Harald Naunheimer Bernd Bertsche Gisbert Lechner Fahrzeuggetriebe

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1 Harald Naunheimer Bernd Bertsche Gisbert Lechner Fahrzeuggetriebe

2 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 123

3 Dr.-Ing. Harald Naunheimer Leiter Entwicklung Pkw-Automatgetriebe ZF Getriebe GmbH Graf-von-Soden-Platz Friedrichshafen Professor Dr.-Ing. Gisbert Lechner Professor Dr.-Ing. Bernd Bertsche Geschäftsführender Direktor Universität Stuttgart Institut für Maschinenelemente Pfaffenwaldring Stuttgart Unter Mitarbeit von Dr.-Ing. Joachim Ryborz Technischer Projektleiter Entwicklung Getriebe für Transporter und leichte Nkw ZF Friedrichshafen AG Ehlersstraße Friedrichshafen Dipl.-Ing. Wolfgang Novak Wissenschaftlicher Mitarbeiter Universität Stuttgart Institut für Maschinenelemente Pfaffenwaldring Stuttgart Zuvor erschienen unter: Lechner/Naunheimer, Fahrzeuggetriebe. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Digitale Vorlage der Autoren Herstellung: LE-TEXJelonek, Schmidt& VöcklerGbR, Leipzig Einbandgestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3100/YL

4 Vorwort zur 2., überarbeiteten und erweiterten Auflage Fahrleistungen steigern, Fahr- und Bedienkomfort erhöhen, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöhen, Gewicht und Bauraum reduzieren, Wirkungsgrad verbessern, Markenimage unterstreichen, Kosten reduzieren und über allem steht: Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen senken. Das sind Anforderungen bei der Neu- und Weiterentwicklung von Fahrzeuggetrieben. Die Märkte und Marktmechanismen für Pkw und Nkw sind unterschiedlich und damit auch die Gewichtung der Anforderungen. Gemeinsam ist, dass die vorgenannten Anforderungen zwangsläufig zu Zielkonflikten führen. Ansätze zu deren Lösung sind einsatzoptimierte individuelle Getriebelösungen, höhere Integration von Submodulen in das Getriebe, das Einbringen von mehr Funktionalität und die Vernetzung mit anderen Fahrzeugkomponenten. Seit dem Erscheinen der 1. Auflage im Jahr 1994 hat sich auf dem Fahrzeug- und Getriebesektor viel getan! Bei Pkw bewirkt der Trend zur Individualisierung eine starke Segmentierung mit zahlreichen Fahrzeugklassen. Das hat auch bei den Getrieben zu einer starken Diversifizierung der Getriebebauarten mit individuellen Lösungen und konkurrierenden Konzepten geführt: Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), konventionelle Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) und Hybridantriebe (Hybrid). Es gibt nicht mehr nur schwarz oder weiß, Handschalt- oder konventionelle Automatgetriebe, wie noch Bei Nkw-Getrieben sind die mechanischen Stufengetriebe mit 6 bis 16 Gängen in Ein- oder Mehrgruppenbauweise Standard. Im Segment der schweren Nutzfahrzeuge haben sich vor allem in Europa die Automatisierten Schaltgetriebe (AMT) durchgesetzt. Ihr Weg ging über teilautomatisierte Bauarten bis hin zum vollautomatisierten Getriebe. Durch die zunehmende Integration von Peripherieteilen und Submodulen in das Getriebe entstehen kompaktere, leichtere und zuverlässigere Aggregate. Viele Innovationen im Bereich Fahrzeuggetriebe werden maßgeblich von Elektrik, Elektronik, Aktuatorik und Sensorik bestimmt. Ein großer Anteil der Funktionalität und damit des Kundennutzens von Getriebesystemen wird über Software realisiert. Das Mehr an Funktionsinhalten und die Vernetzung mit anderen Komponenten des Fahrzeugs führt auch zu veränderten Verantwortungsschnittstellen zwischen Fahrzeug- und Getriebeherstellern. Die richtige Einschätzung der Markt-, Technik-, und Technologietrends ist von hoher Bedeutung. Es gilt, die zukünftigen Anforderungen frühzeitig zu erkennen, zu bewerten und daraus Strategien und neue Produkte abzuleiten, diese kostengünstig und mit hoher Qualität zu entwickeln und in Serie zu bringen. Es ist das Ziel dieses Buchs, dazu einiges an Rüstzeug zu vermitteln. Es will den Produktentstehungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen.

