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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, bei der ein von einer
Antriebseinheit bereitgestellter Kraftfluss einem Drehmomentwandler
und über
ein Automatikgetriebe einem Abtrieb zuführbar ist. Weiter bezieht sich
die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges,
bei dem zwischen eine Antriebseinheit und einen Abtrieb ein Automatikgetriebe angeordnet
ist und zwischen Antriebseinheit und Automatikgetriebe ein Drehmomentwandler
angeordnet ist.
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Ein Automatikgetriebe für ein Kraftfahrzeug weist üblicherweise
mehrere Kupplungen, Bremsen, Schaltelemente und ein Planetengetriebe
auf, mit denen verschiedene Gangstufen und die Fahrtrichtung geschaltet
werden. Als Anfahrelement wird in solchen Automatikgetrieben üblicherweise
ein hydrodynamischer oder hydraulischer Drehmomentwandler verwendet,
der zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrades des Getriebes mit einer Überbrückungskupplung
versehen ist, die in bestimmten Gangstufen in Abhängigkeit
von Drehzahl und Last des antreibenden Motors geschlossen wird.
Mit Drehmomentwandlern wird im Anfahrmoment eine Drehmomentverstärkung ermöglicht,
so dass zum Anfahren ein höheres
Drehmoment bereitgestellt wird. Dabei wird das von der Antriebseinheit
gelieferte Drehmoment so gewandelt, dass bei niedriger Drehzahl
des Motors ein großes
Drehmoment bereitgestellt wird und bei hoher Drehzahl ein kleines
Drehmoment an den Antriebsrädern
wirkt.
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Ein Drehmomentwandler umfasst ein
als Schaufelrad ausgebildetes Pumpenrad und Turbinenrad, wobei zwischen
diesen ein mit Freilauf versehenes Leitrad angeordnet ist. Das Pumpenrad
ist mit der Kurbelwelle des Motors bzw. der Antriebseinheit und
das Turbinenrad mit dem Automatikgetriebe bzw. darüber mit
dem Abtrieb gekoppelt. Die Räder laufen
in einem Ölbad,
wobei durch die Rotation des von der Kurbelwelle angetriebenen Pumpenrades das Öl aufgrund
der Zentrifugalkräfte
nach außen und
entlang der Gehäusewand
des Drehmomentwandlers zum Turbinenrad transportiert wird, welches
durch das Auftreffen des Öl
in eine Drehbewegung versetzt wird. Das aus dem Turbinerad austretende Öl trifft
auf das Leitrad. Da das Leitrad mit entgegengesetzt gekrümmten Schaufeln
ausgestattet ist, versucht es sich zu drehen, wird aber in diese Richtung
durch den Freilauf gesperrt, so dass das Öl umgelenkt wird und zum Pumpenrad
zurückströmt. Diese
in einem günstigen
Winkel erfolgende Rückströmung bewirkt
eine Vergrößerung des
Drehmoments am Turbinenrad. Die Drehmomentverstärkung ist am größten, wenn
der Drehzahlunterschied zwischen Pumpen- und Turbinenrad am größten ist.
Der Drehzahlunterschied wird mit zunehmender Drehzahl der Antriebseinheit
geringer. Ist schließlich
eine annähernd
gleiche Drehzahl zwischen Pumpen- und Turbinenrad erreicht, ändert sich
die Richtung des Ölstromes,
so dass das Leitrad mitbewegt wirkt. Zur Kühlung des Öls wird gegebenenfalls ein
Getriebeölkühler verwendet.
