Fahrzeuggetriebe

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 erklärte Ziel dieses Buchs ist es, den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darzustellen. Dazu gehört das Verständnis für das Gesamtsystem Verkehr und Fahrzeug, in dem das Getriebe eingesetzt wird. Abschn. 2.1 nennt wesentliche Definitionen und Zahlen für den Personen- und Güterverkehr. In Abschn. 2.2 werden Konventionen, Definitionen und physikalische Grundlagen der Fahrzeug- und Getriebetechnik erläutert. Dazu gehört auch eine an der Getriebeentwicklung orientierte Klassifizierung der Fahrzeuge. Die Haupt- und Nebenfunktionen von Fahrzeuggetrieben werden dargestellt sowie Einflussgrößen wie Straßenprofile, typische Fahrzeugeinsätze oder Fahrertypen. Ferner werden Grundzusammenhänge von Drehrichtung, Übersetzung und Drehmoment eingeführt. Durch Regressionsanalysen der Eckdaten ausgeführter Seriengetriebe lassen sich Kennwerte festlegen, mit deren Hilfe in kurzer Zeit und ohne komplexe Berechnungen Vorstellungen über wesentliche Parameter der künftigen Konstruktion gewonnen werden können. Dies wird in Abschn. 2.3 gezeigt.

Das Fahrzeuggetriebe ist Mittler zwischen Motor und Antriebsrädern. Durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung passt das Getriebe das Leistungsangebot dem Leistungsbedarf an. Der Leistungsbedarf wird durch die Fahrwiderstände bestimmt. In Abschn. 3.1 wird deren Berechnung gezeigt. Die Fahrwiderstände müssen vom Antriebsaggregat in Zusammenarbeit mit den übrigen Komponenten des Antriebsstrangs überwunden werden. Hierfür kann der Antrieb eines Fahrzeugs aus einer Vielzahl von Kombinationen aus energiespeichernden, energie- und kennungswandelnden Komponenten zusammengesetzt werden (Abschn. 3.2). Antriebe in Kraftfahrzeugen sind: Verbrennungsmotoren, Elektromotoren und Hybridantriebe. Das eingesetzte Antriebsaggregat bestimmt den nachfolgenden Antriebsstrang in seinen Baugruppen und deren Auslegung entscheidend. Daher werden die charakteristischen Kennwerte und Kennlinien von Verbrennungsmotoren (Abschn. 3.3) und von Elektromotoren (Abschn. 3.4.) vorgestellt und erörtert.

Bei der Ausarbeitung des Getriebekonzepts ist es notwendig, die maximale und minimale Übersetzung, d.h. die Spreizung des Getriebes, festzulegen. Danach folgt die Auswahl der Zwischengänge. Die Kap. 4 und 5 behandeln die Ermittlung dieser wichtigen Eckdaten von Getrieben. Sie sind die Basis für die Berechnung, Grob- und Feingestaltung von Bauteilen. Nach einigen einführenden Definitionen werden in Abschn. 4.2 und 4.3 die Kriterien und die Vorgehensweise für die Wahl der Gangübersetzungen von Getrieben für Verbrennungsmotoren gezeigt. Die Größen der Gangübersetzungen werden durch physi-kalische, nicht zuletzt aber durch praktisch sinnvolle Grenzen bestimmt und sind vom Einsatzzweck abhängig. Auf Übersetzungen und ihre Änderung bei Stufenlosgetrieben geht Abschn. 4.4 ein. Die Bestimmung der Übersetzungen für Elektroantriebe zeigt Abschn. 4.5.

