DE10219753A1

DE10219753A1 - Hydrodynamische Bremse

Info

Publication number: DE10219753A1
Application number: DE10219753A
Authority: DE
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: US7188712B2; BR0309751B1; CN1650118A; CN1650118B; US20050173212A1; BR0309751A; WO2003093695A1; DE10219753B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Retarder mit den folgenden Merkmalen: DOLLAR A - mit einem Rotor und einem Stator, die einen Arbeitsraum miteinander bilden; DOLLAR A - mit einer Hohlwelle zum drehfesten Verbinden einer Eingangswelle, die einem Getriebe nahe ist, und einer Ausgangswelle, die einer Kardanwelle nahe ist; DOLLAR A - die Hohlwelle trägt mittels eines Schraubgewindes den Rotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Bremse, im allgemeinen "Retarder" genannt, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Solche Retarder umfassen zwei Schaufelräder, deren eines feststeht (Stator) und deren anderes umläuft (Rotor). Die beiden Schaufelräder bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum. Dieser Arbeitsraum wird zum Zwecke des Bremsens mit einem Arbeitsmedium gefüllt, beispielsweise mit einem Öl, während er im Nicht-Brems-Betrieb frei von Arbeitsmedium ist.
Im Arbeitsraum befindet sich jedoch im Nicht-Brems-Betrieb Luft. Diese erzeugt ein unerwünschtes Bremsmoment und damit eine Verlustleistung, die den Energieverbrauch erhöht.
Es sind zahlreiche Maßnahmen bekanntgeworden, um diese Verlustleistung zu eliminieren. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, Rotor und Stator relativ zueinander in axialer Richtung verschiebbar zu machen. Im Nicht-Brems-Betrieb werden Rotor und Stator auseinander gefahren, so daß die genannte Verlustleistung nicht auftritt.

DE 16 00 154 A1 beschreibt einen solchen Retarder. Hierbei wird zum Eliminieren der sogenannten Ventilationsverluste im Nicht-Brems-Betrieb der Stator vom Rotor abgefahren. Der Rotor bleibt somit in axialer Richtung an ein und derselben Stelle.

Bei den bekannten Ausführungsformen ist der Rotor von einer Hohlwelle getragen. Die Hohlwelle muß gelagert werden. Dabei ist ein Lager gegen das Statorgehäuse hin vorgesehen. Eine solche Konstruktion ist aufwendig und beansprucht außerdem einen erheblichen Bauraum.

Auch hydrodynamische Kupplungen mit zueinander beweglichen Schaufelrädern sind bekannt. Beispielsweise sei die US 2 359 930 genannt, die eine Antriebswelle mit einem Pumpenrad (impeller) und eine angetriebene Welle mit einem Turbinenrad (runner) aufweist, wobei das Pumpenrad derart auf einem Außengewinde der Antriebswelle gelagert ist, daß es gegenüber dem Turbinenrad an- und abgefahren kann. Auf einem stirnseitigen Ende der Antriebswelle ist ein Ring mit Federn vorgesehen, wobei die Federn auf das Pumpenrad eine Kraft axial zu der Antriebswelle in Richtung des Antriebes aufbringen.

Beim Anfahren, das heißt bei der Rotationsbeschleunigung der Antriebswelle wirkt eine Kraft auf das Pumpenrad, die verursacht, daß das Pumpenrad auf dem Gewinde entgegen der Federkraft in Richtung des Turbinenrades wandert. In dieser Position wird es während des normalen Betriebes gehalten, solange die an der Antriebswelle anliegende Last im wesentlichen konstant gehalten wird. Sobald jedoch diese Last reduziert wird oder wenn der Antriebsstrang in Schubbetrieb übergeht, das heißt, wenn die Abtriebswelle mit einer höheren Drehzahl rotiert als die Antriebswelle, überwiegt die Federkraft und schiebt das Pumpenrad in eine turbinenradferne Position, so daß der Strömungskreislauf im Arbeitsraum zwischen Pumpenrad und Turbinenrad nicht mehr effektiv ein Drehmoment vom Pumpenrad auf das Turbinenrad übertragen kann.

