Drehmomentwandler
Effiziente Lösungen für Automatikgetriebe
Thomas Heck
Brian Zaugg
Thorsten Krause
Benjamin Vögtle
Martin Fuß
II. Vierkanal-Drehmomentwandler
III. Integrierter Drehmomentwandler – iTC
IV. Torsionsdämpfer für Drehmomentwandler
V. Tilger im Drehmomentwandler
In der Automobilindustrie ist der weltweite Trend zu effizienteren Systemen ungebrochen. Dabei besteht das übergreifende Ziel darin, den CO₂-Ausstoß weiter zu reduzieren. Dies hat zur Folge, dass Verbrennungsmotoren weiter optimiert werden, mit verstärktem Einsatz von Zylinderabschaltung und Turboaufladung. Nicht nur das Gewicht des Gesamtfahrzeuges – und damit auch des Antriebsstrangs – muss reduziert werden, sondern auch das Massenträgheitsmoment der Komponenten, um eine hohe Fahrdynamik zu bieten und möglichst schnell in den wirkungsoptimalen Betriebspunkt aufgeladener Motoren zu kommen.
Um den CO₂-Ausstoß zu reduzieren, ist darüber hinaus eine gut ansteuerbare Überbrückungskupplung erforderlich, die es erlaubt, den Drehmomentwandler möglichst früh ohne oder mit sehr wenig und fein ansteuerbarem Schlupf zu betreiben. In neuen Getriebegenerationen ging der Trend bislang hin zu immer höheren Gangzahlen. Das hat einen reduzierten Einbauraum für den Drehmomentwandler zur Folge.
Der nachfolgende Artikel soll technische Lösungen für die genannten Herausforderungen darstellen.
Ausgangssituation
Die Ansteuerbarkeit der Überbrückungskupplung im Wandler ist von zentraler Bedeutung für Effizienz und Isolationsverhalten des Systems. Dabei ist wichtig, dass die Kupplung in allen gewünschten Betriebspunkten beliebig geschlossen oder geöffnet werden und dass die gewünschte Schlupfdrehzahl möglichst präzise eingestellt werden kann. Eine geschlossene Kupplung (weniger Schlupf) bedeutet eine höhere Effizienz, eine geöffnete Kupplung (mehr Schlupf) bessere Isolation von Schwingungen.
Die Ansteuerung der Wandlerüberbrückung erfolgt über Druckbeaufschlagung des Kolbens der Überbrückungskupplung. Traditionell gibt es Zweikanal- und Dreikanal-Systeme. Beim Zweikanal-Wandler erfolgt die Betätigung der Kupplung durch Strömungsumkehr des Getriebeöl-Durchflusses durch den Wandler. Beim Dreikanal-Wandler wird die Kupplung durch einen dritten hydraulischen Kanal unabhängig vom Getriebeöl-Durchfluss angesteuert. Bild 1 zeigt den Vergleich von Zweikanal- und Dreikanal-Wandlern, dargestellt im Zustand mit geschlossener Überbrückungskupplung.
Bild 1 Aufbau eines Zweikanal- und eines Dreikanal-Drehmomentwandlers im Vergleich
Im vereinfachten Sinne ist die Übertragungsfähigkeit der Kupplung charakterisiert durch:
• die Geometrie mit Innen- und Außendurchmesser des Kolbens, effektivem Radius des Reibbelags und Anzahl der Reibflächen
• den Reibwertkoeffizienten zwischen Reibbelag und Stahl und
• den Anpressdruck, der auf den Kolben wirkt.
Während die Geometrie und der Reibwert durch die konstruktive Ausführung des Systems vorgegeben sind, kann der Anpressdruck, mit dem die Kupplung angesteuert wird, durch die Hydrauliksteuerung des Getriebes variiert werden. In einem idealen System wäre somit die Übertragungsfähigkeit der Kupplung – und damit der gewünschte Schlupf – relativ einfach durch die Variation des Anpressdrucks einstellbar.
Störfaktoren für die Übertragungsfähigkeit von Kupplungen
In der Realität liegt jedoch kein ideales System vor, denn es gibt weitere Faktoren, die die Übertragungsfähigkeit der Kupplung beeinflussen. Da diese Faktoren in den herkömmlichen Zweikanal- und Dreikanal-Wandlern nicht oder nur beschränkt beeinflussbar sind, verschlechtert sich dadurch die Ansteuerbarkeit. Zu diesen Störfaktoren zählen:
1. Druckabfall über den Reibbelag: In Zweikanal-Wandlern dient der Reibbelag nicht nur zur Übertragung des Drehmoments, sondern auch als Dichtungselement am Außendurchmesser des Kolbens. Zur Kühlung der Verlustleistung (Schlupf) ist oftmals ein Nutmuster in den Belag eingebracht. Beim Durchströmen dieser Nutgeometrie von der Hochdruckseite des Kolbens zur Niedrigdruckseite erfolgt ein Druckabfall im Getriebeöl. Dieser ist abhängig von der Geometrie der Nuten, der Ebenheit der Reibflächen, der Temperatur sowie der Schlupfdrehzahl.
