Raum ein hoher nutzbarer Druck auf, welcher proportional zum Druck im Arbeitsraum ist. Die Größe des Spaltes in radialer Richtung kann durch eine Größenangabe im Bereich zwischen größer 0% und einschließlich 25 % des Querschnittes von Ein- und Austritt in bzw. aus dem Arbeitsraum beschrieben werden. Dadurch baut sich in diesem Raum ein sehr hoher nutzbarer Druck auf, welcher aufgrund der hohen Druckdifferenz zwischen diesem Raum und dem Eintritt bzw. Zufuhrraum zum torusförmigen Arbeitsraum der Aufrechterhaltung eines Betriebsmittelstromes vom Arbeitsraum zum Arbeitsraum in allen Betriebszuständen der hydrodynamischen Kupplung bei Führung in einem Kreislauf gewährleistet. Das Betriebsmittel wird dabei als Teilströmung zum eigentlichen Arbeitskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum über Kanäle im Gehäuse oder über ein Leitungssystem geführt. Die Zufuhr erfolgt wiederum zum Eintritt in den Arbeitsraum des hydrodynamischen Bauelementes. Insbesondere bei druckdichter Ausführung des geschlossenen Kreislaufes, welcher vom Arbeitskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum und im externen Teil, welcher außerhalb des Arbeitsraumes geführt wird, gebildet wird, kann ein durch das hydrodynamische Bauelement selbst erzeugter Druck im Gesamtsystem aufrechterhalten werden. Dieser Kreislauf funktioniert dabei frei von zusätzlichen Fördereinrichtungen und ist dabei nicht an entsprechende Restriktionen bezüglich der Leitungsführung gebunden. Der externe Teil des geschlossenen Kreislaufes kann dabei für sich allein schon als Kühlkreislauf bezeichnet werden, da über die Leitungsverbindungen zwischen dem Ablauf und dem Zulauf Wärme durch Wärmestrahlung abgeführt werden kann. Zusätzlich können in vorteilhafter Weise Kühleinrichtungen in diesen integriert werden.
Um eine druckdichten Ausführung des externen Kreislaufteiles zu erreichen, ist es dabei erforderlich, daß sowohl die beiden Schaufelräder gegenüber dem Gehäuse abgedichtet werden, d. h. dichtend geführt, als auch zwischen dem Primärschaufelrad und dem Sekundärschaufelrad im radial inneren Bereich, d. h. unterhalb einer radialen Erstreckung des torusförmigen Arbeitsraumes eine Dichtung vorgesehen ist. Diese Dichtungen sind vorzugsweise alle als berührende Dichtungen ausgeführt. Ausführungen mit Drehdurchführungen sind ebenfalls denkbar.
Unter einem weiteren Aspekt können bei druckdichter Ausführung des geschlossenen Kreislaufes Mittel zur Erzeugung eines Beeinflussungsdruckes auf das im geschlossenen Kreislauf geführte Betriebsmittel vorgesehen werden, d.h. es besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Füllungsgrad des hydrodynamischen Bauelementes zu steuern. Unter einem weiteren Aspekt ist im geschlossenen Kreislauf mindestens eine Knotenstelle zum wahlweisen Anschluß von Mitteln zur Befüllung und/oder Entleerung und/oder Mittel zur Druckvorgabe im System angeordnet. Die Mittel zur Druckvorgabe sind dabei vorzugsweise druckdicht an den geschlossenen Kreislauf angeschlossen und dienen der Erzeugung eines statischen Überlagerungsdruckes im geschlossenen Kreislauf. Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Druckvorgabe einen druckdicht abgeschlossenen Behälter, welcher druckdicht mit dem geschlossenen Kreislauf verbunden ist Die Druckvorgabe erfolgt dabei durch Aufbringen eines Druckes auf den Behälterspiegel. Eine andere Möglichkeit besteht in der Erzeugung eines Druckes durch zusätzliche Elemente. Entscheidend ist jedoch, daß durch Aufbringen eines Druckes im geschlossenen Kreislauf eine Möglichkeit der Steuerung und Regelung bei Rückführung gegeben ist. Insbesondere für die Regelung ist es besonders günstig, wenn die Regelgröße, d.h. der Druck, in optimaler Weise wie mit der erfindungsgemäßen Lösung im ruhenden Gehäuse abgegriffen werden kann und eine entsprechend zuverlässige Aussage über den Druck im Arbeitsraum ermöglicht.
Die Mittel zur Befüllung umfassen in der Regel eine
Betriebsmittelspeichereinrichtung und Mittel zum Betriebsmitteltransport. Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung werden zur Vereinfachung des Gesamtsystems die Mittel zur Befüllung und Entleerung und die Mittel zur Druckvorgabe von einem System gebildet. Die Befüllung und Entleerung erfolgt dabei vorzugsweise ebenfalls über den druckdicht an das geschlossene System angeschlossenen Behälter und Ausübung eines Druckes auf den Behälterspiegel oder über Pumpeinrichtungen.
Bezüglich der Anordnung und Ausführung des Austrittes aus dem Arbeitsraum in den Spalt bestehen Mehrzahl von Möglichkeiten. Dieser kann am Primärschaufelrad, am Sekundärschaufelrad oder im Bereich der Trennebene zwischen beiden vorgesehen werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Verbindung von Arbeitsraum und Spalt im Primärschaufelrad wenigstens eine Öffnung vorgesehen, welche einen Kanal durch das Primärschaufelrad bildet, der sich von der Innenfläche des beschaufelten Teiles des Primärschaufelrades zum Außenumfang des Primärschaufelrades erstreckt und derart ausgerichtet ist, daß sich die Lage mittels wenigstens einer Richtungskomponente beschreiben läßt, welche tangential an die Kontur des zwischen den beiden Schaufelrädern entstehenden Arbeits- bzw. Strömungskreislaufes im torusförmigen Arbeitsraum angelegt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, daß zusätzlich zum Strömungskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum zum Zwecke der Kraftübertragung ein Nebenstrom an Betriebsmittel abgezweigt wird, welcher direkt in den Spalt gelangt und von diesem weiter in das Gehäuse geleitet werden kann. Vorzugsweise ist der Verbindungskanal, d. h. die Öffnung am Primärschaufelrad, derart ausgeführt, daß diese tangential in Richtung der Kreislaufkontur, d. h. der sich im Arbeitsraum im Betriebszustand einstellenden Strömung und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Dies ermöglicht es, den Nebenstrom mit dem geringst möglichen Widerständen und Strömungsgeschwindigkeitsverlusten zu erzeugen.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Verbindungskanälen, d. h. von Öffnungen im Primärschaufelrad vorgesehen. Diese können entweder
1. auf einer gemeinsam gedachten theoretischen Umfangsiinie oder aber
2. auf mehreren verschiedenen gedachten Umfangslinien
am Primärschaufelrad angeordnet sein. Unter Umfangslinien werden dabei theoretisch gedachte Linien am Außenumfang des Primärschaufelrades verstanden, welche parallel zur gedachten Mittelebene zwischen dem Pumpen- und Turbinenschaufelrad im eingebauten Zustand der Kupplung verlaufen. Es besteht dabei die Möglichkeit die Anordnung wechselweise auf unterschiedlichen Umfangslinien vorzunehmen.
