Leistungsübertragung in Fahrzeuggetrieben

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1 Eckhard Kirchner Leistungsübertragung in Fahrzeuggetrieben Grundlagen der Auslegung, Entwicklung und Validierung von Fahrzeuggetrieben und deren Komponenten Mit 532 Abbildungen und 58 Tabellen 4y Spri nneer

2 1 Einführung Aufgaben des Fahrzeuggetriebes Ziel und Schwerpunkt Beschreibung der mechanischen Schnittstellen Gliederung 9 2 Antriebstrang- und Getriebekonzepte für PKW und Nutzfahrzeuge PKW mit Frontantrieb Heckangetriebene PKW Sonderformen des PKW-Antriebstranges Allradfahrzeuge Mittelmotorkonzepte für Sportwagen Nutzfahrzeuge und Busse Lastkraftwagen Busse Automatisierungsgrade von Fahrzeuggetrieben Teilautomatisierte PKW- und NKW-Schaltgetriebe Vollautomatische Schaltgetriebe Manuelle Schaltgetriebe Getriebe für den Frontquereinbau Getriebe für frontgetriebene Fahrzeuge mit Längsmotor Getriebe für Fahrzeuge mit Heckantrieb Beispiele für Sportwagen-Schaltgetriebe Manuell schaltbares Gruppengetriebe 16S Teil- und vollautomatische Getriebe Sequentielle, teilautomatisierte Getriebe Doppelkupplungsgetriebe Stufenautomatikgetriebe Stufenlose Automatikgetriebe 57

3 Systemauslegung von Antriebsträngen Vorbemerkungen und Definitionen Vorzeichenkonvention und Übersetzungen Relativdrehzahlen Verluste, Wirkungsgrad und Schleppmoment Fahrleistung und Verbrauch Ideale Zugkrafthyperbel und allgemeine Fahrwiderstände Einfluss und Auslegung von Getriebeübersetzungen Verbrauchsaspekte Fahrleistung und Beschleunigungsvermögen Lastannahmen für die System- und Komponentenauslegung Auslegungslebensdauer Missbrauchslasten Lastkollektive für die Betriebsfestigkeitsanalyse Komfortanforderungen Lastenheft, Systemkonfiguration und Entwicklungsprozess Lastenheftersteilung Identifikation möglicher Systemkonfigurationen Entwicklungsprozess 108 Auslegung und Charakteristika spezieller Systeme und Baugruppen von manuellen Schaltgetrieben Kupplungen und Schwungräder Aufbau des Kupplungsmoduls im Fahrzeuggetriebe Belagmaterialien und ihre Belastungsgrenzen Auslegung des Kupplungssystems Mechanismen zur Selbstnachstellung Kupplungsbetätigung Prinzipieller Aufbau von Doppelkupplungen Wellen und Räder Gestaltung und Auslegung von Wellen Festigkeitsnachweis von Getriebewellen Gestaltung von Rädern Auslegung von Verzahnungen Leistungsgrenzen, Tragbilder und Tragfähigkeitsgrenzen Achsabstand, Zahnbreite und Schrägungswinkel Überprüfung der Vorauslegung Nachweis von Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit Verzahnungskräfte bei Stirnradstufen Besonderheiten von Kegelrädern Qualitätssicherung und Optimierungsansätze Synchronisation Aufbau der Synchronisation Phasen des Synchronisationsvorgangs Auslegung der Synchroneinheiten 227

4 XI Fehlfunktionen Reibbeläge für Synchronisationen Komponenten der Schaltbetätigung Schalten und Wählen - Externe Schaltung Komponenten der Innenschaltung Rastierelemente Architektur, Komponenten und Baugruppen automatisch schaltender PKW-Getriebe Kommunikation zwischen Fahrzeug, Motor und Getriebe Teilautomatisierung manueller Schaltgetriebe Automatisierungsstrategie - Änderungsumfang Komponenten zur Teilautomatisierung Doppelkupplungssystem Der mechanische Aufbau von Doppelkupplungsgetrieben Vergleich trocken und nass laufender Doppelkupplungen Aktuatorik und Regelung Aufbau und Betätigungselemente von Stufenautomatgetrieben Architektur und Leistungsfluss Leistungsführende Schaltelemente Betätigungselemente von Stufenautomatikgetrieben Drehmomentwandler für Stufenautomaten Prinzip der hydrodynamischen Leistungsübertragung Auslegung des Wandlers Wandlerüberbrückungskupplung Entwicklungstrends Planetensätze Aufbau und Besonderheiten Der einfache Planetensatz Graphische Verfahren - Momenten- und Drehzahlplan Aufwändigere und verkettete Planetensätze Planetensätze mehrstufiger Stufenautomatgetriebe Spezielle mechanische Komponenten stufenloser Getriebe Wirkprinzipien mechanischer Stufenlosgetriebe Abschätzung der Verlustleistungen Ausgewählte Komponenten des Kegelringgetriebes Leistungsübertragung in Umsclilingungstrieben Allgemeine Komponenten der Fahrzeuggetriebe Differentiale - Ausgleichsgetriebe Achsparalleler An- und Abtrieb Winkliger An- und Abtrieb Differentiale mit Sperrwirkung Achs- und Längswellen und Gelenke Achswellen 440

