Die Rückkehr des Drehmomentwandlers: Warum diese alte Technologie im Performance-Segment ein Comeback feiert

Überblick

Der Drehmomentwandler, eine Schlüsselkomponente von Automatikgetrieben, hat in den letzten Jahren wieder an Interesse und Entwicklung gewonnen. Dieses Whitepaper untersucht die Entwicklung, Vorteile und potenziellen Anwendungen des Drehmomentwandlers in modernen Fahrzeuggetrieben. Wir gehen auf den historischen Kontext ein, auf die Herausforderungen, mit denen frühe Drehmomentwandler konfrontiert waren, und darauf, wie diese Probleme durch technologische Fortschritte gelöst wurden. Mit einem Schwerpunkt auf Effizienz, Leistung und Kraftstoffverbrauch zeigt dieses Whitepaper, wie die Rückkehr des Drehmomentwandlers die Landschaft der Fahrzeuggetriebe neu gestaltet.

Einführung

Der Drehmomentwandler wurde vor über einem Jahrhundert erfunden und stand lange Zeit im Schatten verschiedener Getriebetechnologien wie Doppelkupplungs- und stufenlosen Getrieben (CVTs). Dank Fortschritten bei Design, Materialien und Steuerungssystemen erlebt der Drehmomentwandler jedoch ein überzeugendes Comeback als integraler Bestandteil moderner Fahrzeuggetriebe.

Ein Drehmomentwandler ist eine Flüssigkeitskupplung, die in einem Automatikfahrzeug die Drehkraft vom Motor auf das Getriebe überträgt. Es handelt sich um eine Flüssigkeitskupplung, da sie zur Kraftübertragung die Kraft der Flüssigkeit nutzt und nicht Zahnräder oder eine Kupplung. Der Drehmomentwandler sitzt zwischen Motor und Getriebe und erfüllt dieselbe Funktion wie eine Kupplung in einem Schaltgetriebe. Während der Fahrt isoliert der Drehmomentwandler den Motor von der Last, sodass der Motor auch bei stehendem Fahrzeug weiterlaufen kann. Der Drehmomentwandler ist ein komplexes Gerät, aber ein wesentlicher Bestandteil des Automatikgetriebes. Er ermöglicht dem Getriebe ein sanftes und effizientes Schalten und hilft außerdem, den Motor vor Schäden zu schützen.

Funktionsweise des Drehmomentwandlers

Der Drehmomentwandler befindet sich zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe. Im Gehäuse eines Automatikgetriebes sind drei Hauptkomponenten zu finden: der Drehmomentwandler, das Planetengetriebe und das elektrohydraulische Steuermodul. Die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist mechanisch mit dem Drehmomentwandler verbunden. In diesem Wandler wird die Motorleistung hydrodynamisch auf das Getriebe übertragen. In Fällen, in denen der Drehmomentwandler entriegelt bleibt, besteht keine direkte mechanische Verbindung zwischen Eingang (Motor) und Ausgang (Getriebe).

Abb. 1: Aufbau des Drehmomentwandlers

Quelle: x-engineer.org

Der Drehmomentwandler hat von Natur aus einen eher bescheidenen Wirkungsgrad. Dies liegt an seinem ständigen Schlupf, der erhebliche Reibung zwischen der Betriebsflüssigkeit (Öl) und den mechanischen Bestandteilen (Laufrad, Turbine und Stator) erzeugt. Der Wirkungsgrad erreicht seinen Tiefpunkt und fällt unter 10 %, wenn das Drehzahlverhältnis sich 0 nähert, erreicht jedoch seinen Höhepunkt und liegt zwischen 85 % und 90 %, wenn das Drehzahlverhältnis bei etwa 0,85 liegt.

Um die Effizienz des Drehmomentwandlers zu steigern, wird eine Strategie angewendet, bei der der Wandler effektiv blockiert wird, wenn der Schlupf zwischen dem Laufrad und der Turbine relativ gering bleibt. Dies wird durch eine Überbrückungskupplung erreicht, die eine mechanische Verbindung zwischen dem Laufrad und der Turbine ermöglicht. Folglich wird durch diese Anordnung jede weitere Reibung zwischen dem Öl und den Komponenten vermieden, sodass die Motorleistung mechanisch auf das Getriebe übertragen werden kann.

Die Aktivierung des Überbrückungszustands erfolgt typischerweise in den höheren Gängen (nach dem 2. Gang) oder wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit 20 Kilometer pro Stunde überschreitet. Während des Gangwechsels wird die Überbrückungskupplung absichtlich in einen Schlupfmodus versetzt, um zur Absorption von Antriebsstrangschwingungen beizutragen.

