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HYDRODEYNAMISCHER MOMENTWANDLER
Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen
Momentwandler zur Leistungsübertragung von einer Kraftmaschine zu einer Arbeitsmaschine,
insbesondere fllr Fahrzeuge.
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Die hydrodynamische Kupplung kann auf hydrodynamischem Prinzip in
verschiedener Weise aus einer Pumpe und aus dem Schaufelkranz einer Turbine aufgebaut
sein. Ebenso kann ein hydrodynamischer lomentwandier aus mindestens einer
Pumpe,
Turbine und Leitschaufelkranz bestehen.
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Zahlreiche lusftflirungsformen des hydrodynamischen Momentwandlers
sind bekannt, diee Nachteile dieser Ausftihrungsformen sind gleichfalls bekannt.
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Im Arbeitsraum des Momentwandlers herrschen während des Betriebes
im allgemeinen hohe Geschwindigkeiten. Die Folge ist das Entstehen bedeutender Reibungsverluste,
somit erreicht der Wirkungsgrad selbst bei geringen Stoßverlusten nicht die günstigen
Werte, wie sie z.B. im günstigen Bereich eines hydrodynamischen Momentwandlers erreicht
werden. Die bekannten Momentwandler werden im allgemeinen infolge ihrer Korstruktion
bei hohen Meridian-Geschwindigkeiten betrieben, besonders im Falle der sogenannten
Zentrifugal-Turbinen. Bei Zentripetal-Turbinen ist die Drehzahl im allgemeinen niedriger
als die Pumpendrehzahl. Die Meridian-Geschwindigkeit ändert sich während des Betriebes,
doch bildet sich eine niedrige Meridiangeschwindigkeit nur in einem engen Bereich
des Drehzahlverhältnisses. In diesem zuletzt erwähnten System folgt auf den Momentwandlerbetrieb
im allgemeinen ein hydraulischer Kupplungsbetrieb was während des Bstriebes durch
das Festhalten bzw. Lösen von einem oder mehreren der Schaufelkränze erreicht wird.
Zu diesem Zweck massen weitere Blemente eingebaut werden, wie zB. eine Freilauf-Schalteinrichtung
oder ein mechanischer Reibungsschalter mit Steuer- und Betätigungseinrichtung.
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Der Aus- und Eintrittewinkel der Schaufel unterscheiden sich im allgemeinen
bei den Schaufelkränzen von hydrodynamischen Momentwandlern. Während des Durchatrömens
eines
Schaufelkranzes entstehen in der Flüssigkeit, in folge der Umlenkung der Flilssigkeit
bedeutende Verluste. Diese Verluste können in gewissem Maße durch die Profilausbildung
der Schaufeln herabgesetzt werden, dies ist aber technologisch anspruchsvoll und
kostenaufwändig.
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Zur Erreichung der gewünschten Kennlinien-Diagramme werden Momentwandler
oft mit mehr als drei Schaufelkränzen gebaut, was gewisse Mehrverluste verursacht.
Vor allem, wird wegen des mehrmaligen Eintretens der beim Eintreten des Schaufelkranzes
auftretende Stoßverlust während des Kreislaufes höher.
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Zur Ausbildung einer günstigen Torus-Form des Momentwandlers werden
oft Schaufeln mit rEumlich schraubenförmiger Oberfläche verwendet, wodurch der Weg
der Fliissigkeit im hydraulischen Kreislauf verringert werden kann und die Schaufelkränze
einander folgen können. Die Verminderung der Verluste auf diese Weise bedeutet einen
gewissen technologischen Mehraufwand. Die Herstellungskosten werden gleichfalls
dadurch erhöht, dae bei Momentwandlern im allgemeinen ein sogenannter Torus-Kern
mit entsprechender Abdichtung ausgebtldet wird.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines vorteilhaft verwendbaren
hydrodynamischen Momentwandlers, der eine Momenten-Korrektur verwirklicht und das
Annähern des Wirkungsgrades an die der hydraulischen Kupplung ermöglicht, und zwar
im gesamten Arbeitsbereich bei etwa konstanter Momenten-Aufnahme-Kennlinie, mit
dem zu den günstigen Wirkungsgrad-Werten gehörenden breiten Betriebsbereich, der
sich auch Uber
Drehzahlverhiltnisse höher als eins erstreckt, wobei
die Herstellung einfach, Gewicht und Abmessungen günstig sind und sich eine vielseitige
Einbaumöglichkeit bietet.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung erreicht diesen Zweck durch einen
der turbine und der Pumpe einer hydrodynamischen Kupplung ähnlichen, zwischen den
Schaufeikränzen untergebrachten Leitkranz, der den Betrieb der Kupplung im Betriebszustand
nicht bedeutend ändert, Indem die Drehzahl der Turbine nahezu die Drehzahl der Pumpe
erreicht.
