Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler. Dr.-Ing. Klaus Herzog

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1 Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Dr.-Ing. Klaus Herzog

2 Überblick 4.1 Wandler Drehzahlwandler (Kupplungen) hydrodynamische Drehmoment- und Drehzahlwandler 4.2 Getriebe Aufgaben eines PKW-Getriebes Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes Übersetzungsauslegung Stand- und Umlaufgetriebe Getriebebauformen 4.3 Antriebswellen Kreuzgelenke und Kardanwellen Gleichlaufgelenke Tripoden

3 4.1.1 Drehzahlwandler (Kupplungen) Quelle: Sachs

4 Schnitt durch eine Schraubenfederkupplung Kupplungsgehäuse Ausrücklager Getriebeeingangswelle Kupplungsscheibe Druckplatte Blechtöpfe Schraubenfedern Schwungrad Quelle: LuK

5 Kupplung und Zweimassenschwungrad zur Optimierung des Drehschwingungsverhaltens Aufbau Funktionsweise Quelle: LuK

6 Kupplungsmoment Kupplungsmoment M K = µ K F K r mk z K µ K = Reibwert F K r mk z K = Anpresskraft = mittlerer Reibradius = Anzahl der Reibflächen r mk = 2 3 r r 3 a 2 a r r 3 i 2 i r a r i = Außenradius des Kupplungsbelages = Innenradius des Kupplungsbelages

7 Kupplungswirkungsgrad Kupplungswirkungsgrad η K = P P A E = M M A E 2π n 2π n A E Mit Eingangsmoment M E = Ausgangsmoment M A folgt: η K = n n A E

8 Kupplungsbetätigung (Tellerfederkupplung) Quelle: LuK

9 Einkuppelvorgang

10 Übungsaufgabe Berechnen Sie das übertragbare Moment einer Einscheiben- Trockenkupplung. Gegeben sind die folgenden Daten: Belagdurchmesser außen Belagdurchmesser innen Anpresskraft Reibwert d a d i = 190 mm = 130 mm F K = 3,5 kn µ K = 0,2

11 4.1.2 Hydrodynamische Drehmoment- und Drehzahlwandler

12 Wandler-Kennlinien

13 Berechnung von Pumpen- und Turbinenmoment Pumpenmoment n P LW M = Pumpendrehzahl = Lastwert = LW 2 P n P Turbinenmoment M T = M P TR TR = Momentenverhältnis (Torque-Ratio) Lastwert und Momentenverhältnis sind abhängig vom nt Drehzahlverhältnis (Speed-Ratio) SR = n n T = Turbinendrehzahl P

14 Beispiel für Wandlerkennlinien Lastwert LastwertLW in Nm/(U/min) E E E E E E E E E Drehzahlverhältnis SR Momentenverhältnis (Torque Ratio) Momentenverhältnis TR Drehzahlverhältnis SR

15 Zusammenhang zwischen Motorvolllastlinie Pumpen- und Turbinenmoment 300 Motor- bzw. Pumpenmoment Moment in Nm Motor- bzw. Pumpendrehzahl in U/min Motormoment Pumpenmoment bei SR=0 Pumpenmoment bei SR=0,7 Pumpenmoment bei SR=0,8 Pumpenmoment bei SR=0,87 Pumpenmoment bei SR=0,95 Turbinenmoment Moment in Nm Turbinendrehzahl in U/min

16 Wandlerwirkungsgrad Wandlerwirkungsgrad η W = P P A E = M M T P 2π n 2π n T P Mit M T = TR * M P und SR=n A /n P folgt: Wirkungsgradkennlinie des Beispiel-Wandlers η W = TR M M P P SR = TR SR η SR

17 4.2 Getriebe Aufgaben eines PKW-Getriebes Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes Übersetzungsauslegung Stand- und Umlaufgetriebe Getriebebauformen

18 4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes Das Getriebe eines PKW s soll das Motormoment und die Motordrehzahl in ein Antriebsmoment und eine Antriebsdrehzahl wandeln. Hierbei sind folgende Kenngrößen wichtig: Gangübersetzung: i G n = n E A MA = η M G E Spreizung: γ = i i max min n E = n A = M E = M A = η = G Eingangsdrehzahl Ausgangsdrehzahl Eingangsmoment Ausgangsmoment Getriebewirkungsgrad