Abb. 2: Drehmomentwandler – Überbrückungskupplung

Quelle: x-engineer.org

Der Drehmomentwandler dient als primärer Kupplungsmechanismus in den meisten Planetengetrieben (AT) und wird auch in bestimmten stufenlosen Getrieben (CVT) eingesetzt. Seine Hauptfunktionen umfassen die automatische Trennung des Motors vom Antriebsstrang bei niedrigen Motordrehzahlen, die Bereitstellung einer Drehmomentverstärkung und die Minderung von Vibrationen (aufgrund der hydrodynamischen Natur der Kraftübertragung).

Laut einer Analyse von Data Bridge Market Research wird der Markt für Drehmomentwandler im Prognosezeitraum 2022–2029 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 5,20 % aufweisen und am Ende des Prognosezeitraums 2022–2029 voraussichtlich einen geschätzten Wert von 11,24 Milliarden erreichen.

Weitere Informationen zur Studie finden Sie unter https://www.databridgemarketresearch.com/de/reports/global-torque-converter-market

Geschichte des Automatikgetriebes

Der Pionier hinter der Entwicklung des ersten Automatikgetriebes (AT) war Alfred Horner Munro. Munro stammte aus Regina, Saskatchewan, Kanada, und entwickelte im Jahr 1921 das Konzept des ersten Automatikgetriebes, das „Automatic Safety Transmission“ (AST) getauft wurde. Diese bahnbrechende Erfindung wurde im Jahr 1923 offiziell patentiert. Munro, der aus einem beruflichen Hintergrund als kanadischer Dampfingenieur stammte, nutzte bei der Entwicklung des AST den innovativen Ansatz, Luftdruck anstelle von Hydraulikflüssigkeit zu verwenden. Dieser neuartige Ansatz hatte jedoch einen erheblichen Nachteil in Bezug auf die Stromerzeugung. Trotz dieser Einschränkung verfügte das AST über vier verschiedene Vorwärtsgänge. Es ist wichtig anzumerken, dass ihm sowohl ein Rückwärtsgang als auch ein Parkmechanismus fehlten. Die bahnbrechende Erfindung erlangte Anerkennung, als General Motors das AST auf den Markt brachte und es in den Jahren 1937 bis 1938 als optionales Upgrade in drei seiner Fahrzeugmodelle anbot – Oldsmobile, Cadillac und Buick.

General Motors unternahm mit dem Erwerb des Prototyps und der Pläne einen entscheidenden Schritt und markierte damit einen bedeutenden Schritt in der Automobilgeschichte. Dies läutete die Einführung des ersten hydraulischen Getriebes ein, das treffend „Hydra-Matic“ genannt wurde. General Motors begann seine Produktion im Jahr 1940 und bot das Hydra-Matic als optionale Funktion innerhalb der Oldsmobile-Reihe an. Dies war ein monumentaler Meilenstein, da es das erste Automatikgetriebe war, das in Massenproduktion hergestellt wurde, und einen neuen Präzedenzfall in der Automobillandschaft darstellte.

Die transformative Wirkung dieser Innovation reichte weit über den Automobilbereich hinaus. Mitten im Zweiten Weltkrieg im Jahr 1942 verlagerte sich der Schwerpunkt der Automobilwerke von der Herstellung von Autos auf die Produktion von Militärpanzern und -fahrzeugen. Bemerkenswerterweise waren diese Militärmaschinen mit dem Hydra-Matic-Getriebe ausgestattet, was die Anpassungsfähigkeit und Bedeutung dieses technologischen Fortschritts in verschiedenen Kontexten unterstreicht.

Nach dem Krieg stieg die Nachfrage nach Fahrzeugen mit Hydra-Matic-Getriebe deutlich an. Diese Ära war geprägt von der zunehmenden Beliebtheit dieser Getriebetechnologie. Zu diesem Zeitpunkt waren erstaunliche drei Viertel der von General Motors verkauften Fahrzeuge mit der Hydra-Matic-Option ausgestattet, was ihren durchschlagenden Erfolg und ihren tiefgreifenden Einfluss auf die Automobillandschaft untermauerte.

Abb. 3: M-5 Stuart-Panzer mit Hydra-Matic-Getriebe

Quelle: Auto Service Experts

1948 war Buicks Dynaflow das erste hydraulische Getriebe mit Drehmomentwandler und verfügte über zwei Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang. Die Drehmomentvervielfachung des Wandlers machte das Zweiganggetriebe bemerkenswert leistungsstark. Packard führte 1949 das Zweigang-Ultramatic ein, gefolgt von General Motors' größter Errungenschaft, dem Power Glide im Jahr 1950. Der Power Glide ist nach wie vor eine dominierende Kraft und wird immer noch in Rennwagen mit hohem Kraftstoffverbrauch und ¼-Meilen-Disziplin verwendet, ergänzt durch Modifikationen für optimale Renneinsätze.

