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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Drehmomentwandler mit zwei
Flüssigkeitskupplungen, von denen wenigstens das Eingangsglied der einen Flüssigkeitskupplung
von einer Getriebeeingangswelle angetrieben ist und von denen das Ausgangsglied
der einen Flüssigkeitskupplung über einen Getriebezweig und das Ausgangsglied der
anderen Flüssigkeitskupplung unmittelbar mit der Getriebeausgangswelle verbunden
ist.
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Bei dem bekannten Drehmomentwandler (USA.-Patentschrift 2
488 478), von dem die Erfindung ausgeht, ist die Getriebeeingangswelle unmittelbar
sowohl mit der ersten Kupplung als auch mit der zweiten Kupplung verbunden. Das
Ausgangsglied der ersten Kupplung ist über einen Getriebezweig und das Ausgangsglied
der zweiten Flüssigkeitskupplung unmittelbar mit der Getriebeausgangswelle verbunden.
Damit wird das Eingangsdrehmoment zwischen den beiden Kupplungen in einem Verhältnis
aufgespalten, das vom Nennmoment der Kupplungen und vom jeweiligen Schlupfverhältnis
der Kupplungen untereinander bestimmt ist. Damit ist die mit diesem Drehmomentwandler
erzielbare maximale Drehmomentvervielfachung abhängig von dem Untersetzungsverhältnis
des Getriebezweiges und abhängig von der Aufteilung des Eingangsdrehmomentes zwischen
den beiden Kupplungen.
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Ferner ist eine Flüssigkeitskupplung bekannt (USA.-Patentschrift
3 077 793), die aus einem als Trommel ausgebildeten Umlaufräderträger mit
mehreren mit Umlaufrädern verbundenen Schöpfrädern besteht, die Flüssigkeit aus
einer am Innenumfang der Trommel gebildeten Flüssigkeitsschicht entnehmen, wobei
infolge der auf die Schöpfräder einwirkenden Zentrifugalkraft ein Drehmoment erzeugt
wird, das an die Ausgangswelle der Kupplung übertragen wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, unter Verwendung
mehrerer Flüssigkeitskupplungen der zuletzt geschilderten Art einen hydraulischen
Drehmomentwandler der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß selbsttätig
im Anfahrbetrieb eine maximale Drehmomentvervielfachung erfolgt, so daß das Anfahrdrehmoment
möglichst groß ist.
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Diese Aufgabe ist durch folgende Merkmale gelöst: a) Jede Flüssigkeitskupplung
besteht aus einem als Trommel ausgebildeten Umlaufräderträger mit mehreren mit Umlaufrädern
verbundenen Schöpf-
rädern, die Flüssigkeit aus einer am Innenumfang der Trommel
gebildeten Flüssigkeitsschicht entnehmen, wobei infolge der auf die Schöpfräder
einwirkenden Zentrifugalkraft ein Drehmoment erzeugt wird, das an den Getriebezweig
bzw. an die Getriebeausgangswelle übertragen wird; b) die Getriebeeingangswelle
ist mit dem Umlaufräderträger der einen Flüssigkeitskupplung verbunden, die Getriebeausgangswelle
mit dem Umlaufräderträger der anderen Flüssigkeitskupplung, und die Umlaufräder
der einen Flüssigkeitskupplung sind mit dem Getriebezweig gekoppelt.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann sich im Anfahrbetrieb bei
stillstehender Getriebeausgangswelle keine Flüssigkeitsscbicht an der Trommel der
zweiten Flüssigkeitskupplung ausbilden, so daß das Drehmoment allein von der ersten
Flüssigkeitskupplung in diesem Betriebszustand geliefert wird. Somit wird das gesamte
Eingangsdrehmoment von der ersten Flüssigkeitskupplung über den Getriebezweig auf
die Ausgangswelle übertragen. Dadurch ist die Drehmomentvervielfachung gleich dem
Untersetzungsverhältnis des Getriebezweiges und damit wesentlich höher als bei der
obengenannten bekannten Einrichtung.