5 VI Vorwort zur 2., überarbeiteten und erweiterten Auflage Mit der 2. Auflage werden Neuerungen auf dem Gebiet der Fahrzeuggetriebe in die bewährte Systematik der 1. Auflage eingebettet. Etwa 40 % des Inhalts der 2. Auflage ist neu oder mit neuen Daten überarbeitet. Es geht aber nach wie vor nicht darum, die allerletzten Entwicklungen zu zeigen oder alle Feinheiten vorzustellen. Vielmehr soll das Grundlegende und Allgemeingültige vermittelt werden. Dazu werden theoretische Grundlagen dargelegt und neben aktuellen Konstruktionen auch Getriebesysteme erläutert, die nicht mehr in Produktion sind. Ohne die tatkräftige Arbeit der Mitautoren Joachim Ryborz und Wolfgang Novak wäre dieses Buch nicht entstanden. Sie haben durch große Zeitopfer mit ihren Textbeiträgen, Recherche- und Organisationsarbeiten wesentlich zum Gelingen beigetragen. Um den Praxisbezug stärker herauszustellen, haben bei der 2. Auflage des Buchs auch Fachleute aus unterschiedlichen Teilgebieten und Firmen ihr Wissen eingebracht. Ihnen gilt unser Dank: Historie: Hans-Jörg Dach (ZF); Pkw-MT/AMT: Christian Hoffmann (Getrag); Pkw-DCT: Michael Schäfer (VW), Michael Kislat (VW), Michael Ebenhoch (ZF); Pkw-AT: Christoph Dörr (Mercedes-Benz); Pkw/Nkw-Hybrid: Stefan Kilian (ZF); Pkw-CVT: Peter Schiberna (Audi); Nkw-AMT: Carsten Gitt (Mercedes-Benz); Nkw-CVT: Karl Grad (ZF); Verzahnung: Franz Joachim (ZF); Betriebsfestigkeit: Karl-Heinz Hirschmann (Uni Rostock); Akustik: Martin Hildebrand (Ford); Äußere Schaltung: Andreas Giefer (ZF); Lamellenkupplungen: Dietmar Frey (ZF); Trockenlaufende Kupplungen: Benedikt Schauder (ZF Sachs); Nasslaufende Doppelkupplungen: Johannes Heinrich (BorgWarner); Lager: Oskar Zwirlein (FAG); Dichtungen: Werner Haas (Uni Stuttgart); Retarder: Reinhold Pittius (Voith); Allrad: Dieter Schmidl (Magna Powertrain), Andreas Allgöwer (Getrag), Hubert Gröhlich (VW); Elektronische Getriebesteuerung: Josef Schwarz (ZF); Berechnungswerkzeuge: Marco Plieske (ZF); Fahrsimulation: Friedemann Jauch (ZF); Fertigung: Christian Wagner (ZF); Erprobung: Peter Brodbeck (Porsche) sowie vielen anderen, die uns mit Rat und Expertise unterstützt haben. Für aktuelles und praxisnahes Bildmaterial danken wir den Firmen: Allison, Audi, BMW, BorgWarner, Eaton, Ford, Getrag, Honda, LuK, Magna Powertrain, Mercedes-Benz, Opel, Porsche, Toyota, Voith und VW. Besonderer Dank für all die gegebene Unterstützung bei der Entstehung dieses Buchs gilt der ZF. Unterstützt wurden wir bei Recherche- und Satzarbeiten durch Silvia Haudek und Johannes Pfahler. Für das professionelle Lektorat danken wir Christine Hebig. Die vielen Bilder hat Alexander Sperling mit großer Sorgfalt aufbereitet bzw. neu erstellt. Ihm gilt unser Dank. Dem Springer-Verlag ist für die gute Zusammenarbeit zu danken. Unser besonderer Dank gebührt unseren Familien für große Geduld, Verständnis und Unterstützung während den drei Jahren der Ausarbeitung. Im Jahr 2002 verstarb Prof. Dr.-Ing. Gisbert Lechner, Begründer des Lehrgebiets Fahrzeuggetriebe am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart. Er war Initiator und Autor der 1. Auflage des Buchs Fahrzeuggetriebe. Die 2. Auflage sehen wir als Würdigung und Fortführung seiner Arbeit. Friedrichshafen und Stuttgart Februar 2007 Harald Naunheimer Bernd Bertsche

