DE1069977B - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaufelrad für Flüssigkeitsgetriebe, insbesondere Leitrad für hydrodynamische Drehmomentwandler,^fiiit einem eine Gruppe fest angebrachter Hilfsschaufeln tragenden, gegenüber dem die Hauptschaufeln tragenden Schaufelrad drehbaren Hilfsschaufelrad, wobei das Auslaßende jeder Hilfsschaufel in den Raum zwischen zwei benachbarten Hauptschaufeln ragt und durch Relativdrehung der beiden Schaufelräder zur Anlage gegen die benachbarten Hauptschaufeln bewegbar ist.

Ein für. ein solches hydrodynamisches Getriebe bestimmtes Element besteht aus einer Anzahl Schaufeln und einer Einrichtung, durch die bestimmte Schaufelgruppen gegen einseitige Bewegung gesichert und zwischen anderen Schaufeln gelagert sowie als eine Einheit beweglich sind, so daß jede dieser bestimmten Schaufeln mit zwei benachbarten anderen Schaufeln in Berührung gebracht werden kann. Des weiteren besteht eine solche Einrichtung aus mit Schaufeln versehenen Antriebsorganen und getriebenen Elementen sowie aus einem mit Schaufeln .bestückten Leitelement, die um eine Achse drehbar sind und ""einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf begrenzen. Hier enthält das Leitelement zwei Gruppen von Schaufeln, eine Einrichtung zum Tragen der einen Schaufelgruppe und eine Anordnung für die Verdrehung der Trageinrichtung, so daß diese sich entsprechend den Winkeländerungen des aus dem einen Element in das andere gelangenden Flüssigkeitsstromes dreht und die Schaufeln beider Gruppen zur Anlage kommen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist also dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsschaufelrad gegenüber dem Hauptschaufelrad, wie an sich bekannt, durch den Druck der Betriebsflüssigkeit in beiden Richtungen frei drehbar ist und die Profile derHaupt- und Hilfsschaufeln so aufeinander abgestimmt sind, daß jede Hilfsschaufel sowohl bei Anlage an der Vorderseite als auch bei Anlage an der Rückseite der einen bzw. anderen benachbarten Hauptschaufel mit dieser eine zusammengesetzte Schaufel mit annähernd stetigem Stromlinienprofil bildet, deren Eintrittsende im wesentlichen in Richtung der ausströmenden Flüssigkeit liegt.

Mit dieser Konstruktion wird also ein für solche Drehmomentwandler bestimmtes Element geschaffen, dessen Schaufelaufbau unter dem Einfluß sich ändernder Strömungen die Einstellung veränderlicher Einlaßwinkel ermöglicht und der Hauptschaufeln mit Hilfsschaufeln enthält, die relativ zueinander um eine gemeinsame Achse drehbar sind, so daß die Hilfsschaufeln zur Anlage an den Einlaßabschnitten der Hauptschaufeln kommen und dadurch der Einlaßwinkel dieses Schaufelaufbaues sich ändert. Dieser weist Abschnitte auf, die durch Winkeländerungen

Schaufelrad für Flüssigkeitsgetriebe,
insbesondere Leitrad für hydrodynamische Drehmomentwandler

Anmelder:
Borg-Warner Corporation,
Chicago, III. (V.St.A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, und Dipl.-Ing. Κ. Grentzenberg, München 27, Pienzenauerstr. 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 22. Mai 1951

Anthony C Mamo_i Detroit (V.St.A.), ist als Erfinder genannt worden

des in das Element gelangenden Flüssigkeitsstromes selbsttätig eingestellt werden, so daß der Einlaßwinkel des Schaufelaufbaues in Übereinstimmung mit dem während der Drehmomentänderung auftretenden verschiedenen Winkel des Flüssigkeitsstromes gebracht wird. Der erfindungsgemäße hydrodynamische Drehmomentwandler enthält also eine Anzahl einen Flüssigkeitskreislauf umschließender Elemente, von denen jedes gebogene Schaufeln aufweist. Das eine Element hat Hauptschaufeln mit in der Nähe ihrer Einlaßabschnitte angeordneten Hilfsschaufeln, die von einer Einrichtung getragen werden, die sich als Einheit unter dem Einfluß des unter verschiedenen Winkeln auf sie auftreffenden Flüssigkeitsstromes dreht, so daß sie sich gegen die eine oder die andere Seite von gegenüberliegenden Seiten der Einlaßabschnitte der Hauptschaufeln legt. Hierbei weisen die Hilfsschaufeln Umrißflächen auf, bei denen die an sie gelegten Tangenten einen anderen Winkel aufweisen als der Winkel des gegen sie auftreffenden Flüssigkeitsstromes, sobald sie mit der einen Seite jedes Einzelabschnittes der Hauptschaufeln zur Anlage kommen. Nach erfolgter Anlage beider Schaufelgruppen des Elementes bilden sich im wesentlichen ununterbrochen verlaufende gekrümmte Flächen, deren Einlaßabschnitte praktisch die gleiche Winkellage haben wie die Richtung der in das Element einströmenden Flüs-