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Der Drehmomentwandler wird hierbei üblicherweise
so ausgelegt, dass sich in Verbindung mit der jeweiligen Antriebseinheit
eine Festbremsdrehzahl zwischen 2000 min–1 und
3000 min–1 einstellt. Dies
ist diejenige Drehzahl, die sich gleichgewichtsmäßig einstellt, wenn der Motor
bei Volllast betrieben und das Turbinenrad des Drehmomentwandlers
festgehalten wird (Stillstand des Fahrzeugs). Um diese Drehzahl
zu ermitteln wird das Turbinenrad blockiert und das Pumpenrad durch
die Brennkraftmaschine angetrieben. Motoren mit großer Leistung
weisen dabei eine Festbremsdrehzahl am unteren Ende dieses Drehzahlbereichs
auf, Motoren mit kleinerer Leistung haben eine Festbremsdrehzahl
am oberen Ende des genannten Bereiches. Diese Festbremsdrehzahl stellt
jeweils einen Kompromiss zwischen hoher Zugkraft für gute Beschleunigung
und hohe Anhängerlasten
und günstigem
Verbrauch für
kleine Verluste beim Anfahren und guter Fahrbarkeit mit geringen Drehzahlschwankungen
beim Wechsel zwischen Zug- und
Schubbetrieb dar.
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Zur Verbesserung des Anfahrverhaltens
sind auch spezielle nasslaufende Anfahrkupplungen bekannt, die auch
im Automatikgetriebe integriert sein können. Meistens sind solche
Anfahrkupplungen jedoch als Baugruppe am Getriebeeingang angeordnet,
beispielsweise auch als Anfahrelement in einem automatisierten Stufengetriebe.
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Drehmomentwandler weisen einen Wirkungsgrad
auf, der umso höher
ist, je steifer der Drehmomentwandler ausgelegt ist, wobei bei steifer Auslegung
eine Festbremsdrehzahl < 2000
min–1 verwendet
wird. Ein Drehmomentwandler mit steifer Auslegung hat jedoch ein
vermindertes Beschleunigungsvermögen
und eine geringe Zugkraft im Anfahrmoment, was sich negativ auf
ein komfortables Anfahren auswirkt.
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Um eine gute Beschleunigung und Zugkraft zu
erhalten, werden Drehmomentwandler lose ausgelegt, wodurch im Anfahrbereich
jedoch hohe Verluste im Drehmomentwandler entstehen. Es ist bekannt,
einen Drehmomentwandler mit einer getriebeinternen Kupplung zu kombinieren.
Die getriebeinterne Kupplung unterbricht im Fahrzeugstillstand den Kraftfluss
zu den Antriebsrädern.
Statt einer getriebeinternen Kupplung kann auch eine Nass- oder
Trockenkopplung verwendet werden. Die getriebeinterne Fahrkupplung
oder auch die Nass- oder Trockenkupplungen bewirken beim Anfahren
keinen Vorteil.
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Aufgabe ist es deshalb, ein Fahrzeug
mit einem Drehmomentwandler anzugeben, bei dem der Drehmomentwandler
steif ausgelegt ist und bei dem gleichzeitig eine gute Beschleunigung
und Zugkraft insbesondere im Anfahrmoment ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum
Antrieb eines Kraftfahrzeuges gelöst, bei der ein von einer Antriebseinheit
bereitgestellter Kraftfluss einem Drehmomentwandler und über ein
Automatikgetriebe einem Abtrieb zuführbar ist und bei der zwischen
Drehmomentwandler und Automatikgetriebe eine Anfahrkupplung angeordnet
ist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zu
Grunde, dass ein Drehmomentwandler möglichst steif ausgelegt sein
sollte, um eine Verbesserung des Wirkungsgrades zu erreichen und
eine Reduzierung des Verbrauchs zu bewirken, wobei jedoch dem Nachteil
eines steif ausgelegten Drehmomentwandlers insbesondere im Anfahrmoment
entgegengewirkt werden sollte.
