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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug,
mit einem Automatgetriebe, welches einen hydrodynamischen Wandler
aufweist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art.
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Gattungsgemäße
Antriebsvorrichtungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik
bekannt. Typischerweise bestehen derartige Antriebsvorrichtungen
aus einem Automatgetriebe sowie wenigstens einem Antriebsaggregat.
Dieses Antriebsaggregat wird dabei im Allgemeinen ein Verbrennungsmotor
sein, es sind jedoch auch Kombinationen aus mehreren Antriebsaggregaten,
beispielsweise Hybridantriebe mit Verbrennungsmotor und serieller
oder paralleler Elektromaschine denkbar. Die gattungsgemäßen
Antriebsvorrichtungen weisen dabei jeweils ein Automatgetriebe auf,
welches wiederum mit einem hydrodynamischen Wandler arbeitet.
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Derartige
Automatgetriebe mit hydrodynamischem Wandler werden auch als Differentialwandlergetriebe
bezeichnet. Sie sind beispielsweise aus der
deutschen Offenlegungsschrift 2 021
543 bekannt. Typisch für derartige Automatgetriebe
mit hydrodynamischem Wandler ist es dabei, dass insbesondere beim
Anfahren im ersten Gang die Kraftübertragung über
den hydrodynamischen Wandler erfolgt und erst mit steigender Übersetzung
unter Umgehung des hydrodynamischen Wandlers rein mechanisch erfolgt. Bei
so einem Getriebe gibt es also Kraftwege sowohl über den
hydrodynamischen Wandler als auch rein mechanische Kraftwege um
den hydrodynamischen Wandler sowie kombinierte Kraftwege, welche
teilweise mechanisch und teilweise über den hydrodynamischen
Wandler ausgelegt sein können. Der hydrodynamische Wandler
spielt wie bereits erwähnt beim Anfahren eines Fahrzeuges
mit einer derartigen Antriebsvorrichtung eine besondere Rolle, ebenso wie
beim Bremsen des Fahrzeuges, da der hydrodynamische Wandler hier
die Rolle einer verschleißfreien Bremse übernehmen
kann.
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Sowohl
beim Anfahren als auch beim Bremsen eines Fahrzeuges mit einer gattungsgemäßen Antriebsvorrichtung
kommt es im hydrodynamischen Wandler zu Reibungsverlusten, welche
sich in Form von Abwärme manifestieren. Diese Abwärme
wird über das im Automatgetriebe befindliche Getriebeöl, welches
gleichzeitig als Arbeitsmedium für den hydrodynamischen
Wandler dient, abgeführt und über einen Wärmetauscher
im Ölsumpf des Automatgetriebes an das Kühlmedium
abgegeben.
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Nachteilig
bei dieser Anordnung ist es, dass mit dem Getriebeöl nur
bestimmte Wärmemengen abgeführt werden können,
da aufgrund der thermischen Belastung des Getriebeöls vorgegebene
Maximaltemperaturen nicht überschritten werden dürfen, ohne
dass es zu einer Schädigung des Getriebeöls kommen
kann. Eine Erhöhung der über das Öl abgeleiteten
Wärmemenge kann somit lediglich durch eine Erhöhung
des Volumenstroms, der Fördermenge oder der Strömungsgeschwindigkeit
des Öls durch den Kühlwärmetauscher erreicht
werden. All diese Maßnahmen erfordern jedoch größere Ölmengen
oder entsprechende Energiemengen zur Bereitstellung der erforderlichen
Randbedingungen hinsichtlich Volumen und Strömungsgeschwindigkeit des Ölvolumenstroms
in dem Wärmetauscher.
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Außerdem
kann die Abfuhr der Wärmemenge aus dem Automatgetriebe
bei steigender Temperatur des Kühlmediums nicht mehr in
ausreichendem Maße sichergestellt werden, da hierdurch
die Differenztemperatur zwischen dem Kühlmedium in dem Wärmetauscher
und der maximal möglichen Temperatur des Getriebeöls
kleiner wird und sich damit die übertragene Wärmemenge
verringert.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen,
welche eine optimierte Kühlung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 gelöst.
