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Antriebsübertragung, insbesondere für Kraftfahrzeuge Beim Antrieb
von Fahrzeugen mittels Motoren, die nur in einem begrenzten Drehzahlhereich arbeiten,
z. B. beim Antrieb von Kraftfahrzeugen mittels Brennkraftmaschinen, werden bekanntlich
Getriebe benötigt, die eine Übersetzung der Motordrehzahl ins Langsame und eine
entsprechende Vervielfachung des Motordrehmomentes in Anpassung an die jeweils vorliegenden
sehr unterschiedlichen Betriebsverhältnisse (Anfahren, Bergfahrt, Schnellgang usw.)
ermöglichen. Die hierfür bekannten mechanischen Getriebe mit mehreren übersetzungsstufen
können darüber hinaus auch zum Erzielen verschieden starker Bremsmornente benutzt
werden, indem man das zum Durchdrehen des Motors bei mehr oder weniger gedrosselter
Treibstoffzufuhr erforderliche »Schleppmoment«, durch Zwischenschalten der Drehzahlübersetzungen
entsprechend vervielfacht, als Bremsmoment auf die sonst angetriebenen Fahrzeugachsen
wirken läßt. Diese Bremsung durch den Motor - die keinerlei Verschleiß von
Bremsbacken verursacht und daher besonders bei langen Gefällestrecken mit Vorteil
zu verwenden ist - wird im allgremeinen praktisch so gehandhabt, daß bei
der Talfahrt etwa auf dieselbe Gangstufe wie bei der Bergfahrt mit gleicher
Steigung geschaltet wird. Insbesondere können also mit dem niedrigsten Gang
auch lange stärkste Gefälle mit geringer Geschwindigkeit und genügender Bremswirkung
gefahren werden.
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Um die besonders bei schweren Lastfahrzeugen erforderliche große Zahl
von Gangstufen zu verringern oder diese ganz zu beseitigen, werden Antriebsübertragungen
mit hydrodynamischen Drehmomentwandlern, sogenannten Strömungswandlern, verwendet,
wobei das Pumpenrad des Wandlers mit der treibenden und das Turbinenrad mit der
getriebenen Welle mechanisch verbunden ist. Da hierbei - wie überhaupt bei
Strömungsgetrieben - eine zwangläufige Verbindung zwischen An- und Abtriebsseite
fehlt, überdies die Momentenübertragung im Wandler mit sinkender Drehzahl quadratisch
abnimmt, ist in diesem Fall ein Bremsen mit dem zu schleppenden Motor nicht ohne
weiteres möglich. Gestaltet man in bekannter Weise das Wandlergetriebe so, daß das
Pumpenrad mit dein Turbinenrad auch mechanisch kuppelbar ist, so ist in dieser Gangstufe
wieder eine Bremsung mit Hilfe des Motors durchführbar, allerdings nur mit einer
einzigen unveränderlichen Größe des Bremsmoments bzw. mit den zwei Stufen eines
etwa nachgeschalteten mechanischen Getriebes für Berg- und Streckengang.
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Man kann die Brernswirkung des Motors bei mechanischer Kupplung zwischen
Pumpen- und Turbinenrad zwar noch dadurch erhöhen, daß man hierbei das Leitrad nicht,
wie üblich, löst und mit gleicher Drehzahl mitlaufen läßt, sondern es festhält oder
gar in entgegengesetztem Drehsinn umlaufen läßt. Der Wandler läuft dann mit besonders
schlechtem Wirkungsgrad und verbraucht also wenigstens bei größeren Drehzahlen sehr
viel--Energie, wird dabei allerdings so schnell heiß, daß diese Art der Bremsung
nur für kurze Gefällefahrten und überdies bei nicht zu geiingen Geschwindigkeiten
möglich ist. Eine Motorbremsung, die auch bei langen Gefällestrecken und bis zu
kleinsten Geschwindigkeiten genügend wirksam und zuverlässig, wie bei den rein mechanischeu
Mehrstufengetrieben, arbeitet, ist auch auf diese Weise nicht zu erzielen.