2. Absolutdrehzahl des Systems: Nachdem das Getriebeöl in einem Zweikanal-Wandler die Belagnuten durchflossen hat, muss es vom Außendurchmesser des Wandlers radial nach innen in Richtung Getriebeeingangswelle befördert werden. Da sich das gesamte System in Rotationsbewegung befindet, sind die Fluidpartikel auf dem Weg nach innen Corioliskräften ausgesetzt, wodurch sich eine spiralförmige Strömung vor der Getriebeeingangswelle bildet. Dadurch kann sich ein Rückstaudruck aufbauen, der die Übertragungsfähigkeit der Kupplung verringert.
3. Variation des Systemdrucks: Durch Schwankungen beim Ladedruck des Wandlers wird im Zweikanal-System die Hochdruckseite des Kolbens und im Dreikanal-System die Niedrigdruckseite des Kolbens beeinflusst.
4. Differenzdrehzahl (Schlupf): Eine Differenzdrehzahl tritt im Wandler auf, wenn die Kupplung geöffnet ist, gerade geschlossen oder geöffnet wird oder geschlossen mit Schlupf betrieben wird. Wenn eine Differenz vorliegt, drehen sich in einem Zweikanal- und Dreikanal-System die Bauteile auf beiden Seiten des Kolbens mit unterschiedlicher Drehzahl. Das hat zur Folge, dass demensprechend auch das Getriebeöl auf beiden Seiten mit unterschiedlicher Drehzahl rotiert, was in einem unterschiedlichen Fliehkraftöldruck auf beiden Seiten resultiert.
Lösungsansatz: Wandler mit vier hydraulischen Anschlüssen
Die Störfaktoren 1 und 2 können durch ein Dreikanal-System weitgehend neutralisiert werden. Auch können die restlichen Störfaktoren in einem Dreikanal-System mit entsprechendem Aufwand deutlich verbessert beziehungsweise durch die Kalibrationssoftware im Getriebe ausgeglichen werden. Um jedoch alle Faktoren ohne zusätzlichen Softwareaufwand komplett ausgleichen zu können, ist ein anderes Wandlerprinzip erforderlich: der Vierkanal-Wandler. Wie der Name nahelegt, handelt es sich dabei um ein Wandlersystem mit vier hydraulischen Anschlüssen. Eine mögliche konstruktive Ausführung sowie das Funktionsprinzip sind in Bild 2 dargestellt.
Bild 2 Aufbau des Vierkanal-Drehmomentwandlers
Zwei der vorhandenen Kanäle werden zum Strömungsdurchfluss durch den Wandler genutzt. Der dritte Kanal dient zur Ansteuerung der Kupplung und der zusätzliche vierte Kanal als Druckausgleichskammer. Die Besonderheit am vierten Kanal liegt darin, dass damit eine Umgebung für den Kolben geschaffen wird, die identische Bedingungen der Fluidgeschwindigkeit auf beiden Seiten des Kolbens zur Folge hat. Der dynamische Fliehkraftöldruck ist auf beiden Seiten des Kolbens gleich, da die Außendurchmesser der Dichtungen von Betätigungs- und Ausgleichskammer identisch sind und beide Seiten unabhängig von der Schlupfdrehzahl mit Motordrehzahl rotieren. Des Weiteren sind die Druckräume der Kupplung von Variationen des Systemdrucks – also von Ladedruckschwankungen – abgeschirmt.
Systemvergleich
Mit dem Vierkanal-Wandler lässt sich die Überbrückungskupplung sehr genau und unabhängig von den Betriebszuständen ansteuern. Schaeffler hat das vorgestellte System 2014 in Serie gebracht und arbeitet momentan an der Einführung mit weiteren Kunden. Ein Vergleich der im Betrieb einregelbaren Schlupfdrehzahlen von Zwei-, Drei- und Vierkanal-Systemen ist in Bild 3 anhand von realen Fahrzeugmessungen an einer Beispielanwendung dargestellt.
Bild 3 Vergleich der Schlupfdrehzahlen von Zwei-, Drei- und Vierkanal-Systemen
Der Vergleich zeigt, dass in dieser spezifischen VierkanalAnwendung die Überbrückungskupplung bereits im ersten Gang zugeschaltet werden kann. Neben der Verbrauchseinsparung hat dies zur Folge, dass die Überbrückungskupplung im Einklang mit dem hydrodynamischen Kreislauf des Wandlers als Anfahrelement genutzt werden kann. Dadurch kann der hydrodynamische Kreislauf kleiner und leichter ausgelegt werden. In höheren Gängen kann der Vierkanal-Wandler durch die gute Ansteuerbarkeit mit einer sehr geringen Schlupfdrehzahl betrieben werden. Weil dadurch auch der Dämpfer kleiner ausgelegt werden kann, lässt sich der Wandler insgesamt platzsparender ausführen.
Bild 4 Aufbau des konventionellen (links) und des integrierten Drehmomentwandlers (iTC)
Seit der Vorstellung 2014 sind mehrere Anwendungen in Serie eingeführt worden, Bild 5. Im direkten Vergleich mit konventionellen Wandlern sinkt der axiale Bauraumbedarf um bis zu 17,5 mm und die Masse um bis zu 3,8 kg.
