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2025 | Buch

Getriebekonzepte für Fahrzeuge

Übertragungskonzepte für Fahrzeugantriebe – heute und zukünftig

verfasst von: Werner Klement

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Auf Grundlage von Konzeptfahrzeugen werden die spezifischen Anforderungen an Getriebe je nach Antriebskonzept erarbeitet und die technischen Möglichkeiten aufgezeigt. Dabei werden zunächst grundlegende Aspekte wie der Leistungsfluss abgeleitet und anhand praktischer Beispiele verdeutlicht. Es werden Lösungen sowohl für Verbrennungsmotoren in PKW als auch für LKW beschrieben. Im Bereich der Ackerschlepper spielen stufenlose Getriebekonzepte eine bedeutende Rolle. Bei alternativen Fahrzeugantrieben werden die Möglichkeiten von Hybridlösungen sowie die Notwendigkeit einer geeigneten Übersetzung für elektrische Antriebe behandelt. Der Fokus liegt dabei stets auf der Fahrzeuganwendung und den daraus resultierenden Anforderungen an die Übertragungskomponenten bei gegebener Energiequelle. Getriebe sind keine eigenständigen Produkte, sondern fungieren als „Übersetzer“, die passgenau die Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugs erfüllen müssen. Oft ergibt sich daraus eine ganzheitliche Lösung, die in Bezug auf Performance und Wirkungsgrad Standardanwendungen überlegen ist. Zahlreiche Beispiele verdeutlichen diese Symbiose und die damit einhergehende Verbesserung der Gesamtsysteme.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Anforderungen an Fahrzeugantriebe
Zusammenfassung
Um ein Fahrzeug zu betreiben, müssen verschiedene Widerstände überwunden werden. Diese Widerstände werden erklärt und es wird gezeigt, wie man sie berechnen kann. Die Dynamik spielt bei Fahrzeugen die entscheidende Rolle, da sich bedingt durch die Geschwindigkeitsänderungen und auch Fahrbahneigenschaften die Widerstände ständig ändern Ein wichtiges Thema sind die Limitierungen des Fahrzeugs, wie zum Beispiel die maximal mögliche Beschleunigung und Steigfähigkeit. Ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor benötigt für einen sinnvollen Betrieb unbedingt ein Getriebe. Die Anforderungen an Fahrzeuggetriebe bezüglich Anfahren und Übersetzungsbereiche werden beschrieben und dargestellt. Elektromotoren benötigen nur eine feste Übersetzung sowie kein Anfahrelement und sind daher besser als Antriebsaggregate geeinigt. 
Werner Klement
Kapitel 2. Zahnrad- und Planetenradgetriebe
Zusammenfassung
Zahnräder, häufig auch als Getriebe bezeichnet, sind grundlegende Komponenten in mechanischen Übertragungssystemen. Viele dieser Systeme basieren auf der Veränderung von Drehmoment und Drehzahl mithilfe von Zahnrädern. Der Übertragungsweg der Kraft vom Antrieb, wie etwa einem Motor, zum Abtrieb, wie den Rädern eines Fahrzeugs, ist entscheidend für die Effizienz und Funktionalität des Systems. Um dies besser zu verstehen, ist es wichtig, die Richtungen von Drehmoment und Drehzahl sowie die Leistungsflussrichtung zu betrachten. Ein besonders interessanter Typ von Getrieben sind Planetengetriebe. Diese finden in zahlreichen Anwendungen im Fahrzeug Verwendung, darunter Differenziale, Automatikgetriebe und Getriebe mit Leistungsverzweigungen. In diesen Anwendungen ist das Verständnis des Leistungsflusses von besonderer Bedeutung.
Eine verbreitete Methode zur Bestimmung der Drehzahlen in Planetengetrieben ist der Kutzbachplan. Dieser stellt eine systematische Herangehensweise dar, um die Verhältnisse der Drehzahlen in den verschiedenen Teilen des Getriebes zu berechnen. Für die Berechnung der Drehmomente wird ein modifiziertes Wolfsches Schema verwendet. Dieses Schema ermöglicht eine einfache und effektive Analyse der Drehmomentverhältnisse innerhalb des Getriebes.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Analyse von Planetengetrieben ist die Berechnung ihres Wirkungsgrades. Dies umfasst die Berücksichtigung der Wälz- und Kupplungsleistung, die in einem einfachen Verfahren erklärt wird. Schließlich werden die verschiedenen Varianten von Planetengetrieben beschrieben, wobei ihre spezifischen Einsatzmöglichkeiten und Vorteile aufgezeigt werden.
Werner Klement
Kapitel 3. Fahrzeuggetriebe mit Gangstufen
Zusammenfassung
Der Unterschied in den Funktionen von Schaltgetrieben, automatisierten Schaltgetrieben und Automatgetrieben wird umgangssprachlich oft nicht ausreichend beachtet. Dabei gibt es in Bezug auf die Fahrphysik klare und eindeutige Kriterien, die diese Getriebetypen voneinander unterscheiden. Schaltgetriebe zeichnen sich durch ihren Aufbau mit schaltbaren Gängen aus, wobei die Schaltung immer über eine externe Betätigung erfolgt.