19 4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes

20 Synchronisierung Quelle: ATZ01/2015

21 Vereinfacht dargestellter Antriebsstrang Quelle: Haken

22 Schaltgetriebe

23 4.2.3 Übersetzungsauslegung Zugkraft: Geschwindigkeit: Z v g g = η = n A mot M i mot g 1 i i sek g i sek 2π r 1 r dyn dyn η A = Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges M mot = Motormoment i g i sek r dyn n mot = Gangübersetzung = Sekundärübersetzung = dynamischer Rollradius = Motordrehzahl

24 Motorkennlinie eines 2 l Ottomotors Motormoment in Nm Moment in Nm Drehzahl in U/min

25 Fahrwiderstände und Antriebskräfte Kraft in N Kraft in N Zugkraft 1.Gang Zugkraft Zugkraft Fahrwiderstand 2.Gang 2.Gang in der Zugkraft Ebene 3.Gang Zugkraft 3.Gang Zugkraft 4.Gang Zugkraft 4.Gang Zugkraft 5.Gang Zugkraft 5.Gang P = 110 kw Fahrwiderstand voll Fahrwiderstand beladen am Berg in der Ebene Fahrwiderstand voll beladen am Berg Geschwindigkeit in km/h Geschwindigkeit in km/h

26 Auslegungskriterien eines Getriebes Der größte Gang wird in Hinblick auf die erreichbare Höchstgeschwindigkeit ausgelegt. Der kleinste Gang legt die minimale Fahrgeschwindigkeit bei eingerückter Kupplung fest, bestimmt das maximale Antriebsmoment an den Antriebsrädern (Steigfähigkeit). Die Getriebeabstufung ist so zu wählen, dass wenn bei maximalen Motormoment runter geschaltet wird, das Überdrehen des Motors ausgeschlossen ist.

27 Stufensprung Stufensprung α G i = z 1 n = z 1 für vf = konst. iz nz Maximal möglicher Stufensprung α Gmax = n n zul Mmax n zul = zulässige Motordrehzahl n Mmax = Drehzahl bei maximalen Motormoment

28 Geometrische Getriebeauslegung α G = konst Drehzahl in U/min Gang 2. Gang 3. Gang Gang 5. Gang Geschwindigkeit in km/h

29 Progressive Getriebeauslegung Bei der progressiven Getriebeauslegung wird der Stufensprung mit steigender Gangnummer immer kleiner Der Progressionsfaktor k beschreibt das Verhältnis aus zwei benachbarten Stufensprüngen α α G,n G,n 1 = k

30 Zugkraftdiagramm bei geometrischer Getriebeauslegung α G = konst Kraft in N Zugkraft 1.Gang Zugkraft 2.Gang Zugkraft 3.Gang Zugkraft 4.Gang Zugkraft 5.Gang P = 110 kw Geschwindigkeit in km/h

31 Drehzahl- Geschwindigkeitsdiagramm bei progressiver Getriebeauslegung Drehzahl in U/min Gang 2. Gang 3. Gang Gang 5. Gang Geschwindigkeit in km/h

32 Zugkraftdiagramm bei progressiver Getriebeauslegung Kraft in N Zugkraft 1.Gang Zugkraft 2.Gang Zugkraft 3.Gang Zugkraft 4.Gang Zugkraft 5.Gang P = 110 kw Geschwindigkeit in km/h

33 Übungsaufgabe Die Achsübersetzung eines Fahrzeugs soll so ausgelegt werden, dass in der Ebene die höchst mögliche Geschwindigkeit erreicht wird. Der Motor des Fahrzeugs hat eine Nennleistung von 108 kw bei 6000 U/min. Verluste im Antriebsstrang können vernachlässigt werden. Fahrzeugmasse Rollwiderstandsbeiwert Luftwiderstandsbeiwert m F = 1600 kg f R = 0,015 c w = 0,34 projizierte Fahrzeugfläche A = 2,5 m 2 Dynamischer Rollradius r dyn = 0,315 m Übersetzungen 1. bis 6. Gang 2,90; 2,33; 1,83; 1,50; 1,27; 1,14

34 Bedarfsmoment eines Pkws in der Ebene bei unterschiedlichen Endübersetzungen unterdrehend v max max- Auslegung überdrehend

35 Übungsaufgabe Bestimmen Sie mit Hilfe der Daten aus der letzten Aufgabe und dem Diagramm den Streckenverbrauch bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h für die verschiedenen Achsübersetzungen. Wie hoch ist das Beschleunigungsvermögen bei dieser Geschwindigkeit für die unterschiedlichen Übersetzungen. Massenträgheitsmomente der rotierenden Massen können vernachlässigt werden. Welche Endgeschwindigkeiten können mit den verschiedenen Übersetzungen erreicht werden?