In Kap. 3 wurden der Leistungsbedarf und das Leistungsangebot behandelt und in Kap. 4 die Grundlagen für die Wahl der Übersetzungen erarbeitet. In diesem Kapitel geht es nun um die Abstimmung des Getriebes auf Motor und Fahrzeug. Dabei handelt es sich um Problemstellungen der Fahrzeuglängsdynamik. Die wesentlichen Optimierungskriterien sind: die Fahrleistungen, der Kraftstoffverbrauch, die Emissionen und der Fahrkomfort. Ausgangspunkt vieler Betrachtungen ist das Zugkraftdiagramm. Abschn. 5.1 zeigt die Ermittlung des Zugkraftdiagramms und die daraus ableitbaren Erkenntnisse für verschiedene Motor-Getriebekombinationen sowie für einen Elektroantrieb. Die Getriebeauslegung ist auf die Fahrleistungen, d.h. Beschleunigungs- und Steigvermögen in den einzelnen Gangstufen sowie die erreichbare Höchstgeschwindigkeit zu überprüfen (Abschn. 5.2). Die Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs durch Rechnung und Messung wird in Abschn. 5.3 gezeigt. Dazu werden die Messzyklen vorgestellt und auf die Bestimmung des Kraftstoff- bzw. Energieverbrauchs von verbrennungsmotorisch, elektromotorisch und hybridisch angetriebenen Fahrzeugen (Pkw und Nkw) eingegangen. Ein weiteres Optimierungskriterium ist der Komfort und hier das dynamische Verhalten. Der Antriebsstrang ist ein schwingungsfähiges System, daher muss dem Schwingungs- und in erster Linie dem Geräuschverhalten des Antriebsstrangs Rechnung getragen werden. In Abschn. 5.4 wird hierzu in Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und solche mit Elektroantrieb unterschieden.

Bevor auf die Auslegung und Gestaltung wichtiger Komponenten von Fahrzeuggetrieben eingegangen wird, sollen zunächst konstruktive Grundkonzepte von Getrieben vorgestellt und systematisch behandelt werden. Das Kapitel legt damit die Basis zum Verständnis der ausgeführten Seriengetriebe, die in Kapitel 11 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ erörtert werden. Es startet mit Erläuterungen zu Anordnungsmöglichkeiten der Getriebe in Pkw- und Nkw-Antriebssträngen sowie dem grundsätzlichen Aufbau von Getrieben. In Abschn. 6.5 werden dann systematisch die Getriebekonzepte für Pkw anhand von Räderschemata entwickelt. Dies geschieht für quer und längs eingebaute Getriebe, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) sowie für verschiedene Konzepte von Hybridantrieben und reinen E-Antrieben. Die Darstellung der Getriebekonzepte für Nkw in Abschn. 6.6 erfolgt analog, obgleich Nkw-Getriebe sich bei den Konzepten in vielerlei Hinsicht von Pkw-Getrieben unterscheiden. Auf diese Besonderheiten, wie beispielsweise deren Aufbau als Gruppengetriebe, wird eingegangen. Behandelt werden Konzepte für Nkw-MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybrid- und E-Antriebe. Konzepte für Endantriebe (Achsgetriebe, Differentialgetriebe, Verteilergetriebe) von Pkw und Nkw werden in Abschn. 6.7 systematisch dargestellt. Für Nkw von hoher Bedeutung sind ferner Nebenabtriebe (Abschn. 6.8) und Dauerbremsen, sogenannte „Retarder“ (Abschn. 6.9).

In den Kapiteln 3 bis 5 wurde gezeigt, wie die Eckdaten des Getriebes durch die Wahl der Übersetzungen bestimmt werden. In den nun folgenden Kapiteln 7 bis 10 wird die Auslegung und Gestaltung wichtiger Bauteile behandelt. Der weitaus größte Anteil der Fahrzeuggetriebe sind Zahnradgetriebe mit gerad- bzw. vorwiegend schrägverzahnten Zylinderrädern. Das Kap. 7 versucht das Grundsätzliche der Berechnungsmethodik sowie die Berechnungsabläufe bei Zahnrädern darzustellen. Ausgangspunkt der Auslegungsrechnung sind die Leistungsgrenzen. Abschn. 7.1 nennt diese und gibt die zugehörenden Berechnungsformeln und Kennwerte an. Dem Leser wird ein Werkzeug bereitgestellt, um „von Hand“ überschlägig auslegen zu können. So werden die überschlägige Berechnung des Achsabstands (Abschn. 7.2) und der Zahnbreiten (Abschn. 7.3) gezeigt. Laufgeräusche unter Last stehender Zahnräder sind ein wichtiges Entwicklungsthema. Getriebegeräusche stören nicht nur aufgrund ihres Pegels, sondern infolge ihres besonderen Charakters. Zudem treten Getriebegeräusche bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen in den Vordergrund, wenn bei rein elektrischer Fahrt die Geräusche des Verbrennungsmotors entfallen. Der Abschn. 7.4 widmet sich der Entwicklung geräuscharmer Getriebe. Er beschäftigt sich nicht nur mit Verzahnungsgeräuschen, sondern betrachtet die Aufgabe gesamthaft, gibt die gültigen Normen und Grenzwerte an und benennt aktive und passive Maßnahmen zur Minderung von Getriebegeräuschen.

