DE10051964A1 - Schaltbares Leitrad - Google Patents

Abstract

Im Rahmen der Erfindung wird ein hydrodynamischer Wandler mit einem Pumpenrad, einem Turbinenrad, einem Leitrad und dem zur Drehmomentübertragung notwendigen Öl beschrieben, wobei das Leitrad schaltbar ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein schaltbares Leitrad für hy­ drodynamische Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Hydrodynamische Wandler sind seit der Einführung auto­ matischer Getriebe das Bindeglied zwischen einer Antriebs­ maschine und dem eigentlichen Getriebe. Ein Wandler ermög­ licht zum einen durch den Schlupf ein komfortables ruck­ freies Anfahren und dämpft gleichzeitig Drehungleichförmig­ keiten des Verbrennungsmotors. Zum anderen stellt die prin­ zipbedingte Momentüberhöhung ein großes Anfahrmoment zur Verfügung.

Ein hydrodynamischer Wandler besteht nach dem Stand der Technik aus einem Pumpenrad, einem Turbinenrad, dem Reaktionsglied (Leitrad) und dem zur Drehmomentübertragung notwendigen Öl.

Das Pumpenrad, welches durch den Motor angetrieben wird, versetzt das Öl im Wandler in eine kreisförmige Strö­ mung. Diese Ölströmung trifft auf das Turbinenrad und wird dort in der Strömungsrichtung umgelenkt.

Im Nabenbereich verläßt das Öl die Turbine und gelangt auf das Reaktionsglied (Leitrad), wo es erneut umgelenkt und somit in der passenden Anströmrichtung dem Pumpenrad zugeführt wird.

Durch die Umkehr entsteht am Leitrad ein Moment, des­ sen Reaktionsmoment das Turbinenmoment erhöht. Das Verhält­ nis Turbinenmoment zu Pumpenmoment wird als Momenterhöhung bezeichnet.

Je größer der Drehzahlunterschied zwischen Pumpe und Turbine ist, desto größer ist die Momenterhöhung, welche bei stehender Turbine die maximale Größe hat. Mit zunehmen­ der Turbinendrehzahl sinkt folglich die Momenterhöhung ab.

Erreicht die Turbinendrehzahl ca. 85% der Pumpendreh­ zahl, wird die Momenterhöhung = 1, d. h. das Turbinenmoment ist gleich dem Pumpenmoment.

Das Leitrad, das sich über den Freilauf und die Lei­ tradwelle zum Getriebegehäuse abstützt, läuft in diesem Zustand frei in der Strömung mit und der Freilauf wird überrollt. Von diesem Punkt an arbeitet der Wandler als reine Strömungskupplung. Während der Wandlung steht das Leitrad still und wird über den Freilauf zum Gehäuse abge­ stützt.

Hydrodynamische Wandler sind üblicherweise ein- oder mehrstufig ausgebildet. Die Anzahl der Stufen wird durch die Anzahl der Turbinenräder definiert, denen ein Leitrad zugeordnet ist. Das Leitrad wird hierbei über einen Frei­ lauf in eine Drehrichtung gesperrt und in der anderen Dreh- Richtung frei überrollt, wobei die Leitraddurchströmung zentrifugal oder zentripedal erfolgen kann.

Des weiteren sind Konstruktionen bekannt, bei denen der Anstellwinkel der Leitradschaufeln verändert werden kann, um somit die Wandlerkennung dem Betriebspunkt anzupassen. In Pkw-Automatgetrieben werden aus Kosten- und Bau­ raumgründen einstufige Wandler mit zentripedal durchström­ ten, nicht verstellbarem Leitrad eingesetzt.

Diese Konstruktion kann im Betrieb Nachteile aufwei­ sen: Ein Automatgetriebe mit hydrodynamischem Wandler zeigt je nach Kennung ein mehr oder minder starkes Kriechmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie im Stillstand. Zudem wird bei Stillstand dem Motor ein Moment abverlangt, wel­ ches zu einer Verschlechterung des Kraftstoffverbrauchs führt. Außerdem wirkt bei aufgeladenen Motoren das Getrie­ beaufnahmemoment dem schnellen Motorhochlauf entgegen, was zu einem trägen Motormomentenaufbau, insbesondere bei Die­ selmotorisierungen führt.

Diesem Zustand wird dadurch Rechnung getragen, dass Wandler mit weichen Kennungen eingesetzt werden, welche den Motorhochlauf etwas begünstigen, jedoch auch einen ver­ schlechterten Betriebswirkungsgrad und eine höhere Verlust­ leistung zeigen. Zudem ist die Fahrbarkeit von weichen Wandlerkennungen ohne erheblichen GWK Einsatz (Verlustlei­ stung) schlecht, da das Fahrzeugverhalten subjektiv träge erscheint.

