Table Of ContentStromungskupplungen
und Stromungswandler
Stromungskupplungen
und Stromungswandler
Berechnung und K onstruktion
Von
lng. Maurizio Wolf
Fiat-Forschungs-
und Entwicklungsabteilung, Turin
Mit 159 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin I Gottingen I Heidelberg
1962
Aile Rechte, Insbesondere das der "Obersetzung In fremde Sprachen, vorbehalten
Ohne ausdrllckllche Genehmigung des Verlages 1st es auch nicht gestattet,
dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege
(Photokopie, Mikrokople) oder auf andere Art zu vervielfiiltigen
® by Springer. Verlag OHG., Berlln/GOttlngen/Heidelberg 1962
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1962
Library of Congress Catalog Card Number: 62·18593
ISBN 978·3·642·50987·2 ISBN 978·3·642·50986·5 (eBook)
DOl 10.1007/978·3·642·50986·5
Die Wledergabe von Gebrauchsnamen, Handeisnamen, Warenbezeichnungen usw.
in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der An·
nahme, daB solche Namen im Slnne der Warenzeichen. und lIiarkenschutz·Gesetz.
gebung aIs frei zu betrachten waren und daher von iedermann benutzt werden diirften
Dem Andenken meiner Eltern
gewidmet
Vorwort
Die Entstehungsgesehiehte dieses Buehes reieht bis in die Zeit naeh
dem zweiten Weltkrieg zuruek. leh erhielt damals als Bereehnungs
ingenieur del' Forsehungs- und Entwieklungsabteilung del' Fiat-Werke,
Turin, den Auf trag, mieh mit dem Problem del' Anwendung von Stro
mungsmasehinen im Kraftfahrzeugbau zu befassen. Del' Mangel an
Faehliteratur auf diesem Sondergebiet zwang mieh zu selbstandiger
Erarbeitung del' theoretisehen Grundlagen und zur Entwieklung del'
erforderliehen Bereehnungsmethoden, wobei sieh vielfaeh Probleme er
gaben, die Widerspruehe in sieh zu enthalten sehienen und nieht immer
leieht zu deuten waren.
Dureh die Ergebnisse diesel' Arbeiten und insbesondere dureh die
Aufstellung des Strom1ln(Jskreislaut-Gesetzes, hoffe ieh dazu beigetragen
zu haben, daB die sonst bei del' Auslegung eines Stromungswandlers
angewandte kostspielige und zeitraubende Methode del' probeweisen
Annaherung dureh den Versueh, nunmehr dureh die siehere Voraus
bestimmung del' riehtigen untereinander abhangigen Sehaufelwinkel
grundsatzlieh uberwunden ist.
leh glaube, daB es deshalb niitzlieh ist, die Ergebnisse meiner Arbei
ten in gedrangter Form in einem Bueh besehrankten Umfanges zu
sammenzufassen. Fur alle, die sieh mit den verwiekelten Zusammen
hangen del' hydrodynamisehen Kraftubertragung zu besehaftigen haben,
wird eine geordnete und systematisehe Behandlung del' Materie und del'
Bel'echnung allel' wiehtigen EinfluBgl'oBen eine willkommene Hilfe dal'
stellcn. Allerdings kann dieses Bueh keine el'sehopfende Darstellung del'
Stromungswandler sein, da viele Probleme, besonders auf Nebengebieten,
nur gestreift werden konnten. Einige Ergebnisse sind Resultate von Ver
einfachungen, die sieh als notig odeI' zweekma13ig erwiesen, urn die
Reehnung nieht unnotigel'weise uber jedes vertretbare MaB hinaus zu
komplizieren. Del' Zweek des Buehes ist, zu zeigen, wie man mit Hilfe
von richtig angewandten theoretischen Dberlegungen systematiseh zur
l'ichtigen Auslegung einer FOTTINGER-Stl'omungsmasehine gelangt. Ohne
ubergroBen Reehnungsaufwand solI es dem Leser zum Verstandnis des
Meehanismus del' Vorgange bei del' hydrodynamisehen Leistungsubel'
tragung mit und ohne Momentenwandlung vel'hel£en und ihn dazu fiihren,
die wesentliehen Probleme zu beherrsehen, die bei del' Bemessung, dem
VIII Vorwort
Entwurf und Bau sowie bei der Priifung einer Stromungsmaschine,
oder besser, einer Kombination von Stromungsmaschinen des hier be
handelten FOTTINGER-Typs, auftreten.