Die Verbindungsleitungen bzw. Öffnungen am Primärschaufelrad können des weiteren auf einer Umfangsiinie oder mehreren Umfangslinien in
1. konstanten Abständen oder
2. unterschiedlichen Abständen zwischen zwei einander benachbarten Öffnungen angeordnet werden.
Die Auswahl der Anzahl sowie die Anordnung auf den unterschiedlichen Umfangslinien liegt im Ermessen des Fachmannes.
Für die Gestaltung des Querschnittes der Verbindungskanäle bzw. Öffnungen sind eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar. Beispielsweise können diese einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, ovale Ausführungen oder Ausführungen mit Querschnitten in Form von Langlöchern sind ebenfalls denkbar.
Die Ausgestaltung des Verbindungskanals vom torusförmigen Arbeitsraum zum Außenumfang des Primärschaufelrades kann vielgestaltig erfolgen. Vorzugsweise ist eine direkt gerichtete, insbesondere tangential zur Kreislaufkontur im Arbeitsraum ausgerichtete Gestaltung, vorgesehen. Es besteht jedoch auch die theoretische Möglichkeit, geringfügige Änderungen eines derartigen Verlaufes vorzunehmen. Vermieden wird jedoch, was zu erheblichen Störungen des Nebenstromes und damit zur Beeinträchtigung seiner Funktion führt. Geringfügige Abweichungen von einem geradlinigen Verlauf im Verbindungskanal sind jedoch denkbar.
Des weiteren kann der Verbindungskanal zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum und dem Außenumfang des Primärschaufelrades mit
1. konstantem Querschnitt
2. mit unterschiedlichen Querschnitten ausgeführt sein. Querschnittsveränderungen zur Beeinflussung des Nebenstromes werden vorzugsweise allmählich zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit vorgenommen.
Die einzelnen Möglichkeiten bezüglich der querschnittsmäßigen Ausgestaltungen der Verbindungskanäle bzw. Öffnungen, deren Anordnung auf einer oder aber einer Mehrzahl von unterschiedlichen Umfangslinien am Primärschaufelrad und/oder der Ausgestaltung des Verlaufes des Verbindungskanals bzw. der Öffnung am Primärschaufelrad vom torusförmigen Arbeitsraum bis zum Außenumfang des Primärschaufelrades können beliebig miteinander entsprechend der zu erzielenden Wirkung kombiniert werden. Die konkrete Auswahl erfolgt dabei vorzugsweise entsprechend den Gegebenheiten des Einsatzfalles, insbesondere des verwendeten Betriebsmittels. Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß die hydrodynamische Baueinheit als völlig autarke Einheit für unterschiedliche Anwendungszwecke vormontiert und geliefert werden kann. Diese kann dann mit anderen Komponenten zu einer Gesamteinheit zusammengefügt werden. Beispielsweise kann diese für den Einsatz in Automat- oder Schaltgetriebebaueinheiten, insbesondere mit Eignung für den Einsatz im automatisierten Schaltgetriebe mit einer Überbrückungskupplung kombiniert werden. Ferner kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung zur Erzielung positiver Effekte das hydrodynamische Bauelement als Anfahrelement ausgestaltet werden, wobei das hydrodynamische Bauelement in Form der hydrodynamischen Kupplung als Anfahrelement fungiert, dessen Antrieb mit dem Eingang und dessen Abtrieb mit dem Ausgang gekoppelt ist, wobei zwischen dem Abtrieb des Anfahrelementes und dem Ausgang der hydrodynamischen Baueinheit und damit der Anfahreinheit ein Freilauf vorgesehen ist. Dieser Freilauf ermöglicht als richtungsgeschaltete Kupplung dabei folgende Funktionszustände:
1. Ist die Drehzahl auf der Abtriebsseite des Anfahrelementes, d. h. dem Turbinenrad, gleich der am Ausgang wird ein Moment vom Turbinenrad auf den Ausgang übertragen.
2. Ist die Drehzahl des Turbinenrades, d.h. des Abtriebes des hydrodynamischen Bauelementes, geringer als am Ausgang der hydrodynamischen Baueinheit wird über das Turbinenrad, d.h. das Sekundärschaufelrad, kein Moment auf den Ausgang übertragen. Das Sekundärschaufelrad läuft frei. Diese Lösung bietet neben der Realisierung eines nahezu verschleißfreien Anfahrvorganges den Vorteil, daß während des Schaltvorganges das hydrodynamische Bauelement nicht entleert werden muß und auch keine zusätzliche drehende Kupplung zur Leistungsunterbrechung erforderlich ist. Die Abkopplung des Einganges und damit der Getriebeeingangswelle von den nachgeordneten Schaltstufen erfolgt allein über den Freilauf und sichert somit die Funktion der Synchroneinrichtung im Schaltgetriebe. Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zusätzlich eine Überbrückungskupplung vorgesehen, die parallel zum hydrodynamischen Bauelement geschaltet ist, jedoch nur während zeitlich geringer oder definierten Phasen gemeinsam mit dem hydrodynamischen Bauelement in Eingriff ist, wobei der Leistungsfluß zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Anfahreinheit unterbrechbar ist. Diese Unterbrechbarkeit kann dabei beim Einsatz der Anfahreinheit in automatisierten Schaltgetrieben mit dem der Anfahreinheit nachgeordneten mechanischen Getriebeteil durch die Schaltbarkeit der Überbrückungskupplung bei gleichzeitiger Entleerung bzw. bereits geleerter hydrodynamischer Kupplung oder beim Einsatz in automatisierten Schaltgetrieben mit mechanischem Getriebeteil oder Nach- bzw. Gruppenschaltsatz beim Umschalten zwischen den unteren Gangstufen durch die Entleerung der hydrodynamischen Kupplung, d.h. des hydrodynamischen Bauelementes, erfolgen. Vorzugsweise werden bei einer derartigen Ausführung die Abtriebsseiten der hydrodynamischen Kupplung und der Überbrückungskupplung drehfest miteinander über den Freilauf gekoppelt. Der Vorteil einer derartigen Anordnung wiederum besteht im wesentlichen darin, daß nur zwei Zustände bezüglich der Leistungsübertragung unterschieden werden müssen, wobei diese rein mechanisch über die Überbrückungskupplung oder hydrodynamisch über das hydrodynamische Bauelement erfolgt. Durch die geeignete Ansteuerung können dabei zusätzlich die Vorteile der hydrodynamischen Leistungsübertragung für bestimmte Fahrzustände