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Eine weitere Schwierigkeit bei der bisherigen Verwendung von hydraulischen
Antriebsübertragungen besteht in der Unmöglichkeit, mit kleineren Geschwindigkeiten,
etwa entsprechend den kleinsten Gängen eines rein mechanischen Getriebes, wirtschaftlich
zu fahren, z. B. mit schweren Lasten lange Steigungen zu nehmen, da - auch
bei vorhandenem zweistufigem Nachschaltgetriebe-die kleinste erzielbare Dauergeschwindigkeit,
bei der also noch mit erträglichem Wirkungsgrad gefahren wird, manchmal noch zu
hoch liegt.
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Gemäß der Erfindung werden beide vorgenannten Nachteile dadurch beseitigt,
daß bei einer Antriebs-Übertragung mit einem Strömungswandler und einem zwischen
die treibende und die getriebene Welle einschaltbaren mechanischen Zusatzgetriebe
mit fester Übersetzung die treibende Welle in einer langsamen Gangstufe zu geteilter
Leistungsübertragung zugleich über den Strömungswandler und parallel dazu über das
mechanische Zusatzgetriebe mit der getriebenen Welle kuppelbar ist.
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In der genannten Gangstufe läuft also der Ströungswandler stets mit
einem festen, durch die Wahl
der Übersetzung des mechanischen Zusatzgetriebes
bestimmten Drehzahlverhältnis zwischen Turbinen- und Pumpenwelle; in diesem Sinne
kann man von einem »blockierten« Gang sprechen. Die Übersetzung dieses Ganges ins
Langsame ist so zu bemessen, daß der Strömungswandler im Bereich eines günstigen
Wirkungsgrades, vorzugsweise dem bei der niedrigsten Dauergeschwindigkeit im reinen
Wandlerbetrieb vorhandenen, arbeitet.
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Es ist zwar eine hydrodynamische Antriebsübertragung bekannt, bei
der die treibende Welle ebenfalls über einen Strömungswandler und parallel dazu
über ein mechanisches Zusatzgetriebe mit der getriebenen Welle kuppelbar ist. Dabei
wird jedoch das als Umkehrgetriebe ausgebildete mechanische Zusatzgetriebe nur vorübergehend
eingeschaltet, um bestimmte Schaltvorgänge beim Wechseln von Gangstufen zu erleichtern;
es bietet jedoch nicht die Möglichkeit, in einer unter Last erfolgenden langsamen
Gangstufe eine Leistungsteilung über den Strömungswandler und das mechanische Zusatzgetriebe
durchzuführen.
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Ähnliche Verhältnisse liegen bei einer weiteren be-
kannten
Kraftübertragungseinrichtung mit einem ständig in Reihe mit einem Zahnradwechselgetriebe
in Betrieb befindlichen hydrodynamischen Drehmomentwandler vor, bei dem ein zusätzliches
Leistungsteilergetriebe als Umlaufrädergetriebe parallel zum Strömungswandler geschaltet
ist, das einen Teil der von der Antriebsmaschine abgegebenen Leistung rein mechanisch
und einen Teil über den Wandler an das Zahnradwechselgetriebe weiterleitet. Diese
bekannte Anordnung bezweckt eine Verbesserung des Übertragungswirkungsgrades über
einen möglichst großen Fahrbereich. Zum Übergang auf rein hydraulische Übertragung
von der treibenden Welle auf das Zahnradwechselgetriebe kann das Leistungsteilergetriebe
durch eine Kupplung abschaltbar sein. Auch hier ergeben sich andere Verhältnisse,
da die geteilte Leistungsübertragung ständig wirksam ist.
