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Eydrodynamischer Drehmomentwandler Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen
Drehmomentwandler mit einem im Wandler eingebauten Planetengetriebe und einer den
Direktgang des Planetengetriebes einschaltenden Uberbrückungskupplung, wobei das
Ringrad des Planetengetriebes mit dem Turbinenrad des Wandlers und der die Planetenräder
tragende Steg des Planetengetriebes mit der Abtriebswelle starr verbunden sind und
das Sonnenrad des Planetengetriebes auf einem Freilauf abgestützt ist.
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Halb- oder Vollautomaten für Kraftfahrzeuge mit einem von einem Motor
angetriebenen hydrodynamischen Drehmomentwandler und einem dem Wandler nachgeschalteten
Getriebe können nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn sie mit Motoren gepaart
werden, die im unteren Drehzahlbereich bereits ein hohes Drehmoment abgeben. Da
im allgemeinen Brennkraftmaschinen nur mit einem größeren Hubraum bzw.:mit einem
größeren Brennkammervolumen bei niedrigeren Drehzahlen bereits in der Lage sind,
ihr großes Drehmoment abzugeben, können für Automaten in der Regel nur Brennkraftmaschinen
mit einem größeren Brennkammervolumen sinnvoll eingesetzt werden. Bei einer Verwendung
von Motoren mit einem schwachen Drehmoment im unteren Drehzahlbereich ist das Gesamtmoment
im Anfahrbereich entsprechend niedrig, so daß das Fahrzeug nur verhältnismäßig langsam
anfahren kann.
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Die meisten der in Europa gebauten Motore für Kraftfahrzeuge sind
Motore mit einem kleineren Hubraum, die-im unteren Drehzahlbereich nur einen Bruchteil
ihres Drehmomentes abgeben. Um auch im unteren Drehzahlbereich drehmoment-schwache
Hub- oder Trehkolbenmotore mit Automaten paaren zu können, hat man im hydrodynamischen
Drehmomentwandler ein Zweigangzusatzgetriebe untergebracht, durch welches ein genügend
großes Gesamtmoment im Snfahrbereich erziel-t werden konnte. Bei dem im Drehmomentwandler
untergebrachten Zweigangzusatzgetriebe handelt es sich um ein Planetengetriebe,
dessen Ringrad starr mit dem Turbinenrad des Wandler und dessen die Planetenräder
tragender Steg starr mit der Abtriebswelle des Wandlers verbunden sind.
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Das Sonnenrad des Planetengetriebes ist auf einem Freilauf abgestützt,
der außerhalb des Wandleisangeordnet ist.
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Ein derartiger hydrodynamischer Drehmomentwandler mit einem im Wandler
eingebauten Planetengetriebe, dessen Sonnenrad auf einem außerhalb des Wandlers
angeordneten Freilauf abgestützt ist, hat eine sehr aufwendige Konstruktion, welche
die Herstellung des Wandlers erschwert und teuer macht.
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Darüberhinaus bedingt diese Konstruktion eine verhältnismäßig große
Bauform, da zur Abstützung des im Wandler untergebrachten Sonnenrades auf dem außerhalb
des Wandlers angeordneten Freilauf eine zusätzliche Hohlwelle erforderlich ist,
welche die üblichen, ineinander angeordneten und aus dem Wandler führenden Wellen
umgeben muß.
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Selbst wenn man versuchen wollte, den außerhalb des bekannten Wandlers
angeordneten Freilauf im Innenraum des Wandlers unterzubringen, wäre nach wie vor
eine zusätzliche Hohlwelle erforderlich, um das Sonnenrad des im Wandler angeordneten
Planetengetriebes auf dem Freilauf abstützen zu können. Durch diese Maßnahme könnte
weder der kcjnstruktive Aufwand des Wandlers vereinfacht noch die Baugröße des Wandlers
vermindert werden. Vielmehr würde die Baugröße des Wandlers zunehmen, wenn man den
das Sonnenrad abstützenden
Freilauf im Inneren des Wandlers unterbringen
wollte. Durch den Einbau des das Sonnenrad abstützenden Freilaufes im Inneren des
Wandlers nehmen die Abmessungen in radialer Richtung nicht ab, während die Abmessungen
in axialer Richtung zunehmen. Die radialen Abmessungen bleiben deswegen unverändert
erhalten, da nach wie vor eine zusätzliche Hohlwelle zur Abstützung des Sonnenrades
auf dem Freilauf erforderlich ist. Die Zunahme der Abmessungen in axialer Richtung
geht darauf zurück, daß noch ein zusätzliches Aggregat im Wandler untergebracht
werden muß.
