(57)【要約】【課題】【解決手段】  本発明は、  作動媒体を充填可能な円環状作動室を形成する少なくとも１個の一次ホイールおよび少なくとも１個の二次ホイールと、  作動媒体を作動室に供給するための供給管と、  作動媒体による作動室の充填率を調節するための装置とを備えた充填制御式流体継手に関する。この流体継手は、  一次ホイールと二次ホイールが互いに非対称に形成され、二次ホイールによって画成された作動室の部分容積が、一次ホイールによって画成された部分容積よりも小さく、  一次ホイールによって形成された作動室の部分領域の一次側軸方向長さが、二次ホイールによって形成された作動室の部分領域の二次側軸方向長さよりも長いことを特徴とする。【選択図】図１
2009543989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を充填可能な円環状作動室（４）を形成する少なくとも１個の一次ホイール（２）および少なくとも１個の二次ホイール（３）と、
作動媒体を作動室に供給するための供給管と、
作動媒体による作動室（４）の充填率を調節するための装置と
を備えた充填制御式流体継手（１）において、
一次ホイール（２）と二次ホイール（３）が互いに非対称に形成され、二次ホイール（３）によって画成された作動室（４）の部分容積が、一次ホイール（２）によって画成された部分容積よりも小さく、
一次ホイール（２）によって形成された作動室（４）の部分領域の一次側軸方向長さ（ＢＰ）が、二次ホイール（３）によって形成された作動室（４）の部分領域の二次側軸方向長さ（ＢＴ）よりも長いことを特徴とする前記充填制御式流体継手。
【請求項２】
二次ホイール（３）の内径（ＤｌＴ）が一次ホイール（２）の内径（ＤｌＰ）よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の充填制御式流体継手。
【請求項３】
二次ホイール（３）が、円環部の底から内径の方へ延在する、一次ホイール（２）に対して付加的な案内面（６）を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の充填制御式流体継手。
【請求項４】
二次ホイール（３）が円環部の底において２個の羽根の間に少なくとも１個の干渉エッジ（２０．１〜２０．ｎ）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の充填制御式流体継手。
【請求項５】
多数の干渉エッジ（２０．１〜２０．ｎ）が使用され、この干渉エッジが二次ホイール（３）の異なる直径領域ＤＳに分配配置されていることを特徴とする請求項４記載の充填制御式流体継手。
【請求項６】
干渉エッジが二次ホイール（３）の円環部の底にねじ止めされているかまたは円環部の底と一体に形成されていることを特徴とする請求項４または５記載の充填制御式流体継手。
【請求項７】
駆動側において一定の回転数で回転する駆動機械に少なくとも間接的に連結され、かつ作動機械を少なくとも間接的に駆動する、請求項１〜６のいずれか一つに記載の充填制御式流体クラッチ（１）を運転する方法であって、
所定のトルクを作動機械に伝達し、同時に駆動機械と作動機械の回転数の所定の比を選定するために、流体継手のできるだけ高い性能数λを生じ、かつ選択された回転数比について性能数の特性曲線が連続するように、作動媒体による作動室の充填率の調節が行われる、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充填制御式流体継手およびその運転方法に関し、この充填制御式流体継手は請求項１の前提部分に記載した特徴を有する。
【背景技術】
【０００２】
流体継手は多数の実施形が知られており、これについては例えばＪ．Ｍ．フォイト（Ｖｏｉｔｈ）ゲーエムベーハーの刊行物である非特許文献１(Verenigte Fachverlage Krauskopf Ingenieur Digest - マインツ 1987年)が参照される。
【０００３】
