Fahrzeuggetriebe: Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion

Von Harald Naunheimer, Bernd Bertsche, Joachim Ryborz und 3 weiteren

Das Buch gilt als internationales Standardwerk der Getriebeentwicklung. Für Ingenieure der Getriebe- und Antriebstechnik werden alle Kenntnisse vollständig, praxisnah und fundiert bereitgestellt: Grundlagen, Entwicklungsabläufe, die komplette Systematik der Getriebe sowie die Auslegung und Gestaltung wichtiger Bauteile. Beispiele ausgeführter Konstruktionen, Zuverlässigkeit, Lebensdauer, notwendige Elektronik und Informationsvernetzung vertiefen den Inhalt. Das Buch ist daher als Nachschlagewerk für Ingenieure und Studenten sehr gut geeignet.

Behandelt werden für Pkw und Nkw: Handschaltgetriebe, Automatisierte Schaltgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe, konventionelle Automatgetriebe, Stufenlosgetriebe sowie Hybrid- und Elektroantriebe. Zudem wird auf Endantriebe, Nebenabtriebe und Verteilergetriebe eingegangen.

Seit der 2. Auflage hat sich im Bereich der Elektrifizierung des Antriebsstranges Grundlegendes verändert. Es sind neue Architekturen und Getriebekonzepte erwachsen. Mit steigender Bedeutung der Software geht der Trend hin zu einer übergreifenden System- und Funktionssicht sowie einem ganzheitlichen Entwicklungsprozess. In der 3. Auflage werden Hybrid- und Elektroantriebe konsistent in die bestehende Logik des Buchs eingebunden. Ebenfalls eine komplette Überarbeitung hat das Kapitel Elektronik und Software sowie der Entwicklungsprozess erfahren. Obwohl etwa 50 % des Inhalts neu ist oder mit neuen Daten überarbeitet wurde, geht es nicht darum, die allerletzten Entwicklungen und Feinheiten vorzustellen. Vielmehr soll das Allgemeine und Grundlegende vermittelt werden.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer Vieweg
• Erscheinungsdatum: 6. Aug. 2019
• ISBN: 9783662588833

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2019

Harald Naunheimer, Bernd Bertsche, Joachim Ryborz, Wolfgang Novak und Peter FietkauFahrzeuggetriebehttps://doi.org/10.1007/978-3-662-58883-3_1

1. Einführung

Harald Naunheimer¹ , Bernd Bertsche², Joachim Ryborz³, Wolfgang Novak⁴ und Peter Fietkau⁵

(1)

Friedrichshafen, Deutschland

(2)

Stuttgart, Deutschland

(3)

Markdorf, Deutschland

(4)

Schwaikheim, Deutschland

(5)

Stuttgart, Deutschland

Kein Fahrzeug ohne Getriebe!

1.1 Einleitung

Land‑, Wasser‑ und Luftfahrzeuge brauchen Getriebe, um Drehmomente und Drehzahlen zu wandeln. Entsprechend sind die Getriebe nach ihrem Einsatzgebiet und nach ihrem Verwendungszweck – z. B. Schaltgetriebe, Lenkgetriebe, Nebenabtriebe – zu unterscheiden. Dieses Buch behandelt ausschließlich Getriebe für Straßenfahrzeuge bzw. für Fahrzeuge im kombinierten On‑ und Off‐Road‐Einsatz, Abb. 1.1, fett umrandet.

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Abb. 1.1

Definition des Begriffs „Fahrzeuggetriebe (FZG)" im Sinne dieses Buchs

Abb. 1.2 gibt einen Überblick über gebräuchliche Getriebekonzepte sowie deren systematische Einteilung. Doppelkupplungsgetriebe werden hier aufgrund ihrer Nähe bezüglich Steuerung und Funktionalität den Stufen‐Automatgetrieben zugeordnet. Bei den Hybridantrieben wird zwischen den „Add‐On‐Lösungen und den DHT (Dedicated Hybrid Transmissions ) unterschieden, wobei die DHT Getriebesysteme sind, welche ohne Elektromotor nicht funktionieren, vgl. Abschn. 3.​2.​2. Die Getriebe für elektrische Antriebe werden gesondert in Abb. 1.3 betrachtet. Weitere Einzelheiten zu den Getriebekonzepten werden in Kap. 6 „Systematik der Fahrzeuggetriebe aufgeführt.

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Abb. 1.2

Systematische Einteilung der Schaltgetriebe in Fahrzeugen

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Abb. 1.3

Systematische Einteilung der Getriebe für elektrische Antriebe

Aufgabe eines Fahrzeugschaltgetriebes ist es, das Zugkraftangebot des Antriebsaggregats fahrzeug‑, strecken‑, fahrer‑ und umweltgerecht umzusetzen. Wesentliche Randbedingungen sind dabei die technische und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit. Das Getriebe bestimmt entscheidend Zuverlässigkeit, Kraftstoffverbrauch, Bedienungsfreundlichkeit, Verkehrssicherheit sowie Fahr‑ und Transportleistung von Pkw und Nkw.

Fahrzeuggetriebe sind Serienprodukte hoher technischer und technologischer Reife. Sie sind den hoch entwickelten Technologien, Abb. 1.4, zuzurechnen.

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Abb. 1.4

Erreichbare Steigerung des Gebrauchsnutzens eines Produkts durch zusätzlichen Entwicklungsaufwand

Basisinnovationen sind bei Fahrzeuggetrieben nicht mehr zu erwarten. Vielmehr ist eine allmähliche Evolution gegeben. Sie ist geprägt vom Systemdenken Umwelt ⇔ Verkehr ⇔ Fahrzeug ⇔ Motor/Getriebe und vom Einsatz der Elektronik für Steuer‑, Regel‑ und Überwachungsvorgänge. Daraus ergeben sich die übergeordneten Entwicklungsziele für Fahrzeuggetriebe, Abb. 1.5.

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Abb. 1.5

Übergeordnete Entwicklungsziele bei Fahrzeuggetrieben

Fahrzeuggetriebe müssen mit hoher Zuverlässigkeit und ausreichender Lebensdauer ausgelegt werden. Dabei sind umweltverträgliche und humane Lösungen unverzichtbar. Die Erfüllung von Auflagen des Gesetzgebers sowie die Berücksichtigung von technischen und technologischen Weiterentwicklungen ist ebenfalls selbstverständlich. Zudem müssen Fahrzeuggetriebe schnell und marktorientiert entwickelt werden. Auf Kundenwünsche ist insbesondere bei Nkw flexibel zu reagieren.

Das Hauptziel bei der Entwicklung eines Fahrzeuggetriebes ist aber ein möglichst ideales Umsetzen des Zugkraftangebots des Antriebsaggregats in die Zugkraft des Fahrzeugs und dies in einem weiten Geschwindigkeitsbereich. Dies muss so erfolgen, dass ein guter Kompromiss zwischen Anzahl der Gänge, Steig‑ und Beschleunigungsfähigkeit sowie dem Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs entsteht. Aber auch emotionale Aspekte, wie Fahrspaß, sind zu berücksichtigen.

Trends gehen hierbei in Richtung Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Der Anteil von Elektro‑ und Hybridfahrzeugen wird in den nächsten Jahren stark ansteigen, wie auch das automatisierte Fahren.

Die Entwicklung der Fahrzeuggetriebe muss sich immer in den Planungshorizont für neue Fahrzeuge einordnen, Abb. 1.6. Parallel zur Entwicklungsphase eines Fahrzeugs müssen auch die zugehörigen Getriebe neu‑ oder weiterentwickelt werden. Dabei gilt es, auch neue Fertigungstechnologien für die Serienfertigung vorzubereiten und einzuführen. Nach Ende der Produktionsphase ist die Ersatzteilverfügbarkeit sicherzustellen. Dabei sind die Lebenszyklen der Zukauf‐Bauteile, und hier nicht zuletzt der Halbleiterkomponenten, zu beachten.

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Abb. 1.6

Zeitdimensionen und Planungshorizonte im Automobilbau, angelehnt an [1]

Dieses Buch will den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen, Abb. 1.7. Es will Gedankengänge vermitteln, die über die reine Auslegung der Bauteile von Fahrzeuggetrieben hinausgehen. Unabhängig vom Produkt ist es immer erforderlich, das Gesamtsystem festzustellen, in dem es später eingesetzt wird. Ein Systemüberblick ist unerlässlich, er wird im Kap. 2 behandelt.