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Mit der Erfindung sollte daher ein hydrodynamischer Drehmomentwandler
mit einem eingebauten Planetengetriebe geschaffen werden, der einen äußerst einfachen
Aufbau hat, einfach und billig herzustellen ist und darüber hinaus sehr klein gebaut
werden kann.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Freilauf des
Sonnenrades gleichzeitig der Freilauf des Leitrades des Wandlers ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen, hydrodynamischen Drehmomentwandler haben
das Sonnenrad des im Inneren des Wandlers unterbrachten Planetengetriebes und das
Leitrad des Wandlers einen gemeinsamen Freilauf. Das Sonnenrad des Planetengetriebes
und das Leitrad des Wandlers sind auf diese Weise starr miteinander verbunden. Aufgrund
der erfindungsgemäßen Maßnahme läßt sich der hydrodynamische Drehmomentwandler sehr
einfach und sehr billig herstellen und mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen bauen,
da zur Unterbringung und Abstützung des im Wandler angeordneten Planetengetriebes
keine zusätzlichen Bauelemente mehr erforderlich sind, sondern zur Abstützung des
Planetengetriebes ohnehin im Wandler vorhandene Bauelemente verwendet werden.
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Wenn das Pumpen-rad des Wandlers vom Motor angetrieben wird, dreht
sich das Turbinenrad, während das sich am Freilauf
abstützende Leitrad
stillsteht. Der Preilauf sperrt das Leitrad gegen eine der Motordrehrichtung entgegengesetzte
Drehbewegung und gibt das Leitrad in der Drehrichtung des Motors für eine Drehbewegung
frei. Da das Leitrad des Wandlers und das Sonnenrad des Planetengetriebes su einer
starren Baueinheit zusammengefaßt sind, wird das Sonnenrad gemeinsam mit dem Leitrad
festgehalten. Das sich mit dem Turbinenrad des Wandlers drehende Ringrad des Planetengetriebes
treibt die Planetenräder an, die auf dem feststehenden Sonnenrad ablaufen. Hierdurch
wird der die Planetenräder tragende Steg des Planetengetriebes in Umdrehung versetzt.
Da der Planetensteg mit der Abtriebswelle des Wandlers starr verbunden ist, wird
die Drehbewegung des Planetensteges nach außen abgegeben. Hierdurch entsteht in
bekannter Weise eine Übersetzung in das Langsame, die zu einer Steigerung des Drehmomentes
führt.
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Wenn sich die Drehzahl des Turbinenrades der Drehzahl des Pumpenrades
angenähert hat, gelangt das aus den Schaufeln des Turbinenrades austretende Strömungsmedium
auf die Rückseite der Leitradschaufeln, so daß das Leitrad beginnt, sich gemeinsam
mit dem Pumpen- und Turbinenrad in der Drehrichtung des Motors zu drehen. Den Zeitpunkt,
in welchem sich das Leitrad zu drehen beginnt, nennt man den Kupplungspunkt, da
der Wandler ab diesem Zeitpunkt wie eine hydrodynamische Kupplung wirkt. Mit dem
Leitrad des Wandlers dreht sich auch das Sonnenrad des Planetengetriebes. Mit zunehmender
Umdrehungszahl des Leitrades nähert sich die Umdrehungszahl des Sonnenrades der
Umdrehungszahl des mit dem Turbinenrad verbundenen Ringrades immer mehr an. Der
mit den Planetenrädern zwischem dem Ringrad und dem Sonnenrad umlaufende Steg bildet
das Mittel aus den Umdrehungszahlen des Ringrades und des Sonnenrades und gibt diese
gemittelte Drehzahl nach außen ab. Je mehr sich die Drehzahl des Leitrades der Drehzahl
des Turbinenrades annähert, desto größer wird die Drehzahl des Planetensteges.
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Wenn das Leitrad die gleiche Drehzahl wie das Turbinenrad erreichen
könnte, würde der Planetensteg mit der Drehzahl des Turbinenrades angetrieben werden.
