(57)【要約】本発明は、一緒になって作業室を形成する、インペラーとタービンホィールとを有する、流体カップリングに関する。本発明は、作業室が、流体カップリングを通る軸断面内で見て、タービンホィールの径方向外側の領域内および／またはインペラーの径方向内側の領域内の周面に軸方向に膨出部を備えた、円形または実質的に円形の横断面を有していることを特徴としている。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一緒になって１つのトーラス形状の作業室（３）を形成する、インペラー（１）とタービンホィール（２）とを有する流体カップリングにおいて、
作業室（３）が、流体カップリングを通る軸断面で見て、タービンホィール（２）の径方向外側の領域内および／またはインペラー（１）の径方向内側の領域内の周面に軸方向に膨出部（４）を備えた、円形または実質的に円形の横断面を有していることを特徴とする
【請求項２】
膨出部（４）が、流体カップリングを通る軸断面において、角張って、特に１つまたは複数の面取りした角をもって、形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体カップリング。
【請求項３】
膨出部（４）が流体カップリングを通る軸断面において、アーチ状または部分円形状であることを特徴とする請求項１に記載の流体カップリング。
【請求項４】
膨出部（４）が、流体カップリングの周方向に、特に一定の横断面をもって、連続的に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の流体カップリング。
【請求項５】
膨出部（４）が、流体カップリングの周方向に、変化する横断面をもって、あるいは中断をもって、非連続で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の流体カップリング。
【請求項６】
流体カップリングが、絞り部材、特に絞りディスク（５）を有しており、作業室（４）内の作業媒体循環を乱すために、前記絞りディスクが選択的に作業室（４）内へ挿入可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の流体カップリング。
【請求項７】
絞りディスク（５）が、流体カップリングを通る軸断面内で見て、作業室（３）の横断面の、膨出部（４）に直径方向に対向するセクター内に配置されており、あるいは挿入可能であることを特徴とする請求項６に記載の流体カップリング。
【請求項８】
インペラー（１）とタービンホィール（２）が、それぞれ複数の羽根を有しており、前記羽根が、流体カップリングの回転軸に対して垂直の平面に対して９０°より小さい角度で、特に６０°から８０°または６５°から７５°の角度で、傾斜されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の流体カップリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体カップリング、すなわち、作業出力を流体動力学的に、従って磨耗なしで、伝達するために、フェッティンガー原理に従って作動する、流れ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体カップリングは、何十年も前から知られている。それは、インペラーとタービンホィールとを有しており、それらが互いに一緒になって、作業媒体によって充填された、あるいは充填可能な、トーラス形状の作業室を形成している。当業者は、一定充填カップリングと貫流されるカップリングとを区別している。一定充填カップリングにおいては、流体カップリングの内部に常に作業媒体が存在する。貫流される流体カップリングの場合には、外部の作業媒体循環がカップリングに接続されているので、作業媒体は入口を介して流体カップリング内へ流入して、出口を介して流体カップリングから導き出される。本発明は、両方の構造の流体カップリングにおいて、適用することができる。
【０００３】
流体カップリングは、たとえば車両を始動させるために、自動車内でも、特にドライブトレイン内でも、固定的な設備においても、作業出力を駆動される機械へ磨耗なしに伝達するために使用される。前者のカップリングは、車両カップリングと称することができ、後者は、工業カップリングと称することができる。本発明は、車両カップリングにおいても、工業カップリングにおいても、適用することができる。
【０００４】