optimal genutzt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, bei Ausführung mit Freilauf durch Zuordnung einer Einrichtung zum wahlweisen Festhalten des Sekundärschaufelrades das im Traktionsbetrieb als hydrodynamische Kupplung betreibbare Element wahlweise auch als hydrodynamischen Retarder zu betreiben und damit eine verschleißfreie Bremseinrichtung unter Ausnutzung vorhandener Bauelemente zu ermöglichen. Eine separate hydrodynamische Bremseinrichtung, welche insbesondere beim Einsatz in Nutzfahrzeugen Verwendung findet, kann dabei entfallen. Die Ventilationsverluste dieses Retarders beim Einsatz der hydrodynamischen Baueinheit als kombinierte Anfahr-/Bremseinheit sind im Vergleich zum konventionellen Retarder gering. Die Einrichtung zum Festhalten bzw. zur Ankopplung des Sekundärschaufelrades am Gehäuse ist im einfachsten Fall als Bremseinrichtung vorzugsweise in Scheibenbauweise ausgeführt. Diese wird am Abtrieb der hydrodynamischen Kupplung, d.h. am Sekundärschaufelrad, wirksam. Die Anbindung des Bremselementes am Sekundärschaufelrad erfolgt dabei zwischen Turbinenrad und Freilauf.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung den
Grundaufbau einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Baueinheit;
Figur 2a verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine weitere Ausführungen einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Baueinheit mit im Gehäuse vollständig integriertem externen Kreislaufteil des geschlossenen Kreislaufes;
Figur 2b verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eine weitere Ausführungen einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Baueinheit mit im Gehäuse teilweise integriertem externen Kreislaufteil des geschlossenen Kreislaufes;
Figur 3a bis 3d zeigen Anordnungen eines Austrittskanals;
Figur 4a und 4b verdeutlichen in schematisch vereinfachter Darstellung
Ausführungen der Querschnittsverläufe eines Austrittskanals;
Figuren 5, 6a und 6b verdeutlichen mögliche Querschnitte und Verläufe eines
Austrittskanals;
Figur 7 verdeutlicht die Möglichkeit der Füllungsgradsteuerung für eine Ausführung gemäß Figur 2b;
Figur 8 verdeutlicht eine spiralförmige Ausgestaltung eines im
Gehäuse mit dem Eintritt und dem Austritt gekoppelten Kanals zur Betriebsmittelführung im geschlossenen Kreislauf.
Die Figur 1 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung das Grundprinzip einer erfindungsgemäß gestalteten hydrodynamischen Baueinheit 1. Diese umfaßt einen Eingang E und einen Ausgang A. Die hydrodynamische Baueinheit 1 umfaßt ferner ein zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A angeordnetes hydrodyna-misches Bauelement 2, welches ein drehfest mit dem Eingang E koppelbares Primärschaufelrad 3 und ein drehfest mit dem Ausgang A koppelbares Sekundär-schaufelrad 4 umfaßt. Das hydrodynamische Bauelement
2 ist frei von einem Leitrad. Ferner ist ein Gehäuse 5 vorgesehen, welches das hydrodynamische Bauelement 2, insbesondere das Primärschaufelrad und das Sekundärschaufelrad 3 bzw. 4 in radialer und axialer Richtung umschließt. Bei diesem handelt es sich um ein ruhendes Gehäuse. Erfindungsgemäß ist das hydrodynamische Bauelement 2 frei von einer drehfest mit dem Primärschaufelrad
3 gekoppelten Primärschaufelradschale, welche das Sekundärschaufelrad 4 in axialer Richtung und in radialer Richtung umschließt. Dies bedeutet, daß Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 im ruhenden Gehäuse 5 umlaufen. Die zwischen den jeweiligen Schaufelrädern - Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 - und der Innenwand 6 des Gehäuses 5 gebildeten Schaufelrad-Nebenräume 7 und 8 sind somit in axialer Richtung betrachtet nicht durch weitere Einbauten oder Trennwände unterbrochen und werden allein durch die Innenwand 6 und die Kontur bzw. den Außenumfang 9 bzw. 10 der einzelnen Schaufelräder 3 und 4 begrenzt. Die beiden Schaufelradnebenräume 7 und 8 bilden den Gehäuseinnenraum 14. In radialer Richtung ist zwischen der Innenwand 6 des Gehäuses 5, insbesondere der zu den Schaufelrädern - Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 - gerichteten Fläche oder Flächen 47 und den beiden Schaufelrädern - Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 - ein radialer Spalt 46 geringer Größe vorgesehen. Die Abmessung des Spaltes 13 in radialer Richtung im Querschnitt betrachtet beträgt zwischen größer 0 und einschließlich 25 % der Querschnitte von Eintritt und Austritt in den Arbeitsraum 11.
Primärschaufelrad und Sekundärschaufelrad bilden einen Arbeitsraum 11. Dieser ist vorzugsweise torusförmig. Zwischen Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 oder an einem der beiden Schaufelräder ist wenigstens ein Austritt 12 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 angeordnet, welcher in den Spalt 46 mündet. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist dieser Austritt 12 am Primärschaufelrad 3 vorgesehen. Dieser ist beispielsweise als Kanal 13 im Primärschaufelrad 3 angeordnet und verbindet den torusförmigen Arbeitsraum 11 mit dem Raum außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes 11 , d.h. dem Gehäuseinnenraum 14, der von der Gehäuseinnenwand 6 begrenzt wird. Der Kanal 13 erstreckt sich durch die Wand 45 des Primärschaufelrades 3. Der Kanal 13 ist dabei derart gestaltet und ausgerichtet, daß wenigstens eine Richtungskomponente in Strömungsrichtung im Betriebszustand des hydrodynamischen Bauelementes 2 zwischen dem Primärschaufelrad 3 und dem Sekundärschaufelrad 4 sowie im wesentlich tangential zu der sich im Betriebszustand einstellenden Kreislaufkontur des sich als Arbeitskreislauf 24 einstellenden Strömungskreislaufes im torusförmigen Arbeitsraum 11 ausgerichtet ist. Dies bedeutet, daß der Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 immer tangential zum sich als Arbeitskreislauf 24 einstellenden Strömungskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum 11 erfolgt.