Bei Fahrzeuggetrieben sind Einrichtungen notwendig, die es ermöglichen, die Übersetzung dem aktuellen Fahrzustand anzupassen. Bei Handschaltgetrieben wird der Gangwechsel vom Fahrer veranlasst und ausgeführt. Abhängig vom Grad der Automatisierung übernimmt bei allen anderen Getrieben die Elektronik und Aktorik diese Aufgabe teilweise oder komplett. Aus welchen Elementen eine Schalteinrichtung aufgebaut ist, hängt wesentlich davon ab, wie geschaltet wird: mit Zugkraftunterbrechung oder ohne. Bestandteile und Aufgaben der Äußeren Schaltung sowie der im Getriebe angeordneten Inneren Schaltelemente werden in Abschn. 8.1 erläutert. Die darauffolgenden Abschnitte gehen dann in die Tiefe der Funktion, Auslegung und Gestaltung wichtiger Schaltelemente. So werden Klauenkupplungen in Abschn. 8.2 detailliert behandelt. Schaltklauen kommen in Pkw- und Nkw-Getrieben, Verteilergetrieben sowie Rennsportgetrieben zum Einsatz. Synchronisierungen sind bei Handschaltgetrieben und Automatisierten Getrieben eine bestimmende Baugruppe sowie in Doppelkupplungsgetrieben. Die Funktionsweise, Auslegung und Gestaltung von Synchronisierungen wird in Abschn. 8.3 gezeigt. Den Lamellenkupplungen, als wesentliche Funktionsträger beim Schalten ohne Zugkraftunterbrechung, ist Abschn. 8.4 gewidmet. Die Parksperre ist eine Baugruppe zur Wegrollverhinderung bei Fahrzeugen ohne mechanische Kopplung zwischen Motor und Abtrieb. Mit Parksperren beschäftigt sich Abschn. 8.5.

Der Verbrennungsmotor weist eine Mindestdrehzahl (Leerlaufdrehzahl) auf. Zum Anfahren aus dem Fahrzeugstillstand muss die Drehzahllücke zwischen der niedrigsten Motorbetriebsdrehzahl und der stillstehenden Getriebeeingangswelle durch einen Drehzahlwandler geschlossen werden. Neben dem Anfahrvorgang ist die Schwingungsentkopplung eine zweite wichtige Funktion der Anfahrelemente. In Abschn. 9.1 wird der Aufbau von Trockenkupplungen, deren wesentlichen Komponenten sowie Grundzüge ihrer Auslegung mit den dazugehörenden Kennwerten behandelt. Nasslaufende Anfahrkupplungen (Abschn. 9.2) weisen gegenüber Trockenkupplungen einen technisch höheren Aufwand durch die benötigte Ölversorgung auf. Nasslaufende Anfahrkupplungen sind in der Regel in Lamellenbauweise ausgeführt (siehe Abschn. 8.4 „Lamellenkupplungen“ und Abschn. 10.4 „Ölversorgung“). Doppelkupplungen (Abschn. 9.3) sind zwei unabhängig voneinander betätigte Kupplungen, die jeweils eines von zwei autarken Teilgetrieben eines Doppelkupplungsgetriebes bedienen und sowohl trocken als auch nasslaufend ausgeführt werden. Der hydrodynamische Drehmomentwandler ist das Standard-Anfahrelement bei konventionellen Automatgetrieben. Er ist nicht nur ein Drehzahlwandler (Kupplung), sondern ein Drehzahl-/Drehmomentwandler (Getriebe). In Abschn. 9.4 wird die Theorie, praktische Auslegung mit Kennwerten sowie die konstruktive Umsetzung der hydrodynamischen Drehmomentwandler vorgestellt.