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Abb. 1.7

Struktur der Aufgaben bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben, Kapitelübersicht

Fahrzeuggetriebe werden entscheidend vom Fahrzeug, vom Motor und vom Streckenprofil geprägt. Ohne Grundkenntnisse darüber ist eine sinnvolle Entwicklung unmöglich.

In Kap. 3 werden der Leistungsbedarf und das Leistungsangebot behandelt. Dazu werden die charakteristischen Kennwerte und Kennlinien von Verbrennungsmotoren und von Elektromotoren vorgestellt und erörtert. Kap. 4 erarbeitet die Grundlagen für die Wahl der Übersetzungen, inklusive der Übersetzungen für Elektroantriebe. In Kap. 5 geht es um die Abstimmung des Getriebes auf den Antriebsmotor und das Fahrzeug. Bevor auf die Auslegung und Gestaltung wichtiger Komponenten von Fahrzeuggetrieben eingegangen wird, werden in Kap. 6 deren konstruktiven Grundkonzepte vorgestellt und systematisch behandelt. In den Kap. 7, 8, 9 und 10 werden dann die Auslegung und Gestaltung wichtiger Bauteile beschrieben. Dies sind Anfahrelemente, Schaltelemente und Zahnräder sowie Wellen, Lager, Schmierung, Ölversorgung, Gehäuse und Abdichtungen. Es werden dabei die spezifischen Anforderungen für Fahrzeuggetriebe herausgestellt, Berechnungsgänge und Kennwerte für die Auslegung gezeigt und Gestaltungshinweise gegeben. In Kap. 11 werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt, ihr konstruktiver Aufbau besprochen, Funktionen erläutert und interessante Lösungen beschrieben. Viele Innovationen im Bereich der Getriebe‑ und Antriebstechnik sind maßgeblich durch die Integration von Mechanik, Elektronik und Software sowie die Vernetzung von Steuergeräten bestimmt. Das Kap. 12 spannt den Bogen vom Aufbau von elektrohydraulischen Steuereinheiten, über das Zusammenspiel der Mechanik‑, Hydraulik‑/Pneumatik‑, Elektronik‑ und Software‐Komponente, bis hin zur Vernetzung des Getriebesteuergeräts im Gesamtfahrzeug. Ein Einblick in das Thema Leistungselektronik wird gegeben und Unterschiede der Bordnetzstrukturen von konventionellen gegenüber elektrifizierten Fahrzeugen werden aufgezeigt. Kap. 13 zeigt die elementaren Zusammenhänge und Methoden der Schadensberechnung und Lebensdauerabschätzung. So groß wie nötig, so leicht und günstig wie möglich!

Methoden und Werkzeuge für die Entwicklung von Fahrzeuggetrieben werden im hinteren Teil des Buchs behandelt. So stellt Kap. 14 den Produktentstehungsprozess dar, von der Strategischen Produktplanung, über die Produktentwicklung bis zum Produktionsstart. Berechnung und Simulation als wesentliche Elemente der Produktentwicklung und der Eigenschaftsabsicherung werden hier erörtert. Qualität ist ein maßgeblicher Wettbewerbsfaktor. Dabei interessiert den Endkunden vor allem die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Gesamtsystems. Methoden zur Planung und Sicherstellung der Qualität sowie dazugehörige Erprobungsprogramme und Prüfstände werden vorgestellt.

Die Fertigungstechnologie hat einen großen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit und Qualität des Getriebes. Eine frühe und enge Zusammenarbeit von Produktentwicklung und Fertigungsplanung ist ein adäquates Mittel, produktionsfreundliche Produktdesigns mit technisch und wirtschaftlich optimierten Produktionsprozessen zu erzielen. Kap. 15 gibt einen Einblick in das weite Feld von Prozessketten in der Fertigung und in die Prozesslenkung.

Ein besonderes Anliegen des Buchs ist es, dem Benutzer Vorgehensweisen zu zeigen und möglichst umfangreiche Daten für die praktische Entwicklungsarbeit bei Fahrzeuggetrieben zur Verfügung zu stellen. Nach Dudeck gilt: „Aufgabe der Ingenieurswissenschaft ist es unter anderem, komplizierte Modelle zur Einfachheit hin zu entwickeln." Dazu soll das vorliegende Buch einen Beitrag leisten.

1.2 Geschichte der Fahrzeuggetriebe

Die Kenntnis von der Vergangenheit und vom Zustand der Erde gereicht dem Menschengeist zur Zierde und Nahrung. (Leonardo da Vinci)

Aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen! Entwicklungsingenieure und Konstrukteure sollten einen Überblick über die historische Entwicklung ihrer Produkte haben. Sie können dann abschätzen, welche Entwicklungsschritte überhaupt noch möglich sind, bzw. welche Technologiehöhe die gegenwärtige Produktentwicklung aufweist. Es wird hier auf die umfassende Literatur [1–18] verwiesen.

1.2.1 Basisinnovationen

Basisinnovationen sind Entdeckungen, Erfindungen und Neuentwicklungen, ohne die das gegenwärtige Produkt nicht hätte entwickelt werden können. Basisinnovationen befruchten nachgeschaltete Entdeckungen, Erfindungen, Neuentwicklungen und Konstruktionen, die zu dem neuen Produkt zielgerecht hinführen, Abb. 1.8.

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Abb. 1.8

Produktentwicklungen bauen auf Basisinnovationen auf

Tab. 1.1

Beispiele von Basisinnovationen für Fahrzeuge und Fahrzeuggetriebe

Im Verlaufe solcher Entwicklungen gilt es, bestimmte Phänomene aufzuklären und zu erforschen, um eine betriebssichere Funktion des Produkts sicherzustellen. Tab. 1.1 ist ein Versuch, die maschinenbauorientierten Basisinnovationen, die zum Straßenfahrzeug und damit zum Fahrzeuggetriebe geführt haben, nachzuzeichnen.

1.2.2 Entwicklung von Fahrzeugen und Antriebsaggregaten

Der Gedanke, die Kraftmaschine mit einem Getriebe zur Anpassung von Drehzahl und Drehmoment an die Leistungsanforderung auszurüsten, ist 100 Jahre älter als unser Automobil mit seinem offiziellen Geburtsjahr 1886. Ein anderes Problem in den Anfangsjahren der Kraftmaschine war es, die hin‑ und hergehende Kolbenbewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. Eine Lösung zeigt Abb. 1.9. Die historische Entwicklung der Getriebe ist daher eng mit der Entwicklung aller Kraftmaschinen verbunden, siehe Tab. 1.2.

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Abb. 1.9

Wandlung der hin‑ und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung. Zweizylindertriebwerk mit gegenläufigen Kolben im Dampfwagen von Cugnot (1725 bis 1804)

Tab. 1.2

Zeittafel der Entwicklung von Fahrzeugen und Antriebsaggregaten

1.2.3 Entwicklungsschritte bei Fahrzeuggetrieben

Getriebe wurden sicherlich schon vor mehr als 1000 Jahren zur Steigerung menschlicher und tierischer Arbeitskraft eingesetzt. Ähnlich den Göpelwerken, die heute noch zur Wasserversorgung in Ägypten eingesetzt werden, wurde der Formschluss der beiden kämmenden Partner durch Holzstifte oder Zähne hergestellt, Abb. 1.10.

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Abb. 1.10

Ein frühes Getriebe! Ägyptisches Wasserschöpfwerk (Sakie) in Luxor, ca. 2000 bis 1000 v. Chr.

Die ersten Getriebezeichnungen stammen aus dem Mittelalter. Fehlende Motorkraft wurde durch Muskelkraft ersetzt. Die menschlichen „Arbeitsmaschinen müssen dabei Schwerarbeit leisten. Es entstehen die ersten „Fahrzeuggetriebe. Den beschränkten menschlichen Arbeitshub setzt Albrecht Dürer um 1500 in dem Stich seines „Muskelmotorwagens" über eine Schubkurbel, ein Winkelgetriebe und eine Stirnradstufe in Vortriebskraft um.

Tab. 1.3 bringt Beispiele für wichtige Entwicklungsschritte bei Fahrzeuggetrieben. Es ist festzustellen, dass alle wesentlichen Elemente und Konstruktionsprinzipien für Fahrzeuggetriebe schon bis 1925 entwickelt waren. Seitdem hat eine Weiterentwicklung mit dem Ziel der Lebensdauer‑ und Leistungssteigerung bzw. Gewichtsreduzierung, der Kraftstoffeinsparung, der verringerten Schadstoffemission, der Geräuscharmut und der Optimierung der Bedienbarkeit stattgefunden. Man kann fünf Entwicklungslinien unterscheiden, Abb. 1.11 (siehe auch Abb. 1.2 und 1.3):

mechanische z‐Gang‐Stufengetriebe (auch automatisiert),

Stufen‐Automatgetriebe,

mechanische oder hydrostatische Stufenlosgetriebe,

Hybridantriebe und

Elektroantriebe.