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Bei der Antriebsübertragung gemäß der Erfindung erfolgt in der »blockierten«Gangstufe
eine Momententeilung von der Antriebsmaschine auf den Wandler einerseits und auf
das mechanische Zusatzgetriebe andererseits. Diese Aufteilung ist insofern mit der
Motordrehzahl veränderlich, als das ungefähr gleichbleibende Motordrehmoment bei
stark gedrückter Motordrehzahl fast nur vom Zusatzgetriebe aufgenommen wird, während
bei steigender Motordrehzahl ein immer größer werdender (quadratisch anwachsender)
Anteil über den Wandler geht, bis bei einer gewissen Drehzahl das Zusatzgetriebe
vollständig entlastet ist. Wenn diese Enddrehzahl in der »blockierten« Gangstufe,
wie oben erwähnt, so gewählt ist, daß sie der kleinsten geforderten Dauergeschwindigkeit
bei reinem Wandlerbetrieb entspricht, so liegt die in der blockierten Gangstufe
zu erzielende kleinste Dauergeschwindigkeit beim Maximalmoment des Motors noch entsprechend
dem restlichen Teil des Regelbereichs des Motors niedriger.
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Wird in der gleichen Gangstufe mit Hilfe des Motors gebremst, so wird
zur Bremsung außer dem entsprechend der mechanischen Untersetzung vervielfachten
Motorschleppmoment noch der Leistungsverlust in dem zugleich mitgeschleppten Wandler,
entsprechend dessen Wirkungsgrad im zugehörigen Betriebspunkt, herangezogen. Bei
einer Getriebeausführung, in der der drehbewegliche Leitkranz mittels Bremsband
für den Wandlerbetrieb festgesetzt wird, kann beim Breemsen im blockierten Untersetzungs-#a
ng auch das Bremsband gelöst sein. In beiden Fällen werden durch den Erfindungsgegenstand
gerade die oben beschriebenen Lücken ausgefüllt, die hinsichtlich des wirtschaftlichen
und sicheren Befahrens steiler Berg- oder Talstrecken mit kleinen Geschwindigkeiten
bei Verwendung hydrodynamischer Antriebsübertragungen bestanden. Die Untersetzung
des mechanischen Zusatzgetriebes braucht nicht so groß zu sein wie der gesamte Gangsprung
eines üblichen mechanischen Mehrstufengetriebes, da z. B. beim Bremsen ja auch der
Wandler verstärkend mitwirkt. Selbstverständlich braucht sie auch nicht stärker
zu sein, als sich aus dem Momentsteigerungsverhältnis beim Anfahren mit dem Wandler
ohne hinzugeschaltetes Zusatzgetriebe ergibt. Dagegen sollte sie mindestens dem
Verhältnis zweier benachbarter Gangstufen eines mechanischen Mehrstufengetriebes
entsprechen. Bei Getrieben für Lastkraftwagen wird man etwa eine Untersetzung von
1:3 bis 1:4, bei solchen für Personen- und andere leichte Kraftwagen mindestens
1 :1,5 zu wählen haben, wenn der Strömungswandler so ausgelegt ist, daß er
das vom Motor her eingeleitete Drehmoment beim Anfahren etwa vervierfacht. Im »blockierten«
Gang arbeitet der Wandler dann bei einem so günstigen Wirkungsgrad, daß man mit
der üblichen Kühlung auskommt oder diese nur geringfügig zu verstärken hat.
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Der Wirkungsgrad der Antriebsübertragung im »blockierten« Gang, der
natürlich stets zwischen dem des Wandlers im betreffenden Betriebspunkt und dem
des mechanischen Zusatzgetriebes liegt, ist von der Momentenaufteilung bei der Leistungsverzweigung
abhängig. Kann der Gang voll ausgefahren werden, so überträgt, wie schon oben erwähnt,
der Wandler das gesamte Motordrehmoment; das Getriebe läuft mit dem Wirkungsgrad
des Wandlers. je mehr, z. B. am steilen Hang und mit schwerer Belastung, die Beanspruchung
wächst, desto mehr wird die Motordrehzahl gedrückt; der Wandler nimmt einen immer
geringeren, das mechanische Getriebe einen entsprechend größeren Anteil des Motordrehmornents
auf, so daß schließlich das Getriebe in der Weise und mit dem höheren Wirkungsgrad
eines im niedrigen Gang stark: belasteten mechanischen Getriebes arbeitet. Dabei
erfolgt also ein stetiger Übergang von der einen zur anderen Arbeitsweise.