In den Kapiteln 7, 8 und 9 wurden bereits detailliert auf die Auslegung und Gestaltung von Zahnrädern, Schaltelementen und Anfahrelementen eingegangen. In diesem Kapitel wird nun die Theorie, Berechnung und Gestaltung der Wellen, Lager, Schmierung, Ölversorgung, Ölpumpen, Gehäuse und Abdichtungen von Fahrzeuggetrieben behandelt. Es werden dabei die spezifischen Anforderungen in Fahrzeuggetrieben herausgestellt, Berechnungsgänge und Kennwerte für die Auslegung gezeigt und Gestaltungshinweise gegeben. Die Gestaltung und Berechnung der Getriebewellen (Abschn. 10.1) ist bedeutsam, da Wellendurchmesser bestimmend für die Größe eines Getriebes sind. Das Maschinenelement Lager (Abschn. 10.2) wird erst durch das abstützende Gehäuse (Abschn. 10.5) und die zu lagernde Welle zu einer Lagerung. Neben Wälzlagern werden Hinweise zu Lagerbuchsen und Anlaufscheiben gegeben. Das Konstruktionselement Öl (Abschn. 10.3) hat vielfältige Aufgaben. Es überträgt hydrodynamisch Leistung im Drehmomentwandler oder Retarder, es beeinflusst die Reibwertverläufe der Lamellenkupplungen, es führt die Wärme ab und schmiert Zahneingriffe und Lager. Es liefert Informationen und Druckenergie zur Betätigung von Ventilen und Schaltelementen. Diese vielfältigen Aufgaben spiegeln sich in der Ölversorgung (Abschn. 10.4) wider. Berechnungsformeln und Kennwerte für die Elemente der Ölversorgung insbesondere für Ölpumpen werden behandelt. An Fahrzeuggetrieben finden sich viele unterschiedliche Abdichtstellen. Beispiele sind: Welleneingang und -ausgang, Gehäusetrennfugen, Schaltwellenausgang und innere Drehdurchführungen. Abschn. 10.6 zeigt wie Getriebe zuverlässig und dauerhaft abgedichtet werden.

In diesem Kapitel werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt, ihr konstruktiver Aufbau besprochen, Funktionen erläutert und interessante Lösungen beschrieben. Die in den vorderen Kapiteln behandelte Theorie zu Getriebekonzepten sowie zur Auslegung und Gestaltung von Komponenten und Teilsystemen soll nun hier anhand ausgeführter Serienkonstruktionen griffig werden. Es ist nicht das Ziel, die neuesten und allerletzten Entwicklungen zu zeigen, vielmehr soll das Grundlegende und Allgemeingültige herausgearbeitet werden. Abschn. 11.1 beschäftigt sich mit 32 verschiedenen Pkw-Getrieben. Es werden quer und längs eingebaute Getriebe unterschiedlicher Ausführungen und Hersteller vorgestellt, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) und verschiedene Konfigurationen von Hybridantrieben sowie reinen E-Antrieben. Abschn. 11.2 geht dann auf 22 verschiedene Nkw-Getriebe ein und zeigt die ganze Bandbreite von MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybridantriebe und reine E-Antriebe. Zur leichteren Orientierung ist zu Beginn des Pkw- und Nkw-Teils eine Übersichtstabelle mit den vorgestellten Getrieben abgebildet. In Abschn. 11.3 werden ausgeführte Achsgetriebe von Pkw und Nkw vorgestellt sowie verschiedene Differentialgetriebe und Sperrdifferentiale. Im Abschn. 11.4 werden schließlich ausgewählte Teile des Allradantriebs gezeigt. Bezüglich der Grundkonzepte auf denen die ausgeführten Konstruktionen dieses Kapitels basieren sei auf die Getriebeschemata in Kap. 6 verwiesen.

Viele Innovationen im Bereich der Getriebe- und Antriebstechnik sind maßgeblich durch die Integration von Mechanik, Elektronik und Software sowie die Vernetzung von Steuergeräten bestimmt (Abschn. 12.1). Das Kapitel spannt den Bogen vom Aufbau von elektrohydraulischen Steuereinheiten, über das Zusammenspiel der Mechanik-, Hydraulik-/Pneumatik-, Elektronik- und Software-Komponenten, bis hin zur Vernetzung des Getriebesteuergeräts im Gesamtfahrzeug. Der Aufbau und die Funktionsweise der elektronischen Getriebesteuerung (TCU) als Hardware mit ihren Bestandteilen und den Schnittstellen werden beschrieben (Abschn. 12.2). Die gängigsten Sensoren eines Getriebes werden erläutert (Abschn. 12.4). Grundelemente der Funktions- und Softwareentwicklung sowie der Getriebeabstimmung (Calibration) werden vorgestellt (Abschn. 12.5). Fragestellungen zu Entwicklungsstandards wie „Automotive Spice“ und „Functional Safety“ werden behandelt (Abschn. 12.6). Neben dem Getriebesteuergerät werden bei Fahrantrieben mit Elektromotoren zusätzlich leistungsstarke Treiber für die Ansteuerung der elektrischen Maschinen benötigt. Daher wird ein Einblick in das Thema Leistungselektronik gegeben und Unterschiede der Bordnetzstrukturen von konventionellen gegenüber elektrifizierten Fahrzeugen aufgezeigt (Abschn. 12.7).