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Ein Vorteil der Kombination mehrerer Kupplungen zusammen mit Getriebezweigen
besteht darin, daß ein Drehmomentwandler mit einem hohen Anfahrdrehmoment versehen
werden kann, wobei die Drehmomentwandlung selbsttätig stattfindet, ohne daß eine
unabhängige Steuerung notwendig wäre.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung können die Umlaufräder
der anderen Flüssigkeitskupplung entweder mit der Getriebeeingangswelle oder mit
den Umlaufrädern der einen Flüssigkeitskupplung gekoppelt sein.
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Es können auch mehr als zwei Kupplungen zu einem Drehmomentwandler
in der erfindungsgemäßen Weise verbunden werden. Hierzu wird auf die Ausführungsbeispiele
verwiesen.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt in schematischer Darstellung durch eine erste
Ausführungsfonn, F i g. 2 einen Schnitt in schematischer Darstellung durch
eine zweite Ausführungsforrn, F i g. 3 einen Axialschnitt durch die Kupplungen
gemäß F i g. 1 mit einer anderen Ausführungsform des Getriebezweiges, F i
g. 4 einen Schnitt ähnlich F i g. 3 mit einem geänderten Getriebezweig,
F i g. 5 einen Axialschnitt durch mehrere Kupplungen in der Ausführungsform
nach F i g. 1,
F i g. 6 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform
des Getriebezweiges, F i g. 7 Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien für die Ausführungsformen
gemäß F i g. 1 und 5,
F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie
VIII-VIII in den F i g. 1 und 2, F i g. 9 einen Schnitt längs der
Linie IX-IX in den F i g. 1 und 2 zur Darstellung einer anderen Verbindung
zwischen den Umlaufrädern und dem Sonnenrad, F i g. 10 einen Schnitt längs
der Linie X-X in den Fig. 1 und 2, F i g. 11 einen Schnitt längs der
Linie XI-XI in den F i g. 1 und 2 zur Darstellung einer wahlweisen Verbindung
zwischen Umlaufrädern und Sonnenrad gemäß F i g. 9.
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In Fig. 1 besteht eine erste Flüssigkeitskupplung
10.1 aus einem Umlaufräderträger in Form einer Trommel 12.1, wobei Träger
und Trommel aus einem Stück gebildet und mit einer Getriebeeingangswelle 14.1 verbunden
sind. Der Träger 12.1 und die Welle 14.1 sind koaxial.
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Innerhalb der Trommel 12.1 sind mehrere Schöpf-
räder
16.3, 16.4, die in dynamischem Gleichgewicht um die Trommelachse herum angeordnet
sind, um ihre ei-enen Achsen drehbar gelagert. Jedes Schöpfrad besitzt Schaufeln
20.3, 20.4 (F i g. 8 und 9) die mehrere Ausnehmungen begrenzen,
welche mit Umfangsabstand von den Umlaufräderachsen und um diese herum angeordnet
sind. Die F i g. 8 und 9 zeigen die Schaufeln 20.3, 20.4 mit
im wesentlichen C-förnügem Querschnitt. Die öffnungen der C-förmigen
Schaufeln
sind so angeordnet, daß sie in eine Richtung um die Schöpfradachsen weisen.
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Die Schöpfräder 16.3, 16.4 sind mit Umlaufrädern 24.1, 24.4
verbunden, die mit Leerlaufrädern 26.1
kämmen, die wieder mit dem Sonnenrad
28.1 der Kupplung kämmen, die koaxial zur Welle 14.1 und dem Umlaufräderträger
12.1 angeordnet ist.
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Die zweite Flüssigkeitskupplung 10.4 ist in gleicher Weise aufgebaut
und besteht aus der Trommel 12.4, den Schöpfrädern 16.5 und 16.6 mit
den Schau-feln 20.5, den Umlaufrädern 24.1, den Leerlaufrädern
26.3 und dem Sonnenrad 28.4.
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Das Sonnenrad 28.4 ist durch eine Welle 14.4 mit dem Umlaufräderträger
12.1 der ersten Kupplung 10.1 verbunden, während der Umlaufräderträger 12.2
der zweiten Kupplung 10.4 mit der Getriebeausgangswelle 30.4 verbunden ist. Es ist
ersichtlich, daß das Sonnenrad 28.1 relativ zu der Welle 14.4 drehbar ist.