Abb. 4: General Motors Power Glide AT

Borg Warner machte einen bedeutenden Schritt, indem er das erste 3-Gang-Automatikgetriebe mit Überbrückungswandler auf den Markt brachte. Dieser Durchbruch erfolgte Mitte der 1950er Jahre. Während dieser Zeit übernahmen zahlreiche große Automobilhersteller, darunter so bekannte Namen wie Bentley, Lincoln, Ford und Studebaker, die 3-Gang-Automatikgetriebe mit Hydraulik von General Motors als Standard.

Heutzutage gibt es in Kraftfahrzeugen Getriebe mit bis zu 11 Gängen. Diese modernen Getriebe integrieren eine Reihe hochentwickelter Technologien, darunter elektronische Steuermagnete, variable Geschwindigkeitssensoren und computergesteuerte Steuerungssysteme. Ein bemerkenswertes Beispiel hierfür ist das stufenlose Getriebe (CVT), das sich durch eine hydraulische Kettenantriebskonfiguration auszeichnet, die die Eigenschaften eines Automatikgetriebes nachahmt. Darüber hinaus umfasst die moderne Getriebelandschaft eine Reihe von Antriebsstrangkonfigurationen wie Frontantrieb, Allradantrieb, Transaxle-Getriebe, Verteilergetriebe und 4x4-Getriebe, was die komplexe Vielfalt im Automobilbau weiter widerspiegelt.

Abb. 5: CVT-Getriebe

Data Bridge Market Research analysiert, dass der Markt für stufenlose Getriebe im Jahr 2021 einen Wert von 19,80 Milliarden USD hatte und bis 2029 voraussichtlich 31,56 Milliarden USD erreichen wird, was einer CAGR von 6,00 % während des Prognosezeitraums von 2022 bis 2029 entspricht. Zusätzlich zu den Markteinblicken wie Marktwert, Wachstumsrate, Marktsegmenten, geografischer Abdeckung, Marktteilnehmern und Marktszenario enthält der vom Data Bridge Market Research-Team zusammengestellte Marktbericht eine eingehende Expertenanalyse, Import-/Exportanalyse, Preisanalyse, Produktionsverbrauchsanalyse und Pestle-Analyse.

Um mehr über die Studie zu erfahren, besuchen Sie https://www.databridgemarketresearch.com/de/reports/global-continuously-variable-transmission-market

Andere Arten von Getrieben

• Automatisiertes Schaltgetriebe – AMT

Das automatisierte Schaltgetriebe (AMT) ist ein Automatikgetriebe, das einen Aktuator und einen Bordcomputer verwendet, um die entsprechenden Gangwechsel basierend auf der Motordrehzahl zu erkennen. Bei AMTs wird ein Wählhebel verwendet, um den gewünschten Fahrmodus festzulegen. Nach der Aktivierung kann der Fahrer einfach eine entspannte Fahrhaltung einnehmen, da das AMT das Einkuppeln und die Gangwechsel autonom steuert. Der AMT-Betrieb bietet im Allgemeinen ein nahtloses Erlebnis, obwohl beim automatischen Gangwechsel beim Hoch- und Herunterschalten ein leichter, wahrnehmbarer Ruck zu spüren sein kann.

Abb. 6: Automatisiertes Schaltgetriebe – AMT

• Stufenloses Getriebe – CVT

Das stufenlose Getriebe (CVT) ist eine modernere Version des Automatikgetriebes. Bei dieser Getriebevariante werden die Übersetzungsverhältnisse je nach Fahrzeuggeschwindigkeit kontinuierlich angepasst. Diese Anpassungsfähigkeit wird durch zwei konische Riemenscheiben erreicht, die durch einen Riemen miteinander verbunden sind. Der Riemen verändert seinen Durchmesser, indem er sich entweder verengt oder ausdehnt, je nach erforderlichem Übersetzungsverhältnis, das durch Faktoren wie Geschwindigkeit, Fahrzeuggewicht, Steigungen und Gefälle vorgegeben wird. Das Markenzeichen des CVT ist seine außergewöhnliche Effizienz. Es ist bestrebt, eine konstante Motordrehzahl (U/min) aufrechtzuerhalten, selbst wenn das Fahrzeug eine Reihe von Geschwindigkeiten durchläuft. Diese Fähigkeit, sich nahtlos an unterschiedliche Bedingungen anzupassen, trägt zum Ruf des CVT für optimale Effizienz bei.

