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Ein Fahrzeugschaltgetriebe eines LKW. Gut zu sehen die Schaltgabeln und die Synchronisationsringe
Ein Fahrzeugschaltgetriebe eines LKW. Gut zu sehen die Schaltgabeln und die Synchronisationsringe
Ein Fahrzeuggetriebe ist das Getriebe im Antriebsstrang eines Fahrzeuges, das die Motordrehzahl auf die Antriebsdrehzahl übersetzt. Es wird meist als Verstell- bzw. Wechselgetriebe ausgeführt und ist bei Kraftfahrzeugen notwendig, um das relativ schmale, sinnvoll nutzbare Drehzahlband des Verbrennungsmotors allen Geschwindigkeitsbereichen zur Verfügung zu stellen. Wenn ein Fahrzeuggetriebe mehrere Getriebeausgangswellen aufweist, ist ein Differentialgetriebe in das Fahrzeuggetriebe integriert.
Manuelle Betätigung [Bearbeiten]
Schaltgetriebe [Bearbeiten]
Dieses Getriebe ist ein Wechselgetriebe: mehrere Zahnradsätze erlauben unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse. Weiter ist eine Drehrichtungsumkehr für den Rückwärtsgang erforderlich. Ein Verbrennungsmotor hat (bis auf wenige Ausnahmen) immer nur eine vorgegebene Drehrichtung, ein Fahrzeug muss jedoch gelegentlich auch rückwärts fahren.
Die auch heute noch am häufigsten anzutreffende Getriebeart erfordert zum Wechseln der Übersetzungen eine Unterbrechung des Kraftflusses: die Kupplung ermöglicht dies. Es wird (vom Fahrer) ausgekuppelt, dann der neue Gang eingelegt und wieder eingekuppelt.
Funktionsweise [Bearbeiten]
Die Beschreibung erfolgt hier am Beispiel eines Getriebes für Fahrzeuge mit Frontmotor und Hinterradantrieb.
In dem geschlossenen Getriebegehäuse verlaufen zwei Wellen: die Hauptwelle, die, bildlich gesehen vom Eingang am Motorflansch bis zum Triebwellen-Ausgang führt, nach der ersten Zahnradstufe unterbrochen ist, und die Vorgelegewelle, die parallel zur Hauptwelle verläuft.
Von dem vorderen Teil der Hauptwelle ausgehend wird über das erste Zahnradpaar die Vorgelegewelle angetrieben. Durch Schalten der jeweiligen nachfolgenden Zahnradstufen wird die Kraft von der Vorgelegewelle auf den hinteren Teil der Hauptwelle geleitet und von dort weiter zum Abtrieb. Die einzelnen Zahnradpaare sind beim synchronisierten Getriebe ständig im Eingriff. Ein Zahnrad ist fest mit der Welle verbunden, beim anderen kann mit einer Schaltmuffe eine formschlüssige Verbindung mit der Welle geschaltet werden. In der Regel sitzen die Schaltmuffen an der Hauptwelle, sie können sich jedoch auch auf der Vorgelegewelle befinden. Durch Koppeln der beiden Teile der Hauptwelle wird der Abtrieb direkt angetrieben (direkter Gang), die Vorgelegewelle läuft in diesem Fall mit, ohne jedoch Drehmomente zu übertragen.
Die Gänge werden nun wie folgt geschaltet:
H-Schaltung [Bearbeiten]
Befindet sich das Getriebe im Leerlauf, ist keines der Gangräder mit der Antriebswelle verbunden. Der Kraftschluss ist unterbrochen. Alle Zahnräder von Antriebswelle und Vorgelegewelle sind ständig im Eingriff, es wird jedoch keine Kraft übertragen.
Um einen Gang einzulegen, muss der Kraftschluss zwischen Motor und Getriebe unterbrochen werden. Dazu dient die Kupplung. Die Hauptwelle kommt nach kurzer Zeit zum Stillstand.
Ein Dreh-Schiebe-Mechanismus sorgt nun dafür, dass durch die Bewegung des Ganghebels die Schaltklaue betätigt wird, die die für den gewählten Gang zuständige Schaltwelle mit der Schaltmuffe zwischen Gangrad und Vorgelegewelle schiebt. Vereinfacht dargestellt, wird durch eine Bewegung des Ganghebels durch die Leerlauf-Gasse eine Dreh-Bewegung der Schaltstange im Getriebe ausgelöst, die mit dem Schaltfinger jeweils einen Zugriff auf eine Schaltwelle bewirkt, welche durch die Schaltklaue in zwei Richtungen bewegt werden kann. Eine Schaltmuffe, die von der Klaue auf der Welle verschoben wird, ist also für jeweils zwei Gänge zuständig. Man könnte sagen, eine Vor-Rück-Bewegung des Schalthebels bewirkt eine Verschiebung der Klaue, und eine Rechts-Links-Bewegung verdreht die Schaltstange und wählt eine andere Schaltwelle aus. Daraus ergibt sich die H-förmige Anordnung in der Schaltkulisse. Ein Viergang-Getriebe hat drei Schaltwellen, zwei für die Vorwärtsgänge und eine für den Rückwärtsgang. Der Rückwärtsgang wird über eine dritte Getriebewelle geschaltet.
Durch das Schieben des Schalthebels in die Gasse des gewählten Ganges wird also eine Schaltmuffe auf der Antriebswelle zwischen Gangrad und Triebrad geschoben. Das Gangrad ist fest mit der Welle verbunden und der Kraftschluss innerhalb des Getriebes hergestellt.
H-Schaltungen lassen eine freie Gangwahl zu (zumindest theoretisch): Es kann von jedem Gang in jeden anderen geschaltet werden (während des Betriebes sollte man dies aber beim Rückwärtsgang unterlassen).
Sequentielle Getriebe [Bearbeiten]
Ein verbreitetes sequentielles Getriebe ist das Kegelzuggetriebe. Bei dieser Getriebebauart wird auf die Schaltklauen verzichtet, die Vorgelegewelle ist hohl gebohrt. Innerhalb der Vorgelegewelle ist an einer Stange ein Kegel befestigt. Dieser drückt durch Bohrungen in der Vorgelegewelle an den Gangrädern Kugeln nach außen, die für einen Kraftschluss zwischen Welle und Gangrad sorgen. Eine leicht abgewandelte Bauform ist das Ziehkeilgetriebe, in dem in einer genuteten Welle ein Ziehkeil beim Gangwechsel längs bewegt wird und das jeweilige Zahnrad mit Formschluss verriegelt. Beispiele: Getriebe der Mokicks und Kleinkrafträder von Zündapp, DKW und Simson.