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Das mechanische Zusatzgetriebe zwischen treibender und getriebener
Welle kann so angeordnet werden, daß es mit der letzteren über die Turbinenwelle
des Wandlers verbunden ist. Mit der treibenden Welle kann es über das Pumpenrad
des Wandlers verbunden sein, wobei das letztere in diesem Fall zweckmäßig mit dem
Wandlergehäuse eine bauliche Einheit bildet. Hierbei kann außerdem noch auf der
Antriebsseite des Wandlers eine unmittelbare (mechanische oder hydraulische) Kupplung
zwischen Pumpen- und Turbinenrad untergebracht und damit der übliche direkte Gang
(Synchronlauf von Pumpe und Turbine, vorzugsweise unter Mitlaufen des Leitrades)
erzielt werden.
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Wird das mechanische Zusatzgetriebe als Stirnradgetriebe mit parallel
zur Pumpen- und Turbinenwelle des Wandlers angeordneter Zwischenwelle ausgebildet,
so wird in Verbindung mit den vorher genannten Merkmalen keine Umgehung des Wandlers
benötigt, wodurch das Getriebe eine sehr gedrängte und raumsparende Form erhält.
Das Untersetzungsgetriebe für den blockierten Gang kann auch zwischen Antriebsmaschine
und Wandler untergebracht werden, wobei dann das Wandlergehäuse vorteilhaft mit
dem Turbinenrad verbunden ist. Die zuerst genannte Ausführung
ist
jedoch vorteilhafter, weil in weiterer Ausgestaltung der Erfindung sich Teile des
aus mindestens zwei Zahnradpaaren bestehenden mechanischen Zusatzgetriebes zugleich
als Teile eines nachgeschalteten Mehrgang- und/oder Wendegetriebes ausbilden lassen.
Daneben können die ständig mitlaufenden Räder dieses Getriebes auch zum Antrieb
von Hilfsmaschinen, z. B. einer primärseitigen Hilfsölpumpe für den Wandler oder
einer Schmierölpumpe für die mechanischen Getriebeteile, benutzt werden. Durch Maßnahmen
dieser Art vermindert sich der zusätzliche Bauaufwand für den »blockierten« Gang
auf ein Zahnradpaar und die zum Hinzuschalten dienende Kupplung. Diese kann als
Reibungskupplung, vorzugsweise als hydraulische, z. B. mit der Wandlerflüssigkeit
zu betätigende Lamellenkupplung gestaltet sein.
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Ist dem Getriebe noch ein Zweiganggetriebe für Berg- und Streckenfahrt
nachgeschaltet, so läßt sich die blockierte Gangstufe zweimal anwenden.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt und im folgenden nach Aufbau und Wirkungsweise erläutert. Im einzelnen
zeigen stets in schematischen Axialschnitten: Fig. 1 eine Antriebsübertragung
mit Strömungswandler, mechanischem Zusatzgetriebe für die »blockierte« Gangstufe
und mechanisch gekuppeltem direktem Gang, Fig. 2 eine ähnliche Antriebsübertragung,
nur mit hydraulisch statt mechanisch gekuppeltem direktem Gang, Fig. 3 eine
ähnliche Antriebsübertragung, jedoch mit einem nachgeschalteten Stirnrad-Wendegetriebe
unter Mitbenutzung eines der Zahnradpaare des mechanischen Zusatzgetriebes.
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Fig. 4 ist ein Schaubild, das beispielsweise für eine Antriebsübertragung
gemäß der Erfindung in einem dieselinotorgetriebenen Lastkraftwagen den Verlauf
der Zugkraftwerte und der Motordrehzahl in Ab-
hängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
darstellt.
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In den Fig. 1 bis 3 ist mit 1 die treibende Welle
der Antriebsübertragung, z. B. in Gestalt des Kurbelwellenendes einer (hier nicht
dargestellten) Brennkraftmaschine, bezeichnet. In einem als Schwungrad ausgebildeten
Gehäuse 2 ist ein Strörnungswandler 3
derart angeordnet, daß dessen umlaufendes
Gehäuse 2 mit dem Pumpenrad 4 eine bauliche Einheit bildet. Vom Turbinenrad
5 und dem Leitrad 6 ist das erstere über die Scheibe 7 mit
der Turbinenwelle 8 verbunden. Diese trägt in Fig. 1 noch eine Kupplungsscheibe
9,
die sich gegen die Gegenscheibe 10 am Gehäuse 2 (= Pumpenrad
4) preßt und damit Pumpen- und Turbinenrad mechanisch miteinander kuppelt, wenn
ein Kolben 11 unter Druckmittelwirkung nach rechts bewegt wird. Das Leitrad
6 ist drehbar auf einer Buchse 12 gelagert, die einen Teil des Getriebegehäuses
13
bildet (als solches nur in Fig. 3 dargestellt). Diese Lagerung erfolgt
über eine Freilaufkupplung 14, die ein Mitlaufen des Leitrades 6 nur im Drehsinn
des Pumpen- und Turbinenrades zuläßt. (Statt durch den Freilauf 14 könnte das Leitrad
6 natürlich auch durch einem Bremse am Rückwärtsdrehen gehindert werden,
wobei diese Bremse jedoch besonders betätigt werden müßte.) Das mechanische Zusatzgetriebe
besteht zunächst aus einem am rechten Ende des umlaufenden Wandlergehäuses 2 befestigten
Zahnrad 15, das mit einem Gegenrad 16 kämmt, welches auf der Zwischenwelle
17 frei drehbar, jedoch mittels einer Lamellenkupplung 18 mit ihr
verbindbar ist. Das Innenstück 19
dieser Kupplung mit den Innenlamellen 20
ist auf der Zwischenwelle 17, das Außenstück 21 mit den Außenlamellen21a
auf dem Gegenrad 16 befestigt. Die Kupplungswirkung wird durch Aneinanderpressen
der Lamellen 20 und 21 a mittels des hydraulisch zu betätigenden Kolbens 22 erzielt.
F-in zweites Zahnradpaar besteht aus dem auf der Zwischenwelle 17 befestigten
Zahnrad 23 und dem damit kämmenden, auf der Turbinenwelle 8 des Wandlers
3 befestigten Zahnrad 24. Die Gesamtübersetzung der beiden Zahnradpaare
15,
16 und 23, 24 ins Langsame beträgt bei Getrieben für Lastkraftwagen
etwa 1 : 3 bis 1 : 4; bei solchen für leichtere Fahrzeuge, z. B. Personenkraftwagen,
ist sie kleiner, jedoch mindestens etwa halb so groß.
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Teile in den verschiedenen
Fahr- und Gangstufen ist die folgende -
Im normalen Wandlergang, z. B. beim
Anfahren, treibt die durch Drehung der Eingangswelle 1, des Wandlergehäuses
2 und des Pumpenrades 4 in Bewegung gesetzte Arbeitsflüssigkeit die Turbine
5, die Scheibe 7 und die Turbinenwelle 8 unter üblicher Drehmornentwandlung.
Dabei ist die Lamellenkupplung 18 gelöst, so daß sich die Zahnradpaare
15, 16
bzw. 23, 24 entsprechend den verschiedenen Drehzahlen der Eingangswelle
1 und der Turbinenwelle 8
drehen.
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Nach Durchfahren des Geschwindigkeitsbereichs für den Wandlerbetrieb
wird die Direktkupplung zwischen Pumpen- und Turbinenrad betätigt, in Fig.
