Drehmomentwandler
Englisch: torque converter
Vorrichtung, die die Rotationsleistung einer Antriebsmaschine in Arbeit umsetzt, indem sie eine rotationslast antreibt. Ein Drehmomentwandler funktioniert als Kupplung und Untersetzungsgetriebe, normalerweise in einem Automatgetriebe, um eine lockere Verbindung zwischen Antrieb und Abtrieb zu ermöglichen, sodass der Antrieb mit anderen Drehzahlen als die Last laufen kann.
Drehmomentwandler: Fluidkupplung, die Kraft vervielfacht und schlüpft
Ein Drehmomentwandler ist eine verschlossene Kammer, gefüllt mit Automatikgetriebeöl (ATF), das Rotationskraft von einem Motor auf eine Last überträgt, typischerweise die Räder eines Fahrzeugs über ein Automatikgetriebe. Im Gegensatz zu einer mechanischen Kupplung nutzt er Fluidbewegung statt Reibung zum Ein- und Ausrücken und kann das Drehmoment an der Abtriebswelle vervielfachen, wenn sich Ein- und Ausgangsdrehzahlen erheblich unterscheiden. So kann ein Motor mit etwa 2000 U/min die stillstehende Getriebeeingangsöffnung von null U/min beschleunigen, ohne dass der Motor abwürgt.
Der Wandler enthält drei hauptsächlich rotierende Elemente: das Laufrad (vom Motor angetrieben), die Turbine (treibt die Getriebeeingangsöffnung an) und das Leitrad (ein Freilaufrad, das den Ölstrom umleitet). ATF wird durch das rotierende Laufrad nach außen beschleunigt und trifft auf die Turbinenschaufeln, wodurch Impuls übertragen wird. Das Öl tritt dann ins Leitrad ein, das es bei niedriger Turbinendrehzahl unter einem wirkungsvolleren Winkel zum Laufrad zurückleitet. Diese Umleitung erzeugt den Drehmomentvervielfachungseffekt. Wenn die Turbinendrehzahl steigt und sich der Laufraddrehzahl nähert, entsperrt sich die Leitradfeder und der Wandler verliert Vervielfachungswirkung, gewinnt aber insgesamt an Effizienz.
Das Verhältnis des Ausgangsdrehmoments zum Eingangsdrehmoment wird Anfahrtsquotient oder Drehmomentvervielfachungsfaktor genannt. Die meisten Kfz-Drehmomentwandler haben Anfahrtsquotienten zwischen 1,8 und 2,5, was bedeutet, dass ein Eingangsdrehmoment von 200 ft-lb an der Turbinenwelle zwischen 360 und 500 ft-lb werden kann, wenn die Turbine blockiert oder nahe an der Stillstandsgrenze ist. Schwerlast-Drehmomentwandler für Bergbau- oder Schiffsausrüstung können je nach Lastprofil unterschiedliche Anfahrtsquotienten haben. Mit synchronisierenden Wandlerdrehzahlen sinkt die Vervielfachung; bei voller Kupplung (wenn Laufrad und Turbine mit nahezu gleicher Geschwindigkeit drehen), nähert sich das Drehmomentverhältnis 1:1 und die Effizienz derjenigen einer starren mechanischen Welle.
Häufige Ausfälle und Betriebsgrenzen
ATF-Alterung ist der hauptsächliche Verschleißmechanismus. Wärmeeintrag, Wasserkontamination und Scherbelastung der Viskositätsverbesserer des Öls reduzieren Schmierung und Kühlung und verursachen Turbinenschaufel-Erosion, Laufrad-Kavitation und Lagerfehler. Überhitzung über 200°C beschleunigt den Ölverfall. Metallpartikel aus Lagerverschleiß kontaminieren das Öl weiter und erzeugen eine Fehler-Spirale. Anfahrtstests (Turbine blockiert, während das Laufrad dreht) werden zur Diagnose verwendet; normale Anfahrtsdrehzahl bei Pkw liegt typischerweise zwischen 1600 und 2200 U/min, und Abweichungen deuten auf innere Beschädigungen hin. Hohe Anfahrtsdrehzahlen zeigen oft Schlupf an, niedrige Drehzahlen deuten auf Wandler-Blockierung oder Verstopfung.
Bei Automatikgetrieben wurde der Drehmomentwandler vielfach durch Freilaufkupplungen ergänzt oder ersetzt, die Laufrad und Turbine bei Autobahngeschwindigkeiten mechanisch koppeln, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Moderne Wandler können innere Dämpferfedern haben, um Antriebsstöße zu reduzieren und die Lebenserwartung der Getriebekupplungen zu verlängern. Schwerlast- und Schiffsanwendungen verlassen sich weiterhin auf größere Wandler ohne Freilaufkupplungen, da diese Anwendungen sanfte Beschleunigung und Lastaufnahme höher bewerten als Kraftstoffeffizienz.