Sequentielle Getriebe lassen sich nicht wahlfrei schalten, nur sequentiell: also 1-2-3-4-5 oder 5-4-3-2-1 usw.
Ein Beispiel für ein solches Kegelzuggetriebe ist ein Motorradgetriebe.
Synchronisation [Bearbeiten]
Wird bei einem nicht synchronisierten Getriebe der Gangwechsel bei Drehzahldifferenz eingelegt, so muss die Differenz erst einmal angeglichen werden. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, stellt sich ein Rattern ein, welches bei unsynchronisierten Getrieben den Schaltvorgang begleitet. Ursache ist die als Vielzahnmuffe ausgeführte Schaltmuffe, die unter das mit unterschiedlicher Drehzahl laufende Gangrad geschoben wird. So kam es früher auf die Geschicklichkeit des Fahrers an, wie geräuschvoll der Schaltvorgang ausgeführt wurde.
Um die Geräusche zu verhindern, gibt es zwei Techniken: Externe und interne Synchronisation. Bei der internen Synchronisation, die bei ’synchronisierten’ Getrieben Anwendung findet, besorgt dies ein der Schaltmuffe vorgelagerter Synchronring aus Messinglegierung. Diese wirkt als Kegelkupplung und erzeugt Reibung zwischen Gangrad und Vorgelegewelle. Dies gleicht die Drehzahl an, bis die Schaltmuffe schließlich hineinrutschen kann. Dabei unterscheidet man unter einfacher Synchronisation und Zwangssynchronisation (auch Sperrsynchronisation), bei der die Schaltmuffe erst bei korrektem Gleichlauf einrückt.
Die externe Synchronisation ist bei unsynchronisierten Getrieben erforderlich. Bei alten Bauarten lag es in der Verantwortung des Fahrers beide Enden des Kraftstranges anzugleichen. Die Anpassung war reine Gefühls- und Erfahrungssache. Vor dem Hochschalten wird im Leerlauf kurz eingekuppelt (Zwischenkuppeln) um die Antriebswelle(oder Vorgelegewelle) abzubremsen. Das ist notwendig, weil die Zahnräder des nächsten Ganges eine langsamere Umfangsgeschwindigkeit haben. Beim Runterschalten wird ebenfalls im Leerlauf eingekuppelt, aber dabei wird gefühlvoll Gas gegeben (Zwischengas). Die Zahnräder auf der Antriebswelle werden an die Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder des kleineren Ganges angepasst. Durch unsachgemäße Bedienung kann der Gang nicht oder nur schwer eingelegt werden. Das führt zwangsläufig zu Schäden an Zahnrädern (Schubradgetriebe) oder Schaltklauen (Schubklauengetriebe).
Ein Getriebe mit Sperrsynchronisation kann im Notfall auch ohne Kupplung geschaltet werden. Wenn die Kupplung nicht mehr funktionsfähig ist, wird mit eingelegten ersten Gang der Motor gestartet. Will der Fahrer schalten, gibt er leichten Zug auf den Schalthebel, der daraufhin kurz nach dem "Gas-Wegnehmen" in "Neutral" springt. Nun wird gewartet, bis der Motor nach Gehör in etwa die Drehzahl des gewählten nächsten höheren Ganges hat, und dann wird leichter Druck auf den Schalthebel ausgeübt. Stimmt die Drehzahl, "rutscht" der Gang rein. Herunterschalten wird, ähnlich wie beim unsynchronisierten Getriebe, durch Gasgeben und Warten erreicht. Diese Vorgehensweise ist nur für erfahrene Fahrer im Notfall anwendbar, da die Synchronringe auf Dauer starkem Verschleiß unterliegen.
Neuere, zumeist automatisierte Getriebe oder sequentielle Getriebe im Rennsport werden synchronisiert, indem eine Elektronik die Motordrehzahl so angleicht, dass ein problemloses Einlegen des Ganges möglich ist.
Renn(sport)getriebe [Bearbeiten]
Eine Sonderbauform der manuell betätigten Getriebe sind die Getriebe für Rennsportanwendungen, auch Rennsportgetriebe oder kurz Renngetriebe genannt. Bei diesen Getrieben wird auf Schaltmuffen verzichtet, die Gangräder werden direkt auf einer verzahnten Vorgelegewelle verschoben und sind somit nicht mehr ständig im Eingriff. Dies ermöglicht bei gleichen Baumaßen eine höhere Belastbarkeit (größeres max. übertragbares Drehmoment), da Wellen stärker dimensioniert werden können (interessant bei Rallyefahrzeugen bzw. Fahrzeugen der Cup-Klasse), bzw. verringertes Gewicht (bei Touren- und Rennwagen). Allerdings sind solche Getriebe ohne Synchroneinrichtung nur mit Zwischengas zu schalten.
Die aktuelle Entwicklung im Rennsport geht zu zugkraftunterbrechungsfrei hochschaltenden Getrieben (durch den hohen Luftwiderstand und das geringe Gewicht büßen Rennwagen bei einem ’normalen’ Gangwechsel 2-3 km/h ein). Hierbei verwendet man jedoch nicht das Prinzip einer lastschaltbaren Doppelkupplung, sondern andere Prinzipien. Es werden im Grunde zwei Gänge gleichzeitig eingelegt. Um einen Getriebeschaden zu vermeiden, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von einem oder mehreren Freiläufen, so dass beim überschneidenden Hochschalten das schneller drehende Zahnrad des höheren Gangs das langsamer drehende Zahnrad des niedrigeren Gangs überholt. Der Freilauf verhindert hierbei, dass das Getriebe verspannt wird. Die andere Variante besteht darin, dass für kurze Zeit (einige Millisekunden) zwei Gänge gleichzeitig eingelegt sind. Um dies ohne Verspannungen zu ermöglichen, ist ein Verdrehspiel zwischen den Gangrädern und ihrer Welle erforderlich. Wenn der vorher eingelegte Gang nicht rechtzeitig herausgezogen wird, so kommt es zu einem Getriebeschaden. Bei Schaltvorgängen kommt es zu sehr starken Schaltstößen, deshalb sind derartige Bauarten für PKWs ungeeignet.
