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Title:
HYDRODYNAMIC COUPLING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/055564
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a hydrodynamic coupling - having a bladed primary wheel and a bladed secondary wheel, which are positioned axially opposite of each other, and together form a toroidal working space, which can be filled, or is filled with a working medium; - wherein at least one of the two bladed wheels is supported on a thread, helical toothing or the like so that, by means of a relative rotational movement in relation to the thread, helical toothing or the like, it can be displaced in a first direction by the other bladed wheel in the axial direction of the hydrodynamic coupling and, by means of a relative rotational movement in a second direction that is opposite to the first direction, it can be displaced in the direction of the other bladed wheel. The invention is characterized in that - the hydrodynamic coupling has no return device for the wheel that is displaceable in the axial direction, which applies a direct or indirect spring force or an axial pressure force to the displaceable wheel for displacing the same.

Inventors:
ADLEFF KURT (DE)
Application Number:
PCT/EP2007/008265
Publication Date:
May 15, 2008
Filing Date:
September 22, 2007
Export Citation:
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Assignee:
VOITH PAPER GMBH (DE)
ADLEFF KURT (DE)
International Classes:
F16D33/04
Domestic Patent References:
WO2005068800A12005-07-28
Foreign References:
US2359930A1944-10-10
DE29903829U12000-07-20
US20040154291A12004-08-12
US2359930A1944-10-10
DE29903829U12000-07-20
DE518828C1931-02-21
Attorney, Agent or Firm:
DR. WEITZEL & PARTNER (Heidenheim, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Hydrodynamische Kupplung

1.1 mit einem beschaufelten Primärrad (1) und einem beschaufelten Sekundärrad (2), die sich axial gegenüberstehen und miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum (3), der mit einem Arbeitsmedium befüllbar oder befüllt ist, ausbilden;

1.2 wenigstens eines der beiden beschaufelten Räder (2) ist auf einem Gewinde (4), einer Schrägverzahnung oder dergleichen gelagert, so dass es durch eine relative Drehbewegung gegenüber dem Gewinde (4), der

Schrägverzahnung oder dergleichen in eine erste Richtung von dem anderen beschaufelten Rad (1) in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung abfahrbar ist, und durch eine relative Drehbewegung in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung in Richtung des anderen beschaufelten Rads (1) anfahrbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass

1.3 die hydrodynamische Kupplung frei von einer Rückstelleinrichtung für das in Axialrichtung verfahrbare Rad (2) ist, welche das verfahrbare Rad (2) unmittelbar oder mittelbar mit einer Federkraft oder mit einer axialen Druckkraft zum Verfahren desselben beaufschlagt.

2. Hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das dass Anfahren und Abfahren des in Axialrichtung verfahrbaren Rades (2) ausschließlich durch wahlweises Antreiben des Primärrades (1) oder des Sekundärrades (2) mit einer vergleichsweise größeren Drehzahl gegenüber dem anderen beschaufelten Rad (1 , 2) bewirkbar ist.

3. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden beschaufelten Räder (1 , 2) auf einer gemeinsamen Welle (5) gelagert sind.

4. Hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) das Gewinde (4) oder die Schrägverzahnung aufweist, auf welchem/welcher das in Axialrichtung verfahrbare Rad (2) unmittelbar gelagert ist, und über wenigstens ein Lager, insbesondere Wälzlager (6), das andere Rad (1) relativ gelagert trägt.

5. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrodynamische Kupplung als Konstantfüllungskupplung mit einem stets mit Arbeitsmedium befüllten, insbesondere im wesentlichen konstant befüllten, Arbeitsraum (3) ausgeführt ist, wobei ein externer Kreislauf zum Zuführen und Abführen von Arbeitsmedium in die und aus der hydrodynamischen Kupplung vorgesehen ist, oder sämtliches Arbeitsmedium stets innerhalb der hydrodynamischen Kupplung gehalten wird.

6. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beschaufelten Räder (1 , 2) mit einer gegenüber einem Axialschnitt durch die Kupplung winklig angeordneten Beschaufelung (7) versehen sind, wobei der Anstellwinkel derart ausgeführt ist, dass die Beschaufelungen (7) der beiden Räder (1 , 2) zueinander fliehend angeordnet sind, wenn das in Axialrichtung verfahrbare Rad (2) von dem anderen Rad (1) abgefahren ist, und spießend zueinander angeordnet sind, wenn das verfahrbare Rad (2) angefahren angeordnet ist.

7. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (8) zum Zuführen von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum (3) vorgesehen ist, und der Zulauf (8) durch Abfahren des Rads (2) automatisch verschließbar ist.

8. Hydrodynamische Kupplung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (8) in Form einer Bohrung in einer das abfahrbare Rad (2) tragenden Welle (5) ausgeführt ist, welche insbesondere im axial an das

andere Rad (1) angefahrenen Zustand des abfahrbaren Rads (2) einer im Arbeitsraum (3) mündenden Bohrung (9) im abfahrbaren Rad (2) gegenübersteht, und das abfahrbare Rad (2) die Bohrung des Zulaufs (8) im abgefahrenen Zustand verschließend oder im wesentlichen verschließend abdeckt.

9. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (21) für Arbeitsmedium vorgesehen ist, mittels welchem Arbeitsmedium innerhalb der Kupplung am Arbeitsraum (3) vorbeileitbar ist, und dieser Bypass (21) durch die Position des abfahrbaren

Rads (2) im angefahrenen Zustand des abfahrbaren Rads (2) geschlossen und im abgefahrenen Zustand geöffnet ist.

10. Hydrodynamische Kupplung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Arbeitsraum (3) abgewandten axialen

Rückseite des verfahrbaren Rads (2) eine Fördervorrichtung, insbesondere in Form von Schaufeln, Vorsprüngen und/oder Aussparungen, vorgesehen ist, um beim Abfahren des Rads (2) Arbeitsmedium in Richtung vom Arbeitsraum (3) weg zu fördern.

11. Turbocompoundsystem, umfassend

11.1 einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Kurbelwelle (11);

11.2 eine Abgasnutzturbine (12), die in einem Abgasstrom (13) des Verbrennungsmotors (10), insbesondere in Strömungsrichtung hinter einem Abgasturbolader, angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass

11.3 eine hydrodynamische Kupplung (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Triebverbindung zwischen der Kurbelwelle (11) und der Abgasnutzturbine (12) angeordnet ist, deren Primärrad (1) in einer Triebverbindung an der Abgasnutzturbine (12) und deren Sekundärrad (2) in einer Triebverbindung an der Kurbelwelle (11) angeschlossen ist.

12. Verfahren zum Betreiben eines Turbocompoundsystems gemäß Anspruch 11 , mit den folgenden Schritten: in Betriebszuständen, in welchen die von der Abgasnutzturbine (12) aus dem Abgasstrom (13) aufgenommene Energie ausreicht, um die Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors (10) anzutreiben, wird

Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine (12) auf das Primärrad (1) übertragen, so dass dieses schneller umläuft als das Sekundärrad (2), das Sekundärrad (2) wird axial an das Primärrad (1) angefahren oder angefahren gehalten, und das Primärrad (1) treibt das Sekundärrad (2) über den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum (3) an; in Betriebszuständen, in welchen die von der Abgasnutzturbine (12) aus dem Abgasstrom (13) aufgenommene Energie nicht ausreicht, um die Kurbelwelle (11) des Verbrennungsmotors (10) anzutreiben, wird Antriebsleistung von der Kurbelwelle (11) auf das Sekundärrad

(2) übertragen, so dass dieses schneller umläuft als das Primärrad (1), das Sekundärrad (2) wird axial von dem Primärrad (1) abgefahren oder abgefahren gehalten, und die Leistungsübertragung vom Sekundärrad (2) auf das Primärrad (1) über den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum (3) wird unterbunden oder vermindert.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfahren und Abfahren des Sekundärrads (2) allein durch Einstellen der genannten Drehzahlverhältnisse zwischen Primärrad (1) und Sekundärrad

(2) und frei von einer zusätzlichen mechanischen Betätigung oder axialen Druckbeaufschlagung erfolgt.