流体カップリングが、自動車のドライブトレイン内に、たとえば始動カップリングとして使用される場合には、原則的に、カップリングが、流体動力学的作業媒体循環、通常オイル循環または水循環、を介して高い出力ないし高いトルクを駆動側（インペラー）から従動側（タービンホィール）へ伝達できることが、望ましい。従って流体カップリングは、好ましくは、回転数比ｖないしスリップｓに関してできるだけ高いλ−特性曲線ないしトルク特性曲線を有するように、設計される。トルク特性曲線というのは、具体的な回転数比ないし具体的なスリップにおいて流体カップリングによって伝達可能なトルクの推移である。出力数λは、当業者に知られた、流体カップリングの特徴的なパラメータである。λの定義は、たとえば、Dubbel、Taschenbuch fuer Maschinenbau、１８版、ページＲ５０に開示されている。その定義は、作業媒体の密度ρ、循環直径Ｄおよびポンプの角速度ωと比較した、インペラーに印加されるモーメントないしインペラーに印加される出力から得られる：
【数１】
2010513807.tif 000003
【０００５】
回転数比ｖは、インペラーの回転数で割り算されたタービンホィールの回転数から得られる。パーセントで表されるスリップｓは、次のように得られる：
ｓ＝（１−ｖ）×１００
【０００６】
しかし、流体カップリングの高いトルク特性曲線ないしλ−特性曲線は、高いスリップの状態において、たとえば１００パーセントのスリップにおいて、車両が停止状態あるいは低速から加速される場合に、流体カップリングを介してエンストをもたらすことがあり得る。というのは、流体カップリングを介して伝達されるモーメント（それに対してエンジンが作動する）が、大きすぎるからである。それを回避するために、これまでは、流体カップリングを然るべく小型化し、ないしは流体カップリングの性能を低下させることによって、１００パーセントのスリップにおいてもエンストを確実に排除するのに十分な程度に、λ−特性曲線を低下させていた。
【０００７】
図１に実線で、作業機械のエンストを阻止する、スリップｓないし回転数比ｖに関するλ−特性曲線ないしトルク特性曲線（Ｍ）が示されている。スリップが小さい、ないしは回転数比が大きい領域において、実線で示す特性曲線に対してカップリング特性を改良する、λ−特性曲線ないしトルク特性曲線が、破線で示されている。しかし、この破線で示す特性曲線は、スリップが大きい領域においては、作業機械のエンストをもたらすおそれがある。
【０００８】
望ましいのは、上述した２つの設計特性の利点を合体させる、流体カップリングの出力特性ないしλ−特性曲線である、たとえば１点鎖線で示す特性曲線を参照。これは、自動車内の流体カップリングにも、固定的な設備（工業カップリング）内でも、当てはまる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、上述した問題を回避し、示された要請を満たす、流体カップリングを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の課題は、請求項１の特徴を有する流体カップリングによって解決される。従属請求項には、本発明の効果的かつ特に好ましい形態が記載されている。
【００１１】
従来は、流体カップリングの作業室は、流体カップリングを通る軸断面で見て円形ないし実質的に円形であった。その場合に円形という言い方は、流体カップリングを通る完全な軸断面において、作業室がトーラス状である場合に必然的に生じる、作業室を通る２つの断面の各々に関する。作業室の形状ないし周面輪郭は、インペラー内で径方向内側から外側へ、その後軸方向にタービンホィールへ、その後タービンホィール内で径方向外側から内側へ、そして軸方向にタービンホィールからインペラー内へ、作業媒体の所望の循環流に関して、選択される。作業室内のこの循環流を用いて、トルクないし回転出力が、インペラーからタービンホィールへ伝達される。
【００１２】
本発明に基づく流体カップリングにおいても、作業室は流体カップリングを通る軸断面で見て、円形ないし実質的に円形である。しかし作業室は、完全な円形とは異なり、カップリングの回転軸に関して、タービンホィールの径方向外側の領域内で作業室の周面に軸方向に膨出部を有している。その代りに、あるいはそれに加えて、膨出部は、インペラーの径方向内側の領域に形成することもできる。
【００１３】