Automatisierte Betätigung [Bearbeiten]
Halbautomatische Getriebe und Getriebe mit Wandlerschaltkupplung [Bearbeiten]
Eine Sonderform der Schaltgetriebe sind halbautomatische Getriebe, bei denen man nicht kuppeln muss, aber selbst schaltet. Beim Berühren des Schalthebels wird automatisch ausgekuppelt, wenn der nächste Gang eingelegt ist wieder eingekuppelt. Prinzipiell sind sie mechanische Getriebe mit einer automatisch betätigten Einscheibenkupplung oder Magnetpulverkupplung.
Bei Getrieben mit einer Wandlerschaltkupplung (WSK) wird ein konventionelles Schaltgetriebe mit einem Drehmomentwandler kombiniert, der sich zwischen Motor und Kupplung befindet, und ein vom konventionellen Automatikgetriebe her bekanntes komfortables, verschleißfreies Anfahren und Rangieren ermöglicht. Um den Gang zu wechseln, muss der Fahrer wie bei einem normalen Schaltgetriebe die konventionelle Kupplung betätigen, um den Kraftfluss zu unterbrechen und auch manuell schalten. Heute wird diese Bauart vor allem bei Schwerlast-LKW eingesetzt.
Bei einigen Fahrzeugen wurden auch beide Konzepte (halbautomatische Getriebe + WSK) kombiniert.
Beispiele für Fahrzeuge mit halbautomatischen Getrieben oder mit WSK sind der im Ford 17M, dem VW Käfer und Karmann Ghia, dem DKW F 11/12 u. AU 1000 und Opel Rekord („Olymat“) verbaute Saxomat, ferner die bei Renault 4CV und Dauphine auf Wunsch lieferbare Ferlec-Kupplung, die WSK mit zusätzlich automatisierter Kupplung beim Mercedes 219/220 S/220 SE („Hydrak“), VW Käfer, Porsche 911 („Sportomatic“), NSU Ro 80 (serienmäßig), Citroen DS und Renault Frégate („Transfluide“) oder die in neuerer Zeit im Citroën CX erhältliche C-Matic. Für den Trabant gab es unter der Bezeichnung Hycomat ein halbautomatisches Getriebe.
Seit den frühen 1990er Jahren gibt es auch verlustfrei arbeitende Halbautomatikgetriebe mit automatischen Kupplungen, bei denen von Hand geschaltet und die herkömmliche Scheibenkupplung elektronisch-hydraulisch betätigt wird, z. B. bei Mercedes-Benz und Saab.
Automatisierte Schaltgetriebe [Bearbeiten]
Automatisierte Schaltgetriebe bieten neben zusätzlichem Fahrkomfort auch noch die Möglichkeit, das Fahrzeug gegen Missbrauch zu sichern, beispielsweise gegen die Folgen eines Knallstarts. Außerdem ergeben sich bei der Messung der Abgaswerte und des Normverbrauches Vorteile, weil der Gang von der elektronischen Steuerung frei gewählt werden kann. Bei konventionellen Schaltgetrieben hingegen ist die Wahl der Gänge im Fahrzyklus genau vorgeschrieben, was durch unnötig hohe Drehzahlen im Teillastbereich zu schlechteren Messwerten führen kann. Aus diesem Grund kam z.B. im 3-Liter Lupo von Volkswagen ein automatisiertes Schaltgetriebe zum Einsatz.
Klassisches, automatisiertes Schaltgetriebe [Bearbeiten]
Ein automatisiertes Schaltgetriebe, von einigen Firmen auch automatisches Schaltgetriebe genannt, ist ein gewöhnliches Schaltgetriebe, bei dem die Steuerung der Kupplung und der Wechsel des Ganges nicht mehr durch den Fahrer, sondern durch Stellmotoren oder Hydraulik bewirkt wird. Während des Gangwechsels ist die Zugkraft unterbrochen und die Schaltzeit wird von der Zeit des Gangwechsels plus der Zeit für die Kupplungsbetätigung bestimmt.
Der Fahrer wählt lediglich den Gang aus, oder ob in den nächsthöheren oder nächstniedrigeren Gang geschaltet werden soll. Diese Mischform aus konventionellem und automatischem Getriebe bietet häufig auch die Möglichkeit, zwischen beiden Varianten zu wählen. So kann man den Wählhebel der Schaltung in einen vollautomatischen Modus legen, oder durch Antippen des Hebels nach vorne oder nach hinten den nächsthöheren oder -niederen Gang einlegen.
Bei LkW kommen sogenannte EPS-Getriebe zum Einsatz, wo der Fahrer den entsprechenden Gang vorwählt und die elektronische Steuerung des Getriebes über elektro-pneumatische Schaltzylinder das Getriebe schaltet. Dabei wählt der Fahrer beispielsweise den „6. Gang/niedrig“ aus und betätigt das Kupplungspedal. Dadurch wird die Steuerelektronik aktiviert und prüft, ob der Schaltvorgang auch ausgeführt werden kann. Ist dies der Fall, so schaltet die Steuerelektronik über die pneumatischen Schaltzylinder dann in den entsprechenden Gang. Standardmäßig sind moderne Lkw mit einem 8-Gang-Getriebe ausgestattet. Basis von LKW Getrieben ist in der Regel ein 4-Gang Schaltgetriebe, das mit einer Vorschalt-Gruppe und einer Range-Gruppe erweitert werden kann, sodass 16 Gangstufen zur Verfügung stehen.
Ein Vorteil dieser Getriebeart ist die Vereinigung des geringeren Kraftstoffverbrauchs einer herkömmlichen Schaltung mit der Bequemlichkeit einer automatischen Schaltung, wobei oftmals zusätzlich noch die volle Freiheit der Gangwahl erhalten bleibt. Zudem ist es - wie beim vollautomatischen Getriebe - nahezu ausgeschlossen, dass der Motor „abgewürgt“ wird, da die Kupplung bei zu niedrigen Drehzahlen oder einer Vollbremsung automatisch geöffnet wird.