Dem theoretischen Tell ist ein kurzes Kapitel iiber praktische Aus
fiihrungen hinzugefiigt, um zu zeigen, wie die gegenwartig im Kraft
fahrzeugbau verwendeten Stromungsgetriebe im wesentlichen gebaut
sind. Aus diesem Grund habe ich nur wenige von den typischsten und
am meisten bekanntenKonstruktionen, insbesondere der amerikanischen,
deutschen und italienischen Fabrikation, ausgewahlt und ihre Arbeits
weise kurz beschrieben, ohne auf Konstruktionsdetalls naher einzugehen.
Fiir die Behandlung der verschiedenen Regelungs- und Schaltorgane der
verwendeten Automatik fehlte es leider an Platz.
Es ist mir ein Bediirfnis, hier den amerikanischen Firmen Ford,
General-Motors und Chrysler meinen Dank auszusprechen fiir das mir
in so freundlicher Weise iiberlassene Illustrationsmaterial, aus dem ich
Bilder und technische Daten fiir das Buch entnehmen konnte. Besonders
fiihle ich mich gegeniiber der Direktion der Fiat-Werke verpflichtet.
lch kann nicht umhin, an dieser Stelle dem Herrn Prasidenten, Professor
Dr. VITTORIO VALLETTA, meine besondere Verehrung und Dankbar
keit auszusprechen, ebenso wie dem geschaftsfiihrenden Verwaltungsrats
mitglied, Herrn Generaldirektor Dr.-lng. GAUDENZIO BONO, fiir das in
mich gesetzte Vertrauen. Ferner schulde ich Dank Herrn Dr.-lng.
DAN'TE GIACOSA, Direktor der Technischen Entwicklungs- und Ver
suchsabteilungen, fiir die Anregungen und den standigen Ansporn zu
meinen Arbeiten, die schlieBlich auch zur Verwirklichung dieses
Buches fiihrten.
lch hoffe, daB das Buch eine giinstige Aufnahme in Fachkreisen
finden wird und danke schon jetzt allen freundlichen Lesern, die mit
ihren Anregungen zur Verbesserung einer spiiteren Neuauflage beitragen
werden.
SchlieBlich mochte ich dem Springer-Verlag danken fiir die Be
ratung und den Beistand bei der Vorbereitung des erst aus dem italieni
schen Urtext von mir ins Deutsche iibersetzten Manuskriptes und fiir
die groBe Sorgfalt, mit der die Drucklegung des Buches erfolgt'e.