Da dies jedoch in der Praxis nicht möglich ist, wird eine Uberbrückungskupplung
vorgesehen, welche für eine Direktgangschaltung der Wandler- Planetengetriebe-Einheit
sorgt. Durch eine derartige Überbrückungskupplung kann erreicht werden, daß die
Abtriebswelle des Wandlers im wesentlichen mit der Drehzahl des Motors angetrieben
wird. Bei einer besonderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Drehmomentwandlers
ist die tiberbrückungskupplung im torusförmigen Ringraum des Wandlers untergebracht
und verbindet die Uberbückungskupp lung das Pumpenrad mit dem Leitrad. Durch den
Einbau der Uberbrückungskupplung in den torusförmigen Ringraum des Wandlers wird
ein ansich toter Raum des Wandlers ausgenutzt, so daß die Außenabmessungen des Wandlers
durch den Einbau der Überbrückungskupplung nicht zunehmen. Bei der erfindungsgemäßen
Ausgestaltungsform werden somit die in einem Wandler zwangs weise vorhandenen Innenräume
optimal ausgenutzt.
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Bei der soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform
mit einer im torusförmigen Ringraum angeordneten Uberbrückungskupplung liegt eine
Leistungsverzweigung vor. Auf der einen Seite wird die vom Motor abgegebene Kraft
über das Pumpenrad auf das Turbinenrad und somit auf das Ringrad des Planetengetriebes
abgegeben. Auf der anderen Seite fließt bei eingerückt er Kupplung die Kraft des
Motors über das Leitrad auf das Sonnenrad des Planetengetriebes. Bei eingerückter
Kupplung wird somit das Sonnenrad des Planetengetriebes mit der Drehzahl des Motors
angetrieben, während das mit Schlupf gegen das Pumpenrad laufende Turbinenrad das
Ringrad des Planetengetriebes mit einer Drehzahl antreibt, die etwas unter der Motordrehzahl
liegt. Der Schlupf des Ringrades gegen das Sonnenrad wird durch die Planetenräder
und den Steg gemittelt, so daß letztendlich nurmehr der halbe Schlupf des Ringrades
gegen die Motordrehzahl durch den Planetensteg nach außen abgegeben wird. Durch
diese Maßnahme kann im Direktgang ein
wesentlich größerer Wirkungsgrad
der Wandler- Planetengetriebe-Einheit erzielt werden, der auch in einem geringeren
Kraftstoffverbrauch sichtbar wird.
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Eine besonders einfache und billige Bauform der-Überbrückungskupplung
kann dadurch erreichtwerden, daß die Überbrückungskupplung eine mit dem Pumpenrad
starr verbundene Trommel aufweist, die in eine ringkanalartige, mit dem Leitrad
starr verbundene Doppeltrommel eintaucht und daß am Außenumfang der mit dem Pumpenrad
starr verbundenen Trommel und am Außenumfang der kleinen Trommel der mit dem Leitrad
verbundenen Doppeltrommel fliehkraftunterworfene Kupplungsbacken angeordnet sind,
die sich bei Erreichen einer bestimmten Umdrehungszahl der Trommeln am Innenumfang
der nächstgrößeren Trommel anlegen.
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Wenn die fliehkraftunterworfenen Kupplungsbacken der mit dem Pumpenrad
verbundenen Trommel und der mit dem Leitrad verbundenen Trommel eine unterschiedliche
Fliehkraftcharakteristik haben, erhält die Kupplung eine Hysteresis, so daß die
Kupplung bei unterschiedlichen Betriebsverhältnissen einrückt und ausrückt.
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Es ist jedoch auch möglich, den erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Drehmomentwandler mit einer Vollüberbrückungskupplung auszustatten, welche den Wandler
in eingerücktem Zustand voll überbrückt und ohne jede weitere Funktion leer mitlaufen
läßt. Eine derartige Kupplung läßt sich beispielsweise dadurch verwirklichen, daß
die Überbrückungskupplung in ansich bekannter Weise eine im Wandlerraum untergebrachte
Scheibenkupplung ist, welche das vom Motor angetriebene Wandlergehäuse mit dem Planetensteg
verbindet. Bei dieser Abwandlungsform des erfindungsgemäßen Wandlers wird der Motor
direkt mit dem Planetensteg, d. h. mit der Abtriebswelle des Wandlersverbunden,
so daß der Wandler bei eingerückter Kupplung umgangen wird.