Bild 5 Integrierte Drehmomentwandler (iTC, oben) für Vorderrad- (FWD, links) und Hinterradantriebe (RWD, rechts)
Im direkten Vergleich ist festzustellen, dass viele der herkömmlichen Anwendungen eine 2-Flächen-Kupplung haben, während die iTC-Wandler prinzip-bedingt eine 1-Flächen-Kupplung verwenden. Zwar wird dadurch die Komplexität reduziert, allerdings ist zu berücksichtigen, dass mit der 1-Flächen-Kupplung das gleiche – in manchen Fällen sogar ein größeres – Motormoment übertragen werden muss. Um sicherzustellen, dass genügend Drehmomentkapazität vorhanden ist, wird die Kupplung im iTC so weit außen wie möglich angeordnet. Zusätzlich wird die Kupplung als Konus ausgeführt, was aufgrund des Konuswinkels zu einer größeren Übertragungsfähigkeit führt. Desweiteren reduziert die konische Ausführung die Beanspruchung am Außendurchmesser der Pumpe, was die Verwendung einer dünneren Pumpenschale ermöglicht und zur Gewichtseinsparung beiträgt. Weitere Einsparungen kommen durch den Einsatz von Schaeffler-Stanztechnologie zustande, die schwerere Sinternaben und andere Komponenten ersetzt.
Betätigungsfeder im Schubbetrieb
Prinzipbedingt ist ein iTC ein Zweikanal-System. Die Ansteuerbarkeitsgüte eines Vierkanal-Systems kann damit nicht erreicht werden und muss durch andere konstruktive Merkmale sichergestellt werden. Da die Kupplungsfunktion mit der Turbine des Wandlers kombiniert ist, wirken sich die axialen Kräfte des hydrodynamischen Kreislaufs auf die Ansteuerbarkeit der Kupplung aus. Im Zugbetrieb bietet das iTC-Prinzip einen Vorteil, da die Axialkräfte im Wandler dafür sorgen, dass die Kupplung automatisch im Sinne einer schlupfabhängigen Selbststabilisierung zugezogen wird. Im Schubbetrieb jedoch verhält es sich genau umgekehrt. Die Kupplung wird durch die hydrodynamischen Axialkräfte im offenen Zustand gehalten. Um diesen Zustand zu überwinden, kann durch den Ölfluss ein erhöhter Zuschaltdruck erzeugt werden, was aber zum Zuschnappen der Kupplung bei abnehmendem Schlupfbetrag führen kann. Eine Alternative zu der Regelstrategie, beim Übergang zum Schub die Kupplung bereits effektiv zuzuhalten, besteht darin, die Kupplung im Schub mechanisch unterstützt anzulegen, um einen nahtlosen Übergang in der Druckbeaufschlagung zu erreichen.
Möglich wird dies über eine Betätigungsfeder, Bild 6. Die Feder ist zwischen Dämpferflansch und Turbine angeordnet und wird über Rampen betätigt, die bei Beaufschlagung das Schubmoment in eine Axialkraft umwandeln, die die Kupplung zudrückt. Der Erfolg der Funktion hat dafür gesorgt, dass heute alle iTC mit Betätigungsfeder ausgeführt sind.
Bild 6 Aufbau und Funktionsweise der Betätigungsfeder im Schubbetrieb
Bearbeitung der Oberflächen mit Laserätzen
Bei der Entwicklung des iTC hat Schaeffler auch die Prozessentwicklung angepasst, da die Turbine zusätzliche Arbeitsschritte durchlaufen muss, die in einem konventionellem Wandler nicht auftreten. Die Integration der Kupplungsfunktion in die Turbine erfordert, dass der Reibbelag auf die Turbine anstatt auf einen separaten Kolben geklebt wird. Um die Stahloberfläche für den Klebeprozess vorzubereiten und aufzurauen, wird traditionell auf Strahlen mit Aluminiumoxid (HAl2O3) zurückgegriffen. Durch die Geometrie der Turbine mit ihren zahlreichen Schaufeln besteht dabei aber die Gefahr, dass Rückstände des Aluminiumoxids auch nach dem Waschen auf dem Bauteil bleiben und entlang der weiteren Prozesskette schließlich ins Getriebe gelangen. Dies wäre für die hydraulische Getriebesteuerung mit entsprechend kleinen Spaltmaßen der Ventile überaus schädlich, auch angesichts strengerer Restschmutzanforderungen. Die Lösung fand Schaeffler in einer Laserbearbeitung, dem sogenannten Laserätzen. Dabei werden mit einem Laserstrahl einzelne Partikel auf der Stahloberfläche verdampft, wodurch eine raue und saubere Oberfläche entsteht.
In Bild 7 ist der Vergleich zwischen traditionellem Strahlen und Laserätzen dargestellt. Die Stahlpartikel verdampfen beim Laserätzen rückstandslos und stellen keine Belastung für die Restschmutzanforderungen dar. Es werden sogar höhere Sauberkeitsklassen eingehalten als bei herkömmlichen Wandlern. Ein weiterer Vorteil besteht beim Laserätzen darin, dass die Rauigkeit der Oberfläche durch die Programmierung der Laseranlage numerisch und messbar eingestellt werden kann – im Gegensatz zum Strahlen, das eher dem Zufallsprinzip unterliegt.
Bild 7 Vorbereitung der Klebeoberfläche durch Laserbearbeitung
Potenzial des Fliehkraftpendels
Wie bereits beschrieben, sind in den letzten Jahren die Anforderungen an die Entkopplungsgüte weiter gestiegen. Vor diesem Hintergrund kann nicht nur durch gezielten Schlupf die Schwingungsisolation verbessert werden, sondern auch mit Hilfe von Dämpfertechnologien, die gar nicht erst auf Schlupf angewiesen sind. Das Ziel ist dabei, für jede Anwendung eine hinsichtlich Effektivität und Bauraum optimale Dämpferlösung anzubieten, um möglichst hohe Freiheitsgrade bei der Auslegung von Fahrzeugen und insbesondere das Fahren bei niedrigen Motordrehzahlen ohne NVH-Beeinträchtigungen zu ermöglichen.
