Systeme für Automatikgetriebe

Auch als Engineeringpartner für die Hersteller von Fahrzeugen mit Automatikgetrieben hat sich LuK schon früh positioniert: Bereits seit 1983 ist LuK mit Dämpfern für Automatikgetriebe in Serie. Im Jahr 1998 stärkte LuK seine Position durch eine eigene Drehmoment-Wandlerentwicklung und -produktion im Tochterwerk in Wooster/Ohio, USA, weiter. Aufgrund des erwarteten Wachstums des Automatikmarktes bei Pkws auch in Europa und Asien hat man bei LuK zu Beginn des Jahres mit der Aufnahme der Wandlerproduktion im Werk in Bühl, Deutschland, einen weiteren Akzent in punkto Kundenorientierung gesetzt. Neben Hochleistungswandlern und Lock-up-Kupplungen gehören auch Dämpfer für die Lock-up-Kupplungen und Bremsbänder zum Produktportfolio.

• Hydraulische Drehmomentwandler
• Multifunktions-Wandler (MFW)
• Dämpfer für Lock-up Kupplungen
• Extra-Flaches Leitrad

Hydraulische Drehmomentwandler

Drehmomentwandler werden bereits seit Jahrzehnten vorrangig bei Stufenautomatikgetrieben und stufenlosen CVT-Getrieben eingesetzt. Der Wandler ist zwischen Motor und Getriebe angeordnet und überträgt das Motormoment auf die Getriebe-Eingangswelle. Die Momentübertragung erfolgt während der Anfahrt hydrodynamisch bzw. zur Verbrauchsabsenkung im Fahrbetrieb über eine integrierte Reibkupplung. Zusätzlich erhöht der Wandler bei der Anfahrt das Moment an der Getriebe-Eingangswelle um bis zu Faktor 3. LuK Hochleistungs-Drehmomentwandler werden in Deutschland und in den USA entwickelt und hergestellt. In Abhängigkeit der erforderlichen Leistungsdaten und des verfügbaren Bauraums optimiert LuK die Wandlereigenschaften und liefert so die optimale, auf das Automobil abgestimmte Baugruppe.
Prinzipiell überträgt der Wandler das Motorendrehmoment hydraulisch auf die Getriebe-Eingangswelle. Die Pumpe und somit das gesamte Wandlergehäuse ist drehfest mit dem Motor bzw. die Turbine drehfest über eine Nabenverzahnung mit der Getriebe-Eingangswelle verbunden. Der gesamte Wandler ist mit Getriebeöl gefüllt. In Pumpe und Turbine sind Schaufeln montiert, die bei Differenzdrehzahl einen kreisförmigen Ölstrom zwischen Pumpe und Turbine verursachen. Das Öl wird vom Innendurchmesser der Pumpe angesaugt und durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt. Anschließend wird das Öl aus der Pumpe in die Turbine geschleudert und dort von den Turbinenschaufeln umgelenkt, wodurch ein Drehmoment in der Turbine bzw. der Getriebe-Eingangswelle erzeugt wird.

Bei der Anfahrt oder hohen Differenzdrehzahlen zwischen Pumpe und Turbine wird der Ölfluss in der Turbine so umgelenkt, dass sich das Leitrad rückwärts drehen müsste. Im Leitrad ist jedoch ein Freilauf installiert, was dazu führt, dass das Leitrad bei Rückwärtsdrehung über die Statorwelle gesperrt wird. Dadurch wird ein Leitradmoment erzeugt, das wegen des Momentengleichgewichts im Wandler das Getriebe-Eingangswellen-Moment um bis zu Faktor 3 gegenüber dem Motormoment erhöht. Die Effizienz des Wandlers ist somit insbesondere bei Anfahrsituationen besonders groß.

Berücksichtigt werden muss, dass die Hydrodynamik des Wandlers nur ein Drehmoment bei Differenzdrehzahl zwischen Pumpe und Turbine übertragen kann. Wenn sich also im laufenden Fahrbetrieb die Drehzahl zwischen Pumpe und Turbine angeglichen hat, greift eine Überbrückungs-Kupplung, die vom Getriebe hydraulisch angesteuert wird. Der Schlupf wird eliminiert, die Verlustleistung beim Betrieb des Wandlers entfällt und ein reduzierter Kraftstoffverbrauch ist die Folge. Die frühe Überbrückung und damit ein wirtschaftlicher Verbrauch wird bei LuK durch innovative Dämpfer sicher gestellt.