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Hier ist der Wirkungsgrad der Kupplung am günstigsten und der Wirkungsgrad
des Momentwandlers stimmt damit nahezu überein. Bei darunterliegenden Drehzahlen
iet der Wirkungsgrad des komentwandlers günstiger als bei Kupplungen, da das Turbinenmoment
größer ist als das Pumpenmoment. Bei niedrigen Drehzahlverhältnissen erreicht die
Momentaufnahme der Pumpe infolge der Wirkung des Leitkranzes keine hohen Werte.
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Wenn die Drehzahl der Turbine die der Pumpe erreicht, hält die Strömung
der Leitkranz in dem -sich drehenden ölraum in axialer Richtung, somit fällt die
Momentaufnahme der Pumpe nicht, wobei der Momentwandler bei einer Übersetzung von
größer als eins auch günstig arbeitet.
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Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
daß die Schaufeln des zwischen den symmetrisch angeordneten, radial beschaufelten
Pumpen- und Turbinenschaufelkränzen angebrachten Leitkranzes durch ebene, auf einen
zylindrischen Mantel gestellte Platten gebildet sind.
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Auf diese Weise ist beim Betrieb des Momentwandlers
im
Punkt dea Kupplungsschalters, also wenn das Moment von Pumpe und Turbine Übereinstimmt,
d.h., am Leitkranz kein Moment entsteht, der Eintritt in den Leitkranz stoßfrei.
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Wenn die Schaufeln des Leitkranzes unter einem Neigungswinkel ausgebildet
sind, daß der Pumpeneintritt bei niedriger Meridiangeschwindigkeit stoßfrei wird,
entsteht der Punkt des Kupplungssehaltens bei einem dem eins naheliegenden DrehzahlverhGltnis.
Bei niedrigem Drehzahlverhältnis, z.B. im Falle einer stehenden Turbine, erleidet
die aus der Turbine tretende Flüssigkeit an den Leitschaufeln angelangt einen plötzlichen
Richtungswechsel und gelangt mit einem Vordrall zur Pumpe, was das Abfallen der
Meridiangeschwindigkeit im Vergleich zur Kupplung zur Folge hat. Mit der Erhöhung
des Drehzahlenverhältnisses verringert sich die Differenz immer mehr, die Meridiangeschwindigkeit
ist weiterhin niedrig und die Wirkung der zentripetalen Turbine kommt der Pumpe
gegenüber durch die Erhöhung der relativen Turbinendrehzahl ebenso zur Geltung wie
bei einer Kupplung. Die zentrtpedale Turbine als Pumpe würde eine gegensinnige Meridian-Geschwindigkeit
verwirklichen. Dies bedeutet für die Pumpe einen Widerstand im System, der mit dem
Anwachsen des Drehzahlverhältnlsses wächst.
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Wenn in diesem System kein Leitkranz angebracht wäre, also der Fall
der üblichen Kupplung vorhanden ware, dann wurde die Meridianströmung aufhören,
wenn die Drehsahl der Turbine die Drehzahl der Pumpe erreicht (genauer schon ein
etwas vorher). Dann läuft das in dem System vorhandorne Öl mit den Schaltelementen
zusammen um. Der in diesem
umlaufenden Öl untergebrachte Leitkranz
wirkt wie ein im stehenden Medium untergebrachter, sich drehender Leitkranz, z.B.
ein Axial-Ventilator, und hält die Meridianströmung aufrecht.
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Schließlich ist die Momentaufnahme der Pumpe vom erfindungsgemäßen
Momentwandler während des Betriebes vom Stillstand der Turbine bis zum Drehen mit
einer wesentlich höheren Drehzahl als die der Pumpe annähernd konstant.
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Der Punkt des Kupplungs-Schaltens dieses Momentwandlers befindet
sich bei einem s=1 naheliegenden Drehzahlverhältnis. In diesem Punkt ist der Wirkungsgrad
gleich dem Drehzahlverhältnis, also beträgt annähernd 100%.
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Um diesen Punkt ändert sich der Wirkungsgrad nicht.
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bedeutend, dann verringert er sich in Richtung der höheren und niedrigeren
Drehzahlverhältnisse. Diese einer Parabel ähnliche Kurve, zeigt infolge der Momentenvervielfachung
bei niedrigen Drehzahlverhält.nissen günstigere Werte als die Gerade des Kupplungs-Wirkungsgrades.