6 Vorwort H. Reichenbächer hat 1953 das erste Konstruktionsbuch über Fahrzeuggetriebe verfasst. Damals fertigte die deutsche Automobilindustrie Fahrzeuge: Personen-, Kombinations-, Lastkraftwagen, Kraftomnibusse und Straßenzugmaschinen lag die Produktion bei 5,2 Millionen. Entsprechend dem damaligen Stand der Technik konnte sich das Buch von Reichenbächer mit wenigen wesentlichen Punkten befassen: Grundformen der Getriebe, Wahl der Getriebestufen, Stand-Getriebe, Umlauf-Getriebe, Berechnung der Zahnräder, Föttinger- Kupplung und Strömungswandler. Fahrzeug- und Getriebetechnik waren und sind einer steten Evolution unterworfen. Der heutige Stand der Technik ist gekennzeichnet vom Systemdenken: Umwelt Verkehr Fahrzeug Getriebe. Fragen wie Wirtschaftlichkeit, Umwelt- und Benutzerfreundlichkeit stehen im Vordergrund. Der Gebrauchsnutzen eines Getriebes ist gekennzeichnet durch seinen Einfluss auf das Zugkraftangebot, auf den Kraftstoffverbrauch sowie auf Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Geräuscharmut und Bedienerfreundlichkeit des Fahrzeugs. Sowohl in der Entwicklungsmethodik als auch in der Werkstofftechnologie und nicht zuletzt in der Festigkeitsberechnung ergeben sich neue Möglichkeiten, die bei einer modernen Entwicklung genutzt werden müssen. Wir erinnern an Betriebsfestigkeitsberechnungen, an die Einführung gezielter Zahnflankenkorrekturen, an die Berücksichtigung der Gehäuseverformung und an die Notwendigkeit zum Leichtbau. Die konstruktive Ausführung der Getriebe wurde durch viele Varianten bereichert. Die handgeschalteten zweistufigen Vorgelegegetriebe, bevorzugt für Motor-Längsanordnung, und die einstufigen Vorgelegegetriebe, bevorzugt für Motor-Queranordnung, werden heute durch viele Sonderbauformen ergänzt: z.b. Automatgetriebe, Stufenlosgetriebe, Wandlerschaltkupplungsgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe oder Getriebe für Allradantrieb. Motor und Getriebe müssen zunehmend als eine Funktionseinheit betrachtet werden. Man spricht von Powertrain-Matching und von Motor-/Getriebemanagement. Dies kann nur erreicht werden, wenn sowohl im Motorbereich als auch im Getriebebereich elektronische Bauteile mit mechanischen Bauteilen integriert und verknüpft werden. Das in den 60er Jahren entstandene Methodische Konstruieren und der zunehmende Rechnereinsatz für Auslegung, Simulation und Konstruktion (CAD) führen zu immer kürzeren Entwicklungszeiten. Diese werden auch von der Notwendigkeit zur Wettbewerbsfähigkeit erzwungen. Hierzu leistet auch eine systematische Produktplanung ihren Beitrag. Es war daher notwendig, das Konstruktionsbuch Fahrzeuggetriebe von Grund auf neu zu gestalten. Den modernen Entwicklungen war Rechnung zu tragen. Dabei macht die Auffächerung der Problemvielfalt bei der Getriebeentwicklung die Auswahl des Stoffs für diese völlige Neufassung des Buchs Fahrzeuggetriebe schwer, zumal ein vorgeschriebener Rahmen nicht überschritten werden kann.