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Bei der Verwendung eines steif ausgelegten Drehmomentwandlers
wird erfindungsgemäß als Anfahrhilfe eine
Anfahrkupplung zwischen den Drehmomentwandler und das Automatikgetriebe
geschaltet. Mittels dieser Anfahrkupplung kann die Kraftübertragung
zwischen Antriebseinheit bzw. Drehmomentwandler und Automatikgetriebe
eingestellt werden. Dadurch wird es ermöglicht, in Fällen in
denen eine hohe Zugkraft im Anfahrmoment erforderlich ist, bspw.
beim Anhängerbetrieb,
Bergfahrten oder Anfahren mit hoher Last, die Anfahrkupplung solange
zu öffnen,
bis der Motor eine entsprechende Drehzahl erreicht hat und ein entsprechend
hohes Drehmoment bereitstellt und erst dann langsam das Getriebe einzukuppeln.
Durch diese Einstellmöglichkeit
ist es möglich,
einen steif ausgelegten Drehmomentwandler zu verwenden. Die mit
dieser Drehmomentwandlerauslegung einhergehenden Beeinträchtigungen des
Beschleunigungsvermögens
bzw. der Zugkraft insbesondere bei Anhängerbetrieb werden erfindungsgemäß durch
die im Bedarfsfall öffnende
Anfahrkupplung kompensiert.
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Durch diese Kombination von steif
ausgelegtem Drehmomentwandler und Anfahrkupplung lassen sich die
Vorteile beider Systeme miteinander kombinieren.
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Die Forderungen bezüglich gutem
Verbrauch und guter Fahrleistung werden dadurch in idealer Weise
erfüllt.
Verbrauchsverbesserungen zwischen 3% und 5% im genormten MVEG-Testzyklus
konnten nachgewiesen werden. Des Weiteren kann in vielen Fällen ein
kleinerer Kühler
verwendet werden, wodurch eine Kostenreduzierung, eine Verkleinerung der
Bauform, Reduzierung des Gewichts und mehr Potenzial zur Motorkühlung erreicht
wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Anfahrkupplung stufenlos einstellbar, wodurch alle Zwischenstufen
bei der Kraftübertragung
eingestellt werden können
und somit alle Anforderungen bezüglich
des Be schleunigungsverhaltens und der Zugkraft berücksichtig
werden können.
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Als Anfahrkupplung eignet sich besonders eine
Lamellenkupplung, da mit dieser unaufwendig eine stufenlose Einstellung
der Kraftübertragung
ermöglicht
wird. Die Anfahrkupplung wird so angesteuert, dass sich am Abtrieb
die gewünschte
Zugkraft einstellt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Anfahrkupplung
einen Schlupf zulässt,
wodurch die Antriebseinheit in einen Betriebspunkt gebracht wird,
in dem sie das erforderliche Drehmoment bzw. die erforderliche Leistung
abgeben kann, die multipliziert mit der Drehmomentwandlerverstärkung zu
der gewünschten
Leistung an den Antriebsrädern
führt.
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Durch die stufenlos einstellbare
Anfahrkupplung kann ein freies Hochdrehen der Antriebseinheit bis
zur Erreichung des gewünschten
Leistungspunktes ermöglicht
werden. Dabei ist die Anfahrkupplung komplett geöffnet. Bei kleinerer Leistungsanforderung
kann die Anfahrkupplung von Beginn an komplett geschlossen sein,
so dass nur der Drehmomentwandler als Anfahrelement wirksam wird.
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Die Ansteuerung der Anfahrkupplung
geschieht vorteilhaft in der Weise, dass auch alle Zwischenformen
von komplett offen bis komplett geschlossen realisiert werden können. Durch
diese Ansteuerung lassen sich auch leistungsmindernde Faktoren,
wie bspw. eine reduzierte Motorleistung in großer geodätischer Höhe, teilweise kompensieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird
die im Automatikgetriebe vorhandene Lamellenkupplung im Anfahrmoment
als Anfahrkupplung benutzt, so dass dem Fahrzeug keine zusätzlichen Komponenten
hinzugefügt
werden müssen.
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Dazu weist das Kraftfahrzeug eine
elektronische Steuerung auf, der Motor- und Fahrzeugparameter zugeführt werden.
Diese Motor- und Fahrzeugparameter werden von Sensoren aufgenommen
oder in der elektronischen Steuerung aus zugeführten Parametern berechnet.
