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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentwandler mit einer Wandlerüberbrückungskupplung und einem Torsionsschwingungsdämpfer, bei dem ein antriebsseitiges Primärelement des Torsionsschwingungsdämpfers mittels einer in einer radialen Richtung nach außen weisenden Verzahnung mit einem Lamellenpaket der Wandlerüberbrückungskupplung gekoppelt ist.
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Bei einem beispielsweise in der europäischen Patentschrift
EP 1 469 231 B1 gezeigten Drehmomentwandler ist das Primärelement des Torsionsschwingungsdämpfers ferner mit dem Turbinenrad des Drehmomentwandlers gekoppelt, um im Wandlerbetrieb die Rotation über das Primärelement des Torsionsschwingungsdämpfers auf dessen Sekundärelement und somit auf die mit diesem drehfest verbundene Abtriebswelle des Drehmomentwandlers übertragen zu können.
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Bei der in dem Patent
EP 1 469 231 B1 vorgeschlagenen Lösung ist die mechanische Verbindung zwischen Torsionsschwingungsdämpfer bzw. Torsionsdämpfer und dem Turbinenrad durch eine formschlüssige Mitnahme in Form einer „Klaue“ realisiert. Dazu ist ein Zwischenelement drehfest mit dem Turbinenrad bzw. mit einzelnen Turbinenradschalen verbunden, wobei das Zwischenelement mit seinem radial äußeren Ende in das Primärelement des Torsionsschwingungsdämpfers eingreift, d. h. in dessen antriebsseitige Komponente. Insbesondere greift das aus einem gestanzten und kaltverformten Blech bestehende Zwischenelement durch eine Ausstanzung in dem ebenfalls aus kaltgeformtem Blech bestehenden Primärdämpferelement hindurch, sodass bei einer Rotation des Zwischenelements das Primärdämpferelement mitgenommen wird.
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Die formschlüssige Mitnahme besteht also aus einer Mehrzahl von Eingriffsfenstern im Innenlamellenträger der Wandlerüberbrückungskupplung bzw. des Primärelements des Torsionsschwingungsdämpfers und einer dazu korrespondierenden Anzahl von Klauen, die sich in die Eingriffsfenster erstrecken und die mit den Turbinenschaufeln verbunden sind. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt durch Formschluss der Klauen mit dem Eingriffsfenster. Dies kann eine unzulässig hohe Flächenpressung zur Folge haben, da die konstruktive Gestaltung und Verarbeitung der miteinander in Berührung kommenden Flächen keine großflächige Anbindung erlaubt.
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Die Größe der zur Kraftübertragung zur Verfügung stehenden Flächen wird im Wesentlichen durch die Dicke der verwendeten Bleche und durch den relativen Winkel beider Bauteile zueinander bestimmt. Die aus Blech gestanzten Eingriffsfenster und Klauen weisen jeweils aufgrund des Stanzprozesses einen Einzugsbereich, einen Glattschnittbereich und einen Ausbruchsbereich auf, sodass zur Übertragung der Kraft effektiv noch weniger als die nominelle Dicke der Bleche zur Verfügung steht. Das Drehmoment wird überwiegend durch den Glattschnittbereich übertragen, sodass es zu einer Überschreitung der maximal zulässigen Flächenpressung und somit zu Materialermüdung bzw. Abrieb kommen kann. Ferner wird durch die aufgrund des Stanzprozesses rauen Oberflächen der Auflageflächen ein Materialabrieb bei einer Relativbewegung der Klauen und der Eingriffsfenster zueinander begünstigt und der Verschleiß gefördert.
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Darüber hinaus liegt insgesamt aufgrund des Stanzens, also des groben Fertigungsprozesses, eine schlechte geometrische Genauigkeit der am Formschluss beteiligten Bauteile vor. Dies führt unter anderem auch zu einem erhöhten Spiel der Klauen in den Eingriffsfenstern, was beispielsweise bei Lastwechseln oder Ähnlichem zu einem Schlagen oder einem Aufschaukeln bzw. einer Schwingung im Antriebsstrang führen kann.
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Die oben genannten Effekte führen zu einer Erhöhung des Verschleißes und somit zu einer Verringerung der Lebensdauer des Drehmomentwandlers sowie bei einem Einsatz eines solchen Drehmomentwandlers im Kraftfahrzeug zu einer Verringerung des Fahrkomforts.
