Getriebetechnik der ZF

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1 Getriebetechnik der ZF - Stufenautomat - Doppelkupplungsgetriebe - Hybridgetriebe Heribert Scherer, Leiter Konstruktion Automatikgetriebe ZF Getriebe GmbH

2 Inhalt 1. Historie 2. Einführung Getriebetechnik 3. Stufenautomatgetriebe Planetensysteme Neues 8 Gang Getriebe 4. Doppelkupplungsgetriebe 5. Stufenlosegetriebe 6. Hybridgetriebe 7. Zusammenfassung

3 Stufenloses Getriebe Turicum 1920

4 Automatisches 3 Gang Getriebe 3 HP 12 von ZF

5 Doppelkupplungsgetriebe PDK von Porsche 1987

6 Inhalt 1. Historie 2. Einführung Getriebetechnik 3. Stufenautomatgetriebe Planetensysteme Neues 8 Gang Getriebe 4. Doppelkupplungsgetriebe 5. Stufenlose Getriebe 6. Hybridgetriebe 7. Zusammenfassung

7 Anforderungen an das Automatgetriebe Anfahren und Fahrtrichtungswechsel ohne Kupplung Automatischer Gangwechsel Komfortable Lastschaltung ohne Zugkraftunterbrechung Zugkraft Stufenloses Getriebe (CVT) Stufengetriebe Motor allein Fahrgeschwindigkeit

8 Kundennutzen Verbrauch MVEG Verbrauch/ Emissionen Verbrauch kundennah Schaltdynamik Schaltqualität Fahrkomfort Kundennutzen Weg nach 4s Leistung/ Dynamik Akustik Bauraum Kosten Gewicht km/h

9 Zugkraftdiagramm 20 Zugkraft / Fahrwiderstand F (kn) Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang Fahrgeschwindigkeit v (km/h] 5. Gang 6. Gang Steigung (%) 30 % 15 % 0 %

10 Übersetzungsreihen 4-, 5-, 6-, 8-Gang ZF-Getriebe Übersetzung [i] HP 22 (φ = 3,40) 5 HP 19 (φ = 4,96) 6 HP 26 (φ = 6,04) 8 HP 70 (φ = 7,05) Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 6. Gang 7. Gang 8. Gang

11 Verbrauchskennfeld Motor Kurbelw ellenmoment [Nm] Verbrauchsoptimum 400 Spezifischer Verbrauch [g/kwh] VL=100 % 700_g/kWh 600_g/kWh 550_g/kWh 500_g/kWh 450_g/kWh 400_g/kWh 380_g/kWh 360_g/kWh 340_g/kWh 320_g/kWh 300_g/kWh 290_g/kWh 280_g/kWh 270_g/kWh 265_g/kWh 260_g/kWh 255_g/kWh 250_g/kWh 245_g/kWh Motordrehzahl [1/min]

12 Einfluss Hinterachsauslegung Beispiel 6-Gang-Getriebe i HA = 2,74 i HA = 3,15 Beschleunigung km/h Verbrauch Basis Basis + 3,3 % + 1,4 % Geschwindigkeit 6.Gang an 3% Steigung Basis + 18 %

13 Entwicklungshistorie der Getriebe Handschaltgetriebe Handschaltgetriebe 3/4 Gang-Stufenautomat 5/6/7/8 Gang-Stufenautomat Automatisiertes HSG CVT-Getriebe Toroidgetriebe Doppelkupplungsgetriebe? Jahre

15 Planetengetriebe Aufbau eines Planetenradsatzes 1 Sonnenrad 2 Planetenrad 3 Hohlrad 4 Planetenträger Ausführungsbeispiele Minusgetriebe Plusgetriebe (Kriterium: Planetenträger steht)

16 Beispiele Planetengetriebe Simpsonradsatz 3 Gang Ravigneauxradsatz Wilsonradsatz 4 Gang 4 Gang

17 Beispiele Planetengetriebe Simpsonradsatz 3HP22 Ravigneauxradsatz Wilsonradsatz 4HP14 5HP24

18 Eigenschaften Planetengetriebe _ + Kompakte Bauweise Konzentrische Bauweise Hohe Leistungsdichte Hohe Wirkungsgrade möglich Einschränkung bei der Wahl der Übersetzungen Keine Radialkräfte 4

19 ZF Getriebe 5-/6-/8-Gang Getriebe GWK B D E F 5 Gänge 3 Stegeinheiten 6 Schaltelemente A C FL1 6 Gänge 3 Stegeinheiten 5 Schaltelemente GWK E A B C D GWK A B 8 Gänge 4 Stegeinheiten 5 Schaltelemente E D C

20 Getriebeschnitt 6HP26

22 Getriebesystem 8HP A B D E C Reduzierte Schleppmomente: Jeder Gang mit nur 2 offenen Schaltelementen Gang 1 4,70 2 3,13 3 2,10 4 1,67 5 1,29 6 1,00 7 0,84 8 0,67 R A B C D E Bremse Kupplung Übersetzung 1,50 1,49 1,26 1,30 1,29 1,19 1,26 Gesamt 7,04 Gangsprung