流体継手は、ポンプホイールとしての働きをする少なくとも１個の一次ホイール２と、タービンホイールとしてトルク伝達が行われる少なくとも１個の二次ホイール３とを備えている。流体継手は回転数変換の働きだけをし、ステータホイールから解放されている。一次ホイール２と二次ホイール３は互いに同軸に配置され、円環状の作動室を形成している。この作動室に作動媒体、例えばオイルまたは水が充填されると、一次ホイール２の駆動時に作動室内の作動媒体は円環状流れとして循環する。従って、一次ホイール２によって発生する作動媒体流れが反作用トルクを二次ホイール３に伝達する。この反作用トルクはトルクのつり合いに基づいて、一次ホイール２によって加えられるトルクに等しい。この場合、構造的な原因で、所定のスリップ、すなわち一次ホイール２の回転数と異なる二次ホイール３の回転数が不可避である。流体継手によって伝達されるトルクはスリップに依存して、性能数λの特性マップで求めることが可能である。この性能数λが作動室の直径の５乗に逆比例するので、流体継手による大きなトルクの伝達のためには流体継手を大きく形成しなければならない。
【０００４】
充填制御式流体継手の場合には、作動室内の作動媒体の充填レベルの選択により、スリップに対する所定の性能数変化、ひいては駆動側の回転数を一定に設定したときの被駆動側のトルクと被駆動側の回転数の所定の組み合わせが生じる。
【０００５】
従って、充填制御式流体継手によって、一定の回転数の駆動機械と、可変トルクおよび可変回転数の作動機械を連結することができる。これは、作動室内の作動媒体の充填レベルの制御によって生じる。ほとんどの場合、作動室からの作動媒体の排出を制御することが望ましい。充填制御式流体継手の構造と運転方法については例えば特許文献１が参照される。
【０００６】
充填制御式流体継手の運転の際、充分に高い性能数のための部分充填時に特性曲線の急激な変化が生じる。これは不安定性と解釈される。この不安定性の場合、被駆動側／駆動側の回転数比（スリップ）と被駆動側のトルクを補正するために充填レベルを少し変更するときに、被駆動側のトルクと被駆動軸の回転数が急激に上昇するかまたは低下する。性能数の特性曲線では、この不安定性は特性曲線の急激な変化として示される。すなわち、選択された充填レベルから出発して、一義的な性能数λを所定のスリップに割り当てることができない。他の不利な作用として、高い性能数λのときに、ヒステリシスが発生する。すなわち、スリップの増大時の性能数変化がスリップの低下時の性能数変化に一致しない。この不所望な不安定性またはヒステリシス効果を回避するために、従来技術では、性能数λの利用可能な範囲が所定の値に制限される。この値は、不安定性またはヒステリシス効果が発生するλ値から離れている。この方法は充填制御式流体継手の制御可能で安定した運転をもたらすがしかし、充分に大きなトルク伝達を保証するために、性能数の制限によって流体継手が大型になるという欠点がある。
【０００７】
発進ユニットの構成部材としての流体継手について、部分充填状態での出力伝達の特性マップ内の不連続範囲が特許文献２によって知られている。この特許文献２では、不規則に羽根を分配配置すること、すなわち周方向に見て羽根車を複数のセクタに分割することによって、不連続範囲を回避することが提案されている。この場合、隣接配置された個々の羽根はセクタ内で互いに異なる角度で配置されている。しかしながら、このような形状は構造的に複雑であり、製作が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９７０６６５２Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２５１９７０Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】駆動技術における流体力学（Hydrodynamik in der Antriebstechnik)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の根底をなす課題は、充填制御式流体継手をできるだけ小型に形成し、できるだけ広い範囲で、すなわちできるだけ高い性能数で運転し、その際同時にトルクの急激な変動やヒステリシス効果を生じない安定した運転を保証することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題を解決するために、本発明は、継手の非対称の形成によって、すなわち一次ホイール２の形状と異なる二次ホイール３の形成によって、特性曲線の不安定性とヒステリシス効果がずらされることを確認した。不所望なトルクの急激な変化は、より高いλ値の範囲にずれされる。このように形成した流体継手の形状により、一層高い特性値の範囲において被駆動側のトルクと所望な回転数の発生を実現することができ、その際不所望な不安定領域内に達することがない。本発明に従って形成された流体継手では、通常使用される特性値λ＜１．８の代わりに、少なくとも２のλの特性値の上限が使用可能であり、その際放物線状の運転で駆動される作動機械に対して、トルクの急激な変化が伝達されない。直接的な結果として、本発明に係る継手を小さく形成することができる。というのは、半径が制限される場合にも、高い特性値に基づいて充分なトルクが伝達可能であるからである。