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sigkeit während der Anfangsstufe des Drehmoment-Vervielfältigungsbereiches des Wandlers. In der Endstufe kommen die Hilfsschaufeln, da sie bei Änderungen der Winkel der in das Element einströmenden Flüssigkeit drehbar sind, mit anderen Teilen der Einlaßabschnitte der Hauptschaufeln zur Anlage und bilden andere und im wesentlichen ebenfalls ununterbrochen verlaufende gekrümmte Flächen. Weiterhin soll für einen hydraulischen Drehmomentwandler ein Element mit zwei oder mehr Gruppen von Schaufeln geschaffen werden, bei denen die eine Gruppe andere gekrümmte Oberflächen aufweist als die Schaufeln der anderen. Hierbei sind die Schaufeln der einen Gruppe als Einheit relativ zu denjenigen der zweiten Gruppe drehbar und kommen mit der einen oder anderen von deren sich gegenüberliegenden Seiten zur Anlage, so daß auf diese Weise abweichende Kombinationen der Oberflächen beider Gruppen erzielt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines für einen hydraulischen Drehmomentwandler bestimmten Elementes mit relativ zueinander um eine gemeinsame Achse drehbaren Schaufeltragkörpern, von denen jeder eine Vielzahl Schaufeln trägt; bei jedem Element weisen diese sich senkrecht zur Drehachse der Körper erstreckende Abschnitte auf, so daß während der in entgegengesetzten Richtungen erfolgenden Drehung des einen Körpers relativ zum anderen die auf einem Körper angeordneten Schaufeln mit denjenigen des anderen Körpers zur Anlage gebracht werden können. Auch wird ein solches Element in Form eines Leitrades mit einer Vielzahl von Schaufeln bestückt, deren Einzelabschnitte so gestaltet sind, daß sie sich den verschiedenen Winkeln des aus einem anderen Wandlerelement, z. ß. dem Turbinenrad, austretenden Flüssigkeitsstromes während einer vorbestimmten Drehzahldifferenz anpassen. Hierbei hat das Leitrad andere, zu den ersterwähnten Schaufeln relativ drehbare Schaufeln, die mit dem gegenüberliegenden Seiten der Einlaßabschnitte der ersten Schaufelgruppe zur Anlage kommen können, so daß am Schaufeleintritt Einlaßwinkel entstehen, die sich den abweichenden Winkeln des aus dem Turbinenrad während anderer Drehzahlen der Pumpen- und Turbinenelemente austretenden Flüssigkeitsstromes anpassen. Des weiteren soll ein Drehmomentwandler geschaffen werden, dessen Teile aus einem Pumpenrad, einem Turbinenrad und aus einem Leitrad bestehen, die einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf bilden. Hierbei enthält das Leitrad zwei in dem Flüssigkeitskreislauf liegende Schaufelgruppen, von denen die eine über eine Freilaufkupplung und einen Träger mit einem stillstehenden Teil verbunden ist und von denen die zweite Schaufelgruppe Krümmungen aufweist, die eine Drehung des Ringes infolge Strömungsänderungen der aus der Turbine in das Leitrad einströmenden Flüssigkeit bei Änderungen der Drehzahlen von Pumpe und Turbine hervorrufen, sobald die Freilaufkupplung eine Rotation des Trägers und der einen Schaufelgruppe verhindert.

Fig. 1 ist ein Axialschnitt des Teiles eines hydraulischen Drehmomentwandlers mit einem mit Schaufeln bestückten Pumpenrad und einem Turbinenrad sowie einem mit Schaufeln ausgerüsteten erfindungsgemäßen Leitrad, das Haupt- und Hilfsschaufeln aufweist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Pumpen-, Turbinen- und Leitradschaufeln; außerdem sind an den Schaufelprofilen die verschiedenen Strömungswinkel während unterschiedlicher Stufen des Drehmomentvervielfachungs- und Kupp-

lungsbereichs des Wandlers vektoriell dargestellt. Fig. 2 zeigt außerdem die Hilfsschaufeln des Leitrades in den verschiedenen Stellungen, die sie mit Bezug auf die Hauptschaufeln des Leitrades unter dem Einfluß der verschiedenen Strömungswinkel der aus dem Turbinenrad strömenden Flüssigkeit einnehmen. Zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Leitradaufbau ist in die Fig. 2 auch eine bisher übliche Leitradschaufel eingezeichnet.

Fig. 3 ist ein Schnitt des in Fig. 2 dargestellten Leitradaufbaues nach Linie 3-3 der Fig. 1, gesehen in Pfeilrichtung,

Fig. 4 eine Ansicht zweier Haupt- und Hilfsschaufeln des Leitradaufbaues, gesehen nach Linie 4-4 der Fig. 1.

Fig. 5 ist eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht der Leitradschaufeln, zeigt jedoch die Schaufeln mehr im Detail und die verschiedenen Stellungen der Haupt- und Hilfsschaufeln unter derri Einfluß der Änderungen der Anströmwinkel des aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeitsstromes.