Motorseitig erfolgt die Montage des Wandlers an einem flexiblen Schwungrad. Der Pumpenhals dient üblicherweise zusätzlich als Antrieb der Ölversorgungspumpe des Automatikgetriebes. Um bestmögliche Performance zu erzielen, setzt LuK hier konsequent Computational-Fluid-Dynamics (CFD) Simulationstools zur optimalen Strömungsführung und somit Verbrauchsabsenkung im Fahrzeug ein.

Multifunktions-Wandler

Der Multifunktions-Wandler (MFW) ist eine revolutionäre Erfindung im Wandlerbereich. Mit Hilfe von Leerlauf-Entkoppelung (Idle disconnect) und frühzeitiger Überbrückung des Wandlers kann eine Kraftstoff-Ersparnis von bis zu 5% erreicht werden. Der MFW erlaubt es, die konventionellen Beschränkungen des Wandlers aufzuheben. Dazu wird der Motor vom Getriebe entkoppelt.

Die Konstellation des Wandlers erlaubt eine bessere Verteilung der Massenträgheitsmomente - dadurch wird eine überragende Schwingungsisolation in allen Fahrbereichen erzielt. Die Entkoppelung des Wandlers erlaubt es dem Motor, auf höhere Anfahrdrehzahlen zu kommen, bevor der Wandler zugeschaltet wird. Dies verbessert deutlich das Anfahrverhalten mit Turbo augeladenen Motoren und umgeht das Turboloch.

Lock-Up Kupplungen

Die „Lock-up-Kupplung“ oder Überbrückungs-Kupplung ist innerhalb des Wandlers angeordnet und dient zur Überbrückung des Kraftflusses zwischen Pumpe und Turbine im Fahrbetrieb. Diese Schlupfminimierung ist aus Verbrauchsgründen notwendig. Weiterhin wird die Kupplung bei vielen Anwendungen in bestimmten Lastzuständen gezielt schlupfend betrieben, um das Geräuschverhalten oder die Fahrdynamik zu verbessern.
Lock-up-Kupplungen dienen im Wandler zur Schlupfvermeidung im normalen Fahrbetrieb, da ein Wandler prinzipbedingt nur Drehmomente bei Schlupf übertragen kann, was zu Mehrverbrauch führen würde. Die Lock-up-Kupplung wird vom Getriebe geregelt angesteuert. Weiterhin wird bei vielen Anwendungen gezielt in bestimmten Lastzuständen ein geringer Dauerschlupf eingestellt, um Getriebegeräusche zu vermeiden. Moderne Getriebesteuerungen sind in der Lage bei Bedarf gezielt einen konstanten Schlupf von ca. 5 U/min einzustellen, was nahezu verbrauchsneutral ist.

Desweiteren kann die Fahrdynamik des Fahrzeugs in bestimmten Fahrsituationen durch kurzzeitige gezielte Motordrehzahl-Erhöhung verbessert werden. Die bei diesen Vorgängen entstehende Reibleistung (einige Watt bis mehrere Kilowatt) kann das ATF-Öl (Automatic Transmisson Fluid) punktuell überhitzen und somit maßgeblich die Getriebelebensdauer verkürzen, so dass eine wirkungsvolle Reibbelagkühlung zwingend notwendig ist. Hierzu wird gezielt Öl durch oder über die Reibbeläge geleitet. Übliche Materialien sind Hochleistungs-Papierbeläge bzw. Karbonfaserbeläge. Angewandt werden auch Blendenkühlungen, bei der das Öl durch ein Loch im Kolben nah an den Reibflächen vorbeigeführt wird. Dabei werden jedoch prinzipbedingt nicht die Kühlleistungen der Belagdurchfluss-Kühlung erreicht. LuK setzt daher konsequent auf durchflussgekühlte Systeme.