Turin, im Mai 1962
Der Verfasser
Berichiigungen
Inhaltsverzeichnis
Seite
I. Grundsiitzliche Betrachtungen 1
A. Allgemeines. . . . . . . . 1
B. Betriebliehes Verhalten der Stromungskupplungen und -wandler
am Priifstand. . . . . 15
1. Stromungskupplungen 16
2. Stromungswandler 22
ll. Stromungskupplungen 23
A. Analytische Behandlung der Stromungskupplungen. 23
1. Wirkungsgrad cineI' Stromungskupplung. . . . . 23
2. Geometrisehe Verhaltnisse in der Stromungskupplung 27
3. Theoretisehe Grundlagen und betriebliehes Verhalten einer Stro-
mungskupplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
a) Allgemeines. Meehanismus der Drehmomententstehung und
Leistungsiibertragung . . . . . . . . . . 29
b) Verluste infolge innerer Fliissigkeitsreibung . . . . . . 36
c) Verluste infolge EintrittsstoBes . . . . . . . . . . . 37
d) Energiebilanz und Kennkur ve einer Stromungskupplung 39
e) Hydranlisehes Ahnliehkeitsgesetz bei Stromungskupplungen 44
f) Priifstand zur Ermittlung del' Kennkurve einer Stromungs-
kupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
g) Betrachtungen und falache Auslegung des Problems, die zu
einem "Paradoxon" fUhren . . . . . . . . . . . 53
h) Modell ciner Striimungskupplung fiir i = const; Verlust-
leistung . . . . . . . . . . . . 57
i) EXllkte Losung des Problems . . . . . . . . . . 58
k) Besehrcibung des "Paradoxons" mit Hilfe der Analyse des
Druekverlaufs im gesehlossenen Arbeitskreislauf . . . 66
4. EinfluB des spe7,ifischen Gewichts des Arbeitsmittels . . . 70
a) Kennwert A. in Abhangigkeit der Veranderlichkeit von y und v;
EinfluB lIuf die Abmessungen der Stromungskupplung . 70
b) Qllecksilber als Arbeitsmittel in der Stromungskupplung . 72
e) ~Wasser als Arbeitsmittel in der Stromungskllpplung. . 72
5. Axialsehiibe auf die Laufrader . . . . . . . . . . . . . 74
a) Dmckverteilung in einer mit dem Behalter umlaufenden Fliissig-
keit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74
b) Fliissigkeitsdruck und an den Laufradern der Stromungskllpp-
lung angreifende Axialkrafte . . . . . . . . . . . . .. 76
x
Inhaltsverzeichnis
Seite
6. Betriebliches Verhalten einer Stromungskupplung mit einem Ver
brennungsmotor, dessen Drehmoment sich mit del' Drehzahl
andert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83
a) Drehmoment-Diagramm mit Schlupfwerten in Abhangigkeit von
del' Motordrehzahl, Abtriebswellendrehzahl und Fahrzeug-
geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . " 83
b) Diagramm del' Schlupfwerte in Abhangigkeit von del' Motor-
drehzahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
c) Betriebliches Verhalten der Stromungskupplung am Festpunkt
und im Leerlauf des Motors. . . . . . . . . . . . . .. 85
d) Graphische Integraldarstellung des Arbeitsfeldes einer gegebe
nen Stromungskupplung und deren Zusammenarbeit mit einem
beliebigen Antriebsmotor mit bekannter Momentenkurve ... 87
e) Anomalie odeI' Betriebsinstabilitat einer Stromungskupplung
bei niedrigen Antriebs- (Motor-) Drehzahlen. . . . . 90
f) Betrieb einer Stromungskupplung bei 'YJ > 1 und 'YJ < 0 92
7. Thermische Berechnung del' Stromungskupplungen. . . 95
a) Aufstellung der Warmebilanz . . . . . . . . . . . 95
b) Warmekapazitat del' Stromungskupplung und Gesamtwarme-
libergangskoeffizient "k" . . . . . . . . . . 98
c) Berechnung der Temperaturen. . . . . . . . 102
d) Berechnung der Diagramme M-v, q-v-t, q-T-t . 107
B. Mittel, urn Starrheits- und Kupplungsgrad einer Stromungs
kupplung bei groBen Schlupfwerten und am Festpunkt zu
verringern. . . . . . 113
1. Allgemeines. . . . . . . . . . . . 113
2. Stromungskupplung mit ringformigem auBerem Reservebehal-