Description:

Hydrodynamische Kupplung

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, das heißt eine Strömungsmaschine, die nach dem Föttinger-Prinzip arbeitet.

Hydrodynamische Kupplungen weisen bekanntlich ein beschaufeltes Primärrad, auch Pumpenrad genannt, und ein beschaufeltes Sekundärrad, auch Turbinenrad genannt, auf. Beide Schaufelräder stehen sich axial unter Bildung eines Trennspalts gegenüber und bilden gemeinsam einen in der Regel torusförmigen Arbeitsraum aus. Der Arbeitsraum ist mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise öl, Wasser oder ein Gemisch hieraus, befüllbar, um über einen sich im Betrieb der hydrodynamischen Kupplung einstellenden Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum Drehmoment beziehungsweise Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad zu übertragen.

Ein besonderer Anwendungsfall für eine hydrodynamische Kupplung, wie ihn die vorliegende Erfindung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung betrifft, ist ein sogenanntes Turbocompoundsystem. Bei einem Turbocompoundsystem das in der Regel in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem LKW, Anwendung findet, ist im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eine Nutzturbine angeordnet, welche mit dem Abgas beaufschlagt wird. Die Nutzturbine wandelt im Abgas enthaltene Energie in eine Rotationsbewegung um. Die Rotationsbewegung wird auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen, um die Kurbelwelle anzutreiben. In die Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle ist eine hydrodynamische Kupplung eingebracht, um die

Antriebsleistung verschleißfrei von der Nutzturbine auf die Kurbelwelle zu übertragen.

Wenn die hydrodynamische Kupplung in einem solchen Turbocompoundsystem als Konstantfüllungskupplung ausgeführt ist, das heißt als eine hydrodynamische Kupplung, deren Arbeitsraum stets mit mindestens einer vorbestimmten

Arbeitsmediummenge befüllt ist, so wird die Nutzturbine vor einer überdrehzahl aufgrund von fehlender Drehmomentabstützung geschützt.

Um die Drehmomentübertragung einer Konstantfüllungskupplung einzuschalten beziehungsweise auszuschalten wird in der US 2,359,930, welche allgemein eine hydrodynamische Kupplung jedoch kein Turbocompoundsystem betrifft, vorgeschlagen, das Pumpenrad auf einer Welle mit einem Außengewinde zu lagern. Das Pumpenrad selbst weist eine Hülse mit einem Innengewinde auf, das mit dem genannten Außengewinde im Eingriff steht. Bei Aufbringen einer Antriebsleistung auf die Welle wandert das Pumpenrad auf dem Außengewinde entgegen der Kraft von Druckfedern in Richtung des Turbinenrads und „schließt" damit den Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum, so dass Antriebsleistung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad und dadurch von der das Pumpenrad tragenden Eingangswelle auf eine das Turbinenrad tragende Ausgangswelle übertragen wird. Wenn das an dem Pumpenrad beziehungsweise dessen Welle angreifende Drehmoment reduziert wird, überwiegt die Kraft der Druckfedern die das Pumpenrad in Richtung des Turbinenrads treibende Kraft aus dem Eingangsdrehmoment und fährt das Pumpenrad vom Turbinenrad ab. Durch dieses axiale Abfahren wird eine Unterbrechung der Drehmomentübertragung vom Pumpenrad auf das Turbinenrad erreicht.

Um die Druckfedern in der hydrodynamischen Kupplung vorsehen zu können, ist ein entsprechender Bauraum notwendig, welcher zu relativ großen Abmaßen der hydrodynamischen Kupplung in Axialrichtung führt. Ferner ist eine Vielzahl von Lagern erforderlich, um die Eingangswelle und die Ausgangswelle fluchtend zueinander zu lagern. Schließlich ist der vorgeschlagene Aufbau der hydrodynamischen Kupplung komplex und anfällig für Störungen.