Durch Zusatzfunktionen, wie z. B. eine rutschende Kupplung im Getriebe (SBC, Stand By Control) kann das Ge­ triebeaufnahmemoment und folglich das Kriechmoment und so­ mit der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Durch geeig­ nete Schließstrategien der rutschenden Kupplung beim An­ fahrvorgang kann eine Verbesserung des Anfahrverhaltens erzielt werden. Ein Nachteil besteht darin, dass ein derar­ tiges Schließen der Kupplung bei schon erhöhtem Motormoment zu Problemen wie Reibschwingungen und kurzzeitig extremen Wärmeeintrag in die Kupplung führt.

Durch die rutschende Kupplung werden Verlustleistungen im Kupplungspaket erzeugt, die über eine geeignete Schmier­ ölversorgung abgeführt werden müssen. Ein derzeitiger Ölbe­ darf der SBC-Funktion liegt bei ca. 2 l/min im Motorleer­ lauf. Aus dieser Anforderung heraus muß die Ölpumpe dement­ sprechend dimensioniert werden, was zu einer Verschlechte­ rung des Wirkungsgrades des Getriebes führt. Zudem muß die Stahllamellenmasse in der Kupplung angepaßt werden (erhöh­ tes Getriebegewicht), um die Stahllamellentemperatur beim Anfahrvorgang durch die kurzzeitig hohe Reibarbeit nicht auf unzulässig hohe Werte steigen zu lassen. Die Kupplungs­ konstruktion ist folglich speziell für die Anfahrunterstüt­ zung zu modifizieren.

Nach dem Stand der Technik stützt sich das Leitrad ei­ nes hydrodynamischen Wandlers an einem Freilauf ab, solange das Drehzahlverhältnis des Turbinenrads n_T zum Pumpen­ rad n_P entsprechend vorhanden ist. Das so entstehende Stützmoment des Leitrads führt durch die Strömungsumlenkung zu einer Erhöhung des Turbinenmoments und bei Stillstand des Fahrzeugs auch des Kriechmoments. Je größer die Dreh­ zahldifferenz zwischen n_T zu n_P ist, desto größer ist auch die Momentenerhöhung. Bei Stilltand des Fahrzeugs steht die Turbinenseite des Wandlers und die Pumpenseite läuft mit Motordrehzahl um. Dies resultiert in einer Diffe­ renzdrehzahl, welche als Funktion der Leerlaufdrehzahl, der Getriebetemperatur und des eingesetzten Wandlertyps ein starkes Kriechmoment zur Folge hat.

Durch die Änderung der Strömungsrichtung im Leitrad, wenn sich dieses am Freilauf abstützt und die Turbinenseite steht, kann es auch zu erheblichen Verlustleistungen im Wandler kommen. Diese Verluste sind Stoßverluste und Verlu­ ste durch Strömungsreibung, welche jedoch gut beherrscht werden können, da sie sich als Wärmeeintrag ins Öl ergeben und diese leicht durch den Ölkreislauf im Getriebe angebun­ den an den Fahrzeug-, Getriebekühler abgeführt werden kön­ nen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion für einen hydrodynamischen Wandler anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Insbesondere soll das Kriechmoment bei niedrigen Ge­ schwindigkeiten und im Stillstand reduziert werden. Hierbei soll auf die SBC-Funktion verzichtet werden, um eine Ver­ schlechterung des Wirkungsgrades des Getriebes sowie eine Vergrößerung des erforderlichen Bauraums zu vermeiden.

Des weiteren soll der Anfahrvorgang unterstützt, das Anfahrverhalten verbessert und der Komfort für den Fahrer erhöht werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Demnach wird vorgeschlagen, das Leitrad nicht über ei­ nen Freilauf abzustützen, sondern schaltbar auszubilden.

Hierbei entfällt erfindungsgemäß der Freilauf des Lei­ trads komplett, wobei das Leitrad durch ein Schaltelement betätigt wird. Das Schaltelement kann erfindungsgemäß eine Lamellenkupplung oder eine Konusklemmkupplung über den Axialschub des Leitrads oder eine Kombination aus beiden sein. Angesteuert wird das Schaltelement durch ein hydrau­ lisches Schaltgerät, elektromechanisch oder elektrisch.