1
z. B. durch Anpressen der Kupplungsscheibe 9 an die Gegenscheibe
10 mittels des Kolbens 11. Dabei löst sich das Leitrad 6 von
dem Freilauf 14, ab, auf dem es sich bisher abgestützt hatte, und läuft im gleichen
Drehsinn und mit gleicher Drehzahl wie Pumpen-und Turbinenrad um. -
Zum Fahren
am steilen Berg- oder Talhang wird die »blockierte« Gangstufe benutzt, indem (nach
eventuellem Lösen der Direktkupplung) die Kupplung 18
betätigt und damit das
aus den Rädern 15, 16, 23, 24 bi#-,stehende mechanische Zusatzgetriebe dazugeschaltet
wird. Bei Bergfahrt wirkt dann der Motor unter geteilter Leistungsverzweigung zugleich
über den Wandler und das Zusatzgetriebe auf die Abtriebswelle 8. Bei Talfahrt
und zurückgenommenem Gaspedal treibt die Abtriebswelle 8 vom Fahrzeug aus
rückwärts über das Zusatzgetriebe das Wandlergehäuse 2 und damit den Motor; außerdem
arbeitet aber auch der Wandler, wobei er von der eingehenden Leistung lediglich
einen dein Wirkungsgrad entsprechend verminderten Anteil wieder an die Turbinenwelle,
d. h. die Antriebswelle, zurückliefert. Die entstehende-Bremswirkung geht
daher über die allein mit dem Schleppen des Motors über das Zusatzgetriebe erzielbare
hinaus.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die mechanische Kupplung zwischen
Pumpen- und Turbinenrad im Wandler dadurch ersetzt, daß das Leitrad 6 mit
dem Turbinenrad 5 kuppelbar ist (nicht dargestellt), wodurch der Wandler
zur einfachen hydraulischen Kupplung (ohne Mornentenwandlung) wird. Im übrigen sind
Aufbau und Wirkungsweise dieselbe wie bei dem Getriebe nach Fig. 1.
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Die Anordnung nach Fig. 3 enthält noch ein nachgeschaltetes
Stirnrad-Wendegetriebe, wobei unter Mitbenutzung des zweiten Zahnradpaares
23, 24 des mechanischen Zusatzgetriebes lediglich die Zahnräder
25, 26 (als Umkehrrad) und 27 (auf der Zwischenwelle 17) hinzugefügt
sind. Die Räder 24 und 25
sitzen dabei jetzt lose drehbar
auf der Abtriebswelle 28, können aber wahlweise mit ihr verbunden werden,
indem eine auf ihr längsverschiebbare Schaltmuffe29 mit beiderseits angeordneten
Klauen 30, 31 entweder mit den Gegenklauen 32 des Rades 24 (Vorwärtsgang)
oder mit den Gegenklauen 33 des Rades 25 (Rückwärtsgang) zum Eingriff
gebracht wird. Für das Wendegetriebe werden also (außer der Schaltmuffe) nur drei
weitere Zahnräder benötigt. Soll statt des Wendegetriebes ein mechanisches Zweiganggetriebe
nachgeschaltet werden, so fällt hiervon auch noch das Umkehrrad26 fort, so daß hierfür
nur zwei weitere Zahnräder erforderlich sind.
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Das Schaubild der Fig. 4 zeigt über der Fahrzeuggeschwindigkeit V,
die auf der waagerechten Achse in Prozenten der Höchstgeschwindigkeit aufgetragen
ist, den Verlauf der Zugkraftwerte in Gestalt der Drehmornentvervielfachung MW (Wandlerbetrieb)
und MD (Direktkupplung) sowie die zugehörigen Motordrehzahlen nw und % in Prozenten
der Höchstdrehzahl. Dabei ist angenommen, daß beim Anfahren im Wandlerbetrieb und
beim Umschalten auf die Direktkupplung die Motordrehzahl auf ungefähr 75114 gedrückt
wird. Ferner sind. von der niedrigsten Dauergeschwindigkeit V, im Wandlerbetrieb
nach links reichend, die entsprechenden Werte MB und nB für die »blockierte« Gangstufe
aufgetragen. Die Verringerung der niedrigsten Dauergeschwindigkeit bis zum Wert
V, (nach dem oben Gesagten unter Erhöhung des Wirkungsgrades) ergibt sich aus der
dort vorhandenen kleinstmöglichen Motordrehzahl von 5001a.
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Die Geschwindigkeit V, ist diejenige, bei der üb-
licherweise
vom Wandlerbetrieb auf die Direktkupplung umgeschaltet wird.
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Die Ansprüche 2 bis 11 sind echte Unteransprüche ohne selbständige
Bedeutung.