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Die Erfindung betrifft eine Kraftübertragungseinrichtung mit mindestens zwei hydrodynamischen
Drehmomentwandlern, die zwischen Antriebswelle und Ausgangswelle in zueinander nebengeschalteten
Getriebezweigen, deren Drehmomentübertragung wahlweise unterbrechbar ist, angeordnet sind, und mit mindestens einer in einem der Getriebezweige angeordneten schaltbaren mechanischen Kupplung.
Einrichtungen der oben genannten Art sind bereits bekannt. Bei diesen Kraftübertragungseinrichtungen wird normalerweise das Einkuppeln der einzelnen Drehmomentwandler in den Kraftübertragungsweg oder das
Entkuppeln der Drehmomentwandler in der Weise vorgenommen, dass man die Arbeitskammer der betreffenden
Wandler füllt bzw. entleert. Alternativ wurde auch die Verwendung von Reibungskupplungen für den oben genannten Zweck bereits vorgeschlagen.
Der Hauptnachteil, der sich ergibt, wenn das Zuschalten und Abschalten durch Füllen bzw. Leeren vorgenommen wird, besteht darin, dass die Füllperioden und Entleerungsperioden nicht auf einfache Weise so gesteuert werden können, dass sichergestellt ist, dass diese Perioden sich nicht überlappen. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil besteht darin, dass nach dem Entfernen des öls aus der Kammer des
Drehmomentwandlers diese weiterhin auf Grund der in der Arbeitskammer befindlichen Luft wirksam bleibt, wobei der Wandler in manchen Fällen so stark wirksam bleibt, dass es erforderlich ist, das Innere der entleerten
Kammer zu kühlen. Darüber hinaus ist die Leistungsaufnahme, die sich auf Grund der im Wandler als
Arbeitsfluidum wirkenden Luft ergibt, so hoch, dass der Gesamtwirkungsgrad der Kraftübertragungseinrichtung hiedurch merklich verringert wird.
Werden Reibungskupplungen dazu verwendet, um den Kraftübertragungsweg zu schliessen oder zu unterbrechen, dann kann es sich hiebei entweder um trockene oder nasse Kupplungen handeln. Nasse
Kupplungen erzeugen ein nicht unbeträchtliches Schlepp- oder Restdrehmoment auf Grund der erforderlichen grossen Friktionsfläche, was wieder dazu zwingt, nasse Kupplungen als Mehrscheibenkupplungen auszubilden. Bei trockenen Kupplungen ist der mechanische Aufbau sowohl kompliziert als auch teuer, wobei sich ausserdem grosse Abmessungen der gesamten Kupplungseinheit ergeben.
Aus diesen Gründen werden bislang derartige Kraftübertragungseinrichtungen hauptsächlich bei
Schienenfahrzeugen angewendet, vorwiegend für Rangierlokomotiven, jedoch auch für Lokomotiven für
Mischbetrieb und Linienbetrieb. Für andere Fahrzeuge fänden derartige Kraftübertragungseinrichtungen keine
Anwendung.
Ein Grund für die beschränkte Anwendung besteht darin, dass bei Systemen, bei denen ein Füllen und
Entleeren der Wandlerkammern vorgesehen ist, sehr viel Bauraum verbraucht wird, so dass derartige
Kraftübertragungseinrichtungen grosse Abmessungen und ein hohes Gewicht aufweisen, weshalb eine Anwendung lediglich bei Schienenfahrzeugen in Betracht kommt. Die Abmessungen spielen bei Omnibussen, Lastwagen und
Erdbewegungsmaschinen eine sehr wichtige Rolle, ebenso in Verbindung mit Gasturbinen, was zur Folge hat, dass derartige Einrichtungen in Kombination mit trockenen Reibungskupplungen hiefür nicht in Betracht kommen und auch Kombinationen mit nassen Kupplungen ausscheiden, weil die Verluste hiebei zu hoch sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftübertragungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Umschaltvorgänge, d. h. das Einschalten der einzelnen Wandler in den Kraftfluss der
Kraftübertragung, auf einfache Weise äusserst schnell und stossfrei vorgenommen werden kann, und nicht nur bei schienengebundenen Fahrzeugen vorteilhafte Anwendung finden kann.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die schaltbare Kupplung als Einrichtung zum wahlweisen Unterbrechen der Drehmomentübertragung vorgesehen und zu diesem Zweck als wahlweise ein- und ohne Restdrehmoment ausrückbare Reibungskupplung ausgebildet ist, über die einer der Schaufeln tragenden Wandlerteile des zugeordneten Drehmomentwandlers mit dem zugehörigen drehmomentübertragenden Teil des Getriebezweigs kuppelbar ist.