【００１２】
非対称の設計の実現は、本発明に係る流体継手の軸方向断面を考慮することによって明らかである。この場合、一次ホイール２によって形成された作動室の部分領域に、最大軸方向長さＢＰと外径ＤＡＰと内径ＤｌＰが割り当てられ、これらの値が二次ホイール３の対応する値、すなわち二次ホイール３によって形成された作動室の部分領域の最大軸方向長さＢＴと外径ＤＡＴと内径ＤｌＴと比較されると、本発明に係る継手は好ましくは次の特徴の組み合わせを有する。
−  ＢＴ＜ＢＰ、すなわち二次ホイール３は一次ホイール２と比べて軸方向においてスリムに形成されている。
−  ＤｌＴ＞ＤｌＰ、すなわち二次ホイール３の内径は一次ホイール２の内径よりも大きい。この場合、一次ホイール２と二次ホイール３の外径ＤＡＰ，ＤＡＴはほぼ同じである。その結果、一次ホイール２によって画成された作動室の部分領域は好ましくは、二次ホイール３によって形成された部分領域よりも半径方向長さが大きい。
【００１３】
他の実施形では、二次ホイール３のプロファイル変化が、軸方向断面で見て、ポンプホイールと異なるように形成されている。すなわち、一次ホイールと二次ホイールのそれぞれの軸方向断面、ひいては一次ホイールと二次ホイールによって形成された作動室の部分領域が投影されると、これらは本発明に従い合同ではない。
【００１４】
非対称プロファイルを達成するために単独であるいは上記の実施形と組み合わせて使用可能な他の手段は、円環部の底から内径の方へ延在する付加的な案内面を二次ホイール３に設けることにある。この実施形は二次ホイール３の内径の範囲内の円筒状充填物によって達成可能である。
【００１５】
本発明の他の実施形では、二次ホイール３の円環部の底に干渉エッジを取付けることにより、一次ホイール２と二次ホイール３の非対称が達成される。この干渉エッジは円環部の底と一体に形成可能、例えば鋳込み可能である隆起部であるかあるいは円環部の底にねじ止めされた別個の要素である。異なる直径領域に分配配置された多数の干渉エッジを使用すると、特に有利である。それによって、一次ホイール２と二次ホイール３の非対称に加えて、二次ホイール３の周方向において非対称の流れ状態が生じる。有利な実施形では、干渉エッジが非対称継手を得るための上記の手段と組み合わせて使用される。
【００１６】
継手の羽根の植えつけは真っ直ぐでもよいし、傾斜していてもよい。一次ホイール２と二次ホイール３は好ましくは、それぞれ一致する羽根角度を有し、羽根端部の範囲が面取りされて尖端面を形成している。更に、例えば羽根の角度位置または配置間隔、すなわち個々の羽根の弧度を変えることにより、一次ホイール２および／または二次ホイール３の羽根の植えつけ部を、互いに異なるように形成することができる。
【００１７】
次に、図に基づいて本発明を一層正確に説明する。図には、次のことが詳細に示してある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一次ホイール２と比べて狭く形成された二次ホイール３を有する、本発明に従って非対称に形成された流体継手を示す図である。
【図２】一次ホイール２と比べて半径方向長さを短くした二次ホイール３を有する、本発明に従って非対称に形成された図１の流体継手を示す図である。
【図３】二次ホイール３の内径の範囲内に円筒状充填物を有する、本発明に従って非対称に形成された図１の流体継手を示す図である。
【図４】図３の実施の形態の発展形態を示す図である。
【図５】二次ホイール３の円環部の底に干渉エッジを有する本発明の実施の形態を軸方向に見た図である。
【図６】図５の実施の形態を軸方向断面図である。
【図７】本発明に従って形成された流体継手の性能数λの特性マップを示す図である。