Die dargestellte hydrodynamische Kupplung überträgt somit beim Anfahren und im nahezu stationären Betrieb über einen Strömungskreislauf ein Drehmoment von der Antriebsmaschine auf die angetriebene Maschine. Bei Lastreduktion auf der Antriebsseite wird, wie dargestellt, das Pumpenrad vom Turbinenrad abgefahren, somit der Strömungskreislauf gestört und somit automatisch die Drehmomentübertragung von der Antriebsmaschine auf die angetriebene Maschine unterbrochen. Ein hydrodynamisches Bremsen der angetriebenen Maschine ist mit dieser hydrodynamischen Kupplung jedoch nicht möglich, da zunächst keine Mittel zum Festsetzen des Pumpenrades vorgesehen sind und weiterhin in einem Zustand, der ein Bremsen wünschenswert macht, nämlich dann, wenn die angetriebene Welle schneller rotiert als die antreibende Welle, das Pumpenrad in einer entfernten Position gegenüber dem Turbinenrad ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Retarder der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, daß die Lagerung der Hohlwelle vereinfacht wird. Insbesondere soll ein Retarder mit vereinfachter Lagerung der Hohlwelle beschrieben werden, dessen Rotor im Nichtbremsbetrieb automatisch vom Stator axial abgefahren wird und zu Beginn des Bremsbetriebes an diesen heran.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß wird zwischen Rotor und Hohlwelle eine Verbindung geschaffen, die einerseits drehfest ist, aber anderseits eine axiale Verschiebbarkeit zuläßt.

In einer Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 sind Rückholfedern vorgesehen, die den Rotor im Nicht-Bremsbetrieb vom Stator abfahren. Um zu verhindern, daß diese Rückholfedern bei der Verschiebedrehbewegung des Rotors einer Verkippung um ihre Längsachsen unterliegen, welche zu einer frühzeitigen Funktionsbeeinträchtigung und Zerstörung der Federn führen könnte, sind Maßnahmen getroffen, um ein freies Verdrehen der Federn um die Längsachse des Rotors zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft können auch Maßnahmen getroffen werden, die ein freies Verdrehen der Federn um ihre eigene Längsachse beim Verfahren des Rotors in axiale Richtung ermöglichen. Auf diese Weise geht das Öffnen und Schließen des Arbeitsraumes beim Übergang vom Bremsbetrieb zum Nicht-Bremsbetrieb beziehungsweise umgekehrt einwandfrei vonstatten. Die Federn, die auf den Rotor in axialer Richtung einwirken, arbeiten stets geführt und kippfrei und haben dadurch eine funktionsstabile und hohe Lebensdauer. Sie sind somit jederzeit frei verdrehbar, so daß keine nachteiligen Torsionskräfte auf sie ausgeübt werden.

Die Hohlwelle des erfindungsgemäßen Retarders erfüllt zwei Funktionen: Zum einen stellt sie eine drehfeste Verbindung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle, das heißt der angetriebenen Welle, her. Zum anderen trägt sie den gegenüber dem Stator axial verschiebbaren Rotor. Besonders vorteilhaft trägt sie einen zur Längsachse des Retarders koaxialen Tragring, der frei auf der Hohlwelle drehbar gelagert ist. Der Tragring weist dabei Führungskörper zum Führen der Federn (Rückholfedern) bei der Verschiebedrehbewegung des Rotors auf. Um ein Verkippen der Federn auszuschließen, ist der Tragring drehstarr oder nahezu drehstarr an dem Rotor angeschlossen, so daß die Relativdrehbewebung des Rotors beim Verschieben des Rotors gegenüber dem Stator auf den Tragring übertragen wird.