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Es besteht somit der Bedarf, einen verbesserten derartigen Drehmomentwandler bereitzustellen, der beispielsweise einem geringeren Verschleiß unterliegt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen dies, indem die Kraftübertragung zwischen einem Primärelement des Torsionsschwingungsdämpfers und den Lamellen einer Wandlerüberbrückungskupplung über eine in einer radialen Richtung außen liegende Verzahnung eines Verbindungselements hergestellt wird, wobei gleichzeitig eine Kraftübertragung zwischen dem Turbinenrad des Drehmomentwandlers und dem Verbindungselement mittels einer entgegen der radialen Richtung nach innen weisenden zweiten Verzahnung des Verbindungselements erfolgt, wobei die zweiten Verzahnung in einer axialen Richtung parallel zu einer Rotationsachse des Turbinenrads bzw. des Drehmomentwandlers verläuft.
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Durch die Anbindung des Turbinenrads mittels der nach innen weisenden zweiten, parallel zur Turbinenachse verlaufenden Verzahnung ist eine größere Auflagefläche realisierbar, sodass ein erhöhter Verschleiß aufgrund einer unzulässig hohen Flächenpressung vermieden werden kann. Die Aussage, dass die Verzahnung in einer axialen Richtung parallel bzw. im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse des Turbinenrads verläuft ist folglich so zu verstehen, dass die Verzahnung an der inneren Oberfläche eines im Wesentlichen Zylindrischen Bauteils angebracht ist, dessen Durchmesser entlang der axialen Richtung nur geringfügig variiert. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Variation des Durchmessers über entlang der axialen Erstreckung zwischen maximal 3% bzw. 5% betragen. Bei anderen Ausführungsbeispielen verlaufen die Zähne der Verzahnung im Rahmen der Fertigungstoleranzen parallel zur Rotationsachse des Turbinenrades oder eines zylindrischen Teils des Verbindungselements. Bei anderen Ausführungsbeispielen schließt die Richtung der Zähne mit der Rotationsachse des Turbinenrads bzw. des Drehmomentwandlers einen Winkel ein, der kleiner als 3° oder kleiner als 5° ist.
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Darüber hinaus ermöglicht es die Geometrie des Verbindungselements mit der nach außen weisenden ersten Verzahnung und der nach innen weisenden zweiten Verzahnung, das Verbindungselement bzw. die Anlageflächen zwischen dem Drehmomentwandler und der Anbindung an das Turbinenrad, welche beispielsweise mittels eines zusätzlichen Kopplungselements erfolgen kann, geometrisch präziser herzustellen.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird das die nach innen und nach außen weisenden Verzahnungen aufweisende Verbindungselement bzw. ein diese Verzahnung umfassender zylindrischer Abschnitt des Verbindungselements durch Kaltwalzen, insbesondere nach dem Grobverfahren oder mittels axialem Rollen (Tangentialprofilringwalzen) hergestellt, was es auf kostengünstige Art und Weise ermöglicht, sowohl symmetrische als auch unsymmetrische Geometrien der ersten und der zweiten Verzahnung mit hoher Präzision herzustellen.
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Ferner ermöglicht es die parallel zur Rotationsachse des Turbinenrads des Drehmomentwandlers verlaufende Verzahnung, einen axialen Freiheitsgrad bzw. axiale Verschiebung zwischen dem Turbinenrad und der Wandlerüberbrückungskupplung bzw. dem Torsionsschwingungsdämpfer aufzunehmen, sodass im Betrieb erfolgende thermische Ausdehnungen oder Verspannungen nicht zur Verspannung der Anbindung und somit zu Materialverschleiß oder Reibungsverlusten führen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung verlaufen die Zähne der ersten Verzahnung parallel zu den Zähnen der zweiten Verzahnung, was das Herstellungsverfahren günstiger und effektiver machen kann. Zu diesem Zweck ist bei einigen Ausführungsbeispielen die Innen- und Außenverzahnung symmetrisch, d. h. ein nach außen weisender Zahn der ersten, nach außen wirkenden, Verzahnung bildet gleichzeitig eine Vertiefung der nach innen wirkenden zweiten Verzahnung, was zu einer annähernd gleichbleibenden Materialstärke entlang des Umfangs des zylindrischen Teils des Verbindungselements und somit zu einem besonders effizienten Materialeinsatz führt. Dies wiederum kann die Kosten und das Gewicht des Verbindungselements reduzieren und so auch zu einem reduzierten Verschleiß beitragen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend, Bezug nehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine Schnittansicht einer oberen Hälfte eines rotationssymmetrischen Drehmomentwandlers; und
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2 eine Ansicht eines radial verlaufenden Schnitts durch den Drehmomentwandler der 1.
