Drehmomentwandler – Wikipedia

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ZF Drehmomentwandler abgeschnitten

Ein weggeschnittenes Modell eines Drehmomentwandlers

EIN Drehmomentwandler ist eine Art Fluidkupplung, die rotierende Kraft von einer Antriebsmaschine wie einem Verbrennungsmotor auf eine rotierende angetriebene Last überträgt. In einem Fahrzeug mit Automatikgetriebe verbindet der Drehmomentwandler die Stromquelle mit der Last. Sie befindet sich normalerweise zwischen der Flexplatte des Motors und dem Getriebe. Die äquivalente Position in einem Schaltgetriebe wäre die mechanische Kupplung.

Das Hauptmerkmal eines Drehmomentwandlers ist seine Fähigkeit, das Drehmoment zu erhöhen, wenn die Ausgangsdrehzahl so niedrig ist, dass das von den gekrümmten Flügeln der Turbine austretende Fluid vom Stator abgelenkt werden kann, während es gegen seine Einwegkupplung verriegelt ist , wodurch das Äquivalent eines Untersetzungsgetriebes bereitgestellt wird. Dies ist ein Merkmal, das über das der einfachen Fluidkupplung hinausgeht, die der Drehzahl entsprechen kann, aber das Drehmoment nicht multipliziert, wodurch die Leistung verringert wird.

Einige dieser Geräte sind auch mit einem “Überbrückungs” -Mechanismus ausgestattet, der den Motor bei nahezu gleichen Drehzahlen starr an das Getriebe bindet, um ein Durchrutschen und einen daraus resultierenden Wirkungsgradverlust zu vermeiden.

Hydrauliksysteme[edit]

Die bei weitem häufigste Form des Drehmomentwandlers in Automobilgetrieben ist die in diesem Artikel beschriebene hydrokinetische Vorrichtung. Es gibt auch hydrostatische Systeme, die in kleinen Maschinen wie Kompaktbaggern weit verbreitet sind.

Mechanische Systeme[edit]

Es gibt auch mechanische Konstruktionen für stufenlose Getriebe, die auch das Drehmoment vervielfachen können. Dazu gehören der pendelbasierte Constantinesco-Drehmomentwandler, das Lambert-Reibscheibengetriebe und der Variomatic mit Spreizscheiben und Riemenantrieb.

Funktion[edit]

Theorie der Arbeitsweise[edit]

Die Bewegungsgleichungen des Drehmomentwandlers werden von Leonhard Eulers Turbomaschinengleichung aus dem 18. Jahrhundert dominiert:

Die Gleichung wird um die fünfte Potenz des Radius erweitert; Infolgedessen hängen die Eigenschaften des Drehmomentwandlers stark von der Größe des Geräts ab.

Drehmomentwandlerelemente[edit]

Eine Fluidkupplung ist ein Antrieb mit zwei Elementen, der das Drehmoment nicht vervielfachen kann, während ein Drehmomentwandler mindestens ein zusätzliches Element – den Stator – aufweist, der die Eigenschaften des Antriebs während Perioden mit hohem Schlupf verändert und das Ausgangsdrehmoment erhöht.

In einem Drehmomentwandler gibt es mindestens drei rotierende Elemente: das Laufrad, das mechanisch von der angetrieben wird Antriebsmaschine;; die Turbine, die die Last antreibt; und den Stator, der zwischen dem Laufrad und der Turbine angeordnet ist, so dass er den Ölstrom ändern kann, der von der Turbine zum Laufrad zurückkehrt. Das klassische Drehmomentwandler-Design schreibt vor, dass der Stator unter keinen Umständen gedreht werden darf, daher der Begriff Stator. In der Praxis ist der Stator jedoch auf einer Überholkupplung montiert, die verhindert, dass sich der Stator in Bezug auf die Antriebsmaschine gegenläufig dreht, aber eine Vorwärtsdrehung ermöglicht.