Tab. 1.3

Beispiele für wichtige Entwicklungsschritte bei Fahrzeuggetrieben

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Abb. 1.11

Bauarten von Pkw‑ und Nkw‐Getrieben. a Getriebe mit Schieberädern; b Getriebe mit Klauenschaltung; c Synchrongetriebe; d Wandlerschaltkupplungsgetriebe; e „Add‐On"‐automatisiertes Schaltgetriebe; f Automatgetriebe in Vorgelegbauweise; g konventionelles Automatgetriebe; h Doppelkupplungsgetriebe; i hydrostat. Stufenlosgetriebe mit Leistungsverzweigung; j mech. Stufenlosgetriebe mit Kegelscheiben; k Reibradgetriebe, Toroid; l „Add‐On": 1‐E‐Maschinen‐Hybrid mit z‐Gang Getriebe; m DHT: 2‐E‐Maschinen‐Hybrid mit Summiergetriebe (Leistungsverzweigung); n Elektromotor mit 1‐Gang‐Stirnradgetriebe vor Achsdifferential; o  E‐Maschine mit 2‐Gang Planetengetriebe vor Achsdifferential; p Radnabenantrieb mit Planetengetriebe

Mit der Erfindung der Dampfmaschine kam bald der Wunsch auf, die vorhandene Maschinenkraft an den Einsatz anzupassen. Die ersten Dampfwagen wurden über Schaltwerke angetrieben. Das Überwinden von Steigungen erfordert größere Übersetzungen als das Fahren in der Ebene. James Watt lässt sich 1784 die heute noch übliche Klauenschaltung mit ständig im Eingriff befindlichen Rädern, Abb. 1.12, patentieren. Das Wechselgetriebe war geboren. Der eigentliche Straßenfahrzeugbau beginnt erst mehrere Jahrzehnte später. Die Dampfwagenbauer Evans und Trevithick lösen 1801 das Problem der Drehmomentanpassung aber noch durch Auswechseln eines Radpaars.

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Abb. 1.12

Frühe Bauelemente und Getriebe für Fahrzeuge

In den Anfang des 19. Jh. fallen bereits eine Reihe wichtiger Erfindungen, Abb. 1.12. Griffith veröffentlicht 1821 die Schieberad‐Schaltung, die als preiswerte Lösung bis ins 20. Jh. hinein vielfach Verwendung fand. Pecqueur gelingt es 1827, die unterschiedlichen Raddrehzahlen bei Kurvenfahrt über ein Differential auszugleichen.

Bodmer entwirft 1834 ein teilweise lastschaltbares Planetengetriebe. Die Übersetzungsänderung erfolgt durch Auskuppeln der Schaltklauen und Festziehen eines Bremsbands. Im Rahmen eines Gesamtpatents über ein Fahrzeug mit Kolbenmotor ließ sich Selden 1879 ein Schieberadgetriebe mit Kupplung und Rückwärtsgang patentieren.

Auffallend ist, dass man sich um die Jahrhundertwende bereits intensiv mit dem für Verbrennungsmotoren idealen – dem stufenlosen – Getriebe beschäftigt. Neben elektrischen sowie mechanischen werden dabei auch hydrostatische und sogar pneumatische Lösungen angedacht, Tab. 1.3. Sie konnten sich aber wegen zu geringer übertragbarer Leistung oder wegen ihrer mechanischen Komplexität nicht durchsetzen. Der 1905 für Schiffsantriebe erfundene hydrodynamische Föttinger‐Wandler, vgl. Tab. 1.5, findet allerdings erst um 1925 für Kfz‐Antriebsstränge Beachtung.

Eine wichtige Weiterentwicklung stellt der direkte Gang dar. Benz erschuf damit das bis heute noch gültige klassische Vorgelegegetriebe mit koaxialem An‑ und Abtrieb. Im vorbildlichen Antriebsstrang des Peugeot von 1890 ist er noch nicht enthalten, Abb. 1.13. Diese Bauart des Vorgelegegetriebes mit direktem Gang und mit vier Vorwärtsgängen bewährte sich. Die Grundprobleme des gestuften Gangwechsels waren gelöst.

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Abb. 1.13

Fahrzeuggetriebe aus der Anfangszeit des Automobils

Etwa um 1920 beginnt eine Weiterentwicklungsphase. Der Komfort soll erhöht werden. Erleichterung des Schaltvorgangs und Verringerung des Geräuschs durch geschliffene und/oder schrägverzahnte Stirnräder oder durch Senken der Motordrehzahl sind jetzt vorrangige Entwicklungsziele. Ein weiterer wichtiger Entwicklungsgedanke ist das Einheitsgetriebe , das ab 1925 für Nkw auf den Markt kommt. Dabei ermöglichen baugleiche oder nur in ihren Übersetzungen und Anschlüssen variierte Getriebe eine rationelle und kostengünstige Fertigung. Das Getriebe hat Schieberäder.

Die ersten Schalterleichterungen datieren aus dem Jahr 1915. Das ZF‐Soden‐Getriebe sah Dauereingriffsräder, Vorwählschaltung und Synchronisierungshilfen vor. Dieses Getriebe konnte man mit Vorwahl schalten: Der Fahrer stellt einen Knopf am Lenkrad auf den gewünschten Gang und tritt das Pedal durch. Die Kupplung wird ausgekuppelt. Beim Loslassen des Schaltpedals schnappt der vorgewählte Gang selbständig ein. Der Vorteil des nahezu kraftfreien Schaltens konnte die Nachteile, wie schwieriges Einstellen der Seilzüge und den komplexen Getriebeaufbau, nicht wettmachen.

Bei einem Getriebe von General Motors erfolgte der Schaltvorgang und die anschließende Leistungsübertragung über Klauen, die zur Drehzahlangleichung von Welle und Zahnrad eine Konus‐Synchronisierung besaßen. Karl Maybach gelang es 1928 mit seinem Zusatz‐Schnellgang‐Getriebe (heute: Overdrive ) und schrägverzahnten geschliffenen Rädern, die Laufruhe der Fahrzeuge durch Verringerung der Verzahnungsfehler und der Motordrehzahl erheblich zu verbessern. Zur gleichen Zeit entstand das laufruhige 4‐Gang‐ZF‐Aphon‐Getriebe, dessen obere drei Gänge über Lamellen synchronisiert wurden. Beim ZF‐Allsynchron‐Getriebe für Pkw (1934) waren bereits alle Vorwärtsgänge mit Konus‐Synchronisierungen ausgestattet.

Die letzten augenfälligen Änderungen in ihrer Bauform bei unveränderter Bauart erfuhren die mechanischen Pkw‐Getriebe nach dem 2. Weltkrieg, als verstärkt Kfz zunächst mit Heckantrieb, später mit quergestelltem Motor und Frontantrieb auf den Markt kamen. Eine Entwicklung, die inzwischen auch bei Wagengrößen bis hin zur gehobenen Mittelklasse Eingang gefunden hat. Aus Platzgründen wurde bei dieser Bauweise der direkte Gang und die koaxiale Bauweise aufgegeben und Motor, Getriebe und Differential zu einem Block zusammengefasst. Ab etwa 1978 setzten sich für Pkw aus Gründen der Kraftstoffersparnis 5‐Gang‐Stufengetriebe mit vergrößerter Spreizung und feinerer Übersetzungsstufung durch. Etwa 10 Jahre später werden in Sportfahrzeugen mit Längsmotor und Hinterradantrieb auch 6‐Gang‐Handschaltgetriebe eingesetzt. Vor allem in Europa gewinnen zu dieser Zeit Dieselmotoren in Pkw immer mehr an Bedeutung. Ihr Image wandelt sich vom „Taxi‐Dauerläufer" zur fahraktiven, drehmomentstarken Antriebseinheit. Die fehlende Drehzahlspreizung kann das Getriebe durch mehr Gänge kompensieren. Ab 1999 setzt VW bei Pkw mit starken Dieselmotoren 6‐Gang‐Handschaltgetriebe bei Frontquereinbau ein. Seit 2005 sind 6 Gänge bei Pkw‐Handschaltgetrieben weit verbreitet. Bei hochmotorisierten Sportwagen kommen ab 2012 vereinzelt 7‐Gang Handschaltgetriebe zum Einsatz. Diese senken den Kraftstoffverbrauch bei hohen Geschwindigkeiten.