Hiedurch wird nicht nur in gewünschter Weise das Kupplungs-Restdrehmoment oder Schleppdrehmoment auf einen geringen Wert herabgesetzt, sondern das Einkuppeln und Auskuppeln der Drehmomentübertragung durch die betreffenden Wandler hindurch kann mit hoher Arbeitsfrequenz vorgenommen werden, ohne dass sich dabei eine Beschädigung oder ein Verschleiss an Friktionsflächen ergäbe, auch wenn das Kuppeln und Entkuppeln erfolgt, während die Primärwelle der Kraftübertragungseinrichtung mit Höchstdrehzahl läuft und die Abtriebswelle sich im Stillstand befindet. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, dass keine Schaltstösse auftreten, da erst beim Kuppeln der Turbine oder des Pumpenteils der betreffenden Wandler mit dem zugeordneten Abtriebs- bzw.
Antriebsteil die Zirkulation der Arbeitsflüssigkeit in dem betreffenden Wandler und damit die Drehmomentübertragung beginnen und letztere nicht den normalen Drehmomentwert übersteigen kann, wie er sich bei der jeweiligen übersetzung zwischen Primärseite und Sekundärseite der Kraftübertragungseinrichtung ergibt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Kraftübertragungseinrichtung vier Drehmomentwandler auf, die um eine Antriebswelle und eine zu dieser koaxial angeordneten Ausgangswelle herum gruppiert sind, wobei je zwei diametral einander gegenüberliegende Drehmomentwandler ein Wandlerpaar bilden und die zentralen Achsen der Drehmomentwandler zueinander parallel verlaufen, und dass Steuerkanäle für Hydraulikflüssigkeit zum wahlweisen Kuppeln der einzelnen Drehmomentwandler mit Antriebs- und Ausgangswelle vorgesehen sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen : Fig. l, 3 und 5 teils schematisch vereinfacht gezeichnete axiale Längsschnitte durch vier Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Kraftübertragungseinrichtungen ; Fig. 2, 4,6, 7 und 8 Diagrammdarstellungen, in denen spezielle Eigenschaften der gezeigten Ausführungsbeispiele aufgeführt sind und Fig. 9 eine schematisch vereinfacht gezeichnete Hintenansicht einer Kraftübertragungseinrichtung.
Wie bereits oben erwähnt, weist eine hier zu beschreibende Kraftübertragungseinrichtung eine Mehrzahl von Drehmomentwandlern auf, die über eine mechanische Getriebeverbindung miteinander zusammenwirken, wobei der Pumpenteil oder der Turbinenteil dieser Wandler von dem treibenden Teil dieser Getriebeeinrichtung entkuppelbar oder mit diesem kuppelbar ist, so dass sich verschiedene Antriebsbedingungen oder Fahrstufen herstellen lassen, indem man den Kraftübertragungsweg durch Entkuppeln und Kuppeln so wählt, dass er durch die jeweils gewünschten Drehmomentwandler hindurch verläuft.
In sämtlichen hier gezeigten Ausführungsbeispielen wird dieses Prinzip angewendet, wobei jedoch die besondere, von Fall zu Fall hiebei Anwendung findende Getriebekombination die Kraftübertragung für verschiedene Anwendungszwecke geeignet macht.