Änderungen am grundlegenden Drei-Elemente-Design wurden regelmäßig vorgenommen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine höhere Drehmomentmultiplikation als normal erforderlich ist. Am häufigsten haben diese die Form mehrerer Turbinen und Statoren, wobei jeder Satz so ausgelegt ist, dass er unterschiedliche Drehmomentmultiplikationsmengen erzeugt. Beispielsweise war das Buick Dynaflow-Automatikgetriebe nicht schaltend und stützte sich unter normalen Bedingungen ausschließlich auf den Wandler, um das Drehmoment zu vervielfachen. Der Dynaflow verwendete einen Fünf-Elemente-Wandler, um den weiten Bereich der Drehmomentvervielfachung zu erzeugen, der zum Antreiben eines schweren Fahrzeugs erforderlich ist.

Obwohl dies nicht unbedingt Teil des klassischen Drehmomentwandlerdesigns ist, verfügen viele Fahrzeugwandler über eine Überbrückungskupplung, um die Effizienz der Reisekraftübertragung zu verbessern und die Wärme zu reduzieren. Durch das Anlegen der Kupplung wird die Turbine am Laufrad blockiert, wodurch die gesamte Kraftübertragung mechanisch erfolgt und somit die mit dem Flüssigkeitsantrieb verbundenen Verluste beseitigt werden.

Betriebsphasen[edit]

Ein Drehmomentwandler hat drei Betriebsstufen:

  • Stall. Die Antriebsmaschine legt Strom an das Laufrad an, aber die Turbine kann sich nicht drehen. In einem Automobil würde diese Betriebsstufe beispielsweise auftreten, wenn der Fahrer den Gang eingelegt hat, aber das Fahrzeug daran hindert, sich zu bewegen, indem er weiterhin die Bremsen betätigt. Im Stillstand kann der Drehmomentwandler eine maximale Drehmomentmultiplikation erzeugen, wenn eine ausreichende Eingangsleistung angelegt wird (die resultierende Multiplikation wird als bezeichnet Stall-Verhältnis). Die Stillstandsphase dauert tatsächlich eine kurze Zeit, wenn sich die Last (z. B. das Fahrzeug) anfänglich zu bewegen beginnt, da es einen sehr großen Unterschied zwischen Pumpen- und Turbinendrehzahl gibt.
  • Beschleunigung. Die Last beschleunigt, aber es gibt immer noch einen relativ großen Unterschied zwischen Laufrad- und Turbinendrehzahl. Unter dieser Bedingung erzeugt der Wandler eine Drehmomentvervielfachung, die geringer ist als die, die unter Blockierbedingungen erreicht werden könnte. Das Ausmaß der Multiplikation hängt von der tatsächlichen Differenz zwischen Pumpen- und Turbinendrehzahl sowie von verschiedenen anderen Auslegungsfaktoren ab.
  • Kupplung. Die Turbine hat ungefähr 90 Prozent der Drehzahl des Laufrads erreicht. Die Drehmomentvervielfachung hat im Wesentlichen aufgehört und der Drehmomentwandler verhält sich ähnlich wie eine einfache Fluidkupplung. In modernen Automobilanwendungen wird normalerweise in dieser Betriebsphase die Überbrückungskupplung angewendet, ein Verfahren, das dazu neigt, die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

Der Schlüssel zur Fähigkeit des Drehmomentwandlers, das Drehmoment zu multiplizieren, liegt im Stator. Bei der klassischen Fluidkupplungskonstruktion führen Perioden mit hohem Schlupf dazu, dass der von der Turbine zum Laufrad zurückkehrende Fluidstrom der Drehrichtung des Laufrads entgegenwirkt, was zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust und zur Erzeugung beträchtlicher Abwärme führt. Unter den gleichen Bedingungen in einem Drehmomentwandler wird das zurückkehrende Fluid vom Stator umgeleitet, so dass es die Drehung des Laufrads unterstützt, anstatt es zu behindern. Das Ergebnis ist, dass ein Großteil der Energie in der zurückkehrenden Flüssigkeit zurückgewonnen und zu der Energie hinzugefügt wird, die von der Antriebsmaschine auf das Laufrad aufgebracht wird. Diese Aktion bewirkt eine wesentliche Zunahme der Fluidmasse, die zur Turbine geleitet wird, was zu einer Zunahme des Ausgangsdrehmoments führt. Da sich das zurückkehrende Fluid anfänglich in eine Richtung bewegt, die der Drehung des Laufrads entgegengesetzt ist, versucht der Stator ebenfalls, sich gegenläufig zu drehen, wenn er das Fluid zwingt, die Richtung zu ändern, was durch die Einweg-Statorkupplung verhindert wird.