Die erfindungsgemäße Konstruktion weist folgende Vor­ eile auf:
Das Öffnen des Leitradschaltelements während des Aus­ rollens oder im Stillstand des Fahrzeugs führt zur Redukti­ on der Stoßverluste am Leitrad im Wandler, das Stützmoment des Leitrads entfällt und die Wandlerverstärkung wird zu 1. Die Folge ist eine deutliche Verringerung des Getriebeauf­ nahmemoments, was zur Reduktion des Motormoments und des Kraftstoffverbrauchs während des Stillstandes beiträgt.

Des weiteren wird die SBC-Funktion durch ein schaltba­ res Leitrad ersetzt. Die entstehende Verlustleistung als Wärme im Öl kann durch den Ölkreislauf im Wandler besser beherrscht werden, ohne eine Vergrößerung der Ölpumpe und die bereits erwähnten baulichen Sondermaßnahmen an einer Kupplung zur Folge zu haben. Zudem kann ein Temperaturbe­ reich abgedeckt werden, der mit der SBC-Funktion aufgrund der abnehmenden Regeltätigkeit einer Lamellenkupplung in­ folge Zunahme der Ölviskosität bei niedrigen Temperaturen derzeit nicht abdeckbar ist (beispielsweise < 10°C). Somit kann auch während der erhöhten Leerlaufdrehzahl bei Kalt­ start das Kriechmoment wirkungsvoll reduziert werden, was in einem für den Fahrer spürbaren Komfortgewinn resultiert.

Die erfindungsgemäße Konstruktion kann erfindungsgemäß auch zur Anfahrunterstützung eingesetzt werden. Dies kann durch eine Schließstrategie des Leitradschaltelements er­ reicht werden, ohne eine Kupplung im Getriebe zu überlasten oder den Kühlölstrom und die Kupplungskonstruktion anpassen zu müssen.

Da die Anfahrkennung durch das schaltbare Leitrad ver­ änderbar wird, kann eine härtere Wandlerkennung verbaut werden, wodurch die Fahrbarkeit bei offener Wandlerkupplung der Betriebswirkungsgrad des Wandlers und die Verlustlei­ stung im Wandler günstig beeinflußt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstrukti­ on besteht darin, dass durch das schaltbare Leitrad eine aktive Getriebeschutzfunktion ermöglicht wird, da das Tur­ binenmoment bei einem unzulässigen Zustand im Getriebe durch Öffnen des Leitradschaltelements schnell abgesenkt werden kann.

Im Rahmen einer weiteren Anwendung der Erfindung kann durch eine mögliche Drehzahlregelung/-steuerung des Lei­ trads mittels des Schaltelements die Momentenwandlung aktiv in jedem Betriebspunkt des Wandlers beeinflußt werden.

Auch kann durch gezielte Ansteuerung des Leitrads bei Schaltungen wie N-D, N-R, und Ausrollschaltungen der Schaltkomfort gesteigert werden, da das Turbinenmoment durch Lösen des Leitrads während der Schaltung reduziert werden kann.

Außerdem wird eine aktive Bedämpfung des Wandlerruc­ kens bei Rückrollen des Fahrzeugs am Hang mit eingelegter Position D ermöglicht. Bei diesem Fahrzustand erfolgt bis­ her eine Falschanströmung des sich am Freilauf abstützenden Leitrads, was eine Ruckelbewegung im Fahrzeug anregt. Durch getaktetes Lösen des Leitrads in Abhängigkeit der Rückroll­ geschwindigkeit kann diese Anregung aktiv bedämpft werden.

Claims (8)

1. Hydrodynamischer Wandler mit einem Pumpenrad, einem Turbinenrad, einem Leitrad und dem zur Drehmomentübertra­ gung notwendigen Öl, dadurch gekennzeich­ net, dass das Leitrad schaltbar ausgebildet ist.

2. Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad durch ein Schaltelement betätigbar ist.

3. Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine Lamellenkupplung ist.

4. Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine Konusklemmkupplung über den Axialschub des Leitrads ist.

5. Hydrodynamischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine Kombination aus einer Lamellenkupplung und einer Konus­ klemmkupplung über den Axialschub des Leitrads ist.

6. Hydrodynamischer Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement durch ein hydraulisches Schaltgerät elektro­ mechanisch oder elektrisch angsteuerbar ist.

7. Verwendung eines hydrodynamischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verbesserung des Anfahrver­ haltens eines Fahrzeugs mit einem Automatgetriebe.

8. Verwendung eines hydrodynamischen Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis zur Reduzierung der Kriechneigung und des Getriebeaufnahmemomentes für ein Fahrzeug mit einem Automatgetriebe.