本発明に基づいて設けられたこの膨出部は、以下のような作用を有する：作業媒体がインペラーからタービンホィール内へ流入する場合に、作業媒体は−説明したように−少なくとも流体カップリングを通る軸断面において、カップリング回転軸に対して実質的に平行な流れ方向を有する。従って、その場合にインペラーの径方向外側の領域内でインペラーを離れる作業媒体は、膨出部の方向に流れて、この膨出部内へ流入する。しかし、流体カップリングの周方向に関して、従って流体カップリングの回転軸を巡って、インペラーからタービンホィール内への作業媒体流内の、付加的に考察すべき周成分に基づいて、各駆動状態において、実質的に膨出部内へ向かう作業媒体の流れは生じない。むしろ、所定の駆動状態が存在し、すなわちインペラーとタービンホィールの間のスリップが大きい場合に、作業媒体流の周成分は、流れが流体カップリングの軸方向よりも流体カップリングの周方向に強く向けられることがはっきりとしている。この駆動状態においては、膨出部内への作業媒体の直接の流入は、条件つきで行われるだけであり、あるいは膨出部内への作業媒体の直接の流入は実質的に行われず、あるいは行われない。それに対してスリップが小さい場合には、作業媒体流は周方向に向けられることは少なく、従って軸方向に強く向けられ、膨出部内への直接の流入は、比較的はっきりとしている。
【００１４】
インペラーからタービンホィール内への流れ方向が余り強く膨出部内へ向けられない場合には常に、作業媒体の比較的強い旋回が行われ、それが、インペラーからタービンホィールへ最大伝達可能なトルクないし流体カップリングの出力価を減少させる。従ってまさに、明細書導入部で望ましいとして示されたことが、達成される。大きいスリップを有する駆動状態においては、作業室内に本発明に基づく膨出部を持たない流体カップリングに比較して、トルク伝達は比較的減少されており、小さいスリップを有する駆動状態においては、出力伝達ないしトルク伝達は、従来の完全に、あるいは実質的に円形の作業室横断面に比較して、まったく、あるいはほとんど変わらず、ないしは減少されない。
【００１５】
本発明に基づく膨出部は、一般に、以下のように説明することができる：流体カップリングを通る軸断面における流体カップリングの作業室の周面が、インペラーとタービンホィールの間の分離間隙を通り、流体カップリングの回転軸に対して垂直に延びる軸垂直線に関して見て対称である場合に、膨出部は、周面のこの対称の「基本推移」からの、周面の偏差を表す。その代りに、あるいはそれに加えて、この対称偏差を説明するためのミラー軸として、流体カップリングの回転軸に対する軸平行線を利用することもでき、その軸平行線は、作業室を通る平均の直径上に、すなわち通常、流体カップリングの駆動中の作業室内の作業媒体の回転中心を通って、延びる。従って、「実質的に円形」ないし「円形」という概念は、広範囲に解釈すべきであって、楕円形、長円形および、正確な円形からずれた他の幾何学配置も含むことが、明らかである。
【００１６】
膨出部の具体的な形状は、様々に形成することができる。流体カップリングを通る軸断面において角張った膨出部が考えられ、その場合に角は、面取りすることもできる。唯一の角部を設けること、あるいは多数の角部を設けることができる。唯一の角部の場合には、膨出部は、面取りすることもできる角部を介して結合された、たとえば２つのほぼ等しい、あるいは正確に等しい長さの辺を有している。２つの片は、互いに対して直角に配置することができ、あるいは他の角度、鋭角または鈍角で配置することもできる。
【００１７】
膨出部は、代替的に、作業室横断面の直径に対して異なる直径を有する、アーチ形状または部分円形状であることができる。他の形状も、考えられる。
【００１８】
周方向に見て、膨出部は、連続的に、あるいは中断して形成することができる。その場合に中断してというのは、周方向に互いに隣接して配置された２つの羽根の間の個々の空間のみに、あるいはこれらの空間の部分に、然るべき膨出部が設けられていることを意味している。たとえば、それぞれ２つの羽根の間の２つ目、３つ目、４つ目あるいはｎ番目の空間に膨出部を設けることができる。
【００１９】
膨出部が周方向に連続して形成されている場合には、この膨出部は、一定の横断面または周方向にわたって変化する横断面を有することができる。
【００２０】
トルク特性曲線ないしλ特性曲線に関する特別な利点は、絞りディスクを有する流体カップリング内に本発明に基づく膨出部が設けられている場合に、得られる。この種の絞りディスクは、作業室内の作業媒体を調節するために、たとえばスライド、回動などによって選択的に作業室内へ挿入可能または作業室から引き出し可能な、機械的なボディである。絞りディスクが作業室内へ挿入された場合には、作業室内の作業媒体循環が乱され、従って絞りディスクが挿入されないで作業媒体循環が乱されない場合に比較して、出力ないしトルク伝達が減少される。
【００２１】
もちろん、機械的なボディは、ディスクとは異なる形状を有することができるので、一般に、絞り部材を用いて作業媒体循環を選択的に乱すことができる。
【００２２】