Es wird nun zunächst die in Fig. 3 gezeigte Anordnung im einzelnen erläutert, wobei zu bemerken ist, dass der überwiegende Teil der Merkmale der in Fig. 3 gezeigten Drehmomentwandler auch bei den Anordnungen gemäss Fig. l, 5 und 8 gegeben ist. Wie die Fig. 3 und 10 zeigen, ist eine Antriebswelle 10 im zentralen Teil einer vier Drehmomentwandler-12, 14,16 und 18--aufweisenden Einheit angeordnet, bei der die
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Die Fig. 3 entspricht einem Schnitt längs der Linie A-B-C-D-E von Fig. 10. Fig. 3 stellt eine Zwei-Einheiten-Anordnung dar.
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--10-- trägtUmlaufgehäusen --26 bzw. 28--der Drehmomentwandler--14 bzw. 16--angebracht sind. Jedes der Umlaufgehäuse--26 und 28-- trägt einen Pumpenteil --30--.
Jedes Umlaufgehäuse umschliesst ausserdem Leitschaufeln--32--und eine Turbine--34--, wobei eine äussere Wandung--36--des Gehäuses mit bzw. von den Turbinenschaufeln durch eine teilkonische Friktionsfläche verbindbar bzw. trennbar ist, die mit einem geneigt verlaufenden Randbereich --40-- einer tellerförmigen Friktionsscheibe-42-in Reibungsberührung kommen kann, die axial verschiebbar auf einer Abtriebswelle --44-- gelagert ist.
Die Schaufeln der Turbine-34-können somit von der Abtriebswelle --44-- dadurch entkuppelt
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ermöglichen.
Die Abtriebswellen--44--der Drehmomentwandler--14 und 16-tragen Zahnritzel--50 bzw.
52--, die mit Zahnrädern eines als Ganzes mit --54-- bezeichneten Zweiganggetriebes kämmen. Da die Drehmomentwandler--14 und 16-zu verschiedenen Paaren von diametral einander gegenüberliegend angeordneten Wandlern gehören, sind die Ritzel --50 und 52-verschieden gross und kämmen mit verschiedenen Zahnkränze--56 bzw. 58--, die an einer gemeinsamen Radscheibe-60-des Zweiganggetriebes --54-- vorgesehen sind. Die Radscheibe-60-ist auf einer Eingangswelle --62-- des Zweiganggetriebes--54--befestigt.
Die Eingangswelle --62-- trägt einen Getriebeteil--64--mit einer Zahnkupplung--66--, über die er mit einer Ausgangswelle--68--gekuppelt ist. Der Getriebeteil--64--wirkt ausserdem mit einem Planetenradgetriebe--70--zusammen, das mit einer Verzahnung --72-- kämmt, die an einer Scheibe --74-- ausgebildet ist, die durch einen Kupplungsteil der Zahnkupplung --66-- gebildet wird. Eine axiale
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Planetenradträger--78--stationär wird, so dass sich ein Rückwärtsgang ergibt.
Die in Fig. 3 aufgezeigte Anordnung ist besonders für Schienenfahrzeuge geeignet, weil ein zwangsmässiges Entkuppeln der
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Arbeitsflüssigkeit, die durch die Kanäle --102 und 104-- zugeführt wird, strömt durch eine Auslassbohrung --106-- ab, die durch ein Überdruckventil --108-- verschlossen ist. Da die Turbinenabtriebswelle --44-- und die Friktionsscheibe --42-- glatte Oberflächen aufweisen, werden durch die Rotation dieser Teile im öl nur geringe Ventilationsverluste hervorgerufen. Dadurch können sehr hohe Drehzahldifferenzen zwischen der
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Turbinenwelle und der Friktionsscheibe zugelassen werden (so, wie es beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 erforderlich ist), ohne dass sich übermässige Ventilationsverluste ergäben.
Bei dem
Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 dreht sich, wenn der Drehmomentwandler im ausgerückten Zustand ist, die
Turbinenwelle im entgegengesetzten Drehsinn wie das Umlaufgehäuse bei einer Drehzahl, die der Drehzahl der im Vorwärts-Drehsinn umlaufenden Turbine entspricht, wenn der Drehmomentwandler sich in eingekuppeltem
Zustand befindet. Diese Art des Drehmomentwandlers bildet einen Teil des Grundprinzips der Erfindung, weil bei dieser Art die Verriegelungskupplung nicht eingerückt zu werden braucht, wenn man die gleiche
Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs wie bei eingerückter Verriegelungskupplung erreichen möchte, falls man nur den Antriebsmotor eine zehn Prozent höhere Drehzahl erreichen lässt.