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Durch
die zusätzlichen Einrichtungen zur direkten Kühlung
des hydrodynamischen Wandlers ergeben sich gemäß der
Erfindung nunmehr zwei Möglichkeiten Wärme aus
dem Automatgetriebe abzuführen, nämlich über
das Arbeitsmedium des hydrodynamischen Wandlers, also das Getriebeöl,
einerseits und über eine direkte Kühlung des hydrodynamischen
Wandlers andererseits. Da sowohl beim Anfahren als auch beim Bremsen
im hydrodynamischen Wandler selbst die höchsten Temperaturen
auftreten und damit die höchste Abwärmemenge anfällt,
kann durch die direkte Kühlung des hydrodynamischen Wandlers
eine besonders gezielte und effiziente Kühlung im Bereich
der höchsten Temperatur in dem Automatgetriebe erreicht
werden. Ferner ergibt sich durch die hohe Temperatur im Bereich
des hydrodynamischen Wandlers eine besonders große Temperaturdifferenz
zu dem Kühlmedium, so dass eine besonders effiziente Kühlung
in diesem Bereich realisiert werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil muss darin gesehen werden, dass durch die direkte
Kühlung des hydrodynamischen Wandlers die dort auftretenden
Maximaltemperaturen des Arbeitsmediums begrenzt werden. Damit lassen
sich höhere Leistungen in dem hydrodynamischen Wandler
sowohl beim Anfahren als auch beim Bremsen erreichen. Da die im
hydrodynamischen Wandler entstehende Wärme sich dabei auf das
Arbeitsmedium und das Kühlmedium gleichermaßen
verteilt, kann so die Temperatur des Arbeitsmediums begrenzt werden,
so dass gleichzeitig thermische Zersetzungen im Arbeitsmedium verhindert bzw.
verringert werden können.
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Da
es sich bei dem hydrodynamischen Wandler um die Hauptwärmequelle
in dem Automatgetriebe handelt, ist eine direkte Kühlung
des hydrodynamischen Wandlers besonders effektiv, da sie in praktisch
allen Betriebszuständen immer an der Stelle des höchsten
Wärmeeintrags direkt wirkt.
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In
einem Automatgetriebe mit hydrodynamischem Wandler kommt es außerdem
häufig zu hohen thermischen Spannungen in dem Material
des Getriebes, da durch starke Temperaturschwankungen in dem Arbeitsmedium,
insbesondere beim Anfahren, sehr große Temperatursprünge
zwischen den einzelnen Bereichen des Getriebes auftreten können.
insbesondere beim Anfahren mit noch vergleichsweise kaltem Getriebe
können diese unterschiedliche Temperaturen in den einzelnen
Bereichen des Getriebes zu extrem hohen Spannungen in den sich unterschiedlich
stark ausdehnenden Materialien führen. Durch die effiziente
Kühlung des Arbeitsmediums im Bereich des hydrodynamischen Wandlers,
insbesondere beim Anfahren, können derartige Temperaturschwankungen
deutlich vermindert werden, so dass ein homogenerer Temperaturverlauf in
dem Arbeitsmedium und damit auch im gesamten Automatgetriebe ermöglicht
wird. Durch diesen zeitlich und örtlich homogeneren Temperaturverlauf
werden die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung
in den Materialien auftretenden mechanischen Spannungen in dem Automatgetriebe
deutlich reduziert. Dies erlaubt wiederum eine einfache und leichtere
Auslegung des Getriebes oder eine höhere Lebensdauer desselben.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung sind die Einrichtungen zur direkten Kühlung
des hydrodynamischen Wandlers als Wärmetauscher im Bereich
der nicht rotierenden Elemente des Wandlers ausgebildet. Diese Elemente,
insbesondere das Wandlergehäuse und die Leiträder,
welche gegenüber dem Gehäuse des Automatgetriebes
nicht rotieren, sind besonders geeignet, um direkt gekühlt
zu werden, da diese mit einem flüssigen Kühlmedium über
entsprechende Leitungen leicht versorgt werden können.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee sind die
Einrichtungen zur direkten Kühlung des hydrodynamischen
Wandlers in Form von zumindest teilweise hohlen Bauteilen des Wandlers
ausgebildet, welche von dem Kühlmedium durchströmbar
sind. Diese Ausgestaltung beispielsweise des Wandlergehäuses
oder des Leitrad rings mit teilweise hohlen oder doppelwandigen
Elementen integriert somit den Kühlwärmetauscher
direkt in den hydrodynamischen Wandler, um diesen unmittelbar kühlen
zu können. Damit lässt sich einerseits die Kühlleistung
deutlich verbessern und andererseits ein Aufbau erreichen, welcher
gegenüber dem herkömmlichen Aufbau nur einen minimalen
Zusatzaufwand an Teilen und Bauraum aufweist. Gemäß einer sehr
günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung weisen die mit dem Kühlmedium in Kontakt
stehenden Bereiche des hydrodynamischen Wandlers Elemente auf, welche
den Wärmeübergang auf das Kühlmedium
erleichtern. Diese Elemente können vorteilhafterweise als
Wärmeleitbleche oder Wärmeleitrippen ausgebildet
sein, welche die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehende Oberfläche
vergrößern.
