Hydrodynamische Kraftübertragung

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1 6 è TECHNIK auto&wissen 2014 Nr. 6 Hydrodynamische Kraftübertragung In hydrodynamischen Getrieben erfolgt die Kraftübertragung durch die strömende Bewegung einer Flüssigkeit. Während die ursprüngliche Flüssigkeitskupplung in der Automobiltechnik eher selten anzutreffen ist, stellt der hydrodynamische Drehmomentwandler das Mass der Dinge dar. Wir nehmen das gewiefte System unter die Lupe. 6_14_te2b1 Bild 1. Moderner Drehmomentwandler mit Wandler-Überbrückungskupplung und Drehschwingungsdämpfer in realer und schematischer Darstellung. (Bild links ZF) èbruno Sinzig Die einfachste Bauart einer hydrodynamischen Kraft - übertragung ist die so ge nannte Flüssigkeitskupplung (Bild 2). Für die Anwendung in Fahrzeugen werden Pumpe und Turbine in einem gemein samen Gehäuse vereint. Die durch die Pumpe in Bewegung gesetzte Flüssigkeit treibt das Flügelrad in der Turbine an. Sobald sich das über die Flexplatte mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbundene Pumpenrad dreht, wird die Hydraulikflüssigkeit durch die Zentri - fugalkraft nach aussen geschleudert. Am Umfang trifft die Flüssigkeit auf die Schaufeln des Turbinenrades und gibt dabei einen grossen Teil der (Bewegungs-)Energie ab. Die abgegebene Energie versucht das Turbinenrad in Bewegung zu setzen, derweil das Öl anschliessend wieder in die Schaufeln des Pumpenrades eingeleitet wird. Diese Anordnung von Pumpenund Turbinenrad, welche mit geraden Schaufeln versehen ist, wird als hydrodynamische Kupplung oder Flüssigkeitskupplung bezeichnet. Da sie in der Lage ist, die Drehzahl zu wandeln, kann sie als verschleissfreie Anfahrkupplung eingesetzt werden. Nachteilig ist der jederzeit vorhandene, prinzipbedingte Schlupf zwischen Pumpen- und Turbinenrad. Bereits in den späten 1920er- Jahren experimentierte der Deutsche Hermann Föttinger an einer verbesserten Version der hydrodynamischen Kupplung. Dank eines zusätzlichen Flügelrades, welches als Leitrad bezeichnet wurde, konnte eine stufenlose Drehmomentverstärkung erzielt werden. Da das Leitrad bei kleinen Drehzahldifferenzen zwischen dem Pumpen- und Turbinenrad eine negative Wirkung zur Folge hatte, wurde dieses später mit einem Freilauf verse- 6_14_te2b2 hen. Das weiterentwickelte Sys - tem, bei welchem sich das Pumpen- sowie das Turbinenrad gegenüberstehen und das Leitrad am Innenradius angeordnet ist, dient als Basis für die modernen Drehmomentwandler und wird mitunter als Trilok-Wandler bezeichnet (Bild 1). Das eigentliche Wandlergehäuse ist über eine Treib- oder Mitnehmerscheibe verdrehfest mit der Kurbelwelle verbunden. Mit dem Gehäuse des Wandlers ist auch das Pumpenrad verblockt. Das Turbinenrad ist mit der Getriebeeingangswelle gekoppelt, der weil das Leitrad mit dem Freilauf auf einer feststehenden Hohl - welle mehr oder weniger einem Rohrstummel montiert ist. Der Freilauf lässt die Drehung des Leitrades lediglich in der gleichen Drehrichtung wie die Kurbelwelle zu. Wie die Flüssigkeitskupplung dient der hydrodynamische Dreh - momentwandler zum verschleiss - Bild 2. Das Prinzip der Kraftübertragung mittels Flüssigkeit (links) sowie die Anordnung des Pumpen- und Turbinenrades bei der Flüssigkeitskupplung (ohne Darstellung des Gehäuses). WELCOME TO THE WORLD OF ST SUSPENSIONS. KW automotive Schweiz AG Industriestrasse 13 CH-6343 Rotkreuz Tel: +41 (0) stsuspensions