• Doppelkupplungsgetriebe/Direktschaltgetriebe – DCT/DSG

Das Direktschaltgetriebe (DSG) oder Doppelkupplungsgetriebe (DCT) ist ein fortschrittliches Getriebesystem, das zwei Kupplungen für nahtlose automatische Gangwechsel verwendet. Die Gänge sind in zwei Gruppen unterteilt: ungerade (1, 3, 5) und gerade (2, 4, 6), die jeweils von einer eigenen Kupplung gesteuert werden. Diese Konfiguration verringert effektiv den Leistungsverlust und unterscheidet sich von Getrieben wie AMT und manuellen Getrieben, da die Gänge vorgerückt bleiben und nach Erreichen der erforderlichen Gangumdrehungen schnell eingesetzt werden können.

Das DSG/DCT-Getriebe zeichnet sich durch seine kultivierte und effiziente Leistung aus. Diese Technologie wird vor allem in Fahrzeugen der Oberklasse eingesetzt, wo sie eine harmonische Kombination aus sanftem Betrieb und optimaler Effizienz bietet.

Vorteile des Drehmomentwandlers

• Komfort: Durch die Integration eines Drehmomentwandlers entfallen Kupplung und Gangschaltung, was zu einem Fahrerlebnis mit hohem Komfort führt. Benutzer profitieren von mühelosem Fahrzeugbetrieb, problemlosem Starten und sanftem Anhalten.
• Drehmomentvervielfachung: Ein Drehmomentwandler sorgt beim Beschleunigen für ein beträchtliches Drehmoment. Dies führt zu einer schnelleren und sanfteren Beschleunigung und verbessert die Gesamtfahrleistung
• Unendliches Durchrutschen der Kupplung: Im Gegensatz zu manuellen Kupplungen, die durch längeres Durchrutschen beschädigt werden können, sind Drehmomentwandler so konstruiert, dass sie längere Durchrutschzeiten ohne nachteilige Folgen tolerieren. Diese Haltbarkeit ermöglicht eine effektive Kraftübertragung ohne übermäßigen Verschleiß.
• Kühleres Getriebe: Die Flüssigkeit, die die beweglichen Komponenten im Drehmomentwandler umhüllt, trägt dazu bei, eine Überhitzung des Getriebes zu minimieren. Dieses Konstruktionsmerkmal führt zu niedrigeren Getriebetemperaturen und verbessert so die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Getriebesystems.

Nachteile von Drehmomentwandlern

Drehmomentwandler bieten zwar mehrere Vorteile, bringen aber auch bestimmte Nachteile mit sich:

• Geringe Effizienz: Drehmomentwandler leiden naturgemäß unter Effizienzverlusten durch Flüssigkeitskupplung und Schlupf, was zu Energieverschwendung und einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt, insbesondere bei Beschleunigung und Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit.
• Wärmeerzeugung: Die Fluiddynamik in einem Drehmomentwandler kann erhebliche Wärme erzeugen, die zusätzliche Kühlmechanismen erfordert, was zu potenziellem Verschleiß und erhöhtem Wartungsaufwand führt.
• Begrenzte Leistungsoptimierung: Drehmomentwandler bieten möglicherweise nicht das gleiche Maß an Feinabstimmung der Leistungsabgabe wie einige andere Getriebetypen, was die Leistung bei Hochleistungs- oder Spezialanwendungen beeinträchtigen kann.
• Fehlende direkte Verbindung: Im Gegensatz zu manuellen oder Doppelkupplungsgetrieben bieten Drehmomentwandler keine direkte mechanische Verbindung zwischen Motor und Rädern, was möglicherweise zu einer Verzögerung der Kraftübertragung und Reaktionsfähigkeit führt.
• Komplexität: Drehmomentwandler bestehen aus komplexen Komponenten und Fluiddynamik, was ihre Herstellung, Wartung und Reparatur relativ komplex und potenziell kostspielig macht.
• Wartung des Getriebeöls: Drehmomentwandler benötigen für den ordnungsgemäßen Betrieb ein bestimmtes Getriebeöl, was regelmäßige Ölwechsel erforderlich macht und bei unsachgemäßer Wartung zu möglichen ölbedingten Problemen führen kann.
• Begrenzte Effizienz der Überbrückungskupplung: Moderne Drehmomentwandler verfügen zwar über Überbrückungskupplungen zur Verbesserung der Effizienz, es kann jedoch während der Überbrückung immer noch zu einem gewissen Restschlupf kommen, der die Gesamteffizienz beeinträchtigt.
• Anhängelast: In manchen Schwerlast-Abschleppsituationen können Drehmomentwandler aufgrund von inhärentem Schlupf und Strömungsdynamik Schwierigkeiten haben, die Last effizient zu bewältigen.
• Antriebsstrangstoß: Das Ein- und Auskuppeln des Drehmomentwandlers kann in manchen Fällen beim Gangwechsel oder Schalten zu einem spürbaren „Stoß“ oder einer Vibration führen.

