Vieles zum Guten gewandelt - AutomobilKONSTRUKTION

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Vieles zum Guten gewandelt

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Das Downsizing von Verbrennungsmotoren führt zu stärkeren Torsionsschwingungen. In Fahrzeugen mit Automatikgetrieben kann diese Problematik aber oft mit einem Drehmomentwandler als Anfahr-element ausgeglichen werden.

Der Autor: Jürgen Goroncy, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

Clevere Kombinationen helfen bei Problemen mit Downsizing-Motoren
Die Schaeffler-Marke LuK hat viel Erfahrung in der Entwicklung und Produktion dieser Produkte. Beispielsweise konnte bei einem Drehmomentwandler im Zeitraum zwischen 2005 und 2013 das Gewicht um 2,1 Kilogramm gesenkt werden, bei gleicher oder teilweise verbesserter Funktionalität. Das ist umso wichtiger, als der zur Verfügung stehende Bauraum immer kleiner wird.
Die Torsionsschwingungen der Downsizing-Motoren dämpft Schaeffler mit dem bekannten Fliehkraftpendel (FKP), das direkt in den Drehmomentwandler integriert ist. Es ist laut Hersteller anderen Dämpfungskonzepten deutlich überlegen, da es ein Schließen der Überbrückungskupplung bei einer Motordrehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl ermöglicht. Mit dem seit 2010 in Serie an einem Doppeldämpfer angebrachten FKP sind beispielsweise Überbrückungsdrehzahlen von weniger als 1000 Umdrehungen pro Minute realisierbar.
Mehr Schwingwinkel und mehr Pendelmasse
Mit einer weiteren Vergrößerung des Schwingwinkels und der Pendelmasse will LuK die Dämpfungsqualität noch weiter verbessern. Ein solches FKP der zweiten Generation hat bei Messungen die Torsionsschwingungen im Vergleich zur ersten Generation bereits halbiert. Und es bietet noch Optimierungspotenzial: So konzentriert sich LuK auf eine weitere Bahnoptimierung bei niedrigen Drehzahlen und ordnet dafür Druckfedern zwischen den Pendelmassen an. Erste Simulationen bestätigen diese Überlegungen.
Für Motoren mit Zylinderabschaltung wird das FKP jeweils motorenspezifisch ausgelegt. Bei Achtzylindermotoren mit Zylinderabschaltung beispielsweise wird es auf den reduzierten Vierzylindermodus ausgelegt. Bei Sechs- oder Vierzylindermotoren kann die höhere Isolation des Fliehkraftpendels auch dann erforderlich sein, wenn alle Zylinder aktiviert sind. In diesem Fall können zwei Fliehkraftpendel installiert werden, von denen das eine für die Erregerordnung mit Zylinderdeaktivierung und das andere für die Erregerordnung des Vollmotors ausgelegt ist.
Intelligent kombiniert heißt Bauraumbedarf reduziert
Mit jeder neuen Motorengeneration wird der dem Drehmomentwandler zugestandene Bauraum immer geringer, die Erwartung an seine Torsionsschwingungsisolation aber immer höher. Mit einem kleiner konstruierten Torus lässt sich der verfügbare Raum für den Dämpfer wenigstens etwas vergrößern.
Schaeffler hat mit dem neuen integrierten Drehmomentwandler (ITC, Integrated Torque Converter) einen weiteren Ansatz gewählt: die Kombination der Turbine mit dem Kolben der Überbrückungskupplung. Üblicherweise sind diese Bauteile separat. Schaeffler hat jetzt die Turbine – bei geringfügig größerem Platzbedarf – verstärkt, damit sie dem Betätigungsdruck der Überbrückungskupplung standhält. Dafür entfällt der Kolben, der üblicherweise sehr viel Bauraum beansprucht.
Jetzt übernehmen die Turbine und die Pumpe auch die Funktion der Überbrückungskupplung. Bei einer Anfahrt ist die Turbine aktiv und leistet die erforderliche Drehmomenterhöhung. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten kann die Überbrückungskupplung schließen, sodass das Drehmoment ohne Umweg über den hydrodynamischen Kreislauf zur Verfügung steht.
Sanfter und ökonomischer kuppeln
Das Schließen der Überbrückungskupplung erfordert jedoch eine genauere Analyse des Turbinenschubs. Dieser entsteht durch unterschiedliche Ölgeschwindigkeiten auf den beiden Seiten der Turbine. Theoretische Überlegungen ließen vermuten, dass einerseits an der Reibfläche der Turbine eine hydrostatische Lagerung entsteht, die zu einem geringen Schleppmoment an der Überbrückungskupplung führt. Andererseits könnte durch eine Drehzahldifferenz zwischen der Turbine und dem Laufrad der Abstand zwischen den Reibflächen der Überbrückungskupplung geringer werden, was eine Vorstufe zur geschlossenen Überbrückungskupplung darstellen und ein sanftes Schließen ermöglichen würde.
Messungen mit einem Prototyp dieses ITC und mit einer klassischen Variante an einem Prüfstand bestätigten diese theoretischen Betrachtungen. Wie erwartet, beginnt das Einkuppeln bei niedrigen Betätigungsdrücken, ohne dass es zu einem Drehmomentstoß kommt. Außerdem lässt sich feststellen, dass der Druck, bei dem der Kupplungsschlupf in der Einkupplungsphase geendet hat, und der Druck, bei dem der Schlupf in der Auskuppelphase begonnen hat, sehr dicht beieinander liegen. Diese kleine Hysterese beim Einkuppeln bestätigt die Regelbarkeit der Überbrückungskupplung.
Abgesehen vom Bauraum bietet die ITC-Konstruktion im Vergleich zu einem klassischen Drehmomentwandler noch mehr Vorteile. Sie kommt mit weniger Bauteilen aus, vor allem ohne aufwendiges Axiallager zwischen Turbine und Leitrad sowie ohne den oben erwähnten Kolben. Sie ist dadurch kostengünstiger und leichter. Dennoch ermöglicht sie sanftes Einkuppeln ohne Schleppmoment. Zudem überzeugt die ganze Konstruktion durch Robustheit und einen Dämpfer, der größere Freiheiten bei der Variation seiner Eigenschaften bietet.
Systemwechsel spart Kosten
Bauraumoptimierte Drehmomentwandler erfordern zwingend auch schmalere Freiläufe der Leiträder. Diese ermöglichen das Schalten vom Wandlermodus in den Kupplungsmodus. Eine interessante Option ist der Kipphebel-Freilauf. Da die Position des Kipphebels in Relation zum Leitrad unveränderlich ist, kann man auf den separaten Außenring verzichten und die Anlageflächen in das Aluminium des Leitrades integrieren.
Allerdings kann diese Variante nur an bestimmten Positionen einkuppeln. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Anbindungswinkel von 2,4 Grad so klein ist, dass kein nennenswerter Unterschied zwischen dem Kipphebel- und dem Rollen-Freilauf erkennbar ist. Durch den Wegfall des komplexen Außenrings eines Rollenfreilaufs ist die Kipphebel-Variante signifikant kostengünstiger.
Schaeffler AG
Tel.: +49 9132 820
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