Drehmomentwandler
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Ein Wandler, auch Drehmomentwandler oder Föttinger-Wandler genannt, ist ein hydraulisches Bauelement, das eine Kraftübertragung zwischen Bauteilen, die mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, ermöglicht. Wandler werden als hydrodynamische Getriebe in Kraftfahrzeugen und Lokomotiven eingesetzt. Als Erfinder gilt der Ingenieur Hermann Föttinger. In Kraftfahrzeugen mit Automatikgetriebe wird heute meist ein Trilok-Wandler als Anfahrelement eingesetzt.
Der Effekt des Trilok-Wandlers ist, dass beim Anfahren eine hohe Antriebsdrehzahl mit relativ geringem Drehmoment am Antrieb - bei geringer oder gar keiner Drehzahl am Abtrieb - ein hohes Drehmoment am Abtrieb erzeugt. Der Wechsel von hohem Drehmoment bei niedriger Abtriebsdrehzahl zu niedrigem Drehmoment bei hoher Abtriebsdrehzahl erfolgt stufenlos und selbsttätig bei konstanter Motorleistung. Der Wandlungsbereich liegt heute bei bis zu 1:3, das Abgangsdrehmoment erreicht das dreifache Eingangsdrehmoment.
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[Bearbeiten] Funktionsweise
Das Prinzip der hydrodynamischen Kraftübertragung ist, dass eine Flüssigkeit (Öl, Wasser o.ä.) von den Schaufeln des Pumpenrades erfasst und beschleunigt wird. Das Pumpenrad, das direkt vom Motor angetrieben wird, wandelt die mechanische Energie des Motors in Strömungsenergie um (-> Wandler). Im Turbinenrad, das mit der Getriebeeingangswelle (des oft nachgeschalteten mechanischen Getriebes, also der Ausgangswelle des Wandlers) verbunden ist, wird die aus dem Pumpenrad strömende Flüssigkeit in ihrer Richtung umgelenkt. Je nach Größe dieser Umlenkung erfährt das Turbinenrad und somit die Getriebewelle ein mehr oder weniger starkes Reaktionsmoment. Soweit entspricht die Funktion einer Föttinger-Kupplung.
Bei einem Wandler befindet sich zwischen Pumpen- und Turbinenrad ein zusätzliches Leitrad, das die Aufgabe hat, die aus dem Turbinenrad strömende Flüssigkeit so umzulenken, dass sie mit optimaler Anströmrichtung wieder dem Pumpenrad zugeleitet wird. Durch diese Umlenkung erhöht sich das Moment am Turbinenrad. Gleichzeitig erfährt auch das Reaktionsglied (Leitrad) ein entsprechendes Moment, das abgestützt werden muss. Das Leitrad ist als Momentenstütze notwendig, da andernfalls keine Drehmomentwandlung erfolgen kann und nur die Funktion einer reinen Kupplung erreicht würde. Die übertragene Leistung steigt mit der Drehzahl an.
Die Drehmomentüberhöhung hängt auch von der Drehzahldifferenz zwischen Pumpen und Turbinenrad ab. Je größer die Differenz, um so größer kann auch die Drehmomentüberhöhung werden. Wenn sich beide Drehzahlen angleichen, sinkt der Wirkungsgrad und die Momentenüberhöhung des Wandlers ab. Aus diesem Grund lagert man beim Trilok-Wandler das Leitrad auf einem Freilauf, so dass unter bestimmten Strömungsverhältnissen der Wandler wieder zur reinen Föttinger-Kupplung wird und das Leitrad frei mitdreht.
Der Wandler dämpft auch Schwingungen im Antriebsstrang, so dass Anregungen des Motors nicht über die Kardan- und Antriebswellen auf die Karosserie zurückübertragen werden.
[Bearbeiten] Einbau in Fahrzeugen
Der Drehmomentwandler wird typischerweise in Automatikgetrieben eingesetzt und verbindet die Kurbelwelle mit dem Getriebe.
Da der Wirkungsgrad des Wandlers selten 85 % übersteigt, bedeutet dies, dass mindestens 15 % der Getriebe-Eingangsleistung als Wärme abgeführt werden müssen. Darum muss ein Teil der Flüssigkeit permanent in Umlauf gehalten und gekühlt werden. Um den Leistungsverlust zu vermeiden, kommt bei modernen PKWs eine Überbrückungskupplung zum Einsatz. Die Kupplung verbindet Ein- und Ausgangswelle und überbrückt damit den Drehmomentwandler. Häufig wird die Kupplung schon in den niedrigen Gängen verwendet und der Drehmomentwandler weitgehend auf seine Funktion als Anfahrelement beschränkt. Beim Anfahren bietet ein Trilok-Wandler dank Momentenüberhöhung sogar einen höheren Wirkungsgrad als eine konventionelle Kupplung. Autos mit ideal ausgelegten Getriebeautomaten und Drehmomentwandlern können hierdurch teils schneller beschleunigen als per Hand geschaltete Fahrzeuge.
Mit einer Überbrückung des Drehmomentwandlers verbessert sich der Wirkungsgrad, es wird jedoch auch der schwingungsdämpfende Effekt eliminiert, da die Kraftübertragung über mechanisch gekoppelte Elemente und nicht mehr über die Hydraulikflüssigkeit stattfindet. Um hier den Komfortanforderungen gerecht zu werden, können sogenannte Turbinentorsionsdämpfer (TTD) eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit, die Nachteile zu minimieren, besteht darin, die Wandlerüberbrückungskupplung nicht vollständig zu schließen, sondern mit einer last- und drehzahlabhängigen Schlupfdrehzahl zu betreiben. Die hierbei in den Reibelementen der Überbrückungskupplung entstehende Wärme muss allerdings ebenfalls wieder über einen ausreichend dimensionierten, kontinuierlichen Austausch der Flüssigkeit im Wandler abgeführt werden.