Moderne Drehmomentwandler

• Die Lockup-Funktion

Traditionell haben Getriebe wie Powerglide, Turbo 350/400 und C4 an der herkömmlichen Konfiguration ohne Überbrückung festgehalten. In diesen Systemen ist der Wandler als Flüssigkeitskupplungsmechanismus konstruiert, der aus wesentlichen Komponenten wie Turbine, Pumpe und Stator besteht. Die ursprüngliche Einführung des Überbrückungsgetriebes zielte darauf ab, die Gesamteffizienz zu verbessern. In diesem Zusammenhang wird eine in den Drehmomentwandler eingebettete Kupplung durch Flüssigkeitsdruck aktiviert, ein Prozess, der sorgfältig von einem Magneten geregelt wird.

Bei älteren Getrieben mit Überbrückungsfunktion war deren Aktivierung normalerweise auf den vierten Gang beschränkt. Der Mechanismus bestand darin, den Wandler durch Einkuppeln an der Eingangswelle zu verriegeln, wodurch jeglicher Schlupf effektiv eliminiert wurde. Dieser Eingriff brachte greifbare Vorteile wie einen verbesserten Kraftstoffverbrauch und eine Reduzierung der Getriebetemperaturen.

Moderne Fortschritte haben die Landschaft jedoch neu definiert. Moderne Getriebemodelle weichen deutlich von diesen traditionellen Methoden ab. Die Implementierung der Überbrückungsfunktion wurde so weit entwickelt, dass die Kupplung bereits im zweiten Gang eingelegt wird. Anders als bei früheren Versionen werden die Kupplungen in diesen modernen Einheiten schrittweise aktiviert, was eine effiziente Kupplung des Wandlers ermöglicht. Wenn das Fahrzeug den dritten oder vierten Gang erreicht, ist der Überbrückungsmechanismus vollständig eingerückt. Diese komplizierte Progression macht den hydraulischen Aspekt des Wandlers in diesen späteren Betriebsphasen praktisch überflüssig.

• Lamellenkupplungen

Mehrscheibenkupplungen in Drehmomentwandlern haben Fragen hinsichtlich ihrer Haltbarkeit im Vergleich zu Kupplungen von manuellen Getrieben aufgeworfen. Nasskupplungen sind im Allgemeinen langlebiger und eine ordnungsgemäße Einstellung ist für ihre Langlebigkeit entscheidend. Eine fachmännische Einstellung kann die Lebensdauer der Kupplungen verlängern und an die Nutzung des Fahrzeugs anpassen. Übermäßiger Druck sollte jedoch vermieden werden, um vorzeitigen Verschleiß und Verformungen des Wandlers vorzubeugen. Eine Billet-Frontabdeckung verstärkt die Verriegelungsbereiche, um ein Verbiegen während der Leistungsanwendung zu verhindern.

Die Wahl zwischen Mehrfach- oder Einzelkupplungen in Wandlern wird durch das Motordrehmoment bestimmt. Die Kapazität einer Überbrückungskupplung hängt von Faktoren wie Reibungskoeffizient, Abmessungen der Überbrückungsfläche, Kolbenkraft und Kegelwinkel ab. Die Anzahl der Kupplungsflächen wirkt sich direkt auf die Drehmomentkapazität aus. Circle-D bietet Kupplungsoptionen mit einer, drei oder fünf Scheiben, sodass Benutzer die geeignete Konfiguration basierend auf ihren Fahranforderungen auswählen können. Diese Anpassungsfähigkeit gewährleistet eine optimale Wandlerleistung, die auf individuelle Fahranforderungen zugeschnitten ist.

• Der Stator

Der Stator, der sich im Kern des Drehmomentwandlers befindet, spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung von Effizienz und Abwürggeschwindigkeit. Sein Design wirkt sich direkt auf diese Eigenschaften aus. Seine Hauptfunktion besteht darin, Getriebeöl von der Turbine zurück zur Pumpe umzuleiten, was zu einer Vervielfachung des Drehmoments führt. Der technologische Fortschritt und fortschrittliche Fertigungsverfahren haben im Laufe der Zeit zu erheblichen Änderungen im Statordesign geführt.

Die Entwicklung der Statortechnologie ist deutlich erkennbar: Von Statoren der Originalausrüstung (OE) hin zur heutigen Verwendung von vollständig bearbeiteten Billet-Statoren, die mit 5-achsigen CNC-Maschinen hergestellt werden. Diese Transformation hat zu erheblichen Leistungssteigerungen geführt. Durch die Nutzung verschiedener OE-Optionen auf Plattformen wie 245 mm, 258 mm und 265 mm können gezielte Anpassungen vorgenommen werden, um außergewöhnliche Leistungsergebnisse zu erzielen. Dieses Fachwissen hat im Laufe der Jahre die Verfeinerung der Setups ermöglicht. Darüber hinaus war die Einbeziehung der numerischen Strömungsmechanik (CFD) in die Konstruktionsprozesse maßgeblich an den neuesten Fortschritten im Statordesign beteiligt.