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1 zeigt einen Schnitt durch die obere Hälfte eines bezüglich einer Rotationsachse 4 rotationssymmetrischen Drehmomentwandlers 2. Der üblichen Notation folgend wird im Folgenden eine Richtung parallel zur Rotationsachse 4 als axiale Richtung 6 und jede dazu senkrechte von der Rotationsachse 4 wegweisende Richtung als radiale Richtung 8 bezeichnet. 2 zeigt eine Schnittansicht des Drehmomentwandlers 2 entlang der Schnittlinie A-A’. Folglich bezeichnen in den beiden Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Komponenten. Ferner wird im Folgenden der Aufbau des Drehmomentwandlers anhand beider Figuren gemeinsam beschrieben, wobei zur Verbesserung der Klarheit der Darstellung auf die jeweils das entsprechende Merkmal besser darstellende Figur Bezug genommen werden wird. Dies bedeutet selbstverständlich auch, dass Beschreibungen, die in Bezug auf eine der Figuren oder in Bezug auf eines der in einer der Figuren gezeigten Merkmale vorgenommen werden, unmittelbar auch auf das entsprechende Element der anderen Figur zutreffen.
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Der in den 1 und 2 dargestellte Drehmomentwandler 2 weist ein Wandlergehäuse 10 auf, das mit Pumpenradschaufeln 12 starr verbunden ist, so dass bei rotierendem Wandlergehäuse 10 die Pumpenradschaufeln 12 ein sich im Volumen der Pumpenradschaufeln 12 befindliches Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser oder Öl, verdrängen bzw. fördern. Die notwendige Rotation des Wandlergehäuses 10 wird bei Verbrennungsmotoren üblicherweise erreicht, indem das Wandlergehäuse 10 mittels Gewindebohrungen oder Löchern 14 unmittelbar oder mittelbar mit einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Schwungscheibe oder mit der Kurbelwelle des Motors verbunden wird. Das in Bewegung gesetzte Arbeitsmedium treibt die Schaufeln eines Turbinenrads 16 an, wobei der Kreislauf des Arbeitsmediums von den Schaufeln eines Leitrads 18 geschlossen wird, dessen geometrische Gestaltung zu einer Drehmomentüberhöhung führen kann. Das Leitrad 18 ist auf einer Leitradnabe 20 gelagert. Das Turbinenrad 16 ist über eine oder mehrere Kopplungselemente 22, die mit dem Turbinenrad 16 drehfest, beispielsweise mittels der in 1 dargestellten Nietung, verbunden sind, mit einem Primärelement 24 eines Torsionsschwingungsdämpfers gekoppelt.
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Der Torsionsschwingungsdämpfer selbst besteht aus dem antriebsseitigen Primärelement 24 sowie einem Sekundärelement 26 und aus zumindest einer, vorliegend mehrerer, Federanordnungen 28, mittels derer das Primärelement 24 mit dem Sekundärelement 26 des Torsionsschwingungsdämpfers drehelastisch gekoppelt ist. Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform verläuft das Primärelement 24 teilweise zwischen zwei in der axialen Richtung 6 zueinander beabstandeten Platten des Sekundärelements 26, in welchem Taschen zur Aufnahme der Federelemente 28 angeordnet sind. Wird das Primärelement 24 relativ zum Sekundärelement 26 verdreht, wird die Rotation bzw. Torsion durch die Federelemente 28, die sich sowohl am Primärals auch am Sekundärelement abstützen, gedämpft. Bei der in den 1 und 2 dargestellten speziellen Ausführungsform weist der Torsionsschwingungsdämpfer ferner eine Rotationswinkelbegrenzung 30 auf, die in einem radial innen liegenden Bereich des Torsionsschwingungsdämpfers dadurch gebildet wird, dass sich eine Nase des Primärelements in eine dazu korrespondierende Ausnehmung am Sekundärelement erstreckt und somit in beiden Rotationsrichtungen die Rotation des Primärelements 24 relativ zu dem Sekundärelement 26 begrenzt.
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Der Abtrieb, d. h. die Anbindung eines Getriebes oder dergleichen, erfolgt über eine Nabe 32, mit der das Sekundärelement 26 des Torsionsschwingungsdämpfers drehfest, beispielsweise durch eine Vernietung, gekoppelt ist.