7 VIII Vorwort Nicht jedes Element des Fahrzeuggetriebes kann im Detail behandelt werden. Dort, wo auf fundierte Literatur zurückgegriffen werden kann, wurde versucht, den Text knapp zu halten und auf die Literatur zu verweisen. Ziel des jetzt vorgelegten Buchs ist es, die Entwicklung von Fahrzeuggetrieben im steten Systemverbund mit der Entwicklung der Fahrzeuge darzustellen. Nur wer diese Wechselwirkung aktiv berücksichtigt, kann zu einer wettbewerbsfähigen Getriebekonstruktion kommen. Es gilt, die Grundzusammenhänge zwischen Antriebsaggregat, Fahrzeug und Getriebe einerseits, sowie dessen Funktionsausprägungen wie optimale Gangwahl, richtiger Stufensprung, Zugkraftdiagramm, Kraftstoffverbrauch, Lebensdauer und Zuverlässigkeit andererseits aufzuzeigen. Natürlich war es auch ein Hauptanliegen, die unterschiedlichen konstruktiven Ausprägungen moderner Fahrzeuggetriebe in geeigneten Konstruktionszeichnungen darzustellen. Das Buch wendet sich an alle Ingenieure und Studenten der Fahrzeugtechnik, besonders aber an ausführende und leitende Ingenieure einer Getriebeentwicklung. Es soll als Nachschlagewerk für alle zur Getriebeentwicklung wichtigen Informationen dienen, und es soll darüber hinaus durch ein umfangreiches Literaturverzeichnis den Zugang zu weiterführendem und vertiefendem Schrifttum ermöglichen. Ohne die Mithilfe zahlreicher Personen wäre dieses Buch nicht entstanden! Für Recherchenarbeit und für die Bearbeitung von Kapiteln danken wir Frau Dr.-Ing. Heidrun Schröpel, den Herren Dipl.-Ing. Wolfgang Elser, Dr.-Ing. Ekkehard Krieg, Dr.-Ing. Winfried Richter, Dipl.-Ing. Thomas Spörl, Dipl.-Ing. Thilo Wagner, Dr.-Ing. Georg Weidner und Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Winkler. Darüber hinaus haben zahlreiche Hilfsassistenten und Bearbeiter von Diplomarbeiten wichtige Detailarbeit geleistet. Frau Christine Häbich danken wir für das professionelle Korrekturlesen. Vielen Mitarbeitern und wissenschaftlichen Hilfskräften des Instituts für Maschinenelemente (IMA) danken wir für die Durchsicht von Fachkapiteln und das Aufspüren von Druckfehlern. Ohne praxisnahes aktuelles Bildmaterial kann ein solches Buch nicht entstehen. Die Verfasser haben einer ganzen Reihe von Firmen für die Zurverfügungstellung von Bildern zu danken: Audi AG, BMW AG, Eaton GmbH, Fichtel & Sachs AG, Ford Werke AG, GETRAG, Mercedes-Benz AG, Adam Opel AG, Dr.-Ing. h.c. Porsche AG, und Volkswagen AG. Besonderer Dank gilt der ZF Friedrichshafen AG, die unseren vielen Bilderwünschen gegenüber immer aufgeschlossen war. Unser Dank gebührt auch dem Springer-Verlag für die Bereitschaft, dieses Buch herauszugeben. Dabei möchten wir besonders Herrn M. Hofmann danken, er hat den Glauben an das Erscheinen dieses Buchs nie aufgegeben, und er hat mit sanftem, aber bestimmtem Druck dieses Erscheinen letztendlich erreicht. Herr Dr. Merkle hat dann dieses Werk zur Druckreife gebracht. Ebenfalls zu danken haben wir dem Herausgeber der Reihe Konstruktionsbücher, Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. e.h. Gerhard Pahl für seine Geduld und seinen Rat. Dank gebührt nicht zuletzt auch unseren Familien für ihr Verständnis und ihre Unterstützung. Stuttgart, im Mai 1994 Gisbert Lechner Harald Naunheimer

8 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 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

9 X Inhaltsverzeichnis Kennwert Getriebemasse Kennwert Getriebekosten Getriebegeräusch Getriebeverluste und Wirkungsgrad Trends bei den Getriebebauarten 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 Kennungswandler Wahl der Übersetzungen Antriebsstrang Gesamtübersetzung und Getriebespreizung Getriebespreizung i G,ges Wahl der größten Übersetzung i A,max Wahl der kleinsten Übersetzung i 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

10 Inhaltsverzeichnis XI Steigvermögen Beschleunigungsvermögen Kraftstoffverbrauch Rechnerische Kraftstoffverbrauchsermittlung, Beispiel Kraftstoffverbrauchsermittlung durch Messung Senkung des Kraftstoffverbrauchs Stufenlosgetriebe Emissionen Dynamisches Verhalten des Antriebsstrangs, Komfort 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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 Literaturverzeichnis Firmen-/Getriebeverzeichnis Namenverzeichnis Sachverzeichnis

16 Bezeichnungen und Formelzeichen Eine Formel, die man nicht ableiten kann, ist eine Leiche im Gehirn /C. Weber/ Die Verknüpfung physikalischer Größen erfolgt mit mathematischen Gleichungen. Dabei wird zwischen zwei Schreibweisen unterschieden: Größengleichungen, Zahlenwertgleichungen. Größengleichungen Größengleichungen sind unabhängig von der gewählten Einheit und gelten grundsätzlich. Jedes Formelzeichen stellt die Kurzbezeichnung einer physikalischen Größe dar, die verschiedene Werte annehmen kann: Wert der Größe = Zahlenwert Einheit. Beispiel: Für die Leistung P gilt allgemein P = T ω. (1) Dabei steht T für Drehmoment und ω für Winkelgeschwindigkeit. Zahlenwertgleichungen Kehrt eine Gleichung häufig wieder oder enthält sie Konstanten und Materialwerte, so werden die Einheiten zweckmäßigerweise zusammengefasst, die Einheiten sind dann nicht mehr frei wählbar. In Zahlenwertgleichungen verkörpern die Formelzeichen nur den Zahlenwert einer Größe. Bei Zahlenwertgleichungen sind deshalb die Einheiten genau vorzuschreiben. Beispiel: Zur praktischen Berechnung der Leistung P in kw, bei gegebener Drehzahl n in 1/min, wird die Gl. (1) in die Zahlenwertgleichung T n P = (2) 9550 umgeformt. Für die Zahlenwertgleichung (2) gilt die Vorschrift P in kw, T in Nm und n in 1/min.