Bedienungserleichterungen bis hin zum automatischen Schalten sind eine eigene wichtige Entwicklungslinie. Die Firma Fichtel & Sachs lieferte ab etwa 1956 für DKW (heute Audi) eine elektrisch gesteuerte, halbautomatische Kupplung, den SAXOMAT. Das System besteht aus einer Anfahr‐Fliehkraft‐Kupplung und einer mit Unterdruck betätigten Schaltkupplung. Bei Berührung des Schalthebels wird über eine unterdruckgesteuerte Servoeinrichtung die Schaltkupplung geöffnet. Nach dem Loslassen des Schalthebels wird der Servoeinrichtung über eine Düse langsam Luft zugeführt und somit eingekuppelt. Gas geben beschleunigt die Luftzufuhr bzw. das Einkuppeln. Der Fahrkomfort wurde gegenüber einem Fahrzeug mit fußbetätigter Kupplung wesentlich erhöht. 1967 stellt VW ein teilautomatisiertes dreigängiges Wandlerschaltkupplungsgetriebe für Pkw vor. Ab etwa 1995 wurde eine erste Generation von automatisierten Handschaltgetrieben bei Pkw und den verwandten leichten Nkw kleiner 3,5 t eingeführt. Sie basierten auf „Add‐On"‐Konzepten, d. h. Anbau von automatisierten Stellgliedern für Kupplung und Schaltung auf bestehende Seriengetriebe. Abb. 1.11e zeigt eine solche „Add‐On‐Version am Beispiel des damals in den Ford Transit eingebauten MT75 5‐Gang‐Getriebes. Auch bei der zweiten Generation der AMT wurde das Grundkonzept des „Add‐On der Stellglieder beibehalten. In der dritten Generation ab etwa 2008 werden die Peripherieteile integriert.

Schon 1925 entwarf H. Rieseler ein Automatgetriebe , bestehend aus hydrodynamischem Wandler und nachgeschaltetem Planeten‐Stufen‐Getriebe. Er konstruierte damit ein Getriebe, dessen wesentliche Teile, Wandler mit über Kupplungen und Bremsen geschaltetem Planetengetriebe, heute typisch für jedes konventionelle Automatgetriebe sind. Rieseler hatte damit eine herausragende Leistung geboten, deren Vorzüge nachfolgende Konstrukteure noch nicht erkannten. Sie suchten in der Folgezeit immer wieder nur, die mechanischen Kupplungen durch eine Strömungskupplung zu ersetzen. Die konventionellen Automatgetriebe, bestehend aus hydrodynamischem Wandler (z. T. auch Kupplung), 3‐bis 4‐stufigem Planetenradsatz und hydraulischer Steuerung, begannen sich ab 1939 durchzusetzen. Die dafür notwendige Fertigungstechnologie wurde in den USA entwickelt.

Das erste Seriengetriebe dieser Art war das Hydramatic von General Motors. In den USA verbreiteten sich diese Getriebe nach dem 2. Weltkrieg rasch. Sie erreichen Marktanteile um 85 %. In Europa erreichen konventionelle Automatgetriebe bei Pkw hingegen nur einen Marktanteil von ca. 13 %. 1953 entwickelte Borgward das erste in Deutschland konstruierte automatische Getriebe. Es besaß ein lastschaltbares Vorgelegegetriebe mit vorgeschaltetem, nur zum Anfahren genutztem, Wandler. 1961 zogen Daimler‐Benz und 1965 die ZF mit eigenen Konstruktionen nach. Dabei zeigte Daimler‐Benz noch das alte, dem Hydramatic‐Getriebe ähnliche Konzept mit Planetengetriebe und vorgeschalteter Strömungskupplung. Im Zuge der Kraftstoffeinsparung wurden diese Automatgetriebe ständig weiterentwickelt. Die schlupfgeregelte Wandlerüberbrückungskupplung sowie Getriebe bis zu 10 Gänge zur Vergrößerung der Spreizung und zur besseren Übersetzungsanpassung wurden Standard. Zur Reduktion der Schleppverluste innerhalb der Getriebe werden ab 2013 wieder Klauenschaltelemente verwendet. Hier muss jedoch ein erhöhter Aufwand bei der elektronischen Steuerung betrieben werden, um die Komforteinbußen beim Schaltvorgang gering zu halten.

Mit der Konkurrenz der Doppelkupplungsgetriebe wird ab etwa 2003 bei konventionellen Automatgetrieben noch mehr Augenmerk auf Spontaneität, Dynamik und Kraftstoffverbrauch gelegt und damit weiteres Potenzial erschlossen. Die vor 2010 in Serie gehenden Doppelkupplungsgetriebe bewegen sich überwiegend im Drehmomentbereich größer 300 Nm und haben nasslaufende Kupplungen.

Das Stufenlosgetriebe tauchte 50 Jahre nach den ersten Entwicklungen wieder auf. Die Variomatic von van Doorne wurde 1950 entwickelt und war 1958 das erste in größerer Serie gebaute Stufenlosgetriebe . Übertragungsglieder waren Gummikeilriemen und durch axiale Verschiebung im Durchmesser verstellbare Keilriemenscheiben. Bei der Variomatic bewerkstelligten Fliehgewichte und eine unterdruckbeaufschlagte Membran diese Verstellung der Scheiben. Abtriebsseitig wird der Anpressdruck von einer Feder erzeugt. Auf ein Differential kann bei dieser Bauweise mit zwei parallel angeordneten Riemen verzichtet werden. Die Drehzahldifferenz wird durch den Riemenschlupf ausgeglichen. Die Gummikeilriemen erlaubten nur eine beschränkte Leistung. Das zulässige Antriebsmoment lag um 100 Nm. Das Getriebe war also nur für Kleinwagen geeignet.

Van Doorne hatte dann den Erfindungsgedanken eines „Stahlkeilriemens". Die Schubgliederkette besteht aus einem aus dünnen Bändern zusammengesetzten Stahlband, auf das die Schubglieder aufgeschoben werden, die mit den Keilriemenscheiben in Verbindung stehen. Dieses in den Jahren ab 1970 entwickelte Getriebe war um 1975 fahrbereit und ging um 1987 in Serie. Als Stufenlosgetriebe mit Zuggliederkette und nasser Anfahrkupplung geht die Audi Multitronic 1999 in Serie. Das Getriebe bedient die Mittelklasse bis 350 Nm Motordrehmoment. Während die stufenlosen Pkw‐Getriebe in Japan bei Kleinwagen einen beachtlichen Marktanteil belegen, scheinen sie vor allem in Europa die in sie gesetzten Erwartungen nicht zu erfüllen. Bei Kleinwagen sprechen vor allem Gewicht und Kosten gegen die Stufenlosgetriebe.

Aus dem geschichtlichen Überblick wird deutlich, dass sich der Fahrzeugmarkt grundlegend verändert hat. Anstatt „schwarz oder weiß", Handschalt‑ (MT) oder konventionelle Automatgetriebe (AT), wie noch 1990, gibt es mittlerweile eine Vielzahl von Getriebebauarten. In Kap. 6 und 11 werden sie beschrieben. Abb. 1.14 zeigt die Bauartenvielfalt bei Pkw‐Getrieben in Europa.

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Abb. 1.14

Vielfalt der Pkw‐Getriebebauarten in Europa

Bis zum 2. Weltkrieg unterschieden sich Nkw‑ von Pkw‐Getrieben im Wesentlichen nur in der Dimensionierung. Danach änderte sich dies grundlegend. Durch die Entwicklung tragfähigerer Reifen konnte die Nutzlast erhöht werden. Zusammen mit dem ausgebauten Autobahnnetz führte dies zur Wandlung des Lkw vom Nahbereich‑ zum Fernverkehrsmittel. Somit wurden größere Übersetzungsbereiche (d. h. größere Spreizung) und damit mehr Gangstufen benötigt.

Bei den mechanischen Stufengetrieben für Nkw waren die Entwicklungsziele zunächst geringes Gewicht (= Nutzlastgewinn), Verringerung des Geräuschs und Erhöhung des Schaltkomforts durch Einführung von Synchronisierungen. Eine besondere Forderung sind hohe Lebensdauern von bis zu 1,2 Mio. km. Zunächst reichten 5 bis 6 Gänge aus, wobei allerdings schon Vorschalt‐Splitgruppen eine feinere Aufteilung der Spreizung ermöglichten. Das 6‐Gang‑ wurde zum 12‐Gang‐Getriebe. Die Erhöhung der spezifischen Leistung (kW/t) bei Nkw führte dann zur Forderung einer vergrößerten Spreizung. Getriebe mit 9 und mehr Gängen wurden entwickelt. Um ein verbrauchs‑ oder alternativ ein leistungsorientiertes Fahren zu ermöglichen, haben sich dann Anfang der 1970er Jahre für schwere Lkw Getriebe mit 12 bis 16 Gängen durchgesetzt. Derartige Getriebe werden in Gruppenbauweise ausgeführt, siehe Kap. 6.