tel'; Entleeren und Wiederaufflillen der Arbeitsfllissigkeit 116
3. System mit Reserveraum . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4. System mit Prallscheibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5. Verschiedene Abmessungen der Pumpen- und Turbineninnen-
durchmesser . . . . . . . . . . . . . 126
6. System mit groBer Schaufelzahl . . . . . . . . . . . . 128
7. System mit einziehbaren Schaufelwanden . . . . . . . . 129
8. System mit Irisblendendrosselung und drehbaren Schaufeln . 130
III. Stromungswandler 133
A. Mathematische Analyse der Stromungswandler. 133
1. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . 133
2. Erste Bilanzaufstellung der hydraulischen Energie 140
3. Allgemeine Definition der verschiedenen Wirkungsgrade 145
4. Definition einiger VerhaltnisgroBen als Kennwerte in Funktion
von q; • • . • . • • . • . • • • • . • . • . • • • • •• 156
5. Bestimmung del' Druckhohe der Pumpe und des Druckgefalles
der Turbine. Das Kreislauf-Gesetz. . . . . . . . . . . . . 163
Inhaltsverzeiohnis XI
Seite
a) Pumpe. . . . 163
b) Turbine. . . . 163
6. Bestimmung der StoBverluste 166
a) StoBverluste am Pumpenradeintritt (Punkt 1) 166
b) StoBverluste am Turbinenradeintritt (Punkt 3) . 166
c) StoBverluste am Eintritt in das Leitrad (Punkt 5) 166
d) Gesamte StoBverluste . . . . . . . . . . . . . 167
7. Berechnung der gesamten Verluste durch Fliissigkeitsreibung im
Stromungskreis, in Abhangigkeit des Stromungsfaktors x = Q/Q* 167
8. Aufstellung der Abhangigkeitsgleichung zwischen x und q; . 168
9. Aufstellung der Gleichungen des Gesamtwirkungsgrads 174
10. Diskussion der Wirkungsgradformeln. . . . . . . . . . 177
II. TRlLOK-Freilauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
12. Bestimmung der verschiedenen ausgezeichneten Arbeitsverhalt-
nisse eines Stromungswandlers. . . . . . . . . . . . . . . 182
a) Durchgangsdrehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
b) DrehmomentenverhaItnisse im allgemeinen Betriebszustand 185
c) Maximales Drehmomentenverhaltnis am Festpunkt . . . . 186
d) Drehmomentenverhaltnis am Nennpunkt. . . . . . . .. 188
e) Drehmomentenzuwachs zwischen Nennpunkt und Festpunkt 188
f) Maximales Reaktionsmoment am Leitrad . . . . 189
g) Losungspunkt des Leitrades . . . . . . . . . . 189
13. Axialschiibe auf die Laufrader und Reaktionskl'afte auf das
Leitrad . . 191
a) Pumpe . 192
b) Turbine. 193
c) Leitrad . 194
B. Zusammenarbeit eines Verbrennungsmotors mit einem Stromungs-
wandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
c. Auslegung eines Stromungswandlel's und allgemeiner Rech
nungsgang 206
I. Vorbemerkungen 206
2. Rechnungsgang . 209
3. Konstruktion del' UmriBlinien des Meridianschnittes des Stro-
mungskreises . . 217
D. Schaufelwinkel am Ein- und Austritt der Laufradkanale 219
E. Festlegung der Schaufelprofile und Schaufelkonstruktion 227
F. Mittel zur Verbesserung der Wirkungsgrade und zur Erweiterung des
wirtschaftlichen Betriebsbereiches eines Stromungswandlers . 236
G. Stromungswandler mit zwei Turbinen 245
IV. Leistungsteilung • . . . . . . . . 255
Das TM-System in den Stromungsmaschinen. 255
I. Das T M-System in der Stromungskupplung . 257
a) Variante A 258
XII Inhaltsverzeichnis
Seite
b) Variante B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
c) Vergleich zwischen Betriebsmerkmalen der Varianten A und B
des TM-Systems, angewandt in einer Stromungskupplung . 264
2. Das TM-System im Stromungswandler 275
v.
Einige praktische Ausfiihrungen . . . . 290
A. Stromungskupplungen im Kraftfahrzeugbau 292
B. Stromungswandler im Kraftfahrzeugbau. 299
Schrifttumsverzeichnis . 321
Sachverzeichnis. . . . 323