2 auto&wissen 2014 Nr. 6 TECHNIK ç 7 6_14_te2b3 am Leitrad immer kleiner wird. Sobald die Drehzahl des Turbinenrades ungefähr 90 % der Pumpenraddrehzahl entspricht, arbeitet der Wandler praktisch als hydrodynamische Kupplung. Da keine Drehmomentsteigerung erzielt wird, bezeichnet man diese Phase als Kupplungspunkt. Bei noch höherer Drehzahl des Turbinenrades dessen Drehzahl nähert sich somit derjenigen des Pumpenrades an strömt das Öl fast geradlinig durch die einzelnen Schaufeln, es trifft auf die Rückseite der Leitradschaufeln auf. Damit der Ölstrom beziehungsweise das Turbinenrad nicht gebremst wird, ermöglicht der Freilauf das Mitdrehen des Leit - rades in derselben Richtung wie das Pumpen- und das Turbinenrad. Bild 3. A Anordnung der drei Hauptteile; B Der Strömungsverlauf im Drehmomentwandler: B1 Bei maximaler Drehmomentsteigerung; B2 Bei mittlerer Drehmomentsteigerung; B3 Ab dem Kupplungspunkt. freien, sanften Anfahren, wobei keine Gefahr besteht, dass der Motor abgewürgt wird. Ein wichtiger Vorteil besteht auch darin, dass durch die Kraftübertragung mittels Flüssigkeit Drehschwingungen des Motors gedämpft werden können. Der Drehmo mentwandler lässt zudem eine selbsttätige und stufenlose Anpassung der Dreh - momentverstärkung zu. Das vom Ver brennungsmotor erzeugte Dreh - moment kann bis zum mehr als 3- fachen Wert (bei PW zwischen Faktor 1,6 und 2,2) gesteigert werden. Diese Verstärkung ist neben der Baugrösse des Aggregats haupt sächlich vom Profil, der Anzahl und der Anordnung (Winkel) der Schaufeln abhängig. Nachteilig ist, dass immer auch im Kupplungsbereich ein minimaler Schlupf zwischen Pumpen- und Turbinenrad vorhanden ist, welcher jedoch mittels einer Wandler-Überbrückungskupplung eliminiert werden kann. Gemäss Bild 3 arbeitet der Dreh - momentwandler grundsätzlich in zwei Bereichen: In der Wandlungs- und der Kupplungsphase. Wir schauen uns indes auch noch den Übergang zwischen den zwei Haupt-Betriebsbereichen und den Brems bereich an. Das grösste Drehmoment liegt an der mit dem Turbinenrad verbundenen Abtriebswelle beim grössten Drehzahlunterschied zwischen dem Pumpen- und dem Turbinenrad. Der aus der Turbine austretende Ölstrom wird durch das feststehende Leitrad, der Schaufelform entsprechend, umgelenkt. Durch das Auftreffen auf die Leitradschaufeln entsteht am Leitrad ein Moment, welches auch auf das Turbinenrad einwirkt. Man kann sich dieses Moment als eine Art Rückwirkung vorstellen. Es ist im Prinzip der gleiche Effekt, wie wenn man mit einem Wasserschlauch gegen eine Wand spritzt, wobei der hohe Druck eine Rückstosskraft zur Folge hat. Das Moment des Pumpenrades und dasjenige des Leitrades addieren sich im Wandlerbereich zum Turbinenradmoment (Bild 4). Da der Ölstrom in dieser Betriebsphase zudem in einem sehr günstigen Winkel ins Pumpenrad gelenkt wird, kann beim Anfahren mit Volllast (Vollgas) die grösste Drehmomentsteigerung erzielt werden. Bei steigender Turbinendrehzahl wird der Ölstrom weniger stark umgelenkt. Aufgrund der Austrittsrichtung des Ölstroms ergibt sich eine geringere Abstützkraft am Leitrad. Die Drehmomentsteigerung nimmt mit zunehmender Drehzahl des Turbinenrades ab. Bei noch höherer Drehzahl des Turbinenrades wird der Ölstrom nochmals weniger stark abgelenkt, wodurch die Abstützkraft Dreht das Turbinenrad schneller als das Pumpenrad dies beispielsweise im Schiebebetrieb, dem so genannten Bremsen mit dem Motor, erfolgt der Kraftfluss im Wandler in der umgekehrten Richtung. Das Turbinenrad treibt nun das mit der Kurbelwelle verbundene Pumpenrad an, wodurch eine Bremskraft erzielt werden kann. In dieser Phase dreht das Leitrad wirkungslos auf dem Freilauf mit. Bei längerer Einsatzdauer im Wandlerbereich kann es vorkommen, dass die Öltemperatur unzulässige Werte erreicht. Um Überhitzungen zu verhindern, ist ein in den Flüssigkeitskreislauf integrierter Wärmetauscher (Ölkühler) unerlässlich. 6_14_te2b4 Bild 4. Das Prinzip der Drehmomentsteigerung im Drehmoment - wandler. ELEKTRONISCH HES GEWINDEF AHR RWERK ddc ap ppp Dämpf fersteuerung für das Iphone