Kritisiert wird in Testberichten häufig die als störend empfundene Zugkraftunterbrechung bei Schaltvorgängen (insbesondere bei starker Beschleunigung). Bei konventionellen Automatikgetrieben gibt es hingegen prinzipbedingt beim Schaltvorgang keine Zugkraftunterbrechung.
Automatische Schaltgetriebe gibt es unter anderem im Audi A2 1.2 TDI, VW Lupo 3L, im MCC Smart, im Peugeot SW, im Opel Corsa oder Astra als Easytronic oder in diversen Ford-Modellen als Durashift-EST (Electronic Shift Technology). Bei Mercedes-Benz heißt sie Sprintshift, bei Renault Quickshift, bei Citroen Sensodrive bzw. EGS, bei Fiat und Alfa Romeo Selespeed, bei Lancia DFN (Dolce Far Niente), bei BMW SMG bei Toyota MMT (MultiMode-Getriebe) und bei Honda i-Shift.
Doppelkupplungsgetriebe [Bearbeiten]
Eine weitere Entwicklung des automatischen Schaltgetriebes ist das Doppelkupplungsgetriebe, das bereits in den 1980er Jahren von Porsche als PDK (Porsche Doppelkupplungsgetriebe) vorgestellt wurde. Im Serieneinsatz ist es bei Volkswagen (DSG) seit 2002. BMW, Porsche, Ford, Mitsubishi, Volvo und planen den Einsatz von Doppelkupplungsgetrieben von ZF und Getrag für 2008.
Das Doppelkupplungsgetriebe besteht aus zwei automatisierten Teilgetrieben mit jeweils einer Kupplung. Ein Teilgetriebe trägt die geraden Gänge, das andere die ungeraden Gänge. Vor dem Schalten wird zunächst im lastfreien Zweig der zu schaltende Gang eingelegt. Dann wird die Kupplung des lastfreien Ganges geschlossen und die des anderen Ganges gleichzeitig geöffnet. Dadurch kann ohne Zugkraftunterbrechung geschaltet werden, die Zeit für den Gangwechsel ist nur von der Schaltgeschwindigkeit der Kupplungen abhängig. Ohne Zugkraftunterbrechung kann nur von einem geraden in einen ungeraden Gang und umgekehrt geschaltet werden.
Automatikgetriebe [Bearbeiten]
ZF 6HP26 6-Gang-Automatikgetriebe für Leistungen bis 320 kW. Getriebeeingang (Motorseite) ist links am Wandler (gelb).
ZF 6HP26 6-Gang-Automatikgetriebe für Leistungen bis 320 kW. Getriebeeingang (Motorseite) ist links am Wandler (gelb).
Ein Automatikgetriebe unterscheidet sich im Aufbau von einem Schaltgetriebe dadurch, dass es sich aus einer unterschiedlichen Anzahl und Kombination von Planetengetrieben (siehe auch Simpsonsatz, Ravigneauxsatz, Wilsonsatz, Lepelletier ) zusammensetzt. Anders als beim Doppelkupplungsgetriebe sind keine zusätzlichen Synchronisationselemente erforderlich, alle Schalt- und Kupplungsvorgänge erfolgen mit Lamellenkupplungen und Bremsbändern. In Ausnahmefällen wird bei Automatikgetrieben auch auf Planetenradsätze verzichtet, so z.B. bei den Hondamatic Getrieben und beim Automatikgetriebe der Mercedes-Benz A-Klasse (W168). Es handelt sich dann wie bei Schaltgetrieben um Mehrwellengetriebe, die allerdings statt Synchronisierungen und Schaltmuffen für jeden Gang eine eigene Lamellenkupplung besitzen.
Die kraftschlüssige Verbindung der einzelnen Planetengetriebsstufen (Planetensätze) mit den Ein- und Abgangswellen erfolgt mittels Lamellenkupplungen (früher auch mittels Bremsbändern). Ein Automatikgetriebe wechselt nach einer vom Konstrukteur vorgegebenen Logik die Gänge selbsttätig, der Fahrer muss nicht eingreifen. Die Steuerung des Getriebes erfolgte bis Ende der 1980er Jahre hydraulisch und heutzutage elektronisch bzw. elektrohydraulisch (die eigentlichen Schaltelemente (Kupplungen) werden (wohl auch in Zukunft) immer noch hydraulisch betätigt). Automatikgetriebe verwenden in der Regel einen Drehmomentwandler als Anfahrkupplung.
Wirkungsgrad und Steuerung [Bearbeiten]
Ein Teil der vom Motor abgegebenen Leistung wird im Drehmomentwandler in Form von Reibungswärme auf Grund von Schlupf an das Öl abgegeben. Außerdem benötigt die Öldruckpumpe Energie für die Erzeugung des Hydraulikdrucks. Die im aktuellen Gang nicht benötigten, leer mitlaufenden geöffneten Lamellenkupplungen verursachen gewisse Schleppverluste. Dadurch ist der Treibstoffverbrauch im Vergleich zu einem mit Schaltgetriebe ausgestatteten und ansonsten gleichen Fahrzeug meist höher. Moderne Automatikgetriebe bieten eine mechanische Wandlerüberbrückung schon ab dem ersten Gang, um diesen Mehrverbrauch an Kraftstoff zu reduzieren. Die Verbrauchsnachteile der Automatik zeigen sich in der Regel kaum noch bei den Normverbräuchen, da die Schaltpunkte auf die genormten Zyklen angepasst werden.