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Im nachstehenden werden zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Wandlers anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Figur
1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Drehmomentwandl er s Figur 2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Wandlers.
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In Figur 1 ist die obere Hälfte eines zur Drehachse 1 symmetrischen,
hydrodynamischen Drehmomentwandlers 2 dargestellt. Der Wandler 2 weist ein von einem
nicht dargestellten Motor angetriebenes Gehäuse 3 auf. Ein Pumpenrad 4 ist mit der
Innenwand des Gehäuses 3 starr verbunden. Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein Turbinenrad
5 drehbar gelagert. Ein im Inneren des Gehäuses 2 angeordnetes Leitrad 6 stützt
sich auf einem Freilauf 7 ab, welcher das Leitrad 6 gegen eine der Motordrehrichtung
entgegengesetzte Drehbewegung festhält und eine Drehbewegung des Leitrades in Motordrehrichtung
gestattet.
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Im Innenraum des Wandlergehäuses 2 ist ein Planetengetriebe 8 untergebracht.
Das Ringrad 9 des Planetengetriebes 8 ist mit dem Turbinenrad 5 des Wandlers starr
verbunden. Das Sonnenrad 10 des Planetengetriebes 8 ist mit dem Leitrad 6 des Wandlers
fest verbunden. Das Sonnenrad 10 und das Leitrad 6 sind gemeinsam auf dem Außenring
11 des Freilaufes 7 formschlüssig befestigt. Die Planetenräder 12 sind auf einem
Steg 13 drehbar gelagert, der mit der Abtriebswelle 14 des Wandlers starr verbunden
ist Im torusförmigen Ringraum;15 des Wandlers ist eine Überbrückungskupplung 16
angeordnet. Die Überbrückungskupplung 16 weist eine mit dem Pumpenrad 4 starr verbundene'
Trommel
17 sowie eine mit dem Leitrad 6 starr verbundene, ringkanalartige
Doppeltrommel 18 auf, die eine große Trommel 19 und eine kleine Trommel 20 besitzt.
Die mit dem Pumpenrad 4 starr verbundene Trommel 17 taucht in die ringkanalartige
Doppeltrommel 18 ein. Die große Trommel 19 und die kleine Trommel 20 der Doppeltrommel
18 und die Trommel 17 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die mit dem Pumpenrad
4 verbundene Trommel 17 weist fliehkraftunterworfene Kupplungsbacken 21 auf, die
sich bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl des Pumpenrades am Innenumfang der
großen Trommel 19 der Doppeltrommel 18 anlegen. Die kleine Trommel 20 der Doppeltrommel
18 besitzt in gleicher Weise fliehkraftunterworfene Kupplungsbacken 22, die sich
bei Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl des Leitrades 6 am Innenumfang der Trommel
17 anlegen. Die fliehkraftunterworfenen Kupplungsbacken 21 und 22 sind so eingestellt,
daß sie bei verschiedenen Drehzahlen an den sie umgebenden Trommeln angreifen. Hierdurch
erhält die Kupplung 16 eine Hysteresis, die verhindert, daß die Kupplung in einem
bestimmten Drehzahlbereich ständig zwischen der Einrückstellung und Ausrückstellung
pendelt.
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Wenn das Pumpenrad 4 bei ausgerückter Kupplung 16 vom Motor angetrieben
wird, treibt das vom Pumpenrad 4 umgewälzte Strömungsmedium das Turbinenrad 5 an,
während das Leitrad 6 vom Freilauf 7 festgehalten wird. Da das Ringrad 9 des Planetengetriebes
8 mit dem Turbinenrad 5 des Wandlers starr verbunden ist, dreht sich das Ringrad
9 mit der Geschwindigkeit des Turbinenrades 5. Das Sonnenrad 10 des Planetengetriebes
bildet mit dem Leitrad 6 eine Baueinheit und wird daher zusammen mit dem Leitrad
6 festgehalten. Das Ringrad 9 treibt die auf dem Steg 13 gelagerten Planetenräder
12 an, die auf dem feststehenden Sonnenrad 10 ablaufen.
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Hierdurch werden der Steg und die mit ihm starr verbundene Abtriebswelle
14 angetrieben. In dieser Schaltstellung wird die Drehzahl des Turbinenrades 5 in
eine sehr langsame Drehbewegung übersetzt, wodurch eine Drehmomentensteigerung erreicht
werden kann.
