Fahrzeuggetriebe. Sprin ger. Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion. Harald Naunheimer Bernd Bertsche Gisbert Lechner

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1 Harald Naunheimer Bernd Bertsche Gisbert Lechner Fahrzeuggetriebe Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion In Zusammenarbeit mit Joachim Ryborz und Wolfgang Novak 2., bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 488 Abbildungen und 85 Tabellen Sprin ger

2 Inhaltsverzeichnis Bezeichnungen und Formelzeichen XVII 1 Einführung Einleitung Geschichte der Fahrzeuggetriebe Basisinnovationen Entwicklung von Fahrzeugen und Antriebsaggregaten Entwicklungsschritte bei Fahrzeuggetrieben Entwicklung von Verzahnungen und anderen Getriebebauelementen Entwicklung hydrodynamischer Wandler und Kupplungen Erforschung von Phänomenen: Getriebeverluste und Wirkungsgrad Zusammenfassender Überblick 26 2 Überblick über das System Verkehr - Fahrzeug - Getriebe Grundlagen der Verkehrs- und Fahrzeugtechnik Bedeutung des Kraftfahrzeugs in unserer mobilen Welt Entwicklungslinien der Verkehrstechnik Transportsysteme für den Personen- und Güterverkehr Alternative Transportkonzepte Markt- und Entwicklungssituation bei Fahrzeugen und Fahrzeuggetrieben Marktsituation und Produktionszahlen Entwicklungssituation Grundlagen der Fahrzeug- und Getriebetechnik Systematik der Fahrzeuge und des Fahrzeugeinsatzes Warum brauchen Fahrzeuge Getriebe? Haupt- und Nebenfunktionen von Fahrzeuggetrieben, Anforderungsprofil Grundzusammenhänge: Drehrichtung, Übersetzung, Drehmoment Straßenprofile, Lastkollektive, typische Fahrzeugeinsätze und Fahrertypen Elementare Leistungsmerkmale von Fahrzeuggetrieben Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Getrieben Kennwert Achsabstand 60

3 X Inhaltsverzeichnis Kennwert Getriebemasse Kennwert Getriebekosten Getriebegeräusch Getriebeverluste und Wirkungsgrad Trends bei den Getriebebauarten 67 3 Leistungsbedarf und Leistungsangebot Leistungsbedarf Radwiderstand Kraftschluss, dynamischer Radhalbmesser und Schlupf Luftwiderstand Steigungswiderstand Beschleunigungswiderstand Gesamt-Fahrwiderstand Wirkungsgradkennfeld Vielfalt der Antriebsaggregate Übersicht Elektroantrieb mit elektrischem Energiespeicher Elektroantrieb mit Brennstoffzelle Hybridantrieb Leistungsangebot, Motorkennung von Verbrennungsmotoren Drehmoment-/Drehzahlcharakteristik Motorspreizung, Drosselklappenkennfeld Verbrauchskennfeld 98 4 Kennungswandler - Wahl der Übersetzungen Antriebsstrang Gesamtübersetzung und Getriebespreizung Getriebespreizung z' Giges Wahl der größten Übersetzung?A,max Wahl der kleinsten Übersetzung j A, min Endübersetzung Wahl der Zwischengänge Geschwindigkeits-Drehzahl-Diagramm Geometrische Gangabstufung Progressive Gangabstufung Übersetzungen und ihre Änderung bei Stufenlosgetrieben Zusammenarbeit Verbrennungsmotor - Getriebe Zugkraftdiagramm Ermittlung eines Zugkraftdiagramms, Beispiel Motorbremskraft Stufengetriebe mit Trockenkupplung Stufengetriebe mit Drehmomentwandler Fahrleistungen Höchstgeschwindigkeit 127

