专利名称：具有速度保护功能的液力耦合器以及涡轮复合系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液力耦合器(hydrodynamic coupling)，特别是用于涡轮复合系统的液力耦合器，尤其涉及具有液力耦合器的涡轮复合系统(turbocompound system)。
这种涡轮复合系统中的液力耦合器被用于从布置在内燃机的废气流中的废气利用涡轮(exhaust gas utilization turbine)向内燃机驱动的曲轴传递扭矩，以提高传动系统的效率。由于曲轴由废气利用涡轮通过液力耦合器驱动，因此自然地存在一个废气利用涡轮扭矩承载部，其防止废气利用涡轮的任何非受控的加速旋转。如果出于任何原因(例如由于耦合循环中的充填损失)导致所述扭矩承载部受到限制或截断，则存在一种可能性，即废气利用涡轮会到达过速范围并且受损。
耦合循环中的充填损失，指的是液力耦合器的工作介质中循环出现的工作介质的损失，其可能因例如材料缺陷或操作错误导致的耦合器外壳(破裂等)损坏而引起。即使可采取措施使得在出现这样的损坏时防止耦合器完全损失，但这样的损坏仍会导致涡轮复合系统出现废气利用涡轮的所述过速并损坏涡轮。为了避免这种情况，传统上提供了废气利用涡轮的速度监视，在确定出现过速时启动适当的措施，例如切换围绕废气利用涡轮的旁通路线，这是因为其它措施例如切断用于驱动废气利用涡轮的废气流(只能通过关闭发动机才能实现)是不实用的。
还可以发现另一项缺点，也就是，主动速度监视需要外部动力。
本发明基于下述目的，即提供一种液力耦合器，特别是具有根据本发明的液力耦合器的涡轮复合系统，该液力耦合器相比现有技术得到改进，特别是提供了自动过速保护而不需要外部动力。
该目的通过一种具有权利要求1所述特征的液力耦合器和具有权利要求10所述特征的涡轮复合系统而达到。从属权利要求描述了本发明的特别有利的实施例。
根据权利要求1所述的液力耦合器包括常用部件，例如共同形成工作腔的泵轮和涡轮叶轮。所述工作腔充填或者可以充填工作介质。提供工作介质循环，用于从工作腔和向工作腔供应并排放工作介质，该循环也称为耦合循环。
根据本发明，液力耦合器包括能够以扭转刚性的方式将泵轮与涡轮叶轮相互锁定的锁定装置。所述锁定装置与耦合器的承载工作介质的一部分连接，例如位于泵轮与涡轮叶轮之间，特别是泵轮的外壳与涡轮叶轮之间，泵轮的外壳在其后侧包围涡轮叶轮，以至于所述锁定装置在工作腔的充填度低于预定值时关闭，而充填度对于引导工作介质的那部分的(部分)充填或排放具有影响。在本发明中术语“关闭”是指将泵轮和涡轮叶轮相互扭转刚性地锁定。有利的是，关闭以自动的方式进行(这意味着不需要从耦合器的外部提供任何手动驱动)，特别是在液力耦合器的操作中必然会产生的离心力的影响下自动进行。机械锁定装置有利地构造成锁定离合器的形式，该锁定离合器特别是在操作过程中必然会产生的离心力的影响下自动接合和分离。
机械锁定装置可以这样按照特别有利的方式布置，即，除了对于工作腔充填度的监视功能之外，其同时表现出对于液力耦合器的过速保护。在该情况下(例如通过提供离心力元件，即具有预定质量并且在超过预定速度时通过离心力径向移位至外部的元件)，锁定装置以这样的方式布置，即，锁定装置在泵轮或涡轮叶轮超过预定速度时关闭。此外，在该情况下，锁定装置有利地布置为锁定离合器，其关闭特别是自动地进行，这意味着锁定离合器在操作过程中必然会产生的离心力的影响下自动接合和分离。
特别是在涡轮复合系统中使用根据本发明的液力耦合器时，锁定装置的锁定将导致如下结果，即可靠地保护废气利用涡轮的部件免遭过速的损坏，这种锁定意味着将废气利用涡轮速度与曲轴速度机械耦合。在废气利用涡轮速度与曲轴速度之间的液力耦合器失效的情况下，机械连接代替液力耦合器。这可以是耦合器的外部部件即泵轮的外壳与内部叶轮即涡轮叶轮之间的连接。