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Wenn sich die Drehzahl des Turbinenrades 5 der Drehzahl des Pumpenrades
4 angenähert hat, trifft das aus den Schaufeln des Turbinenrades 5 austretende Strömungsmedium
auf die Rückseiten der Leitradschaufeln, so daß sich das Leitrad 6 und damit das
Sonnenrad 10 in der Drehrichtung des Motors zu drehen beginnen. Der Steg 13 des
Planetengetriebes 8 dreht sich mit einer Geschwindigkeit, die dem Mittel der Drehgeschwindigkeiten
des Ringrades 9 und des Sonnenrades 10 entspricht. Je geringer der Unterschied zwischen
den Drehzahlen des Ringrades 9 und des Sonnenrades 10 ist, desto rascher dreht sich
der Steg 13 um.
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Bei Erreichen einer vorherbestimmten Drehzahl des Pumpenrades und
des Leitrades rückt die Kupplung 16 ein, so daß das Leitrad 6 mit dem Pumpenrad
4 kraftschlüssig verbunden ist. Das Leitrad 6 und damit das Sonnenrad 10 werden
in der Schaltstellung mit der Drehzahl des Pumpenrades angetrieben. Das Ringrad
9 hat die Drehzahl des Turbinenrades 5, die aufgrund des Schlupfes zwischem dem
Pumpenrad 4 und dem Turbinenrad 5 etwas unterhalb der Drehzahl des Pumpenrades 4
liegt. Der Steg 13 mittelt in diesem Fall die Drehzahl zwischen dem Ringrad 9 und
dem Sonnenrad 10 und gibt diese gemittelte Drehzahl über die Abtriebswelle 14 nach
außen ab. Durch diese Maßnahme wird der Schlupf zwischem dem Turbinenrad und dem
Pumpenrad:tzm' Hälfte herabgesetzt, wodurch der Wirkungsgrad des Wandlers gesteigert
wird, was sich in einem geringeren Kraftstoffverbrauch äußert.
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Der in Figur 2 dargestellte Wandler entspricht im wesentlichen dem
Aufbau des in Figur 1 gezeigten Wandlers. Das Wandlergehäuse, Pumpenrad, Turbinenrad,
Leitrad und das Planetengetriebe sind in der gleichen Weise aufgebaut.
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Soweit die Teile des in Figur 2 gezeigten Wandlers mit denen des in
Figur ru dargestellten Wandlers übereinstimmen, wurden die gleichen BezugSziffern
verwendet. Die beiden Bauformen
unterscheiden sich lediglich durch
die Art und Anordnung der Überbrückungskupplung. Bei dem in Figur 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel wurde in den Innenraum des Gehäuses 2 eine ansich bekannte Scheibenkupplung
25 vorgesehen, welche in eingerücktem Zustand das vom Motor angetriebene Wandlergehäuse
2 direkt mit dem Steg 13 des Planetengetriebes 8 verbindet. Bei Erreichen einer
bestimmten Drehzahl wird die Überbrückungskupplung 25 durch einen hydraulischen
Druck p eingerückt. Hierdurch sind der Motor und die Abtriebswelle 14 unter Umgehung
des Wandlers kurzgeschlossen. Der Wandler läuft in diesem Fall leer mit. Der Wandler
dient bei dieser Ausführungsform nur im unteren Drehzahlbereich zur Momentenwandelung.
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26 ist das Getriebegehäuseteil, das in den Wandler hineinragt und
über eine Feinverzahnung mit dem Innenring 27 des Freilaufs verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße Wandler mit einem eingebauten Planetengetriebe
ist von seinem äußeren Aussehen her kaum von einem herkömmlichen Wandler ohne ein
eingebautes Planetengetriebe zu unterscheiden. Die wesentlichen Außenabmessungen
dieser beiden, einander gegenüberstehenden Wandler und insbesondere die Form und
die Abmessungen der Abtriebswelle unterscheiden sich nicht. Dies hat den großen
Vorteil, daß die herkömmlichen, bereits in Kraftfahrzeuge eingebauten Wandler ohne
ein eingebautes Planetengetriebe ohne weiteres und ohne große Schwierigkeiten gegen
den erfindungsgemäßen Wandler ausgetauscht werden können.