Ein Getriebezweig 30 ist zwischen dem Sonnenrad 28.1 und der Ausgangswelle
30.4 vorgesehen. In der Ausführungsform der F i g. 1 kann die erste Kupplung
10.1 Leerlaufräder 26.1 zwischen dem Sonnenrad 28.1 und dem
Umlaufrad 24.1 gemäß F i g. 8 aufweisen. Wahlweise können aber auch gemäß
F i g. 9
die Umlaufräder 24.4 unmittelbar mit dem Sonnenrad 28.1 kämmen.
Vergleicht man ferner die Anordnung der Schaufeln 20.3 und 20.5 der
Schöpfräder 16.3 und 16.5 in den F i g. 8 und 10, so
ergibt sich, daß die öffnungen der Schaufeln in entgegengesetzte Richtungen um die
Schöpfradachsen herum weisen. Wenn ferner zwischen den Umlaufrädern und dem Sonnenrad
keine Leerlaufräder benutzt werden, dann sind die Schaufeln der zweiten Kupplung
10.4 entgegengesetzt zu denjenigen der ersten Kupplung 10.1
gerichtet. Hierbei
wird auf die F i g. 9 und 11 verwiesen.
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Es wird jetzt die Betriebsweise einer einzigen Kupplung beschrieben
und im Anschluß daran die Betriebsweise mehrerer miteinander verbundener Kupplungen.
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Zum Betrieb wird in die Trommeln jeder Kupplung Flüssigkeit eingebracht,
die in einer Ringschicht 132 (F i g. 9) ausgeschleudert wird, wenn
die Trommel der Kupplung in Richtung des Pfeiles 130
(F i g. 9) um
ihre Achse gedreht wird. Die Drehung der Trommel verursacht unter der Annahme, daß
das Sonnenrad 28.1 feststeht, einen Umlauf des Umlaufrades 24.4 relativ zu
dem Umlaufräderträger um seine Achse in Richtung des Pfeiles 131. Wenn das
Verhältnis der Teilkreisdurchmesser der Umlaufräder 24.4 und des Sonnenrades
28.1 gleich 1 ist und wenn das Sonnenrad 28.1 feststeht, dann
führt das Umlaufrad bei jeder Umdrehung des Umlaufräderträgers eine volle Umdrehung
um seine Achse relativ zu dem Träger aus. Hierbei tauchen die Schaufeln 20.4 in
die ringförmige Schicht 132 ein und nehmen Flüssigkeit aus der Schicht auf
und führen diese Flüssigkeit auf der nacheilenden Seite des Schöpfrades relativ
zu Drehrichtung des Trägers in Richtung auf den mittleren Bereich der Trommel, wo
sie ausfließt. Die an dem Schöpfrad angreifende Zentrifugalkraft erzeugt infolge
des Ungleichgewichts zwischen der gefüllten und leeren Schöpfradseite ein Drehmoment
um die Schöpfradachse; dieses Drehmoment wird auf das Sonnenrad 28.1 übertragen.
Wenn die Drehzahl des Sonnenrades 28.1 gleich der Drehzahl des Trägers 12.1
ist, dann drehen sich die Schöpfräder 16.1 nicht mehr um ihre eigenen Achsen
relativ zu dem Träger, und das durch die auf die unausgeglichene Flüssigkeitsmasse
auf der Rückseite des Schöpfrades einwirkende Zentrifugalkraft erzeugte Drehmoment
reicht aus, um das Lastdrehmoment am Sonnenrad 28.1 zu liefern. Die Schöpfräder
16.4 stehen dann relativ zu dem umlaufenden Träger 12.1 still. Die Kupplung 10.4
arbeitet in gleicher Weise.
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Ändert sich das Lastdrehmoment, dann drehen sich die Schöpfräder 16.4
geringfügig um ihre Achsen relativ zu dem Träger, um mehr oder weniger Flüssigkeit
aufzunehmen. Wenn die Aufnahmefähigkeit der Schaufeln nicht mehr ausreicht, dann
beginnen die Schöpfräder wieder, um ihre Achsen relativ zu dem Träger umzulaufen,
und es findet ein Schlupf statt. Das höchste Drehmoment, das die Kupplung übertragen
kann, ist ihr Anfahrdrehmoment.