Die weitgehende Auskuppelbarkeit dieser Art von Wandleranordnung bietet die Möglichkeit, dass ein
Schalten einander zugeordneter Getriebeglieder durchgeführt werden kann, ohne dass eine Drehmoment- übertragung erfolgt, d. h., während nur das Synchronisier-Drehmoment übertragen wird. Andererseits kann eine
Wende-Klauenkupplung umgeschaltet werden, ohne dass die Gefahr einer Drehung zwischen den zu verbindenden
Kupplungsteilen besteht, weil für einen kurzen Zeitraum, wenn die Kupplungshülse von einer Einrückstellung in die andere Einrückstellung bewegt wird, kein Antrieb im Vorwärtsdrehsinn oder im Rückwärtsdrehsinn erfolgt.
Ein weiteres Merkmal der Kombination von Drehmomentwandlern, wie sie hier aufgezeigt ist, besteht bei dem hier verwendeten Wandlertyp darin, dass, wenn man die Turbine mit der Abtriebswelle --44-- kuppelt, nur eine kleine Masse zur Synchronisation mit der Abtriebswelle gebracht wird. Die Turbine setzt dann die
Zirkulation der Arbeitsflüssigkeit in Gang, so dass das übertragene Drehmoment ansteigt. Hiedurch ergibt sich bei den hier aufgezeigten Kraftübertragungseinrichtungen das herausragend vorteilhafte Merkmal, dass weiche
Schaltvorgänge zwischen den verschiedenen Gangstufen erhalten werden.
Die in Fig. 3 gezeigte Kraftübertragungseinrichtung ist deshalb besonders für Schienenfahrzeuge geeignet, weil bei dieser Einrichtung ganz weiche Fahrstufenübergänge erhalten werden, indem man den einen oder andern der Drehmomentwandler einkuppelt oder, wenn eine vier Drehmomentwandler enthaltende Anordnung vorgesehen ist, Paare, die aus zwei Drehmomentwandlern gebildet sind, einkuppelt. Hiebei wird, obgleich das
Umschalten zwischen Vorwärtsgang und Rückwärtsgang ganz einfach so gelöst ist, dass eine
Wende-Klauenkupplung umgeschaltet wird, was normalerweise ein grosses Problem bei Kraftübertragungen darstellt, die einen Wandler mit umlaufendem Gehäuse aufweisen, sowohl im Vorwärtsgang als auch im
Rückwärtsgang die gleiche Höchstgeschwindigkeit erhalten.
Die in Fig. 4 gezeigte graphische Darstellung gibt die Ergebnisse wieder, wie sie erhalten werden, wenn zwei
Drehmomentwandler des Typs S. R. M. 2 DF 0, 9 verwendet werden, die für verschiedene Höchstgeschwindigkeiten übersetzt sind und mit einem Antriebsmotor mit 358 kW (480 hp) und 1500 Umdr/min, dem ein für
Schienenfahrzeuge geeignetes Wendegetriebe nachgeschaltet ist, zusammenwirken.
Die in Fig. l gezeigte Kraftübertragungseinrichtung ist ein verbesserter Typ für Schienenfahrzeuge für
Rangierbetrieb und für Mischbetrieb mit einem grossen Geschwindigkeits-Variationsbereich. In diesem Fall ist eine Eingangswelle --80-- eines Zweiganggetriebes entweder mit einem Zahnrad --82-- oder einem Zahnrad --84-- über Reibungskupplungen--86 und 88--kuppelbar, die mittels einer überzentrischen Federanordnung--90--einrückbar sind, wobei die Schnapp-Federanordnung zum Einrücken der Reibungskupplung--88 oder 86--mittels eines Servoantriebs--92--mit zugehörigem Betätigungsgestänge verstellbar ist.