Ferner sind hydrodynamische Retarder bekannt, bei welchen der Rotor mit einer Rückstelleinrichtung, die einen Druckstoß auf eine vom Rotor ausgebildete

Kolbenfläche gezielt ausübt, aus einer Arbeitsposition in eine Leerlaufposition axial verschiebbar ist. Ein solcher hydrodynamischer Retarder wird in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 299 03 829 U1 beschrieben.

Schließlich beschreibt die Patentschrift DE 518 828 ebenfalls eine Rückstelleinrichtung für das Primärrad oder das Sekundärrad einer hydrodynamischen Kupplung, mittels welcher auf eine Kolbenringfläche des Rotors des verschiebbaren Rades gezielt Drucköl aufgebracht werden kann, um eine axiale Verschiebung zu bewirken.

Wie leicht erkennbar ist, führen auch solche Rückstelleinrichtungen, die mit wahlweise aufbringbaren axialen Druckkräften arbeiten, zu einer Komplexität des Aufbaus eine hydrodynamische Maschine und somit zu einem größeren Bauraum, höheren Herstellungs- und Wartungskosten. Ferner sind solche Vorrichtungen, die mit einem Druckstoß oder einem Druckimpuls arbeiten, störungsanfällig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung, insbesondere Konstantfüllungskupplung, anzugeben, bei welcher die Drehmoment- beziehungsweise Drehleistungsübertragung zwischen den beiden Schaufelrädern automatisch in eine erste Richtung hoch ist und in eine zweite, entgegengesetzte Richtung unterbrochen beziehungsweise herabgesetzt wird. Die hydrodynamische Kupplung soll dabei einen möglichst einfachen und kompakten Aufbau aufweisen und insbesondere bei Verwendung in einem Turbocompoundsystem dieses gegenüber dem Stand der Technik verbessern.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung ist besonders für Systeme, beispielsweise Turbocompoundsysteme, geeignet, in welchen in bestimmten

Betriebszuständen eine Drehmomentübertragung vom Primärrad auf das Sekundärrad stattfindet, und in anderen Betriebszuständen eine unerwünschte Drehmomentübertragung vom Sekundärrad auf das Primärrad unterbunden beziehungsweise vermindert werden soll, somit eine Art Freilauffunktion erreicht werden soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eines der beiden Räder derart auf einem Gewinde, insbesondere Normalgewinde, Steilgewinde, Drallgewinder, einer Schrägverzahnung oder dergleichen gelagert ist, dass es durch eine Drehbewegung beziehungsweise eine relative Drehbewegung gegenüber dem Gewinde/der Verzahnung in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung verschoben beziehungsweise verfahren werden kann, um so in bestimmten Betriebszuständen in Richtung des anderen Schaufelrads angefahren beziehungsweise mit einem vorgegebenen minimalen Trennspalt gegenüber diesem gehalten zu werden, und in anderen Betriebszuständen von dem anderen Schaufelrad abgefahren werden kann, um die Drehmomentübertragung über den Arbeitsmediumkreislauf weitgehend oder vollständig zu unterbinden oder zumindest abzuschwächen.

Anstelle des Gewindes kann auch eine Schrägverzahnung oder dergleichen vorgesehen sein, mittels welcher das verfahrbare beschaufelte Rad getragen wird, in der Regel auf einer Welle.