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Zur Wandlerüberbrückung, d. h. zur Überbrückung des Drehmomentwandlers nach dem Anfahren, ist eine aus zwei Lamellenpaketen bestehende Wandlerüberbrückungskupplung 34 vorgesehen, deren wandlerseitiges Lamellenpaket (die Innenlamellen) mittels einer in der radialen Richtung 8 nach außen weisenden Verzahnung mit dem Verbindungselement 24, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch als Primärelement 24 des Torsionsschwingungsdämpfers dient, verbunden ist. Die Zähne dieser ersten Verzahnung verlaufen parallel zur axialen Richtung 6 an dem äußeren Umfang des zylindrischen Teils des Verbindungselements 24, sodass beim Betätigen der Kupplung mittels eines Kupplungsbetätigungskolbens 36 die inneren Lamellen der Wandlerüberbrückungskupplung 34 axial verschiebbar sind, während sie in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Verbindungselement 24 zur Kraftübertragung verbunden sind. Auf ähnliche Weise sind die äußeren Lamellen der Wandlerüberbrückungskupplung 34 an das Wandlergehäuse 10 angebunden. Wenngleich im dargestellten Ausführungsbeispiel die Funktionalität des Verbindungselements und des Primärelements durch ein einstückiges Bauteil verwirklicht wird, kann bei alternativen Ausführungsbeispielen sowohl das Verbindungselement vom Primärelement getrennt als auch jedes der Elemente wiederum mehrteilig ausgebildet sein.
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Eine sowohl radial als auch axial wirksame Gleitlagerung 38 des Turbinenrads 16, die vorliegend mittels dem drehfest mit dem Turbinenrad 16 gekoppelten Kopplungselement 22 realisiert ist, erlaubt ein axiales Spiel zwischen dem Drehmomentwandler und dem Torsionsschwingungsdämpfer sowie der daran angebundenen Wandlerüberbrückungskupplung 34, um Schwingungen, Verspannungen oder Dergleichen auszugleichen. In axialer Richtung 6 wird die Position des Turbinenrads 16 bezüglich der übrigen Komponenten des Drehmomentwandlers mittels eines Wälzlagers 40, das in axialer Richtung wirkt, fixiert, sodass der Torsionsschwingungsdämpfer und der Drehmomentwandler in der axialen Richtung weitgehend voneinander entkoppelt sind, während diese in der Umfangsrichtung mittels des Kopplungselements 22 miteinander gekoppelt sind, um das Drehmoment bzw. eine Kraft übertragen zu können.
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Zu diesem Zweck erfolgt die Anbindung des Kopplungselements 22 an das Verbindungselement 24 in dem Verbindungsbereich 42 mittels einer entgegen der radialen Richtung 8 nach innen weisenden zweiten Verzahnung an dem Verbindungselement 24. Mittels dieser in 2 ersichtlichen Verzahnung wird also eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung der Rotation des Turbinenrads 16 auf das Verbindungselement 24 bzw. auf das Primärelement des Torsionsschwingungsdämpfers ermöglicht. Mit anderen Worten ist der Innenlamellenträger des Torsionsschwingungsdämpfers als ein zylindrisches Hohlteil mit Innen- und Außenverzahnung ausgeführt. Dabei erfolgt über die Außenverzahnung die Mitnahme der Lamellen und über die Innenverzahnung des Lamellenträgers die Mitnahme der Turbine.
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Durch die Anbindung über die Innenverzahnung wird eine wohl definierte und ausreichend große Auflagefläche zur Vermeidung von hohen Flächenpressungen erzielt. Dabei kann über das Profil bzw. die Dimensionierung der Verzahnung die formschlüssige Mitnahme an die erforderliche Belastbarkeit bzw. Drehmomentübertragung frei angepasst werden. Verglichen mit herkömmlichen Lösungen erfolgt darüber hinaus die Anbindung radial so weit wie möglich außen, was zu einer maximalen Drehmomentübertragung bei gegebener Materialstärke führt. Durch die Verzahnung, die beispielsweise effizient und mit hoher Präzision mittels Kaltwalzen, beispielsweise nach dem Grobverfahren oder durch axiales Rollen hergestellt werden kann, wird darüber hinaus eine höhere Oberflächenqualität erzielt als bei den bislang verwendeten Lösungen. Dies bewirkt auch eine hohe geometrische Genauigkeit der Verzahnungsprofile bzw. des Formschlusses, was, neben der besseren und verschleißfreien Kraftübertragung, auch zur Verringerung von Schwingungen im Antriebsstrang beiträgt.