Die Anfahrkupplung wird von dieser Steuerung in Abhängigkeit
dieser Parameter so angesteuert, dass sich am Abtrieb die gewünschte Zugkraft
einstellt. Die zur Erreichung dieser Zugkraft erforderliche Drehzahl
wird durch den kontrollierten Schlupf an der Anfahrkupplung gesteuert.
Der Schlupf ist dabei abhängig
von der Geschwindigkeit, den einzelnen Temperaturen der Komponenten,
der anliegenden Last, der Beschleunigung, dem gewählten Übersetzungsgang,
der Zeit, der Fahrpedalstellung (als Signal des Fahrerwunsches)
und weiteren Fahrzuständen.
Diese Parameter werden zur Einstellung des Schlupfes der Steuerung
zugeführt,
die mittels eines Prozessors die erforderlichen Berechnungen vornimmt
und über
Aktuatoren den erforderlichen Schlupf an der Anfahrkupplung einstellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung weist der Drehmomentwandler eine Festbremsdrehzahl < 2000 min–1 auf.
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Nach dem Anfahren wird der Drehmomentwandler
nicht mehr benötigt,
so dass er mit einer Überbrückungskupplung überbrückt werden
kann und der Kraftfluss direkt von der Antriebseinheit über die Überbrückungskupplung, über die
geschlossene Anfahrkupplung zum Automatikgetriebe fließen kann und
somit die Kraft auf die Antriebsräder übertragen kann.
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Die Aufgabe wird auch durch Verfahren
zum Betreiben eines Fahrzeuges gelöst, bei dem zwischen eine Antriebseinheit
und einen Abtrieb ein Automatikgetriebe angeordnet ist und zwischen
Antriebseinheit und Automatikgetriebe ein Drehmomentwandler angeordnet
ist und bei dem während des
Anfahrens der Kraftfluss in Abhängigkeit
von Fahrzeugparametern von einer zwischen Drehmomentwandler und
Automatikgetriebe geschalteten Anfahrkupplung beeinflusst wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird
neben einem niedrigeren Verbrauch auch eine bessere Fahrbarkeit
erreicht, der Motor muss nicht mehr so stark aufgetourt werden,
die Temperatur von Motor und Getriebe wird gesenkt, wodurch ein
kleinerer Kühler
ermöglicht
wird oder ein gleich großer
Kühler
eine bessere Kühlung
gewährleistet.
Durch die Kombination von einem steif ausgelegten Drehmomentwandler
mit rutschender Anfahrkupplung im Anfahrmoment ergibt sich ein verbessertes
Anfahren an Steigungen und auch ein verbessertes Durchfahren von
Steigungen. Auch das Anfahrgeräusch
wird durch das nicht notwendige Hochtouren reduziert.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne
Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedanken anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf
die im übrigen
bzgl. der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten
ausdrücklich
verwiesen wird. Es zeigen:
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1:
schematische Darstellung des Kraftflusses zwischen Antriebseinheit
und Abtrieb;
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2a:
graphische Darstellungen des Verlaufs von Motordrehzahl, -moment,
und Geschwindigkeit bei einem lose ausgelegten Drehmomentwandler;
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2b:
graphische Darstellungen des Verlaufs von Motordrehzahl, -moment,
und Geschwindigkeit bei einem steif ausgelegten Drehmomentwandler;
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2c:
graphische Darstellungen des Verlaufs von Motordrehzahl, -moment,
und Geschwindigkeit bei einem steif ausgelegten Drehmomentwandler
mit Anfahrkupplung.
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In den Figuren und der folgenden
Figurenbeschreibung sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils entsprechend
abgesehen wird.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines Fahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Anfahrkupplung.
Die Antriebseinheit 1 ist als Verbrennungsmotor ausgebildet
und erzeugt eine Drehzahl und ein Drehmoment, die über die
Kurbelwelle an den Drehmomentwandler 2 abgegeben werden.