Soll der Retarder seine Bremsfunktion ausüben, so wird in den Arbeitsraum Arbeitsmedium eingeleitet. Aufgrund der hydrodynamischen Gestaltung der Schaufeln von Rotor und Stator kommt es zu einer solchen Strömung im Arbeitsraum, daß der Rotor entgegen der Kraft der genannten Federn in axialer Richtung an den Stator herangefahren wird, so daß der Arbeitsraum schließlich geschlossen ist und der Retarder seine Bremsfunktion voll und ganz ausüben kann.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Retarders;
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Ausführung des erfindungsgemäßen Retarders;
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Tragring 13 und dem Rotor 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Retarder ist wie folgt aufgebaut: ein Rotor 1 und ein Stator 2 sind jeweils als Schaufelrad ausgebildet und bilden miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum 3. Der Rotor sitzt auf einer Hohlwelle 4. Diese ist drehfest verbunden mit einer Welle 5, die einer hier nicht dargestellten Kardanwelle nahe ist, sowie einer Welle 6, die einem hier nicht dargestellten Getriebe nahe ist. Die Welle 5 ist in die Hohlwelle 4 einsteckbar. Sie ist mit einem Flansch 5.1 zur Drehmomentübertragung versehen.
Stator 2 weist ein Statorgehäuse 2.1 auf. Rotor 1 weist ein Rotorgehäuse 1.1 auf.
Rotor 1 ist von der Hohlwelle 4 mittelbar getragen. Hohlwelle 4 trägt nämlich ihrerseits einen Gewindering 4.1. Dieser weist auf seinem Außenumfang ein Steilgewinde 4.1.1 auf. Rotor 1 ist an seinem Innenumfang mit einem entsprechenden Steilgewinde 1.1.1 versehen. Die Gewinde 4.1.1 und 1.1.1 arbeiten miteinander zusammen. Sie haben eine der Funktion gerecht werdende Steigung, insbesondere eine relativ große Steigung. Aufgrund dieses Zusammenarbeitens wird Rotor 1 in axialer Richtung eine Bewegung ausführen, somit im Sinne einer Veränderung seines Abstandes vom Stator 2.
Die Verbindung zwischen Gewindering 4.1 und Hohlwelle 4 ist im vorliegenden Falle eine Schraubverbindung - siehe Gewinde 4.2. Dabei könnte es sich jedoch um jegliche andere Art von Verbindung handeln, auch eine nicht-lösbare Verbindung wie beispielsweise eine Schweißverbindung.
Entscheidend ist eine Federeinrichtung, mit welcher Schub auf Rotor 1 in axialer Richtung aufgebracht wird, und zwar im Sinne einer Entfernung des Rotors 1 vom Stator 2. Hierzu sind mehrere Federn 10 vorgesehen. Diese sind um die Retarderachse 11 herum gruppiert, und zwar in gleichem radialen Abstand. Dabei kann eine Vielzahl von Federn 10 vorgesehen sein. Diese können im gleichen oder gruppenförmig gleichen Winkelabstand um die Retarderachse 11 herum gruppiert sein.
Man erkennt einen Tragring 13. Dieser umschließt die Hohlwelle 4. Er trägt Bolzen 12 und somit auch die Federn 10.
Wichtig ist, daß Tragring 13 auf Hohlwelle 4 derart gelagert ist, daß er relativ zur Hohlwelle 4 frei verdrehbar ist. Dies hat zur Folge, daß die Federn 10 auf ihrer gesamten Länge bei jeglicher Schubdrehbewegung des Rotors 1 eine kippfreie und ungehinderte Relativdrehung um die Retarderachse 11 herum ausführen können. Es kommt somit nicht zu einer Verkippung der Federn 10.
Zusätzlich kann die Anordnung auch derart getroffen sein, daß auch die Bolzen 12 um ihre eigenen Längsachsen frei verdrehbar sind. Zu diesem Zwecke muß die Lagerung der Bolzen 12 im Tragring 13 entsprechend gestaltet sein.
Man erkennt weitere Einzelheiten, die aber für die Erfindung nicht von primärer Bedeutung sind.
So ist die gesamte Einheit - umfassend Rotor 1, Stator 2, Hohlwelle 4, Welle 5 und Welle 6 mittels getriebeseitiger Lagerung, insbesondere mittels eines Kugellagers 14 fliegend gelagert. Ferner sind die üblichen Dichtungen vorgesehen - siehe die Dichtungen 15, 16, 17.
Statt der Bolzen 12, auf denen die Federn 10 gleiten, können auch Hülsen vorgesehen werden (hier nicht dargestellt), die die Federn 10 umhüllen und die ebenfalls eine Führungsfunktion ausüben.
In jedem Falle sind die Führungselemente (Bolzen oder Hülsen) derart bemessen, daß die einzelne Feder 10 in jeder Hublage des Rotors 1 zuverlässig geführt ist. Das genannte Gewinde 4.1.1 zwischen Gewindering 4.1 und Rotor 1 kann ein sogenanntes Steilgewinde sein. Man könnte auch von einer gewindeförmigen oder schraubenförmigen Verzahnung sprechen.