Der Bereich der Drehzahlverhältnisse wird über 1 erweitert, sie deckt bei sehr günstigem
Wirkungsgrad einen breiten Bereich.
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Die Erfindung wird an Hand beiliegender Abbildungen eingehend erläutert,
die eine beispielsweise Ausführungsform darstellen.
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Fig. 1 zeigt den Längsschnitt des Momentwandlers gemäß der Erfindung
in schematischer Darstellung.
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Fig. 2 stellt die ebene Abwicklung der Schaufeikränze des Xomentwandlers
dar.
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Fig. 3 zeigtdLe Wirkungsgrad-Kennlinie einer bekannten
Kupplung
(gestrichelte Linie) und die eines Momentwandlers (vollausgezogene Linie).
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Ein Schaufelkranz 1 des in Fig. 1 gezeigten Momentwandlers ist an
einer Purnsmenwelle 4 befestigt, die an einen Motor angeschlossen ist. An einer
sich an die Arbeitsmaschine anschließenden Turbinenwelle 5 ist eine Turbinenschaufel
2 befestigt. An dem zylinderfbrmigen Mantel des scheibenförmigen Teiles einer Welle
6 ist eine Leitschaufel 3 ahgebracht. Die Welle 6 ist gegen Verdrehung starr gelagert.
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Die hintereinanderliegende Anordnung der Schaufelkränze ist aus Fig.
2 ersichtlich, in der der gezeichnete Pfeil die Umfangageschwindigkeitsrichtung
zeigt. Der Weg des Flüssigkeitsumlaufes geht von der Pumpenschaufel 1 über die Turbine
2 und die Leitschaufel 3 erneut zu der Pumpenschaufel 1 zurück.
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Die Wirkungsgrad- und Momentaufnahmen-Kennlinie des in Fig. 1 und
in Fig. 2 dargestellten Momentwandlers in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis
zeigt die vollausgezogene Linie, wÇhrend die Kennlinien der bekannten hydrodynamischen
Kupplung und Momentwandler die gestrichelte Linie in Fig. 3 darstellt.
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In Fig. 3 zeigt die vollausgezogene Linie "a" die Wirkungsgradkennlinie
des Momentwandlers gemäß der Erfindung. Die Kurve "b" zeigt die bekannte lineare
Wirkungsgrad-Abhängigkeit einer Kupplung. Die Kurve "c" stellt die Wirkungsgrad-Kennlinie
des herkömmlichen Ublichen Momentwandlers dar, die Kurve "d" die Kennlinie eines
Momentwandlers, dessen Leitschaufel-Kranz durch eine mechanische
Schalteinrichtung
beim überschreiten des Kupplung-Schaltpunktes und nach Beginn des Wirkungsgradabfallens
lösbar ist; nachher geht die Wirkungsgrad-Kennlinie aus einer Parabel in eine Gerade
über.
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Der Punkt des Kupplungsschaltens vom Momentwandler gemäß der Erfindung
bildet sich bei einem Drehzahlverhältnis um 1-1, somit ist der Wirkungsgrad des
Momentwandlers in diesem Punkt dem Wirkungsgrad der Kupplung gleich. Bei niedrigen
DrehzahlverhUltnissen liegt die Wirkungsgrad-Kennlinie des Momentwandlers oberhalb
der Wirkungsgradgeraden der Kupplung, da durch die Ablenkung des Leitkranzes das
Turbinen-Moment größer ist als das Pumpen-Moment.
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In dem Bereich von Drehzahlverhältnis-Zahlen über i=1 steigt der
Stoßvarlust an den Schaufelkränzen stindig an. Somit fälit der Wirkungsgrad allmählich,
doch bildet sich um den Wert i=l in einem breiten Bereich ein günstiger Wirkungsgradwert
aus.
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Aus Obengesagtem folgt, daß der einfache Aufbau (und das damit verbundene
Gewicht und die Selbstkoste) des Momentwandlers gemäß der Erfindung gunatigere Betriebsk-ennlinien
sichert, als die der bekannten Momentwandler. Infolge des einfachen Aufbaues und
des günstigen Wirkungsgrades ist der erfindungsgemäße Momentwandler ein günstig
einsetzbares Kraftübertragungselement besonders bei Kraftmaschinen, bei denen die
Belastung zweckmäßig von der Drehzahl und der Belastung der Arbeitsmaschine unabhängig
ist.