4 Inhaltsverzeichnis XI Steigvermögen Beschleunigungsvermögen Kraftstoffverbrauch Rechnerische Kraftstoffverbrauchsermittlung, Beispiel Kraftstoffverbrauchsermittlung durch Messung Senkung des Kraftstoffverbrauchs Stufenlosgetriebe Emissionen Dynamisches Verhalten des Antriebsstrangs, Komfort 138 Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte Anordnung des Getriebes im Fahrzeug Personenkraftwagen Nutzkraftwagen Pkw mit Allradantrieb Vereinfachte Darstellung der Quer- und Längsdynamik beim Allradantrieb Bauformen und Bauarten von Getrieben Bauform Bauart Grundsätzlicher Aufbau von Getrieben Schalten mit Zugkraftunterbrechung Schalten ohne Zugkraftunterbrechung Stufenlose Getriebe ohne Zugkraftunterbrechung Stand-, Vorgelege- und Umlauf-Getriebe Lösungsprinzipien für Teilfunktionen, Bewertung Lösungsfindung am Beispiel Rückwärtsgang Pkw-Getriebe Pkw-Handschaltgetriebe (MT) Automatisierte Pkw-Schaltgetriebe (AMT) Pkw-Doppelkupplungsgetriebe (DCT) Pkw-Automatgetriebe (AT) Pkw-Hybridantriebe Pkw-Stufenlosgetriebe (CVT) Nkw-Getriebe Nkw-Handschaltgetriebe (MT) Automatisierte Nkw-Schaltgetriebe (AMT) Nkw-Wandlerschaltkupplungsgetriebe (WSK) Nkw-Automatgetriebe (AT) Nkw-Hybridantriebe Nkw-Stufenlosgetriebe (CVT) Endantriebe Pkw-Achsgetriebe Nkw-Achs- und Nabengetriebe Differentialgetriebe, Differentialsperren und Sperrdifferentiale 229

5 XII Inhaltsverzeichnis Verteilergetriebe Nebenabtriebe Auslegung von Zahnradgetrieben für Fahrzeuge Leistungsgrenzen und Berechnung von Zahnrädern Schadensarten und ihre Ursachen Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit Berechnung der Grübchentragfähigkeit Berechnung der Fresstragfähigkeit Überschlägige Berechnung des Achsabstands Überschlägige Berechnung der Zahnbreiten Betriebsfestigkeit und Lebensdauer Wöhlerlinie Lastkollektiv und Zählverfahren Schadensakkumulationshypothese Entwicklung geräuscharmer Getriebe Getriebegeräusche und ihre Ursachen Weg der Geräusche vom Entstehungsort zum Ohr Beurteilungsmaßstäbe Gegenmaßnahmen Auslegung und Gestaltung von Wellen Fahrzeuggetriebetypische Anforderungen Anordnung von Wellen in Fahrzeuggetrieben Beanspruchung und Festigkeitsauslegung Durchbiegung Schwingungsprobleme Allgemeine Gestaltungshinweise Festigkeitsauslegung einer Getriebeantriebswelle Belastung Lagerreaktionen Die räumliche Balkenbiegung Kraft- und Momentenverläufe Kritischer Querschnitt Spannungen Vorauslegung des Wellendurchmessers Auslegung auf Dauerfestigkeit Auslegung auf Betriebsfestigkeit Gebräuchliche Wellenwerkstoffe Berechnung der Verformung Ablaufdiagramm für die Auslegung von Getriebewellen Schalteinrichtungen Systematik der Schaltelemente Schaltelemente für Getriebe mit Zugkraftunterbrechung Schaltelemente für Getriebe ohne Zugkraftunterbrechung 308

6 Inhaltsverzeichnis XIII Shift-by-wire Auslegung und Gestaltung von Synchronisierungen Anforderungen an Synchronisierungen Ablauf des Synchronisiervorgangs Auslegung von Synchronisierungen Tribologisches System von Synchronisierungen Konstruktive Ausführungen Alternative Getriebesynchronisierungen Detailfragen Auslegung und Gestaltung von Lamellenkupplungen Anforderungen an Lamellenkupplungen Ablauf der Schaltung Auslegung von Lamellenkupplungen Tribologisches System von Lamellenkupplungen Konstruktive Ausführungen Detailfragen Parksperren Mechanisch aktivierte Parksperre Elektrisch aktivierte Parksperre Detailfragen Anfahrelemente Trockenkupplungen Aufbau von Trockenkupplungen Auslegung von Trockenkupplungen Trockene Mehrscheibenkupplungen Nasslaufende Kupplungen Doppelkupplungen Hydrodynamische Kupplungen und Drehmomentwandler Grundlagen Hydrodynamische Kupplungen und ihre Kennlinien Hydrodynamische Wandler und ihre Kennlinien Zusammenarbeit Motor und hydrodynamischer Wandler Praktische Auslegung von hydrodynamischen Wandlern Konstruktive Ausführungen Konstruktionsprinzipien zur Wirkungsgradverbesserung Auslegung und Gestaltung weiterer Konstruktionselemente Lager Auswahl von Wälzlagern Auslegung von Wälzlagern Gestaltung von Wälzlagerungen Gleitlager - Lagerbuchsen und Anlaufscheiben Schmierung von Getrieben, Getriebeschmierstoffe Schmierung von Lagern Grundlagen der Schmierung von Zahnradgetrieben 436