耦合器外壳通过与泵轮的连接而以泵速旋转，耦合器外壳可以例如经由齿轮传动装置(通常为齿轮)与废气利用涡轮连接，而内部叶轮(为涡轮叶轮)经由齿轮传动装置(通常为齿轮)与曲轴连接。可以沿着耦合器的径向移位的锁栓可以布置在耦合器外壳与内部叶轮之间，并且锁栓与一开口对准。当机械锁定装置关闭时，锁栓在第一锁定位置中接合在所述开口中或者通过所述开口。在锁定装置的第二位置即打开位置中，锁栓完全位于所述开口的外部。锁栓是否接合在所述开口中的问题由工作腔中的充填度以这样的方式确定，即，在锁定装置为打开的情况下，工作介质将对锁栓施加位移力，使锁栓移位到所述开口外部。在锁定装置为关闭的情况下，在引导工作介质的各部分中不存在所述的使工作介质移位，并且锁栓由合适的压力装置例如压力弹簧压入所述开口或者通过所述开口。
在操作中特别是如下力作用于锁栓上●离心力FZ＝mω2r其中m质量(kg)ω角速度(1/s)
r圆形路径半径(m)；●弹簧力(恢复力)FR＝-kx其中k弹簧常数(N/m)x偏移量(m)；●由锁栓的径向外表面上的旋转压力引起的力FP＝ABolzenρ/2ω2(rwirk2-rFR2)(N)其中ABolzen锁栓的径向外表面(m2)ρ工作介质的密度(kg/m3)ω角速度(1/s)rwirk2支承锁栓径向外表面的半径(m)rFR工作腔中液环的内径(m)●抬升力(旋转空间中)FA·rot＝ρarotV其中ρ工作介质的密度(kg/m3)arot＝ω2r离心加速度(m/s2)V由锁栓移位的工作介质的体积(m3)。
在正常操作中，即在废气利用涡轮或液力耦合器的操作临界点外部，如下不等式成立FZ＜FR+FP+FA，rot因此，在每一正常操作速度中，锁栓可靠地保持在其脱离与所述开口的接合的设定位置中。
当耦合器的充填度下降时，旋转压力FP和/或抬升力减小，锁栓上的力的关系因此改变FZ＞FR+FP+FA，rot因此，离心力FZ高于与其相反的力，这导致如下结果，即，锁栓滑入所述开口中，并将泵轮与涡轮以扭转刚性的方式彼此锁定。此时抬升力仍然存在，但是离心力FZ因为过速而升高到克服与其相反的力的程度，尽管还存在相对较高的抬升力，锁栓也会出现上述运动。
当在涡轮复合系统中使用液力耦合器时，在曲轴与废气利用涡轮之间产生机械连接。
为了简单起见，在上面等式中是采用作用压力弹簧力进行的计算。可以理解，可以使用能够逆着离心力对锁栓施加力的任何压力装置。当使用这种压力弹簧时，有利的是以这样的方式构造弹簧，即，当涡轮处于低速状态时(例如，在启动过程中)锁栓保持在径向内部位置，而在过速情况下，即使在充填循环的情况下锁栓也将径向滑动到外部，以便保护涡轮不会以所述过速状态操作较长时间。
根据一个实施例，锁栓在进入所述开口之后进行接合，以便于产生曲轴与废气利用涡轮之间的紧急同步，这种同步保持到再次手动解开锁栓。根据另一个实施例，在发动机停止在其初始位置即其径向内部位置时，锁栓自动返回。
根据本发明的另一个实施例，在耦合器外壳与内部叶轮之间没有布置“浮动”锁栓，而是设置有“浮动”摇臂。所述摇臂可以根据锁栓的前述作用原理工作，即，其可以占据第一位置和第二位置，在第一位置，涡轮叶轮可以相对于泵轮或者内部叶轮相对于耦合器外壳旋转；在第二位置，摇臂将泵轮与涡轮叶轮或者内部叶轮与耦合器外壳以扭转刚性的方式彼此锁定。
摇臂及其配合件，例如摇臂所接合的开口形式的配合件，可以像上述锁栓一样设置在耦合器外壳与涡轮叶轮的后侧之间的区域中。可以理解，这种摇臂也可以布置在两个相互面对的耦合轮之间，通常即主轮(泵轮)与次轮(涡轮叶轮)，并且布置为将两者锁定在预定状态中。摇臂的位置有利地通过耦合器的充填度、摇臂上的离心力、摇臂上的弹簧力以及摇臂上的旋转压力根据锁栓的布置而设定。