Die Synchronisierung von Nkw‐Getrieben hat sich wegen Lebensdauer‑ und Kostenproblemen zunächst nicht so durchgesetzt wie bei Pkw‐Getrieben. Während es bei Pkw schon vor dem zweiten Weltkrieg vollsynchronisierte Getriebe gab, kam erst 1957 mit dem ZF S 6‐55 das erste vollsynchronisierte Nkw‐Getriebe auf den Markt. Zur Schalterleichterung wurden aber insbesondere in Europa mehr und mehr Nkw‐Getriebe mit Synchronisierungen ausgerüstet. Auch andere Wege der Schalterleichterung wurden beschritten. Von den Firmen Faun und Siemens wurde ab 1954 die SYMO‐Schaltung entwickelt. Bei dieser Synchronisierung mittels Motor wird der Gang, von einer Elektronik gesteuert, genau dann eingerückt, wenn Gleichlauf am zu betätigenden Schaltelement vorliegt. Die Elektronik übernimmt auch Gas geben bzw. Gas wegnehmen beim Schalten. In kritischen Situationen, z. B. im Gefälle oder am Berg, kann es vorkommen, dass die Drehzahlangleichung durch den Motor allein nicht ausreicht oder durch den Ausfall der Elektronik nicht durchführbar wird. Da diese für Fahrer, Fahrzeug und Fracht gefährliche Situation nie ganz ausgeschlossen werden konnte, gelangte das System nicht in Serie. Um 1970 wurde versucht, durch die Entwicklung von Wandlerschaltkupplungsgetrieben eine Teilautomatisierung von Nkw‐Getrieben zu erreichen, Abb. 1.11d. Die Kombination eines Wandlers mit einer konventionellen Trennkupplung und einem 6‐ bis 16‐Gang‐Getriebe erleichterte das Anfahren schwerer Züge. Der Wandler erhöht die Spreizung. Getriebe dieser Art sind zwar im Einsatz, sie haben sich aber bei einem Marktanteil von 1 bis 2 % nicht durchgesetzt. Die Gründe liegen vor allem in ihrem durch die Komplexität bedingten Preis sowie in der Tatsache eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs.

Ab etwa 1985 kommen teilautomatisierte Getriebebauarten auf den Markt der Nkw‐Getriebe. Vertreter sind Systeme wie beispielsweise die AVS (Automatische Vorwahlschaltung) von ZF oder die EPS (Elektronisch‐Pneumatische Schaltung) von Mercedes‐Benz. Seit etwa 2000 haben sich im Segment der schweren Nutzfahrzeuge in Europa die vollautomatisierten Schaltgetriebe durchgesetzt. Bei ihnen ist sowohl der Anfahrvorgang als auch der Gangwechsel komplett automatisiert. Wie bei den automatisierten Getrieben von Pkw, geht auch bei Nkw der Weg von „Add‐On"‐Lösungen hin zur Integration der Peripherieteile ins Getriebe.

Automatgetriebe haben sich für Lkw bisher nicht durchgesetzt. Dies hängt mit Fragen der Wirtschaftlichkeit und der Zuverlässigkeit zusammen. Beim Export von Nkw in Entwicklungsländer wird auf einfache und sichere Wartbarkeit Wert gelegt. Bei Stadtbussen gehören Automatgetriebe jedoch zur Standardausrüstung, Abb. 1.11g. Eine 1971 erste serienreif entwickelte Version eines stufenlosen hydrostatischen Verzweigungsgetriebes (über einen Planetenradsatz) für Stadt‐Verteilerfahrzeuge, der Responder der Fa. Sundstrand, hat sich allerdings nicht durchgesetzt. Die Serienfertigung ist wieder eingestellt worden. Auch spätere Versuche bei Stadtbussen, hydrostatische Einheiten mit mechanischer Leistungsverzweigung über Planetengetriebe einzusetzen, hatten keinen Erfolg. Stattdessen haben leistungsverzweigte hydrostatische Stufenlosgetriebe ab etwa 1996 Serienverbreitung in Traktoren verschiedener Hersteller gefunden.

1.2.4 Entwicklung von Verzahnungen und anderen Getriebebauelementen

Die Bauteile von Fahrzeuggetrieben unterliegen selbst wieder einer Evolution. Die Entwicklung von Bauteilen wie Zahnräder, Wellen, Lager, Synchronisierungen oder Kupplungen und auch die elektronischer Steuerungen sollen hier betrachtet werden, Tab. 1.4.

Tab. 1.4

Zeittafel Entwicklung von Verzahnungen und anderen Getriebebauelementen

Das wichtigste Bauteil ist das Zahnrad. Ein geschichtlicher Nachweis über die Verwendung der ersten Zahnräder ist kaum möglich. Zahnradantriebe wurden aber schon frühzeitig zur Steigerung der menschlichen oder tierischen Antriebskraft oder zur Ausnutzung von Wasser‑ oder Windkraft angewandt. Man darf annehmen, dass die Verwendung von hölzernen Zahnrädern bei gekreuzten Achsen, wie die Göpelwerke zur Wasserversorgung in Ägypten heute noch zeigen, zu den frühesten Formen der Anwendung des Zahnrads zählen, Abb. 1.10. Von diesen abgeleitet sind Mühlenantriebe und hintereinander geschaltete Rädertriebe zur Erzielung größerer Übersetzungen in den verschiedensten Formen durch zeitgenössische Zeichnungen festgehalten. Besonders der Mühlen‑ und der Bergwerksbau haben die Anwendung leistungsübertragender Zahnräder befruchtet. Leonardo da Vinci hat schon im 15. Jh. die Grundlagen für die heutigen Maschinenelemente geschaffen.

Mit de la Hire begann Ende des 17. Jh. die wissenschaftliche Verzahnungslehre. Euler, Willis und Reuleaux setzten dieses Werk fort. Das von Saalschütz 1870 endgültig ausformulierte Verzahnungsgesetz lautet:

Die Gleichförmigkeit der Bewegungsübertragung zwischen zwei kämmenden Zahnrädern ist gewährleistet, wenn die gemeinsame Normale der beiden Zahnkurven in jedem beliebigen Berührungspunkt der Flanken durch den Wälzpunkt C geht.

Die Schaffung theoretisch richtiger Flankenformen auf mathematisch‐zeichnerischem Wege war die Voraussetzung der maschinellen Verzahnungstechnik. Für die industrielle Zahnradherstellung war die Entwicklung der Wälzverfahren bahnbrechend, Tab. 1.4.

Waren früher die Triebstock‑ und die Zykloidenverzahnung die wichtigsten Zahnformen, so ist es heute die Evolvente. Sie ist wegen ihres geradflankigen Werkzeugs, das auf dem Grundkreis abrollt, genau herzustellen und zu vermessen. Darüber hinaus hat sie die Eigenschaft, gegenüber Achsabstandsänderungen unempfindlich zu sein.

Seit 1980 zeichnen sich neue Möglichkeiten der Verzahnungsherstellung ab. Mit numerisch gesteuerten Verzahnungsmaschinen werden die zur Erzeugung der Zahnform notwendigen Dreh‑ und Längsbewegungen elektronisch gesteuert und synchronisiert. Damit lassen sich für Sonderzwecke, z. B. für geräuscharme Zahnradpumpen, beliebige Zahnformen erzeugen, die aber dem Verzahnungsgesetz genügen.

Als Zahnradwerkstoffe fanden anfangs Vergütungsstähle Verwendung. Die Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Gewichtsminimierung machte bald einsatzgehärtete Stähle erforderlich. Um die wegen der Geräuscharmut notwendige Qualität zu erreichen, müssen die Zahnräder nach dem Fräsen geschabt oder nach dem Härten geschliffen werden. Aktuelle Methoden der Hartbearbeitung werden in Kap. 15 beschrieben.

Andere wichtige Bauelemente von Getrieben wie Wälzlager, Kupplungen oder Synchronisierungen wurden dann in der zweiten Hälfte des 19. und zu Beginn des 20. Jh. entwickelt. Seit etwa 1995 spielen sich wesentliche Innovationen bei Fahrzeuggetrieben auf dem sehr dynamischen Feld der Elektronik, Software, der Funktionsentwicklung sowie der System‑ und Informationsvernetzung ab.