Automatikgetriebe unterscheiden sich von automatisierten Schaltgetrieben durch einen zugkraftunterbrechungsfreien Schaltvorgang. Ein Gangwechsel erfolgt durch Abschalten eines Schaltelementes und gleichzeitiges Aufschalten des Schaltelemtes für den nächsten Gang. Das zweite Schaltelement übernimmt also Stück für Stück das Drehmoment vom Ersten, bis am Ende des Gangwechsels das gesamte Drehmoment vom zweiten Schaltelement übernommen wird. Die Zeitspanne für diesen Schleifvorgang bewegt sich im zwei- bis dreistelligen Millisekundenbereich. Um das Getriebe vor Überlastung zu schützen oder eine bessere Schaltqualität zu erreichen, kann die Getriebesteuerung modernerer Fahrzeuge über den CAN-Bus einen „Torque-down“-Request an das Motorsteuergerät übermitteln. Das veranlasst die Motorsteuerung, das Antriebsmoment für die Dauer des Schaltvorgangs zu reduzieren. Ein weiteres Mittel, die Schaltqualität zu erhöhen ist, die Wandlerkupplung bei bestimmten Schaltsituationen zu öffnen, um den Drehstoß beim Schaltvorgang abzudämpfen. Dass der Kraftfluss konstruktionsbedingt nicht unterbrochen wird, führt auch zum bekannten "Kriechen" der Automatik im Stand, was beim Rangieren sehr vorteilhaft sein kann. Die Gangwechsel zwischen den bis zu 8 Übersetzungsstufen erfolgen sehr weich, oft sogar unmerkbar.
Mit der elektronischen Regelung z.B mit der EGS werden auch weitere Effekte erzielt: Bei niedrigen Gängen ist es inzwischen üblich, das Drehmoment des Motors zu begrenzen. Dadurch können die Kupplungen im Automatikgetriebe kleiner ausgelegt werden und der restliche Antriebsstrang muss für ein geringeres Drehmoment ausgelegt werden, was diesen leichter und preiswerter macht. Wenn gleichzeitig die Bremse und das Gaspedal getreten werden, verhindert die Steuerung, dass der Motor den Antriebsstrang verspannt und überlastet und den Wandler überhitzt. Beim Kick-down wird zusammen mit der ASR (Antriebsschlupfregelung) der Radschlupf kontrolliert und ein Durchdrehen eines Rades durch Bremseneingriff und bei Durchdrehen aller angetriebenen Räder durch Herunterregeln der Motorleistung begrenzt.
Die Kick-down-Funktion ist schon bei frühen Automatikgetrieben mit rein hydraulischer Regelung zu finden. Über das bloße Vollgas hinaus wird dabei mittels Betätigung des Kickdownschalters am Anschlag des Gaspedals ein Signal an die Steuerung des Automatikgetriebes gesandt. Die Automatik schaltet in den Gang, der die bestmögliche Beschleunigung bietet und bringt den Motor auf hohe Drehzahlen. Zweckmäßig ist die Anwendung des Kick-downs vor allem bei Überholvorgängen.
Beim Rückschalten wird bei teureren Automatikgetrieben das Prinzip der Mehrfach-Rückschaltung genutzt: Der Schaltvorgang findet ggf. im Wege der Sprungschaltung statt, so dass Gangstufen – meist aber nur eine – übersprungen werden. Ein in modernen Fahrzeugen wählbares Schaltprogramm wird durch das Kick-down-Signal meist überlagert.
Beschriftung eines Wählhebels (BMW)
Beschriftung eines Wählhebels (BMW)
Bedienung und Sicherheit [Bearbeiten]
Die Bedienung eines Automatikgetriebes variiert je nach Fahrzeugtyp. Eingebürgert haben sich die folgenden Bezeichnungen für die Stellungen des Getriebewählhebels:
* P: Park/Parkstellung, zum Parken und Fixieren des Getriebes
* R: Reverse/Rückwärtsgang, zum Rückwärtsfahren
* N: Neutral/Leerlauf, kein Antrieb. Beim Abschleppen und in der Waschstraße
* D: Drive/Dauerfahrstellung, normale Fahrstellung (Automatik)
Für Gefällestrecken, insbesondere bei Anhängerbetrieb, werden weitere Fahrstufen angeboten, in denen die Automatik nicht in die höchsten Gänge durchschaltet, so dass das Motorbremsmoment besser genutzt werden kann:
* 3: Das Getriebe schaltet nur bis zum 3. Gang hoch (entfällt bei älteren 3-Gang-Getrieben)
* 2 oder S: Das Getriebe schaltet nur bis zum 2. Gang hoch.
* 1 oder L: Das Getriebe bleibt im 1. Gang.
Eine Reihe von Herstellern ergänzen die Automatik noch mit einem Wahlschalter für eine sportliche oder sparsame Schaltcharakteristik (meist mit den Stufen E=Economy und S=Sport oder Standard). Neuere Getriebe beobachten und lernen auch Gewohnheiten des Fahrers und passen ihre Schaltprogramme entsprechend an (selbstlernende Automatikgetriebe).
Immer mehr Automatikgetriebe bieten für das Schalten eine manuelle Vorwahl über die Tiptronic-Gasse an, d.h. der Fahrer kann sequenziell den nächsthöheren oder nächstniedrigeren Gang wählen.
Fahrzeuge mit Automatikgetriebe dürfen nach einem Ausfall - je nach Hersteller - nur über kurze Strecken oder gar nicht abgeschleppt werden, wenn die angetriebene Achse rollt. Ohne laufenden Motor wird bei den meisten Getrieben die Ölpumpe nicht angetrieben, so dass keine ausreichende Schmierung sichergestellt ist. Eine Ausnahme davon bilden Automatikgetriebe mit einer zusätzlichen Sekundärölpumpe am Getriebeausgang, z.B. ältere Automatikgetriebe von Mercedes-Benz.
In den 1980er Jahren gab es Sicherheitsprobleme mit angeblichen Selbstläufern. In den USA erschienen TV-Berichte, in denen behauptet wurde, dass sich Fahrzeuge (vorwiegend wurden Audi-Modelle gezeigt) angeblich beim Start trotz Tritt auf die Bremse unerwartet in Bewegung gesetzt hätten. Eine abschließende Klärung wurde nicht erreicht, in der Folge haben sich jedoch einige Sicherheitsfunktionen eingebürgert:
* Der Zündschlüssel kann nur in der Stellung „P“ abgezogen werden, das Einrasten der Lenkradsperre bei rollendem Fahrzeug wird so verhindert.
* Der Motor kann nur in der Stellung „P“ und/oder „N“ gestartet werden. Ein Anrollen mit dem Start des Motors ist damit nicht möglich.
* Um die Stellung „P“ zu verlassen, muss die Bremse betätigt werden. Bei einigen Herstellern gilt dies auch für die Stellung „N“ (nur bei Fahrzeugstillstand). Der Fahrer wird dadurch gezwungen, beim Start das richtige Pedal zu betätigen. So soll ein Verwechseln des Gaspedals mit der Bremse vermieden werden.