Der Spalt 46 wiederum ist mit einem Raum außerhalb des Gehäuseinnenraumes 14 verbunden. Vorzugsweise erfolgt die Kopplung über in der Wand 48 des Gehäuses 5 angeordnete Kanäle oder Hohlräume 49. Dazu ist am Gehäuse 5 wenigstens ein Eintritt 18 vorgesehen, welcher mit dem Spalt 46 gekoppelt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, Betriebsmittel aus dem torusförmigen Arbeitsraum 5 mit hohem Druck in den Spalt 46 und von diesem über den Eintritt 18 am Gehäuse 5 in einem geschlossenen Kreislauf 15 zu führen. Aufgrund des hohen Druckes kann das Betriebsmittel ohne zusätzliche Hilfsmittel, beispielsweise Pumpeinrichtungen, in einem zum Arbeitsraum 11 extern geführten Teiles 26 des vorzugsweise geschlossenen Kreislaufes 15 geführt werden. Der Kreislauf 15 ist in den Figuren 2a und 2b für eine Ausführung gemäß Figur 1 dargestellt. Dieser ist dem hydrodynamischen Bauelement 2, insbesondere dem Arbeitsraum 11 zugeordnet. Der Kreislauf 15 kann dabei, wie in der Figur 2a schematisch dargestellt vollständig im ruhenden Gehäuse 5 integriert sein. Dieser ist dabei mit 15.2a bezeichnet. Diese Lösung stellt eine besonders vorteilhafte Ausführung dar, da hier bereits ein vollständiges System aus hydrodynamischer Baueinheit 1 mit integriertem externen Kreislaufteil 26.2a vormontiert angeboten werden kann. Dieser geschlossene Kreislauf 15.2a ist Bestandteil eines Betriebsmittelversorgungssystems 21 , welches im einfachsten Fall bei Ankoppelung an eine Betriebsmittelquelle aus dieser und dem aus Arbeitskreislauf 24 und externen Teil 26.2a besteht. Dabei besteht ebenfalls die Möglichkeit, das gesamte Betriebsmittelversorgungssystem 21 im Gehäuse 5 der hydrodynamischen Baueinheit 1 zu integrieren. Eine weitere denkbare Möglichkeit besteht darin, daß Betriebsmittelversorgungssystem 21 aus Arbeitskreislauf 24, externem Teil 26.2a und weiteren Komponenten, die auch Bestandteil anderer Betriebsmittelversorgungssysteme oder eines zentralen Betriebsmittelversorgungssystems sein können, zu bilden. Der geschlossene Kreislauf 15.2a, welcher Bestandteil des Betriebsmittelversorgungssystems 21 ist, kann dabei zum einen als Kühlkreislauf verwendet werden, welcher bei Betrieb des hydrodynamischen Bauelementes 2 immer eine bestimmte Menge an Betriebsmittel aus dem Arbeitskreislauf 24 im torusförmigen Arbeitsraum 11 abzweigt und extern über den Kreislaufteil 26.2a diesem wieder zuführt. Der externe Kreislaufteil 26.2a ist Bestandteil des geschlossenen Kreislaufes 15, der zusätzlich den sich im torusförmigen Arbeitsraum 11 einstellenden Arbeitskreislauf 24 umfaßt. Der externe Teil 26.2a ist dazu mit mindestens einem Austritt 12 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 und einem Eintritt 19 in den torusförmigen Arbeitsraum 11 gekoppelt. Im externen Kreislaufteil 26.2a können Kühleinrichtungen 22.2a, beispielsweise in Form von Wärmetauschern 23, vorgesehen werden. Diese bilden die Mittel zur Beeinflussung der Temperatur des Betriebsmittels 27.2a. Die Kühlung kann dabei allein durch den Umlauf oder, wie hier dargestellt, indirekt über einen Wärmetauscher 23 erfolgen. Ferner wird der externe Kreislaufteil 26.2a des geschlossenen Kreislaufes 15 dazu genutzt, um den Füllungsgrad des hydrodynamischen Bauelementes 2 und damit auch den Umlauf im externen Teil 26.2a im geschlossenen Kreislauf 15 zu steuern. Diesbezüglich wird im einzelnen auf die Figur 7 verwiesen. Im torusförmigen Arbeitsraum 11 stellt sich dabei bei Betrieb des hydrodynamischen Elementes 2 ein sogenannter Arbeitskreislauf 24 ein, welcher auch als hydrodynamischer Kreislauf bezeichnet wird. Dieser ist im geschlossenen Kreislauf 15 integriert. Dem Arbeitskreislauf 24 ist dabei mindestens der Austritt 12 in Form eines Kanals 13 und ein Eintritt 19 zugeordnet. Der geschlossene Kreislauf 15 ist als geschlossenes Drucksystem ausgeführt, d.h. druckdicht. Zu diesem Zweck ist zwischen Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 zusätzlich im Bereich der Innenabmessungen des torusförmigen Arbeitsraumes 5 wenigstens eine Dichtung 50 vorgesehen. Diese ist als berührende Dichtung ausgeführt. Ferner sind beide Schaufelräder 3 und 4 druckdicht im Gehäuse 5 gelagert. Dazu sind zwischen den beiden Schaufelrädern 3 und 4 und dem Gehäuse 5 jeweils wenigstens eine berührende Dichtung 51 und 52 vorgesehen. Die druckdichte Ausführung bietet den Vorteil, durch Aufringen eines Überlagerungsdruckes den Füllungsgrad aktiv steuern und zusätzlich regeln zu können, was in Figur 7 im einzelnen beschrieben wird.
Gegenüber der in der Figur 2a dargestellten Ausführung der Führung des externen Kreislaufes 26.2a vollständig im Gehäuse 5, verdeutlicht die in der Figur 2b dargestellte Ausführung die Führung des externen Teiles 26.2b schematisiert dargestellt nur teilweise im ruhenden Gehäuse 5. In diesem Fall weist das Gehäuse 6 Anschlüsse 16 und 17 auf, welche mindestens einen Austritt 53 aus dem Gehäuse 5 und einen Eintritt 54 in das Gehäuse 5 für einen Teil des externen Kreislaufes 26.2b verdeutlichen, hier der Anschluß 16 den Austritt 53 und der Anschluß 17 den Eintritt 54 in das Gehäuse 5. Im extern, d. h. wenigstens teilweise außerhalb des Gehäuses 5 geführtem Kreislaufteil 26.2b des geschlossenen Kreislaufes 15 sind dabei Mittel 27.2b zur Beeinflussung der Temperatur des im geschlossenen Kreislauf 15 geführten Betriebsmittels vorgesehen, beispielsweise in Form eines Kühlers 22.2b. Diese umfassen eine Kühleinrichtung zur direkten Kühlung des Betriebsmittels. Auch hier ist der geschlossene Kreislauf 15 Bestandteil des Betriebsmittelversorgungssystems 21.