Bei der Weiterentwicklung des FKP stand neben der Robustheit und der Akustik von Beginn an die Verbesserung der Isolationswirkung im Vordergrund. Die Evolution des Systems von Torsionsdämpfer und FKP hat dazu geführt, dass inzwischen anspruchsvolle Anwendungen mit Vierzylindermotoren bei bestmöglicher Isolation ab 1.000 min-1 voll überbrückt gefahren werden können, Bild 8. Auf diese Weise kann das volle Potenzial zur Verbrauchsreduzierung moderner Getriebe und Motoren gehoben werden.
Bild 8 Isolationsvergleich von Torsionsdämpfern mit und ohne FKP
Zukünftig werden noch niedrigere Überbrückungsdrehzahlen bis hin zu 800 min-1 gefordert sein, um die Effizienz des Antriebstrangs weiter zu erhöhen.
Torsionsdämpfer mit Doppel-Fliehkraftpendel
Der Torsionsdämpfer (TD) und der Doppeltorsionsdämpfer (DTD) sind die am häufigsten eingesetzten Dämpfersysteme mit FKP. Während sich der DTD als FKP-Dämpferkonzept bei Anwendungen mit Hinterradantrieb etabliert hat, bietet sich der TD mit FKP insbesondere bei Frontantrieb an. Zum einen ist der axiale Bauraumbedarf gering, zum anderen lässt die im Vergleich zum Hinterachsantrieb geringere Sensitivität im mittleren Drehzahlbereich es zu, auf einen Federdämpfer hinter dem FKP zu verzichten.
Beim DTD ist das FKP zusammen mit der Turbine auf dem Zwischenflansch zwischen den Federn angeordnet. Seine Isolationsfähigkeit ist oberhalb von 1.000 min-1 exzellent, darunter jedoch aufgrund der Schwingungsmode der Getriebeeingangswelle begrenzt. Überbrückungsdrehzahlen bis hinunter zu 800 min-1 sind nicht erreichbar. Selbst wenn eine Verdopplung der FKP-Masse und eine Reduzierung der Gesamt-Federrate um 20 % (DTD mit Doppel-FKP) umsetzbar wären, ist es nicht möglich, Überbrückungsdrehzahlen von weniger als 1.000 min-1 zu erreichen, Bild 9.
Bild 9 Isolationsvergleich von Torsionsdämpfern mit FKP und Doppel-FKP
Wird stattdessen das FKP mit der Turbine am Dämpferausgang angeordnet, verschiebt sich die Eigenfrequenz der Getriebeeingangswellenmode in den mittleren Drehzahlbereich. Dieser Reihentorsionsdämpfer (RTD) mit FKP bietet gegenüber dem DTD mit FKP eine stark verbesserte Isolation unterhalb von 1.000 min-1, allerdings auf Kosten der Resonanzstelle bei mittleren Drehzahlen zwischen 1.000 und 2.000 min-1.
Ein Lösungsansatz besteht in der Verwendung eines DTD mit Doppel-FKP. Die Innovation des Doppel-FKP besteht darin, die Stärken der bisherigen Dämpferkonzepte zu kombinieren. Dabei sind beide FKP auf die gleiche Ordnung abgestimmt. Oberhalb von 1.000 min-1 bietet das FKP auf dem Zwischenflansch eine exzellente Isolation, unterhalb ermöglicht das zweite FKP am Dämpferausgang die bestmögliche Isolation für Überbrückungsdrehzahlen bis zu 800 min-1. Das Doppel-FKP hat weniger Pendelmasse als ein FKP mit verdoppelter Masse und erzielt trotzdem eine deutlich bessere Isolation. Dies veranschaulicht eindrucksvoll, wie wichtig die Wahl der Anordnung des FKP ist. Das Konzept bietet sich auch für Anwendungen mit Zylinderabschaltung an. Dabei wird eines der FKP auf den Vollmotorbetrieb und das andere auf den Zylinderabschaltbetrieb ausgelegt.
Bei der Konstruktion des DTD mit Doppel-FKP war vorrangiges Ziel, das Gesamtsystem so kompakt wie möglich zu gestalten. Um den zusätzlichen axialen Bauraumbedarf für das weitere FKP zu reduzieren, wurde das sogenannte Inline-FKP entwickelt, Bild 10.
Bild 10 Aufbau des Inline-FKP am Beispiel eines DTD mit Doppel-FKP
Bei dieser Konstruktion liegen die Massen und Rollen auf derselben Ebene wie der Flansch. Die Masse wird durch eine dünne Deckscheibe auf beiden Seiten des Flansches axial zentriert und trägt dadurch ebenfalls zur Erhöhung des Gewichts der Pendelmassen bei. Das reduziert bei vergleichbarer effektiver Massenträgheit den axialen Bauraumaufwand des zweiten FKP um zirka 2 mm. Zusätzlich kann das erste FKP am Zwischenflansch durch den Einsatz des zweiten kleiner ausgeführt werden. Dadurch kann der zusätzliche Bauraumbedarf des Dämpfersystems auf ein Minimum reduziert werden.