Mit der Verbreitung dieser Vorkehrungen in Neufahrzeugen ist das Problem der Selbstläufer verschwunden. Inzwischen haben weitere Sicherungen Einzug gehalten. So steigert bei einigen Automatiken der Motor kaum mehr seine Leistung, wenn gleichzeitig das Bremspedal getreten wird. Ein Verspannen des Antriebsstranges und eine Überhitzung des Wandlers wird dadurch ausgeschlossen.
Stufenlose Getriebe [Bearbeiten]
* Continuously variable transmission (CVT) steht für Getriebe mit einem kontinuierlch variablen (begrenzten) Übersetzungsbereich, der dem von Schaltgetrieben entspricht. Nach dem DAF-Getriebe (Variomatic) gab es Versuche von Fiat, Subaru und Ford, heute werden CVT-Getriebe unter der Bezeichnung Multitronic von Audi im A4 und größeren Modellen angeboten, unter der Bezeichnung Autotronic von Mercedes-Benz in der A-Klasse und B-Klasse und einfach als CVT von Honda im Jazz und im Civic Hybrid.
* Infinitely Variable Transmission (IVT) hat einen ’unendlichen’ Übersetzungsbereich, d.h. bei 1:∞ steht die Getriebeausgangswelle still, obwohl die Eingangswelle mit dem laufenden Motor verbunden ist, so dass bei dieser Bauform keine Anfahrkupplung erforderlich ist. Im Planetengetriebe wird die Leistung verzweigt oder summiert, wobei mit dem stufenlosen Teil die Gesamtübersetzung geregelt werden kann. Der stufenlose Getriebeteil kann beispielsweise hydrostatisch (bei Traktoren), elektrisch (Toyota Prius) oder auch mechanisch (CVT) ausgeführt sein.
Vorteile [Bearbeiten]
Diese Getriebebauform bietet folgende Vorteile:
* Entfall von Schaltstufen, dadurch
o besserer Komfort, da Drehmoment- und Drehzahlwechsel kontinuierlich und nicht in Sprüngen erfolgt
o keine Schaltpausen, da kein Gangwechsel ausgeführt wird
* Die Kennlinie der Übersetzung kann nach verschiedenen Kriterien ausgelegt werden:
o Verbrauch: Der Motor läuft möglichst immer im Bereich des günstigsten Momentanverbrauchs und im Schleppbetrieb kann durch die Übersetzungsanpassung das kleinste Schleppmoment gewählt werden
o Fahrdynamik: Wenn maximale Beschleunigung erwartet wird, kann der Motor beim Beschleunigen immer unter maximaler Leistung laufen, die Fahrgeschwindigkeit wird alleine durch die Übersetzung des CVT angepasst
o Geräusche: Der Motor wird im jeweils leisesten Betriebsbereich gefahren
o Abgasausstoß: Der Motor wird im Betriebsbereich mit dem geringsten Schadstoffausstoß gefahren
Nachteile [Bearbeiten]
* Bei vielen Bauarten stark begrenzte Drehmomentkapazität
* Erhöhter technischer Aufwand, teilweise spezielle Ölsorten erforderlich
* Eingeschränkte Kundenakzeptanz
* Etwas schlechterer mechanischer Wirkungsgrad als konventionelle Getriebe
Die Drehmomentkapazität kann zum Beispiel dadurch ausgeglichen werden, dass man das CVT zwischen ein leistungsverzweigendes Planetengetriebe und ein summierendes Planetengetriebe schaltet. Dadurch verschlechtert sich im Allgemeinen der Gesamtwirkungsgrad der Getriebekombination.
Mit verbrauchsoptimierten Kennlinien kann der Nachteil des schlechteren Getriebe-Wirkungsgrades teilweise wettgemacht werden. Durch die Verbrauchsoptimierungen an den Motoren und breitere Drehzahlbänder für den günstigsten Kraftstoffverbrauch sind die Doppelkupplungsgetriebe derzeit die stärksten Konkurrenten der verbrauchsoptimierten CVT.
In der Praxis lassen sich einseitig optimierte Kennlinien mangels Kundenakzeptanz nicht realisieren, wodurch die theoretischen Vorteile gewissen Einschränkungen unterworfen sind.
Erfahrungsgemäß sind viele Fahrer nicht zufrieden, wenn das Fahrzeug beim Beschleunigen von Null auf 100 km/h stets mit der gleichen Motordrehzahl fährt („Gummibandeffekt“). Um dies zu vermeiden, bieten zahlreiche CVTs ein Schaltprogramm an, in dem sie mit festen Übersetzungsstufen arbeiten und so einen normalen Stufenautomaten imitieren.
Geschichte [Bearbeiten]
Die erste Massenanwendung von CVTs erschien in den 1960er Jahren in den niederländischen DAF-Automobilen unter der Bezeichnung Variomatic. Im Wesentlichen wird die Kraft im stufenlosen Getriebe per Keilriemen zwischen Keilscheiben mit variablem Abstand übertragen (siehe CVT).
Dieses Prinzip nach Van Doorne wurde inzwischen mit Metallgliederketten für weitaus höhere Drehmomente weiterentwickelt. Audi kam um 2000 mit der neuen Getriebebauart (Multitronic) erstmals für leistungsstarke PKW auf den Markt.
Auch der mit einem Hybridantrieb ausgestattete Toyota Prius hat ein stufenloses Automatikgetriebe, das allerdings über ein leistungsverzweigtes Planetengetriebe funktioniert, welches den Verbrennungsmotor mit zwei Motorgeneratoren verbindet. Die Getriebeübersetzung wird rein elektronisch durch die variable Ansteuerung der Motorgeneratoren vorgenommen. Ein separater Rückwärtsgang ist somit überflüssig. Des Weiteren entfällt ein Drehmomentwandler. Allerdings "kriecht" auch der Prius, das heißt, er setzt sich aus dem Stand ohne Gasgeben in Bewegung. Das stufenlose Getriebe des Prius ist Bestandteil einer als Hybrid Synergy Drive bezeichneten Baueinheit aus Verbrennungsmotor, Planetengetriebe und zwei Motorgeneratoren.