Im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik wird bei der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Kupplung jedoch auf die bisher notwendigen Druckfedern als Rückstelleinrichtung und ferner auf jegliche, eine Federkraft auf das verfahrbare Rad aufbringende Rückstelleinrichtung verzichtet. Vielmehr erfolgt das An- und Abfahren des in Axialrichtung verfahrbaren beschaufelten Rads, das Primärrad und/oder das Sekundärrad, ausschließlich durch das Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Schaufelrädern. Wenn das Primärrad mit einer größeren Drehzahl umläuft als das Sekundärrad, wird durch das Gewinde beziehungsweise die Schrägverzahnung eine Kraft in eine erste Axialrichtung auf das verfahrbare Rad aufgebracht. Wenn das Sekundärrad mit einer größeren Drehzahl umläuft als das Primärrad, wird auf das verfahrbare Rad

eine Kraft in einer zweiten axialen Richtung aufgebracht, wobei die zweite Axialrichtung entgegengesetzt zu der ersten Axialrichtung gerichtet ist. Allein durch diese Kraftaufbringung, das heißt die Umwandlung von Drehmoment in eine Schubkraft mittels dem Gewinde, erfolgt das Verfahren, das heißt das An- und Abfahren, des verfahrbaren Rads gegenüber dem anderen beschaufelten Rad.

Die beiden beschaufelten Räder können vorteilhaft auf einer gemeinsamen Welle gelagert sein. Beispielsweise kann eines der beiden beschaufelten Räder, beispielsweise das Sekundärrad, unmittelbar, insbesondere mittels der Verzahnung, auf der Welle gelagert sein, und das zweite beschaufelte Rad, insbesondere das Primärrad, kann auf dieser Welle relativgelagert sein, das heißt über ein zwischengeschaltetes Lager, insbesondere Wälzlager, auf der Welle gelagert sein. Das erste beschaufelte Rad läuft somit mit der Drehzahl der Welle um, wohingegen die Drehzahl des zweiten beschaufelten Rads entsprechend der Drehmoment- beziehungsweise Drehleistungsübertragung im Arbeitsraum mit einer abweichenden Drehzahl umläuft.

Die hydrodynamische Kupplung weist vorteilhaft eine Schrägbeschaufelung auf, das heißt die Schaufeln des Primärrad und des Sekundärrads verlaufen nicht in Axialschnittebenen durch die Drehachse, sondern sind winklig hierzu angeordnet. Anders ausgedrückt stehen die Schaufeln nicht senkrecht auf einer achssenkrechten Ebene durch den Trennspalt. Die Schrägstellung beziehungsweise der Anstellwinkel gegenüber einer Axialschnittebene ist derart, dass die Schaufeln, welche vorteilhaft miteinander fluchten, bei einer Leistungsübertragung zwischen den beiden Schaufelrädern in eine erste Richtung sich fliehend zueinander und in eine zweite, entgegengesetzte Richtung, sich spießend zueinander bewegen.

Die Begriffe fliehend und spießend sind dem Fachmann bekannt. Fliehend bedeutet, dass die Schrägstellung des sich schneller drehenden Schaufelrads, beginnend im Trennspalt in Richtung des Schaufelradbodens in Drehrichtung ausgeführt ist, wohingegen spießend bedeutet, dass die Schrägstellung der

Schaufeln des sich schneller drehenden Schaufelrads, beginnend im Trennspalt in Richtung des Schaufelradbodens entgegen der Drehrichtung ausgeführt ist. Im spießenden Betrieb wird hydrodynamisch verhältnismäßig mehr Leistung bei derselben Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum übertragen als im fliehenden Betrieb.

Bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Turbokupplung in einem Turbocompoundsystem kann folgendes Verfahren verwirklicht werden: In Bethebszuständen, in welchen genügend Abgas mit einer ausreichenden Abgasenergie vorhanden ist, mit welchem die Abgasnutzturbine beaufschlagt wird, findet eine Antriebsleistungsübertragung von der Abgasnutzturbine über die hydrodynamische Kupplung auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors statt. In Bethebszuständen, in denen nur wenig Abgas und/oder eine zu niedrige Abgasenergie zur Verfügung steht, und so eine Leistungsübertragung von der Kurbelwelle über die hydrodynamische Kupplung auf die Abgasnutzturbine stattfinden würde, was im Traktionsbetrieb unerwünscht ist, fährt das verfahrbare Schaufelrad, beispielsweise das Sekundärrad, automatisch dadurch von dem anderen Schaufelrad ab, dass sich das mit der Kurbelwelle in einer Triebverbindung verbundene Sekundärschaufelrad schneller dreht als das in einer Triebverbindung mit der Abgasnutzturbine stehende Primärrad. Das axiale Abfahren bewirkt eine Verminderung oder Unterbrechung der Antriebsleistungsübertragung über die hydrodynamische Kupplung, so dass von der Abgasnutzturbine kein unerwünschtes Schleppmoment auf die Kurbelwelle übertragen wird.