Im Gegensatz zu den radial geraden Schaufeln, die in einer einfachen Flüssigkeitskupplung verwendet werden, verwenden die Turbine und der Stator eines Drehmomentwandlers abgewinkelte und gekrümmte Schaufeln. Die Schaufelform des Stators verändert den Weg der Flüssigkeit und zwingt sie, mit der Laufraddrehung zusammenzufallen. Die Anpassungskurve der Turbinenschaufeln hilft dabei, die zurückkehrende Flüssigkeit korrekt zum Stator zu leiten, damit dieser seine Arbeit erledigen kann. Die Form der Schaufeln ist wichtig, da geringfügige Abweichungen zu erheblichen Änderungen der Leistung des Konverters führen können.

Während der Blockier- und Beschleunigungsphasen, in denen eine Drehmomentvervielfachung auftritt, bleibt der Stator aufgrund der Wirkung seiner Einwegkupplung stationär. Wenn sich der Drehmomentwandler jedoch der Kopplungsphase nähert, nehmen die Energie und das Volumen des von der Turbine zurückkehrenden Fluids allmählich ab, wodurch der Druck auf den Stator ebenfalls abnimmt. In der Kopplungsphase kehrt das zurückkehrende Fluid die Richtung um und dreht sich nun in Richtung des Laufrads und der Turbine. Dieser Effekt versucht, den Stator vorwärts zu drehen. Zu diesem Zeitpunkt löst sich die Statorkupplung und das Laufrad, die Turbine und der Stator drehen sich alle (mehr oder weniger) als Einheit.

Es ist unvermeidlich, dass ein Teil der kinetischen Energie des Fluids aufgrund von Reibung und Turbulenzen verloren geht, wodurch der Konverter Abwärme erzeugt (die in vielen Anwendungen durch Wasserkühlung abgeführt wird). Dieser Effekt, der oft als Pumpverlust bezeichnet wird, ist bei oder in der Nähe von Strömungsabrissbedingungen am ausgeprägtesten. In modernen Konstruktionen minimiert die Schaufelgeometrie die Ölgeschwindigkeit bei niedrigen Laufraddrehzahlen, wodurch die Turbine für lange Zeiträume mit geringer Gefahr einer Überhitzung zum Stillstand gebracht werden kann (z. B. wenn ein Fahrzeug mit Automatikgetriebe an einer Verkehrsampel oder bei Verkehrsstaus angehalten wird noch in Gang).

Effizienz- und Drehmomentvervielfachung[edit]

Ein Drehmomentwandler kann keinen 100-prozentigen Kupplungswirkungsgrad erreichen. Der klassische Drehmomentwandler mit drei Elementen hat eine Wirkungsgradkurve, die ∩ ähnelt: Wirkungsgrad Null im Stillstand, im Allgemeinen Erhöhung des Wirkungsgrads während der Beschleunigungsphase und geringer Wirkungsgrad in der Kopplungsphase. Der Wirkungsgradverlust beim Eintritt des Wandlers in die Kopplungsphase ist ein Ergebnis der vom Stator erzeugten Turbulenzen und Fluidströmungsstörungen und wird, wie zuvor erwähnt, üblicherweise durch Anbringen des Stators an einer Einwegkupplung überwunden.