Fig. 6 ist eine Seitenansicht der in Fig. 5 dargestellten Schaufeln,

Fig. 7 ein schematisch dargestelltes Vergleichsbild, das in seinem oberen Teil die üblichen feststehenden Leitradschaufeln und im unteren Teil die Haupt- und Hilfsschaufeln des erfindungsgemäßen Aufbaus zeigt; auch sind die relativen Strömungswinkel der aus dem Turbinenrad nach den Schaufeln zu strömenden Flüssigkeit beim Leerlauf und während verschiedener Abschnitte des Drehmomentwandlungsbereichs zu erkennen.

Fig. 8 ist ein Schaubild für einen Vergleich zwischen den Drehmoment- und Leistungsverlaufkurven von hydraulischen Drehmomentwandlern, welche die üblichen Leitradschaufeln nach Fig. 7 verwenden, und den Drehmomenten- und Leistungsverlaufkurven eines Wandlers mit dem erfindungsgemäßen Leitradaufbau.

Fig. 9 ist ein schematisches Vergleichsbild von Querschnittsformen der üblichen Leitradschaufeln und denjeigen des Leitrades nach der Erfindung,

Fig. 10 eine Abänderung der Anordnung, die zur Lagerung bzw. zum Tragen der Leitradschaufeln dient.

In Fig. 1 bis 3 ist der mechanische Aufbau des erfindungsgemäßen hydraulischen Drehmomentwandlers wiedergegeben. Dieser umfaßt ein mit Schaufeln bestücktes treibendes Element, nämlich ein Pumpenrad/; ein mit Schaufeln versehenes getriebenes Element in Form eines Turbinenrades T und ein mit Schaufeln ausgerüstetes Element in Form eines Leitrades S. Das Pumpenrad / wird von einer mit einem Motor oder einer anderen Kraftquelle (nicht dargestellt) verbundenen Welle 10 angetrieben und überträgt die Leistung auf eine in dem Drehmomentwandler vorhandene Flüssigkeit, aus der das Turbinenrad das veränderte Drehmoment aufnimmt, während das Leitrad zur Richtungsänderung des durch die Turbine hindurchfließenden Flüssigkeitsstromes dient.

Das Pumpenrad / besteht aus einem äußeren halbwulstförmigen, mit der Welle 10 mittels eines hohlen trommelartigen Gehäuses 12 verbundenen Ringgehäuse 11. Dieses umgibt eine zur Aufnahme der getriebenen Welle 14 dienende feststehende Muffe 13, auf der das Gehäuse 11 drehbar gelagert ist. Das Gehäuse 12 und das Pumpengehäuse 11 bilden einen Mantel, der die Flüssigkeit enthält, in der das Turbinenrad und das Leitrad liegen. Das Pumpenrad / weist außerdem einen Ringkern 15 auf, der zusammen mit dem Gehäuse 11 einen halbwulstförmigen Flüssigkeitsraum

begrenzt; in diesem liegen eine Vielzahl SchaufelnIv, die sich zwischen dem Gehäuse 11 und dem Ringkern 15 erstrecken und mit diesen beiden Teilen verbunden sind.

Das Turbinenrad T besteht aus einem äußeren Gehäuse 16 und einem Ringkern 17, die ebenfalls einen halbwustförmigen Flüssigkeitsraum begrenzen, in dem die Schaufeln Tv liegen, die wiederum mit dem Außengehäuse 16 und dem Ringkern 17 verbunden sind. ίο

Das Leitrad S besteht aus einer für die Hauptschaufeln bestimmte Abstützung, die eine radial nach einwärts gerichtete ringförmige Nabe 18 und einen Ringkern 19 aufweist, die durch die Hauptschaufeln Spy miteinander verbunden sind. Die" TTaBe 18" der ÄDstützung ist mittels einer Freilaufkupplung OW mit der feststehenden Muffe 13 verbunden. Die Freilaufkupplung OW besteht aus einer Vielzahl von Kippkörpern 21, die zwischen der äußeren Zylinderfläche 22 der Nabe 18 und einer inneren Zylinderfläche 23 der feststehenden Muffe 13 liegen. Die Freilaufkupplung OW verhindert eine Rotation der Leitradnabe 18 und damit der Schaufeln Spv in der durch den Pfeil in Fig. 3 dargestellten Richtung, läßt aber eine Drehung der Leitradnabe in der entgegengesetzten Richtung zu. Das Leitrad S enthält weiter eine zum Tragen von Hilfsschaufeln bestimmte ringförmige Lagerung, die aus einem Innenring 24 und einem Außenring 27 besteht, die durch die Schaufeln Say_{i m} miteinander fest verbunden sind. Der Inhenring 24 liegt in unmittelbarer Nähe der Leitradnabe 18 und hat eine gebogene Außenfläche 25 gleichen Halbmessers wie die gebogene Fläche 26 der Leitradnabe 18. In radialem Abstand vom Ring 25 ist ein Ring 27 vorgesehen, der bei 28 mit der einen Stirnfläche des Ringkernes 19 in Berührung steht. Der Ring 27 besitzt mehrere seitlich sich erstreckende Leisten 29, die bei der Zylinderfläche 30 gleitend auf den Ringkern 19 aufgepaßt sind, damit der Hilfsschaufelaufbau sich relativ zum Hauptschaufelaufbau drehen kann und dadurch eine Rotation der Hilfsschaufeln Sav relativ zu den Schaufeln Spv möglich" ist! Eme^-Sxiale Bewegung der Hilfsschaufelabstützung relativ zur Hauptschaufelabstützung wird durch Keile 31 verhindert, die in eine Ringnut 32 des Ringkernes 19 der Hauptschaufelabstützung eingreifen und an den seitlich sich erstreckenden Leisten 29 des Ringes 27 mittels Schrauben 33 befestigt sind, die durch die Keile 31 hindurchtreten und in den Ring 27 eingeschraubt sind.