Bei dieser Anordnung kann der Drehmomentwandler zum Abbremsen der Fahrzeuggeschwindigkeit genutzt werden, indem man von einem der Drehmomentwandler auf den andern Drehmomentwandler umschaltet, auch bei Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Sogar die dem Schalten auf die hohe oder niedrige Fahrstufe dienenden Reibungskupplungen--86 und 88--können mittels des Servoantriebs --92-- während des Betriebs umgeschaltet werden, wobei jedoch beide Drehmomentwandler entkuppelt sein sollten, also beispielsweise die Turbine und der Direktantrieb, bevor das Umschalten der Reibscheiben der Reibungskupplungen-86 und 88-vorgenommen wird.
Dies kann mit einer Verzögerung von weniger als 0, 2 sec und ohne überlastung irgendeines Teils der Kraftübertragungseinrichtung oder ein Schlüpfen der Antriebsräder des Fahrzeugs durchgeführt werden, wie aus den Kurven aus Fig. 2 hervorgeht, die die Zugkraft an den Rädern zeigen.
In dieser Figur sind die Arbeitskenngrössen für ein Schienenfahrzeug für Rangier- und Mischbetrieb aufgezeigt, wobei die Leistung des Antriebmotors 537 kW (720 hp) bei 1400 Umdr/min betrug und als Drehmomentwandler zwei Wandler vom Typ S. R. M. D. F. f 1, 0 MS 84 mit nachgeschaltetem Zweiganggetriebe verwendet wurden. Die Übersetzungsverhältnisse betrugen 3, 2 : 1 bzw. 1, 6 : 1.
Die in Fig. 5 gezeigte Kraftübertragungseinrichtung ist besonders gut für eine Verwendung mit einer Einwellen-Gasturbine geeignet und weist vier Drehmomentwandler auf, die so angeordnet sind, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Lediglich durch Einrücken einer verschieden grossen Anzahl von Drehmomentwandlern oder durch Einrücken verschiedener Kombinationen von Drehmomentwandlern kann eine Mehrzahl von Lastkennlinien bei praktisch konstanter Turbinendrehzahl erreicht werden, wie dies in Fig. 6 aufgezeigt ist.
Bei diesem Beispiel handelte es sich um eine Einwellen-Turbine von 276 kW (370 hp) bei 2500 Umdr, und die Drehmomentwandler waren vom Typ S. R. M. C. F., die je in Zweierpaaren mit je einem nachgeschalteten
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Zweiganggetriebe angeordnet waren. Zwei Wandler sind hiebei für 100% Ausgangsdrehzahl übersetzt, während die andern beiden Wandler für 59% Ausgangsdrehzahl, d. h. 1, 7 : 1, übersetzt sind. Jedes Wandlerpaar weist einen
Wandler auf, der 38% des höchsten Eingangsdrehmoments überträgt und einen Drehmomentwandler, der 62% überträgt, so dass beide Wandler zusammen 100% des höchsten Eingangsdrehmoments absorbieren.
Die Kurven in
Fig. 7 zeigen die höchste und geringste Zugkraft über dem Fahrgeschwindigkeitsbereich, wenn verschiedene
Drehmomentwandler oder Kombinationen derselben sich im eingerückten Zustand befinden.
Wenn hiebei z. B. ein Drehmomentwandler eine Drehmomentabsorption 33% und der diametral gegenüberliegend angeordnete Drehmomentwandler eine Drehmomentabsorption von 66% aufweist, dann können drei Kennlinien für das Eingangsdrehmoment erhalten werden, indem man den ersten Drehmomentwandler oder den zweiten Drehmomentwandler oder beide Drehmomentwandler einrückt.
Bei dem dargestellten Beispiel werden zwei einander gegenüberliegend angeordnete Drehmomentwandler für ersten Geschwindigkeitsbereich und die im rechten Winkel hiezu angeordneten beiden andern Drehmomentwandler für einen zweiten
Geschwindigkeitsbereich verwendet, und die zugeordneten Getriebe weisen einen Vorwärts-Rückwärts-Radsatz auf und sind so ausgelegt, dass sie eine für grosse Lastkraftfahrzeuge ausreichende Zugkraft ergeben, was durch
Hinzufügen eines Zweiganggetriebes oder eines Overdrive erreicht werden kann, die beispielsweise mittels einer durch eine überzentrische Federanordnung betätigbaren Kupplungseinrichtung geschaltet werden, bei der die
Anordnung so getroffen ist, dass sie nur umgeschaltet werden kann, wenn alle Drehmomentwandler sich im ausgerückten Zustand befinden.