Der mit einem Hybridantrieb ausgestattete Honda Civic Hybrid hat ein stufenlosen CVT-Getriebe mit einem Drehmomentwandler.
Ähnlich wie das Getriebe des Prius funktionieren leistungsverzweigte hydrostatische Getriebe, die vor allem bei Traktoren verbreitet sind. Die Leistung wird über einen mechanischen Teil und einen stufenlosen hydrostatischen Teil verzweigt. Durch stufenloses Verstellen der Übersetzung im hydrostatischen Teil kann die sich ergebendende Gesamtübersetzung geregelt werden. Um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern haben solche Getriebe zum Teil noch zusätzliche Gangstufen.
Automatikgetriebe in Deutschland [Bearbeiten]
Im internationalen Vergleich liegt die prozentuale Zahl der mit Automatikschaltung ausgerüsteten Personenkraftfahrzeuge in Deutschland weit hinter Ländern wie den USA und Japan. Dies ist auf einige Nachteile gegenüber dem Schaltgetriebe zurückzuführen, unter anderem geringeres Beschleunigungsvermögen wenn keine Wandlerüberhöhung vorliegt, geringere Endgeschwindigkeit, höheren Verbrauch, verzögertes Ansprechen zu Beginn eines Überholvorgangs, Aufpreis gegenüber dem Schaltgetriebe (nicht in allen Märkten üblich), andere Verkehrsverhältnisse und auf das mitunter unsportliche Image der Automatik, die in der klassischen Form des Wandlers mit Planetengetriebe selten im Motorsport anzutreffen ist.
Zusätzliche Getriebe in Nutzfahrzeugen [Bearbeiten]
Vorschaltgetriebe [Bearbeiten]
Bei diesem Getriebe handelt es sich um eine Erweiterung eines herkömmlichen Getriebes. Dabei wird auf der Eingangswelle eine zusätzliche Vorgelegestufe angebracht. Dies hat den Effekt, dass man jeden Gang in zwei Stufen durchfahren kann. Es gibt also für jeden Gang eine kleine und eine große Stufe. Der einzelne Gang wird also aufgeteilt, oder, wie man sagt, „gesplittet“. Dies bringt diesem Getriebe den Namen „Splitter“ und der Gesamtkonstruktion den Namen „Split-Getriebe“ ein. Der Begriff „Vorschaltgetriebe“ deutet darauf hin, dass dieses Getriebe vor dem Basisgetriebe installiert ist. Häufiger wird jedoch die Vorschalt-Gruppe direkt im Getriebe untergebracht. Split-Getriebe finden sich in schweren Lkw. Sie werden üblicherweise über einen Schalter am Ganghebel bedient. Wird nur der Splitter betätigt, oder wird von einem hohen in den nächst höheren niedrigen Gang geschaltet, so spricht man von „einen halben Gang hochschalten“. Wird jedoch von einem niedrigen in den nächstkleineren hohen Gang geschaltet, so schaltet man „einen halben Gang runter“.
Verteilergetriebe [Bearbeiten]
Ein Verteilergetriebe ist ein nach dem Basis-Getriebe verbautes Getriebe. Es kann bei Fahrzeugen verwendet werden, bei denen mehrere Achsen angetrieben werden (Allradfahrzeug). Das Getriebe verteilt die Antriebsleistung auf mehrere (bei einem 4x4-Fahrzeug zwei) Achsen über einen Abtrieb je Achse. Je nach Typ können die einzelnen Achsen zu- und abgeschaltet werden. Zusätzlich können im Verteilergetriebe auch Untersetzungen integriert sein - dies findet man häufig bei Geländewagen (Low-Range). Die Funktion des Verteilergetriebes ist nicht zu verwechseln mit Antriebsachsen, die einen integrierten Durchtrieb haben, wie z. B. schwere Lkw mit 6x4-Antrieb.
Nachschaltgetriebe [Bearbeiten]
Dieses Getriebe ist ein zwischen Basis-Getriebe und Kardanwelle verbautes zweistufiges Planetengetriebe. Hierdurch verdoppelt sich die Zahl der schaltbaren Gänge, oder auch, wie man englisch sagt, die „Range“. Daher heißen Konstruktionen, die ein solches Nachschaltgetriebe verwenden, auch „Range-Getriebe“.
Man schaltet zunächst die Gänge des Basis-Getriebes, und betätigt dann den „Range-Gruppen-Umschalter“. Dies erfolgt über einen Schalter am Ganghebel, oder über das sog. „Überschlagen“. Bei ersterem wird vor dem Schaltvorgang der Schalter in die obere (große) Gruppe geschaltet, und dann der Ganghebel wieder in die Gasse des 1. Ganges geführt. Dies ist jedoch dann der 5. Gang (bei einem 4-Gang-Basisgetriebe) oder der 4. Gang (bei einem 3-Gang-Basisgetriebe). Beim „Überschlagen“ hat der/die Fahrer(in) eine geteilte 8-Gang-Kulisse vor sich, die zwischen den Gassen des 3. und 4. Ganges und den des 5. und 6. Ganges unterbrochen ist. Hier führt man den Ganghebel nach durchfahren des 4. Ganges in Neutral und schlägt mit dem Handballen den Hebel nach rechts. Hierdurch wird die Range-Gruppe gewechselt und der Hebel federt in Neutral nun nicht mehr nach rechts, sondern nach links. Er befindet sich aus Fahrersicht nun vor der Gasse des 5. oder 6. Ganges. Tatsächlich liegt der Hebel vor dem 1. oder 2. Gang des Basisgetriebes, doch durch den Gruppenwechsel wird daraus nun der 5. bzw. der 6. Gang. Man spricht hier auch von einer „Doppel-H-Schaltung“. Solche Getriebe finden sich in schweren Lkw.
Oftmals werden Vor- und Nachschaltgetriebe kombiniert, wodurch in schweren Lkw bis zu 16 Fahrstufen zur Verfügung stehen.
