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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Drehmomentwandler, bei:
dem auf einem angetriebenen Umlaufräderträgerwenigstens ein erster Umlaufrädersatz,
dessen mit einem Schöpfrad zur Drehmoment erzeugung gekoppeltes Umlaufrad in Triebverbindung
mit der Getriebeausgangswelle steht, und wenigstens ein aus Umlaufrad und Schöpfrad
bestehender zweiter Umlaufrädersatz angeordnet sind, wobei die von einer drehbar
gelagerten Trommel umschlossenen Schöpfräder so ausgebildet sind, daß sie Flüssigkeit
aus einer an der Trommelinnenwand unter der Wirkung der Zentrifugalkraft gebildeten
Flüssigkeitsschicht aufnehmen und so weit entgegen der Zentrifugalkraft in Richtung
Drehachse des Umlaufräderträgers transportieren, bis die Flüssigkeit ausfließt,
so daß die an den Schaufeln des Schöpfrades angreifende Zentrifugalkraft ein Drehmoment
am Umlaufrad erzeugt.
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Die Erfindung geht von der aus der französischen Patentschrift 1253
785 bekannten Einrichtung aus, bei der jedoch .eine Änderung der Drehmomentübertragung
im Betriebsbereich des Wandlers nicht vorgesehen ist. Es ist aber auch bekannt (britische
Patentschrift 762 873 und USA.-Patentschrift 1691612), zwei oder sogar mehrere auf
einem angetriebenen Umlaufräderträger angeordnete Umlaufrädersätze über je eine
Zahuraduntersetzung mit der Getriebeausgangswelle zu verbinden. Dabei sind die Untersetzungsverhältnisse
der einzelnen Getriebe unterschiedlich. Die einzelnen Getriebezüge enthalten Schaltkupplungen,
die selbsttätig vom jeweiligen Verhältnis der Getriebeeingangs- zur Getriebeausgangswelle
betätigt werden und abhängig von diesem Drehzahlverhältnis die Umlaufrädersätze
nacheinander mit der Ausgangswelle verbinden, so daß bei einer bestimmten Drehzahl
der Ausgangswelle der zweite Umlaufrädersatz zugeschaltet wird. So arbeiten in einem
niedrigen Drehzahlbereich beide Umlaufrädersätze parallel auf die Ausgangswelle,
während in einem höheren Drehzahlbereich von der Schaltkupplung der eine Umlaufrädersatz
ausgeschaltet wird. Bei den bekannten Drehmomentwandlern sind die Umlaufrädersätze
gleich ausgebildet.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Einbau
der bekannten Schaltkupplungen zu vermeiden und das Wirksamwerden des zweiten Umlaufräd'ersatzes
in einfacherer Weise und insbesondere durch eine zweckmäßige hydraulische Ausbildung
zu bewerkstelligen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei dem hy-
draulischen Drehmomentwandler
der eingangs geschilderten Art dadurch gelöst, daß das Umlaufrad des zweiten Umlaufrädersatzes
über ein Abtriebsrad mit der Getriebeausgangswelle derartig in Verbindung steht,
daß es ab einem bestimmten Drehzahlverhältnis des Wandlers zur Drehmomenterzeugung
wirksam wird, und für das Schöpfrad des zweiten Umlaufrädersatzes Öffnungen und
eine am Umfang angeordnete Abdeckung so angeordnet sind, daß oberhalb einer Schöpfraddrehzahl,
die dem bestimmten Drehzahlverhältnis entspricht, die von dem Schöpfrad transportierte
Flüssigkeit am Ausfließen gehindert ist.