Die Hauptschaufeln Spv der Hauptschaufelabstützung werden also in der einen Richtung an einer Drehung durch die Freilaufkupplung OW gehindert, jedoch läßt der Freilauf den Umlauf der Schaufeln in der entgegengesetzten Richtung zu. Die Hilfsschaufeln Sav des Leitrades können sich in beiden Richtungen um die Achse des Wandlers sowie relativ zu den Hauptschaufeln frei drehen.

DieHauptschaufel- und die Hilfsschaufelabstützung können einzeln als Gußstücke hergestellt werden.

Fig. 4 zeigt die Stellung der Hauptschaufeln und der Hilfsschaufeln des Leitrades nach Linie 4-4 der Fig. 1 und die Hilfsschaufeln Sav in Anlage mit den Hauptschaufeln Spv in einer der beiden Grenzstellungen der Bewegung der Hilfsschaufeln relativ zu den Hauptschaufeln, sobald diese am Umlauf durch die Freilaufkupplung OW gehindert werden. Jede Hilfsschaufel liegt zwischen zwei Hauptschaufeln. Sobald die Hilfsschaufeln sich als eine gemeinsame Einheit drehen, bewegen sie sich um einen Kreis-

bogen, der kleiner als der Abstand zwischen zwei benachbarten Hauptschaufeln ist (Fig. 5), so daß jede Hilfsschaufel mit der einen Seite oder mit der anderen Seite der zwei benachbarten Seiten der Hauptschaufeln zur Anlage kommen kann, welche die Begrenzung der Hilfsschaufel relativ zu den Hauptschaufeln bilden.

Auf der linken Seite der Fig. 2, 5 und 7 befinden sich die Hauptschaufeln Spv in Anlage mit den Hilfsschaufeln Sav₁ die alle mit Bezug auf die Hauptschaufeln die gleiche Stellung einnehmen, sobald sie sich in einer Grenzlage befinden. Die auf der rechten Seite dieser Figuren von den Hauptschaufeln und den Hilfsschaufeln eingenommenen Stellungen geben die Lage der Hilfsschaufeln relativ zu den Hauptschaufeln in der anderen möglichen Grenzlage der Hilfsschaufeln an. Sie drehen sich während der Drehmomentenwandlung in entgegengesetzten Richtungen, so daß sie mit den Hauptschaufeln des Leitrades zur Anlage kommen und den aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeitsstrom stoßfrei aufnehmen und die Flüssigkeit durch das Leitrad hindurchführen. Hierdurch werden die Stoßverluste des Flüssigkeits^: kreislaufes vermindert, wie dies nachstehend ausführlich dargelegt wird.

Der erfindungsgemäße Drehmomentwandler hat gewisse vorteilhafte Eigenschaften, die am besten durch Vergleich der Wirkungsweise eines mit den bisher üblichen Pumpen-, Turbinen- und Leitradschaufeln ausgerüsteten hydraulischen Drehmomentwandler mit einem Drehmomentwandler erkennbar gemacht werden können, der die gleichen Pumpen- und Turbinenschaufeln, jedoch die verbesserte erfmdungsgemäße Leitradausgestaltung enthält. In hydraulischen Drehmomentwandlern zirkuliert die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf, der in Fig. 1 durch die gekrümmten Pfeile dargestellt ist. Die Pumpen- und die Turbinenschaufeln drehen sich in Richtung des PfeilesL (Fig. 2). Während verschiedener Relativdrehzahlen des Pumpen- und Turbinenrades strömt die Flüssigkeit aus dem Pumpenrad unter verschiedenen Winkeln aus, die zwischen den mit »Leerlauf« und »Kupplungspunkt« bezeichneten Winkeln liegen. Die Flüssigkeit strömt auch aus dem Turbinenrad in das Leitrad unter verschiedenen Winkeln, die zwischen den mit den Pfeilrichtungen A und C bezeichneten Winkeln beim »Leerlauf« und beim »Kupplungspunkt« liegen. Bei den üblichen Leiträdern, die nur eine einzige Gruppe feststehender Schaufeln Scv (vgl. Fig. 2 und 7) aufweisen, kann eine leistungsfähige Drehmomentwandlung nur dann erzielt werden, wenn der Drehzahlunterschied zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad in einem vorbestimmten Bereich liegt. Zur Erläuterung sei folgendes ausgeführt: Die Turbinenschaufeln müssen Krümmungen aufweisen, um das von der durch das Pumpenrad strömenden Flüssigkeit erzeugte Moment aufzunehmen, wobei die Turbinenschaufeln den das Turbinenrad verlassenden Flüssigkeitsstrom in einem großen Bereich unter verschiedenen Winkeln dem Leitrad zuführen (Fig. 2). Bei feststehenden Leitradschaufeln sind die Einlaßwinkel der Leitradschaufeln üblicherweise so gewählt, daß nur bei mittleren Turbinendrehzahlen ein guter Wandlerwirkungsgrad erzielt wird, und zwar aus folgenden Gründen:

In Fig. 7 stellen die Pfeile A, B und C die Richtung der unter verschiedenen Winkeln aus dem Turbinenrad nach den normalerweise feststehenden Leitradschaufeln Scv strömenden Flüssigkeit dar. A ist die Strömungsrichtung aus der Turbine wäh-

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rend niederer Turbinendrehzahlen, B zeigt die Strömungsrichtung bei mittleren Turbinendrehzahlen, und C gibt die Richtung des Arbeitsmittels bei hohen Turbinendrehzahlen an. Die Leistung eines Drehmomentwandlers steigt mit der Verminderung der hydraulischen Verluste. Zu diesen gehören unter anderem die Stoßverluste, die beispielsweise dann auftreten, sobald der Winkel des aus der Turbine austretenden Flüssigkeitsstromes von dem Einlaßwinkel der Leitradschaufeln wesentlich abweicht. Sobald der Winkel des aus der Turbine austretenden Flüssigkeitsstromes von dem Einlaßwinkel der Leitradschaufeln wesentlich abweicht, kann eine beträchtliche Störung in dem Flüssigkeitskreislauf des Drehmomentwandlers auf Grund der verschiedenartigen Anströmwinkel der Flüssigkeit auf die Schaufeln des Leitrades auftreten. Derartige hydraulische Verluste, insbesondere Stoßverluste, vermindern bekanntlich die Leistung des Drehmomentwandlers. Bei den üblichen Drehmomentwandlern mit einer einzigen Gruppe feststehender Leitradschaufeln wählt man den Einlaßwinkel der Leitradschaufeln Scv_j wie Fig. 7 zeigt, im allgemeinen so, daß die Flüssigkeit aus der Turbine bei mittleren Turbinendrehzahlen in Richtung des Pfeiles B austritt. Eine Vergrößerung des Einlaßwinkels des Leitrades (gestrichelte Linien bei K) eignet sich für Strömungszustände bei niederen Turbinendrehzahlen, eine Verkleinerung des Einlaßwinkels ist beim Betrieb (gestrichelte Linien bei L) mit hohen Turbinendrehzahlen angebracht.

Die Kurve p in Fig. 8 zeigt das Antriebsdrehmoment eines Motors bei verschiedenen Drehzahlverhältnissen des treibenden Pumpenrades und des getriebenen Turbinenrades. Die Kurven m, η und 0 zeigen Charakteristiken von Drehmomentwandlern mit den üblichen feststehenden Schaufeln, wobei verschiedene Einlaßwinkel am Leitrad auftreten können, wie dies mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben ist. Die Kurve p zeigt die Charakteristik eines Drehmomentwandlers mit dem erfindungsgemäßen Leitradaufbau. In Fig. 8 zeigt der Drehmomentverlauf nach der Kurve η ausschließlich Strömungsverhältnisse an der Turbine bei niederen Turbinendrehzahlen, falls der Einlaßwinkel der üblichen feststehenden Leitradschaufeln die in Fig. 7 bei K dargestellte Lage einnimmt. Die Kurve 0 zeigt ausschließlich Strömungszustände an der Turbine bei hohen Turbinendrehzahlen, falls der Einlaßwinkel des Leitrades die in Fig. 7 bei L dargestellte Größe hat. Die Kurve m bezieht sich ausschließlich auf aus der Turbine aus· tretende Strömungen bei mittleren Turbinendrehzahlen, sobald die Leitradschaufel die in Fig. 7 durch volle Linien dargestellte Stellung einnehmen.

Aus der Richtung des nach den Pfeilen A, B und C aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeitsstromes (Fig. 7) ist ersichtlich, daß die in Richtung des Pfeiles A strömende Flüssigkeit im wesentlichen in gleicher Richtung fließt, die der Neigung der an den Leitradschaufeleinlaß gezogenen Tangente entspricht, wenn die Schaufeln die bei K wiedergegebene Stellung einnehmen, die im Schaubild (Fig. 8) durch die Kurven gekennzeichnet wird, aus der sich ergibt, daß kleine Stoßverluste auftreten und infolgedessen ein hoher Wirkungsgrad des Drehmomentwandlers bei niederen Turbinendrehzahlen erzielt wird, daß jedoch bei mittleren und hohen Turbinendrehzahlen (sobald die Flüssigkeit in den Richtungen der Pfeile B und C strömt) der Flüssigkeitsstrom auf die Leitradschaufeln unter einem ungünstigen Winkel auftrifft, so daß erhebliche Stoßverluste auftreten, 977

welche den Wirkungsgrad des Drehmomentwandlers schnell herabsetzen.

Nach Kurve 0 weist die in den Richtungen der Pfeile A und C strömende Flüssigkeit andere Richtungen als der Einlaßwinkel der Leitradschaufeln (die vollausgezogen dargestellt sind), so daß hohe Stoßverluste und eine Wirkungsgradminderung bei hohen und niederen Turbinendrehzahlen auftreten, daß jedoch bei mittleren Drehzahlen die Richtung B den Einlaß winkeln der Schaufeln nahekommt; hierdurch nehmen die Stoßverluste ab, und der Wirkungsgrad des Wandlers wird über einen beträchtlich größeren Bereich der Turbinendrehzahlen erhöht, als dies die Leitradschaufeln bewirken könnten, wie die Kurven m und η zeigen.