Dämpfersysteme für Zylinderabschaltung bei Vierzylindermotoren
Neben den mittlerweile etablierten Anwendungen der Zylinderabschaltung an Achtzylindermotoren spielt sie auch bei Vierzylindermotoren eine immer größere Rolle. Hier stellt die Isolation bei geringen Drehzahlen eine der größten Herausforderungen dar. Ein Dämpferkonzept muss nicht nur im Vollmotorbetrieb die gewohnt gute Isolation bieten, sondern darüber hinaus auch im Betrieb mit halber Zylinderzahl. Dies ist besonders herausfordernd, da sich die Anregungsfrequenz des Motors halbiert und dadurch kritische Eigenfrequenzen in den Fahrbereich verschoben werden. Ziel ist dabei, in beiden Betriebspunkten ein voll überbrücktes Fahren auch bei niedrigen Drehzahlen zu realisieren. Dämpferkonzepte ohne FKP – wie in Bild 11 dargestellt ein Reihendämpfer – zeigen im Vollmotorbetrieb eine ausreichende, bei Abschaltung von zwei Zylindern jedoch eine inakzeptable Isolation.
Bild 11 Isolationspotenzial von Torsionsdämpfern mit FKP und Doppel-FKP bei Zylinderabschaltung von zwei Zylindern eines Vierzylindermotors
Bei Kombination aus einem FKP auf dem Zwischenflansch und einem zweistufigen Dämpfer, bei der FKP und erste Dämpferstufe auf den Zweizylinderbetrieb ausgelegt sind, erhöht sich die Isolationswirkung signifikant und ermöglicht ein voll überbrücktes Fahren oberhalb von 1.200 min-1. Die Isolation im Vierzylinderbetrieb bleibt nahezu konstant.
Um auch diese Isolation weiter zu verbessern, bietet sich ein weiteres FKP für den Vollmotorbetrieb, also ein Konzept mit Doppel-FKP an. Um den Bauraumbedarf nicht zu erhöhen, wird der zweite, hinter dem FKP angeordnete Dämpfer durch ein FKP ersetzt. Der verbleibende, den FKP vorgeschaltete Dämpfer wird außerdem vergrößert, um eine gute Vorisolation zu gewährleisten. Das so entstandene Dämpferkonzept „TD+DFKP“ bietet sowohl im Vier- als auch im Zweizylinderbetrieb eine sehr gute Isolation über nahezu den gesamten Drehzahlbereich.
Der Schwerkrafteinfluss beim FKP
Bei einer Zweizylinder-Anwendung mit hauptanregender Ordnung 1,0 muss nicht nur für die Antriebsstrangmode eine Lösung gefunden werden. Auch für das Fliehkraftpendel stellt die 1. Ordnung im Zusammenhang mit der Schwerkraft eine Herausforderung dar.
Zusätzlich zu der Zentrifugalkraft aus der Rotation wirkt die Schwerkraft auf die Pendelmassen. Diese ist bei Drehzahlen über 1.000 min-1 zwar 100-fach kleiner, regt die Pendelmassen dennoch pro Umdrehung harmonisch mit der 1. Ordnung an, und zwar auch direkt in tangentialer Richtung. Dadurch werden die Pendelmassen durch die Schwerkraft in ihrer Abstimmordnung, also in ihrer Resonanz angeregt. Bei einer 3er-Anordnung der Pendelmassen schwingen diese mit einer Phasenverschiebung von 120° zueinander. Hier werden teilweise sehr große Schwingwinkel erreicht, auch ohne dass eine antriebsseitige torsionale Anregung des Dämpfersystems vorliegt, Bild 12. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass aufgrund der Schwerkraftauswirkung nicht ausreichend Schwingwinkel im FKP zur Verfügung steht, um speziell bei niedrigen Drehzahlen zusätzliche Torsionsschwingungen zu absorbieren.
Bild 12 Einfluss der Schwerkraft auf die Pendelbewegung beim FKP mit 1. Abstimmordnung
Die Lösung für diese Resonanz durch die Schwerkraft bietet das FKP Gen 3, bei dem die Pendelmassen durch Federn untereinander gekoppelt sind. Durch die Federn wird die nicht synchrone Resonanz, bei der die Pendelmassen gegeneinander schwingen, verstimmt und nicht mehr signifikant angeregt. Der Einfluss der Feder auf die torsionale Abstimmung kann weitestgehend durch eine Bahnverstimmung korrigiert werden. In Folge dessen bleibt nun genügend Schwingwinkel im FKP, um die 1. Ordnung der Torsionsschwingung geeignet zu absorbieren.
Zu Beginn der Entwicklung eines FKP für die 1. Ordnung im Jahr 2015 wurde schnell klar, dass die Anregung durch die Schwerkraft eine wichtige Rolle spielt und eine Synchronisierung der Pendelmassen erforderlich wird. In einem Funktionsmustertest wurde die Wirksamkeit des Konzepts mit Koppelpendel nachgewiesen. Die erste Lösung dieser Art ging 2017 für eine Anwendung mit Zylinderabschaltung bei einem Vierzylindermotor in Serie.