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Damit entsteht der Vorteil, daß das Wirksamwerden des zweiten Umlaufrädersatzes
zur Drehmomenterzeugung in einfacher und zweckmäßiger Weise hydraulisch erzielt
wird, indem beim Anfahren des Drehmomentwandlers im unteren Drehzahlbereich der
Getriebeausgangswelle der zweite Umlaufrädersatz eine so hohe Drehzahl erhält, daß
die in den Schöpfrädern dieses Umlaufrädersatzes eingeschöpfte Flüssigkeit gleichmäßig
in allen Schaufeln des Schöpfrades verteilt wird, so daß an den Schöpfrädern keine
Unwucht vorhanden ist und auch kein Drehmoment erzeugt wird. In diesem Drehzahlbereich
ist also nur der .erste Umlaufrädersatz wirksam, der ein Drehmoment infolge der
einseitig an den Schöpfrädern angreifenden größeren Zentrifugalkraft erzeugt und
die Getriebeausgangswelle beschleunigt. Dabei verringert sich gleichzeitig die Drehzahl
des zweiten Umlaufrädersatzes, so daß dann beim Erreichen einer bestimmten Drehzahl
der Getriebeausgangswelle der zweite Umlaufrädersatz eine Drehzahl erhält, bei der-
ein Teil der in den Schöpfrädern des zweiten Umlaufrädersatzes eingefangenen Flüssigkeit
ausfließt, so daß infolge der Unwucht an den Schaufeln der Schöpfräder verschieden
große Zentrifugalkräfte angreifen, die nun an diesen Schöpfrädern ebenfalls ein
Drehmoment erzeugen, das dann auf die Getriebeausgangswell@e übertragen wird.
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Somit kann die Drehmomentübertragung im Betriebsbereich des Wandlers
durch eine einfache Ausbildung der Schöpfräder des zweiten Umlaufrädersatzes beeinflußt
werden, so daß z. B. zunächst bis zu einem bestimmten Drehzahlverhältnis ein niedriges
Moment und darüber ein hohes Moment übertragen wird oder umgekehrt. Der Übergang
von einem zum anderen Bereich geht dabei selbsttätig vor sich. Ob das Drehmoment
im niedrigen Drehzahlbereich größer, kleiner oder gleich dem Drehmoment im höheren
Drehzahlbereich bzw. dem Drehmoment bei Nenndrehzahl ist, hängt von der entsprechenden
Wahl der Schöpfräder und deren Größe ab.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt längs der Linie 1-I der F i g. 2 eines Drehmomentwandlers
mit zwei Umlaufrädersätzen, F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie II-11 der Fig.1.
F i g. 3 eine andere Ausführungsform der Triebverbindung des zweiten Umlaufrädsrsatzes
in einem Schnitt längs der Linie III-III. der F i g. 4, F i g. 4 einen Schnitt längs
der Linie IV-IV der F i g. 3, F i g. 5, 6 und 9 Drehzahl-Drehmom.entkennlinien des
ersten und zweiten Umlaufrädersatzes und des Drehmomentwandlers, F i g. 7 eine westere
Ausführungsform der Triebverbindung zwischen den Umlaufrädersätzen und der Getriebeausgangswelle
in einem Schnitt längs der Linie VII-VII der F i g. 8, F i g. 8 ein Schnitt längs
der Linie VIII-VIII der Fig.7, F i g. 10 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform,
F i g. 11, 12 und 13 Drehzahl-Drehmomentkennlinien der Ausführungsform gemäß F i
g. 10, F i g. 14 weitere Ausführungsformen der Triebverbindung im Schnitt, F i g.
15 -einen Schnitt längs der Linie XV-XV der Fig. 1.
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In den Zeichnungen ist stets die Getriebeeingangswelle mit 10, der
von dieser Welle angetriebene Umlaufräderträger mit 12, die Achsen der Umlaufräder
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mit 14 und die Schöpfräder mit 18 bezeichnet, die mehrere gekrümmte Schaufeln mit
im wesentlichen C-färmigem Querschnitt zum Einschöpfen von Flüssigkeit aufweisen.
Koaxial zur Eingangswelle ist eine Getriebeausgangswelle 22 vorgesehen, die gemäß
F i g. 2 mit einem Lagerzapfen 24 in der Eingangswelle 10 gelagert ist.