Selbst mit dem Vorteil der Einweg-Statorkupplung kann ein Wandler in der Kupplungsphase nicht den gleichen Wirkungsgrad erreichen wie eine gleich große Flüssigkeitskupplung. Ein gewisser Verlust ist auf das Vorhandensein des Stators zurückzuführen (obwohl er sich als Teil der Baugruppe dreht), da er immer einige stromabsorbierende Turbulenzen erzeugt. Der größte Teil des Verlusts wird jedoch durch die gekrümmten und abgewinkelten Turbinenschaufeln verursacht, die keine kinetische Energie aus der Fluidmasse absorbieren, sowie durch radial gerade Schaufeln. Da die Geometrie der Turbinenschaufel ein entscheidender Faktor für die Fähigkeit des Wandlers ist, das Drehmoment zu multiplizieren, sind Kompromisse zwischen Drehmomentvervielfachung und Kupplungseffizienz unvermeidlich. In Automobilanwendungen, in denen die Marktkräfte und Regierungsverordnungen eine stetige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs vorschrieben, hat die nahezu universelle Verwendung einer Überbrückungskupplung dazu beigetragen, den Wandler während des Fahrtbetriebs aus der Effizienzgleichung zu streichen.

Das maximale Maß an Drehmomentvervielfachung, das von einem Wandler erzeugt wird, hängt stark von der Größe und Geometrie der Turbine und der Statorschaufeln ab und wird nur erzeugt, wenn sich der Wandler in oder nahe der Stillstandsphase befindet. Typische Multiplikationsverhältnisse des Überziehdrehmoments reichen für die meisten Automobilanwendungen von 1,8: 1 bis 2,5: 1 (obwohl Mehrelementkonstruktionen, wie sie im Buick Dynaflow und im Chevrolet Turboglide verwendet werden, mehr produzieren könnten). Spezielle Konverter, die für Kraftübertragungssysteme für Industrie, Schiene oder schwere Seefahrt ausgelegt sind, können bis zu 5,0: 1 multiplizieren. Im Allgemeinen gibt es einen Kompromiss zwischen maximaler Drehmomentvervielfachung und Wirkungsgrad – Wandler mit hohem Strömungsabrissverhältnis sind unterhalb der Kopplungsgeschwindigkeit tendenziell relativ ineffizient, während Wandler mit niedrigem Strömungsabrissverhältnis dazu neigen, eine weniger mögliche Drehmomentvervielfachung bereitzustellen.

Die Eigenschaften des Drehmomentwandlers müssen sorgfältig auf die Drehmomentkurve der Stromquelle und die beabsichtigte Anwendung abgestimmt werden. Durch Ändern der Schaufelgeometrie des Stators und / oder der Turbine werden die Drehmomentstillstandseigenschaften sowie der Gesamtwirkungsgrad der Einheit geändert. Beispielsweise verwenden Drag-Racing-Automatikgetriebe häufig Wandler, die so modifiziert sind, dass sie hohe Überziehgeschwindigkeiten erzeugen, um das Off-the-Line-Drehmoment zu verbessern und schneller in das Leistungsband des Motors zu gelangen. Straßenfahrzeuge verwenden im Allgemeinen Drehmomentwandler mit geringerem Strömungsabriss, um die Wärmeerzeugung zu begrenzen und den Fahrzeugeigenschaften ein festeres Gefühl zu verleihen.

Ein Konstruktionsmerkmal, das einst in einigen Automatikgetrieben von General Motors zu finden war, war der Stator mit variabler Steigung, bei dem der Anstellwinkel der Schaufeln als Reaktion auf Änderungen der Motordrehzahl und -last variiert werden konnte. Dies hatte zur Folge, dass der vom Wandler erzeugte Betrag der Drehmomentvervielfachung variiert wurde. Bei normalem Anstellwinkel bewirkte der Stator, dass der Wandler eine moderate Multiplikation erzeugte, jedoch mit einem höheren Wirkungsgrad. Wenn der Fahrer abrupt die Drosselklappe öffnete, würde ein Ventil die Statorsteigung auf einen anderen Anstellwinkel umschalten und die Drehmomentvervielfachung auf Kosten der Effizienz erhöhen.