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Alternativ
oder zusätzlich können gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung Strukturelemente vorgesehen sein, welche
die von dem Kühlmedium überströmte Oberfläche
so ausgestalten, dass die Strömung des Kühlmediums
turbulent ist.
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Eine
derartige turbulente Strömung weist gegenüber
einer laminaren Strömung den Vorteil auf, dass der Wärmeübergang
von der Oberfläche auf das strömende Kühlmedium
deutlich verbessert wird. Es kann daher durch derartige Strukturen
auf der Oberfläche eine Verbesserung des Wärmeübergangs
und damit eine Verbesserung der Kühlleistung erzielt werden.
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Gemäß einer
besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung ist es vorgesehen, dass zur Kühlung
des Wärmetauschers für das Arbeitsmedium und zur
direkten Kühlung des hydrodynamischen Wandlers nur ein
einziger Kühlkreislauf vorgesehen ist. Dieser eine Kühlkreislauf
für die Kühlung des hydrodynamischen Wandlers
und des Arbeitsmediums, also des Getriebeöls, weist dabei
den Vorteil auf, dass die für einen Kühlkreislauf
typischen Elemente wie Regelventile und Fördereinrichtung
zur Aufrechterhaltung des Volumenstroms des Kühlmediums
lediglich einmal vorhanden sein müssen.
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Gemäß einer
entsprechenden Weiterbildung dieser Idee können die beiden
Wärmequellen in dem Kühlkreislauf nun parallel
oder in einer alternativen Ausgestaltung auch seriell in dem Kühlkreislauf
verschaltet sein. Im Falle einer seriellen Verschaltung ist es von
Vorteil, wenn das Kühlmedium zuerst den Wärmetauscher
für das Arbeitsmedium durchströmt, bevor es die
direkte Kühlung des hydrodynamischen Wandlers übernimmt.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist der hydrodynamische Wandler
typischerweise der Bereich des Automatgetriebes in welchem die größte Wärmemenge
anfällt, so dass die Temperatur im Bereich des hydrodynamischen
Wandlers höher liegen wird, als im Bereich, in dem das
Arbeitsmedium gekühlt wird. Eine serielle Verschaltung
in der oben genannten Reihenfolge stellt damit sicher, dass trotz
minimalem Aufwand im Kühlkreislauf eine gute Kühlung sowohl
des Getriebeöls als auch des hydrodynamischen Wandlers
erreicht werden kann.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung, bei welcher diese zumindest ein Antriebsaggregat
mit umfasst, wenn der Kühlkreislauf für den Wärmetauscher des
Arbeitsmediums und die direkte Kühlung des hydrodynamischen
Wandlers zusätzlich die Kühlung des Antriebsaggregats
umfasst.
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In
diesem Aufbau, bei dem nur ein Kühlkreislauf für
die komplette Antriebsvorrichtung benötigt wird, kann der
Aufwand zur Ausgestaltung des Kühlkreislaufs minimiert
werden. Typischerweise wird dieser lediglich eine Kühlmittelförderpumpe
aufweisen, welche das Kühlmittel sowohl durch die beiden
Wärmetauscher als auch durch die Wärmetauscher
des Antriebsaggregats führt, und dann in einem Kühlwärmetauscher
für eine Abkühlung des Kühlmediums, beispielsweise
durch den Fahrtwind eines Fahrzeuges, sorgt.
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In
der Praxis bedeutet dies, dass die direkte Kühlung des
hydrodynamischen Wandlers zusätzlich in den vorhandenen
Standardkühlkreislauf integriert werden kann, welcher als
Kühlmittel typischerweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel
aufweist, um mit einem einfachen, frostsicheren und eine hohe Wärmekapazität
aufweisenden Kühlmedium kühlen zu können.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass die Zuleitungen
für das Kühlmittel zu den Einrichtungen zur direkten
Kühlung des hydrodynamischen Wandlers in ein Gehäuse
des Automatgetriebes integriert sind.