23 Planetengetriebewirkungsgrad Guter Wirkungsgrad der Radsätze 1,00 0,99 Radsatzwirkungsgrad 0,98 0,97 0,96 0,95 6HP 8HP 8-Gang Lepelletier 0,94 0, Gang

24 Getriebeschnitt 8HP

25 Anfahrelemente und Hybridisierung Der modulare Ansatz ermöglicht verschiedene Anfahrelemente Hydrodynamic Hydrodynamic Cooled Cooled Clutch Clutch Integrierte Integrierte Anfahr- Anfahr- Kupplung Kupplung Kurbelwellen- Kurbelwellen- Starter Starter Generator Generator Hybrid Hybrid integriert integriert Basis 3-Leitungswandler

26 Baukasten für Allradtechnologie Der modulare Ansatz ermöglicht verschiedene Allradkonfigurationen Allrad Torsen integriert Allrad ToD (integriert) Allrad Add-on

27 Verlustanteile Fahrzeug Das Getriebe beeinflusst auch die Verluste des V-Motors (Lastpunkt) Verbrennungsmotor 47% Luftwiderstand 11% Rollwiderstand 11% Nebenverbraucher 6% Gewicht 10% Antriebstrang 15%

28 Einsparpotenzial Getriebe Verbrauchseinsparung auf MVEG-Zyklus -6 % -2 % Beispiel: CO 2 Reduzierung Limousine 3,0L V6-5 % 6-Gang 8-Gang -3 % 200 g/km 188 g/km -6 % Getriebeentwicklung 3-Gang (Basis) 4-Gang 5-Gang 6-Gang 1.Generation 6-Gang 2.Generation 8-Gang

29 Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung Basis: Verbrauch 6HP 2.Generation -6 % Betriebspunkt Schleppmomente WK Strategie Pumpe - Spreizung - Gangzahl - Offene Kupplungen - Radsatzwirkungsgrad - Schmieröloptimierung - Torsionsdämpfung - Flügelzellenpumpe Ziel: Verbrauch 8HP

30 Zusammenfassung Stufenautomat + _ Universelle Einsatzmöglichkeit Übersetzungswahl mit vielen Randbedingungen Keine Drehmomentbegrenzung Kompakte Bauweise Guter Wirkungsgrad

31 Mercedes 7G-Tronic

32 Aisin Warner 8-Gang

34 Schema Doppelkupplungsgetriebe

35 Baugruppe Doppelkupplung

36 Doppelkupplungsgetriebe ZF

37 Doppelkupplungsgetriebe VW Golf / Audi TT

38 Bewertung Doppelkupplungsgetriebe + _ Individuelle Übersetzungswahl Geeignet für hohe Motordrehzahlen Sportgetriebe Aufwändige Konstruktion (Mehrwellengetriebe, Schaltungsmechanismus, Sensorik) Guter Wirkungsgrad

40 Konzepte stufenlose Getriebe Umschlingungsgetriebe / Band Reibradgetriebe Antrieb Abtrieb Abtrieb Abtrieb Hydrostatische Getriebe I = Variabel Steuerbefehl vom Fahrer E-Antriebe Regler Messglied Verteilung Summierung Verstellpumpe Hydromotor Energie- Speicher Stellglied/ Umrichter Motor Abtrieb Antrieb I = Constant Mechanische Getriebe Abtrieb Verluste

41 Prinzip Halb- / Voll-Toroid Technik Eingangs -scheibe Roller Ausgangs -scheibe Roller Eingangsscheibe Ausgangsscheibe Halb-Toroid Variator Voll-Toroid Variator

42 Umschlingungsgetriebe (CVT) 2 3 1= Anfahrelement (Wandler) 2 = Ölpumpe 3 = Wendesatz 4 = Schaltelemente 5 = Variator 6 = Konstantübersetzung 7 = Differential

43 Verstellung Umschlingungsvariator Aktiv Passiv

44 Übertragungselemente Schubgliederband Kette Elastomerriemen Aramidfasern

45 Bewertung CVT Getriebe _ + Stufenlose Übersetzungswahl Eingeschränkter Drehmomentbereich Keine Schaltübergänge Geeignet für FQ / FL Antrieb Getriebeverluste (Schlupf, Pumpe)

46 Stufenloses Getriebe Multitronic von Audi für FL-Antrieb

47 Stufenloses Umschlingungsgetriebe ZF CFT30

49 Systemvergleich Hybridantrieb Seriell Leistungsverzweigt Parallel E-Motor Generator Generator Generator/ E-Motor Batterie Batterie Batterie E-Motor