Bei LuK haben sich ungenutete Karbonbeläge, bei denen das Kühlöl durch die Karbonfasern fließt bzw. genutete Papierbeläge mit eingeprägten Schlangennuten o.ä. etabliert. Auch durchflussgekühlte konische Kupplungen mit speziellen Vorteilen wurden erprobt (LuK TorCon-System). Eine Vielzahl von LuK Patenten auf diesem Gebiet verdeutlicht die Komplexität und Wichtigkeit einer wirkungsvollen Hochleistungskühlung. Zur optimalen Anwendungsapplikation werden speziell entwickelte Simulationsprogramme zur Nutauslegung verwendet.

Dämpfer für Lock-up Kupplungen

Bei modernen Motoren zum Beispiel mit Benzin- oder Dieseldirekteinspritzung (GDI, TDI etc.) steigen die Motor-Ungleichförmigkeiten immer weiter an, was zu nicht akzeptablen Geräuschen (Rasseln, Brummen etc.) im Antriebstrang führt.
Torsionsdämpfer dienen zur Minimierung der Torsionsanregung innerhalb des Antriebsstranges und somit zur Komfortverbesserung. Dies ist auch durch Schlupf an der Lock-up-Kupplung möglich, was jedoch zwangsläufig den Kraftstoffverbrauch erhöht. Torsionsdämpfer arbeiten nahezu verbrauchsneutral. Bei Torsionsdämpfern gibt es verschiedene Anordnungen und Bauformen innerhalb des Wandlers. Eine Optimierung an die jeweilige Fahrzeugapplikation ist oft nötig. Dabei kann LuK auf langjährige Serienerfahrung und umfangreiche Berechnungstools zurückgreifen, um Dämpferanordnungen (Turbinendämpfer, konventionelle Dämpfer, Doppeldämpfer etc.), Federformen (gerade oder Bogenfedern), Federraten und notwendige Dämpferreibungen optimal abzustimmen.

Konventionelle Dämpfer
Die Anordnung des Dämpfers innerhalb der Massen des Antriebsstranges erfolgt vor der Turbine. Gut geeignet sind diese Dämpfer bei 4-Zylinder front-quer-Anwendungen als Innendämpfer mit geraden Federn oder als Außendämpfer mit Bogenfedern. Da die Getriebe-Eingangswelle bei Stufenautomatik-Getrieben jedoch torsionsweich ausgeführt ist und somit selbst eine Feder darstellt, kann die Turbine des Wandlers bei bestimmten Anwendungen in einer eigenen Resonanz im fahrbaren Bereich schwingen, was sich geräuschlich nachteilig auswirken kann.

Turbinendämpfer
Der Dämpfer wird im Kraftfluss hinter die Turbine angeordnet, so dass Dämpferfeder und Getriebe-Eingangswelle in Reihe geschaltet eine sehr weiche Feder ergeben. Die Turbine ordnet sich so schwingungstechnisch als Masse der Motorseite zu. Dadurch kann die beim konventionellen Dämpfer übliche Turbineneigenform eliminiert werden. Desweiteren liegt dieser Dämpfer immer im Kraftfluss, so dass auch hydro-dynamische Schwingungen im offenen Wandlerbetrieb bedämpft werden. Prädestiniert ist der Turbinendämpfer vor allem für 6- und 8-Zylinder Motoren mit Standard und Allradantrieb.

Doppel-Torsionsdämpfer
Bei speziellen Anwendungen können auch nacheinander geschaltete Dämpferanordnungen Vorteile bieten.

Extra-Flaches Leitrad

Ein weiterer Höhepunkt in der Wandler-Entwicklung - ein gestanztes Leitrad. Es ermöglicht eine achsiale Platzersparnis von bis zu 60% (ca. 18 mm). Zusätzlich lässt sich die Kapazität (MP2000) um bis zu 10% verbessern. Dieser Platz kann dann z.B. für verbesserte Torsionsdämpfer oder mehr Lamellen-Überbrückungskupplungen genutzt werden. Diese Vorteile werden durch neue Leitflügelformen und Freiläufe mit hohen Momenten-Kapazitäten ermöglicht.