Der Drehmomentwandler 2 umfasst ein Pumpenrad 21, welches
auf der Seite der Antriebseinheit angeordnet ist. Auf der Abtriebsseite
ist das Turbinenrad 23 angeordnet. Dazwischen ist das Leitrad 22 angeordnet. Im
Drehmomentwandler 2 wird mittels einer angeschlossenen Ölpumpe 7 ein
erforderlicher Öldruck aufgebaut.
An diesen Drehmomentwandler ist auf der Abtriebsseite erfindungsgemäß die Anfahrkupplung 3 in
Form einer Lamellenkupplung angeordnet. Diese Anfahrkupplung überträgt die Kraft
auf das nachgeschaltete Automatikgetriebe. Dieses umfasst ein nicht
dargestelltes Planetengetriebe, Schaltelemente und weitere Kupplungen.
Von dort wird die Kraft auf die Antriebsräder 5 übertragen.
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Dem Drehmomentwandler ist eine Überbrückungskupplung 6 parallel
geschaltet, so dass im Fahrbetrieb der Drehmomentwandler überbrückt werden
kann.
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Die Getriebesteuerung 8 steuert
den Betrieb des Fahrzeugs. Dafür
werden mittels nicht dargestellter Sensoren Motor- bzw. Fahrzeugparameter von
den Komponenten des Fahrzeuges aufgenommen und zur Getriebesteuerung übermittelt.
Anhand von Steuerungsprogrammen berechnet oder ermittelt die Getriebesteuerung
entsprechende Stellgrößen und
Parameter, die den Komponenten des Fahrzeuges oder entsprechenden
Aktuatoren zugeführt
werden, um Einstellungen an den Komponenten vorzunehmen. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
werden folgende Parameter aufgenommen und der Getriebesteuerung
zugeführt;
Geschwindigkeit, Temperaturen der Komponenten, anliegende Last,
Beschleunigung, gewählter Übersetzungsgang,
Zeit und weitere Fahrzustände,
bspw. Fahrprogramm. Aus diesen Parametern ermittelt die Getriebesteuerung
den Schlupf, der an der Anfahrkupplung über nicht dargestellte Aktuatoren
eingestellt werden muss. Der Schlupf kann entweder durch eine in
einem Programm implementiere Formel berechnet werden oder es werden
entsprechende Schlupfwerte aus Tabellen ermittelt, die den zugeführten Parametern
entsprechen.
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2a zeigt
den graphischen Verlauf von Motordrehzahl, -moment und Geschwindigkeit
bei einem lose ausgelegten Drehmomentwandler ohne Anfahrkupplung.
Die x-Achse ist
eine Zeitachse. Auf der linke y-Achse ist die Drehzahl in min–1 abgetragen.
Auf der rechten y-Achse ist das Motormoment in Nm und die Geschwindigkeit
in km/h abgetragen. Die Kurve 1 zeigt die Geschwindigkeit
in km/h. Diese steigt stetig vom Zeitpunkt 0s bis 4s auf knapp 50 Km/h
an. Kurve 2 zeigt die Motordrehzahl, die ebenfalls von
etwa 1000 min–1 auf
4500 min–1 steigt.
Der Verlauf des Drehmoments des Motors wird in Kurve 3 dargestellt.
Das höchste
Drehmoment von etwa 250 Nm liegt erst nach etwa einer Sekunde an,
zu einem Zeitpunkt, an dem der Motor eine Drehzahl von 2000 min–1 erreicht
hat. Das Drehmoment des Motors bleibt bei steigender Drehzahl etwa
gleich, erst ab 4000 min–1 fällt es leicht auf 200 Nm ab.
Es ist ersichtlich, dass das maximale Drehmoment erst relativ spät verfügbar ist.
Durch diese lose Auslegung des Drehmomentwandlers stehen zwar über den
Drehzahlbereich eine gute Beschleunigung und auch eine gute Zugkraft
zur Verfügung.