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Darüber hinaus kann aufgrund der besseren Maßhaltigkeit und Genauigkeit der Bauteile eine schnellere und fehlerfreiere Montage des gesamten Wandlers erreicht werden. Über den Formschluss kann darüber hinaus eine Verbesserung des Traganteils der einzelnen Zähne bzw. Klauen am Umfang und dadurch eine größere Leistungsübertragung im Profil erfolgen als bisher. Die oben genannten Vorteile bzw. Verbesserungen der Geometrie und dergleichen führen insgesamt zu einer Reduzierung der mechanischen Verschleißerscheinung.
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Wenngleich in den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ein Kopplungselement 22 nahegelegt wird, welches radial vollständig umlaufend, also rotationssymmetrisch ist und in die umlaufende nach innen gerichtete Verzahnung des Verbindungselements 24 eingreift, können bei alternativen Ausführungsbeispielen auch eine oder mehrere Klauen als Kopplungselement 22 verwendet werden. Mehrere einzelne Klauen führen zu einem Formschluss entlang eines Teils des gesamten Umfangs. Dies ist jedoch aufgrund der Verwendung der nach innen gerichteten Verzahnung und der insgesamt besseren Kraftübertragungseigenschaften der Verzahnung ohne weiteres darstellbar.
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Dabei kann auch das Profil der Verzahnung den Gegebenheiten angepasst werden. Das in 2 dargestellte Profil mit näherungsweise senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Flanken der einzelnen Zähne kann beliebig an die Belastungssituation, die geometrischen Gegebenheiten oder an sonstige Belange angepasst werden, sodass der Flankenwinkel bei weiteren Ausführungsbeispielen auch größer oder kleiner sein kann als der in 2 dargestellte. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können also auch beliebige andere Geometrien der Zähne, beispielsweise spitz zulaufende Zähne in Form eines Zahnrads verwendet werden.
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Die nach innen weisende zweite Verzahnung des Verbindungselements 24 hat Zähne, die parallel zur axialen Richtung verlaufen, was zusätzlich zu den vorgenannten Vorteilen dazu führt, dass der axiale Freiheitsgrad zwischen dem Drehmomentwandler und dem Torsionsschwingungsdämpfer beibehalten werden kann, um Verspannungen bzw. Schwingungen im Antriebsstrang zu dämpfen bzw. zu kompensieren.
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Wie bereits oben erwähnt, kann dabei die Verzahnungsgeometrie sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch sein. Durch die waagrechte Anordnung der Turbinenmitnahme parallel zur axialen Richtung 8 ist eine definiertere und größere Auflagefläche realisierbar. Dabei kann, wie bereits erwähnt, die Turbinenmitnahme als Klaue oder als Verzahnung ausgeführt sein.
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Wenngleich anhand der 1 und 2 eine Verwendung des Drehmomentwandlers überwiegend in einem Pkw bzw. Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung diskutiert wurde, versteht es sich von selbst, dass erfindungsgemäße Drehmomentwandler in möglicherweise anderer Dimensionierung in beliebigen von einem Motor angetriebenen Anwendungen mit variabler Motordrehzahl verwendet werden können, um ein Anfahren bzw. ein Anlaufen von am Abtrieb des Drehmomentwandlers angebundenen Komponenten zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise in stationären Werkzeugmaschinen, in Landmaschinen, Bussen, Lkw‘s, Traktoren oder dergleichen der Fall sein.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Drehmomentwandler
- 4
- Rotationsachse
- 6
- axiale Richtung
- 8
- radiale Richtung
- 10
- Wandlergehäuse
- 12
- Pumpenradschaufel
- 14
- Gewindebohrung
- 16
- Turbinenrad
- 18
- Leitrad
- 20
- Leitradnabe
- 22
- Kopplungselement
- 24
- Primärelement/Verbindungselement
- 26
- Sekundärelement
- 28
- Federanordnung
- 30
- Rotationswinkelbegrenzung
- 32
- Nabe
- 34
- Wandlerüberbrückungskupplung
- 36
- Kupplungsbetätigungskolben
- 38
- Gleitlagerung
- 40
- Wälzlager
- 42
- Verbindungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1469231 B1 [0002, 0003]