• Modernes Drehmomentwandler-Design

Im Jahr 2018 unternahm Circle-D Specialties, ein etablierter Akteur in der Herstellung von Hochleistungs-Drehmomentwandlern, einen transformativen Schritt durch die Integration von Computational Fluid Dynamics (CFD)-Software. Diese Einführung markierte einen bedeutenden Wandel, der es dem Unternehmen ermöglichte, innovative Komponenten zu entwickeln und seinen Ansatz zu revolutionieren.

Die Einführung der CFD-Software erleichterte nicht nur die Entwicklung von Produkten für neue Getriebe, sondern ermöglichte Circle-D auch die Neubewertung älterer Einheiten auf der Suche nach Verbesserungsmöglichkeiten. Diese Technologie ermöglichte die Konstruktion von Statoren und Wandlern ohne physische Tests in Fahrzeugen, was ihr Potenzial unterstreicht.

Obwohl CFD-Software in der Branche nichts Neues ist, wird sie von großen Automobilherstellern wie General Motors und Ford schon immer genutzt. Bemerkenswert ist ihre zunehmende Akzeptanz bei Aftermarket-Unternehmen wie Circle-D, die sie für virtuelles Tuning nutzen. Dieser Ansatz rationalisiert den Entwicklungsprozess, senkt die Forschungs- und Entwicklungskosten und beschleunigt die Produkteinführung.

Durch den Einsatz der Software erhält Circle-D Einblicke in die Druckverteilung, die Strömungsdynamik während der Wandlerkupplung und die Drehmomentvervielfachung über eine Reihe von Getrieben, vom Zweigang- bis zum Zehnganggetriebe.

Während Circle-D zum Zeitpunkt dieses Artikels hauptsächlich für 10-Gang-Drehmomentwandler verwendet wurde, plant das Unternehmen nun, seine gesamte Wandlerpalette zu überarbeiten, um die Drehmomentvervielfachung durch softwaregesteuerte Verbesserungen zu optimieren. Das Potenzial der Software liegt in ihrer Fähigkeit, eine bessere Kontrolle über die Drehmomentvervielfachung zu bieten und so eine gezielte Kraftanwendung und numerische Echtzeitanalyse zu ermöglichen.

Diese Abkehr von traditionellen Versuch-und-Irrtum-Methoden hin zu simulationsbasierten Erkenntnissen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Branche dar und hat das Potenzial, bahnbrechend zu sein. Die Einbindung von CFD-Software dürfte Circle-D einen Wettbewerbsvorteil bei der Weiterentwicklung der Drehmomentwandlertechnologie verschaffen.

Abb. 7: CFD-Software

Quelle: Power Automedia

Drehmomentwandler in Hochleistungsfahrzeugen

Untersuchung der wesentlichen Rolle von Drehmomentwandlern in Hochleistungs-Automatikgetrieben und ihrer Auswirkungen auf Beschleunigung und Fahrspaß

Drehmomentwandler spielen im Bereich der Automatikgetriebe eine entscheidende Rolle, und ihre Bedeutung wird bei Hochleistungsfahrzeugen noch verstärkt. Auf der Suche nach überlegener Beschleunigung, Reaktionsfähigkeit und einem aufregenden Fahrerlebnis verlassen sich Hochleistungsautos auf fortschrittliche Drehmomentwandler, um die Motorleistung effektiv auf das Getriebe zu übertragen und sie letztendlich in Radbewegung umzusetzen.

Das Verständnis der komplexen Rolle von Drehmomentwandlern in Hochleistungsgetrieben ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der technologischen Grundlagen, die diesen Fahrzeugen das faszinierende Fahrgefühl ermöglichen.

• Nahtlose Kraftübertragung:

Die Kernfunktion eines Drehmomentwandlers besteht in seiner Fähigkeit, eine nahtlose Kraftübertragung vom Motor auf das Getriebe zu ermöglichen. Wenn der Motor Drehmoment erzeugt, löst er einen Flüssigkeitsfluss im Drehmomentwandler aus. Diese Flüssigkeitsbewegung dient als Kanal zur Übertragung der Drehkraft auf das Getriebe und ermöglicht die Bewegung des Fahrzeugs ohne ruckartige oder abrupte Übergänge. Bei Hochleistungsautos, bei denen eine unterbrechungsfreie Kraftübertragung von größter Bedeutung ist, spielen Drehmomentwandler eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung eines reibungslosen Fahrerlebnisses, insbesondere bei schneller Beschleunigung und Gangwechseln.