Beim Anfahren entstehen jedoch unerwünschte Verluste.
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2b zeigt
den graphischen Verlauf von Motordrehzahl, -moment und Geschwindigkeit
bei einem steif ausgelegten Drehmomentwandler ohne Anfahrkupplung.
Die Achsenbeschriftung entspricht der von 2a. Kurve 1 zeigt die Geschwindigkeit
in km/h, die stetig vom 0s bis 4s auf knapp 50 Km/h ansteigt. Kurve 2 zeigt
die Motordrehzahl, die stetig von etwa 1000 min–1 auf
4500 min–1 steigt.
Der Verlauf des Drehmoments des Motors wird in Kurve 3 dargestellt.
Das höchste
Drehmoment von etwa 250 Nm liegt erst nach etwa einer Sekunde an,
zu einem Zeitpunkt, an dem der Motor eine Drehzahl von 2000 min–1 erreicht
hat. Das Drehmoment des Motors bleibt bei steigender Drehzahl etwa
gleich, erst ab 3500 min–1 fällt es bis auf 125 Nm ab.
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2c zeigt
den graphischen Verlauf von Motordrehzahl, -moment und Geschwindigkeit
bei einem steif ausgelegten Drehmomentwandler mit Anfahrkupplung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Durch diese Kombination ergibt sich eine Festbremsdrehzahl
von 1100 min–1.
Die Achsenbeschriftung entspricht der von 2a. Kurve 1 zeigt die Geschwindigkeit
in km/h, die stetig vom 0s bis 4s auf knapp 50 Km/h ansteigt, dabei
wird auch eine bes sere Beschleunigung erreicht, als bei den Drehmomentwandlern
der 2a und 2b ohne Anfahrkupplung. Kurve 2 zeigt
die Motordrehzahl, die stetig von etwa 1000 min–1 auf
4500 min–1 steigt,
danach fällt
die Drehzahl auf 3400 min–1 ab, da dann in einen
anderen Gang geschaltet wird. Die Steigung der Drehzahl im Bereich
von 1200 min–1 auf
2300 min–1 ist
jedoch wesentlich steiler, als bei den anderen Figuren. Dieses wird
durch die schleifende oder rutschende Anfahrkupplung erreicht, die
im Anfahrmoment noch nicht die volle Last freigibt, sondern durch
ein teilweises Schließen
den Motor schneller hochdrehen lässt, so
dass das maximale Drehmoment schneller anliegt. Der Verlauf des
Drehmoments des Motors wird in Kurve 3 dargestellt. Das
höchste
Drehmoment von etwa 250 Nm liegt schon nach einer halben Sekunde an,
zu einem Zeitpunkt, an dem der Motor eine Drehzahl von 2300 min–1 erreicht
hat. Das Drehmoment des Motors bleibt bei steigender Drehzahl etwa gleich,
erst ab 3500 min–1 fällt es bis auf 125 Nm ab.
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Hierbei sieht man deutlich, dass
durch die Kombination von steif ausgelegtem Drehmomentwandler und
rutschender Anfahrkupplung das maximale Drehmoment schneller zur
Verfügung
steht. Durch den steif ausgelegten Drehmomentwandler muss der Motor
nicht mehr so hochgetourt werden, wodurch die Temperatur reduziert
wird und der Kühler
kleiner dimensioniert werden kann, gleichzeitig wird der Verbrauch
des Fahrzeugs reduziert.
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- 1
- Antriebseinheit
- 2
- Drehmomentwandler
- 3
- Anfahrkupplung
- 4
- Automatikgetriebe
- 5
- Abtrieb,
Antriebsräder
- 6
- Überbrückungskupplung
- 7
- Ölpumpe
- 8
- Getriebesteuerung
- 21
- Pumpenrad
- 22
- Leitrad
- 23
- Turbinenrad
- K1
- Geschwindigkeit
in km/h
- K2
- Drehzahl
in min–1
- K3
- Drehmoment
in Nm