现在参照实施例更详细地说明本发明，其中
图1示出了涡轮复合系统中的液力耦合器；图2示出了处于打开状态(图2a)和关闭(锁定)状态(图2b)的图1所示根据本发明布置的液力耦合器的细节；图3示出了处于打开状态(图3a)和关闭(锁定)状态(图3b)的根据本发明布置的另一种液力耦合器。
图1示出了液力耦合器13，其布置在内燃机11驱动的曲轴与充有内燃机11的废气的废气利用涡轮10之间的驱动连接部中。液力耦合器13包括泵轮1和涡轮叶轮2。泵轮1通过齿轮传动装置7与废气利用涡轮10驱动连接。涡轮叶轮2通过齿轮传动装置8与曲轴12驱动连接。
附图标记9表示废气流的引导装置。
泵轮1和涡轮叶轮2共同形成工作腔4，工作介质3沿着箭头所示的循环方向在工作腔4中循环。工作介质3由泵轮1径向加速至外部并且由涡轮叶轮2径向减速至内部。通过工作介质3从泵轮1到涡轮叶轮2的循环流动传递扭矩。
工作介质3在例如工作介质循环装置(未示出)的中心或中心附近进行供应，并且从工作腔4向外部径向排放到一区域，该区域位于涡轮叶轮2的后侧(即，与工作腔4相对的一侧)与外壳1.1之间，外壳1.1与泵轮1以扭转刚性的方式连接并且包围涡轮叶轮2。当存在工作腔4的部分或完全排放时总能实现这种排放。即使等量的工作介质3位于工作腔4中，在涡轮叶轮2与外壳1.1之间的该区域中也可以获得工作介质的各个液位。
图2示出了其中布置有根据本发明的锁定装置的图1中的局部的示意性放大图。液力耦合器的旋转轴线6在图1和图2中都由点划线表示。
图2清楚地示出了机械锁定装置5的区域中工作介质3的液位，在图2a中显示的是“正常操作”的状态，图2b中显示的是出于某些原因工作介质已经从液力耦合器中意外泄漏的操作状态。
在图2a中，由于弹簧5.3的力、施加于锁栓5.1的径向外表面上的旋转压力(力FP)以及工作介质3的抬升力，锁栓位于孔5.2的径向内部位置，也就是孔5.2的外部，锁栓的轴5.1.2几乎完全浸入工作介质中，其中只有旋转力FZ的方向与这些力的方向相反。在泵轮1与涡轮叶轮2之间可以获得相对的旋转速度(耦合器的滑移)。
然而，根据图2，由于工作介质的液位背离图2a中所示的操作状态径向移动到外部，抬升力以及锁栓5.1的径向外表面上的旋转压力消失。离心力FZ克服弹簧5.3的弹簧力并且将锁栓5.1的径向外端推入孔5.2。在外壳1.1与涡轮叶轮2之间并因此在泵轮1与涡轮叶轮2之间产生机械锁定。结果，废气利用涡轮10(指废气利用涡轮10的叶轮)在速度方面与曲轴12机械连接，从而曲轴12根据置于中间的齿轮传动装置7和8的传动比获得废气利用涡轮10的绝对速度。
如图2所示，根据图中所示的实施例，将孔5.2引入形成于涡轮叶轮2后侧的凸出部5.5中。锁栓5.1的圆柱轴5.1.2在沿着圆周方向包围轴5.1.2的导向装置5.4内部滑动。增大的头部5.1.1(指该头部具有较大的直径)与轴5.1.2的内部径向连接。由于头部5.1.1在轴5.1.2之上伸出的那部分，台肩5.1.3径向形成于头部5.1.1的外部，弹簧5.3的径向内轴端作用于台肩上。弹簧5.3的相反的径向外轴端与导向装置5.4接合。因为弹簧5.3布置为压力弹簧，因此其朝向内部沿着径向施力于锁栓5.1上。
图3示出了与图1和图2相比进行了修改的锁定机构，一个显示处于打开状态(图3a)，一个显示处于锁定状态(图3b)。图3示出了大致通过图1和图2所示锁栓的纵向轴线的位置获得的径向剖视图中的两个剖视图，但是很显然在根据图3的实施例中没有设置锁栓。
在该剖视图中只能看到与外壳1.1的内部连接的摇臂5.11(作为泵轮1的部件)以及通过径向外部区域中的外壳1.1的径向交接面的截面。
只显示了通过涡轮叶轮2的轴向凸出部5.5的剖视图以及涡轮叶轮2的外部形状，在该凸出部中开口5.12形成为摇臂的配合件。
