Servo-Synchronisierungen in Doppelkupplungsgetrieben. Antriebsstrang

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1 ENTwIckLUNG Antriebsstrang Servo-Synchronisierungen in Doppelkupplungsgetrieben Doppelkupplungsgetriebe leisten einen wertvollen Beitrag, dass Fahrzeuge weniger CO 2 -Emissionen produzieren. Dabei können Servo-Synchronisierungen helfen, den Wirkungsgrad zu erhöhen und Gewicht zu reduzieren, ohne Bauraum und Schnittstellen ändern zu müssen. hofer powertrain hat einen neuen Ansatz zur Verringerung der Betätigungsenergie bei einer Schaltung entwickelt. Unter Verwendung der Systemsimulation wurden innovative Werkzeuge geschaffen, um gezielt das Potenzial der Doppelkupplungsgetriebe auszuschöpfen. 42 ATZ 01I2009 Jahrgang 111

2 Die Autoren 1 Einleitung Doppelkupplungsgetriebe (DKG) sind seit deren Einführung des DSG durch Volkswagen im Jahr 2003 in Großserie am Markt [3]. Mittlerweile leistet die zweite Generation mit trocken laufenden Kupplungen, sieben oder mehr Gängen und hydraulischem Speicher-Lade-System einen wertvollen Beitrag in Richtung höhere Wirkungsgrade und damit weniger CO 2 -Emissionen. Eine weitere kostengünstige Möglichkeit, um die hydraulischen Verluste eines Druckversorgungssystems für ein DKG durch eine einfache Maßnahme wesentlich zu reduzieren, ist der Einsatz von Servo-Synchronisierungen. Die Schlüsselkomponente für diesen Ansatz ist eine selbstverstärkende Synchronisierung, die es möglich macht, die von außen aufzubringende Betätigungsenergie für eine Schaltung stark zu reduzieren. Diese Systeme nutzen im Wesentlichen den gleichen Effekt wie selbstverstärkende Bremsen (e-brake) und selbstverstärkende Kupplungen, wie sie im Allradbereich eingesetzt werden. 2 Funktion und Arten von Servo-Synchronisierungen Es gibt eine Vielzahl von Patenten und Konstruktionen, welche Servo-Synchronisierungen beschreiben. Grundsätzlich haben alle gemeinsam, dass sie das Reibmoment nutzen, um über eine aktive schräge Fläche zusätzlich zur extern aufgebrachten Betätigungskraft eine selbstverstärkende Servokraft aufbringen. Meist wird dies durch spezielle Druckstücke dargestellt. Zu unterscheiden sind hierbei grundsätzlich die Semi-Servo-Synchronisierungen [4], die nur einen Teil des Moments nutzen, und Vollservo-Synchronisierungen, die das ganze Drehmoment nutzen und daher auch mehr Verstärkung liefern, Bild 1. Seit Jahren versuchen verschiedene Hersteller und Lieferanten Semi- und Vollservo-Synchronisierungen bis zur Serienreife zu entwickeln, um bei Handschaltgetrieben (manual transmissions, MTs) den Schaltkomfort zu verbessern und die Energie für die Schaltungsbetätigung in automatisierten Handschaltgetrieben (automated manual transmissions, AMTs) und DKG zu reduzieren. Nach dem bereits von hofer powertrain publizierten Nachweis der Funktion und Lebensdauer von Semi-Servo-Synchronisierungen [4] wurde mit Prototypen nun auch die noch wesentlich bessere Funktion, Bild 1, und Lebensdauer von Vollservo-Synchronisierungen nachgewiesen, Bild 5. Diese Systeme sind den am Markt verfügbaren Systemen hinsichtlich der Performance weit überlegen. Zurückzuführen ist dieser Durchbruch unter anderem auf den konsequenten Einsatz von Simulationsmethoden, Bild 2, parallel zu Prüfstandsversuchen. Im Konzeptstadium wird schon das Wirkungsgradpotenzial, die Funktion und der Schaltkomfort vorhergesagt, was die Entwicklung wesentlich schneller gestaltet. Bild 1: Vergleich der Synchronperformance in Nm/N Dipl.-Ing. Thomas Hackl ist Technischer Leiter bei hofer powertrain GmbH in Garsten (Österreich). Dipl.-Ing. (FH) Janina Steinz ist Entwicklungsingenieurin in der Doppel- kupplungsgetriebe- Entwicklung bei hofer pdc in Stuttgart. Dipl.-Ing. (FH) Martin Maier leitet den Bereich Getriebeentwicklung und Aktuatorik bei hofer mechatronik in Oberboihingen. Dipl.-Ing. Andreas Wild leitet den Bereich Ventiltechnik und hydraulische Steuerung bei hofer mechatronik in Oberboihingen. Dr.-Ing. Berend Linke leitet die Abteilung NVH bei der A.T. Süd GmbH, einem Unternehmen der hofer AG, in Lenting. ATZ 01I2009 Jahrgang

3 Entwicklung Antriebsstrang Bild 2: Simulationsmodell eines Doppelkupplungsgetriebes 3 Potenziale von Vollservo-Synchronisierungen Die hydraulischen Verluste in DKG sind bei konstant mitlaufenden Pumpen zum Teil im Kilowattbereich, und jede Senkung des Druckniveaus geht direkt in eine Wirkungsgradverbesserung ein. Wie groß der Einfluss genau ist, hängt davon ab, welcher Zyklus gefahren wird, wie viele Schaltungen durchgeführt werden müssen und welche Leckagen es im System gibt. Das maximale Druckniveau wird in der Regel über den benötigten Druck für eine Schaltung definiert, der ein Mehrfaches des maximalen Anpressdrucks der Kupplungen sein kann. Natürlich ist eine Absenkung des Druckniveaus nur zulässig, wenn trotzdem die gleichen oder schnellere Synchronzeiten realisierbar sind (Kriterium Doppelrückschaltungen). Dies ist nur erreichbar durch eine Erhöhung der Synchronkapazität, die bei der Verwendung der herkömmlichen Technologie mit dem Einsatz von Standard-Dreifachsynchronisierungen ihr Limit erreicht hat. Vierfachsynchronisierungen haben sich als nicht mehr sinnvoll wirtschaftlich darstellbar herausgestellt. Hier kann also nur durch eine neue Synchronisiertechnik angesetzt werden. hofer powertrain ist es nun gelungen, eine neuartige Vollservo-Synchronisierung zu entwickeln. Prototypen erzielen bei gleichbleibenden Schnittstellen und Bauraum eine um 70 % verbesserte Synchronkapazität durch Selbstverstärkung, Bild 1, und das bei Reduzierung der Konusanzahl von drei auf zwei. Dies macht es möglich, die aufgebrachte Betätigungskraft bei gleichem Verschiebevolumen stark zu reduzieren (um mindestens 40 % je nach Rastierkraft, Schleppmoment und Schaltgeschwindigkeit), wobei dies auch eine positive Auswirkung auf die Schaltzeiten hat, Bild 3. Die gesamte Innenschaltung kann aufgrund der niedrigeren Betätigungskräfte kleiner und damit leichter dimensioniert werden, Bild 4, und die Leckagen im hydraulischen System werden aufgrund des niedrigeren Druckniveaus entsprechend reduziert. Natürlich kann das Potenzial auch bei gleichbleibendem Druck dafür genutzt werden, bisher kaum zu erreichende, schnelle Schaltungen zu realisieren, was bei extrem sportlichen Anwen- Bild 3: Relativer Vergleich der Simulationsergebnisse zwischen Standard-Dreifachkonusund Vollservo-Doppelkonus-Synchronisierung 44 ATZ 01I2009 Jahrgang 111

4 dungen durchaus gewünscht ist. Es versteht sich von selbst, dass bei einer Anwendung zur Verkürzung der Schaltzeiten die Auslegung in Bezug auf Lebensdauer und Belagskapazität ein zentraler Punkt des gesamten Systems ist. Ein Blick auf den Markt zeigt, dass Doppelkupplungsgetriebe derzeit mindestens drei Dreifachsynchronisierungen pro Getriebe verwenden. Daher ist das Potenzial für Servo-Synchronisierungen mindestens in gleicher Anzahl pro Getriebe anzusetzen. Eine Marktstudie von aktuellen und kommenden DKG hat ergeben, dass bei acht von zwölf Getrieben eine sehr hohe Wirkungsgradverbesserung durch Einsatz von Vollservo-Synchronisierungen besteht. Hinsichtlich des Schaltkomforts [6] gilt das Gleiche für zirka 24 von 36 Handschaltgetrieben, die sich ebenfalls am Markt oder in Entwicklung befinden. Als Vorteile der Vollservo-Synchronisierungen für Doppelkupplungsgetriebe sind folgende Punkte zu nennen: verbesserte Schaltzeiten bei gleicher Schaltkraft geringere Schaltkraft bei gleicher Schaltzeit, was weitere Vorteile mit sich bringt: niedriger Hydraulikdruck und weniger Leckage; leichtere Innenschaltung und Hydraulik aufgrund geringerer Kraft- und Druck-Beanspruchung; Wirkungsgradvorteil durch geringere hydraulische Aktuierungsenergie; weniger Schaltgeräusche Reduzierung der Konusanzahl (zum Beispiel von Dreifachkonus auf Doppelkonus) und damit verbundener Schleppmoment- und Kostenvorteil bei hydraulischen Speicher-Ladesystemen kann die Kolbenfläche bei gleichbleibendem Druckniveau reduziert werden, was die Pumpen- und Speichergröße und/oder die Einschaltdauer reduziert bei elektromechanischer Betätigung können kleinere Elektromotoren mit weniger Strombedarf eingesetzt werden. Je nach Aktuatorik ergibt sich für jedes Getriebe eine Kombination der Vorteile, was mithilfe von Simulationen im Vorfeld gezielt erschlossen werden kann. Da die Schnittstellen einer Vollservo-Synchronisierung im Vergleich mit einer normalen Synchronisierung nicht verändert werden, ist der Einsatz auch in der laufenden Serie möglich. Bei DKG und AMTs ist eine neue Software-Applikation ausreichend. 4 Auslegungskriterien Für die Integration von Servo-Synchronisierungen in ein DKG sind zwei grundsätzliche Schritte notwendig, um das Optimum für das System zu erreichen: Erstens die Identifikation von Synchronisierungen im Getriebe, die als Servo-Synchronisierung ausgeführt werden sollten, zweitens die Auslegung der Servo- Synchronisierung selbst. Für die Identifikation der Synchronisierungen, die als Servo-Synchronisierungen ausgeführt werden sollen, sind vor allem die Performance und die Wirtschaftlichkeit zu beachten. Für die erste ATZ 01I2009 Jahrgang

5 Entwicklung Antriebsstrang Bild 4: Gewichtsreduktion in einem Doppelkupplungsgetriebe mit Vollservo-Synchronisierungen am Beispiel einer Schaltgabel Auslegung der Servo-Synchronisierung selbst sind die wesentlichen Kriterien Belagssicherheit [1], Synchronkapazität (Performance), Sicherheit gegen Selbsthemmung [4] und Entsperrsicherheit bei tiefen Temperaturen zu berücksichtigen. Die Auswahl der Belagsart ist ein zentraler Punkt. Für jedes tribologische System (Reibbelag, Gegenmaterial, Öl, Nutung, Umgebungsbedingungen etc.) ergeben sich Belastungsgrenzen, die für die Auslegung von Synchronisierungen vor allem hinsichtlich Flächenpressung, Relativgeschwindigkeit, flächenspezifischem Wärmeeintrag, flächenspezifischer Leistung und (bei geklebten Belägen) gegebenenfalls die spezifische Scherspannung zu beachten sind. Werden die Schaltzeiten nicht reduziert, sondern nur die Schaltkraft, so können bewährte Reibbeläge verwendet werden, weil die Belastungen bei Anwendung in einer Servo-Synchronisierung nicht verändert werden. Ist dagegen angedacht, auch die Schaltzeiten zu verkürzen, muss die Auslegung vor allem hinsichtlich Flächenpressung überprüft werden. Bei Miba Sinter Austria GmbH durchgeführte Lebensdaueruntersuchungen zeigen auch bei verkürzter Schaltzeit eine einwandfreie Funktion bis Schaltungen, Bild 5. Bezüglich der Beölung sind in der Regel keine anderen Auslegungskriterien anzusetzen als bei herkömmlichen Synchronisierungen. 5 Entwicklungssystematik für neue Getriebe Da es sich bei DKG um sehr komplexe mechatronische Systeme handelt, wird bei hofer powertrain schon ab dem Lastenheft eine Gesamt-Systemsimulation verwendet, die im Laufe des Projekts ver- Bild 5: Messschrieb zur Lebensdauerabsicherung der Reibbeläge von Vollservo-Synchronisierungen mit verkürzter Schaltzeit (Quelle: Miba Sinter Austria GmbH) 46 ATZ 01I2009 Jahrgang 111

6 feinert wird. Die Gesamt-Systemsimulation beinhaltet die mechanischen Komponenten des Getriebes wie Kupplungen, Synchronisierungen, Zahnräder, Wellen etc., die Triebstrangumgebung mit Motormodell, ggf. Hybrid-Komponenten, Abtriebswellen, Seitenwellen, Reifen- Straße-Kontakt, Fahrzeug-Längsdynamik etc., die hydraulische Steuerung mit detaillierten Modellen der Ventile, elektromechanische Betätigungseinheiten und die Logik-Algorithmen wie zum Beispiel die Schaltstrategie, Bild 3. Dieses Simulationsmodell ermöglicht schnelle Aussagen im Vorfeld und gewährleistet eine Absicherung der funktionellen Eigenschaften in einer sehr frühen Phase. Durch die in den letzten Jahren verfeinerten und mit Messdaten kalibrierten haus-eigenen Stoßmodellierungen ist es möglich, die komplexen dynami schen, transienten Vorgänge beim Synchron vorgang so genau abzubilden, dass im Vorfeld die Geometrie-Optimierung einer Servo-Synchronisierung durch geführt werden kann. In der Folge wird das Modell in weniger komplexer Form für die virtuelle modellbasierte Softwareentwicklung weiter verwendet. Daher ist es bereits vor der Hardware-Applikation im Fahrzeug möglich, die entsprechenden Schaltdrücke per Simulation zu ermitteln und die Software virtuell abzustimmen. Dies reduziert die kostbare Entwicklungszeit mit den Hardware-Prototypen. 6 Auswirkungen auf Bauraum und Getriebegewicht Während der Bauraum und die Schnittstellen für eine Vollservo-Synchronisierung gleich denen einer aktuellen Standard-Synchronisierung sind, ergibt sich aufgrund der niedrigeren Schaltkräfte eine deutliche Gewichtsreduktion der Innenschaltung des Getriebes. So kann eine Reduzierung der Schaltkräfte um 40 % eine Gewichtseinsparung von zirka 30 % an der Schaltgabel ohne negative Download des Beitrags unter Read the English e-magazine. Order your test issue now: SpringerAutomotive@abo-service.info Auswirkung auf die Lebensdauer und bei gleichbleibendem Werkstoff und Fertigungsverfahren ermöglichen, Bild 4. 7 Zusammenfassung und Ausblick Neuartige Vollservo-Synchronisierungen von hofer powertrain haben in der Simulation und am Prüfstand bewiesen, dass die Schaltkräfte um 40 % im Vergleich mit einer aktuellen Standard-Synchronisierung zu senken sind, während die Lebensdaueranforderungen weiterhin erfüllt werden können. Damit ist die Überlegenheit gegenüber am Markt befindlichen Systemen nachgewiesen. Weiteres Potenzial im Bereich der Synchronisierung ist trotzdem noch vorhanden, vor allem unter Berücksichtigung der steigenden Leistungsfähigkeit der Elektronik und Sensorik im Getriebe. Die Sperreinrichtung könnte in Servo-Synchronisierungen mechanisch vollkommen entfallen und durch eine elektronisch geregelte Synchronisierung ersetzt werden. Für Automatikgetriebe kann durch selbstverstärkende Konuskupplungen ähnliches Potenzial erschlossen werden. Somit bleibt das Rennen um das beste Getriebekonzept weiterhin offen. Literaturhinweise [1] Lechner, G.; Naunheimer, H.: Fahrzeuggetriebe Grundlagen, Auswahl, Auslegung und konstruktion. Springer-Verlag, Berlin, 1994 [2] werth, P.; Giacometti, A.; Berger, M.; kalmbach, k.; Lo conte, F.: Ausnutzung von Triebstrangschwingungen bei der Automatisierung von Handschaltgetrieben. VDI-Berichte Nr. 1917, S , Düsseldorf, 2005 [3] Rudolph, F.; Steinberg, I.; Günter, F.: Die Doppelkupplung des Direktschaltgetriebes DSG der Volkswagen AG. VDI-Berichte Nr. 1786, S , Düsseldorf, 2003 [4] Hackl, T.; kalmbach, k.; Berger, M.; werth, P.; Hiraiwa, k: Reduzierung von Schaltkräften mit alternativen Synchronisierungskonzepten. VDI-EkV- Tagung Getriebe in Fahrzeugen, Friedrichshafen, Juni 2006 [5] Raoul, M.: Les coupleurs coniques Dans la Boîte de Vitesses Robotisée AG1 à changement de Rapport Sous couple. Französisches Patent, Oktober 2008 [6] casper, T.; kurrle, F.; Patzer, J.: Optimierung des Schaltkomforts durch rechnerische Simulation am Beispiel des Porsche cayenne. VDI-Berichte Nr. 1827, S , Düsseldorf, Blindtext, Sicherheit blinder Bremsen Text und verstehen Blind technik bewegt. ATZ 01I2009 Jahrgang