Fahrzeuggetriebe. weit mehr als nur eine Schaltbox! Trends in der Getriebeentwicklung aus der Sicht der Forschung.

Transkript

1 Fahrzeuggetriebe weit mehr als nur eine Schaltbox! Trends in der Getriebeentwicklung aus der Sicht der Forschung 1

2 TU Fahrzeuggetriebe SG AT weit mehr als nur eine Schaltbox! 2

3 TU Fahrzeuggetriebe (A)SG AT CVT weit mehr als nur eine Schaltbox! EHT 3 DSG

4 Zusatzausstattungen im Wettbewerb Ledersitze stärkerer Motor Alufelgen + Breitreifen el. Schiebedach HiFi-Anlage Navigation Aufpreis ca Komfortgetriebe Xenon-Licht Kurvenlicht aktive Dämpfung 4

5 TU Fahrzeuggetriebe (A)SG AT CVT 5 Welche der heute verfügbaren Getriebetechnologien bietet dem Kunden den höchsten spürbaren Nutzen? EHT DSG

6 Jedes Auto braucht ein Getriebe für die Kennfeldanpassung Motor - Fahrzeug Steigfähigkeit [%] bei v=konstant a max absoluter Kraftstoffverbrauch [g/s] p max T Rad [Nm] b min T Mot [Nm] P max v max Anfahren n min n Mot [1/min] v [km/h] 6

7 Jedes Auto braucht ein Getriebe für die Kennfeldanpassung Motor - Fahrzeug Steigfähigkeit [%] bei v=konstant absoluter Kraftstoffverbrauch [g/s] T Rad [Nm] T [Nm] Dafür reicht aber auch schon ein Handschaltgetriebe! n [1/min] v [km/h] 7

8 Welchen verkaufbaren Zusatznutzen bieten besondere Fahrzeuggetriebe? Image Komfort Kraftstoffverbrauch kaufentscheidende Performance Aspekte 8

9 Diesen Zusatznutzen erreichen wir durch 9 Image Komfort Performance Kraftstoffverbrauch Schalten wie Schumi automatisches Anfahren automatische Wahl der Übersetzung optimale Gangschaltung optimales Zusammenwirken Motor-Fahrzeug Gesamtgeräusch Fahrzeug Anfahrbeschleunigung Elastizität Höchstgeschwindigkeit optimales Zusammenwirken Motor-Fahrzeug Start-Stopp, Boosten, Rekuperation, lokal ohne Emissionen fahren geringes Systemgewicht automatisierte Schaltungen / Lastschaltungen Wandler / automatisierte Kupplung automatisierte Gangwechsel + Lastschaltung hohe Ganganzahl oder CVT mit großer Gesamtspreizung Drehmomentwandlung CVT hoher Wirkungsgrad hohe Ganganzahl oder CVT mit großer Gesamtspreizung hoher Wirkungsgrad Hybridantrieb hohe Kraftdichte

10 Forschungs- und Entwicklungsziele Erhöhung des Anfahr- und Schaltkomforts in allen automatisierten (Schalt)getrieben Entwicklung eines noch besseren lastschaltbaren Stufengetriebes mit den Vorteilen der AT, DSG, ASG Leistungssteigerung der CVT für Anwendungen weit über 500 Nm Verbessertes Energiemanagement in Fahrzeugen durch schrittweise Hybridisierung des Antriebsstrangs 10

11 SG / ASG SG (A)SG GETRAG ASG Typ 226 ZF-Handschaltgetriebe (A)SG Entwicklungsziele: Verkürzung der Lastunterbrechung durch zeitliche Überschneidung der Vorgänge von Kupplungs-Öffnen, Gangwahl, Gangwechsel, Kupplungs-Schließen. Ford-Durashift-ASG Erhöhung des Anfahrkomforts und des Schaltkomforts durch betriebspunktabhängig geregelte Schaltkräfte und Schaltgeschwindigkeiten. 11 Integration der Aktoren in das Getriebekonzept => neue Getriebestrukturen.

12 TU Anfahren Leistungswandlung Schaltung Optimiertes lastschaltbares Stufengetriebe Kupplung trocken Wandler Trilok mit WK gestuft Stirnrad Planetengetriebe Schaltelemente reibschlüssig formschlüssig mit Lastunterbrechung Automatisierte Schaltung Schaltung Lastschaltung 12 viele Schaltelemente automatisiert, shift-by-wire elektromotorisch Pumpe(n) elektrisch getrieben mechanisch getrieben Ventile direkt schaltend hydraulisch gekoppelt Sensoren Aktoren Prozessoren Datenbus Steuergeräte AT Doppelkupplung Betätigung Hydraulik Elektronik nass hydraulisch DSG

13 Optimiertes lastschaltbares Stufengetriebe Kupplung Wandler gestuft Schaltelemente Schaltung Betätigung Pumpe(n) Ventile Anfahren Leistungswandlung Schaltung Hydraulik trocken Trilok mit WK Stirnrad reibschlüssig mit Lastunterbrechung Lastschaltung automatisiert, shift-by-wire elektrisch getrieben direkt schaltend nass Planetengetriebe formschlüssig Automatisierte Schaltung Doppelkupplung viele Schaltelemente elektromotorisch hydraulisch mechanisch getrieben hydraulisch gekoppelt Vorteile eines hydrodynamischen Wandlers gegenüber einer Kupplung Drehmomentwandlung höherer Wirkungsgrad beim Anfahren mit WK immer höherer Wirkungsgrad => geringerer Kühlbedarf kein Verschleiß optimale Kennlinien für komfortables Anfahren selbstregelndes => narrensicheres System konstantes Verhalten über der Lebensdauer Aktoren Elektronik Steuergeräte Sensoren Prozessoren 13 Datenbus

14 Optimiertes lastschaltbares Stufengetriebe Kupplung Wandler gestuft Schaltelemente Anfahren Leistungswandlung trocken Trilok mit WK Stirnrad reibschlüssig nass Planetengetriebe formschlüssig Vorteile einer Kupplung gegenüber einem hydrodynamischen Wandlers freie Wahl der Regelung je nach Fahrsituation und Fahrertyp mit Lastunter- Automatisierte Schaltung Schaltung Betätigung brechung Lastschaltung automatisiert, shift-by-wire Schaltung Doppelkupplung viele Schaltelemente elektromotorisch hydraulisch gleiches Bauelement zum Anfahren und für Gangwechsel nutzbar => Einsparung Gewicht, Bauraum Hydraulik Pumpe(n) Ventile elektrisch getrieben direkt schaltend mechanisch getrieben hydraulisch gekoppelt Aktoren Elektronik Steuergeräte Sensoren Prozessoren 14 Datenbus

15 Optimiertes lastschaltbares Stufengetriebe Anfahren Leistungswandlung Kupplung Wandler gestuft trocken Trilok mit WK Stirnrad nass Planetengetriebe Vorteile von Doppelkupplungsgetrieben gegenüber Getrieben mit vielen Lastschaltelementen Schaltelemente reibschlüssig mit Lastunter- formschlüssig Automatisierte weniger Ölzuführungen => weniger Verluste an Ölzuführungen Schaltung Hydraulik Schaltung Betätigung Pumpe(n) Ventile brechung Lastschaltung automatisiert, shift-by-wire elektrisch getrieben direkt schaltend Schaltung Doppelkupplung viele Schaltelemente elektromotorisch hydraulisch mechanisch getrieben hydraulisch gekoppelt Einsatz klein bauender formschlüssiger Schaltelemente für vorbereitende Schaltungen => weniger Bauraum und Gewicht für Schaltelemente Aktoren Elektronik Steuergeräte Sensoren Prozessoren 15 Datenbus

16 Optimiertes lastschaltbares Stufengetriebe Kupplung Wandler gestuft Schaltelemente Anfahren Leistungswandlung trocken Trilok mit WK Stirnrad reibschlüssig mit Lastunter- nass Planetengetriebe formschlüssig Automatisierte Vorteile von Planetengetrieben gegenüber Stirnradstufen höhere Drehmomentdichte (T ab = 2000 Nm kein Problem) => Einsparung Gewicht, Bauraum Schaltung Schaltung Betätigung brechung Lastschaltung automatisiert, shift-by-wire Schaltung Doppelkupplung viele Schaltelemente elektromotorisch hydraulisch höherer Wirkungsgrad gleiche Getriebestufe für mehrere Gänge nutzbar Hydraulik Pumpe(n) Ventile elektrisch getrieben direkt schaltend mechanisch getrieben hydraulisch gekoppelt Aktoren Elektronik Steuergeräte Sensoren Prozessoren 16 Datenbus

17 Forschungs- und Entwicklungsziele Entwicklung eines noch besseren lastschaltbaren Stufengetriebes mit den Vorteilen der AT, DSG, ASG Entwerfe ein Getriebe mit wenigen Lastschaltelementen, einigen Zahnkupplungen, für höchste Antriebsdrehmomente in Planetenradbauweise für mindestens 6 Vorwärtsgänge! 17

18 Multistrang-Automat MSA für 7 Vorwärtsgänge 3 Rückwärtgsgänge 2 Planetenradstufen (Ravigneaux-Sätze) für höchste Drehmoment- Dichte und viele Gänge 18

19 Multistrang-Automat MSA für 7 Vorwärtsgänge 3 Rückwärtgsgänge 2 Planetenradstufen (Ravigneaux-Sätze) 3 lastschaltbare Kupplungen für höchste Drehmoment- Dichte und viele Gänge 19

20 Multistrang-Automat MSA für Gänge 3 lastschaltbare Kupplungen 3 Zahnkupplungen 2 Planetenradstufen (Ravigneaux-Sätze) für höchste Drehmoment- Dichte und viele Gänge 20

21 Anfahren mit einer der 3 Reibkupplungen oder mit einem Wandler + WK Multistrang-Automat MSA für Gänge 3 lastschaltbare Kupplungen 3 Zahnkupplungen 2 Planetenradstufen (Ravigneaux-Sätze) für höchste Drehmoment- Dichte und viele Gänge 21

22 Multistrang-Automat MSA für Gänge 1,67 1,00 0,53 Nur für die langsame und die schnelle Drehzahl wird die Planetenradstufe genutzt. Für die mittlere Drehzahl kann diese Planetenradstufe umgangen werden. Dies ist für vorbereitende Schaltungen mit den Zahnkupplungen wichtig! 22

23 Multistrang-Automat MSA für Gänge ϕ 17 =7, Gang i = 4, Gang i = 2, Gang i = 1,385

24 Multistrang-Automat MSA für Gänge ϕ 17 =7, Gang i = 1,000 24

25 Multistrang-Automat MSA für Gänge ϕ 17 =7, Gang i = 0, Gang i = 0, Gang i = 0,599

26 Multistrang-Automat MSA ϕ 17 =7,268 Wandler oder Kupplung zum Anfahren 2 vierwellige Planetenradstufen für Leistungswandlung 3 Lastschaltelemente (Kupplungen) 2,5 Zahnkupplungen i Gang R 4, , ,385 3 K1 1 b=e K2 2 an=d K3 3 c=e Kd d=e (d=e) d=e Kf f=0 f=0 f=0 Bg g= lastschaltbare Vorwärtsgänge große Spreizung (ϕ = ,5) 3 lastschaltbare Rückwärtsgänge optimaler Leistungsfluss, keine rückfließenden Leistungen 1,000 0,849 0,725 0, b=e an=d an=d c=e d=ab d=e (d=e) f=c f=c f=c

27 Multistrang-Automat MSA für Front-Quereinbau ohne Wandler Anfahren über K1 27

28 Multistrang-Automat MSA Multistrang-Automat mit integrierter E-Maschine für hybride Zusatzfunktionen: Start-Stopp mit Übersetzung i c-an zwischen E-Maschine und Antrieb, Power-Boost, Rekuperation und Bordnetzversorgung über schnell drehende E-Maschine, rein elektrisches Fahren mit abgekoppeltem Verbrennungsmotor, 28 stufenlose Leistungsübertragung im Überlagerungsgetriebe bei Teillast im Overdrive.

29 TU Wiegedruckstückkette Audi- multitronic CVT Schubglieder - band ZF CFT 23 Ecotronic Kraftübertragung und dynamisches Verhalten sind bereits sehr weit bekannt. Mit diesem Wissen gelingt die Detailoptimierung der Konstruktion (Umschlingungsmittel und Scheibensätze + Wellen) hinsichtlich: Geometrie, Material, Oberflächen, Schmierung, Kühlung, etc. 29 Außerdem gelingt die Optimierung des Anpress- und Steuersystems (Pumpen, Drehmomentfühler, Kolben, Übersetzungsregelung)

30 CVT Beispiele für die Detailoptimierung Antriebsscheibensätze mit Doppelkolben und Drehmomentsensor Scheibensatz mit übersetzungsvariabler Rampensteigung im Drehmomentfühler Laschenmuster 30

31 TU CVT Trotz Detailoptimierung wird es aber schwer, im verfügbaren Bauraum Antriebsdrehmomente >>400 Nm zu übertragen!! Deshalb braucht man neue Getriebekonzepte, um mit kleineren Variatoren höhere Antriebsdrehmomente zu übertragen. => Leistungsverzweigung 31

32 CVT 32 Jatco-Halbtoroidgetriebe Entwicklungsziele: Halbtoroidgetriebe mit Torotrac-Volltoroidgetriebe modifizierter Geometrie und hydr. Anpressung für Variatorwirkungsgrade >94%, mit 6 Powerrollern in 2 Cavities für hohe Antriebsdrehmomente (>500 Nm), und einer einfachen, leichten Konstruktion wie ein Volltoroidgetriebe Toroidgetriebe nutzen die Leistungsverzweigung auf 4 bis 6 parallele Leistungswege und haben dadurch hohe (>500 Nm) Drehmomentkapazitäten. Kraftübertragung und dynamisches Verhalten sind ebenfalls bereits sehr weit bekannt. Das Halbtoroidgetriebe von Jatco ist viel zu kompliziert, zu groß, zu schwer und zu teuer für eine weitere Verbreitung. Im Volltoroidgetriebe von Torotrac entstehen alle Verluste in den Traktionskontakten. Daraus resultieren Lebensdauerprobleme.

33 CVT Kegelringgetriebe sind Traktionsgetriebe mit Kraftübertragung ohne Leistungsverzweigung über nur zwei hintereinander geschaltete Traktionskontakte. Mit einem preiswerten Siliconöl für hohe Reibwerte haben sie Anwendungschancen bei kleinen bis mittleren Drehmomenten und Front-Quereinbau. Entwicklungsziele: Optimierung der Geometrie (Kegelwinkel, Krümmungsradien, etc.) zur Verringerung der Bohrverluste und Erhöhung der Drehmomentkapazität und der Wirkungsgrade. Integration des gesonderten geschmierten Variators in eine 33 anwendungsgerechtes Gesamtkonzept.

34 Hybridgetriebe Verbessertes Energiemanagement durch Hybridantriebe mit Start/Stopp-Automatik, Leistungsboost, Energierekuperation, rein elektrisches, leises, lokal emissionsfreies Fahren, Toyota-Hybridsystem eventuell stufenloses Fahren. 34

35 Welches Potenzial bietet das Energiemanagement mit Hybridantrieben? Start/Stopp-Betrieb Mittl. Geschw. v mittel = 30 km h Verbrauchsreduzierung [L/100 km] Stillstandsanteil [min/h] 0,2 Verbrauchseinsparung Leerlaufverbrauch Stillstandszeit Fahrstrecke in dieser h Einsparung 0,6 L/h 6 min/h = 10 % 0,06 L/h 30 km 0,06 L / 30 km 0,2 L / 100 km 35 Leerlaufverbrauch [L/h]

36 Welche Potenzial bietet das Energiemanagement mit Hybridantrieben? Regeneratives Bremsen Mittlerer spezifischer Kraftstoff - verbrauch auf der Strecke [g/kwh] Verbrauchsreduzierung [L/100 km] 1,43 bei einem Dieselfahrzeug ρ Diesel =0,84 kg/l und einer Rekuperationsrate von 50% Je mehr Bremsungen mit je mehr Energie anfallen und je höher der mittlere spez. Kraftstoffverbrauch auf der Strecke ist, desto höher ist die mögliche Verbrauchsreduzierung. 36 Aufgenommene kinetische Energie pro Strecke [Wh/km]

37 Welche Potenzial bietet das Energiemanagement mit Hybridantrieben? Basisverbrauch des Standardantriebs mit modernem Dieselmotor Einsparung durch Start/Stopp-Betrieb Einsparung durch regeneratives Bremsen Gesamteinsparung 7,0 L/100km -0,2 L/100km -1,0 L/100km -1,2 L/100km 100 % -2,8 % -14,3 % -17,1 % Je nach Fahrstrecke, Basisverbrauch, Betriebsstrategie lassen sich tatsächlich mehr oder weniger sparen 37

38 Stufen der Hybridisierung SG im Aggregatetrieb (P SG << 10 kw) Kurbelwellen-SG (P SG > kw) mit oder ohne Kupplung KM zum Motor, mit Kupplung KA zum Getriebe SG mit variabler Übersetzung zur Kurbelwelle bzw. Getriebeeingang (z.b. über eine Planetenradstufe) Elektrisches Stellgetriebe (P EG > kw) im Antriebsstrang wie beim Toyota Prius 38

39 Stufen der Hybridisierung SG im Aggregatetrieb Kurbelwelle-SG mit Das oder Fahrgetriebe ohne Kupplung ist der KM zum ideale Motor, Knoten für mit Leistungsteilung Kupplung KA zum und Getriebe Leistungssummierung. SG mit Mit variabler den einzelnen Übersetzung zur Getriebeübersetzungen Kurbelwelle bzw. Getriebeeingang kann der elektrische (z.b. über eine Planetenradstufe) Zweig variabel auf Antrieb und Abtrieb wirken und den Nutzen Elektrisches Stellgetriebe im Antriebsstrang maximieren. wie beim Toyota Prius 39

40 Fast jede Getriebestruktur lässt sich hybridisieren. stufenlos elektrisch leistungsverzweigendes Hybridgetriebe mit 2 E-Maschinen Stufenautomat mit 7 Gängen, aber nur 3 Lastschaltelementen und 1 E-Maschine für hybride Zusatzfunktionen 40 Das beste Konzept muss aber noch gefunden werden!

41 Zusammenfassung Fahrzeuggetriebe sind schon lange keine reine Schaltbox mehr. Sie entwickeln sich vom Kennungswandler zwischen Motor und Fahrzeug zum Leistungsknoten für das Energiemanagement im Fahrzeug Die Getriebeentwicklung war noch nie so interessant wie heute! Mit dem gemeinsamen Wissen der OEMs, deren Zulieferer und der Hochschulen werden wir immer nützlichere Getriebe für immer bessere Autos schaffen. 41