この種の絞りディスクが作業室内に設けられている場合に、これは、特に好ましくは、−ここでも流体カップリングを通る軸断面内で見て−作業室の横断面の、膨出部に直径方向に対向するセクター内に配置し、ないしは挿入することができる。たとえば、膨出部は、タービンホィール内の径方向外側の領域に、絞りディスクのためのセクターは、インペラー内の径方向内側の領域に設けられている。特に、流体カップリングの軸断面内で作業室の横断面を４つの象限に分割し、これらの象限をインペラー内の径方向内側から始めて、インペラー内の径方向外側、タービンホィール内の径方向外側とタービンホィール内の径方向内側へ向かって１から４の番号をふった場合に、絞りディスクは第１の象限内に、膨出部は第３の象限内に設けることができる。他の形態、たとえば膨出部を第１の象限内に、絞りディスクを第４の象限内に配置することも、考えられる。
【００２３】
本発明に基づく作用は、流体カップリングが斜めの羽根を有するように形成することによって、強化できることが確認された。これは、インペラーとタービンホィールの羽根が、流体カップリングを通る軸垂直の平面に対して垂直に配置されるのではなく、９０°より小さい角度で配置されることを、意味している。インペラー羽根の迎角（この平面に対する）は、タービンホィール羽根のそれとは異なることができ、たとえばインペラーの羽根は、タービンホィールの羽根よりもずっと斜めに配置することができる。これは、インペラーの羽根が、軸垂直の平面に対して、たとえば６５°の角度を有し、タービンホィールの羽根が７０°の角度を有することを、意味している。
【００２４】
原理的に、本発明に基づく作用、すなわちスリップが大きい場合に伝達されるトルクが減少することは、インペラーとタービンホィールの羽根の傾斜が増大するにつれて、強化することができる。もちろん、傾斜が大きすぎる場合、たとえば傾斜角が６０°より小さい場合に、効果が失われる場合があることが、確認されている。従って好ましくは、インペラーとタービンホィールの羽根の傾斜角は、６０°から９０°未満まで、特に６０°から８０°あるいは６５°から７５°の領域内にある。インペラーは、特に、タービンホィールよりも５°または１０°強く傾斜することができる。
【００２５】
本発明に基づく措置の他の利点は、それに応じて形成された流体カップリングが、比較的小さいアイドリング損失を有することである。というのは、作業媒体を除かれた状態で作業室内にある空気も、本発明に基づいて設けられている、作業室の基本形状とは異なる膨出部内へ運び込まれて旋回され、それによって望ましくないトルク伝達が減少され、あるいは阻止されるからである。
【００２６】
以下、図面を用いて本発明を例で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に基づいて形成された流体カップリングのスリップないし回転数比に関するλ−特性曲線ないしトルク特性曲線を示している。
【図２】流体カップリングの径方向において外側から内側への作業媒体の流れを図式的に示す上面図である。
【図３】本発明に基づいて設けられた膨出部の可能な配置を示している。
【図４】膨出部の代替的な実施形態を示している。
【図５】膨出部と絞りディスクを有する流体カップリングを示している。
【図６】本発明に基づく、膨出部のための実施形態の数学的な記述を説明するための図式的な表示である。
【図７】流体カップリングを通る軸断面における作業室の周面のための可能な「基本形状」を示しており、その流体カップリングに付加的に本発明に基づく膨出部を付加することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、明細書導入部においてすでに説明されている。本発明に基づく流体カップリングによって、スリップないし回転数比に関するλ−特性曲線ないしトルク特性曲線は、１００パーセントのスリップから始まり、まず実線に沿って、次に１点鎖線に沿って、最後に破線に沿って達成される。これまでは単に、実線に沿った、あるいは破線に沿っただけの特性曲線のみが、可能であった。
【００２９】
図２において、１０％のスリップと１００％のスリップにおいて、インペラー１からタービンホィール２への作業媒体の流れの軸成分と周成分が、図式的に認識される。その場合に、タービンホィール内に、破線で膨出部４が示唆されている。符号１．１と２．１は、インペラー１とタービンホィール２のインペラー羽根ないしタービンホィール羽根を示している。図２の右と左の２つの垂直の矢印は、インペラー１とタービンホィール２の回転方向を示している。
【００３０】