Die Steuerung des Betriebsmittelvolumenstromes im geschlossenen Kreislauf 15, insbesondere im externen Teil 26.2a oder 26.2b, kann unterschiedlich erfolgen. Im einfachsten Fall erfolgt diese in Abhängigkeit der Drehzahl der rotierenden Kreislaufteile oder wird hinter dem Austritt 12 in einem Abströmraum oder einer, mit diesem gekoppelten Kammer zwischengespeichert. Um den gesamten Kreislauf 15 selbsttätig aufrechtzuerhalten ist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit am Austritt 12 erforderlich. Diese wird durch die Meridianströmung im torusförmigen Arbeitsraum 11 und den Austritt in den Spalt 46 realisiert. Dieser hohe Druck ist dabei direkt proportional zum Druck im torusförmigen Arbeitsraum 11 und kann auf sehr einfache Art und Weise am Eintritt 18 ins Gehäuse 5 bzw. in einen mit diesem gekoppelten Kanal oder Hohlraum 49 im Gehäuse 5 abgegriffen werden. Die dazu erforderlichen Einrichtungen in Form von Drucksensoren, hier beispielhaft der Drucksensor 55 in den Figuren 2a und 2b, können somit an einem ruhenden Element gelagert werden.
Die Kanäle oder Hohlräume 49 sind derart gestaltet, daß dieser sich in Richtung vom Eintritt 18 weg spiralförmig vergrößert. Diese Lösung wird insbesondere für Ausführungen mit teilweise außerhalb des Gehäuses 5 geführten Kreislaufteilen, wie in Figur 2b dargestellt, angewandt. Dabei ist der Eintritt 18 über den Kanal 49 mit dem Austritt 53 gekoppelt. Der zum Austritt 53 mündende Teil wird auch als Auslaßrinne bezeichnet. Diese vergrößert sich in Richtung des Austrittes 53 spiralförmig und mündet vorzugsweise in den tangential geführten Austritt 53. Der Kanal dient dabei dazu, die Strömung relativ verlustarm in Druck im Auslaß aus dem Gehäuse 5 umzuwandeln und damit den Volumenstrom zu erhöhen. Eine Schnittdarstellung für den Spiralkanal 49 im Gehäuse 5 ist in Figur 8 wiedergegeben.
Bei allen Ausführungen der Figuren 1 , 2a und 2b ist der Austritt 12 oder eine Mehrzahl von Austritten in besonders vorteilhafter Weise am Primärschaufelrad 3 angeordnet. Denkbar ist jedoch auch ein Austritt am Sekundärschaufelrad oder zwischen beiden Schaufelrädern im Bereich der Trennebene T. Der Austritt 12 bzw. der sich daran anschließende Kanal 13 ist dabei Bestandteil des externen Kreislaufteiies 26, welcher im geschlossenen Kreislauf 15 integriert ist und zwischen dem Austritt 12 und einem Eintritt 19 in den torusförmigen Arbeitsraum 11 geschaltet ist. Vom Spalt 46 zwischen Kanal 13, d. h. Gehäuseinnenraum 14, gelangt dann das Betriebsmittel über einen Eintritt 18 in das ruhende Gehäuse 5 bzw. einen in diesem geführten Kanal. Die Ausgestaltung der hydrodynamischen Baueinheit 1 mit einem ruhenden Gehäuse 5 und die Führung des Betriebsmittels in einem externen Kreislauf 15 zum Arbeitskreislauf, welcher sich im torusförmigen Arbeitsraum 11 einstellt, im Gehäuse 5 bzw. wenigstens teilweise über das Gehäuse 5, ermöglicht es bereits in einem Bereich, welcher sich unmittelbar an den Austritt vom Betriebsmedium aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 anschließt, auf einfache Art und Weise die Größe des dort im Betriebsmittel herrschenden Druckes zu ermitteln, da hier Sensoren in einem ruhenden Gehäuse angebracht werden können. Dies erlaubt es ferner, eine relativ zuverlässige Aussage über die Größe des aktuellen Füllungsgrades zu geben, da dieser proportional zum Druck im torusförmigen Arbeitsraum ist und aufgrund der unmittelbaren räumlichen Nähe zwischen dem Arbeitsraum und dem Gehäuse 5 bei geringem Zwischenraum zwischen den einzelnen Schaufelrädern - Primärschaufelrad 3 und Sekundärschaufelrad 4 - und dem Gehäuse 5 ist. Damit kann der Druck weitestgehend aufrechterhalten werden. Vorzugsweise ist der Kanal 13, d. h. die Öffnung am Primärschaufelrad 3, immer derart ausgeführt, daß diese tangential in Richtung der Kreislaufkontur, d. h. der sich im Arbeitsraum im Betriebszustand einstellenden Strömung und in Strömungsrichtung ausgerichtet ist, wie in Figur 3a anhand eines Ausschnittes aus einer Schnittdarstellung durch das Primärschaufelrad 3 dargestellt. Dies ermöglicht es, eine Abfuhr von Betriebsmittel aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 mit geringst möglichem Widerstand und Strömungsgeschwindigkeitsverlusten zu erzeugen. Mit der zusätzlichen Möglichkeit dertangentialen Ausführung des Kanals 13 zum torusförmigen Arbeitsraum 11 wird in optimaler Weise der Durchfluß im externen Kreislaufteil 26, insbesondere des Kühlvolumenstromes, aufrechterhalten. Das Betriebsmittel tritt dabei entsprechend mit einem hohen Druck aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 über den Kanal 13 in den Innenraum 14 aus, wobei bei Ausführung mit geringem Spalt der Druck zwischen der Innenwand 6 am Gehäuse 5 und den Außenumfang im Bereich der radialen Erstreckung ebenfalls sehr hoch ist und somit eine erhebliche Druckdifferenz zwischen dem Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum und dem Eintritt 19 besteht. Diese Druckdifferenz wird zur Aufrechterhaltung des Kühlvolumenstromes während des Betriebes des hydrodynamischen Bauelementes genutzt.
Vorzugsweise sind des weiteren eine Mehrzahl von Kanälen 13 am Primärschaufelrad 3 vorgesehen. Diese können dabei entweder auf einer gemeinsam gedachten theoretischen Umfangsiinie oder aber auf mehreren verschiedenen Umfangslinien am Primärschaufelrad angeordnet sein. Unter Umfangslinien werden dabei theoretisch gedachte Linien im Außenumfang des Primärschaufelrades 3 verstanden, welche parallel zur gedachten Mittelebene E zwischen dem Primärschaufelrad 3 und dem Sekundärschaufelrad 4 im eingebauten Zustand des hydrodynamischen Bauelementes 2 verlaufen. Es besteht dabei die Möglichkeit, die Anordnung wechselweise auf unterschiedlichen Umfangslinien vorzunehmen. Eine Möglichkeit dieser Anordnung ist in schematisch vereinfachter Darstellung in der Figur 3b in einer Ansicht von oben auf ein Primärschaufelrad 3 wiedergegeben. Das Primärschaufelrad ist mit 3 bezeichnet, die Kanäle mit 13.13b bis 13.n3b. Eine Anordnung einer Vielzahl von Kanälen 13.13c bis 13.n3c auf einer Umfangsiinie ist in einer Ansicht von oben auf ein Primärschaufelrad 3 in Figur 3c wiedergegeben. Die einzelnen Kanäle 13.13c bis 13.n3c zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum 11 und dem Gehäuseinnenraum 14 sind dabei auf einer Umfangsiinie in konstanten Abständen a oder gemäß Figur 3d mit unterschiedlichen Abständen zwischen zwei in Umfangsrichtung einander benachbarten Kanälen 13.13d bis 13.n3d ausgeführt. Diese Abstände sind dabei mit a1 und a2 bezeichnet.