Abschließend sei festgestellt, dass das Zahnradgetriebe als Drehmoment‑ und Drehzahlwandler die größte Leistungsdichte gegenüber anderen Wandlern, wie Riemen‑ oder Kettentrieb, hydrodynamischem oder hydrostatischem Getriebe oder dem Elektromotor, aufweist.

1.2.5 Entwicklung hydrodynamischer Wandler und Kupplungen

Die Entwicklung der automatischen Getriebe vollzog sich anfangs in seinen Bauteilen sehr schleppend, ging dann aber in seiner Gesamtheit in Anbetracht seiner Kompliziertheit sehr rasch vor sich. Den Grundstein legte H. Föttinger, als er 1905 einen hydrodynamischen Wandler und einige Zeit später eine hydrodynamische Kupplung zum Patent anmeldete. Föttinger hatte diesen Wandler für den Einsatz auf Schiffen konstruiert und niemals an einen Einbau im Automobil gedacht. Die Entwicklung des hydrodynamischen Wandlers ist ein gutes Beispiel für die systematische Entwicklung eines Getriebebauteils, Tab. 1.5 und Kap. 9. Als Elektroingenieur hat Föttinger die Möglichkeiten der Kombination aus hydrodynamischer Kraftmaschine (Pumpe) und Arbeitsmaschine (Turbine) erkannt und zunächst theoretisch entwickelt.

Tab. 1.5

Zeittafel der Entwicklung hydrodynamischer Wandler, Kupplungen und deren Anwendung in konventionellen Automatgetrieben

So dauerte es fast zwei Jahrzehnte, bis erstmals versucht wurde, Föttinger‐Wandler und ‐Kupplungen für ein Fahrzeuggetriebe zu verwenden. Der Trilok‐Wandler von Spannhake, Kluge und van Santen vereinigt den Wandler mit seinem schlechteren Wirkungsgrad mit der im Wirkungsgrad besseren Kupplung. Durch die Lagerung des Leitrads mittels eines Freilaufs im Gehäuse läuft bei Wegfall des Reaktionsmoments, also genau dann, wenn das Abtriebsmoment unter das Antriebsmoment sinkt, das Leitrad frei mit. Der Wandler wird zur Kupplung und kann damit den hohen Wirkungsgrad der Strömungskupplung im hohen Drehzahlbereich ausnutzen. Diese Kombination hat sich in den konventionellen Automatgetrieben seit langem weltweit durchgesetzt. Rieseler erkannte 1925 das Potential des Wandlers als Anfahr‑ und begrenztes Wandlungsorgan automatischer Getriebe für Fahrzeuge. In den USA wurde kurz vor dem zweiten Weltkrieg die Technologie zur Großserienfertigung von hydrodynamischen Kupplungen und Drehmomentwandlern entwickelt.

Um den zur Leistungsübertragung notwendigen Schlupf der Trilok‐Wandler auszuschalten, werden Pumpe und Turbinenrad in den Hauptfahrbereichen mit einer Überbrückungskupplung ausgeführt. Diese ist seit etwa 1994 schlupfgeregelt und ermöglicht so auch in den unteren Gängen und bei niederen Motordrehzahlen, den Wandler zu überbrücken. Entwicklungen wie der Turbinentorsionsdämpfer‑ oder der ZDW‐(Zweidämpfer‑)Wandler haben die Filterung der Motoranregung weiter verbessert.

1.2.6 Erforschung von Phänomenen: Getriebeverluste und Wirkungsgrad

Zur erfolgreichen und zuverlässigen Anwendung von Fahrzeuggetrieben bedarf es der Erforschung vielfältiger Phänomene. Hertzsche Pressung, Zahnfußfestigkeit, elasto‐hydrodynamische Schmierung oder Betriebsfestigkeit sind nur einige Beispiele.

Als Beispiel für die historische Entwicklung sei hier nur das Phänomen Reibung genannt. Bei einem Getriebe entsteht Wärme durch Reibung. Reibung tritt auf bei aufeinander abwälzenden oder gleitenden Zahnflanken und Lagerteilen, durch zirkulierendes, strömendes Öl und durch Schaltungen.

Schon bald interessierte daher die Entstehung der Wärme im Getriebe. Die Bestimmung der Getriebeverluste – Verzahnungs‑, Lager‑ und Planschverluste – nahm an Bedeutung zu. Die Frage nach dem Reibwert entlang der Eingriffsstrecke wurde aktuell. Für Energiesparmaßnahmen ist die Kenntnis des Getriebewirkungsgrads und seine Abhängigkeit von Konstruktion, Belastung und Drehzahl von Bedeutung. Tab. 1.6 skizziert die Erforschung dieser Phänomene.

Tab. 1.6

100 Jahre Untersuchung der Phänomene bei Getriebeverlusten

1.2.7 Zusammenfassender Überblick

Die Entwicklung der Fahrzeuggetriebe lässt sich historisch gesehen in fünf Abschnitte gliedern:

Ca. 1784 bis 1884

Erkenntnis, dass die Drehmoment‑/Drehzahlcharakteristik von Dampf‑ und Verbrennungskraftmaschinen in Fahrzeugen durch Getriebe an die Bedarfsleistung angepasst werden muss, um die maximale Leistung ausnützen zu können. Die ersten Lösungen waren Zahnradwechselgetriebe mit Schiebe‑ oder Dauereingriffsrädern.

Ca. 1884 bis 1914

Ringen um das richtige Prinzip der Drehmoment‑/Drehzahlwandlung. Neben Zahnradgetrieben werden die verschiedensten Getriebebauarten versucht: Ketten‑, Reibrad‑ und Riemengetriebe; hydraulische und sogar pneumatische Getriebe; Stufen‑ und besonders Stufenlosgetriebe werden erprobt. Dabei ist jeder Getriebeentwurf speziell auf ein bestimmtes Fahrzeug zugeschnitten.

Ca. 1914 bis 1980

Zahnrad‐Stufengetriebe setzen sich wegen ihrer hohen Leistungsdichte durch. Der Gedanke eines Einheitsgetriebes, das über Anpassungsentwicklung leicht für unterschiedliche Fahrzeuge verwendet werden kann, setzte sich durch. Sie werden in den folgenden Jahrzehnten bis heute hinsichtlich Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Geräuscharmut und Schaltfreundlichkeit (Synchronisierungen, konventionelle Automatgetriebe, Schaltungen ohne Zugkraftunterbrechung, Teilautomatisierung mit elektronisch gesteuerten Schalthilfen) weiterentwickelt. Die Anzahl der Gänge und die Getriebespreizung nehmen laufend zu. Die Massenmotorisierung ist ein wesentlicher Treiber bei der Entwicklung von Bedienungserleichterungen für Pkw.

Ca. 1980 bis 2010

Schwerpunkt der Weiterentwicklungen sind auf die Anwendung zugeschnittene, „individuelle" Lösungen. Die Bauartenpalette der Getriebe ist stark aufgefächert. Bei Pkw‐Getrieben konkurrieren alternative Getriebebauarten: Handschaltgetriebe, Automatisierte Schaltgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe, Automatgetriebe, Stufenlosgetriebe und Hybridantriebe. Stufengetriebe haben 5–8 Gänge. Die Allradtechnik gewinnt an Bedeutung. Bei Nkw haben Stufengetriebe 6–16 Gänge und möglichst große Spreizungen. Im Segment der schweren Nutzfahrzeuge haben sich in Europa die Automatisierten Schaltgetriebe durchgesetzt. Damit erreichen auch Nkw einen hohen Bedienkomfort und sind von jedermann fahrbar. Wesentliche Innovationen bei Pkw‑ und Nkw‐Getrieben laufen auf dem Feld der Elektronik, Software, der Funktionsentwicklung sowie der System‑ und Informationsvernetzung.

Ca. 2010 bis heute

Durch die gesetzlichen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen wächst der Druck auf die Automobilindustrie an alternativen Antriebs‑ und Mobilitätskonzepten zu arbeiten. Die Elektromobilität wird vorangetrieben, sodass immer mehr Hybridfahrzeuge, aber auch reine Elektrofahrzeuge auf dem Markt sind. Zusätzlich zeichnet sich ein Wandel im Nutzungsverhalten von Fahrzeugen ab. Vor allem junge Autofahrer kaufen seltener ein eigenes Fahrzeug, sondern greifen auf diverse Mobilitätsdienste wie Car‐Sharing zurück. Hinzu kommt eine immer stärkere Vernetzung der Fahrzeuge untereinander, aber auch mit dem Smartphone der Insassen. So können während der Fahrt u. a. auf Online‐Dienste zugegriffen und die Parkplatzsuche vereinfacht werden. Diese Vernetzung der Fahrzeuge in Verbindung mit Umfelderkennung treibt das Automatisierte Fahren voran. Ein weiterer Punkt ist das wachsende Umweltbewusstsein, was Themen wie Recycling und Nachhaltigkeit fördert.