Wandlerautomatgetriebe hingegen beschreiben eine spezielle Art von Automatgetrieben, die sich durch ein hydrodynamisches Anfahrelement und die Verwendung von Planetenradsätzen auszeichnen. Diese Planetenradsätze werden mittels Lamellenkupplungen und Lamellenbremsen gekoppelt, um unterschiedliche Übersetzungen zu erzeugen. Aufgrund dieses Schaltmechanismus sind Schaltungen ohne Unterbrechung der Zugkraft möglich, was eine wesentliche Unterscheidung zwischen den Getriebebauarten darstellt. Die Eigenschaften eines Trilok-Wandlers sind besonders für das Anfahren ideal. Das Fahren mit einer hydrodynamischen Kupplung bietet eine gute Lösung in Bezug auf Wirkungsgrad und Bauaufwand. Die Weiterentwicklung in Form der geregelten Wandlerüberbrückungskupplung wird beschrieben. Eine weitere Variante von Automatgetrieben ist das Doppelkupplungsgetriebe, dessen Vor- und Nachteile ebenfalls Gegenstand dieses Kapitels sind.
Die TurboRetarderKupplung ist ein spezielles Anfahrelement für schwere Nutzfahrzeuge insbesondere für Baufahrzeuge und Schwertransporte. Dieses neu entwickelte Element arbeitet weltweit einzigartig mit einer Füllungsregelung um das Moment perfekt zu dosieren. Damit wird ein optimales Rangierverhalten unter Last erzielt. Das auch unter dem Namen VIAB® bekannte hydrodynamische Element wird ausführlich beschrieben und seine Funktionsweise dargestellt.
Werner Klement
Kapitel 4. Stufenlose Fahrzeuggetriebe
Zusammenfassung
Die für ein Fahrzeug idealen Getriebe sind stufenlose Getriebe, da sie bei konstanter Drehzahl der Antriebsmaschine alle gewünschten Geschwindigkeiten ermöglichen und somit störende Schaltungen vermeiden. Dies führt zu einem optimalen Fahrkomfort. Mechanisch stufenlose Getriebe haben jedoch physikalisch bedingte Einschränkungen. Hydrostatische Getriebe, insbesondere in landwirtschaftlichen Zugmaschinen, sind mittlerweile zum Benchmark geworden. Die Konzepte hydrostatisch leistungsverzweigter Getriebe, wie das „VARIO“ der Firma Fendt und das „ECCOM“ der Firma ZF, werden ausführlich besprochen. Anhand vieler Beispiele werden die Vor- und Nachteile der beiden Konzepte aufgezeigt. Aufgrund ihres spezifischen Einsatzgebietes finden diese Konzepte im Fahrzeugbau weniger Beachtung und werden daher oft zu Unrecht nicht beschrieben.
Die wichtigste Bauform für PKW sind elektrisch stufenlose Getriebe. Im Gegensatz zu reinen E-Fahrzeugen benötigen elektrische Getriebe immer mindestens zwei Elektromaschinen, wobei eine als Generator und die andere als Elektromotor arbeitet. Der Antrieb als Elektromotor erfolgt dabei genauso wie bei einem E-Fahrzeug. Elektrische Getriebe gibt es auch in leistungsverzweigter Bauart, wie beispielsweise das Toyota Hybrid System, welches in seiner Grundform ein leistungsverzweigtes elektrisches Getriebe darstellt.
Werner Klement
Kapitel 5. Hybridanwendungen
Zusammenfassung
Hybridkonzepte sind eine faszinierende Übergangslösung auf dem Weg vom Verbrennungsmotor zum reinen Elektroantrieb. Sie bieten nicht nur funktionelle Vorteile wie das Boosten und die Rekuperation, sondern ermöglichen auch die rein elektrische Fahrt und damit eine Lastpunktverschiebung, die eine deutliche Verbesserung gegenüber konventionellen Lösungen darstellt. Die technischen Ausführungen haben einen großen Einfluss auf das Einsparpotential und den CO2-Ausstoß eines Fahrzeugs. Gleichzeitig bestimmen sie den Bauaufwand und das Ausmaß der erforderlichen Änderungen im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeug.
Besondere Aufmerksamkeit verdient das Toyota Hybrid System (THS), das weltweit als Synonym für Hybridtechnologie gilt. Dieses System beeindruckt durch seinen Fahrkomfort und seine geringen Verbrauchswerte, obwohl seine technischen Details oft wenig verstanden werden. Anhand exemplarischer Berechnungen werden die Funktionen des THS ausführlich erläutert, wobei die Tools des Leistungsflusses genutzt werden, um die Rollen der Elektromaschinen – ob generatorisch oder als leistungsabgebender Motor – klar zu definieren. Abschließend wird das Two-Mode Getriebe als weiteres Beispiel vorgestellt, wobei der große Einfluss dieses Konzepts auf die Funktionalität eines Hybridfahrzeugs aufgezeigt wird.
Diese Einblicke verdeutlichen, wie Hybridkonzepte nicht nur eine Brücke zur Zukunft des reinen Elektroantriebs schlagen, sondern auch bedeutende Verbesserungen in Effizienz und Emissionsreduktion bieten.
Werner Klement
Backmatter
Metadaten
Titel
Getriebekonzepte für Fahrzeuge
verfasst von
Werner Klement
Copyright-Jahr
2025
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-68845-8
Print ISBN
978-3-662-68844-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-68845-8