Fahrzeuggetriebe: eine Geschichte der Kraftübertragung

Kein Kraftfahrzeug ohne Getriebe! Fahrzeuggetriebe für Pkw und Nkw sind komplexe mechatronische Serienprodukte. Aufgabe eines Fahrzeuggetriebes ist es, durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung das Zugkraftangebot des Antriebsaggregats fahrzeug-, strecken-, fahrer- und umweltgerecht an den Antriebsrädern bereitzustellen. Das Getriebe bestimmt entscheidend Zuverlässigkeit, Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch, Emissionen, Bedienungsfreundlichkeit, Verkehrssicherheit sowie Fahr- und Transportleistung von Pkw und Nkw. Dieses Buch will den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen. Es will Gedankengänge vermitteln, die über die reine Auslegung der Bauteile hinausgehen. Aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen! Entwicklungsingenieure sollten einen Überblick über die historische Entwicklung ihrer Produkte haben. Sie können dann abschätzen, welche Entwicklungsschritte noch möglich sind, bzw. welche Technologiehöhe die gegenwärtige Produktentwicklung aufweist. Neben einer allgemeinen Einführung zeigt dieses Kapitel die Geschichte der Fahrzeuggetriebe und gibt einen Überblick über deren Basisinnovationen und Entwicklungsschritte.

Das Drehmoment-Drehzahl-Verhalten des Verbrennungsmotors deckt sich nicht mit dem der anzutreibenden Straßen- und Schienen-Fahrzeuge, weshalb es besonderer Vorrichtungen, sprich Getriebe (»Kennungswandler«), bedarf, will man den Motor für den Antrieb dieser Fahrzeuge verwenden. Deshalb musste der Maybach-Motorenbau, als er mit der Fertigung der Kfz-Otto- und der Dieselmotoren für die Schienentraktion begann, gleichzeitig auch die dazugehörenden Getriebe entwickeln.Die Maybach’sche Vorstellung von einem »erstklassigen Benzin-Fahrzeugmotor« implizierte natürlich auch eine entsprechende Kraftübertragung, damit Motor und Fahrzeug optimal zusammenarbeiten konnten.

In diesem Kapitel werden die etablierten Getriebekonzepte aus dem Pkw-Bereich vorgestellt und erklärt. Dazu gehören die manuellen Schaltgetriebe (MT – Manual Transmission), die automatisierten manuellen Getriebe (AMT – Automated Manual Transmission), die Doppelkupplungsgetriebe (DCT – Dual Clutch Transmission), die Automatikgetriebe (AT – Automatic Transmission), die Stufenlosgetriebe (CVT – Continuously Variable Transmission) und die dedizierten Hybridgetriebe (DHT – Dedicated Hybrid Transmission).

In diesem Kapitel stehen Konstruktionen von Pkw-Getrieben im Fokus, die in Groß- oder Kleinserien verbaut werden. Getriebeanwendungen außerhalb des Pkw-Bereichs werden in Kap. 8 vorgestellt. Die im Folgenden betrachteten Getriebeanwendungen in Pkw können in Stufen- und Stufenlosgetriebekonzepte unterteilt werden. Stufengetriebekonzepte stellen Getriebevarianten dar, welche eine endliche Anzahl von Gängen besitzen. Ihnen ist die Verwendung von Zahnrädern zur Leistungsübertragung sowie Schaltelementen zur Realisierung der prinzipbedingt notwendigen Übersetzungswechsel gemein.

Mit dem stärkeren Aufkommen der vollelektrischen Fahrzeuge büßt das Getriebe an Stellenwert im Antriebsstrang ein. Doch bei Hybrid-Pkw wird es wieder wichtig, wobei die Entwicklung des Dedicated Hybrid Transmission, kurz DHT genannt, komplex und teuer sein kann. Im ATZ-Interview verdeutlicht Dr. Axel Waldhelm von Horiba, warum das Getriebe nicht überflüssig wird, wie Prüf- und Simulationstechnologien von SiL bis XiL helfen, Kosten und Entwicklungszeit im Zaum zu halten, und was er jungen Studenten empfiehlt.

Mit der Elektrifizierung der Antriebe steigt die Verfügbarkeit von elektrischer Energie im Pkw. Gleichzeitig müssen alle Antriebskomponenten möglichst effizient arbeiten - auch das Getriebe. Vitesco Technologies hat eine kompakte elektrische Getriebeölpumpe entwickelt und in die Serienfertigung gebracht. Sie ermöglicht eine Effizienzsteigerung des Automatikgetriebes oder CVT und damit eine größere Kraftstoff-Reichweite des Pkws oder Nutzfahrzeugs.

IAV hat das Verschleißmessverfahren auf Basis der Radionuklidtechnik, dessen bisheriger Haupteinsatzbereich in der Verbrennungsmotorentwicklung lag, für Untersuchungen an Getrieben angepasst und optimiert. Das ermöglicht die simultane und präzise Verschleißanalyse an mehreren Getriebebauteilen unter weitestgehend realen Betriebsbedingungen. Das Messverfahren stellt damit eine ideale Ergänzung der bisherigen Getriebeentwicklungsmethoden dar, die unter den Randbedingungen der E-Mobilität vor neue Herausforderungen gestellt werden.