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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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Aus
der DE-M11438II/63c-34/01-20.06.1952 Az ist eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung
für ein
Fahrzeug bekannt, bei welcher als Arbeitsmedium für einen
hydrodynamischen Wandler dasselbe Öl als Arbeitsflüssigkeit
dient wie zum Schmieren des Wechselgetriebes. Dabei ist ein Wärmetauscher
zur Kühlung
des Arbeitsmediums vorgesehen, wobei der Wärmetauscher zur Kühlung des
Arbeitsmediums im Bereich des hydrodynamischen Wandlers angeordnet
ist.
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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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Erfindungsgemäß 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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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
entsprechenden Weiterbildung der 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.