3 8 è PRAXIS auto&wissen 2014 Nr. 6 Der Drehmomentwandler im Test Die Defekthexe hat zwar verhältnismässig selten auch die Drehmomentwandler im Visier. Mit welchen Mängeln ist am ehesten zu rechnen? Wie können fehlerhafte Wandler in der Werkstatt diagnostiziert werden? Welche Diagnose-Möglichkeiten haben Automatik- Getriebe-Spezialisten? 6_14_pr1b1 A B C Bild 1. Intakte Hauptbauteile eines Drehmomentwandlers: A Pumpenrad, B Turbinenrad, C Leitrad. èbruno Sinzig Drehmomentwandler werden mitunter sehr hoch belastet. Obwohl die heu - tigen Ausführungen äusserst zuverlässig sind, muss im Laufe der Einsatzzeit trotzdem hin und wieder mit einem Defekt gerechnet werden. Da die Mängel meist nicht schlagartig auftreten, werden diese sehr oft kaum bemerkt. Dies ist hauptsächlich dann der Fall, wenn das Fahrzeug immer von derselben Person gefahren wird, da sie sich sozusagen an die kontinuierliche Abnahme des Leistungsvermögens gewöhnt. Einem erfahrenen Fachmann sollte auf einer Probefahrt, insbesondere wenn er mit dem jeweiligen Fahrzeugtyp vertraut ist, eine allfällige Fehlfunktion jedoch auffallen. Falls eine ungenügende Funktion des Drehmomentwandlers vermutet wird, kann in der Werkstatt zwecks Diagnose die so genannte Festbremsdrehzahl (englisch: Stall-Speed) gemessen werden. Weil wir uns in diesem Beitrag auf den Drehmomentwandler beschränken, gehen wir davon aus, dass das meist nachgeschaltete Getriebe absolut einwandfrei funktioniert. Wir nehmen also an, dass im Getriebe keine Kupplungen oder Bremsen durchrutschen, die verbauten Freiläufe tadellos funktionieren und die Öldrücke den Sollwerten entsprechen. Vor dem Test muss auch sichergestellt sein, dass die Leistungsabgabe des Motors den Sollwerten entspricht (diese darf weder zu gering, noch zu hoch sein). Für die Messung der Festbremsdrehzahl empfiehlt sich folgendes Vorgehen: 1. Den Kühlmittelstand und den Ölstand im Motor sowie den Stand des Getriebeöls (ATF) kontrollieren. 2.Den Motor und das Getriebe auf Betriebstemperatur bringen. 3. Die Feststellbremse anziehen; allenfalls das Fahrzeug zusätzlich sichern, damit es nicht wegrollen kann (beispielsweise die Räder mit Radkeilen blockieren). 4. Ein genaues Drehzahlmessge - rät anschliessen (zum Beispiel das Diagnosegerät). 5. Den Motor mit Leerlaufdrehzahl laufen lassen. 6.Das Bremspedal mit dem linken Fuss kräftig durchtreten. 7.Bei eingelegter Fahrstufe (D, L oder 1) Vollgas geben. 8. Sobald sich die Motordrehzahl stabilisiert hat (sich nicht mehr erhöht), diese auf dem Messgerät ablesen und danach das Gaspedal loslassen. 9.Die erreichte Motordrehzahl mit den Sollwerten vergleichen. Automotive T R A I N I N G für die automobile Weiterbildung

