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0. Was dieser Artikel erklärt

  • Warum ein Rad nicht einfach mit einem Motor gekoppelt werden kann und warum ein Übersetzungsverhältnis erforderlich ist.

  • Die mechanischen Elemente, Wirkungsgrade, Wärmeentwicklung und Steuerungsunterschiede zwischen Schaltgetrieben (MT), Drehmomentwandler-Automatikgetrieben (AT), stufenlosen Getrieben (CVT) und Doppelkupplungsgetrieben (DCT).

  • Beispiele wie das ZF 8HP, Toyotas planetarisches THS-Leistungsverteilergetriebe und DCTs sowie der Grund, warum Elektrofahrzeuge häufig auf ein Untersetzungsgetriebe setzen.

1. Kurz gesagt: Was ist ein Getriebe?

Ein Getriebe wandelt Drehzahl und Drehmoment der Antriebsmaschine so um, dass sie zur Fahrzeuggeschwindigkeit, Steigung und Last passen. Das Untersetzungsverhältnis i wird hier als Eingangsdrehmoment geteilt durch Ausgangsdrehmoment definiert. Für Eingangsdrehmoment T_i, Ausgangsdrehmoment T_o, Eingangsdrehzahl \omega_i und Ausgangsdrehzahl \omega_o gilt:

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

Die mittlere Beziehung ist der verlustfreie Idealfall. Die rechte Seite der Gleichung berücksichtigt Zahnrad-, Lager- und Ölverluste im Wirkungsgrad \eta_g. Ein größeres Untersetzungsverhältnis i erhöht das Drehmoment an den Rädern, verringert aber deren Drehzahl.

2. Warum ein Übersetzungsverhältnis notwendig ist

Ein Verbrennungsmotor ist nur in einem begrenzten Drehzahlbereich effizient und drehmomentstark und kann die Rotation bei Stillstand nicht aufrechterhalten. Die Räder müssen von Stillstand auf Autobahngeschwindigkeit beschleunigen, daher wird beim Anfahren ein großes und beim Fahren ein kleineres Untersetzungsverhältnis verwendet. Elektromotoren bieten ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und einen breiten Konstantleistungsbereich, sodass sie auf mehrere Gänge verzichten können. Schwere Fahrzeuge, hohe Geschwindigkeiten und Anhängerbetrieb können jedoch zwei oder mehr Übersetzungsverhältnisse rechtfertigen.

Eine Kupplung gleicht Drehzahlunterschiede aus und trennt die Kraftquelle; ein Differenzial ermöglicht Drehzahlunterschiede zwischen den linken und rechten Rädern. Der Wirkungsgrad des Getriebes umfasst daher Schaltunterbrechungen, Verluste der Hydraulikpumpe, Kühlung und Steuerungssoftware – und nicht nur die Verluste im Zahneingriff.

3. Grundlegende Architektur

Diagram 1 · Use the button to switch views
Transmission power flowPrime mover torque passes through clutch and gears to differential and wheels Prime moverengine / motorClutchstart / disconnectGearsetratio + shiftDifferential / wheelsleft-right speedratio selection trades wheel torque for wheel speed

Abbildung 1 — Das Übersetzungsverhältnis wird gewählt, die Kupplung gleicht die Drehzahldifferenz aus und das Differential verteilt das Drehmoment auf die Räder.

4. Schaltgetriebe: Die direkteste Schaltung

Ein Schaltgetriebe (MT) erfordert vom Fahrer, die Kupplung zu trennen, die Wellendrehzahl zu synchronisieren und einen Gang einzulegen. Konstant im Eingriff befindliche Zahnräder sind üblich: Auch ungenutzte Zahnräder drehen sich. Synchronringe und Klauenkupplungen verbinden das gewählte Getriebe. Die Konstruktion ist mechanisch transparent und benötigt nur wenig Hydraulik, Anfahren, Berganfahren und Schaltvorgänge hängen jedoch vom Fahrer ab.

5. Automatikgetriebe: Drehmomentwandler und Planetengetriebe

Ein konventionelles Mehrgang-Automatikgetriebe kombiniert einen hydraulischen Drehmomentwandler, Planetengetriebe, hydraulische Kupplungen und ein elektronisches Steuergerät. Die Drehzahldifferenz von Pumpe, Turbine und Stator kann das Anfahrdrehmoment vervielfachen; eine Überbrückungskupplung reduziert den Schlupf im Fahrbetrieb. Ein Planetengetriebe ändert das Übersetzungsverhältnis, indem es auswählt, welches seiner Sonnenrad-, Planetenradträger- und Ringräder gehalten, angetrieben oder abgeleitet wird.

ZF veröffentlicht eine 8HP-Konstruktion, die vier Getriebesätze mit fünf Schaltelementen auswählt und verdeutlicht, dass mehr Übersetzungen nicht einfach mehr Gänge bedeuten. Aktuelle 8HP-Varianten sind modular für Verbrenner-, Mild-Hybrid- und Plug-in-Hybridfahrzeuge ausgelegt.