17 XVIII Bezeichnungen und Formelzeichen Bezeichnungen und Formelzeichen (nur soweit sie häufiger verwendet werden, sonst siehe Text) A Fläche, Querspantfläche = Projektion der Fahrzeugstirnfläche A R Reibfläche der Synchronisierung A(t) Verfügbarkeit B 10 System-Lebensdauer für eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 % B x System-Lebensdauer für eine Ausfallwahrscheinlichkeit von x % C Wälzpunkt, dynamische Tragzahl, Konstante D Durchmesser, Schädigung D Koll Schadenssumme D tat Tatsächliche Schadenssumme D th Theoretische Schadenssumme E Elastizitätsmodul F Kraft F B Bremskraft F H Handkraft, Hangabtriebskraft F L Luftwiderstand, Lagerkraft F Q Querkraft F R Radwiderstand F S Seitenkraft F St Steigungswiderstand F U Umfangskraft F Z Zugkraft F Z,A Zugkraftangebot F Z,B Zugkraftbedarf F a Beschleunigungswiderstand, Axialkraft F ax Anpresskraft der Kupplungsdruckplatte F n Normalkraft F r Radialkraft F t Tangentialkraft F(t) Verteilungsfunktion, Ausfallwahrscheinlichkeit G R Radlast J Massenträgheitsmoment K G Getriebekennwert K H Vorschaltsplit-Konstante High K Haupt Konstante Hauptgetriebe K L Vorschaltsplit-Konstante Low K R Konstante Range L Lebensdauer, Schallpegel M b Biegemoment M t Torsionsmoment M v Vergleichsmoment N Anzahl der Lastwechsel, Bruchspielzahl, Bauteillebensdauer

18 Bezeichnungen und Formelzeichen XIX P P A P Z,B P m Q R R e R m R(t) S S B S H S L S T T T B T K T L T M T R T S T Z U V V H W W A W b W t a b b 0 b S b e b s c c W c m c p c s c u Leistung, äquivalente Lagerbelastung Flächenbezogene Reibleistung Bedarfsleistung am Rad Mittlere Reibleistung während der Rutschzeit einer Synchronisierung Querkraft, Volumenstrom Reaktionskraft, Spannungsverhältnis Streckgrenze Zugfestigkeit Überlebenswahrscheinlichkeit, Zuverlässigkeit Sicherheitsbeiwert, Sperrsicherheit bei Synchronisierungen, Schlupf, Sperrwert, Kegelscheibenradius Bremsschlupf Nachschaltsplitter High Nachschaltsplitter Low Treibschlupf Drehmoment, Charakteristische Lebensdauer Beschleunigungsmoment (Synchronisierung), Sperrmoment (Differential) Kupplungsmoment Lastmoment Motormoment Reibmoment, Rutschmoment Schleppmoment Öffnungsmoment (Synchronisierung) Umdrehungen Verdrängungsvolumen (Ölpumpen) Gesamthubvolumen Widerstandsmoment, Arbeit, aufnehmbare Arbeit, Reibarbeit Flächenbezogene (spezifische) Reibarbeit Widerstandsmoment gegen Biegung Widerstandsmoment gegen Torsion Beschleunigung, Achsabstand Formparameter, Ausfallsteilheit, Baulänge, Breite, Kraftstoffverbrauch Größenfaktor Oberflächenfaktor Spezifischer Kraftstoffverbrauch Streckenverbrauch Steifigkeit, Absolutgeschwindigkeit Luftwiderstandsbeiwert Maschinenfähigkeitsindex Prozessfähigkeitsindex Zahnfedersteifigkeit Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit

19 XX Bezeichnungen und Formelzeichen c γ Zeitlich durchschnittlicher Wert der Zahnfedersteifigkeit d Durchmesser e Exzentrizität f Durchbiegung, Frequenz f R Rollwiderstandsbeiwert f (t) Dichtefunktion g Erdbeschleunigung h i Lastschwingspielzahl i Übersetzung, Zylinderzahlhalbierende i A Antriebsstrangübersetzung (vom Motor bis zu den Rädern) i E Endübersetzung i E,A Übersetzung des Achsgetriebes i E,N Übersetzung des Nabengetriebes i E,V Übersetzung des Verteilergetriebes i G Getriebeübersetzung i G,ges Spreizung, Übersetzungsbereich i K Konstantenübersetzung, Kegelscheibenradienverhältnis i S Übersetzung des Anfahrelements j Anzahl der Reibflächen k Exponent der Wöhlerliniengleichung k(ν) Kennwert eines hydrodynamischen Wandlers m Modul der Verzahnung, Masse, Längenmaßstab (Wandler) m F Fahrzeugmasse m n Normalmodul n Drehzahl, Anzahl, Lastspielzahl, Lageranzahl n M Motordrehzahl p Flächenpressung, Druck, Radpaaranzahl, Lebensdauerexponent p me Effektiver Mitteldruck im Zylinder eines Verbrennungsmotors q Steigung q Steigung in % r Radius, Redundanzgrad eines Systems r dyn Dynamischer Reifenhalbmesser s Weg, Schaltweg der Schaltmuffe, Rippenabstand s Fn Zahnfußdickensehne t Statistische Variable, Zeit t 0 Ausfallfreie Zeit t R Rutschzeit, Reibzeit t S Schaltzeit u Zähnezahlverhältnis, Umfangsgeschwindigkeit v Geschwindigkeit, Strömungsgeschwindigkeit v F Fahrzeuggeschwindigkeit v W Windgeschwindigkeit v th Theoretische Geschwindigkeit bei Schlupf S = 0 w Aufgenommene Arbeit x, y, z Koordinaten