4 auto&wissen 2014 Nr. 6 PRAXIS ç 9 6_14_pr1b2 A B C D Bild 2. Arbeitsschritte beim Überholen eines Drehmomentwandlers: A Auftrennen, B Schweissen, C Dichtheitskontrolle und D Auswuchten. Vorsicht! Weil bei stillstehendem Fahrzeug die vom Motor abge - gebene Energie im Dreh mo - mentwandler in Wärme umgewandelt wird, darf diese Prüfung höchstens 5 bis 6 Sekunden dau- Wenn die gemessene Motordrehzahl gegenüber dem Sollwert zu tief ist, könnte es sein, dass der Freilauf des Leitrades mehr oder weniger durchrutscht. Zum Beispiel die Firma Auto - maten-meyer AG im luzernischen Littau verfügt über die Möglichkeiten und Kenntnisse, Drehmomentwandler zu prüfen sowie zu überholen. immer kleine Metallpartikel freigesetzt, welche dann durch das ATF ebenfalls in das nachgeschaltete Getriebe transportiert werden. In diesem Fall muss erfahrungsgemäss mit einem ka- 6_14_pr1b3 A B C D Bild 3. Mögliche Defekte an Drehmomentwandlern: A und B Nabendefekt, C und D beschädigte Schaufeln am Pumpenrad und Turbinenrad. ern. Es ist sinnvoll, den Motor nach dem Test bei Wählhebelstellung N circa 1 Minute bei Leerlaufdrehzahl laufen zu lassen, damit sich das Automatikgetriebe - öl abkühlen kann und im Wandler kein Hitzestau entsteht. Die Höhe der Festbremsdrehzahl ist von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich, weshalb wir auf eine Angabe verzichten. Bei zu hoher Festbremsdrehzahl könnten die Schaufeln des Pumpen- oder Turbinenrades beschädigt sein. Eine eindeutige Diagnose ist einerseits auf einem speziellen Prüfstand möglich oder aber der Drehmomentwandler wird durch den Spezialisten geöffnet und einer Sichtprüfung unter - zogen. Dazu muss zuerst auf einer Drehbank mit einer speziellen Auf nahmevorrichtung das Wand - lergehäuse aufgetrennt werden (Bild 2 / A). Nach der Reinigung erfolgt die Sichtprüfung der einzelnen Bauteile. Spezielles Augen - merk kommt den Schaufeln der drei Hauptteile und dem Freilauf des Leitrades zu. Die Bilder 3 / A bis 3 / D zeigen beschädigte Teile. Bei Beschädigungen werden fast pitalen Getriebeschaden gerechnet werden. Nach der Instandstellung kleinere Defekte sind sehr oft reparierbar wird das Wandlerge - häuse wiederum zusammengeschweisst. Danach erfolgt eine Dichtheitskontrolle im Wasserbad; zum Abschluss wird der Wandler als ganze Einheit noch aus ge - wuchtet (Bilder 2 / B bis 2 / D). 6_14_pr1b4 A B C D Bild 4. Schwachstellen an Drehmomentwandlern: A Aussenring des Freilaufs locker, B Spiel in der Mitnehmerverzahnung, C Federn und Rollen im Freilauf beschädigt, D Risse (folglich Undichtheiten) an den Schweissstellen. und für die automobile Kaderstelle Automotive j o b s

5 12 è WISSEN auto&wissen 2014 Nr. 6 Drehmomentwandler èrobert Neuhaus 1a. Setzen Sie die entsprechenden Nummern zu den aufgeführten Fachbegriffen! Pumpenrad Nr. Turbinenrad Nr. Leitrad Nr. Mitnehmerscheibe Nr. Getriebeeingangswelle Nr. Lamellenkupplung Nr. Wandlergehäuse Nr. Freilauf Nr. Leitradwelle Nr. Öl zur Betätigung der Überbrückungskupplung Nr. 1b. Beurteilen Sie die Behauptungen mit richtig «R» oder falsch «F»! a) Bei Lamellenkupplungen ist die Anzahl der Aussenlamellen stets geich gross wie die Anzahl der Innenlamellen. b) Die Leitradwelle wird auch als Statorwelle bezeichnet. c) Durch die Strichpunktlinie bei «B» wird eine Verschraubung angedeutet. d) Mit der Linie bei «A» wird angedeutet, dass Pos.-Nr. 5 aus zwei Bauteilen besteht. 1c. Welche zwei Aussagen zu dieser Darstellung des Drehmomentwandlers sind richtig? a) Dieser Wandler besitzt eine geregelte Wandler-Überbrückungskupplung. b) Durch die Wandler-Überbrückungskupplung kann die Drehzahl des Leitrades stufenlos der Eingangsdrehzahl angepasst werden. c) Bei diesem Wandler kann beim Anfahren die Differenzdrehzahl zwischen Pumpen- und Turbinenrad geregelt werden. d) Wandler mit geregelter Überbrückungskupplung weisen keine mechanischen Torsionsdämpfer auf. 6_14_wi1b1 1d. Zeichnen Sie mit Pfeilen im oberen Teil des Wandlers die Flussrichtung des Automatenöls in Pumpen-, Turbinen- und Leitrad ein! 1e. Zeichnen Sie mit Pfeilen im unteren Teil des Wandlers die Flussrichtung des Automatenöls in Pumpen-, Turbinen- und Leitrad im Schiebebetrieb ein! 1f. Nennen Sie zwei weitere Baugruppen in der Automobiltechnik, in welcher das Prinzip der Pos.