Das FKP hat sich in vielfältigen Anwendungen als beste Lösung für die NVH-Entkopplung etabliert. Für die individuellen Anforderungen an Isolationsziel, Antriebsstrang und Bauraum stehen verschiedene Dämpferkonzepte mit FKP zur Verfügung, Bild 13. Das Portfolio umfasst heute Anwendungen vom Acht- bis zum Dreizylindermotor mit und ohne Zylinderabschaltung sowie für Front- und Hinterradantrieb und für Drehmomentbereiche zwischen 250 und 900 Nm.
Bild 13 Dämpferkonzepte TD und DTD mit Doppel-FKP
Mit dem FKP wird durch die Drehzahladaptivität über den gesamten Fahrbereich eine sehr gute Isolation erreicht. Sollen Schwingungen unterhalb der 1. Ordnung getilgt werden, ergeben sich jedoch konstruktiv keine zielführenden Lösungen, da die FKP-Bahn eine geringe Krümmung aufweist und zusätzlich auch sehr lang wird.
Bei geringen Frequenzen und Ordnungen kleiner eins zeigt sich außerdem, dass die Drehzahladaptivität nur noch selten einen wesentlichen Vorteil bringt. Als Alternative zum FKP ist dann auch ein Festfrequenztilger vorstellbar. Als Turbinentilger ausgeführt, verwendet er bei geschlossener Überbrückungskupplung zusätzlich die Turbinenmasse als Tilgermasse. Die Turbine ist bereits in jedem Wandler vorhanden und kann zusätzlich als Tilgermasse dienen, während die Überbrückungskupplung geschlossen ist. Durch sinnvolle Abstimmung des Dämpferkonzepts aus Federrate, Massenverteilung und Reibung kann gegenüber einem konventionellen Reihendämpfer im unteren Drehzahlbereich eine Isolationsverbesserung erzielt werden, Bild 14.
Bild 14 Isolationsvergleich von Torsionsdämpfern mit und ohne Turbinentilger
Bereits 2007 entstanden die ersten Dämpferkonzepte mit Turbinentilger. Da zur selben Zeit das FKP mit dem Vorteil der Drehzahladaptivität entwickelt wurde, ist dieses zunächst in den Vordergrund getreten. Durch Anwendungen mit Zylinderabschaltung – sogar bei Dreizylindermotoren mit im Einzelzylinder-Abschaltbetrieb ungleichmäßigem Zündabstand – stieg jedoch der Bedarf an drehzahlfesten Tilgerkonzepten und es erfolgte eine rasche Optimierung.
Bei den ersten Konzepten war die Turbine über einen zusätzlichen dritten Torsionsdämpfer an den Reihendämpfer angebunden. Durch eine Integration in den Innendämpfer des bestehenden Dämpferkonzepts konnte der dritte Dämpfer entfallen und der neu gewonnene Bauraum für eine Zusatzmasse zur Erhöhung des Tilgereffekts genutzt werden. Das hierfür verwendete Umformteil kann an den gegebenen Bauraum angepasst werden. Die früh gewonnenen Erfahrungen zum drehzahlfesten Turbinentilger konnte Schaeffler zur schnellen Entwicklung und Einführung einer Serienlösung ab 2018 nutzen.
In den vorangehenden Kapiteln wurden Technologien für Drehmomentwandler und zugehörige Dämpfungssysteme diskutiert. Diese sind aber auch für andere Komponenten, Baugruppen und Systeme im Antriebsstrang anwendbar. Beispiele dafür sind:
• Umformtechnologie: Kosten- und gewichtsintensive Sinter- oder Gussteile lassen sich durch Stanzteile in leichterer Ausführung ersetzen oder in andere Bauteile integrieren.
• Verbindungstechnologie: Gerade im Bereich der Niettechnologie wurden über die letzten Jahre zahlreiche Innovationen vorangetrieben, auch in Verbindung mit der Umformtechnologie.
Um den Technologietransfer einen Schritt weiterzutreiben, werden die Erkenntnisse aus der Entwicklung von Hybridmodul und Doppelkupplung auf Schaltkupplungen im Automatikgetriebe angewendet. Dazu hat Schaeffler bauraumoptimierte Konstruktionen und ein Reibsystem mit hoher Übertragungsfähigkeit und geringem Schleppmoment entwickelt. Die Konzeptstudie eines solchen Moduls ist in Bild 15 dargestellt.
Bild 15 Konzept für bauraumoptimierte Schaltkupplungen
Bild 16 Konzept einer Schaltkupplung mit selbstverstärkender Betätigung
Durch den Einsatz von Stanz- und Verbindungstechniken kann im oben gezeigten Konzept eine axiale Bauraumeinsparung von 10 mm erreicht werden, während die Masse um zirka 20 % geringer ist als bei einer vergleichbaren Serienlösung. Bei der Studie kamen nicht nur prozesstechnische, sondern auch produkttechnische Methoden zum Einsatz. So wurden zum Beispiel Strömungsanalysen, die auch im Wandlerbereich eingesetzt werden, durchgeführt, um die Nutgeometrie in den Belägen der Kupplung auf möglichst geringe Schleppmomente zu optimieren und den Ölfluss auf optimalen Wärmetransfer auszulegen.
Diese Technologie hat in abgewandelter Form eine Serienanwendung im Motorradbereich gefunden.