Einige Drehmomentwandler verwenden mehrere Statoren und / oder mehrere Turbinen, um einen größeren Bereich der Drehmomentvervielfachung bereitzustellen. Solche Mehrelementwandler sind in industriellen Umgebungen häufiger als in Automobilgetrieben, aber es gab auch Automobilanwendungen wie Buicks Triple Turbine Dynaflow und Chevrolets Turboglide. Der Buick Dynaflow nutzte die Drehmomentvervielfachungseigenschaften seines Planetenradsatzes in Verbindung mit dem Drehmomentwandler für niedrigen Gang und umging die erste Turbine, wobei nur die zweite Turbine mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet wurde. Der unvermeidbare Kompromiss mit dieser Anordnung war ein geringer Wirkungsgrad, und schließlich wurden diese Getriebe zugunsten der effizienteren Drei-Gang-Einheiten mit einem herkömmlichen Dreielement-Drehmomentwandler eingestellt. Es zeigt sich auch, dass der Wirkungsgrad des Drehmomentwandlers bei sehr niedrigen Drehzahlen maximal ist.

Überbrückungsdrehmomentwandler[edit]

Wie oben beschrieben, verringern Antriebsverluste innerhalb des Drehmomentwandlers den Wirkungsgrad und erzeugen Abwärme. In modernen Automobilanwendungen wird dieses Problem üblicherweise durch die Verwendung einer Überbrückungskupplung vermieden, die das Laufrad und die Turbine physikalisch verbindet und den Wandler effektiv in eine rein mechanische Kupplung verwandelt. Das Ergebnis ist kein Schlupf und praktisch kein Leistungsverlust.

Die erste Automobilanwendung des Überbrückungsprinzips war das 1949 eingeführte Ultramatic-Getriebe von Packard, das den Konverter bei Reisegeschwindigkeiten blockierte und entriegelte, wenn der Gashebel für eine schnelle Beschleunigung gedrückt wurde oder wenn das Fahrzeug langsamer wurde. Dieses Merkmal war auch in einigen Borg-Warner-Getrieben vorhanden, die in den 1950er Jahren hergestellt wurden. In den Folgejahren geriet es aufgrund seiner zusätzlichen Komplexität und Kosten in Ungnade. In den späten 1970er Jahren tauchten die Überbrückungskupplungen als Reaktion auf die Forderung nach einem verbesserten Kraftstoffverbrauch wieder auf und sind nun nahezu universell in Automobilanwendungen.

Kapazitäts- und Fehlermodi[edit]

Wie bei einer Grundfluidkupplung ist die theoretische Drehmomentkapazität eines Wandlers proportional zu

rN.2D.5{ displaystyle r , N ^ {2} D ^ {5}}

, wo

r{ displaystyle r}

ist die Massendichte der Flüssigkeit (kg / m³),

N.{ displaystyle N}

ist die Laufraddrehzahl (U / min) und

D.{ displaystyle D}

ist der Durchmesser (m).[1] In der Praxis wird die maximale Drehmomentkapazität durch die mechanischen Eigenschaften der in den Komponenten des Wandlers verwendeten Materialien sowie durch die Fähigkeit des Wandlers, Wärme abzuleiten (häufig durch Wasserkühlung), begrenzt. Als Hilfsmittel für Festigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Produktion sind die meisten Kfz-Wandlergehäuse geschweißt. Industrieanlagen werden normalerweise mit Schraubgehäusen zusammengebaut. Dies ist ein Konstruktionsmerkmal, das den Inspektions- und Reparaturprozess vereinfacht, aber die Kosten für die Herstellung des Konverters erhöht.

Bei kommerziellen Hochleistungs-, Renn- und Hochleistungskonvertern können Pumpe und Turbine durch ein als Ofenlöten bezeichnetes Verfahren weiter verstärkt werden, bei dem geschmolzenes Messing in Nähte und Verbindungen gezogen wird, um eine stärkere Verbindung zwischen den Schaufeln, Naben und dem Ring herzustellen ( s). Da der Ofenlötprozess an der Stelle, an der eine Schaufel auf eine Nabe oder einen Ring trifft, einen kleinen Radius erzeugt, tritt eine theoretische Abnahme der Turbulenzen auf, was zu einer entsprechenden Effizienzsteigerung führt.