36 4.2.3 Stand- und Umlaufgetriebe Quelle: Lechner/Naunheimer

37 Zweiwellengetriebe Koaxiales Zweiwellengetriebe Deaxiales Zweiwellengetriebe Quelle: ika

38 Kräfteplan am Planetengetriebe

39 Grundgleichung eines Umlaufgetriebes ω St ( 1+ i ) = ω i + ω 0 H 0 s mit i 0 = r r H S i 0 r H r S ω St ω H ω S = Standübersetzung = Wälzkreishalbmesser Hohlrad = Wälzkreishalbmesser Sonnenrad = Winkelgeschwindigkeit des Steges = Winkelgeschwindigkeit des Hohlrades = Winkelgeschwindigkeit des Sonnenrades

40 Übersetzungen eines Planetensatzes Quelle: ika

41 Kraftschlüssige Schaltkuppelmittel Quelle: ika

42 Aufbau und Schaltschema eines gekoppelten Planetensatzes Quelle: ika

43 Kegelraddifferential Quelle: ika Das Kegelraddifferential ist vom Prinzip her ein Umlaufgetriebe mit gleich großem Hohl- und Sonnenrad.

44 Kegelraddifferential Quelle: Lechner/Naunheimer

45 4.2.4 Getriebebauformen Herkömmliche Getriebe 5-Gang Schaltgetriebe (ZF) 5-Gang Automatikgetriebe (Daimler Chrysler)

46 Schaltbetätigung eines manuellen Getriebes mit Hilfe von Seilzügen

47 Automatisiertes Schaltgetriebe

48 Elektrohydraulischer Kupplungsaktuator

49 Funktionsschema eines Doppelkupplungsgetriebes Doppelkupplung Antrieb Abtrieb 2. Gang 4. Gang 3. Gang 1. Gang

50 Kompaktes 6-Gang Doppelkupplungsgetriebe (GFT)

51 Kompaktes 6-Gang Doppelkupplungsgetriebe Quelle: VW

52 7-Gang Doppelkupplungsgetriebe (Daimler) Technische Daten: Gewicht: 81,2 kg Max. Eingangsmoment: 350Nm Spreizung (Otto; Diesel): 7,142; 7,990 Quelle: ATZ12/2011

53 Ausführung einer nassen Doppelkupplung Quelle: Daimler

54 Stufenloses Getriebe (Audi, LuK) Variator

55 Stufenloses Getriebe (Audi, LuK)

56 Variator (Audi, LuK)

57 Variator mit Schubgliederband (Van Doorne s Transmissie VDT)

58 Kennfeld eines stufenlosen Getriebes Ge schwindigke it in km/h Drosselklappenstellung in %

59 Verbrauchsoptimierte Regelkennlinie 200 Spez. Kraftstoffverbrauch in g/kwh Moment in Nm Drehzahl in U/min

60 Elektrisches Getriebe Quelle: VW

61 3D-Modell eines elektrischen Getriebes Quelle: VW

62 Vergleich verschiedener Getriebekonzepte

63 4.3 Antriebswellen Kreuzgelenke und Kardanwellen Gleichlaufgelenke Tripoden

64 4.3.1 Kreuzgelenke und Kardanwellen Kreuzgelenk ω 1 cosβ ω 2 = 1-sin 2 β sin 2 α 1 ω 1 = Winkelgeschwindigkeit Welle 1 ω 2 = Winkelgeschwindigkeit Welle 2 α 1 = Drehwinkel Welle 1 β = Beugewinkel

65 Drehungleichförmigkeit durch ein Kreuzgelenk

66 Doppelgelenkwellen Mit Hilfe eines zweiten Kreuzgelenkes können die Drehungleichförmigkeiten von Drehzahl und Moment bei Anordnung in Z- oder W-Konfiguration und gleichen Beugewinkeln vermieden werden. Dies gilt allerdings nicht für die Zwischenwelle.

67 4.3.2 Gleichlaufgelenk (homokinetisches Gelenk) Quelle: Seherr-Thoss Quelle: GKN Bei Gleichlaufgelenken werden die Kräfte über Kugeln übertragen. Die Kantaktbahnen der Kugeln sind so angeordnet, dass sich keine Drehzahl- und Momentenungleichförmigkeit ergibt.

68 4.3.3 Tripoden-Antriebswelle Quelle: Drexler

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