• Automatisierter Kupplungsbetrieb:

Ein entscheidender Vorteil von Drehmomentwandlern ist, dass sie die herkömmliche manuelle Kupplung in Automatikgetrieben überflüssig machen. Bei Hochleistungsfahrzeugen, bei denen sekundenschnelle Gangwechsel für optimale Leistung entscheidend sind, bieten Automatikgetriebe mit Drehmomentwandler schnelle und präzise Schaltvorgänge, ohne dass der Fahrer direkt eingreifen muss. Diese Eigenschaft erhöht nicht nur den Komfort, sondern ermöglicht es dem Fahrer auch, sich auf das Fahrerlebnis zu konzentrieren, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten oder anspruchsvollen Fahrbedingungen.

• Regelung des Stallverhältnisses:

Drehmomentwandler verfügen über ein Überdrehzahlverhältnis, das die maximale Drehmomentabgabe des Motors bei stehendem Fahrzeug bestimmt. Bei Hochleistungsanwendungen ist die Anpassung des Überdrehzahlverhältnisses entscheidend für die Optimierung der Starteigenschaften. Durch die Feinabstimmung dieses Verhältnisses wird sichergestellt, dass der Motor genau dann das maximale Drehmoment erreicht, wenn das Fahrzeug losfährt, was zu schneller Beschleunigung und überlegener Startleistung beiträgt.

• Einbau von Überbrückungskupplungen:

Moderne Hochleistungs-Drehmomentwandler sind häufig mit Überbrückungskupplungen ausgestattet. Diese Kupplungen greifen bei höheren Drehzahlen und stellen eine mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle des Motors und der Eingangswelle des Getriebes her, wodurch der Flüssigkeitskupplungseffekt effektiv gemildert wird. Bei Aktivierung der Überbrückungskupplung arbeitet der Drehmomentwandler wie eine direkte mechanische Verbindung zwischen Motor und Getriebe, wodurch Leistungsverluste verringert und die Gesamteffizienz erhöht werden. Dies erweist sich insbesondere bei dauerhaft hoher Geschwindigkeit als vorteilhaft, da dadurch Kraftstoff gespart und die Kraftübertragung auf die Räder optimiert wird.

• Temperaturregelung:

Unter den anspruchsvollen Fahrbedingungen, denen Hochleistungsfahrzeuge häufig ausgesetzt sind, spielen Drehmomentwandler eine wichtige Rolle bei der Temperaturregulierung im Getriebesystem. Die Zirkulation des Getriebeöls im Drehmomentwandler unterstützt die Motorkühlung und die Wärmeableitung vom Getriebe selbst. Dieser effiziente Kühlmechanismus spielt eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Überhitzung und der Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Leistung, insbesondere unter intensiven Fahrbedingungen wie Rennstreckenfahrten oder rasantem Fahren in anspruchsvollem Gelände. Durch die Aufrechterhaltung idealer Betriebstemperaturen tragen Drehmomentwandler zur Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Getriebes bei, verlängern seine Lebensdauer und sorgen für eine Spitzenleistung über längere Zeiträume.

• Anpassungsfähigkeit der Übersetzungsverhältnisse:

Drehmomentwandler bieten im Gegensatz zu manuellen Getrieben ein gewisses Maß an Anpassungsfähigkeit bei den Übersetzungsverhältnissen. Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht Hochleistungsfahrzeugen, in einem breiten Spektrum von Fahrbedingungen zu glänzen. Ob schnelle Beschleunigung aus dem Stand oder nahtloses Fahren bei hoher Geschwindigkeit, Drehmomentwandler ermöglichen dem Getriebe eine optimale Gangwahl, um das gewünschte Fahrergebnis zu erzielen.

• Verbesserung durch Launch Control:

Bestimmte Hochleistungsfahrzeuge nutzen das Potenzial von Drehmomentwandlern in Startkontrollsystemen. Die Startkontrolle optimiert die Beschleunigung aus dem Stand durch Regulierung der Motorleistung und des Radschlupfs. Durch die Steuerung der Drehmomentabgabe während des Starts sorgt der Drehmomentwandler für eine effiziente Traktionsaufnahme, was beeindruckende Beschleunigungswerte ermöglicht und die Startkonsistenz erhöht.

• Rolle bei Doppelkupplungsgetrieben und Hybridlösungen:

Drehmomentwandler werden üblicherweise mit herkömmlichen Automatikgetrieben in Verbindung gebracht, spielen aber auch bei Doppelkupplungsgetrieben (DCT) eine Rolle. In bestimmten DCT-Konfigurationen werden Drehmomentwandler integriert, um die Fahreigenschaften und den Komfort bei niedrigen Geschwindigkeiten zu verbessern. Dieser Hybridansatz vereint die Laufruhe und Benutzerfreundlichkeit von Drehmomentwandlern mit den schnellen Gangwechseln und der Effizienz von DCTs. Dadurch können Hochleistungsfahrzeuge mit DCTs die Vorteile beider Welten nutzen.