Die hohe Dynamik der aktuellen Entwicklungen hat großen Einfluss auf Fahrzeuggetriebe.

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Harald Naunheimer, Bernd Bertsche, Joachim Ryborz, Wolfgang Novak und Peter FietkauFahrzeuggetriebehttps://doi.org/10.1007/978-3-662-58883-3_2

2. Überblick über das System Verkehr – Fahrzeug – Getriebe

Harald Naunheimer¹ , Bernd Bertsche², Joachim Ryborz³, Wolfgang Novak⁴ und Peter Fietkau⁵

(1)

Friedrichshafen, Deutschland

(2)

Stuttgart, Deutschland

(3)

Markdorf, Deutschland

(4)

Schwaikheim, Deutschland

(5)

Stuttgart, Deutschland

Kommunikation und Mobilität sind Voraussetzungen jeder menschlichen Gemeinschaftsbeziehung! (Walter Koch)

2.1 Grundlagen der Verkehrs‑ und Fahrzeugtechnik

Die Verflechtungen zwischen Verkehr und Verkehrstechnik einerseits und Gesamtwirtschaft andererseits sind eng und fundamental. Verkehrsvorgänge haben eine volkswirtschaftliche Basisfunktion ähnlich der des Geldes, ohne die eine moderne arbeitsteilige Volkswirtschaft mit komplizierten Kreislaufvorgängen nicht funktionsfähig ist. Abb. 2.1 zeigt als Beispiel für diesen Zusammenhang einen steten Anstieg der Verkehrsleistung im Güterverkehr sowohl absolut als auch auf den einzelnen Einwohner in Deutschland bezogen. Der Großteil dieses Güterverkehrs wird hierbei über den Straßenverkehr abgewickelt.

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Abb. 2.1

Entwicklung der Verkehrsleistung im Güterverkehr und der Bevölkerungszahl in Deutschland, ab 1990 Gesamtdeutschland [1, 2]

Fahrzeuggetriebe sind als Teilsystem in das Transportsystem „Straßenverkehr" eingebettet.

2.1.1 Bedeutung des Kraftfahrzeugs in unserer mobilen Welt

Mobilität ist ein uraltes Grundbedürfnis des Menschen. Bei der Auswahl der Transportarten lässt sich der Mensch von zwei Gesichtspunkten leiten. Zum einen ist die tatsächliche Befriedigung seiner objektiven Bedürfnisse wie Transportleistung, Zielreinheit oder Erreichbarkeit des Fahrtziels ausschlaggebend. Zum anderen spielt die Befriedigung seiner vermeintlichen, subjektiven Bedürfnisse wie Bequemlichkeit, Annehmlichkeit der Reise, Entscheidungsfreiheit für Art, Reiseziel und Reisezeitpunkt eine wichtige Rolle. Die individuelle Mobilität durch das Kraftfahrzeug ist auch ein Ausdruck einer freiheitlichen Gesellschaftsordnung. Der Individualverkehr ist stochastisch; er ist nicht determinierbar. Im Gegensatz zu öffentlichen Verkehrsmitteln, diese sind determinierbar und ihr Einsatz kann geplant werden.

Die Art, wie die Menschen mobil sind, befindet sich in einem Wandel. Automatisiertes Fahren, Digitalisierung und Elektro‐Mobilität verändern das Nutzungsverhalten. Mobilität wird für viele zur reinen Dienstleistung. Automatisiertes Fahren in Pkw und Nkw verwandelt die Fahrzeuge in mobile Lebensbereiche, in denen der Nutzer Teil der digitalen Welt bleibt und Geschäftliches oder Privates erledigen, oder sich entspannen kann.

Nach Eckstein [3] lassen sich für den Straßenverkehr Situationen und Entwicklungsziele skizzieren, wenn man ihn nach Abb. 2.2 als Black‐Box betrachtet und Aufwand und Ergebnis einander gegenüberstellt. Diese vereinfachte Betrachtungsweise führt zu der Aufgabe, die als Ergebnis angestrebte Transportleistung einerseits mit geringen negativen Nebenwirkungen und andererseits mit geringem Aufwand an Ressourcen zu erzielen.

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Abb. 2.2

Aufwand und Ergebnis des Systems Straßenverkehr [3]

Das Kfz erfüllt nicht nur das menschliche Grundbedürfnis nach Mobilität, es ermöglicht auch Zielreinheit beim Transport von Menschen und Gütern. Sowohl im Personen‑ als auch im Güterverkehr besitzt das Kfz die dominierende Rolle. Die Arten verschiedener Fahrzeuge sind in Abb. 2.3 aufgeführt . Die Kraftwagen werden in Personenkraftwagen (Pkw) und Nutzkraftwagen (Nkw) unterschieden. Die Unterscheidung erfolgt mithilfe der nachfolgenden Definitionen.

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Abb. 2.3

Einteilung der Straßen‑ und der Kraftfahrzeuge nach DIN 70010 [4]

Definition Pkw

Kraftwagen, der nach seiner Bauart und Einrichtung hauptsächlich zum Transport von Personen bestimmt ist und maximal 9 Sitzplätze hat.

Definition Nkw

Kraftwagen, der aufgrund seiner Bauart bestimmt ist:

zum Transport von Personen – Omnibus;

zum Transport von Gütern

und zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen – Lastkraftwagen;

oder nur zum Ziehen von Anhängern – Zugmaschine.

Statistiken belegen, dass der Trend zum Kfz ungebrochen ist. Der Kfz‐Bestand in der Welt hat sich stetig erhöht, Abb. 2.4.

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Abb. 2.4

Entwicklung des Kraftfahrzeugbestands in der Welt [5]

Betrachtet man die Zeit von 1907 bis 1990 (Wiedervereinigung) für das Deutsche Reich und die Bundesrepublik Deutschland, so ergibt sich trotz des Einbruchs infolge der Weltkriege immer noch eine durchschnittliche jährliche Zuwachsrate von 9 %. Im gleichen Zeitraum stieg der Motorisierungsgrad von 0,00044 auf 0,52345 Kfz je Einwohner. Im Jahr 2015 beträgt der Motorisierungsgrad für Deutschland 0,6551 Kfz je Einwohner bei einem Kraftfahrzeugbestand von 53,7 Mio. Kfz. Zu Beginn der Motorisierung war ein exponentielles Wachstum in Deutschland zu verzeichnen. Ab den 1990er Jahren befindet sich Deutschland dagegen in einer Sättigung, Abb. 2.5. Wachstumsmärkte liegen vor allem in Asien.

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Abb. 2.5

Entwicklung des Motorisierungsgrads im Deutschen Reich und in der Bundesrepublik Deutschland [5]

2.1.2 Transportsysteme für den Personen‑ und Güterverkehr

Die Verkehrstechnik hat die Entwicklung und die betriebssichere Bereitstellung von humanen Transportsystemen und ‑mitteln zum Ziel. Man unterscheidet zwischen Personen‑ und Güterverkehr. Der Trend zum Automatisierten Fahren gilt nicht nur für Personenfahrzeuge, sondern insbesondere auch für den Gütertransport. Autonome Transportmittel – egal ob diese Menschen oder Güter transportieren – werden einen Teil der täglichen Mobilitätsbedarfe decken. Die Digitalisierung und Vernetzung der Transportmittel untereinander und mit der Infrastruktur steigert die Effizienz und Sicherheit.

Die wichtigsten Transportmittel für den Personenverkehr sind Fahrrad, Motorrad, Individual‐Pkw, Demand‐Pkw (Taxi), ÖPV (Busse und Schienennahverkehr), Eisenbahn, Flugzeug und Schiff. Abb. 2.6 zeigt, dass der größte Anteil am Personenverkehr vom Pkw getragen wird. Der Personenverkehr mit dem ÖPV und der Bahn ist drastisch niedriger.

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Abb. 2.6

Entwicklung der Verkehrsleistung im Personenverkehr in Deutschland [1]

Zur Bewältigung des Güterverkehrs stehen fünf unterschiedliche Transportmittel zur Verfügung:

Eisenbahn (Schiene),

Nutzkraftwagen (Straßenverkehr),

Schiff (Kanal, Seetransport),

Flugzeug (Luftfracht) und

Pipeline.