如图所示，摇臂5.11与泵轮1连接而非锁栓与泵轮连接，摇臂可以围绕与耦合器的旋转轴线平行的轴线径向枢轴转动至外部。摇臂5.11通过工作介质(参见图示的液位)的抬升力克服离心力和压力弹簧的力而保持在图3a所示的位置中。
当充填度降低时，引起图示的液位径向转移到外部并且作用于摇臂5.11上的抬升力减小，摇臂5.11因为压力弹簧5.13的力而运动至图3b所示的第二位置中。
在泵轮1的高速引起高离心力的情况下(该情况尤其是因为耦合器基本上或者完全排放工作介质而尤其以这样的方式出现，即涡轮叶轮2不传递制动力矩)，离心力也将使摇臂5.11朝着涡轮叶轮2中或者设置在涡轮叶轮2上的凸出部中的凹陷部或开口部的方向径向向外倾斜。摇臂5.11接合在所述开口5.12中，使得泵轮1带动涡轮叶轮2，泵轮朝着箭头所示的旋转方向旋转。
可以理解，也可以只由液位(因此由耦合器的充填度)确定摇臂5.11的位置，当摇臂具有这种较轻的构造时，离心力的影响可以忽略。
下面以计算的方式分析本发明的一种可能的实施例，该实施例有利地为图2所示的形式。
例如，铝制重物(特别是上述锁栓5.1的形式)可以具有10mm的直径和200mm的长度。本说明书中的所有尺寸都应该认为是优选值，应该有利地近似保持这些优选值。当液力耦合器处于名义状态，即液位不低于预定的充填度时，铝制重物在工作介质中浸没75％。可以借助于合适的弹簧将系统调节为这样，即，在例如8586转每分钟的速度处活塞将延伸，这意味着机械锁定装置将关闭。于是将避免超过8586转每分钟的过速。然而，如果耦合器中工作腔的充填度降低，那么减小的抬升力(因此只有施加于锁栓的弹簧力)逆着作用于锁栓上的离心力而作用。因此，机械锁定装置的关闭发生在较早的时间，例如在液力耦合器的正常操作范围内(是指当耦合器被充填或者耦合器的工作腔具有预定的充填度时所允许的速度范围)。
在为锁定装置或锁栓使用的铝的密度为0.00265g/mm3时，在900转每秒钟的角速度处获得作用于锁栓上的56.1牛顿的抬升力。由工作介质中的旋转压力引起的锁栓上的恢复力为74.8牛顿。在该实施例中，离心力为236牛顿并且弹簧力特别为105.1牛顿。这导致锁定装置在8586转每分钟的速度(对应于所提到的900转每秒钟的角速度)之上关闭。
然而，在油损失的情况下，抬升力和恢复力因为旋转压力而等于零。这导致4730转每分钟的切换速度。因此可靠地避免涡轮过速。
附图标记列表1泵轮1.1外壳2涡轮叶轮3工作介质4工作腔5机械锁定装置5.1锁栓5.1.1头部5.1.2轴5.1.3台肩5.2孔5.3压力弹簧5.4导向装置5.5凸出部5.11摇臂5.12开口5.13压力弹簧6耦合器的旋转轴线7齿轮传动装置8齿轮传动装置9废气引导装置10废气利用涡轮11内燃机12曲轴13液力耦合器
权利要求
1.一种液力耦合器(13)，特别用于涡轮复合系统，包括1.1泵轮(1)；1.2涡轮叶轮(2)，其与泵轮(1)形成工作腔(4)，工作腔(4)中可以充填工作介质(3)；其特征在于，1.3设置有机械锁定装置(5)，其用于以扭转刚性的方式连接泵轮(1)和涡轮叶轮(2)，所述锁定装置与引导工作介质的耦合器(13)的一部分连接，并且在工作腔(4)的充填度低于预定值时关闭。
2.根据权利要求1所述的液力耦合器(13)，其特征在于，锁定装置(5)以这样的方式布置，其还在泵轮(1)或涡轮叶轮(2)超过预定速度时关闭。
3.根据权利要求1或2所述的液力耦合器(13)，其特征在于，3.1机械锁定装置(5)包括可以沿着耦合器的径向移位的锁栓(5.1)和可以与锁栓(5.1)接合的开口(5.2)；3.2锁栓(5.1)与两个叶轮(1，2)之一、特别是泵轮(1)以扭转刚性的方式连接，开口(5.2)布置在叶轮(1，2)的另一个，特别是涡轮叶轮(2)中；3.3当工作介质(3)的充填度达到和超出预定值时，锁栓(5.1)以这样的方式浸入，其至少在工作介质(3)的抬升力(FA)的作用下被压出开口(5.2)；3.4设置有压力装置，特别是压力弹簧(5.3)，其逆着工作介质(3)的抬升力(FA)作用于锁栓(5.1)上，使得充填度低于预定值时锁栓(5.1)接合在开口(5.2)中。