-Nr. 6 auch angewendet wird! Beurteilen Sie die Behauptungen mit richtig «R» oder falsch «F»! a) Wenn Pumpen- und Turbinenrad die gleiche Drehzahl aufweisen, wird das Motordrehmoment zu 100 % übertragen. b) Hydrodynamische Drehmomentwandler ohne Überbrückungskupplung erhöhen den Treibstoffverbrauch. c) Gemäss dem Kraftverlauf im Wandler wird das Turbinenrad auch als Primärrad und das Pumpenrad als Sekundärrad bezeichnet. d) Die Ölfüllung im Wandler wird durch eine Ölpumpe in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit geregelt. e) Die grösste Drehmomentverstärkung wird bei der grössten Drehzahldifferenz von Pumpen- und Turbinenrad erreicht. f) Bei defektem Freilauf des Leitrades in Sperrrichtung (läuft mit) ist keine Drehmomentverstärkung mehr möglich. 3. Beurteilen Sie die Behauptungen zur Wandler- Überbrückungskupplung mit richtig «R» oder falsch «F»! a) Durch ihre Verwendung kann die Getriebeöltemperatur gesenkt werden. b) Sie kann zum Anfahren geschlossen werden, damit das ganze Motordrehmoment übertragen werden kann. c) Sie erhöht den Wirkungsgrad der Kraftübertragung. d) Durch sie kann der prinzipbedingte Schlupf eliminiert werden. e) Sie können auch als Wandler-Schaltkupplungen bezeichnet werden. f) Bei regelbaren Wandler-Überbrückungskupplungen unterscheidet man die drei Betriebszustände: Offen, schlupfend und geschlossen. g) Sie sind immer als Lamellenkupplungen ausgeführt. hostettler autotechnik ag Ersatzteile

6 auto&wissen 2014 Nr. 6 WISSEN ç 13 4a. Setzen Sie die entsprechenden Nummern zu den aufgeführten Fachbegriffen! Pumpenrad Nr. Turbinenrad Nr. Leitrad Nr. Reibbelag Nr. Torsionsdämpfereinrichtung Nr. Wandlerüberbrückungs-Kolben (WK) Nr. 4b. Ergänzen Sie den Text aus der Auswahl! Abfliessen, ausgeglichen, links, offener, Öffnen, rechts, Schliessen, schlupffreie, verhindert, Zufliessen Bei Wandler-Überbrückungskupplung (Wük) fliesst das Öl zum belagseitigen Bereich und zum Turbinenraum. Dadurch ist der Öldruck auf beiden Seiten des Wandlerüberbrückungs-Kolbens (WK) und das Schliessen der Wük wird. Zum der Wük ändert das Steuergerät den Ölstrom. Durch das des ATF auf der Belagseite des WK und gleichzeitigem Zufluss von Öl in den Turbinenraum wird der WK gegen gedrückt und der Reibbelag am Wandlergehäuse zum Anliegen gebracht. Da der WK und das Turbinenrad fest miteinander verbunden sind, wird eine kraftschlüssige und Verbindung zwischen Pumpen- und Turbinenrad hergestellt. 6_14_wi1b2 5. Rollenfreilauf 6_14_wi1b3 Damit der Rollenfreilauf sperrt, muss der... a) Aussenring im Uhrzeigersinn gedreht werden. b) Innenring im Uhrzeigersinn gedreht werden. c) Aussenring im Gegenuhrzeigersinn gedreht werden. d) Innenring im Gegenuhrzeigersinn gedreht werden. 6. Kennlinien eines hydrodynamischen Drehmomentwandlers. Gegeben sind: Eingangsdrehzahl Pumpenradwelle /min, Antriebsmoment an Pumpenrad 200 Nm, Drehzahlverhältnis 0,4 Bestimmen Sie... a) das Drehmoment M T an der Turbinenwelle, Lösung: b) den momentanen Wirkungsgrad, Lösung: c) die Leistung an der Getriebe-Eingangswelle. Lösung: 6_14_wi1b4 alle automobiltechnischen Lehrberufe Grundbildung Automobil-Fachmann Automobil-Mechatroniker Automobildiagnostiker, Weiterbildung è Die Lösungen finden Sie unter in Erstausrüsterqualität autotechnik.ch

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