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In dem Augenblick, in welchem sich das Schöpfrad 16.4 langsam um seine
Achse relativ zu dem Träger dreht, d. h., wenn die von seiner Achse weggerichtete
Zentrifugalkraft kleiner ist als diejenige, die von der Achse des Umlaufräderträgers
weggerichtet ist, dann wird die von der Schicht 132 durch die Schaufeln 20.4
verdrängte Flüssigkeit in den mittleren Bereich der Trommel zurückgeworfen. Die
zurückgeworfene Flüssigkeit strömt dann diametral durch das Schöpfrad 16.4 zu der
äußeren Schicht zurück.
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Durch die Verbindung des Sonnenrades 28.1 mit dem Träger 12.4
über das Zahnrad 38 und den Getriebezweig 30 wird der Träger 1.2.4
der Kupplung 10.4 mit einer Drehzahl gemäß der Untersetzung des Getriebezweiges
30 angetrieben. Bei noch stillstehender Ausgangswelle 30.4 wird das Drehmoment
allein von der ersten Kupplung 10.1 aufgebracht, da sich in der Trommel der
zweiten Kupplung keine Flüssigkeitsschicht ausbilden kann. Dadurch ergibt sich die
höchste Drehmomentvervielfachung im Anfahrbetrieb, die von dem Untersetzungsverhältnis
des Getriebezweiges 30 abhängig ist und gemäß Kurve 122 in F i
g. 7 für eine Untersetzung von 2: 1 verläuft. Sobald die Ausgangswelle
beschleunigt wird, bildet sich in der Trommel der zweiten Kupplung 10.4 eine Flüssigkeitsschicht
aus und auch diese Kupplung kann Drehmoment an die Ausgangswelle 30.4 übertragen.
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Wenn drei Kupplungen in einer tandemartigen Anordnung benutzt werden,
dann können die Drehzahlverhältnisse zwischen den verschiedenen Kupplungen, die
die Einrichtung als ein Ganzes darstellen, nach Wunsch gewählt werden.
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Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist das Sonnenrad
28.5 der zweiten Kupplung 10.5 über eine Welle 14.5 mit dem Sonnenrad
28.1 der ersten Kupplung 10.1 verbunden. Der Träger 12.5 der
Kupplung 10.5 ist mit der Ausgangswelle 30.4 verbunden. Auch in dieser Ausführungform
ist das Sonnenrad 28.1 über den Getriebezweig 30 mit der Ausgangswelle
30.4 verbunden. Ebenfalls sind in dieser Ausführungsform die Schaufeln der zweiten
Kupplung 10.5 in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der Schaufeln
der ersten Kupplung 10.1
angeordnet. Es ist möglich, die Antriebsverbindung
zwischen den Umlaufrädem und dem Sonnenrad durch unmittelbaren Zahneingriff oder
durch Leerlaufräder herzustellen. In diesem Zusammenhang wird auf die F i
g. 8 bis 11 verwiesen.
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Die F i g. 3 zeigt in größeren Einzelheiten einen Axialschnitt
durch eine Ausführungsform ähnlich
derjenigen, die in der F i
g. 1 dargestellt ist, jedoch eine andere Anordnung des Getriebezweiges
30.10
aufweist. Der Getriebezweig 30.10 wird von einem im Gehäuse 102
untergebrachten Getriebe 100 gebildet. In dem Getriebe ist eine Freilaufeinrichtung
104 vorgesehen.
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F i g. 4 zeigt eine wahlweise mögliche Ausführung eines Getriebezweiges
30.20. Auch hier ist eine Freilaufeinrichtung 106 vorgesehen.
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F i g. 5 zeigt eine Weiterentwicklung der in F i
g. 1
gezeigten Ausführungsform in größeren Einzelheiten. Diese Figur zeigt
die Möglichkeit der Verbindung mehrerer Kupplungen hintereinander. Zwischen den
ersten beiden Kupplungen ist ein Getriebezweig 30.30
angeschlossen, der in
einem innerhalb eines Gehäuses 110 untergebrachten Getriebe 108 besteht.