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Dieser
Aufbau weist den Vorteil auf, dass das Automatgetriebe an sich hinsichtlich
Bauraum und Außenkontur praktisch unverändert
bleiben kann und dass zusätzlich durch die Führung
der Kühlkanäle in dem Gehäuse des Automatgetriebes
dieses Gehäuse zumindest im Bereich der Kühlkanäle
zusätzlich gekühlt wird. Durch einen im typischen
Aufbau an das Gehäuse des Automatgetriebes angeflanschten Wärmetauscher
für das Arbeitsmedium ergibt sich außerdem der
Synergieeffekt einer einfachen und effektiven Leitungsführung
durch das Gehäuse und beide Wärmetauscher, beispielsweise
in der oben dargelegten seriellen oder parallelen Verschaltung.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem
nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die
einzige beigefügte Figur zeigt eine Antriebsvorrichtung
für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung.
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In
der Figur ist eine Antriebsvorrichtung 1 gemäß der
Erfindung erkennbar. Wesentlicher Bestandteil ist dabei ein Automatgetriebe 2,
welches hier in einer Schnittdarstellung systematisch so dargestellt ist,
dass lediglich eine Hälfte des rotationssymmetrisch aufgebauten
Getriebes angedeutet ist. Das Automatgetriebe 2 verfügt über
einen Eingangskorb 3 und einen Ausgangskorb 4.
Diese sind hier nur beispielhaft dargestellt und können
neben den dargestellten Ausführungsformen auch alternative
Ausführungsformen umfassen, insbesondere andere Kopplungsstrukturen
und/oder eine andere Anzahl von Brems- oder Kupplungselementen oder
unterschiedliche Anzahlen an Planetensätzen. Zwischen dem Eingangskorb 3 und
dem Ausgangskorb 4 ist in dem Automatgetriebe 2 ein
hydrodynamischer Wandler 5 zu erkennen. Wie bei Automatgetrieben 2 mit
hydrodynamischem Wandler 5 üblich, dient der hydrodynamische
Wandler insbesondere beim Anfahren im ersten Gang zur Kraftübertragung
und kann außerdem als verschleißfreie Dauerbremse
eingesetzt werden. Das Automatgetriebe 2 verfügt
neben einem Kraftweg über den hydrodynamischen Wandler,
welcher insbesondere im ersten Gang und im Rückwärtsgang eingesetzt
wird, über mechanische Kraftwege, welche die Kräfte
durch das Automatgetriebe 2 leiten, ohne den hydrodynamischen
Wandler 5 mit zu verwenden.
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Die
Antriebsvorrichtung 1 zeigt außerdem einen schematischen
Kühlkreislauf 6 mit einer Fördereinrichtung 7 für
ein Kühlmedium. Mit der Fördereinrichtung 7 wird
das Kühlmedium im Kühlkreislauf umgewälzt
und kann so im Bereich eines Wärmetauschers 8 das
Getriebeöl des Automatgetriebes 2 in einem nicht
näher dargestellten Ölsumpf kühlen. Die Abkühlung
des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 6 erfolgt
dann über einen Kühlwärmetauscher 9,
welcher bei einem Fahrzeug typischerweise vom Fahrtwind durchströmt
wird, um das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 6 abzukühlen.
Auf eine Darstellung von Elementen zur Regelung der Temperatur und/oder des
Volumenstroms, sowie weiterer üblicher Komponenten eines
Kühlkreislaufs 6, wurden hier zur Vereinfachung
verzichtet. Dennoch können derartige Komponenten/Vorrichtung
selbstverständlich in dem Kühlkreislauf 6 vorhanden
sein.
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Zusätzlich
kann ein solcher Kühlkreislauf 6 neben der Kühlung
des Getriebeöls auch noch zur Kühlung eines Antriebsaggregats 10 der
Antriebsvorrichtung 1, typischerweise einer Brennkraftmaschine, welche
hier optional angedeutet ist, genutzt werden. Das Kühlmedium
in dem Kühlkreislauf 6 wird dabei, wie in herkömmlichen
Kühlkreisläufen auch, ein Kühlwasser
sein bzw. ein Kühlwasser/Frostschutz-Gemisch, welches zum
Abtransport der in dem Antriebsaggregat 10 und dem Automatgetriebe 2 entstehenden
Wärme aufgrund seiner hohen Wärmekapazität
sehr gut geeignet ist.