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Der erste Umlaufrädersatz besteht aus den beiden Schöpfrädern 18,
den auf der gleichen Welle 14 befestigten Umlaufrädern 16 und einem Zentralrad 26,
das mit den Umlaufrädern 16 über die Zwischenräder 17 im Eingriff ist. Das
Zentralrad 26 ist auf der Ausgangswelle 22 drehbar gelagert und mit dem Zahnrad
28 des Getriebes 32 fest verbunden, das mit einem weiteren Zahnrad 30 kämmt.
Dieses sitzt auf der Welle 34, auf der auf einem Freilauf 38 ein weiteres Zahnrad
36 angeordnet ist, das mit dem auf der Getriebeausgangswelle 22 befindlichen Zahnrad
40 kämmt. Der Teilkreisdurchmesser des Zentralrades 26 ist gleich dem des Umlaufrades
16. .
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Die Schöpfräder 18a und 18b gehören dem zweiten Umlaufrädersatz an
und stehen über die auf den Achsen 14a und 14b sitzenden Umlaufrädern
1.6a und über die Zwischenzahnräder 17a mit einem zweiten Zentralrad 42 in Triebverbindung,
das fest auf der Getriebeausgangswelle 22 angeordnet ist.
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In F i g. 1 sind die beiden Schöpfräder 18a und 18b des zweiten Umlaufrädersatzes
unterschiedlich ausgebildet, um mehrere Möglichkeiten in einer einzigen Figur zu
zeigen. Das in F i g. 2 im Axialschnitt gezeigte Schöpfrad 18a besteht aus den beiden
Seitenwänden 49 und einem den Umfang einschließenden Mantel 50, innerhalb dem die
Schaufeln 20 angeordnet sind, an deren inneren Randlippen 20a kreisbogenförmige
Öffnungen 52 in den Seitenwänden 49 angeordnet sind. Durch die Öffnungen 52 kann
Flüssigkeit ein- bzw. austreten.
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In der in F i g. 1 dargestellten anderen Ausführungsform ist das Schöpfrad
18 b am Umfang offen, und die Schaufeln 20 bilden innere Öffnungen 21a, äußere Öffnungen
21b an ihren jeweiligen inneren Randlippen 20 a und äußeren Randlippen 20 b. Am
Umlaufräderträger ist ein Mantel 54 bei 55 befestigt, der an seinen Enden 63 über
den geometrischen Ort, dien die Umlaufräderachse 14b beschreibt, hinausreicht und
vorzugsweise in die bei der Drehung des Umlaufräderträgers am Innenumfang ausgebildete
Flüssigkeitsschicht eintaucht.
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Die Betriebsweise isst folgende: Der erste Umlaufrädiersatz mit den
Schöpfrädern 18 liefert im Drehzahlbereich zwischen 0 und 100 % das aus F i g. 5
ersichtliche Drehmoment. Dies geschieht dadurch, daß in dem Bereich, in dem die
Ausgangswelle eine kleinere Drehzahl als die Eingangswelle hat, das Zahnrad 17 in
Pfeilrichtung 60 und damit das Umlaufrad 1.6 und Schöpfrad 18 in Pfeilrichtung 62
angetrieben wird. Beim Hindurchtreten der Schaufel 20 durch die Flüssigkeitsschicht
64 wird Flüssigkeit in die Taschen eingeschöpft und in Pfeilrichtung 62 in Richtung
zur Umlaufräderträgerachse hin gefördert. In dieser Lage wird die Flüssigkeit wieder
abgegeben und nach außen geschleudert. Somit ist die eine Hälfte der Schöpfräder
18 gefüllt und die andere leer, und die an dieser Unwucht angreifende Zentrifugalkraft
übt ein Drehmoment aus, das über die Umlaufräder 16, die Zahnräder 17 auf das Zentralrad
26 übertragen und über die Zahnräder 40, 36 und 28 an die Ausgangsquelle weitergegeben
wird. Das an den Schöpfrädern erzeugte Drehmoment wird somit über das zwischengeschaltete
Getriebe 32 gewandelt.