Es sei bemerkt, dass bei diesem, eine Einwellen-Gasturbine aufweisenden
Ausführungsbeispiel kein Direktantrieb durch die Drehmomentwandler hindurch erfolgen kann.
Die Vorteile der aufgezeigten Anordnungen ergeben sich nicht nur auf Grund des Aufbaus der Radsätze und des Getriebes, sondern auch auf Grund der besonderen Ausbildung der ausrückbaren oder entkuppelbaren, mit Schaufeln versehenen Teile der Drehmomentwandler, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, eine Anzahl von Drehmomentwandlern der Kraftübertragungseinrichtung auszurücken, ohne dass sich eine Absorption zu hoher Ventilationsverluste oder Reibungsverluste ergäbe, wie diese bei Verwendung anderer Arten ausrückbarer, schaufeltragender Komponenten auf Grund der Tatsache der Fall wäre, dass diese Komponenten nicht in ausreichendem Masse entkuppelbar oder ausrückbar sind.
Fig. 7 zeigt die höchsten und geringsten Zugkräfte, zwischen denen bei praktisch konstanter
Turbinendrehzahl die Zugkraft varüerbar ist. Natürlich kann man eine unterhalb der geringsten eingezeichneten
Zugkraft liegende Kraftentfaltung dadurch bekommen, dass man ein Einrücken oder ein Ausrücken der mit
Schaufeln versehenen Komponenten der Drehmomentwandler vornimmt, eine Verfahrensweise, die dem
Fahrzeugführer lediglich dasselbe Gefühl vermittelt, wie dies bei einem normalen Lastkraftwagen der Fall ist, wenn bei diesem eine drehzahlgeregelte Antriebsmaschine in Verbindung mit einem mechanischen Getriebe
Verwendung findet, wobei sich ein Betriebsverhalten ergibt, das als annehmbar zu bezeichnen ist.
Es ist auch möglich, bei der Kraftübertragungseinrichtung nach Fig. 5 die Drehmomentwandler mit Verriegelungskupplungen zu versehen, d. h. mit Reibungskupplungen zwischen Umlaufgehäuse und der Abtriebswelle--44--, so dass die Wandler auf Direktantrieb umschaltbar sind, wie dies bei den Fig. 1 und 3 der Fall ist. Eine solche Kraftübertragungseinrichtung ist daher nur für eine Kombination mit einer Zweiwellen-Gasturbine oder mit einem Primärantrieb geeignet, dessen Drehzahl bei Direktantrieb innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereichs variierbar ist.
Die Arbeitskenngrössen einer solchen Kraftübertragungseinrichtung bei Verwendung als Antrieb für ein Transportfahrzeug sind in Fig. 8 gezeigt. Diese Kenngrössen ergaben sich bei einer Kombination bestehend aus einer Zweiwellen-Gasturbine von 276 kW (320 hp) bei 5500 Umdr/min in Verbindung mit einer Gruppe aus vier Drehmomentwandlern, die so, wie es Fig. 9 zeigt, angeordnet sind und von denen jeder Wandler von dem bekannten Typ S. R. M. DF, 1 1/2-stufig (hergestellt und vertrieben von der Firma S. R. M. Hydromekanik) besteht, wobei dieser Wandlergruppe ein Zweiganggetriebe nachgeschaltet ist.
Es ist klar, dass die Getriebeeinrichtungen in verschiedener Wirkungsanordnung vorgesehen sein können und dass die Drehmomentwandler ebenfalls anders angeordnet sein können, beispielsweise längs einer Primär-Antriebswelle, wobei die Drehmomentübertragung auf eine Gegenwelle erfolgen könnte, die parallel zur Primär-Antriebswelle verläuft. Alternativ könnten die Drehmomentwandler in Sternform bei Verwendung von Kegelrädern angeordnet sein.
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