20 Bezeichnungen und Formelzeichen XXI z z i S V Anzahl der Gänge, Anzahl der Reibflächen, Zähnezahl, Anzahl der Lastzyklen Zähnezahl Rad i Intervall, Differenz Verschleißweg (Synchronisierung) Verschleiß (Synchronisierung) α Eingriffswinkel, Konuswinkel einer Konus-Synchronisierung, Viskositäts-Druck-Koeffizient α 0 Anstrengungsverhältnis α St Steigungswinkel α k Statische Formzahl α n Eingriffswinkel im Normalschnitt β Schrägungswinkel am Teilkreis, Öffnungswinkel der Klauen β k Dynamische Kerbwirkungszahl δ Teilkegelwinkel, Ungleichförmigkeitsgrad Pumpe (Volumenstrompulsation) ε Gesamtüberdeckung ε α Profilüberdeckung ε β Sprungüberdeckung η Wirkungsgrad, dynamische Viskosität ϑ Temperatur λ Leistungsziffer (Wandler, Retarder), Drehmassenzuschlagfaktor λ(t) Ausfallrate µ Momentenverhältnis, Momentenwandlung, Reibwert µ A Anfahrwandlung µ H Haftbeiwert ν Drehzahlverhältnis, Drehzahlwandlung, kinematische Viskosität ρ Dichte, Ersatzkrümmungsradius σ Normalspannung σ D Dauerfestigkeit σ H Hertzsche Pressung σ b Biegespannung σ v Vergleichsspannung τ Torsionsspannung, Drehmomentüberhöhung beim Verbrennungsmotor φ Stufensprung, Biegewinkel φ 1 Grundsprung bei progressiver Stufung φ 2 Progressionsfaktor bei progressiver Stufung φ th Stufensprung bei geometrischer Stufung ω Winkelgeschwindigkeit

21 XXII Bezeichnungen und Formelzeichen Indizes 0 Nenn- oder Ausgangszustand 1 Ritzel (= Kleinrad), Eingang 2 Rad (= Großrad), Ausgang, Abtrieb 3 Gestell 1, 2, 3,... An der Stelle 1, 2, 3,... A Angebot, flächenbezogen, Antriebsstrang, Anfahr, Achs AW Abtriebswelle B Bedarf, Brems D Dauer, Dauerfest, Defizit, Direkt E Endübersetzung EW Getriebeeingangswelle, Antriebswelle F Fahrzeug, Zahnfuß G Getriebe, Gelenkwelle H Haft, Haupt, Hauptgetriebe, Hauptwellenrad, Hohlrad, High (= Schnell) HW Hauptwelle K Kupplung, Konstante Kr Kraftstoff L Luft, Last, Leitrad, Low (= Langsam) L, L1, L2 An Lagerstelle, an Lagerstelle 1, 2 M Motor, Modell N Nabe, Nachschaltgruppe P Pumpe, Pumpenrad, Planetenstufe Q Quer R Rückwärtsgang, Roll, Rutsch, Reib, Rad, Rangegruppe, Rotor (Retarder) Roll Roll Rot Rotation S Sonnenrad, Splitgruppe, Stator (Retarder), System Sch Schwellend (Festigkeit) St Steigung T Turbine, Treib Ü Überschuss U Umfang V Vorschaltgruppe, Verlust, Versuch VW Vorgelegewelle W Wandler, wechselnd (Festigkeit) Z Zug, Zugbeanspruchung, Öffnung a ab abs Beschleunigung, axial, Größen am Kopfkreis, Austritt, außen Abtrieb Absolut

22 Bezeichnungen und Formelzeichen XXIII an Antrieb ax Axial b Biege dyn Dynamisch e Effektiv, Eintritt ges Gesamt i Innen, Laufvariable i = 1, 2, 3,..., n i, j An der Stelle i, j id Ideal j Laufvariable k Laufvariable, Kerbwirkung m Mittelwert, Anzahl der Beanspruchungsklassen max Maximal min Minimal n n-ter Gang, Nenn nenn Nenn r Radial red Reduziert rel Relativ res Resultierend spez Spezifisch stat Statisch t Torsion, zeitlich tat Tatsächlich th Theoretisch w Wechselnd, Betriebswälzkreis x, y, z In x-, y-, z-richtung, um x-, y-, z-achse z Höchster Gang, Anzahl der Gänge zul Zulässig