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Im Gegensatz dazu erzeugen die Schöpfräder 18a bzw. 18 b des zweiten
Umlaufrädersatzes im Drehzahlbereich 0 bis 100°/o das aus F i g. 6 ersichtliche
Drehmoment. Somit wird zwar auch von den Schöpfrädern 18 a bzw. 18 b Flüssigkeit
eingeschöpft. Die Schöpfräder führen jedoch eine so schnelle Drehung um ihre Achse
14 a bzw. 14 b aus, daß die Flüssigkeit, von der Achse 14a bzw. 14b
aus gesehen, nach außen geschleudert wird und innerhalb des Mantels 54 bzw. 50 eine
Flüssigkeitsschicht bildet, so daß an den Schöpfrädern 18 a bzw. 18
b keine Unwucht entsteht und damit auch kein Drehmoment erzeugt wird. Beim
Beschleunigen der Getriebeausgangswelle durch das vom ersten Umlaufrädersatz gelieferte
Drehmoment verringert sich dementsprechend die Drehzahl der Schöpfräder 18 a und
18 b, bis eine e Drehzahl erreicht ist, bei der die an der Flüssigkeitsschicht in
den Schöpfrädern 18a bzw. 18b angreifende Zentrifugalkraft so gering wird, daß die
Flüssigkeit über die inneren Randlippen 20 a in eine von der Umlaufräderträgerachse
wegführende Richtung abfließt. Dabei; wird Flüssigkeit in den. Schaufeln zurückgehalten,
die nach der Umlaufräderträgerachse hin offen sind, während sich wenig oder gar
keine Flüssigkeit in den Schaufeln befindet, die in Richtung der Flüssigkeitsschicht
64 hin offen sind. Bei dieser Drehzahl entsteht also dann auch eine Unwucht in den
Schöpfrädern 18 a bzw. 18 b, und die an der Unwucht angreifende Zentrifugalkraft
erzeugt ein Drehmoment, das über das Zentralrad 42 auf die Ausgangswelle in der
bereits beschriebenen Weise abgegeben wird.
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Ist die Drehzahl der Eingangswelle gleich der Drehzahl der Ausgangswelle,
so sind die Schöpfräder 18, 18a bzw. 18b in bezug auf den Umlaufräd@erträger
stationär und führen lediglich durch dien Umlaufräd'erträger eine Drehung um die
Ausgangswelle 22 aus, wobei das vom Einwirken der Zentrifugalkraft auf de in den
Schaufeln befindliche Flüssigkeitsmasse herrührende Drehmoment so groß ist, d.aß
auf der Ausgangswelle das Nennlastmoment zur Verfügung steht.
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Zusammenfassend erfolgt also das Anfahren in zwei Phasen, nämlich
einer ersten Phase, in der nur der erste Umlaufrädersatz Drehmoment erzeugt, bei
dem der Teilkreisdurchmesser der betreffenden Umlaufräder und des Sonnenrades gleich
ist, und einer zweiten Phase, in der zusätzlich ein Drehmoment durch den zweiten
Umlaufrädersatz erzeugt wird. Es entsteht somit die Drehmomentkennlinie gemäß F
i g. 9.
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In den F i g. 3 und 4 besteht gegenüber den F i g. 1 und 2 nur der
Unterschied, daß die Umlaufräder 16 b der Schöpfräder 18 c des zweiten Umlaufräde:rsatzes
nicht über ein Zwischenzahnrad, sondern unmittelbar mixt dem Zentralrad 42a der
Getriebeausgangswelle kämmen. In diesem Fall sind die Schaufeln 20 der Schöpfräder
18 c gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 1 und 2 im entgegengesetzten
Sinn angeordnet, d. h., die Öffnungen der Schaufeln 20 sind nicht wie in
F i g. 1 im Uhrze.igersinn um die Achse 14a bzw. 14b, sondern entgegen dem Uhrzeigersinn
angeordnet. Dann wird die Flüssigkeit nicht auf der austauchenden Hälfte,
sondern
vielmehr auf der in die Flüssigkeitsschicht 64 eintauchenden Hälfte der Schöpfräder
zurückgehalten.