Fig. 7 zeigt schematisch die Leitradschaufeln Sav und Spv, Fig. 5 die Schaufeln im Detail. Die Hauptschaufeln und Hilfsschaufeln des Leitrades an der linken Seite jeder dieser Figuren zeigen die Stellung der Hilfsschaufel Sav mit Bezug auf die Hauptschaufeln Spv bei Leerlauf des Drehmomentwandlers, sobald das Pumpenrad umläuft und das Turbinenrad stillsteht. Die auf der rechten Seite der Figuren dargestellten Haupt- und Hilfsschaufeln zeigen die Stellung der Hilfsschaufeln mit Bezug auf die Hauptschaufeln während der Endstufen der Drehmomentwandlung, sobald das Pumpenrad und das Turbinenrad mit im wesentlichen der gleichen Drehzahl umlaufen, jedoch vor dem Freilauf der Leitradabstützung durch Lösen der Einwegkupplung OW. In Fig. 7 werden die in der Mitte gelegenen Schaufeln Spv und Sav in Abstand zueinander in denjenigen Stellungen gezeigt, die sie bei mittlerer Turbinendrehzahl einnehmen.

Die durch die Pfeile A, B und C dargestellten verschiedenen Richtungen der aus dem Turbinenrad ausströmenden Flüssigkeit entsprechen denen, die mit Bezug auf die üblichen Leitradschaufeln Scv in Fig. 7 dargestellt sind. Die Richtung der aus der Turbine bei niederer Turbinendrehzahl ausströmenden Flüssigkeit ist mit dem Pfeil A, bei mittlerer Turbinendrehzahl mit dem Pfeil B und bei hoher Turbinendrehzahl mit dem Pfeil C bezeichnet. Man sieht, daß der Einlaßwinkel der Hilfsschaufel Sav des Leitrades bei niederer Turbinendrehzahl (sobald die Hilfsschaufeln mit der rechten Seite der führenden Kante der Hilfsschaufeln, wie in Fig. 7 links dargestellt, zur Anlage kommt) im wesentlichen den gleichen Winkel hat, wie die aus der Turbine ausströmende Flüssigkeit, so daß die bei niederer Turbinendrehzahl auftretenden Stoßverluste vernachlässigbar sind.

Wird angenommen, daß jede Hilfsschaufel mit der rechtsliegenden Seite der führenden Kante einer Hauptschaufel zur Anlage kommt, wie dies auf der linken Seite der Fig. 2, 5 und 7 dargestellt ist, so fließt, wie die Fig. 5 und 7 zeigen, die aus dem Turbinenrad ausströmende Flüssigkeit aus dem Turbinenrad in Richtung des Pfeiles A und berührt die Hilfsschaufeln unter einem Winkel, wodurch diese Schaufeln in Richtung des Pfeiles R verdrängt und zur Anlage mit den Hauptschaufeln gebracht werden. Da sich die Strömungsrichtung der aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeit bei zunehmenden Turbinendrehzahlen von der Richtung des Pfeiles A erst in Richtung des Pfeiles H und dann in Pfeilrichtung B ändert, werden die Hilfsschaufeln durch diese Einwirkung der Flüssigkeit in Anlage mit den Hauptschaufeln gehalten; hierbei stimmt die an den Einlaß der Hilfsschaufeln gezogenen Tangente im wesentlichen mit den verschiedenen Richtungen der

aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeit überein. Sobald die Turbinendrehzahl weiter ansteigt, wenn die Richtung der aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeit über die Richtung des Pfeiles B weg in der Richtung des Pfeiles G wechselt, beginnt die Flüssigkeit, die Hilfsschaufeln in der Richtung des Pfeiles / zu verdrängen, um sie als Einheit von den Hauptschaufeln weg zu verschieben, so daß die Flüssigkeit nunmehr auf die rechtsliegende Seite der führenden Kante jeder Hauptschaufel auftrifft, die (Fig. 7) so gebogen ist, daß sie im wesentlichen den in den Richtungen der Pfeile B bis G aus der Turbine austretenden Flüssigkeitsströmen entspricht.

Sobald die Richtung des Flüssigkeitsstromes sich von der Pfeilrichtung G nach C ändert, verdrängt die Flüssigkeit die Hilfsschaufeln in der Richtung des Pfeiles /, bis die rechtsliegenden Schaufelwände mit den linksliegenden Wänden der führenden Kanten der Hauptschaufeln fluchten (rechts in den Fig. 2, 5 und 7). Die Richtungen des zwischen den Pfeilen G und C vorhandenen Flüssigkeitsstromes verlaufen im wesentlichen unter den gleichen Winkeln wie diejenigen der auf der linksliegenden Seite der Hilfsschaufeln vorhandenen Oberfläche Y.