Im Nicht-Brems-Betrieb, d. h. bei normaler Fahrt, ist der Arbeitsraum 3 geöffnet. Dies ist in der Figur unten dargestellt. Der Rotor 1 ist vom Stator 2 abgefahren, und zwar unter der Wirkung der Federn 10.
Im Bremsbetrieb hingegen ist der Arbeitsraum 3 geschlossen. Dies ist im oberen Teil der Figur dargestellt. Die Schließung erfolgt dabei selbsttätig entgegen der Kraft der Federn. Wird nämlich Arbeitsmedium, zum Beispiel Öl, in den zunächst noch geöffneten Arbeitsraum 3 eingeleitet, so kommt es zu einem Heranführen des Rotors 1 an den Stator 2 aufgrund der hydrodynamischen Kräfte, die die beiden Schaufelräder ausüben.
Fig. 2 zeigt nochmal in vereinfachter schematischer Darstellung die wesentlichen Elemente einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung. Wie man sieht, erfüllt die Hohlwelle 4 in diesem Ausführungsbeispiel drei Funktionen: Sie stellt zum einen eine drehfeste Verbindung zwischen der Eingangswelle 5 und der Ausgangswelle 6 her. Weiterhin trägt sie mittels eines Schraubgewindes 4.1.1 den Rotor 1. Schließlich ist der Tragring 13 frei drehbar um seine Längsachse, die achsparallel der Längsachse 11 des Retarders ist, auf dem Tragring 4 drehbar angeordnet, das heißt die Hohlwelle 4 trägt auch den Tragring 13.
Die Federn 10 erzeugen eine Druckkraft zwischen Rotor 1 und Tragring 13, so daß im Nicht-Bremsbetrieb der Rotor 1 vom Stator 2 axial abgefahren wird.
Alle umlaufenden Teile sind derart angeordnet, daß der Retarder frei von eigenen Lagern ist, das heißt alle rotierenden Teile sind fliegend mittels der Kugellager 14 im Getriebelager gelagert. Der Stator 2 kann zusammen mit den feststehenden Bauteilen des Retarders beispielsweise an der Getriebewand 20 angeflanscht sein.
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Tragring 13 und dem Rotor 1. Der Tragring 13 umfaßt eine Anzahl von Bohrungen, in die Bolzen 12 eingebracht sind, die achsparallel zu der Längsachse 11 des Retarders ausgerichtet sind. Gemäß dieser Ausführung übernehmen zwei unterschiedliche Gruppen von Bolzen 12 unterschiedliche Funktionen. So dienen die Bolzen 12.1 dazu, eine drehfeste Verbindung zwischen dem Tragring 13 und dem Rotor 1 zu schaffen, während die Bolzen 12.2 die Funktion haben, die Federn 10 zu führen. Die Federn 10 üben die erforderliche Druckkraft aus, um den Rotor 1 vom Stator 2 im Nicht-Bremsbetrieb abzufahren.
Durch diese vorteilhafte Weiterbildung können die Bolzenverbindungen entsprechend ihrer Funktion angepaßt sein. So ist es denkbar, daß die Bolzen 12.1 sowohl mittels einer Passverbindung in den Rotor 1 und den Tragring 13 eingepaßt sind, während die Bolzen 12.2 lose, das heißt mit Spiel in den Rotor 1 hineinragen können und nur in den Tragring 13 fest eingebracht sind, zum Beispiel mittels einer Passverbindung.
Man kann also zwischen zwei unterschiedlichen Varianten bei der Übertragung der Drehbewegung von dem Rotor auf den Tragring unterscheiden. In der ersten Variante wird die Drehbewegung über die Rotorbohrungen, die Federn und Bolzen und beliebig viele Federn auf den Tragring übertragen, wobei beliebig viele Bolzen und belieig viele Federn eine Einheit bilden. Bei dieser Variante werden sozusagen die Federn zwischen Rotorbohrungen und Bolzen bei der Übertragung der Drehbewegung eingeklemmt. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine zweite Variante, nämlich die dargestellte Funktionstrennung, bei der die Bolzen nur die Führung der Federn übernehmen und ein bestimmtes Drehmoment übertragen und die Federn ausschließlich axial wirkende Kräfte ausüben und nicht zur Übertragung des Drehmomentes beitragen. Vorteilhaft wird die Drehbewegung ausschließlich über mindestens zwei separate Bolzen auf den Tragring übertragen.
Wie aus den Figuren ersichtlich ist, stützt sich der Tragring vorteilhaft auf dem Primärteil, nämlich dem Rotor, ab. Dies hat den Vorteil, dass der Tragring einem besonders geringen Verschleiß ausgesetzt ist, da eine Relativbewegung zwischen Rotor und Tragring allenfalls kurzzeitig in Ein- bzw. Ausschaltphasen auftreten kann.