Im erstgenannten Fall hingegen, im Traktionsbetrieb mit

Abgasenergieausnutzung, das heißt mit übertragung von Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle, fährt das verfahrbare Schaufelrad automatisch an das andere Schaufelrad heran beziehungsweise bleibt herangefahren, weil das mit der Abgasnutzturbine verbundene Primärrad schneller umläuft als das mit der Kurbelwelle verbundene Sekundärrad. Das An- und Abfahren wird somit ausschließlich durch das Drehzahlverhältnis zwischen

Primärrad und Sekundärrad bestimmt, beziehungsweise in Abhängigkeit davon, welches der beiden Räder im Vergleich zu dem anderen schneller umläuft.

Die erfindungsgemäße Kupplung kann als Konstantfüllungskupplung ausgeführt sein. Unter Konstantfüllungskupplung werden gemäß einer Ausführungsform solche Kupplungen verstanden, die in allen Betriebszuständen dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Arbeitmediummenge im Arbeitsraum und/oder innerhalb der Kupplung aufweisen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird unter Konstantfüllungskupplung vorliegend eine Kupplung verstanden, bei welcher die Menge von Arbeitsmedium im Arbeitsraum und/oder innerhalb der Kupplung variiert, jedoch stets eine Mindestarbeitsmediummenge im Arbeitsraum und/oder der Kupplung vorhanden ist. Bei beiden Ausführungsformen kann ein externer Arbeitsmediumkreislauf vorgesehen sein oder auch nicht.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer hydrodynamischen Kupplung in einem

Turbocompoundsystem;

Figur 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgeführte hydrodynamische Kupplung in einem ersten Betriebszustand mit angefahrenem Sekundärrad;

Figur 3 die hydrodynamische Kupplung aus der Figur 2 in einem zweiten

Betriebszustand mit abgefahrenem Sekundärrad;

Figur 4 eine Darstellung entsprechend der Figur 2 bei einer hydrodynamischen Kupplung mit Einlasssteuerung;

Figur 5 die hydrodynamische Kupplung aus der Figur 4 in einem abgefahrenen Zustand des Sekundärrads, wobei zusätzlich ein Bypass durch das Abfahren geöffnet wird.

In der Figur 1 erkennt man ein Turbocompoundsystem mit einem Verbrennungsmotor 10, der eine Kurbelwelle 11 aufweist, und einer Abgasnutzturbine 12 in dem Abgasstrom 13 des Verbrennungsmotors 10. Die Abgasnutzturbine 12 steht in einer Triebverbindung mit der Kurbelwelle 11 , und zwar vorliegend über das Rädergetriebe 15, die hydrodynamische Kupplung 14 und das Rädergetriebe 16. über diese Triebverbindung wird, wenn genügend Abgas beziehungsweise Abgasenergie im Abgasstrom 13 vorhanden ist, Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine 12 auf die Kurbelwelle 11 übertragen.

In Betriebszuständen, in welchen nicht genügend Abgas beziehungsweise Abgasenergie vorhanden ist, wird bisher über die hydrodynamische Kupplung 14 ein Schleppmoment von der Abgasnutzturbine 12 auf die Kurbelwelle 11 übertragen, was unerwünscht ist. Die hydrodynamische Kupplung 14 ist zur Verminderung beziehungsweise Unterbindung dieses Schleppmoments daher erfindungsgemäß mit einem axial verschiebbaren Schaufelrad versehen, das automatisch dann, wenn die Abgasnutzturbine 12 ein Schleppmoment erzeugt, von dem anderen Schaufelrad abgefahren wird.