この図から、特に、タービンホィールとインペラーの間の回転数比ないしスリップが、膨出部４に関する作業媒体の流入方向に与える影響が、認識される。スリップが大きくなった場合に、作業媒体のより少ない強さの流れが膨出部４内へ流入し、それがより強い旋回とそれに伴って作業媒体循環の乱れをもたらす。スリップが小さくなった場合には、作業室内の膨出部４により直接的な流入が生じ、それがより少ない旋回とそれに伴って作業媒体循環のより小さい乱れをもたらす。
【００３１】
図３には、作業室３の周面の領域における膨出部４のための可能な位置が示されている。たとえば、膨出部４は、タービンホィール２の径方向外側の領域内に設けることができる。それに加えて、あるいはその代りに、膨出部４’を、インペラー１の径方向内側の領域に設けることができる。
【００３２】
図４は、膨出部４ないし膨出部４’のための代替的な横断面を、再度図式的に示している。図３に比較して、膨出部４、４’は、直角かつ線形に画成されることが少なく、ずっと丸みを帯びているが、流体カップリングの軸方向に、より小さい、ないしはより鋭い尖端を有している。
【００３３】
図５には、膨出部４と作業室３内の摺動可能な絞りディスク５との可能な組合せが示されている。絞りディスク５は、軸方向にインペラー１内の径方向内側の領域内へ挿入可能であって、かつこの領域から引き出すことができる。膨出部４は、作業室３内のタービンホィール２の径方向外側の領域内に設けられている。
【００３４】
図６には、流体カップリングを通る軸断面における作業室の周面を定義するための種々の半径が示されている。この軸断面を４つの象限に分割する場合に（対称線を参照）、半径ｒ１は２つの径方向外側の象限、すなわちそれぞれタービンホィール（Ｔ）とインペラー（Ｐ）の象限に関する。半径ｒ２は、２つの径方向内側に位置する象限、それぞれインペラーの象限とタービンホィールの象限に関する。
【００３５】
ｒＭは、作業室の中央の半径、すなわち、作業室の横断面を２つの鏡対称に大きさの等しい半分に分割する、流体カップリングの回転軸に対して平行な対称線を記述している。
【００３６】
ｒｐは、作業室の外側の半径を示し、ｒｉは内側の半径を記述している。
【００３７】
それぞれ添字１と２を有する半径ｒｕとｒｏは、径方向領域の限界値を記述し、その中で、本発明に基づいて設けられる膨出部を記述するための、以下に示す式に従って、周面が定義される。これらの半径は、作業室の外側と内側の半径に関して次のように得られる：
ｒｏ１＝ｒｉ＋０．９７（ｒｐ−ｒｉ）
ｒｕ１＝ｒｉ＋０．７５（ｒｐ−ｒｉ）
ｒｏ２＝ｒｉ＋０．１５（ｒｐ−ｒｉ）
ｒｕ２＝ｒｉ＋０．０３（ｒｐ−ｒｉ）
【００３８】
さらに、平均の半径が、次のように定義される：
ｒＭ＝０．５（ｒｐ＋ｒｉ）
【００３９】
作業室の高さは、次のように定義される：
Ｈ＝ｒｐ−ｒｉ
【００４０】
その場合に、本発明に基づく膨出部の輪郭は、以下の式の１つまたは複数に従って記述することができる：
（１）ｒｕ１とｒｏ１の間の任意の（従って各半径ではない）半径ｒ１のための膨出部の輪郭が、次の条件を満たす
１．０５・ｂＴ（ｒ２）＜ｂＴ（ｒ１）＜１．５・ｂＴ（ｒＭ）、その場合に、
ｒ２＝ｒｉ＋ｒｐ−ｒｉである。
（２）ｒｕ１とｒｏ１の間の任意の（従って各半径ではない）半径ｒ１のための膨出部の輪郭が、次の条件を満たす
１．０５・ｂｐ（ｒ１）＜ｂＴ（ｒ１）＜１．５・ｂｐ（ｒＭ）
（３）ｒｕ２とｒｏ２の間の任意の（従って各半径ではない）半径ｒ２のための膨出部の輪郭が、次の条件を満たす
１．０５・ｂＴ（ｒ２）＜ｂｐ（ｒ２）＜１．５・ｂＴ（ｒＭ）
【００４１】
上に上げた３つの式におけるファクター１．０５は、１より少し大きい、たとえば１．０１と１．１の間にある、他のファクターに代えることもできる。
【００４２】
作業室の外径Ｄｐに対する、ないしは作業室の高さＨに対する、作業室の軸方向の幅Ｂの比は、以下のごとくである：
０．２＜Ｂ／Ｄｐ＜０．３５
０．６＜Ｂ／Ｈ＜１．６
【００４３】
図７には、ここでは実質的に円形と称される、作業室の基本形状が、純粋に図式的に示されている。この種の基本形状に、本発明によって、膨出部を接続することができる。
【図１】
2010513807.tif 000004
【図２】
2010513807.tif 000005
【図３】
2010513807.tif 000006
【図４】
2010513807.tif 000007
【図５】
2010513807.tif 000008
【図６】
2010513807.tif 000009
【図７】
2010513807.tif 000010
【国際調査報告】
2010513807.tif 000011
2010513807.tif 000012
2010513807.tif 000013
2010513807.tif 000014