5 6.2.2 Längswellen Kreuzgelenke Leistungsverteilende Komponenten für Allradfahrzeuge Systematik von Allradantrieb und Leistungsverteilung Leistungsverteilung in Fahrzeuglängsrichtung Aktive Leistungsverteilung Wälzlagerungen Wälzlager in Fahrzeuggetrieben Dimensionierung auf Betriebsfestigkeit Nadel- und Rollenlager für die Lagerung von Losrädern Kegel-, Rollen- und Kugellager für die Wellenlagerung Wälzlagerungen für Komfortbauteile der Schaltung Lagerschäden: Ursachen und Auswirkungen Gehäuse, Dichtung und BeÖlung Mechanische Funktionen des Gehäuses Dichtkonzepte bei mehrteiligen Gehäusen BeÖlung - Ol als Konstruktionselement 496 Leistungsübertragung in Nutzfahrzeuggetrieben Nutzfahrzeuggetriebe mit mechanischer Leistungsübertragung Integration des Getriebes in den Triebstrang Gruppenbauweise Automatisierungsstrategien Nutzfahrzeugantriebe mit hydraulischer Leistungsübertragung Nutzfahrzeuggetriebe mit hydraulischen Komponenten Vario-Getriebe von Fendt DIWA-Getriebe von Voith Hydraulisch betätigter optionaler Allradantrieb Spezielle Komponenten Klauenschaltung Hydrodynamische Strömungsbremse - Retarder Hydropumpen und -motoren 550 Leistungsübertragung in Hybridfahrzeugen Allgemeines Geschichtlicher Hintergrund Grundstrukturen der Hybridantriebe Einteilung nach der installierten Leistung Verbrauchsaspekte Betriebstrategien und Antriebstrangkonfiguration Hybridkonzept des Toyota Prius Elektrischer Allradantrieb Two-Mode-Hybrid System Leistungsübertragung bei Brennstoffzellenfahrzeugen 585

6 XIII 9 Komfortaspekte Subjektive Einflussfaktoren und Ansätze zur Objektivierung Schwingungen des Antriebstrangs Rupfen Ruckein Lastwechselstöße und -geräusche Schwingungen und Geräusche bei Allradsystemen Mögliche Schwingungstilgung beim Hybridantrieb Zugkraftunterbrechung und Lastwechsel Wesen von Zugkraftunterbrechung und Lastwechsel Schaltkomfort automatisierter Schaltgetriebe Doppelrückschaltungen bei Doppelkupplungsgetrieben Zugkraftunterbrechung bei Hybridkonzepten Schaltkomfort Begriffsklärung und relevante Kenngrößen Phänomene des Schaltkratzens Fahrversuch, Prüfstand und Rechnung Maßnahmen zur Schaltkomfortoptimierung Geräusche und Schwingungen von Schaltung und Kupplung Vibrationen des Kupplungspedals Wählrauhigkeit Vibrationen im Schaltsystem Getriebegeräusche Getriebeheulen oder -pfeifen Getrieberasseln oder -klappern Maßnahmen zur Geräuschreduzierung Schaltgeräusche Lagergeräusche Validierung: Möglichkeiten und Konzepte Validierung und Entwicklung im Fahrzeug Dauerlauferprobung auf Komponentenprüfständen Prüfstände für Fahrmanöver und Komfortentwicklung Komponenten- und Funktionsprüfstände Prüfstände für Sondermanöver Möglichkeiten und Grenzen der virtuellen Validierung Vertrauenskennziffer Methoden der Strukturmechanik Mehrkörpersimulationsverfahren Strömungsmechanische Verfahren Road-to-Rig-to-Math Strategie 654

7 XIV Inhaltsverzeichnis A Erweiterungen der elementaren Festigkeitslehre 655 A.l Hertz'sche Flächenpressung 655 A.l.l Vorbemerkungen 656 A.l.2 Punktberührung 658 A.l.3 Linienberührung 664 A.2 Grundzüge der Betriebsfestigkeit 666 A.2.1 Das Wöhlerschaubild 666 A.2.2 Original Palmgren-Miner-Regel 672 A.2.3 Relative Palmgren-Miner-Regel 674 A.2.4 Elementare Palmgren-Miner-Regel 675 A.2.5 Schädigungsäquivalenz 675 B Kurzlösungen zu den Auslegungsaufgaben 679 Literaturverzeichnis 683 Sachverzeichnis 693