In diesem Beitrag wurden verschiedene Ansätze von Schaeffler für effiziente, komfortable und bauraumoptimierte Automatikgetriebe vorgestellt. Zur besseren Ansteuerbarkeit der Überbrückungskupplung – und damit zu ihrem Einsatz in möglichst vielen Fahrsituationen – eignet sich beispielsweise ein Vierkanal-Drehmomentwandler. Der integrierte Drehmomentwandler (iTC) bietet durch die Integration des Kolbens in die Turbine einen vereinfachten Aufbau und eine deutlich optimierte Bauraumnutzung. Für den iTC wurden weitere konstruktive und prozesstechnische Verbesserungen beschrieben.
Eine wichtige Rolle spielt im Wandler auch die Isolation von Schwingungen. Das Potenzial des Fliehkraftpendels (FKP) ist dabei noch lange nicht ausgereizt. Ein neuer, hier gezeigter Ansatz ist die Verwendung eines Doppeltorsionsdämpfers mit Doppel-FKP im Wandler. Des Weiteren wurde ein Dämpferkonzept für Vierzylindermotoren mit Zylinderabschaltung und die Nutzung der Turbinenmasse als Tilgermasse beschrieben, um ein FKP in bestimmten Anwendungsfällen ersetzen zu können.
Das Schaeffler-Know-how zu Drehmomentwandlern und zugehörigen Dämpfungssystemen wird auch auf elektrifizierte Antriebsstränge übertragen. Schaeffler steht damit Getriebeherstellern und Entwicklern für zukünftige Herausforderungen zur Seite.
Quellenangaben
[4] Rathke, G.; Grethel, M.; Baumgartner, A.; Kimmig, K.-L.; Steinmetz, S.: Doppelkupplungssysteme nach Maß. 11. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2018
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Die Digitalversion des Tagungsbandes des Schaeffler-Kolloquiums 2018 „Mobilität für morgen“
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In der Automobilindustrie ist der weltweite Trend zu effizienteren Systemen ungebrochen. Dabei besteht das übergreifende Ziel darin, den CO₂-Ausstoß weiter zu reduzieren. Dies hat zur Folge, dass Verbrennungsmotoren weiter optimiert werden, mit verstärktem Einsatz von Zylinderabschaltung und Turboaufladung. Nicht nur das Gewicht des Gesamtfahrzeuges – und damit auch des Antriebsstrangs – muss reduziert werden, sondern auch das Massenträgheitsmoment der Komponenten, um eine hohe Fahrdynamik zu bieten und möglichst schnell in den wirkungsoptimalen Betriebspunkt aufgeladener Motoren zu kommen.
Schaeffler bietet Technologien an, die zum einen die Effizienz des Getriebes durch geringere Verluste verbessern und zum anderen den Einsatz neuer Motorentechnik ermöglichen. Für die Anforderungen an den Drehmomentwandler mit Überbrückungskupplung und Dämpfer bedeutet das, dass die Isolation der Schwingungen deutlich anspruchsvoller wird [1]. Ein Lösungsansatz besteht in leichteren Bauteilen, ein anderer darin, die vorhandenen Massen intelligent in das System zur Isolation der Schwingungen einzubinden.
Um den CO₂-Ausstoß zu reduzieren, ist darüber hinaus eine gut ansteuerbare Überbrückungskupplung erforderlich, die es erlaubt, den Drehmomentwandler möglichst früh ohne oder mit sehr wenig und fein ansteuerbarem Schlupf zu betreiben. In neuen Getriebegenerationen ging der Trend bislang hin zu immer höheren Gangzahlen. Das hat einen reduzierten Einbauraum für den Drehmomentwandler zur Folge.
Der nachfolgende Artikel soll technische Lösungen für die genannten Herausforderungen darstellen.
Beim iTC-Konzept (iTC = integrated Torque Converter) handelt es sich um eine Bauform des Drehmomentwandlers, bei der der Kolben für die Überbrückungskupplung in die Turbine des hydrodynamischen Kreislaufs integriert wird [2]. Das Prinzip ist in Bild 4 dargestellt. Durch die Integration des Kolbens in die Turbine ergeben sich ein vereinfachter Aufbau, da auf mindestens ein Bauteil verzichtet werden kann, sowie eine deutlich optimierte Bauraumnutzung. Das ermöglicht beispielsweise den Einsatz größerer Dämpfer, insbesondere mit Fliehkraftpendel (FKP), oder kann bei Automatikgetrieben mit höheren Gangzahlen das Bauraumproblem lösen.
Potenzial des Fliehkraftpendels
Wie bereits beschrieben, sind in den letzten Jahren die Anforderungen an die Entkopplungsgüte weiter gestiegen. Vor diesem Hintergrund kann nicht nur durch gezielten Schlupf die Schwingungsisolation verbessert werden, sondern auch mit Hilfe von Dämpfertechnologien, die gar nicht erst auf Schlupf angewiesen sind. Das Ziel ist dabei, für jede Anwendung eine hinsichtlich Effektivität und Bauraum optimale Dämpferlösung anzubieten, um möglichst hohe Freiheitsgrade bei der Auslegung von Fahrzeugen und insbesondere das Fahren bei niedrigen Motordrehzahlen ohne NVH-Beeinträchtigungen zu ermöglichen.