7 XIV Inhaltsverzeichnis Wahl des Schmierstoffs Wahl der Schmierstoffeigenschaften Lebensdauerschmierung bei Fahrzeuggetrieben Prüfung der Fresstragfähigkeit von Getriebeschmierstoffen Ölversorgung und Ölpumpen Ölversorgung Ölpumpen Detailfragen Getriebegehäuse Gestaltung von Getriebegehäusen Entlüftung von Getrieben Abdichtung von Getrieben Dichtungen für ruhende Bauteile Dichtungen für rotierende Bauteile Dichtungen für hin- und hergehende runde Bauteile Einbaubeispiele Abnahmeprüfung zum Erkennen von Undichtigkeit Fahrzeugdauerbremsen Definitionen Motorbremssysteme Retarder Betätigung und Einsatz Beispiele ausgeführter Konstruktionen von Fahrzeuggetrieben Pkw-Getriebe Pkw-Handschaltgetriebe (MT) Automatisierte Pkw-Schaltgetriebe (AMT) Pkw-Doppelkupplungsgetriebe (DCT) Pkw-Automatgetriebe (AT) Pkw-Hybridantriebe Pkw-Stufenlosgetriebe (CVT) Nkw-Getriebe Nkw-Handschaltgetriebe (MT) Automatisierte Nkw-Schaltgetriebe (AMT) Nkw-Wandlerschaltkupplungs-Getriebe (WSK) Nkw-Automatgetriebe (AT) Nkw-Hybridantriebe Nkw-Stufenlosgetriebe (CVT) Endantriebe Pkw-Achsgetriebe Nkw-Achs- und Nabengetriebe Differentialgetriebe und Sperrdifferentiale Allradantriebe, Verteilergetriebe Elektronische Getriebesteuerung Vernetzte Systeme 579

8 Inhaltsverzeichnis XV 13.2 Elektronisches Getriebesteuergerät (TCU) Aufbau der TCU Einsatzbedingungen und Aufbautechnologie Steuerungssysteme Getriebesteller Kupplungssteller Funktionen der Getriebesteuerung Software Weitere Beispiele für Getriebesteuerungssysteme Getriebeabstimmung durch fahrzeugspezifische Bedatung der Getriebesoftware Rechnerunterstützte Getriebeentwicklung Grundlagen und Werkzeuge Fahrsimulation Simulation der Fahrzeuglängsdynamik Streckendatensatz, Streckendatenerfassung Entwicklungsprozess von Fahrzeuggetrieben Produktlebensphasen Produktstrategie, Produktplanung Freigabestufen im Produktentstehungsprozess Konstruktionsprozess und Methodisches Konstruieren Fertigungstechnik von Fahrzeuggetrieben Prozessketten zur Stahlteil-Bearbeitung Weichbearbeitungsverfahren Wärmebehandlungsverfahren Hartbearbeitungsverfahren Prozessketten zur Gussteilbearbeitung Gießverfahren Spanende Bearbeitung von Gussteilen Prozessketten zur Verzahnungsbearbeitung Weichbearbeitungsverfahren Hartbearbeitungsverfahren Prozessketten zur Blechteilbearbeitung Blechtrennung Blechumformung Fertigungs- und Fabrikbetrieb Arbeitsvorbereitung und Planung Produktionssysteme Statistische Prozesslenkung in der Fertigung Zuverlässigkeit und Erprobung von Fahrzeuggetrieben Grundlagen der Zuverlässigkeitstheorie Definition der Zuverlässigkeit 640

9 XVI Inhaltsverzeichnis Statistische Beschreibung und Darstellung des Ausfallverhaltens von Bauteilen Mathematische Beschreibung des Ausfallverhaltens durch die Weibull-Verteilung Zuverlässigkeit bei Systemen Verfügbarkeit von Systemen Zuverlässigkeitsanalyse von Fahrzeuggetrieben Systemanalyse Qualitative Zuverlässigkeitsanalyse Quantitative Zuverlässigkeitsanalyse Erprobung zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit Klassifizierung der Erprobungsprogramme von Fahrzeuggetrieben Prüfstände für die Erprobungsprogramme Simulation bei der Prüfstandserprobung 667 Literaturverzeichnis 670 Firmen-/Getriebeverzeichnis 695 Namenverzeichnis 698 Sachverzeichnis 699