Die Hauptschaufeln und Hilfsschaufeln des erfindungsgemäßen Leitrades bilden also veränderliche Einlaßwinkel, die mit den verschiedenen Richtungen des aus der Turbine austretenden Flüssigkeitsstromes übereinstimmen, wirksam die Stoßverluste verkleinern und infolgedessen den Wirkungsgrad über den gesamten Umwandlungsbereich eines erfindungsgemäßen Drehmomentwandlers erhöhen. In den Vergleichskurven vOn Fig. 8 stellt die Kurve ρ das Antriebsdrehmoment eines derartigen Wandlers dar. Hier ist das Drehmoment während der Drehmoment-Umwandlungsstufen hoch und sinkt nach Erreichen des Kupplungspunktes D ab. Daraus ergibt sich eine entsprechende Erhöhung der Leistung und eine Heraufsetzung des Kupplungspunktes.

In Fig. 5 entspricht die Richtung des in der Riehtung des Pfeiles A aus der Turbine ausströmenden Flüssigkeit dem Leerlauf des Wandlers, und das Drehzahlverhältnis ist zu diesem Zeitpunkt gleich Null. Sobald die Richtung der aus der Turbine ausströmenden Flüssigkeit sich von der Richtung des Pfeiles A nach der Pfeilrichtung H bei niederer Turbinendrehzahl ändert, erhöht sich das Drehzahlverhältnis von Null auf 0,30. Sobald sich der Winkel der aus der Turbine ausströmenden Flüssigkeit von der Richtung H nach B ändert, erhöht sich das Drehzahlverhältnis von 0,30 bei Ή auf 0,60 bei B, sobald die Turbine mit einer mittleren Drehzahl umläuft. Sobald sich die Richtung des Flüssigkeitsstromes von der Pfeilrichtung B nach C ändert, erhöht sich das Drehzahlverhältnis von 0,60 auf 0,75. Dann steigt das Drehzahlverhältnis allmählich, bis ein Drehzahlverhältnis von 0.90 erreicht wird, sobald die Richtung des aus dem Turbinenrad strömenden Flüssigkeitsstromes in Richtung des Pfeiies C verläuft, die einer hohen Turbinendrehzahl und auch einer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit entspricht. Dies ist der Kupplungspunkt, an dem die Turbine mit ungefähr der gleichen Umfangsgeschwindigkeit umläuft wie das Pumpenrad. Der Punkt X (oberhalb Fig. 6) zeigt den Drehpunkt, um den die Hilfsschaufeln gedreht werden, sobald eine entsprechende Verdrängung durch die Flüssigkeit erfolgt. Somit drehen sich die Hilfsschaufeln um einen kleineren Kreisbogen als einen Schaufelzwischenraum, bis der Kupplungspunkt bei einem Drehzahlverhältnis von ungefähr 0,90 erreicht

ist. Zu diesem Zeitpunkt drehen sich die Hilfsschaufeln und die Hauptschaufeln gemeinsam in der Richtung des Pfeiles /, und die Freilaufkupplung OW löst aus, so daß sich das Leitrad zusammen mit dem Pumpenrad und der Turbine drehen kann, wobei diese drei Schaufelräder dann als eine gemeinsame Einheit umlaufen.

Fig. 2 zeigt schematisch die Pumpenschaufeln, die Turbinenschaufeln und die Haupt- und Hilfsschaufeln des Leitrades. In ihr ist auch die Richtung des aus den Schaufeln austretenden Flüssigkeitsstromes während der verschiedenen Übersetzungsverhältnisse sowie im Kupplungspunkt des Wandlers dargestellt. Die Leitradschaufeln verharren beim Leerlauf oder Stillstand in Ruhe oder drehen sich wenigstens so lange nicht, wie die aus der Turbine austretende Flüssigkeit gegen die Schaufeln strömt. Eine Prüfung des dargestellten Vektordiagramms zeigt das Verhältnis der Stoßverluste bei einem üblichen Leitrad mit feststehenden Schaufeln Scv und einem Leitradaufbau der erfindungsgemäßen Ausführung. Die Stoßverluste des üblichen Leitrades sind bei Leerlauf proportional dem Quadrat der Strecke U. Die Stoßverluste bei dem erfindungsgemäßen Leitrad sind unter den gleichen Betriebsbedingungen proportional dem Quadrat der kürzeren Linie V. Bei Verminderung der Stoßverluste der in das Leitrad eintretenden Flüssigkeit ergibt sich ohne weiteres, daß der Drall der das Leitrad verlassenden Flüssigkeit größer ist. Diese Drallzunahme wird wieder dem Pumpenrad zugeführt und steigert das Antriebsdrehmoment.

Im oberen Abschnitt der Fig. 9 sind zwei übliche feststehende Leitradschaufeln Scv dargestellt, die einen bestimmten Auslaßwinkel F bei einem bestimmten Abstand voneinander haben. Mit diesen in dieser Figur dargestellten üblichen Schaufeln werden zwei erfindungsgemäße Haupt- und Hilfsschaufeln verglichen, die den gleichen Auslaßwinkel H aufweisen und im gleichen Abstand voneinander aufgestellt sind. Der Flüssigkeitsstrom N zeigt, daß die üblichen Leitradschaufeln in dem dargestellten Arbeitsbereich dem Flüssigkeitsstrom eine nur ungenügende Führung geben. Aus dem Verlauf des Flüssigkeitsstromes N in den im unteren Abschnitt der Fig. 9 dargestellten erfindungsgemäßen Haupt- und Hilfsschaufeln des Leitrades ergibt sich, daß durch diese konstruktive \^orkehrung eine bessere Flüssigkeitsführung in der gewünschten Richtung erzielt wird.