Schon früh wurde das Potenzial des Fliehkraftpendels (FKP) für die Isolation im Antriebsstrang erkannt. Nachdem Schaeffler 2006 das FKP für das Zweimassenschwungrad (ZMS) in trockener Umgebung vorgestellt und 2008 in die Serie eingeführt hatte [3], wurde das FKP 2010 auch für den Drehmomentwandler zur Serie gebracht. Das FKP war nun fähig, in nasser Umgebung den Öleinfluss zu kompensieren und im Drehmomentwandler die Isolation von Torsionsschwingungen zu ermöglichen – und das ganz ohne Schlupf bei voll überbrückter Wandlerkupplung.
Bei der Weiterentwicklung des FKP stand neben der Robustheit und der Akustik von Beginn an die Verbesserung der Isolationswirkung im Vordergrund. Die Evolution des Systems von Torsionsdämpfer und FKP hat dazu geführt, dass inzwischen anspruchsvolle Anwendungen mit Vierzylindermotoren bei bestmöglicher Isolation ab 1.000 min-1 voll überbrückt gefahren werden können, Bild 8. Auf diese Weise kann das volle Potenzial zur Verbrauchsreduzierung moderner Getriebe und Motoren gehoben werden.
In den vorangehenden Kapiteln wurden Technologien für Drehmomentwandler und zugehörige Dämpfungssysteme diskutiert. Diese sind aber auch für andere Komponenten, Baugruppen und Systeme im Antriebsstrang anwendbar. Beispiele dafür sind:
• Umformtechnologie: Kosten- und gewichtsintensive Sinter- oder Gussteile lassen sich durch Stanzteile in leichterer Ausführung ersetzen oder in andere Bauteile integrieren.
• Verbindungstechnologie: Gerade im Bereich der Niettechnologie wurden über die letzten Jahre zahlreiche Innovationen vorangetrieben, auch in Verbindung mit der Umformtechnologie.
• Reibsysteme: Schaeffler ist seit vielen Jahren in der Reibbelagentwicklung aktiv. So wurde auch für Drehmomentwandler ein eigenes Reibmaterial entwickelt, das mittlerweile in nahezu allen Schaeffler-Wandlern für die Überbrückungskupplung eingesetzt wird. Dieses Know-how im Bereich der Nassbeläge [4] kann leicht in andere Kupplungsfunktionen innerhalb des Automatikgetriebes übertragen werden, da dort ähnliche Umgebungs- und Anforderungsbedingungen herrschen.
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs wird das Automatikgetriebe einbeziehen. Bei Schaeffler mündet der Technologietransfer vom herkömmlichen Wandler zu Hybridlösungen in einem P2-Hybridmodul mit integriertem Wandler [5]. Anstatt einer traditionellen Sandwich-Bauweise, in der das Hybridmodul zwischen Motor und Wandler gesetzt wird, wird der Rotor der E-Maschine direkt mit dem Wandlerdeckel vernietet. Dadurch wird auf eine Zwischenwand verzichtet, was axialen Bauraum spart. Außerdem ist die nasse K0-Trennkupplung als Stanzbauteil ausgeführt und verwendet das gleiche Reibmaterial, das in den Wandlerkupplungen zum Einsatz kommt. Ein ähnliches P2-Hybridmodul wie hier beschrieben wird 2019 in Serie gehen.
Um den Technologietransfer einen Schritt weiterzutreiben, werden die Erkenntnisse aus der Entwicklung von Hybridmodul und Doppelkupplung auf Schaltkupplungen im Automatikgetriebe angewendet. Dazu hat Schaeffler bauraumoptimierte Konstruktionen und ein Reibsystem mit hoher Übertragungsfähigkeit und geringem Schleppmoment entwickelt. Die Konzeptstudie eines solchen Moduls ist in Bild 15 dargestellt.
Durch den Einsatz von Stanz- und Verbindungstechniken kann im oben gezeigten Konzept eine axiale Bauraumeinsparung von 10 mm erreicht werden, während die Masse um zirka 20 % geringer ist als bei einer vergleichbaren Serienlösung. Bei der Studie kamen nicht nur prozesstechnische, sondern auch produkttechnische Methoden zum Einsatz. So wurden zum Beispiel Strömungsanalysen, die auch im Wandlerbereich eingesetzt werden, durchgeführt, um die Nutgeometrie in den Belägen der Kupplung auf möglichst geringe Schleppmomente zu optimieren und den Ölfluss auf optimalen Wärmetransfer auszulegen.
Ein weiterführendes Konzept einer selbstverstärkenden Kupplung ist in [6] dargestellt. Hier wird über eine Blattfeder eine zusätzliche Anpresskraft erzeugt. Das ermöglicht es, den Betätigungsdruck von Schaltkupplungen zu senken und die hydraulischen Verluste zu reduzieren.
Diese Technologie hat in abgewandelter Form eine Serienanwendung im Motorradbereich gefunden.
[1] Kooy, A.; Seebacher, R.: Maßgeschneiderte Dämpfer für jedes Antriebskonzept. 11. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2018
[2] Lindemann, P.; Steinberger, M.; Krause, T.: iTC – Innovative Wandlerlösungen ebnen den Weg in die Zukunft. 10. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2014
[3] Fidlin, A.; Seebacher, R.: Simulationstechnik am Beispiel des ZMS. 8. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2006
[5] Reitz, D.: P2 HV-Antriebe. Die effiziente Hybridisierung für alle Getriebe. 11. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2018
[6] Freitag, J.; Häßler, M.; Lehmann, S; Raber, C.; Schneider, M.; Wittmann, C.: Das Kupplungs-Komfort-Programm. 10. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2014
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