23 1 Einführung 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. Abbildung 1.2 gibt einen Überblick über gebräuchliche Getriebekonzepte sowie deren systematische Einteilung. Weitere Einzelheiten hierzu in Kapitel 6 Systematik der Fahrzeuggetriebe. Doppelkupplungsgetriebe werden hier aufgrund ihrer Nähe bezüglich Steuerung und Funktionalität den Stufen-Automatgetrieben zugeordnet. Abb Definition des Begriffs Fahrzeuggetriebe (FZG) im Sinne dieses Buchs

24 2 1 Einführung Abb Systematische Einteilung der Schaltgetriebe in Fahrzeugen Abb Einfluss des Getriebes auf wesentliche Merkmale des Fahrzeugs

25 1.1 Einleitung 3 Abb Erreichbare Steigerung des Gebrauchsnutzens eines Produkts durch zusätzlichen Entwicklungsaufwand 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, Abb Tabelle 1.1. Vergleich Industriegetriebe zu Fahrzeuggetrieben Getriebe Gangzahl (vorwärts) Übersetzung 1. Gang / Spreizung Leistung [kw] Eingangsmoment [Nm] Masse [kg] Spez. Leistung [kw/kg] Industrie 12,5 0, ,5 100 % Nkw (AMT) 14,1 1, ,0 300 % Pkw (MT) 4,2 6, , %

26 4 1 Einführung Abb Übergeordnete Entwicklungsziele bei Fahrzeuggetrieben Fahrzeuggetriebe sind Serienprodukte hoher technischer und technologischer Reife. Sie sind den hoch entwickelten Technologien, Abb. 1.4, zuzurechnen. Bemerkenswert ist die mehr als dreifach so hohe spezifische Leistung P spez in kw/kg von Nkw-Getrieben gegenüber Industriegetrieben, Tabelle 1.1, und dies, obwohl Fahrzeuggetriebe mehrere Gänge aufweisen. Industriegetriebe müssen dafür für höhere Lebensdauer ausgelegt werden. 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 Fahrzeuggetriebe müssen schnell und marktorientiert entwickelt werden. Auf Kundenwünsche ist insbesondere bei Nkw flexibel zu reagieren. Auflagen des Gesetzgebers, wie z.b. die kw/t-vorschrift oder Emissionsrichtlinien, sind zu erfüllen. Aber auch emotionale Aspekte, wie Fahrspaß, sind zu berücksichtigen. 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. Die Berücksichtigung von technischen und technologischen Weiterentwicklungen ist ebenso selbstverständlich wie hohe Zuverlässigkeit und ausreichende Lebensdauer. Dabei sind umweltverträgliche und humane Lösungen unverzichtbar. Die Entwicklung der Fahrzeuggetriebe muss sich immer in den Planungshorizont für neue Fahrzeuge einordnen, Abb 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.

27 1.1 Einleitung 5 Abb Zeitdimensionen und Planungshorizonte im Automobilbau, angelehnt an [1.1] Dieses Buch will den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen, Abb 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 Kapitel 2 behandelt. Fahrzeuggetriebe werden entscheidend vom Fahrzeug, vom Motor und vom Streckenprofil geprägt. Ohne Grundkenntnisse darüber ist eine sinnvolle Entwicklung unmöglich. Abb Struktur der Aufgaben bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben, Kapitelübersicht