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Die Umlaufräder 16 des ersten Umlaufrädersatzes können mit dem Zentralrad
26 auch über eine Kette 62a an Stelle der Zwischenzahnräder verbunden sein.
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In der Ausführungsform gemäß den F i g. 7 und 8 stehen die Umlaufräder
16 und 16e der Schöpfräder 18 des ersten Umlaufrädersatzes und der Schöpfräder 18a
bzw. 18b des zweiten Umlaufrädersatzes über Zwischenzahnräder 17 bzw. 17a mit einem
gemeinsamen Zentralrad 26a in Triebverbindung, das auf der Welle 22 angeordnet ist.
Der Teilkreisdurchmesser der Umlaufräder 16 liegt in der gleichen Größenordnung
wie der des Zentralrades 26a; vorzugsweise sind die Teilkreisdurchmesser
des Umlaufrades 16e jedoch kleiner als der des Zentralrades 26a, vorzugsweise wesentlich
kleiner. Dabei ergeben sich Kennlinien ähnlich den in F i g. 5, 6 und 9 gezeigten.
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Die Ausführungsform des Getriebes gemäß F i g. 10 ist ähnlich dem
in F i g. 2 gezeigten Beispiel. Die Schöpfräder des ersten Umlaufrädersatzes sind
mit 18 und die Schöpfräder des zweiten Umlaufrädersatzes mit 18a und 18b und deren
Umlaufräder mit 14a und 14b bezeichnet. Durch geeignete Wahl der Schöpfräder und
der Schaufelgrößen kann man die Anfahr-Drehzahl-Drehmomentkennlinie verändern, und
zwar so, daß das beim Anfahren zur Verfügung stehende Drehmoment größer, kleiner
oder gleich dem Nenndrehmoment ist. So ist in F i g. 11 das vom ersten Umlaufrädersatz
abgegebene und in F i g. 12 das vom zweiten Umlaufrädersatz abgegebene Drehmoment
gezeigt, die sich zu dem in F i g. 13 dargestellten Gesamtdrehmoment summieren.
Dabei ist der Freilauf 38 vorgesehen, um zu verhindern, daß die Schöpfräder 18 überholt
werden.
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In F i g. 14 sind verschiedene Triebverbindungen wahlweise dargestellt.
So kann das Zentralrad 60 innen verzahnt sein und mit den Umlaufrädern
16f
unmittelbar kämmen. Andererseits kann das Zentralrad 60 a mit dem Umlaufrad
16 g, dessen Teilkreisdurchmesser kleiner ist als der des Zentralrades 60a, mittels
einer Kette 62 verbunden sein. Schließlich kann das Umlaufrad 16 b auch mit dem
Zentralrad 42a unmittelbar kämmen.
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In den F i g. 1 und 15 ist noch zusätzlich zu dem Mantel 54 am Umlaufräderträger
mittels des Flansches 82 ein Innenmantel 80 angeordnet, der dazu beiträgt, daß weitere
Flüssigkeitsmengen in dem Schöpfrad 18b zurückgehalten werden, und zwar während
der Zeit, in der die Drehzahl des Schöpfrades 18b gegenüber der des Umlaufräderträgers
gegen Null geht.
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In den Ausführungsbeispielen besteht jeder Umlaufrädersatz aus zwei
Schöpfrädern. Es können aber auch mehr Umlaufrädersätze als zwei mit einer entsprechenden
Anzahl von Zentralrädern vorgesehen sein, so daß die Drehzahl-Drehmomentkennlinie
mehrfach abgestuft ist. Durch das Getriebe ist ein hohes Anfahrmoment verfügbar,
während bei einer ausreichend erhöhten oder verkleinerten Drehzahl der Getriebeausgangswelleeine
selbsttätige Drehmomentwandlung stattfindet. Ist das Drehzahlverhältnis zwischen
der Eingangswelle 10 und dem Zentralrad 26 gleich, so würden die Schöpfräder 18
ihre Drehrichtung ändern, was durch den Freilauf 38 verhindert wird, so daß während
der ersten Phase des Anfahrens davon herrührende Verluste vermieden sind.