Die Figuren 3a bis 3d verdeutlichten Ausführungen mit konstantem Querschnitt des Kanals 13 bzw. der Kanäle 13.13b bis 13.n3b, 13.13c bis 13.n3c und 13.13d bis 13.n3d, in Strömungsrichtung vom torusförmigen Arbeitsraum 5 zum Spaltes 46 betrachtet. Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit besteht zusätzlich auch die Möglichkeit gemäß einer Ausführung in Figur 4 diese Kanäle.13 mit Querschnittsveränderung zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum 11 und dem Außenumfang 9 am Primärschaufelrad 3 vorzunehmen. Eine Möglichkeit mit konstanter allmählicher Querschnittsverringerung vom Innenumfang zum Außenumfang 9 des Primärschaufelrades 3 ist in Figur 4 dargestellt. Der Kanal 13 verengt sich dabei stetig zum Außenumfang 9 hin.
Bezüglich der konkreten Ausgestaltung des Kanals 13 hinsichtlich seiner Querschnittsform bestehen ebenfalls eine Vielzahl von Möglichkeiten. Diese sind in den Figuren 5a und 5b beispielhaft wiedergegeben. Dabei verdeutlicht die Figur 5a die Ausgestaltung des Kanals 13 mit kreisrundem Querschnitt und die Figur 5b mit einem ovalen Querschnitt.
Die Figur 6b verdeutlicht in schematisch stark vereinfachter Darstellung eine Ausführung und Anwendung der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Baueinheit 1 , bei welcher das hydrodynamische Bauelement 2 neben seiner bevorzugten Funktion als hydrodynamische Kupplung auch als auch hydrodynamische Bremse fungieren kann. Die hydrodynamische Baueinheit ist daher mit 1.6a bezeichnet. Bezüglich des Grundaufbaus kann auf die vorangegangenen Figuren verwiesen werden. Vorzugsweise ist dazu die hydrodynamische Baueinheit 1.6 als kombinierte Anfahr- und Bremseinheit 28 ausgeführt, wie in Figur 6b dargestellt. Die Figur 6a zeigt demgegenüber nur eine Ausführung der Baueinheit 1.6a als Anfahreinheit 35 mit zusätzlicher Möglichkeit der lastfreien Schaltung und damit der Möglichkeit des Einsatzes in automatisierten Schaltgetrieben. Das hydrodynamische Bauelement 2 bildet dabei bei beiden das Anfahrelement 36. Zusätzlich kann eine Überbrückungskupplung 37 mit in der kombinierten Anfahr- und Bremseinheit 28 gemäß Figur 6b oder der Anfahreinheit 35 gemäß Figur 6a integriert sein, vorzugsweise wird diese jedoch separat ausgeführt. Der Eingang E der hydrodynamischen Baueinheit 1.6, welcher entweder direkt den Eingang E der kombinierten Anfahr- und Bremseinheit 28 oder der Anfahreinheit 35 bildet oder mit diesem gekoppelt ist, beispielsweise über die zu dieser gehörenden Überbrückungskupplung 37, ist mit einer, hier nicht dargestellten, Antriebsmaschine wenigstens mittelbar verbunden. Der Ausgang A der hydrodynamischen Baueinheit 1.6a bzw. 1.6b bildet in der Regel auch den Ausgang der kombinierten Anfahr- und/oder Bremseinheit 28 bzw. der Anfahreinheit 35. Die Bezeichnungen Eingang E und Ausgang A beziehen sich dabei immer auf die Kraftflußrichtung im Traktionsbetrieb von der Antriebsmaschine zum Abtrieb betrachtet. Die Eingänge E und Ausgänge A können dabei in Form von Voll- oder Hohlwellen oder flanschartiger Elemente oder Flexplates ausgeführt sein, die jeweils mit den entsprechenden Anschlußelementen - Antriebsmaschine oder Schaltstufe - in bekannter Weise koppelbar sind. In dieser Kraftflußrichtung betrachtet umfaßt das hydrodynamische Bauelement 2 bei Funktion als hydrodynamische Kupplung 43 ebenfalls einen Antrieb 38 und einen Abtrieb 39. Der Antrieb 38 wird dabei vom Primärschaufelrad 3 und der Abtrieb 39 vom Sekundärschaufelrad 4 gebildet. Zur Realisierung positiver Effekte sind jedoch zwischen dem Sekundärschaufelrad 4 bzw. dem Abtrieb 39 der hydrodynamischen Kupplung und dem Ausgang A ein Freilauf F vorgesehen. Durch den Freilauf F ist es möglich, während des Gangstufenwechsels einen übermäßigen Verschleiß in den Synchronisiereinrichtungen zu verhindern und somit den Komfort zu erhöhen. Derartige Anfahreinheiten sind in der Regel in einem Antriebsstrang mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler, d.h. Getriebe, gekoppelt bzw. bilden mit entsprechenden Schaltstufen eine Getriebebaueinheit. Das Gesamtgetriebe besteht dann aus der Anfahreinheit und den nachgeordneten Drehzahl- /Drehmomentumformungseinheiten. Dieses weist dabei als Eingang den Eingang E der Anfahreinheit 35 auf. Um einen Gangstufenwechsel in einer Schaltgetriebebaueinheit vornehmen zu können, muß die Getriebeeingangswelle, welche von dem Eingang E der Anfahreinheit gebildet wird, momentenfrei sein und von zusätzlichen Maßen entkoppelt werden. Andernfalls bestünde die Gefahr, daß die Synchronelemente und/oder Klauen der Schaltelemente, insbesondere der der Anfahreinheit 35 nachgeordneten Übersetzungsstufen, den Gangstufenwechsel nicht bewältigen können oder erheblich belastet werden und verschleißen. Dabei wird zur Vornahme eines Gangstufenwechsels sowohl die Antriebsmaschine als auch das Sekundärschaufelrad 4.6a bzw. 4.6b von der Eingangswelle E abgekoppelt. Der Freilauf F kann zusätzlich unter Ausnutzung einer zusätzlichen Bremseinrichtung 40 gemäß Figur 6b zur Feststellung des Sekundärschaufelrades 4 und damit Nutzung des hydrodynamischen Bauelementes 2 als hydrodynamischer Retarder 44 genutzt werden. Diese zusätzliche Bremseinrichtung 40 ist vorzugsweise als Scheibenbremseinrichtung in Lamellenbauart ausgeführt und mit dem Abtrieb 39 des hydrodynamischen Bauelementes 2 vor dem Freilauf F gekoppelt. Die Bremseinrichtung 40 umfaßt dazu mindestens eine erste ortsfeste Scheibe 41 , welche vorzugsweise am Gehäuse 5 angeordnet ist, und ein zweites Scheibenelement 42, welches wenigstens mittelbar, d. h. direkt oder über weitere zwischengeschaltete Scheibenelemente mit der ortsfesten Scheibe 41 in Wirkverbindung bringbar ist. Das zweite Scheibenelement 42 ist dabei drehfest mit dem Abtrieb 39, insbesondere dem Sekundärschaufelrad 4.6b, gekoppelt. Mit dem hydrodynamischen Bauelement 2 können somit wenigstens zwei Betriebszustände - ein erster Betriebszustand zur Leistungsübertragung, welcher insbesondere während des Anfahrvorganges beim Einsatz in Getrieben von Fahrzeugen in Frage kommt und die Funktion einer hydrodynamischen Kupplung beschreibt und ein zweiter Betriebszustand zur Abbremsung, d.h. die Funktion als Retarder - realisiert werden. Zur Realisierung der Funktion des hydrodynamischen Bauelementes 2 als hydrodynamischer Retarder 44 erfolgt die Zuordnung der Funktion des Statorschaufelrades durch Festsetzung gegenüber den ruhenden Getriebeteilen, insbesondere dem Gehäuse 5 zum Sekundärschaufelrad 4, d.h. zu dem bei Funktion als hydrodynamische Kupplung fungierenden Turbinenrad. Die Funktion des Rotorschaufelrades wird dabei vom Primärschaufelrad 3, welches bei Funktionsweise als hydrodynamische Kupplung auch als Pumpenrad fungiert, übernommen.