28 6 1 Einführung Kapitel 3 zeigt die Wechselwirkung von Leistungsbedarf und Leistungsangebot auf. Die erste, konkret auf das Fahrzeuggetriebe ausgerichtete Entwicklungsaufgabe ist dann die Wahl des gesamten zu überdeckenden Übersetzungsbereichs, der Spreizung. Zusammen mit der Wahl der Gangzahl z, der Übersetzung der Einzelgänge und den sich daraus ergebenden Stufensprüngen sowie der Übersetzung des Endantriebs kann die Zusammenarbeit von Fahrzeug und Fahrzeuggetriebe beurteilt und festgelegt werden. Unter Berücksichtigung des Streckenprofils ist zu entscheiden, ob das Fahrzeug ausreichend beschleunigt, die notwendige Steigfähigkeit und die im Lastenheft vorgeschriebene Höchstgeschwindigkeit v max erreicht. Gleichzeitig ist damit festgelegt, ob das Getriebe auch ein wirtschaftliches Fahren insbesondere ein Fahren mit geringem Kraftstoffverbrauch ermöglicht. Hierauf wird ausführlich in den Kapiteln 4 und 5 eingegangen. Das unerlässliche kreative Konstruieren wird durch das Methodische Konstruieren unterstützt. Dabei wird in der Konzeptphase eine Funktionsanalyse vorgenommen. Für die Teilfunktionen sind Teillösungen aufzufinden, zu bewerten und zu einer Gesamtlösung zusammenzuführen, dem Getriebeentwurf. Die dazu notwendige Kenntnis der Systematik der Fahrzeuggetriebe vermittelt Kapitel 6. Es folgt in den Kapiteln 7 bis 11 die Auslegung und Gestaltung der wichtigsten Bauteile eines Getriebes: Zahnräder, Wellen, Lager, Synchronisierungen, Kupplungen, Parksperren, Pumpen sowie hydrodynamische Kupplungen und Wandlern. Bei den hoch entwickelten Berechnungs- und Simulationsverfahren würde ein Behandeln aller Details zu weit gehen. Es wird versucht, das Grundsätzliche der Berechnungsmethodik und die Berechnungsabläufe darzustellen. In Kapitel 12 wird durch zahlreiche ausgeführte Konstruktionen der Aufbau verschiedener Getriebebauarten erläutert und auf wichtige Detaillösungen eingegangen. Elektronische Getriebesteuerungen mit Mikroprozessoren sind seit 1982 Standard in Automatgetrieben. Sie zählen zu den komplexesten Elektroniken im Fahrzeug und unterliegen einer sehr dynamischen Entwicklung bezüglich Hardware und Software. Kapitel 13 geht darauf ein und behandelt die Integration und Vernetzung mit anderen Steuergeräten im Fahrzeug. Werkzeuge und Rahmenbedingungen für die Entwicklung von Fahrzeuggetrieben werden im hinteren Teil des Buchs behandelt. Kapitel 14 ist Berechnungs- und Simulationswerkzeugen gewidmet. Auf den Produktentwicklungsprozess wird in Kapitel 15 eingegangen. Die Fertigungstechnologie hat einen großen Einfluss auf Konstruktion, Wettbewerbsfähigkeit und Qualität des Getriebes. Kapitel 16 gibt einen Einblick in das weite und innovative Feld von Bearbeitung, Montage und Endprüfung. 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 sind in Kapitel 17 dargestellt. 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.

29 1.2 Geschichte der Fahrzeuggetriebe 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. Derartige Kenntnisse ergänzen das Methodische Konstruieren, siehe Kapitel 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 Abb Produktentwicklungen bauen auf Basisinnovationen auf

30 8 1 Einführung Tabelle 1.2. Beispiele von Basisinnovationen für Fahrzeuge und Fahrzeuggetriebe 4000 Mesopotamische Vase mit dem v. Chr. Bild eines Wagens 2500 Räder aus zwei halbkreisförmigen v. Chr. Holzscheiben, vermutlich mit Lederriemenbereifung 2000 Stirnräder mit Triebstockverzah nung als Antriebselement von v. Chr. Wasserschöpfwerken (Sakie, Abb. 1.10), Schneckenräder für Baumwollentkernmaschinen 500 Griechische Gelehrte entdecken v. Chr. die Gesetzmäßigkeiten in der Mechanik 200 Hebel, Kurbel, Walze, Rad, v. Chr. Flaschenzug, Schnecke und Zahnrad sind in Gebrauch 1754 Euler Verzahnungsgesetz für Zahnräder, Evolventenverzahnung 1769 Watt Patent auf Dampfmaschine 1784 Watt Wechselgetriebe mit Klauenschaltung 1829 Stephenson Schienenfahrzeug, Dampflokomotive 1877 Otto Patent auf Viertakt- Gasmotor mit Verdichtung 1885 Benz Dreiradwagen mit Antrieb durch Verbrennungsmotor 1897 Bosch Magnetelektrische Zündung 1905 Föttinger Hydrodynamischer Drehmomentwandler 1907 Ford Serienfertigung des Modells T; das Auto als Massenware 1923 Bosch Einspritzpumpe 1925 Rieseler Entwurf eines automatischen Pkw-Getriebes mit hydrodynamischem Wandler und Planetenräderteil Im Verlaufe solcher Entwicklungen gilt es, bestimmte Phänomene aufzuklären und zu erforschen, um eine betriebssichere Funktion des Produkts sicherzustellen. Tabelle 1.2 ist ein Versuch, die maschinenbauorientierten Basisinnovationen, die zum Straßenfahrzeug und damit zum Fahrzeuggetriebe geführt haben, nachzuzeichnen. Abb Wandlung der hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung. Zweizylindertriebwerk mit gegenläufigen Kolben im Dampfwagen von Cugnot (1725 bis 1804)