Ziel einer betriebsfesten Auslegung von Fahrzeuggetrieben ist das Produkt entsprechend den zu erwartenden Belastungen für eine beabsichtigte Nutzungsdauer zuverlässig zu bemessen und dabei die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. Dies erfordert eine möglichst hohe festigkeitsmäßige Ausnutzung des Werkstoffs, verbunden mit niederen Herstell- und Betriebskosten. So groß wie nötig, so leicht und günstig wie möglich! Das Kapitel 13 zeigt die elementaren Zusammenhänge und Methoden der Schadensberechnung und Lebensdauerabschätzung. Wöhlerlinien zeigen die aus Lebensdauerversuchen gewonnene Belastbarkeit von Bauteilen (Abschn. 13.1). Für die betriebsfeste Auslegung der Antriebsstrangkomponenten werden repräsentative Lastkollektive benötigt. Die Ermittlung der Belastung, die als Kraft oder Drehmoment an einem Bauteil in einer oder mehreren Richtungen angreift sowie die verwendeten Zählverfahren werden in Abschn. 13.2 gezeigt. Abschn. 13.3 beschäftigt sich mit der Berechnung der Schädigung und zeigt eine Lebensdauerabschätzung an einem einfachen Beispiel.

Das Kapitel stellt den Produktentstehungsprozess (PEP) für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit dar. Der PEP reicht von der Strategischen Produktplanung (Abschn. 14.1), über die Produktentwicklung und die Fertigungsplanung bis zum Start of Production (SOP). Getriebe sind komplexe mechatronische Systeme. Es ist eine Herausforderung, ein klares Verständnis für die Anforderungen zu schaffen und die funktionalen Sachverhalte zu durchdringen. Die Entwicklung muss übergreifend über die Fachdisziplinen Mechanik, Elektronik und Softwaretechnik erfolgen (Abschn. 14.2). Als Vorgehensmodell hat sich das V-Modell etabliert. Zum Erreichen der Entwicklungsziele und zur Kontrolle des Projektfortschritts wird der gesamte PEP in überschaubare Etappen unterteilt: die Freigabestufen (Abschn. 14.3). Zur Beherrschung der Zuverlässigkeit bedarf es eines ganzheitlichen Prozesses. Vorgehen und Werkzeuge des Zuverlässigkeitsmanagements werden in Abschn. 14.4. vorgestellt. Simulation und Versuch sind gleichwertige Methoden zur Problemlösung. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn beide Methoden kombiniert werden. Das bedeutet numerische Simulation (Abschn. 14.5) und praxisnahe Versuche auf Komponenten- und Systemebene (Abschn. 14.6) gehören zusammen.

Das Produkt Getriebe muss neben der Erfüllung der Funktionen vor allem wirtschaftlich herstellbar sein und die geforderte Qualität erreichen. Die frühe und enge Zusammenarbeit von Produktentwicklung und Fertigungsplanung ist ein adäquates Mittel produktionsfreundliche Produktdesigns mit technisch und wirtschaftlich optimierten Produktionsprozessen zu erzielen. Wichtiger als Methoden sind das integrative Denken und Handeln der Beteiligten beim Wechselspiel zwischen Produktplanung, Produktentwicklung und Produktionsentwicklung. Im ersten Teil des Kapitels werden einige wichtige Prozessketten mechanischer Bauteile der industriellen Getriebeproduktion vorgestellt (Abschn. 15.1). Weitere Schwerpunkte im Kapitel sind organisatorische und methodische Aspekte der Fertigung wie Fertigungsplanung und Produktionssystem (Abschn. 15.2) sowie die wichtige statistische Prozesslenkung zur Qualitätssicherung (Abschn. 15.3).