6. CVT: Stufenloses Übersetzungsverhältnis

Ein Riemen-CVT variiert die effektiven Radien zweier Riemenscheiben mittels Hydraulikdruck. Sein Übersetzungsverhältnis ist

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

Bei Schlupffreiheit gilt: ωinAntrieb = ωoutAbgetrieben. Ein Antriebsradius von 50 mm und ein Abtriebsradius von 100 mm ergeben i = 2, die Ausgangsdrehzahl beträgt also die Hälfte der Eingangsdrehzahl.

Ein Motor kann damit nahe an einer effizienten Drehzahl gehalten werden, jedoch verbrauchen Riemenklemmkraft, Riemenscheibenreibung und die Hydraulikpumpe Energie. Ein Anlaufdrehmomentwandler oder ein Planetengetriebe können hinzugefügt werden, und ein hybrides Leistungsverteilungssystem kann einen elektrischen Pfad führen; zwei Systeme, die als „CVT“ bezeichnet werden, können daher sehr unterschiedliche Leistungsflüsse aufweisen.

7. DCT: Zwei abwechselnd schaltende Kupplungen

Ein Doppelkupplungsgetriebe ordnet ungerade und gerade Gänge separaten Kupplungen zu und wählt den nächsten Gang vor. Beim Schaltvorgang wird eine Kupplung geöffnet, während die andere geschlossen wird, wodurch Unterbrechungen minimiert werden. Eine Trockenkupplung hat geringe Ölverluste, ist aber Anlaufwärme und Verschleiß ausgesetzt; eine Nasskupplung kühlt besser, benötigt jedoch Pumpenleistung.

8. Vergleich der Ansätze

Typ Mechanisches Prinzip Wirkungsgrad Schwierige Bedingungen
MT Feste Gänge und eine Kupplung Hohe Übersetzung, geringe Kontrollverluste Verkehr, Anfahren, Fahrervariation
Mehrgang-Automatikgetriebe Drehmomentwandler, Planetengetriebe, Hydraulik Hohe Übersetzung mit Überbrückungskupplung Hydraulik-/Kühlverluste, Masse, Schaltverzögerung
CVT Variable Riemenscheiben Hält den Antriebsmotor im optimalen Betriebspunkt Hohes Drehmoment, Riemenklemmung, Wärme
DCT Ungerade/gerade Gänge und zwei Kupplungen Hohe mechanische Kupplung Wärmeentwicklung der Kupplung bei niedrigen Drehzahlen und komplexe Steuerung
EV-Untersetzung Üblicherweise feste Untersetzung und Differenzial Wenige verlustbedingte Übersetzungsverhältnisse Hohe Geschwindigkeit, Masse, Motordrehzahlbegrenzung

9. Steuerung und praktische Entscheidungen

Die Schaltsteuerung erfasst Fahrzeuggeschwindigkeit, Gaspedalstellung, Motordrehzahl, Steigung, Öltemperatur und Querbeschleunigung. Vereinfachte Kostenberechnung:

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

Eine alleinige Kraftstoffoptimierung kann häufige Schaltvorgänge oder Vibrationen bei niedrigen Drehzahlen verursachen. Elektrifizierte Systeme berücksichtigen zusätzlich die Motordrehzahl Grenzwerte, Batterieladestand (SOC), regeneratives Drehmoment und Wechselrichtertemperatur.

  • Fahrgefühl und Wartungsfreundlichkeit: Schaltgetriebe (MT), wobei Kupplungsverschleiß und Fahreraufwand in Kauf genommen werden.

  • Hohes Fahrzeuggewicht, Anhängelast und Komfort: Mehrgang-Automatikgetriebe (AT), wobei Wandler, Hydraulik und Kühlung als System betrachtet werden.

  • Konstante Wirtschaftlichkeit: Stufenloses Getriebe (CVT), nach Prüfung des maximalen Eingangsdrehmoments und der thermischen Belastbarkeit.

  • Schnelle Schaltvorgänge und sportliches Ansprechverhalten: Doppelkupplungsgetriebe (DCT), nach Prüfung der Kupplungstemperatur im Stadtverkehr.

  • Elektrofahrzeug für Pkw: Feste Untersetzung als Basis; hohe Geschwindigkeiten und Anhängerbetrieb können mehrere Übersetzungen rechtfertigen.

10. Dreizeilige Zusammenfassung

Ein Getriebe passt den engen effizienten Drehzahlbereich eines Antriebsmotors an den breiten Drehzahlbereich eines Rades an. Schaltgetriebe (MT), Automatikgetriebe (AT), Stufenloses Getriebe (CVT) und Doppelkupplungsgetriebe (DCT) wägen Zahnrad-, Hydraulik-, Riemen- und Doppelkupplungsverhalten gegen Effizienz, Wärmeentwicklung und Steuerungskomplexität ab. Elektrofahrzeuge können auf eine feste Untersetzung vereinfacht werden, die Anzahl der Übersetzungen sollte jedoch unter Berücksichtigung der Systemeffizienz, einschließlich hoher Geschwindigkeiten, gewählt werden. Abschleppen und Rekuperation.

Überprüfen Sie Ihr Verständnis
Was bewirkt eine Verdopplung des Untersetzungsverhältnisses?

Im Idealfall halbiert sich die Ausgangsdrehzahl und das Drehmoment verdoppelt sich. Es wird keine zusätzliche Leistung erzeugt; auch in realen Getrieben treten Verluste auf.

Referenzen

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