Hydraulische Getriebe [Bearbeiten]
Motoren mit sehr hoher Drehmomentabgabe, die aufgrund des oben angesprochenen schmalen sinnvoll nutzbaren Drehzahlbands ein Getriebe benötigen, sind z. B. in Diesellokomotiven zu finden. Da ausreichend dimensionierte mechanische Getriebe unverhältnismäßig große Bauformen aufweisen müssten, werden im Bahnbetrieb häufig Strömungsgetriebe bzw die „hydraulische Kraftübertragung“ benutzt. Die häufiger verwendete Alternative ist jedoch die elektrische Kraftübertragung, bei der ein Generator angetrieben wird, der Strom für elektrische Fahrmotoren liefert. Ein Beispiel für dieselhydraulisch angetriebene Lokomotiven ist die deutsche DB Baureihe 218.
Automatisierte Range-Splitter-Gruppen-Getriebe [Bearbeiten]
Moderne Lkw sind z.T. mit automatisierten Getrieben nach der obigen Definition ausgerüstet. Der Actros von der Daimler AG bietet mit den verschiedenen Telligent-Optionen Getriebe-Systeme an, bei denen per Vorwahl der nächst-günstigere oder auch manuell gewählte Gang gewählt werden kann, der dann von der Elektronik zunächst auf Plausibilität geprüft wird, und dann beim Tritt auf das Kupplungspedal ggf. eingelegt wird. Voll-automatische Systeme, wie sie zuerst beim Iveco-Stralis und beim M.A.N-TGA eingesetzt wurden, verzichten sogar auf das Kupplungs-Pedal. Hier wird die Motor-Drehzahl der des Trieb-Stranges über elektronische Befehle an die Einspritzpumpe oder die Motorbremse angepasst, wodurch sich eine Synchronisierung des Getriebes erübrigt. Hybride Systeme, wie das Opticruise aus dem Hause Scania, benötigen den Kupplungs-Fuß des Fahrers nur noch zum Anfahren oder Anhalten des Fahrzeuges.
Modernste Nutzfahrzeuge, wie der Actros von Daimler seit Baujahr 2006 benötigen, aufgrund der modernen Motor-Technologie, nur noch 12 Gänge. Verbaut ist hier ein 3-Gang-Basisgetriebe mit Vor- und Nachschaltgruppe. Die vier Bedienachsen (Dreh- und Schiebestange des Basisgetriebes, sowie die Sperrstangen der Vor- und Nachschalt-Getriebe) werden über pneumatische Zylinder bewegt, die von der am CAN-Bus angeschlossenen GS-Einheit (Getriebe-Steuerungs-Einheit) elektronisch überwacht und bedient werden. Diese übernimmt auch die Bedienung der Kupplung mittels hydro-pneumatischer Baugruppen.
Der Fahrer genießt in solchen Fahrzeugen den Komfort, nur noch eine Anzeige vor sich zu haben, die ihn über den eingelegten Gang (1 - 12) informiert, kann aber jeweils in die Automatik aktiv eingreifen, indem er z. B. via Lenk-Stock-Hebel (MAN) oder die Schaltkonsole (Daimler) manuell einen höheren oder niedrigeren Gang wählt. Auch eine geschickte Führung des Gaspedals kann aktiv in die Schalt-Automatik eingreifen (Kick-Down u. ä.).
Beim Design der Getriebe-Steuerelemente verfolgen die Hersteller verschiedene Ansätze: Die Daimler AG gibt sich in seinen Actros-Modellen traditionell. Den früheren ZF-Ecosplit-Getriebehebeln geschuldet, besteht die Schaltkonsole aus einem Hauptknauf und einer sogenannten "Split-Wippe". Das Betätigen der Split-Wippe bewirkt in der 12-Gang-Kulisse den Wechsel um jeweils genau einen der 12 Gänge, in Wahrheit also einen halben Gang. Beim Betätigen des Schaltknaufes "sucht" sich die GS-Steuerung den nächsthöheren oder -niedrigeren selbst, indem sie Last und Drehzahl abgleicht. Hierbei können auch Gänge übersprungen werden. Per Schaltwippen auf dem Armaturenbrett können besondere Modi wie das Freischaukel-, oder das Rangier-Programm direkt abgerufen werden.
MAN verfolgt bei seiner Tippmatic eine andere Strategie: Es wird hier vorausgesetzt, dass das Getriebe 12 Gänge hat, unabhängig davon, wie diese sich technisch zusammensetzen. Kenntnisse über die Vor- und Nachschalt-Technik setzt dieser Hersteller nicht voraus, sondern behandelt die 12 Stufen quasi sequenziell. Die Grundvorwahl des Fahrers beschränkt sich hier darauf, ob er vorwärts oder rückwärts fahren möchte und ob er rangieren will oder nicht. Dies wird mit einem Drehschalter neben dem Fahrersitz vorgewählt. Per Lenkstockhebel kann im laufenden Betrieb jeweils um einen der 12 Gänge hinauf- oder heruntergeschaltet werden. Bei manuellen Eingriffen in die Schaltstrategie sucht die Tippmatic nicht nach dem günstigsten Gang, sondern unterwirft sich ganz dem Willen des Fahrers.
Getriebe für andere Funktionen in Kraftfahrzeugen [Bearbeiten]
Auch an anderen Stellen außerhalb des Antriebsstrangs finden sich Getriebe: die Scheibenwischer werden von einem Elektromotor über Getriebe bewegt. Gleiches gilt auch bei elektrischen Fensterhebern. Auch die Sitzverstellung mittels Drehrädern zur Lehnenneigungseinstellung geschieht über Getriebe.
Nicht ignoriert werden soll auch der erweiterte Begriff des Maschinenbaus zu Getrieben: die Vorrichtungen für jegliche kinematisch gekoppelte Wandlung oder Umsetzung von Bewegungen werden „Getriebe“ in einem allgemeinen Sinn genannt. Das normalerweise als Getriebe bekannte Rädergetriebe ist lediglich eine Unter- oder Sonderform des allgemeinen Getriebes.
Somit sind beispielsweise auch Öffnungsmechanismen von Türen und Hauben oder die Übertragung einer Pedalbewegung auf ein Fahrzeugaggregat im maschinenbaulich-kinematischen Sinn ein Fahrzeuggetriebe: die Schwenkbewegung des Pedals wird über eine Druckstange z. B. in eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung umgesetzt. Der flüssigkeitsgebundene Weg der Kraftübertragung zwischen Bremspedal und Radbremszylindern stellt ferner ein hydraulisches Getriebe dar.
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