Oft bilden diese Transportmittel eine Transportkette , Abb. 2.7. Vor allem im Bereich des Verteilerverkehrs ist ab 2010 ein überproportionales Wachstum zu verzeichnen. Dieser ist unter anderem angetrieben durch den vermehrten Online‐Versand (E‐Commerce). Der sogenannte „Last Mile"‐Betrieb bietet sich an für elektrifizierte Antriebe und automatisierte Fahrzeuge.

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Abb. 2.7

Die Entfernungsbereiche des Verkehrs: Prinzipdarstellung einer Transportkette im Güterverkehr

Insgesamt trägt der Nkw die Hauptlast an der jährlichen Verkehrsleistung im Güterverkehr, Abb. 2.8. Bahn und Binnenschiff liegen deutlich darunter. Die Verkehrsleistung der Bahn kann in der vorhersehbaren Zukunft gar nicht in dem Maße gesteigert werden, um unsere Straßen fühlbar vom Güterverkehr zu entlasten.

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Abb. 2.8

Entwicklung der Verkehrsleistung im Güterverkehr in Deutschland [1]

Ein wesentliches Merkmal für ein Gütertransportsystem ist die Zielreinheit : Kann das Ziel mit ein und demselben Verkehrsmittel ohne Warenumschlag erreicht werden? Die enorme Zunahme des Nkw‐Bestands ist durch die Eigenschaften Zielreinheit, Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit sowie Just‐in‐Time ‐Anlieferung an die Montagebänder begründet. Eine Bewertung von Transportsystemen ist nach der Befriedigung der Transportbedürfnisse, der Umweltfreundlichkeit und nach der Energieeinsparung vorzunehmen. Vorher sind strukturelle Bereinigungen nötig. Insbesondere ist eine finanzielle Gleichbehandlung der Transportwege Schiene und Straße nötig. Der Schienenverkehr ist hier gegenüber dem Straßenverkehr benachteiligt. Das Just‐in‐Time‐System bei der Zulieferung und damit die Nutzung der Straße als billige Lagerhalle ist auf die Dauer volkswirtschaftlich nicht tragbar. Der Verkehrsinfarkt wird dadurch gefördert.

2.1.3 Fahrzeugklassen

Nach der EU-Richtlinie 2007/46/EG und DIN ISO 362‐2:2009 können die Fahrzeuge in unterschiedliche Klassen eingeteilt werden. Die wichtigsten Klassen sind in Tab. 2.1 zusammengefasst.

Tab. 2.1

Fahrzeugklassen

Fahrzeuge zur Beförderung von Personen sind in der Klasse M zusammengefasst. Innerhalb der Klasse M wird weiter differenziert in die Klasse M1 für Pkw und in die Klassen M2 und M3 für Busse. Für Pkw gibt es zusätzlich die Unterscheidung in Klein‑, Mittel‑ und Oberklassefahrzeuge, welche für die Auslegung und Gestaltung des Antriebstrangs jedoch nicht relevant ist.

Durch die immer stärkere Urbanisierung erweitert sich das Anwendungsspektrum der Fahrzeuge auch außerhalb dieser klassischen Einteilung, v. a. in Richtung Mikromobilität. Hier sind Fahrzeuge wie der Renault Twizy zu nennen, oder der stark wachsende Zweig der Pedelecs und E‐Bikes.

Innerhalb des vorliegenden Buches liegt der Fokus auf den Getrieben für die Klassen M und N. Getriebe für zweirädrige Fahrzeuge sowie Fahrzeuge der Mikromobilität werden nicht behandelt.

Fahrzeuge zur Güterbeförderung sind in der Klasse N zusammen gefasst. Innerhalb der Klasse N wird ebenso weiter differenziert in die Klasse N1 für die Güterbeförderung ausgelegte und gebaute Kraftfahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse bis zu 3,5 t, in die Klasse N2 für Kraftfahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse von mehr als 3,5 t bis zu 12 t und in die Klasse N3 für Kraftfahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse von mehr als 12 t.

2.2 Grundlagen der Fahrzeug‑ und Getriebetechnik

Für eine anwendungsorientierte Entwicklung von Fahrzeuggetrieben ist es wichtig, das Fahrzeug und dessen Einsatz klar zu definieren. Im Folgenden werden Konventionen, Definitionen und physikalische Grundlagen der Fahrzeug‑ und Getriebetechnik erläutert. Sie sind die Basis für die Betrachtungen der nachfolgenden Kapitel.

Unter dem Themenbereich „Fahrzeuggetriebe" werden in diesem Buch alle Komponenten der Baugruppe Antriebsstrang mit Ausnahme des Motors zusammengefasst, Abb. 2.9.

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Abb. 2.9

Definition des Themenbereichs Fahrzeuggetriebe

Bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben ist zwischen Größen zu unterscheiden, die der Konstrukteur beeinflussen kann – innere Einflussgrößen – und denen, die er nicht beeinflussen kann, die er aber berücksichtigen muss – äußere Einflussgrößen. Tab. 2.2 zeigt den Sachverhalt.

Tab. 2.2

Innere und äußere Einflussgrößen bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben

2.2.1 Systematik der Fahrzeuge und des Fahrzeugeinsatzes

Die Entwicklung eines Fahrzeuggetriebes richtet sich nach der Fahrzeugart, der Motorisierung und dem Einsatzgebiet des Fahrzeugs. Zur systematischen Einteilung empfiehlt sich eine an der Getriebeentwicklung orientierte Klassifizierung der Fahrzeuge. Tab. 2.3 zeigt eine getriebeorientierte und praxiserprobte Klassifizierung der Fahrzeuge. Hier wird zunächst eine Einteilung in Personenkraftwagen (Pkw), Nutzkraftwagen (Nkw), Ackerschlepper, Baumaschinen und Sonderfahrzeuge getroffen. Die Personenkraftwagen werden hinsichtlich ihrer Größe und ihres Einsatzes in die drei Hauptgruppen eingeteilt; Pkw, Geländefahrzeuge/SUV und Transporter kleiner 3,5 t.

Tab. 2.3

Getriebeorientierte Klassifizierung von Kraftfahrzeugen nach Fahrzeugart und Einsatzart

aKOM (Kraftomnibus): Ein weiteres Merkmal ist die Anzahl der Sitzplätze

Lastkraftwagen und Omnibusse fallen unter den Oberbegriff des Nutzkraftwagens. Eine feinere Strukturierung führt zur Unterteilung der Lastkraftwagen nach dem zulässigen Gesamtgewicht.

Bei den Omnibussen empfiehlt sich eine Gliederung nach den Stopps pro Kilometer als Stadt‐Linienbus, Überland‐Linienbus oder Reisebus. Ferner ist eine Einteilung nach Haupteinsatzgebieten zweckmäßig, siehe Abschn. 2.1.3 „Fahrzeugklassen".

Grundsätzlich unterscheidet man bei der getriebeorientierten Klassifizierung der Kraftfahrzeuge zwischen den drei Einsatzarten:

Straßeneinsatz, oft auch als „On‐Road"‐Einsatz bezeichnet,

Kombinierter Einsatz, oft auch als „On‑/Off‐Road"‐Einsatz bezeichnet. Bei dieser kombinierten Einsatzart, die z. B. für Muldenkipper und SUV typisch ist, muss das Getriebe in gleicher Weise eine wirtschaftliche Fortbewegung im Gelände und auf der Straße ermöglichen und

Geländeeinsatz, oft auch als „Off‐Road"‐Einsatz bezeichnet. Die Fahrzeuge bewegen sich vorwiegend im Gelände. Gelegentlicher Betrieb auf der Straße ist aber nicht auszuschließen. Zu dieser Kategorie gehören Kettenfahrzeuge oder überschwere, auf Normalstraßen nicht zugelassene Sonderfahrzeuge, wie beispielsweise Deponie‑ oder Grubenfahrzeuge.

2.2.2 Warum brauchen Fahrzeuge Getriebe?

Fast alle der im Jahr 2018 im Einsatz befindlichen Kraftfahrzeuge werden von Verbrennungsmotoren mit zyklischer Verbrennung angetrieben, die entweder nach dem Otto‑ oder Dieselverfahren arbeiten. In Abschn. 3.​3 werden die leistungsbestimmenden Größen und die Kennfelder von Verbrennungsmotoren erläutert. Zunehmend werden Elektromotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet. Diese werden in