In dem Getriebe ist eine Freilaufeinrichtung 112 vorgesehen. Nachfolgende Kupplungen
sind in Reihenschaltung verbunden, von denen eine bei 10.6 gezeigt ist, sowie
mit einem Getriebezweig, beispielsweise mit dem Getriebezweig 30.40. Dieser Getriebezweig
30.40 besitzt Freilaufeinrichtungen 114 und 116. In F i g. 4 ist die
letzte Kupplung mit 10.6 bezeichnet. Die Welle 30.6
dieser Kupplung
ist fest mit dem Träger der Kupplung verbunden und bildet die Getriebeausgangswelle.
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F i g. 6 zeigt eine noch andere Art der Anordnung des Getriebezweiges
30.50 zwischen benachbarten Kupplungen.
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F i g. 7 zeigt die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien der Ausgangswelle
verschiedener Kupplungskombinationen. Die Drehzahl NI der Ausgangswelle ist in Prozent
der Drehzahl No der Eingangswelle ausgedrückt.
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Die Kurve 122 zeigt das Drehmoment, das auf Grund der Kombination
von Kupplungen nach der Ausführungsform der F i g. 1 verfügbar ist, bei welcher
das Untersetzungsverhältnis des Getriebezweiges 2: 1 ist.
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Die Drehmomentkennlinie der Kurve 124 ist diejenige, die durch eine
Kupplung nach der Darstellung in F i g. 9 erzielbar ist, wobei diese Kupplung
jedoch eine weitere dahinter geschaltete Kupplung aufweist, d. h., daß es
sich hier um einen Drehmomentwandler mit drei tandemartig angeordneten Kupplungen
handelt, die ähnlich F i g. 5 miteinander verbunden sind.
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Die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform ist bei veränderlicher
Antriebsdrehzahl brauchbar. Die Abtriebsdrehzahl dieser Anordnung ist die Abtriebsdrehzahl
der zweiten Kupplung. Die Drehzahl des Sonnenrades 28.4, d. h. des Sonnenrades
der zweiten Kupplung, ist die gleiche wie die AntriebsdrehzahI. Beim Anfahren laufen
daher die Schöpfräder in der Kupplung 10.4 mit der Antriebsdrehzahl in der Trommel
12.4 um, welche dann stillsteht. Es ist daher keine ringförmige Flüssigkeitsschicht
in der Trommel 12.4 vorhanden, jedoch bringen die Schöpfräder in der Trommel 12.4
die Flüssigkeit in Bewegung, und es wird von der Antriebsmaschine ein Drehmoment
aufgenommen. Das aufgenommene Drehmoment wird bei der übertragung auf die Ausgangswelle
30.4 nicht vervielfacht.
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Die in der F i g. 2 gezeigte Anordnung ist auch bei veränderlichen
Antriebsdrehzahlen brauchbar. Die Drehzahl des Sonnenrades 28.5 der zweiten
Kupplung 10.5 ist die Abtriebsdrehzahl der ersten Kupplung 10.1. Die
Drehzahl der Abtriebswelle 30.4 ist die gleiche wie die Abtriebsdrebzahl der zweiten
Kupplung. Beim Anfahren der Anordnung ist die zweite Kupplung außer Betrieb,
d. h., die Trommel 12.5
steht still, und die Schöpfräder innerhalb
der Trommel stehen ebenfalls still. Wenn jedoch das Sonnenrad 28.1 der ersten
Kupplung beschleunigt wird, dann wird auch das Sonnenrad 28.5 beschleunigt.
Ferner beschleunigt sich auch die Trommel 12.5 infolge des von der Welle
30.4 über den Getriebezweig 30 empfangenen Antriebes. Bei der Beschleunigung
der Trommel 12.5 wird ein ständig großes Drehmoment von der mit der Eingangswelle
14.1 verbundenen Antriebsmaschine aufgenommen.
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Die zweiten Kupplungen 10.4 und 10.5 der F i g. 1
und
2 lassen sich als umgekehrte Kupplungen bezeichnen, weil ihre Sonnenräder mit der
ersten Kupplung 10.1 verbunden sind und ihre Schaufeln 16.5
und
16.6 so angeordnet sind, daß deren Öffnungen in einer Richtung entgegengesetzt
zu derjenigen der Schaufeln 16.3 und 16.4 um die Schöpfradachsen herum weisen.