Man kann zwar bei den üblichen Leitradschaufeln eine gleich gute Führung durch Einbau zusätzlicher Schaufeln in das Leitrad erhalten. Dadurch wird jedoch nicht nur der Flüssigkeitsstrom eingeschnürt, sondern die Erhöhung der Schaufelzahl bedingt auch eine Erhöhung der Stoßverluste. Wie angeführt, sind die bei F und H dargestellten Auslaßwinkel gleich groß. Eine geometrische Nachprüfung des hydraulischen Auslaßwinkels (vgl. die rechtsliegende Schaufel jedes Schaufelpaares) ergibt jedoch, daß der Auslaßwinkel R größer als der Auslaßwinkel P ist. Die zugehörigen Leiträder laufen erst dann frei um, wenn der Auslaßwinkel der das Turbinenrad verlassenden Flüssigkeit an dem Kupplungspunkt so groß wie oder größer ist als der hydraulische Auslaßwinkel des Leitrades. Wie ersichtlich, gibt der erfindungsgemäße Leitradaufbau noch dann eine Drehmomentvervielfachung. wenn das übliche Leitrad frei rotiert. Es sind auch mehrteilige Leiträder bekannt, die z. B. aus zwei Leiträdern bestehen, von denen jedes einen Freilauf und Schaufeln aufweist, die nacheinander eine Drehung der Leitradschaufeln auf

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Claims (2)

Grund von Winkeländerungen des aus dem Turbinenrad austretenden Flüssigkeitsstromes bewirken. Eine derartige Kombination von Leitradschaufeln ist weniger wirksam als die erfindungsgemäße Leitradausführung, da in den mehrteiligen Leiträdern die eine Leitradschaufelgruppe von der anderen Leitradschaufelgruppe in einem Abstand steht, so daß keine ürehmomenterhöhung in dem zwischen den beiden Schaufelgruppen vorhandenen Zwischenraum erhalten werden kann. Fig. 10 zeigt eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Leitradaufbaues, im besonderen eine unterschiedliche Konstruktion, durch die eine Drehung der Hilfsschaufeln relativ zu den Hauptschaufeln erfolgt. Dieser Leitradaufbau weist eine Nabe 34 auf, welche die Hauptschaufeln Spv trägt. Eine Freilaufkupplung OW liegt zwischen der Nabe und der stillstehenden Muffe 35. Die Nabe 34 läuft in einen seitlich sich erstreckenden Ansatz 37 aus, auf dem ein Ring 36 drehbar gelagert ist, der die Hilfsschaufeln Sav trägt. Der Ring 36 wird gegen eine relativ zur Nabe 34 erfolgende Axialbewegung mittels eines Spreizringes 38 gehalten, der in den Ringansatz 37 eingreift, um diesen in Anlage mit einer Stirnseite der Nabe 34 zu halten. Die Erfindung ist zwar mit besonderem Hinweis auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen eines mit Schaufeln bestückten Leitradaufbaues beschrieben, kann jedoch auf jedes mit Schaufeln versehene Element eines hydraulischen Drehmomentwandlers, z. B. ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, angewendet werden. Die Erfindung ist deshalb nicht nur für Leiträder gedacht, sondern umfaßt auch andere Ausführungen. Patentansprcchi·:

1. Schaufelrad für Flüssigkeitsgetriebe, insbesondere Leitrad für hydrodynamische Drehmomentwandler, mit einem eine Gruppe fest angebrachter Hilfsschaufeln tragenden, gegenüber dem die Hauptschaufeln tragenden Schaufelrad drehbaren Hilfsschaufelrad, wobei das Auslaßende jeder Hilfsschaufel in den Raum zwischen zwei benachbarten Hauptschaufeln ragt und durch Relativdrehung der beiden Schaufelräder zur Anlage gegen die benachbarten Hauptschaufeln bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsschaufelrad gegenüber dem Hauptschaufelrad, wie an sich bekannt, durch den Druck der Betriebsflüssigkeit in beiden Richtungen frei drehbar ist und die Profile der Haupt- und Hilfsschaufeln so aufeinander abgestimmt sind, daß jede Hilfsschaufel sowohl bei Anlage an der Vorderseite als auch bei Anlage an der Rückseite der einen bzw. anderen benachbarten Hauptschaufel mit dieser eine zusammengesetzte Schaufel mit annähernd stetigem Stromlinienprofil bildet, deren Eintrittsende im wesentlichen in Richtung der zuströmenden Flüssigkeit liegt.

2. Schaufelrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsschaufelrad frei drehbar auf dem Hauptschaufelrad gelagert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 613 838, 616 042, 173;

schweizerische Patentschrift Nr. 192 415;
USA.-Patentschriften Nr. 2 205 794, 2 440 825.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 909 650/284 11.59