Claims

1. Retarder mit den folgenden Merkmalen:

1. 1.1 mit einem Rotor (1) und einem Stator (2), die einen Arbeitsraum (3) miteinander bilden;

2. 1.2 mit einer Hohlwelle (4) zum drehfesten Verbinden einer Eingangswelle (5), die einem Getriebe nahe ist, und einer Ausgangswelle (6), die einer Kardanwelle nahe ist;

3. 1.3 die Hohlwelle (4) trägt mittels eines Schraubgewindes (4.1.1) den Rotor (1).

2. Retarder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 2.1 es sind Federn (10) vorgesehen, die auf den Rotor (1) eine Schubkraft im Sinne eines Abfahrens vom Stator (2) ausüben;

2. 2.2 die Federn (10) sind als Schraubenfedern ausgebildet und um die Längsachse (11) des Retarders herum gruppiert;

3. 2.3 es sind Maßnahmen getroffen, um ein freies Verdrehen der Federn (10) um ihre eigene Längsachse beim Verfahren des Rotors in axialer Richtung zu ermöglichen.

3. Retarder nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 3.1 das Hohlrad (4) trägt einen zur Längsachse (11) des Retarders koaxialen Tragring (13);

2. 3.2 der Tragring (13) ist auf der Hohlwelle (4) frei drehbar gelagert;

3. 3.3 der Tragring (13) trägt Führungskörper zum Führen der Federn (10) bei der Verschiebebewegung des Rotors (1);

4. 3.4 der Rotor (1) umfaßt eine Vorrichtung zum Übertragen der Relativdrehbewegung des Rotors (1) auf den Tragring (13) beim Verschieben des Rotors (1) gegenüber dem Stator (2).

4. Retarder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskörper achsparallele Bolzen (12) sind, auf denen die Federn (10) gleiten.

5. Retarder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskörper Hülsen sind, die die Federn (10) umhüllen.

6. Retarder nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) Bohrungen aufweist, in denen die Federn (10) geführt sind und die die Relativdrehbewegung des Rotors (1) auf die Federn (10), die Führungskörper und damit den Tragring (13) weiterleiten.

7. Retarder nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotor (1) und Tragring (13) einerseits Mittel zum Übertragen des Drehmomentes vorgesehen sind und andererseits getrennt von diesen Mitteln Führungskörper zum Führen der Federn (10), welche kein Drehmoment zwischen Rotor (1) und Tragring (13) übertragen.