【図８】従来技術の流体継手における、スリップに依存する、作動室の異なる充填についての性能数λの特性マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、一次ホイール２と二次ホイール３を備えた流体継手１を簡略化して示している。一次ホイール２は、図示していない駆動機械によって少なくとも間接的に駆動される。二次ホイール３は同様に図１に示していない被駆動軸に少なくとも間接的に連結されている。一次ホイール２と二次ホイール３は互いに同軸に配置され、円環面状の作動室４を形成している。この作動室には、トルク伝達のために、所定量の作動媒体を充填することができる。この場合、充填制御式流体継手となるように、充填率が制御される。この充填制御式流体継手は、一定の駆動回転数から出発して、二次ホイール３の所定のスリップ、ひいては所定の回転数を生じ、そして所定のトルクを被駆動側に配置された作動機械に伝達することを可能にする。
【００２０】
作動媒体による作動室の所定の充填率を生じるために、他の装置が設けられている。この装置は公知であり、専門家の能力の範囲内で形成可能である。例えば、作動室４への作動媒体の供給または排出を、制御弁のような制御装置を介して制御または調節することができる。他の手段はすくい管を使用することである。このすくい管に付設された開口は、流体継手作動室内におけるその位置が調節可能である。従来技術のこれらの構造は図１の概略的な図には示していない。
【００２１】
図１に示すように、有利な実施形に相応して、二次ホイール３は軸方向の長さが一次ホイール２よりも短く形成されている。この場合、軸方向の長さとは、一次ホイール２または二次ホイール３によって形成された作動室の部分領域の軸方向の深さであると見なされる。図１において、一次ホイール２の軸方向の長さは符号ＢＰで示され、二次ホイール３の軸方向長さはＢＴで示されている。
【００２２】
図１に概略的に示した本発明に係る継手は、第１の実施の形態に従って、非対称の次のような大きさを有する。
ＢＰ＝７６．５ｍｍ
ＢＴ＝６３．５ｍｍ
ＤｌＰ＝２５５．２ｍｍ
ＤｌＴ＝２５９ｍｍ
ＤＡＰ＝４８７．１ｍｍ
ＤＡＴ＝４８７．９ｍｍ
【００２３】
更に、図２に示した他の実施の形態から明らかなように、非対称とするために、二次ホイール３の内径ＤｌＴが一次ホイール２の内径ＤｌＰよりも大きくなっている。有利な本実施の形態では、各外径、すなわち一次ホイール２の外径ＤＰと二次ホイール３の外径ＤＴはほぼ同じである。それによって、二次ホイール３の部分作動室が一次ホイール２の部分作動室と比較して、半径方向において小さくなっている。
【００２４】
本発明の他の実施の形態が図５と６に示してある。この場合、二次ホイール３は円環部の底においてそれぞれ相前後する２個の羽根の間に、干渉エッジとして作用する縦長の隆起部を備えている。この隆起部は、二次ホイール３を軸方向から見た図５において、通しの参照符号２０．１〜２０．ｎで示してある。この干渉エッジは二次ホイール３と一体に形成可能である。すなわち、円環部の底に湾曲した形に鋳込むことができる。更に、複数の部材によって形成することができる。この場合、別個の要素としての干渉エッジは固定手段、例えばねじ連結部２１．１によって二次ホイール３に連結されている。多数のこのような干渉エッジ２０．１〜２０．ｎが個々の羽根中間領域の間において、異なる直径領域への分配配置に関連して変化を付けられている、すなわち回転軸線からの干渉エッジ２０．１〜２０．ｎの間隔（図６の参照符号ＤＳ参照）が変化を付けられているときわめて有利である。異なる直径領域へのこの分配配置から、例えば図５の軸方向断面図に示すような配置構造が生じる。従って、第１の実施形では、二次ホイール３を上から見たとき干渉エッジが渦巻き状に配置される。更に、干渉エッジを異なる直径に意図的に分配配置することができる。この場合、周方向に見て、相前後する羽根の形状が異なっていると有利である。更に、干渉エッジをセクタ状に位置決めするかまたは干渉エッジの分配配置を個々の中間羽根領域に制限し、すべての中間羽根領域で行わないようにすることができる。更に、個々の羽根中間領域に複数の干渉エッジを使用し、羽根中間室あたりの干渉エッジの数および／または形状を周方向において変化させることができる。
【００２５】
次に、二次ホイールに対する一次ホイールの非対称を表すための有利な寸法比について述べる。
一次ホイール２によって形成された作動室の部分領域の軸方向長さＢＰと、二次ホイール３の同様な軸方向長さＢＴとの比について、ＢＰ／ＢＴ＞１、特にＢＰ／ＢＴ＞１．１およびとりわけＢＰ／ＢＴ＞１．２が有利である。