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Wie
auch beim Stand der Technik, erfolgt die Kühlung des Automatgetriebes 2 somit über
die Kühlung des Getriebeöls, welches gleichzeitig
auch als Arbeitsmedium für den hydrodynamischen Wandler 5 Verwendung
findet. Diese Kühlung über den Wärmetauscher 8 im Ölsumpf
für das Arbeitsmedium des Automatgetriebes 2 kann
jedoch nur begrenzte Wärmemengen abführen und
erlaubt daher nur begrenzte Leistungen, welche dementsprechend begrenzte Wärme
in das Automatgetriebe 2 eintragen. Insbesondere beim Anfahren,
jedoch auch beim Bremsen, mit dem hydrodynamischen Wandler 5 wäre
es jedoch wünschenswert höhere Leistungen realisieren zu
können, welche dann jedoch auch zu einem höheren
Wärmeeintrag in das Getriebeöl führen
würden. Durch thermische Zersetzung des Getriebeöls
würde dieses sehr stark leiden und müsste dementsprechend
sehr häufig ausgewechselt werden.
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Durch
den hier dargestellten Aufbau ist es nun jedoch möglich,
in den Kühlkreislauf 6 zusätzlich Wärmetauscher 11 im
Bereich des hydrodynamischen Wandlers 5 mit dem Kühlmedium
zu durchströmen. Damit wird eine direkte Kühlung
des hydrodynamischen Wandlers 5 möglich. Durch
diese direkte Kühlung des hydrodynamischen Wandlers 5 kann der
Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium des Automatgetriebes 2 entsprechend
reduziert werden und eine gleichmäßigere und effizientere
Kühlung des Automatgetriebes 2 in genau dem Bereich
realisiert werden, in dem die höchsten Abwärmemengen
auftreten. Die Wärmetauscher 11 als beispielhafte
Einrichtungen zur direkten Kühlung des hydrodynamischen
Wandlers 5 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
seriell zu dem Wärmetauscher 8 im Ölsumpf
in den Kühlkreislauf 6 integriert, es wäre
jedoch auch denkbar, diese parallel zu dem Wärmetauscher 8 und/oder
seriell zum Antriebsaggregat 10 anzuordnen.
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Im
hydrodynamischen Wandler 5 sind die Wärmetauscher 11 bevorzugt
in den Bereichen angeordnet, in denen der hydrodynamische Wandler sich
gegenüber einem Gehäuse 12 des Automatgetriebes 2 nicht
bewegt. Dies ist insbesondere das Wandlergehäuse 13 und
im Bereich des feststehenden Turbinenleitrades. Die Wärmetauscher 11,
welche hier nur exemplarisch angedeutet sind, können dabei
insbesondere als doppelwandige Ausführung des Gehäuses 13 und/oder
anderer feststehender Teile ausgeführt sein. Zusätzlich
kann eine Wärmeabfuhr zu dem Kühlmedium durch
Wärmeleitrippen oder eine entsprechende Oberflächengestaltung (nicht
dargestellt) der von dem Kühlmedium überströmten
Bereiche, verbessert werden.
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Die
Zufuhr des Kühlmediums kann durch das Gehäuse 12 des
Automatgetriebes 2 vergleichsweise einfach erfolgen, da
diese Teile des hydrodynamischen Wandlers 5, welche die
Wärmetauscher 11 beinhalten, sich gegenüber
dem Gehäuse 12 nicht bewegen und somit einen direkten
Anschluss von Kühlleitungen durch das Gehäuse 12 ermöglichen.
Außerdem kann durch die Leitungsführung in der
Wandung des Gehäuses 12 ein sehr einfacher und
kompakter Aufbau erreicht werden, bei dem lediglich wenige Anschlüsse
für das Kühlmedium an das Getriebe 2 notwendig
sind.
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Insbesondere
kann die Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums so erfolgen,
dass mit einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung
an dem Getriebegehäuse 12 bzw. einem Medienverteiler
sowohl der Wärmetauscher 8 zur Kühlung
des Getriebeöls als auch der Wärmetauscher 11 im
Bereich des hydrodynamischen Wandlers 5 parallel oder nacheinander
durchströmt werden können. Dieser Aufbau ermöglicht
dann ein einfaches und kompaktes Getriebe, welches insbesondere
bei der Montage oder bei Wartungsarbeiten sehr einfach zu handhaben
ist, da sämtliche Fluidanschlüsse in einem Bereich
des Getriebes, beispielsweise in einem Fluidverteiler, konzentriert
werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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