Das Überladen eines Konverters kann zu mehreren Fehlermodi führen, von denen einige potenziell gefährlich sind:

  • Überhitzung: Ein anhaltend hoher Schlupf kann die Fähigkeit des Konverters, Wärme abzuleiten, überfordern, was zu einer Beschädigung der Elastomerdichtungen führt, die die Flüssigkeit im Konverter zurückhalten. Dies führt dazu, dass das Gerät leckt und schließlich aufgrund von Flüssigkeitsmangel nicht mehr funktioniert.
  • Festhalten der Statorkupplung: Die inneren und äußeren Elemente der Einweg-Statorkupplung werden dauerhaft miteinander verriegelt, wodurch verhindert wird, dass sich der Stator während der Kupplungsphase dreht. Am häufigsten wird ein Anfall durch starke Belastung und anschließende Verformung der Kupplungskomponenten ausgelöst. Schließlich kommt es zu einem Abrieb der zusammenpassenden Teile, was einen Anfall auslöst. Ein Wandler mit einer festgefahrenen Statorkupplung weist während der Kupplungsphase einen sehr schlechten Wirkungsgrad auf, und in einem Kraftfahrzeug steigt der Kraftstoffverbrauch drastisch an. Eine Überhitzung des Wandlers unter solchen Bedingungen tritt normalerweise auf, wenn versucht wird, den Betrieb fortzusetzen.
  • Bruch der Statorkupplung: Eine sehr abrupte Kraftanwendung kann zu einer Stoßbelastung der Statorkupplung führen und zu einem Bruch führen. In diesem Fall dreht sich der Stator frei entgegen der Richtung der Pumpe und es findet fast keine Kraftübertragung statt. In einem Automobil ähnelt der Effekt einem schweren Fall von Getriebeschlupf, und das Fahrzeug ist so gut wie unfähig, sich aus eigener Kraft zu bewegen.
  • Verformung und Fragmentierung der Klinge: Bei abrupter Belastung oder übermäßiger Erwärmung des Wandlers können sich Pumpen- und / oder Turbinenschaufeln verformen, von ihren Naben und / oder Ringringen trennen oder in Fragmente zerfallen. Zumindest führt ein solcher Ausfall zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust, der ähnliche (wenn auch weniger ausgeprägte) Symptome hervorruft wie bei einem Ausfall der Statorkupplung. In extremen Fällen kommt es zu einer katastrophalen Zerstörung des Konverters.
  • Ballonfahren: Ein längerer Betrieb unter übermäßiger Belastung, sehr abrupter Lastanwendung oder Betrieb eines Drehmomentwandlers mit sehr hoher Drehzahl kann dazu führen, dass die Form des Wandlergehäuses aufgrund des Innendrucks und / oder der durch Trägheit verursachten Beanspruchung physikalisch verzerrt wird. Unter extremen Bedingungen führt das Ballonfahren zum Bruch des Konvertergehäuses, was zu einer heftigen Verteilung von heißem Öl und Metallfragmenten über einen weiten Bereich führt.

Hersteller[edit]

Aktuell[edit]

  • Aisin AW, verwendet in Automobilen
  • Allison Transmission, verwendet in Bus-, Müll-, Feuer-, Bau-, Vertriebs-, Militär- und Spezialanwendungen
  • BorgWarner, verwendet in Automobilen
  • Exedy, verwendet in Automobilen
  • Isuzu, verwendet in Automobilen
  • Jatco, verwendet in Automobilen
  • LuK USA LLC produziert Drehmomentwandler für Ford, GM, Allison Transmission und Hyundai
  • Subaru, in Automobilen verwendet
  • Twin Disc, verwendet in Fahrzeug-, See- und Ölfeldanwendungen
  • Valeo produziert Drehmomentwandler für Ford, GM, Mazda, Subaru
  • Voith Turbo-Getriebe, eingesetzt in vielen Diesellokomotiven und Dieseltriebzügen
  • ZF Friedrichshafen, Automobile, Forstmaschinen, beliebt in Stadtbusanwendungen

Vergangenheit[edit]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]


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