一次ホイール２の内径ＤｌＰと二次ホイール３の内径ＤｌＴとの比について、ＤｌＰ／ＤｌＴ＜１、特にＤｌＰ／ＤｌＴ＜０．９およびとりわけＤｌＰ／ＤｌＴ＜０．８５が有利である。この場合、一次ホイール２と二次ホイール３の外径ＤＡＰ，ＤＡＴは好ましくはほぼ同じである。外径が異なっていると、有利な実施形ではこの外径の差が内径の差よりも小さく選定されるので、二次ホイール３は一次ホイール２よりも半径方向の寸法が小さい。
【００２６】
図３には、二次ホイール３の軸線近くの領域に円筒状の充填物５を備え、それに伴って拡大された有効内径ＤｌＴを生じる本発明に係る実施の形態が示してある。このような円筒状の充填物５の代わりに、図４に示した実施の形態では、二次ホイール３の底プロファイルが軸線近くの領域に、内径ＤｌＴを拡大する案内面６を有する。それによって、一次ホイール２に対して、所望な非対称の断面形状が生じる。
【００２７】
更に、特性曲線の安定性を更に改善するために、図４に相応して、
数と分配を変え、
異なる直径領域に分配した
干渉エッジを二次ホイール３に形成することができる。
【００２８】
図８には、従来技術の充填制御式流体継手の特性マップが示してある。性能数λの異なる特性曲線が、スリップ、すなわち一次ホイールと二次ホイール３の回転数の比に依存して詳細に示してある。この特性曲線はそれぞれ、作動室内の作動媒体の異なる充填率に割り当てられている。第１充填率と第２充填率の特性曲線には、参照符号７，８が例示的に付けられている。
【００２９】
この場合、性能数λは次のように定義される。
【数１】
2009543989.tif 000003
ここで、ＭＰはポンプホイールのトルク、ρは作動媒体の密度、Ｄは循環直径、ΩＰは一次ホイール２の角速度である。
【００３０】
図８から判るように、特性曲線７の場合、スリップひいては性能数λが上昇するにつれて、ヒステリシス効果７．１が発生する。スリップの増大から出発して、次にスリップが低下する際に、元の特性曲線はもはや生じない。これは所定の被駆動側トルクおよび回転数を生じるための制御または調整の実施に問題があるので、実際には、ヒステリシス効果がまだはっきりと現れない小さな性能数λだけが使用される。
【００３１】
図８は更に、性能数λの急激な変化によって示される特性曲線における不安定性を示している。この不安定性には更に、流体継手によって伝達されるトルクの不連続性が付随する。このような不安定性は小さな充填量の場合に所定の性能数λから発生し、カオス的領域を示す。図８には、特性曲線８について示すために、不安定領域に参照符号８．１が付けられている。従って、従来技術では、充填制御式流体継手は性能数λを制限して運転される。この制限された性能数では、不安定性が発生しない。すなわち、放物線状の運転内の１．８よりも小さなλ値が選択される。この場合、低下する充填率のこの最大値は同様に小さい。
【００３２】
図７には、本発明に従って形成された流体継手の、図８に対応する特性曲線が示してある。非対称のプロファイルを選択する場合、ヒステリシス効果と急激な変化が特性曲線内に存在するがしかし、これは大きなλ値の方へずらされている。その結果、そのように形成された継手の本発明に係る運転方法が可能となる。本発明に係る運転方法は、充填率を調節することにより、所望な被駆動側トルクと所望な被駆動側回転数に関して、従来技術よりも高いλ値を生じることにある。この場合、λ値の最大化が有利である。これは、できるだけ小型の充填制御式流体継手の使用と同じことである。本発明に従って選択されたプロファイルに基づいて、上側のλ値（λ≧２）を生じ、同時にトルクが急激に変化しない安定した運転を実現することができる。これに関連して、図７において、継手の既存の大きさのために普通に行われるλ値の制限は、参照符号９で示してある。本発明に係る継手については、参照符号１０または１１で示したλ値の上側の制限が行われる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2009543989.tif 000012
2009543989.tif 000013
2009543989.tif 000014
2009543989.tif 000015
2009543989.tif 000016
2009543989.tif 000017