4.根据权利要求3所述的液力耦合器(13)，其特征在于，锁栓(5.1)具有圆柱形状并且其纵向轴线与耦合器(13)的旋转轴线(6)垂直。
5.根据权利要求3或4所述的液力耦合器(13)，其特征在于，泵轮(1)包括外壳(1.1)，该外壳在其背离工作腔(4)的一侧包围涡轮叶轮(2)，使得机械锁定装置(5)布置在外壳(1.1)与涡轮叶轮(2)之间的空间中。
6.根据权利要求5所述的液力耦合器(13)，其特征在于，锁栓(5.1)在引导装置(5.4)中滑动，该引导装置固定于外壳(1.1)并且与外壳(1.1)一体地布置，使得开口(5.2)布置在涡轮叶轮(2)上的凸出部(5.5)中，特别是与引导装置(5.4)对准。
7.根据权利要求6所述的液力耦合器(13)，其特征在于，锁栓(5.1)在其径向内端设置有头部(5.1.1)，该头部的外径相对于锁栓(5.1)的位于径向外部的相邻轴(5.1.2)加大，使得形成台肩(5.1.3)，并且作为压力装置设置的压力弹簧(5.3)靠着所述台肩(5.1.3)并且与引导装置(5.4)径向相对。
8.根据权利要求2或7所述的液力耦合器(13)，其特征在于，压力弹簧(5.3)具有这样的弹簧力(FR)并且锁栓(5.1)具有这样的质量(m)，即机械锁定装置(5)在速度超出预定值时关闭，而与工作腔(4)的充填度无关。
9.根据权利要求1或2所述的液力耦合器(13)，其特征在于，9.1机械锁定装置(5)包括可以沿着耦合器的径向枢轴转动的摇臂(5.11)和可以与摇臂(5.11)接合的开口(5.12)；9.2摇臂(5.11)与两个叶轮(1，2)之一、特别是泵轮(1)以静止方式连接，开口(5.12)布置在叶轮(1，2)的另一个，特别是涡轮叶轮(2)中；9.3当充填度达到和超出预定值时，摇臂(5.11)以这样的方式浸入工作介质(3)中，其至少在工作介质(3)的抬升力(FA)的作用下被压出开口(5.12)；9.4设置有压力装置，特别是压力弹簧(5.3)，其逆着工作介质(3)的抬升力(FA)作用于摇臂(5.1)上，使得充填度低于预定值时摇臂(5.11)接合在开口(5.12)中。
10.根据权利要求1至9之一所述的液力耦合器(13)，其特征在于，机械锁定装置(5)设置有一保持装置，该保持装置在锁定装置(5)关闭之后保持锁定装置(5)关闭直到手动致动为止。
11.一种带有废气利用涡轮(10)的涡轮复合系统，废气利用涡轮(10)布置在内燃机(11)的废气流(9)中，其中，11.1内燃机(11)驱动曲轴(12)，并且11.2废气利用涡轮(10)切换为或可以切换为与曲轴(12)驱动连接；11.3根据权利要求1至9之一所述的液力耦合器(13)设置在所述驱动连接之中，耦合器的泵轮(1)与废气利用涡轮(10)驱动连接，耦合器的涡轮叶轮(2)与曲轴(12)驱动连接。
全文摘要
本发明涉及一种液力耦合器，特别是用于涡轮复合系统的液力耦合器，包括泵轮；涡轮叶轮，其与泵轮形成工作腔，工作腔中可以充填工作介质。根据本发明的液力耦合器的特征在于，设置有机械锁定装置，其用于以扭转刚性的方式连接泵轮和涡轮叶轮，所述锁定装置与引导工作介质的耦合器的一部分连接，并且在工作腔的充填度低于预定值时关闭。
文档编号F16D47/06GK1985101SQ200580019737
公开日2007年6月20日 申请日期2005年6月15日 优先权日2004年6月18日
发明者库尔特·阿德勒夫 申请人:福伊特涡轮机两合公司