Moderne Autos mit Drehmomentwandler

• Im Jahr 2018 brachte Audi den RS5 Sportback 2019 auf den Markt, der mit einer herkömmlichen Achtgang-Automatik mit Drehmomentwandler anstelle eines Doppelkupplungsgetriebes ausgestattet war. Der Audi RS5 Sportback 2019 wird von einem 2,9-Liter-V6 mit zwei Turboladern angetrieben, der 444 PS und 443 Pfund-Fuß Drehmoment leistet. Sein Projektmanager Anthony Garvis erklärte, dass das Auto ein Grand Tourer sei und herkömmliche Getriebe genauso schnell seien wie Doppelkupplungsgetriebe, während das ruckelige Verhalten bei niedriger Geschwindigkeit wegfiele.
• Im Jahr 2021 brachte BMW den M3 Competition auf den Markt, der mit einem Achtgang-Automatikgetriebe mit Drehmomentwandler anstelle eines Doppelkupplungsgetriebes (DCT) ausgestattet war und über ein elektronisch gesteuertes Sperrdifferenzial angetrieben wurde. Dies löste die Debatte aus, ob Drehmomentwandler in den Hochleistungsautos wieder zum Einsatz kommen.

Der neue M3 wird in Großbritannien mit dem ZF 8HP-Wandlerautomaten angeboten, der nun in der dritten Generation vorliegt und seit seiner Einführung im Jahr 2009 stetig weiterentwickelt wurde. Wenn man alle internen mechanischen Unterschiede beiseite lässt, liegt der Hauptunterschied zwischen diesem (oder jedem Wandlergetriebe) und einem DCT oder manuellen Getriebe darin, dass das Drehmoment vom Motor über eine Flüssigkeitskupplung, den Drehmomentwandler, auf die Zahnräder übertragen wird und nicht über eine oder mehrere Kupplungen.

Auch der Mercedes-AMG C63 S, der Porsche 911 Carrera S und der Jaguar F-Type R verfügen bereits über ein Wandlergetriebe. Dies zeigt, dass viele der Nachteile und Probleme des Drehmomentwandlers gelöst wurden und die Akzeptanz in Zukunft weiter steigen wird.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wiederauferstehung des Drehmomentwandlers im Bereich der Hochleistungsautos einen bemerkenswerten Paradigmenwechsel in der Automobilindustrie markiert. Dieses Whitepaper befasst sich mit den vielfältigen Gründen für die Wiederauferstehung dieser scheinbar archaischen Technologie und beleuchtet die feinen Vorteile, die sie im Zusammenhang mit modernen Hochleistungsfahrzeugen bietet. Die Fähigkeit des Drehmomentwandlers, ein beispielloses Gleichgewicht zwischen Leistungsabgabe, Laufruhe und Effizienz herzustellen, hat die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Enthusiasten gleichermaßen erregt.

Da die Leistungsanforderungen immer höher werden, hat der Drehmomentwandler seine Anpassungsfähigkeit durch die nahtlose Integration in Hybrid- und Elektroantriebe unter Beweis gestellt und damit seine Bedeutung in der sich ständig verändernden Automobillandschaft weiter gefestigt. Seine Wiederbelebung ist nicht nur eine Hommage an die Tradition, sondern auch ein Beweis für den Innovationsgeist, der die Branche vorantreibt.

Die Renaissance des Drehmomentwandlers unterstreicht die Tatsache, dass Innovation nicht immer die Aufgabe bewährter Technologien erfordert. Vielmehr zeigt sie, wie sinnvoll es ist, bestehende Lösungen neu zu überdenken und zu verfeinern, um den aktuellen Herausforderungen gerecht zu werden. Das Zusammentreffen modernster Technik und der zeitlosen Prinzipien der Drehmomentumwandlung hat den Weg für eine neue Ära aufregender, effizienter und anspruchsvoller Hochleistungsfahrzeuge geebnet.

Während Automobilhersteller weiterhin mit innovativen Getriebedesigns experimentieren, dient die Wiederbelebung des Drehmomentwandlers als Erinnerung daran, dass die Vergangenheit wertvolle Erkenntnisse für die Zukunft liefern kann. Sein Comeback im Performance-Segment ist ein triumphales Beispiel dafür, wie sich Geschichte und Fortschritt miteinander verbinden und ein Fahrerlebnis schaffen können, das sowohl Tradition als auch Innovation umfasst. Letztendlich ist die Rückkehr des Drehmomentwandlers eine überzeugende Fallstudie darüber, wie alte Technologien, wenn sie mit modernem Einfallsreichtum neu belebt werden, eine herausragende Nische im Streben nach automobiler Exzellenz erobern können.