Die Figur 7 verdeutlicht anhand einer Ausgestaltung gemäß Figur 2b ein System zur Steuerung des Füllungsgrades. Für gleiche Elemente werden daher die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Betriebsmittel tritt dabei mit entsprechend hohem Druck aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 über den Kanal 13 in den Gehäuseinnenraum 14, insbesondere den Spalt 13, aus. Aufgrund der sehr hohen Druckdifferenz zwischen dem Austritt 12 aus dem torusförmigen Arbeitsraum 11 und dem Eintritt 19 können diese zur Aufrechterhaltung eines Kühlvolumenstromes während des Betriebes des hydrodynamischen Bauelementes genutzt werden. Zur Beeinflussung der Funktionen Verlust-Betriebsmittelnachführung und der Beeinflussung des Füllungsgrades im torusförmigen Arbeitsraum 11 des hydrodynamischen Bauelementes 2 sind Mittel 29 zur Befüllung und Mittel 30 zur Druckbeaufschlagung dem externen Kreislaufteii 26.2b zugeordnet. Diese Mittel 29 und 30 sind über eine Knotenstelle 31 an den geschlossenen Kreislauf 15 anbindbar. Die Knotenstelle 31 wird dabei im einfachsten Fall von einem Ventilsystem 32 gebildet, welches eine vollständige Entkopplung der Mittel zur Befüllung 29 und der Mittel 30 zur Druckbeaufschlagung ermöglicht und in einer anderen Schaltstellung eine Ankopplung erlaubt. Die Ausgestaltung der Mittel zur Befüllung 29 und der Mittel zur Druckvorgabe 30 kann vielgestaltig erfolgen, vorzugsweise werden diese Mittel zur Befüllung 29 und die Mittel zur Druckvorgabe 30 von einem gemeinsamen Element oder System gebildet bzw. unter Ausnutzung gleicher Elemente. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Betriebsmittelversorgungstank 33 handeln, welcher indirekt über eine zusätzliche Energiequelle, beispielsweise eine hydrostatische Pumpe oder eine andere Einrichtung mit dem geschlossenen Kreislauf 15 über die Knotenstelle 31 in Verbindung steht. Dabei erfolgt aus dem externen Betriebsmittelversorgungstank 33 eine Verlust-Betriebsmittelnachfüllung. Des weiteren kann bei vollständig druckdichter Ausführung bzw. Anbindung des Betriebsmittelversorgungstankes 33 an die Knotenstelle 31 ein statischer Überlagerungsdruck im geschlossenen Kreislauf 15 erzeugt werden, wobei dieser Druck entweder durch eine entsprechende Pumpeinrichtung oder beispielsweise Luft auf den Betriebsmittelspiegel im externen Betriebsmittelversorgungstank 33 erzeugt wird. Der Betriebsmittelspiegel ist dabei mit 34 bezeichnet.
Bezugszeichenliste
hydrodynamische Baueinheit hydrodynamisches Bauelement
Primärschaufelrad
Sekundärschaufelrad
Gehäuse
Innenwand
Schaufelrad-Nebenraum
Schaufelrad-Nebenraum
Außenumfang des Primärschaufelrades
Außenumfang des Sekundärschaufelrades torusförmiger Arbeitsraum
Austritt
Kanal
Gehäuseinnenraum externer Kreislauf
Anschlüsse
Anschlüsse
Eintritt
Eintritt
Innenumfang des Primärschaufelrades
Betriebsmittelversorgungssystem
Kühleinrichtung
Wärmetauscher
Arbeitskreislauf
Zulauf außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes geführter Teil des externen Kreislaufes
Mittel zur Beeinflußung der Temperatur kombinierte Anfahr- und Bremseinheit Mittel zur Befüllung Mittel zur Druckbeaufschlagung Knotenstelle Ventilsystem Betriebsmittelversorgungstank Betriebsmittelspiegel Anfahreinheit Anfahrelement Überbrückungskupplung Antrieb Abtrieb Bremseinrichtung ortsfeste Scheibe Scheibenelement hydrodynamische Kupplung hydrodynamischer Retarder Wand des Primärschaufelrades Spalt zu den Schaufelrädern gerichtete Fläche an der Gehäuseinnenwand Wand des Gehäuses Kanäle, Hohlräume Dichtung Dichtung Dichtung Austritt am Gehäuse Eintritt ins Gehäuse Drucksensor

Claims

Patentansprüche
1. Hydrodynamische Baueinheit (1 )
1.1 mit einem Eingang (E) und einem Ausgang (A) und einem dazwischen angeordneten hydrodynamischen Bauelement (2), umfassend ein Primärschaufelrad (3) und ein Sekundärschaufelrad (4) die einen Arbeitsraum (11) bilden;
1.2 das hydrodynamische Bauelement (2) ist frei von einem Leitrad;
1.3 mit einem, das Primärschaufelrad (3) und das Sekundärschaufelrad (4) umschließenden ruhenden Gehäuse (5);
1.4 mit mindestens einem Eintritt (19) in den Arbeitsraum (11 ) und einem Austritt (12); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.5 das hydrodynamische Bauelement (2) ist frei von einer mit dem Primärschaufelrad (3) drehfest gekoppelten und das Sekundärschaufelrad (4) in axialer und in Umfangsrichtung umschließenden Primärschaufelradschale;
1.6 die Innenwand (6) des ruhenden Gehäuses (5) und die Außenumfänge (9, 10) von Primärschaufelrad (3) und Sekundärschaufelrad (4) begrenzen in axialer Richtung jeweils einen Schaufelradnebenraum (7, 8);
1.7 zwischen dem Primärschaufelrad (3) und dem Sekundärschaufelrad (4) und einem in radialer Richtung zu den Schaufelrädern hin weisenden Teil der Innenwand (6) des Gehäuses (5) ist in radialer Richtung ein radialer Spalt (13) vorgesehen;
1.8 die Abmessung des Spaltes (13) in radialer Richtung im Querschnitt betrachtet beträgt zwischen größer 0 und einschließlich 25 % der Querschnitte von Eintritt und Austritt (12) in den Arbeitsraum (11).
2. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaufelradnebenraum (7, 8) frei von in axialer Richtung angeordneten und in radialer Richtung ausgerichteten Trennwänden ist.
3. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt (12) aus dem Arbeitsraum (11) zwischen Primärschaufelrad (3) und Sekundärschaufelrad (4) im Bereich der Trennebene (T) angeordnet ist.
4. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt (12) aus dem Arbeitsraum (11) am Primärschaufelrad (3) oder am Sekundärschaufelrad (4) angeordnet ist.
5. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
5.1 mit wenigstens einem im Primärschaufelrad (3) oder Sekundärschaufelrad (4) vorgesehenen Kanal (13) zwischen dem torusförmigen Arbeitsraum (11 ) und dem Gehäuseinnenraum (14);
5.2 der Kanal (13) ist derart gestaltet und ausgerichtet, daß wenigstens eine Richtungskomponente im Betriebszustand des hydrodynamischen Bauelementes (2) in Strömungsrichtung des zwischen dem Primärschaufelrad (3) und dem Sekundärschaufelrad (4) sich einstellenden Arbeitskreislauf (24) sowie im wesentlichen tangential zu der sich im Betriebszustand einstellenden Kreislaufkontur des Arbeitskreislaufes zwischen dem Primärschaufelrad (3) und dem Sekundärschaufelrad (4) ausgerichtet ist.
6. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (13) zwischen torusförmigen Arbeitsraum (11 ) und Innenraum (14) tangential in Richtung zur Kreislaufkontur der sich zwischen Primärschaufelrad (3) und Sekundärschaufelrad (4) im Betriebszustand einstellenden Arbeitskreislauf (24) ausgerichtet ist.
7. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (13) einen geradlinigen Verlauf frei von Richtungsänderungen aufweist.
8. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kanälen (13, 13.n) vorgesehen ist.
9. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (13) auf einer theoretisch gedachten Umfangsiinie des Primärschaufelrades (3), welche parallel zu einer Mittelebene (T), welche zwischen dem Primärschaufelrad (3) und dem Sekundärschaufelrad (4) im Einbauzustand gebildet wird, angeordnet sind.
10. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (13) auf mehreren theoretisch gedachten Umfangslinien im Außenumfang des Primärschaufelrades, welche parallel zur Mittelebene (T) zwischen dem Primärschaufelrad (3) und dem Sekundärschaufelrad (4) im Einbauzustand verlaufen, angeordnet sind.
11. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei einander in Umfangsrichtung benachbart angeordneter Kanäle (13) konstant ist.
12. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kanals (13) über seine Erstreckung vom Innenumfang (20) des Primärschaufelrades (3) bis zum Außenumfang (9) konstant ausgeführt ist.
13. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (13) wenigstens eine Querschnittsänderung über seine Erstreckung vom Innenumfang (20) des Primärschaufelrades bis zum Außenumfang (9) aufweist.
14. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (13) in Richtung des Außenumfanges (9) des Primärschaufelrades (3) verengend ausgeführt ist.
15. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kanals (13) kreisförmig ausgeführt ist.
16. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kanals (13) oval ausgeführt ist.
17. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (46) mit wenigstens einem Hohlraum oder Kanal (18) über wenigstens einem Eintritt in das Gehäuse (5) gekoppelt ist.
18. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskreislauf (23) Bestandteil eines geschlossenen Kreislaufes (15) ist, umfassend einen externen Kreislaufteil (26), welcher außerhalb des torusförmigen Arbeitsraumes (11 ) geführt wird, welcher mit wenigstens einem Austritt (12) aus dem Arbeitsraum (11) und einem Eintritt (19) in den Arbeitsraum (11 ) gekoppelt ist.
19. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Teil (26) vollständig im ruhenden Gehäuse (5) geführt ist.
20. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Teil (26) nur teilweise im ruhenden Gehäuse (5) geführt ist und das Gehäuse (5) Anschlüsse (16, 17) zur Kopplung mit dem außerhalb des Gehäuses (5) geführten externen Teiles (26) des Kreislaufes (15) aufweist.
21. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht im Gehäuse (5) geführte Teil des externen Teiles (26) an einen Austritt aus dem Gehäuse (5) gekoppelt ist.
22. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der externe Teil (26) oder der im Gehäuse (5) geführte Teil des externen Teiles (26) in einem spiralförmigen Kanal im Gehäuse (5) geführt werden.
23. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmige Kanal sich in Richtung des Ausganges am Gehäuse (5) hin vergrößert.
24. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß im geschlossenen Kreislauf (15) Mittel (27) zur Beeinflussung der Temperatur des Betriebsmittels vorgesehen sind.
25. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf (15) Mittel zur Beeinflussung der Durchflußmenge angeordnet sind.
26. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß im ruhenden Gehäuse (6) unmittelbar hinter dem Spalt (13) Mittel (55) zur Erfassung des Druckes angeordnet sind.
27. Hydrodynamische Baueinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrodynamische Bauelement (2) als hydrodynamische Kupplung (43) ausgebildet ist und Primärschaufelrad (3) und Sekundärschaufelrad (4) auf rotierbaren Wellen gelagert sind.
28. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sekundärschaufelrad (4) und Ausgang (A) ein Freilauf (F) zwischengeschaltet ist.
29. Hydrodynamische Baueinheit (1 ) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß am Sekundärschaufelrad (4) oder zwischen Sekundärschaufelrad (4) und Freilauf (F) eine Bremseinrichtung (40) vorgesehen ist.
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