Drehmomentwandler

ZF Drehmomentwandler auf der BAUMA 2007

Drehmomentwandler (Schnittmodell) Porsche-Museum Stuttgart

Ein Wandler, auch Drehmomentwandler oder Föttinger-Wandler genannt, ist ein hydraulisches Bauelement, das eine Kraftübertragung zwischen Bauteilen ermöglicht, die mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren. Drehmomentwandler gehören nicht zu den physikalischen Wandlern, sondern zu den variablen Getrieben, da sie eine Untersetzung bewirken. Sie werden als hydrodynamische Getriebe in Kraftfahrzeugen und Lokomotiven eingesetzt, ursprünglich wurden sie für Schiffsantriebe entwickelt. 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.

Funktionsweise

Ein Drehmomentwandler besteht im einfachsten Fall aus den Bauteilen Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad, die in einem gemeinsamen öldichten Gehäuse eingebaut sind. Das Prinzip der hydrodynamischen Kraftübertragung ist, dass eine Flüssigkeit (Öl, Wasser, o.A.) von den Schaufeln des Pumpenrades erfasst und beschleunigt wird. Das Pumpenrad, das direkt vom Motor angetrieben wird, wandelt die mechanische Energie in Strömungsenergie um, es bildet die so genannte Primärseite. Das Turbinenrad, das bei reinen hydrodynamischen Getrieben direkt mit der Getriebeabtriebswelle verbunden (Sekundärseite) ist, nimmt diese Strömungsenergie wieder auf und stellt mechanische Energie am Abtrieb des Wandlers bereit. Das Leitrad ist fest mit dem Gehäuse verbunden und kann sich daher nicht drehen. Das Öl stützt sich an den um etwa 90 Grad gekrümmten Schaufeln des Leitrades ab und bewirkt dabei einen starken Rückstau, der an den Schaufeln des Turbinenrades eine Vergrößerung des Momentes zur Folge hat. Dadurch ist das Drehmoment an der Turbinenradwelle (Abtriebswelle) größer als das in den Drehmomentwandler eingeleitete Motordrehmoment. 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. Weiterhin leitet das Leitrad den Ölstrom in einem günstigen Winkel zurück auf die Schaufeln des Pumpenrades, damit ist der Ölkreislauf in sich geschlossen. Die übertragbare Leistung ist außer von der Auslegung des Wandlers nur von der Drehzahl abhängig und steigt mit dieser an.

Die Drehmomentwandlung hängt von der Drehzahldifferenz zwischen Pumpen- und Turbinenrad ab. Je größer die Differenz, desto größer kann auch die Drehmomentüberhöhung werden. Wenn sich beide Drehzahlen angleichen, sinken der Wirkungsgrad und die Momentenüberhöhung des Wandlers ab. Es gibt mehrere Lösungsansätze, um dennoch einen gleichbleibend hohen Wirkungsgrad zu erzielen: In großen Getrieben werden meist mehrere hydraulische Kreisläufe für verschiedene Drehzahlbereiche verwendet, die entsprechend automatisch gefüllt bzw. entleert werden. Beim so genannten Trilok-Wandler ist das Leitrad auf einem Freilauf gelagert, sodass der Wandler zur reinen hydrodynamischen Kupplung (Kupplungsbereich) umgeschaltet werden kann; das Leitrad dreht sich nach dem Umschalten frei mit. Bei neueren Automatikgetrieben wird eine Überbrückungskupplung (Wandlerüberbrückungskupplung, kurz: WÜK) eingesetzt. Diese verbindet das Pumpenrad direkt mit dem Turbinenrad. Somit stellt sich eine direkte mechanische Verbindung zwischen Antriebs- und Abtriebsseite ein, was einem Wirkungsgrad von nahezu 100% entspricht. Allerdings findet so, wie auch beim Trilok-Wandlers nach der Umschaltung, keine Drehmomentwandlung mehr statt.

Der Wandler dämpft auch Drehschwingungen im Antriebsstrang, so dass Anregungen des Motors nicht über die Kardan- und Antriebswellen auf die Karosserie übertragen werden.

Einbau in Fahrzeugen

Drehmomentwandler (rechts oben) in einem Baumaschinengetriebe

Der Drehmomentwandler wird im Kraftfahrzeug- und Baumaschinenbau typischerweise in Automatikgetrieben eingesetzt und verbindet die Kurbelwelle mit den weiteren Teilen des Automatikgetriebes. Im Lokomotiv- und Schiffsbau werden oft reine hydrodynamische Getriebe eingesetzt, die mehrere Drehmomentwandler bzw. hydraulische Kupplungen enthalten.

Da der Wirkungsgrad eines Drehmomentwandlers selten 85 % übersteigt und im Kupplungsbereich eines Trilok-Wandlers bei etwa 95 % liegt, wird ein erheblicher Teil der Getriebe-Eingangsleistung in Wärme umgesetzt, die abgeführt werden muss. Deshalb wird ein Teil der Arbeitsflüssigkeit permanent in Umlauf gehalten und gekühlt. Der Einsatz einer Wandlerüberbrückungskupplung verringert die Verlustleistung erheblich. 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 schleifende konventionelle Kupplung. PKW mit ideal ausgelegten Getriebeautomaten und Drehmomentwandlern können dank der Drehmomentüberhöhung des Trilok-Wandlers oft schneller beschleunigen als gleiche handgeschaltete Fahrzeuge.

Mit der Überbrückung des Drehmomentwandlers verbessert sich der Wirkungsgrad, jedoch wird auch der schwingungsdämpfende Effekt eliminiert, da die Kraftübertragung über den mechanischen Kraftschluss und nicht mehr über die Hydraulikflüssigkeit stattfindet. Um hier den Komfortanforderungen gerecht zu werden, können sogenannte Turbinentorsionsdämpfer (TTD) eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit, diesen Nachteil zu minimieren, besteht darin, die Wandlerüberbrückungskupplung nicht vollständig zu schließen, sondern mit einer last- und drehzahlabhängigen Schlupfdrehzahl zu betreiben. Die dabei in den Reibelementen der Überbrückungskupplung entstehende Wärme muss allerdings ebenfalls über einen ausreichend dimensionierten, kontinuierlichen Austausch der Flüssigkeit im Wandler abgeführt werden.

Siehe auch

• Strömungsgetriebe
• Visco-Kupplung

Literatur

• Hans Joachim Förster: Stufenlose Fahrzeuggetriebe in mechanischer, hydrostatischer, hydrodynamischer, elektrischer Bauart und in Leistungsverzweigung : Grundlagen, Bauformen, Wechselwirkung, ISBN 3-8249-0268-0, Verlag TÜV Rheinland
• Johannes Feihl: Die Diesellokomotive ISBN 978-3-613-71370-3, transpress Verlag

Weblinks

 Commons: Drehmomentwandler – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

ZF Friedrichshafen AG Drehmomentwandler.

LUK hydraulischer Drehmomentwandler.