Ein Schnitt durch eine solche hydrodynamische Kupplung ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt. Man erkennt das Primärrad 1 und das Sekundärrad 2, welche miteinander einen Arbeitsraum 3 ausbilden. Der Arbeitsraum 3, von dem vorliegend nur eine Seite bezogen auf die Drehachse 17 der hydrodynamischen Kupplung dargestellt ist, weist eine torusförmige Gestalt auf. Das Primärrad 1 steht dem Sekundärrad 2 unter Beibehaltung eines mehr oder minder großen Trennspalts axial gegenüber. Die Größe des Trennspalts wird durch die axiale Position des Sekundärrads 2, welches auf einem Gewinde 4 einer Welle 5 unmittelbar getragen wird, bestimmt.

Sowohl das Primärrad 1 als auch das Sekundärrad 2 weisen jeweils eine Beschaufelung 7 auf, die vorteilhaft als Schrägbeschaufelung ausgeführt ist.

Die Welle 5 trägt über ein Wälzlager 6, hier in Form eines Doppelkugellagers, auch das Primärrad 1.

Aufgrund dessen, dass die Kupplungsschale 18, welche vorliegend am Primärrad 1 angeschlossen ist und zusammen mit dem Primärrad 1 das Sekundärrad 2 in Axialrichtung beidseitig und in Umfangsrichtung vollständig einschließt, auf ihrem äußeren Umfang keinerlei Auslässe oder Düsen zum Austragen von

Arbeitsmedium aufweist, ist der Arbeitsraum 3 stets mit einer Mindestmenge von Arbeitsmedium befüllt.

Das Primärrad 1 ist über den Flansch 19 mittelbar an der Abgasnutzturbine (nicht dargestellt) angeschlossen. Das Sekundärrad 2 ist über die Welle 5 beziehungsweise einem auf dieser vorgesehenem Zahnrad 20 oder Flansch (nicht dargestellt) mittelbar mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden.

Wenn nun Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle übertragen wird, wie in der Figur 2 durch die Pfeile dargestellt ist, so läuft das Primärrad 1 mit einer größeren Geschwindigkeit um als das Sekundärrad 2. Die gewählte Drehrichtung des Gewindes 4 bewirkt, dass das Sekundärrad 2 bis auf einen minimal möglichen Abstand beziehungsweise minimalen Trennspalt an das Primärrad 1 herangefahren wird, wie dies in der Figur 2 dargestellt ist. Dieses Heranfahren beziehungsweise Halten in der herangefahrenen Position ergibt sich allein aufgrund der Leistungsflussrichtung beziehungsweise des Drehzahlverhältnisses zwischen dem Primärrad 1 und dem Sekundärrad 2. Federn oder eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, um das Sekundärrad 2 an das Primärrad 1 heranzufahren, sind nicht vorgesehen. Die hydrodynamische Kupplung ist demnach frei von einer Rückstelleinrichtung.

In der Figur 3 sind die Verhältnisse dargestellt, wie sie sich ergeben, wenn der Leistungsfluss von der Kurbelwelle (nicht dargestellt) über das Sekundärrad 2 auf das Primärrad 1 und dann die Abgasnutzturbine (nicht dargestellt) erfolgt, siehe die Pfeile. In diesem Fall läuft das Sekundärrad 2 mit einer größeren Drehzahl um als das Primärrad 1. Das Sekundärrad 2 wird dadurch automatisch vom Primärrad 1 abgefahren. Das Abfahren erfolgt wiederum ohne die Kraft von Federn oder einer hydrodynamischen Betätigungsvorrichtung. Die Leistungsübertragung wird durch den größeren axialen Abstand zwischen Sekundärrad 2 und Primärrad 1 unterbunden oder zumindest vermindert.