50 Hybridsystem: Parallel oder Leistungsverzweigt 300% Systemkosten (ohne el. Speicher) höher 250% 200% 150% 100% 50% Hinweis: Anwendung: SUV 2 x 50 kw 2 x 65 kw Benchmark (ohne Hybrid) Hybrid Leistungsverzweigt Hybrid Parallel 1 x 35 kw 1 x 61 kw 80% 100% 120% 140% 160% besser 180% Kraftstoffausnutzung (MVEG-Zyklus) Performance vergleichbar

51 Modulare Aufteilung Hybridantrieb Verantwortung OEM und Conti/ZF OEM Continental/ZF Lenkung Hybridmodul Bremsensteuerung Bremse Motorsteuerung E-Motor Leistungselektronik Getriebe Getriebesteuerung BM Batteriesteuerung Batterie DC/DC converter Strategische Hybridfunktion Operative Hybridfunktion Komponentenfunktionen

52 CO 2 -Reduktion Hybridtechnologie CO 2 -Reduktion von 3 25 % im MVEG und bis zu 30% in der Stadt (Pkw). Mikro-Hybrid Mild-Hybrid Full Hybrid parallel, (leistungsverzweigt, seriell) Mechanische Spitzenleistung E-Maschine 3 kw 5 kw 12 kw 30 kw 60 kw (400 kw) Systemspannung Batterieseite 14 V 42 V 144 V 288 V (600 V) Verbrauchsreduzierung (Stadt) ~ 3 % ~ 5 % ~ 15 % ~ 30 % Start/Stopp Rekuperieren / Boosten Elektrisches Anfahren Elektrisches Fahren 52

53 ZF Full Hybrid

54 Hybrid Doppelkupplungsgetriebe Anordnung der Elektromotoren achsparallel an der Getriebe- Längsseite (Sidepipe-Anordnung)

56 CO 2 -Reduktion Wettbewerb der Getriebekonzepte CO 2 -Reduktion im MVEG- Zyklus + + Performance 56

57 Stufenlose Getriebe in der Werbung

58 Stufenlos Getriebe (CVT) Anwendung/Markt Verbrauch und Fahrleistung Front-Antrieb bis ca. 350 Nm Ca. 2 Mio Getriebe im Markt Vorwiegend Japan und US Zurückhaltung in EU (Gummibandeffekt) Verbrauch vergleichbar mit 6 Gang- Stufenautomat (Stufenlosigkeit contra innere Verluste) Beschleunigung leicht besser Sportlichkeit Komfort Sportliches Fahrverhalten möglich Hohe Verstelldynamik des Variators Komfortoptimales System (keine Schaltung) Hohe Kundenzufriedenheit (JD-Power)

59 Doppelkupplungsgetriebe in der Werbung

60 Doppelkupplungsgetriebe (DCT) Anwendung/Markt Schwerpunkt Front-Quer Antrieb sportliche Fahrzeuge, Markt EU Hohe Drehzahlen möglich Markteinführung 2003 durch VW Weitere Serienanläufe in Vorbereitung (auch Standardantrieb) Sportlichkeit Benchmark im Bereich der Schaltspontaneität Sehr kurze Reaktionszeiten (unterhalb der Wahrnehmungsschwelle) Verbrauch und Fahrleistung Verbrauch vergleichbar mit modernen 6 Gang-Stufenautomat Beschleunigung leicht unter dem Wandlerautomat Komfort Vollwertiges Automatikgetriebe Schaltqualität vergleichbar mit konventionellem Stufenautomat

61 Stufenautomatgetriebe in der Werbung

62 Planetengetriebe (AT) Anwendung/Markt Größter Marktanteil, ca. 28 Mio Getriebe im Markt 4, 5, 6, 7 und 8 Gang Varianten heute verfügbar Einsatz in allen Anordnungen und Antriebsstrangvarianten Verbrauch und Fahrleistung Moderne 6 Gang-Automaten sind Benchmark Verbrauch teilweise besser als Handschaltgetriebe Beschleunigung mit Drehmomentwandler optimal Sportlichkeit Bisherige Entwicklung in Richtung Komfort Neue Getriebegeneration vergleichbar mit DCT Komfort Deutliche Komfortverbesserung durch Entwicklung im Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik Kleinere Gangsprünge Hoher Anfahrkomfort

63 Hybridgetriebe in der Werbung Well, at last he drives a PRIUS

64 Hybridgetriebe Anwendung/Markt Alle OEM bieten Hybridfahrzeuge in unterschiedlichen Technologien am Markt oder als Neuprojekt an. Zur Zeit nur Honda und Toyota mit nennenswerten Marktanteilen In 2010 werden 1 Mio Fzg. prognostiziert Sportlichkeit Grundsätzlich kein sportliches Image. Verbrauch und Fahrleistung Je nach Technologie bis zu 30% Verbrauchseinsparung möglich Durch Boost-Funktion können Fahrleistungsvorteile erzielt werden. Komfort Komfortvorteile durch elektrisches Fahren Zustarten Motor muss optimal appliziert sein.

65 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit