Kapitel 38: Automatische Getriebe 351 38.2 Halbautomatisches Getriebe Ein halbautomatisches Getriebe erleichtert die Bedienung des Schaltgetriebes, da ein Kupplungspedal nicht benötigt wird. Ein- und AuskuppeIn werden von der Halbautomatik übernommen. Es ist nur noch der Gangschalthebel zu bedienen. 38.2.1 Aufbau des halbautomatischen Getriebes Ein halbautomatisches Getriebe besteht aus zwei Hauptgruppen: Drehmomentwandler-Schaltkupplung und Schaltgetriebe. Die Anordnung der Hauptgruppen und die Betätigungseinrichtung zeigt Abb.4. Der hydrodynamische Drehmomentwandler ist Anfahrkupplung und Drehmomentwandler während des Anfahrens. Die vom Turbinenrad getriebene Schaltkupplung unterbricht den Kraftfluß für das Schalten des Getriebes. Wegen der Wandlung während des Anfahrens hat das Getriebe rneist einen Gang weniger. 38.2.2 Wirkungsweise des halbautomatischen Getriebes Saugrohr Steuerventil Reservebehälter Abb.4: Halbautomatisches Getriebe Servomotor Membrane Schaltkupplung Schaltgetriebe Elektrokontakt Drehmomentwandler Durch Betätigung des Gangschalthebels wird über einen Elektrokontakt ein Steuerventil. Dieses Ventil gibt die Unterdruckleitung zur linken Kammer des Arbeitszylinders vom Servomotor frei (Abb. 4). Dadurch schiebt der Luftdruck die Membran nach links und es wird ausgekuppelt. Dieser Vorgang ist in etwa 1/1o Sekunde abgeschlossen. Es wird schneller ausgekuppelt, als es mit dem Kupplungspedal möglich ist. Nach dem Loslassen des Gangschalthebels wird der Servomotor belüftet, es wird eingekuppelt. Rollt das Fahrzeug aus, so trennt der hydrodynamische Drehmomentwandler den Motor vom Getriebe, ohne daß der Gangschalthebel berührt werden muß. Ein halbautomatisches Getriebe hat für das Beschleunigen und Bremsen besondere Schaltfunktionen. Wird z. B. nach dem Schalten sofort wieder Gasgegeben (Beschleunigungsschaltung), so ist die Drosselklappe geöffnet. Der große Unterdruck im Lufttrichter des Vergasers bewirkt über das Steuerventil eine sehr schnelle Belüftung der linken Kammer des Servomotors. Die Kupplung wird besonders zügig. Das halbautomatische Getriebe hat den Vorteil, daß es die Zahl der Schaltvorgange erheblich vermindert, da für die Anfahr- und Haltevorgänge der Gangschalthebel nicht bedient werden muß.
352 Kraftübertragung 38.3 Vollautomatisches Getriebe Die Gänge werden über eine hydraulische oder elektronisch-hydraulische Steuerungseinrichtung automatisch in Abhängigkeit von der Motorbelastung und der Fahrzeuggeschwindigkeit geschaltet. Die Schaltung geschieht mit Hilfe von Bremsbändern und Mehrscheibenkupplungen unter Last. Ein Schalthebel wird nicht benötigt. Mit einem Wählhebel können vom Fahrer bestimmte Schaltprogramme gewähit werden. z.b.: P: Parkstellung R: Rückwärtsgang N: Neutral. Der Kraftfluß zwischen Motor und Antriebsrädern ist unterbrochen. D: Drive oder Direkt. Dieses Schaltprogramm verwendet alle Gänge. S (2): SIow oder Steigung. Die Schaltautomatik schaltet nicht in den höchsten Gang. Geeignet für Bergfahrten und Fahrten mit Gefälle. L (1): Low oder Last. Die beiden höchsten Gänge werden nicht verwendet. Geeignet für steile Pässe und Kolonnenfahrt. 38.3.1 Planetengetriebe In einem vollautomatischen Getriebe werden die Übersetzungen mit Hilfe von Planetengetrieben erzeugt. Die Vorteile des Planetengetriebes sind: ohne Unterbrechung des Kraftflusses schaltbar, kompakte Bauweise. Verteilung der Leistung auf mehrere Zahnräder, Aus diesen Gründen werden Planetengetriebe nicht nur in automatischen Getrieben sondern auch als Nachschalt- und Achsgetriebe verwendet. Hohlwellen Sonnenradbremse Bremse für Außenrad Abb.1: Planetenradsatz Planetenräder Sonnenrad Planetenträger Außenrad (Hohlrad) Einfaches PIanetengetriebe (Planetenradsatz) Ein Planetenradsatz (Abb. 1) hat drei Grundelemente. Er hat seinen Namen von der Bewegungsart der Planetenräder. Sie bewegen sich um das Sonnenrad, ähnlich wie Planeten um eine Sonne. Die Welle des Sonnenrades ist auch gemeinsame Drehachse für das Außenrad (Hohlrad) und den Planetenträger. Die Planetenräder drehen sich um ihre eigenen Achsen und um die Achse des Planetenträgers Die Übersetzungen und unterschiedlichen Drehrichtungen eines Planetenradsatzes entstehen durch Festhalten des Sonnenrades, des Außenrades oder des Planetenträgers. Werden zwei Elemente gleichzeitig kraftschlüssig verbunden, so ist das Planetengetriebe blockiert, d.h. der direkte Gang (i =1:1) ist geschaltet. Schema Antrieb Abtrieb fest blockiert Sinnbild Sonnenrad Außenrad Planetenträgerbremse Anwendungsmöglichkeiten Planetenrad 1. (oder 2.) Gang Rückwärtsgang Schnellgang Rückwärts- 2. (oder 3.) Gang (1) (Overdrive) gang (2) Abb.2: Schaltmöglichkeiten eines einfachen Planetengetriebes
Kapitel 38: Automatische Getriebe 353 Wie Abb. 2 zeigt, hat ein Planetenradsatz insgesamt sieben Schaltmöglichkeiten. Da von diesen in einem Kraftfahrzeuggetriebe aber jeweils nur zwei oder drei nutzbar sind, werden Planetengetriebe mit mehreren Planetenradsätzen benötigt. Mehrere Planetenradsätze Verbreitet sind zwei zweistufige Planetenradsätze: Ravigneaux-Getriebe und Simpson-Getriebe. Das besondere Merkmal des Ravigneaux-Getriebes ist der gemeinsame Planetenträger für alle Planetenräder der zwei Stufen (Abb. 3). Außerdem ist nur ein Außenrad (Hohlrad) vorhanden. Das bedeutet einen geringen Bauaufwand. 1. Gang 2. Gang Die langen Planetenräder sind im Ravigneaux- Getriebe mit dem großen Sonnenrad und den Planetenrädern des kleinen Sonnenrads gleichzeitig im Eingriff. Abb. 4 zeigt, daß mit dem Ravigneaux-Getriebe drei Vorwärtsgänge und der Rückwärtsgang geschaltet werden können. Das besondere Merkmal des Simpson-Getriebes (Simpson, Thomas: engl. Mathematiker, 1710 bis 1761) ist das gemeinsame Sonnenrad. Der Planetenträger des einen Planetenradsatzes ist mit dem Hohlrad des anderen verbunden (Abb. 5). Auch mit dem Simpson-Getriebe lassen sich drei Vorwärts- und ein Rückwärtsgang schalten. 3. Gang, direkter G. Rückwärtsgang Antrieb fest mitlaufend blockiert Antrieb Abb.4: Schaltmöglichkeiten eines Ravigneaux- Getriebes 5 Antrieb Planetenträger 4 6 1 2 Abtrieb 3 Sonnenrad 1 kleines Sonnenrad 4 lange Planetenräder 2 großes Sonnenrad 5 Außenrad (Hohlrad) 3 kurze Planetenräder 6 Planetenträger Freilauf Außenrad Abb.3: Ravigneaux-Getriebe Abb.5: Simpson-Getriebe
354 Kraftübertragung 38.3.2 Zwischen Wandler und Getriebe befindet sich eine. Sie liefert das Drucköl für: die Steuerung und die Betätigungseinrichtungen (KuppIungen, Bremsbänder), den Drehmomentwandler und die Schmierung des Getriebes. Schaltelement A Wählhebel Gaspedal Schaltelement B Schaltelement C Regler Fliehkraftregler Meist ist die eine Innenzahnradpumpe (Sichelpumpe). Ihr Innenrad wird über einen Antriebsflansch des Wandlerpumpenrades angetrieben. Sobald der Motor läuft, versorgt die Pumpe das Hydrauliksystem mit Drucköl. Die fördert mehr Öl als von der Getriebesteuerung benötigt wird. Überschüssiges ÖL wird über das Hauptdruck-Regulierventil zurück in die Ölwanne geleitet (Abb. 3, S. 357). Muß das Fahrzeug wegen eines Motorschadens an oder abgeschleppt werden, so arbeitet die SicheIpumpe nicht. Das automatische Getriebe kann nicht geschaltet werden. Deshalb haben automatische Getriebe häufig eine Sekundärpumpe (zweite ), die von der GetriebeausgangsweIle angetrieben wird. Sie fördert nur dann Öl, wenn die Primärpumpe keinen Hauptdruck aufbauen kann. 38.3.3 Schaltelemente In automatischen Getrieben werden für die Schaltung der Gange folgende Schaltelemente verwendet: hydraulisch e Lamellenkupplung, Freilauf und Bremsband. Sie haben die Aufgabe, den Kraftfluß im Getriebe entsprechend dem geschalteten Gang herzustellen oder zu unterbrechen. Das Bremsband (Abb.1) wird über einen Servokolben hydraulisch, teitweise auch federunterstützt, gespannt bzw. gelöst. Bremsbänder bestehen aus Stahl mit aufgeklebten Belägen. Wandler Wählschieber Druckregler Ölkühler Schaltkolben 1. - 2. Gang Schaltkolben 2. - 3. Gang Schaltschiebergehäuse (Steuergerät) Ölsumpf Abb.2: Blockschaltbild eines vollautomatischen Getriebes 38.3.4 Nehmereinrichtungen (Sensoren) Abb.2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes schematisch und stark vereinfacht das Zusammenwirken der einzeinen Teile eines automatischen Getriebes. Die Fahrgeschwindigkeit wird indirekt an der Getriebeausgangswelle mit einem Fliehkraftregler gemessen. Die Meßergebnisse werden als entsprechende Reglerdrücke an das Steuergerät geleitet. Das Motordrehmoment wird über den Saugrohrunterdruck ermittelt und als entsprechender druck an das Steuergerät weitergeleitet. Dort beeinflussen die Drücke die Stellung der Schaltventile (Schaltkolben) für die Gangstufen. Bremsband Trommel Reglerdruck Rücklauf Kolben Kolben Hauptdruckkanal Gehäuse Kolbenstange Nachstellung Rückstellfeder Abb.1: Bremsband mit betätigungseinrichtung Abb.3: Fliehkraftregler Hauptdruck
Kapitel 38: Automatische Getriebe 355 Fliehkraftregler Der Fliehkraftregler hat die Aufgabe, den Hauptdruck in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit in einen Reglerdruck umzuwandeln. Den Aufbau des Fliehkraftreglers zeigt Abb.3. Bei stehendem Fahrzeug wird kein Reglerdruck aufgebaut, da nur die Kraft der Feder wirksam ist und der vom Wählschieber kommende Hauptdruckkanal vom Reglerkolben gesperrt bieibt. Bei steigender Fahrgeschwindigkeit verschiebt sich der Kolben infolge der Fliehkraft gegen die Federkraft und öffnet den Hauptdruckkanal. Da der Kolben von der Federseite mit dem jeweiligen Reglerdruck beaufschlagt wird, unterstützt dieser die Federkraft und schließt bei einem der Drehzahl entsprechenden Druck den Hauptdruckkanal. Bei konstanter Fahrgeschwindigkeit bleibt der Reglerdruck konstant. und Der wandelt den Saugrohrunterdruck in eine Kolbenkraft im um. Dadurch entsteht ein bestimmter druck. Der Unterdruck im ist ein Vergleichswert für das jeweilige Motordrehmoment. Es gilt folgender Zusammenhang: großes Motordrehmoment-geringer Unterdruck, geringes Motordrehmoment-großer Unterdruck. Der Unterdruck wirkt der Membranfederkraft im entgegen (Abb. 4). Die Kolbenstangenseite der Membran steht unter atmosphärischem Druck. Somit bestimmen die Federkraft und der Unterdruck die Kolbenstellung und damit den Öldruck hinter dem. Der Regelvorgang vollzieht sich im Modolatorventil ähnlich wie im Fliehkraftregler. Der druck bieibt bei einer bestimmten SteIlung der Drosselklappe konstant, da er auch auf die Reaktionsfläche des s geleitet wird. Dort steht er als Reaktionskraft mit der Kolbenstangenkraft im Gleichgewicht, d.h. der Hauptdruckkanal ist geschlossen. Bei großem Motordrehmoment herrscht im ein geringer Unterdruck und dadurch ein hoher druck. Bei geringem Motordrehmoment herrscht im ein starker Unterdruck und dadurch ein niedriger druck. 38.3.5 Gesamtwirkungsweise der hydraulischen Steuerung Der Wählschieber (Abb. 3, S. 357) wird durch den Wahlhebel mechanisch. Er steuert den Hauptdruck, so daß nur die Ventile arbeiten, die für die Schaltfunktionen des gewählten Schaltprogramms nötig sind. Die Schaltung der Gänge wird von der Getriebeautomatik nach einem festgelegten Schaltprogramm ausgeführt. Tab. 1 zeigt die Einflußgrößen für die Schaltpunkte, die zugehörigen Angaben über die Messung der Größen, die Wirkung auf die Schaltventile und damit auf den Gangwechsel. Tab.1: Einflüsse auf die Schaltzeitpunkte Einflußgröße Meßgröße und -stelle: Die Lage der Schaltpunkte hängt ab von Drehzahl der Getriebeabtriebswelle Fahrgeschwindigkeit Motordrehmoment Unterdruck im druck zu den Schaltventilen Reaktionsfläche Vergaser Drosselklappe Belüftung Membrane Meßgerät: Funktionszusammenhang Fliehkraftregler hohe Fahrgeschwindigkeit hohes Motordrehmoment hohe Drehzahl der Abtriebswelle niedriger Unterdruck hoher Reglerdruck hoher druck Hauptdruck von der Rücklauf Abb.4: und und umgekehrt und umgekehrt wirkt auf die Schaltventile 1/2 und 2/3
356 Kraftübertragung Gang Gang 4 3 2 1 4 3 2 1 13 13 33 45 67 82 Abb.1: Schaltprogramm»D«Hochschalten Beschleunigen Herunterschalten 91522 62 75 Bremsen 125 Teilgas Vollgas Übergas km/h 140 km/h Abb. 1 zeigt für ein Vierganggetriebe das Schaltprogramm»D«für die Hoch- und Rückschaltung des Getriebes. Abb.3 zeigt einen stark vereinfachten Hydraulikplan, in dem nur eine Betätigungseinrichtung (Schaltelement) für jeden Gang angedeutet ist. In RuhesteIlung sind die Schaltventile nur federbelastet. Die durch Regler- und druck erzeugten Kräfte an den äußeren Kolben der Schallventile bestimmen deren Stellung. Sie können jeweils nur die beiden EndsteIlungen einnehmen. Bei Stillstand des Fahrzeugs und laufendem Motor wirken nur die Federkraft und die aus dem druck entstehende kraft auf die Schaltventile. Erhöht sich z.b. mit steigender Fahrgeschwindigkeit bei konstanter Drosselklappenstellung der Reglerdruck, so wird der 1-2-Schaltkolben bei der im Schaltprogramm festgelegten Fahrzeuggeschwindigkeit in die Stellung für den 2. Gang geschoben. Wegen der größeren Kolbenfläche ist die VersteIlkraft gegenüber dem 2-3-Kolben größer. Deshalb bieibt dieser un (Abb.3a). Bei Erreichen einer festgelegten Fahrgeschwindigkeit ist der Reglerdruck soweit angestiegen, daß das 2-3-Schaltventil gegen den druck in die 3.Gang-Stellung geschaltet wird (Abb.3b). Dadurch wird dem Hauptdruck der Weg zu den Schaltelementen des 3. Gangs freigegeben. Nimmt die Motorbelastung bei konstanter Geschwindigkeit zu, so steigt der druck, und das 2-3- Schaltventil wird wegen der größeren Endkolbenfläche in die Stellung für den 2. Gang geschoben. Dieser Schaltvorgang ist nur in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich möglich, in dem der zugehörige Reglerdruck überwunden wird. Die Schaltung vom 2. in den 1.Gang geschieht in gleicher Weise (Abb. 3c). Für eine starke Beschleunigung kann das Fahrpedal über einen merkbaren Druckpunkt hinaus durchgetreten werden. Dadurch wird direkt oder elektromagnetisch das Kickdown-Ventil (kick, engl.: Fußtritt) geschaltet (Abb. 3d). Es sperrt den ÖIdruck vom zu den Schaltventilen und gibt die druckkanäle für den Hauptdruck (nun Kickdowndruck) frei. Zusätzlich wird in den Schaltventilen ein weiterer Kolben mit Kickdowndruck beaufschlagt, der dem Reglerdruck entgegenwirkt. Die Automatik schaltet zurück. Die Schaltventile haben die Aufgabe, die Öldrücke zu den Betätigungseinrichtungen (Schaltelemente) zu steuern. Das geschieht in Abhängigkeit vom Schaltprogramm und der Fahrsituation.
Kapitel 38: Automatische Getriebe 357 Schaltelemente für 1. G. 2. G. 3. G. Regler Schaltelemente für 1. G. 2. G. 3. G. Regler Wählschieber D 1 1-2-Schaltventil Wählschieber D 1 1-2-Schaltventil R 2 R 2 Kickdownventil Kickdownventil 2-3-Schaltventil 2-3-Schaltventil a) Getriebe im 2. Gang Hauptdruck-Regulierventil Hauptdruck druck Reglerdruck Kickdowndruck Rücklauf Hauptdruck-Regulierventil b) 3. Gang, Hochschaltung durch Erhöhung des Reglerdrucks Schaltelemente für 1. G. 2. G. 3. G. Regler Schaltelemente für 1. G. 2. G. 3. G. Regler Wählschieber D 1 1-2-Schaltventil Wählschieber D 1 1-2-Schaltventil R 2 R 2 Kickdownventil Kickdownventil 2-3-Schaltventil 2-3-Schaltventil Hauptdruck-Regulierventil Hauptdruck-Regulierventil c) 2. Gang, Rückschaltung durch Erhöhung des drucks d) 1. Gang, Rückschaltung durch Kickdowndruck Abb.3: Vereinfachter Hydraulikplan eines Dreiganggetriebes
358 Kraftübertragung 38.3.7 Aufbau und Wirkungsweise eines vollautomatischen 4-Gang-Getriebes Abb. 1 zeigt ein vollautomatisches (Gang-Getriebe mit hydrodynamischem Drehmomentwandler, Ravigneaux-Getriebe und einfachem hinteren Planetensatz. Dessen Hohlrad ist mit dem Planetenträger des Ravigneaux-Getriebes verbunden. Die AntriebsweIle, von der Turbine getrieben, trägt das große Sonnenrad des Ravigneaux-Getriebes. Die AbtriebsweIle ist mit dem Planetenträger des hinteren Planetenradsatzes verbunden. 38 1 2 3 4 5 K 1 6 B 3 1 Anlaßzahnkranz 5 Kupplung K 1 9 Hohlrad (vorn) 2 Primärpumpe 6 Lamellenbremse B 3 10 Sonnenrad 3 Getriebegehäuse 7 Sonnenrad (vorn) 11 Hohlrad (hinten) 4 Vorderer Deckel 8 Planetenrad (lang vorn) 12 Schaltfreilauf F 37 36 7 8 9 10 11 12 13 14 F K 2 15 16 17 18 35 19 34 20 33 32 31 30 29 28 27 B 1 13 Kupplung K 2 16 Parksperrenrad 19 Sperrklinke 14 Entlüfter 17 Impulsstern 20 Parksperren- 15 Schraubenrad (Tachometerantrieb) gestänge (treibend) 18 Dreiarmflansch 21 Fliehkraftregler 26 25 24 23 22 21 B 2 22 Ölwanne 26 Planetenrad (hinten) 23 Untere Deckel 27 Sonnenrad (hinten) 24 Ölfilter 28 Planetenrad (kurz vorn) 25 Bremsband B 2 29 Schaltschiebergehäuse 30 Bremsband B 1 31 Ölablaßschraube 32 Pumpenrad 33 Turbinenrad 34 Statorwelle (fest) 35 Antreibswelle für 10 36 Freilauf (Wandler) 37 Antriebsflansch Primärpumpe 38 Leitrad Getriebe - schema M Mot B 1 B 3 B 2 K 1 K 2 F 1. G. Schaltfreilauf F gesperrt Bremsband B 2 angezogen Kupplung K 2 (Nur bei L ) Motordrehzahl Feststehende Teile Übersetzte Drehzahl Übersetzte Drehzahl mit Drehrichtungsumkehr Nochmals übersetzte Drehzahl 2. G. Bremsband B 1 angezogen Bremsband B 2 angezogen 3. G. Kupplung K 1 Bremsband B 2 angezogen 4. G. Kupplung K 1 Kupplung K 2 R. G. Lamellenbremse B 3 angezogen Kupplung K 2 Abb.1: Aufbau und Wirkungsweise eines vollautomatischen 4-Gang-Getriebes