Beim Abfahren ergibt sich folgender weiterer Vorteil: Arbeitsmedium, welches zuvor im Zwischenraum zwischen der Rückseite des Sekundärrads 2 und der Innenseite der Schale 18 vorhanden war, wird durch das zurückfahrende Sekundärrad 2 verdrängt und über den radial innenliegenden Spalt zwischen Schale 18 und Welle 5 ausgestoßen. Aufgrund dessen, dass der Spalt zwischen Schale 18 und Welle 5 für den Austritt des Arbeitsmediums insbesondere größer ist als jener am äußeren Umfang des Primärrads 2 zwischen dem Primärrad 2 und der Schale 18, wird verhindert, dass das Arbeitsmedium aus dem Raum zwischen der Schale 18 und der Rückseite des Primärrads 2 in den Arbeitsraum 3 einströmt. Somit ist die im Arbeitsraum 3 verbleibende Menge vergleichsweise vermindert.

Eine weitere Gegebenheit, die dem überströmen von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 beim Abfahren des Sekundärrads 2 entgegenwirkt, ist der vergleichsweise höhere Strömungsdruck im Trennspalt zwischen dem Primärrad 1 und dem Sekundärrad 2 im Vergleich zu dem Strömungsdruck auf der Rückseite des Sekundärrads 2. Diese günstigen Eigenschaften können beispielsweise noch dadurch verstärkt werden, dass entsprechende Schaufeln oder Führungen auf der Rückseite beziehungsweise dem radial äußeren Umfang des Sekundärrads 2 vorgesehen werden, um Arbeitsmedium in Richtung der Rückseite des Sekundärrads 2 und somit weg von dem Arbeitsraum 3 zu fördern.

In den Figuren 4 und 5 sind weitere Maßnahmen dargestellt, welche beispielsweise vorgesehen werden können, um zu verhindern, dass sich der Arbeitsraum 3 nach dem Abfahren des Sekundärrads 2 von dem Primärrad 1 erneut stärker befüllt beziehungsweise nach dem Abfahren automatisch teilweise entleert oder weiter entleert wird. So ist ein Zulauf 8 vorgesehen, um

Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 einzubringen. Im angefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 (Figur 4) ist der Zulauf 8 nicht verschlossen, wohingegen er im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 (Figur 5) verschlossen ist. Dieses Verschließen erfolgt automatisch durch das Abfahren des Sekundärrads 2. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel steht die Auslassöffnung des Zulaufes 8 einer Einlassöffnung einer Bohrung 9 im Sekundärrad 2 gegenüber. Die Bohrung 9 mündet im Arbeitsraum 3. Beim axialen Verschieben (Abfahren) des Sekundärrads 2 wird die Bohrung 9 mitverschoben, so dass der Zulauf 8 im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 der Bohrung 9 nicht mehr gegenübersteht. Vielmehr wird der Zulauf 8 dann durch eine radial innenliegende Fläche des Sekundärrads 2 verschlossen.

Zusätzlich oder alternativ kann, wie in der Figur 5 dargestellt ist, ein Bypass 21 vorgesehen sein, mittels welchem Arbeitsmedium im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 am Arbeitsraum 3 vorbeigeführt wird. Vorliegend wird dies dadurch erreicht, dass der Bypass 21 dem Zulauf 8 im abgefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 derart gegenübersteht, dass das Arbeitsmedium aus dem Zulauf 8 durch den Bypass 21 geleitet wird und außerhalb des Arbeitsraumes 3 beziehungsweise der Kupplungsschale 18 ausgegeben wird.

Der Bypass 21 ist in dem gezeigten Fall ebenfalls in Form einer Bohrung durch das Sekundärrad 2 ausgeführt. Im angefahrenen Zustand des Sekundärrads 2 liegt die Mündung des Bypasses 21 axial versetzt zu dem Zulauf 8 und wird durch eine radial außenliegende Fläche der Welle 5 abgedeckt.

Obwohl vorliegend das Sekundärrad als axial verschiebbar dargestellt ist, kann zusätzlich oder alternativ auch das Primärrad axial verschiebbar sein, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erreichen.




 
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