CVT: Das Getriebekonzept mit Zukunft: Schaeffler Kolloquium

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CVT
Das Getriebekonzept
mit Zukunft
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34
500
Einleitung
Die Verbreitung automatischer Getriebe im
Pkw nimmt stetig zu. Gleichzeitig steigen
die Erwartungen des Kunden an die Reduzierung des Verbrauchs und den Komfort.
Eine Optimierung des Kraftstoffverbrauches ist mit manuellen Getrieben nur sehr
schwer umsetzbar.
Mehr als 20 % der automatisierten
Getriebe werden im Jahr 2020 CVT-Getriebe sein. Im Teillastbetrieb kann ein
deutlicher Vorteil im Verbrauch erzielt
werden. Hybridkonzepte lassen sich elegant mit dem CVT kombinieren. Darüber
hinaus ist es möglich, CVT-Getriebe kostengünstig herzustellen. Der Komfort des
CVT ist in Verbindung mit Drehmomentwandlern, modernen Dämpfersystemen
und Hybridisierung nur schwer zu übertreffen.
Mit neuen Kettentypen konnten beachtliche Steigerungen der Spreizung und
der Festigkeit erzielt werden. Zukünftige
Kettengenerationen werden diesen Trend
weiter verfolgen. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Spreizung durch
Getriebestufen bzw. Bereichsumschaltungen in Regionen zu erweitern, die mit Stufenautomaten komfortabel nur schwer erreichbar sein werden. Die Trends zum
Downsizing und Downspeeding können
dadurch mit CVTs problemlos unterstützt
werden. Die Effizienz des Getriebes kann
bei Bedarf durch Direktstufen weiter optimiert werden.
Das CVT stellt somit unverändert eine
der besten technischen Lösungen zur Automatisierung des Antriebsstranges, insbesondere im Bereich der Front-Quer-Applikationen, dar. Im Rahmen des Beitrages
werden die aktuellen Entwicklungen und
Weiterentwicklungsmöglichkeiten detailliert
aufgezeigt.
CVT
Einstufige und zweistufige
Konzepte
Die Konzeptfindung stellt im Rahmen der
Entwicklung neben der eigentlichen Spezifikation mit die schwierigste Aufgabe dar.
Derzeit gibt es am Markt einstufige und
zweistufige Konzepte. Darüber hinaus kann
die Effizienz durch den Einsatz von konstanten Getriebestufen weiter verbessert werden. Die Konzeptentscheidung hängt dabei
wesentlich von der Auswahl der jeweiligen
Komponente wie dem Umschlingungsmittel, dem Anpresssystem oder der Variatorgröße ab. Die Qualität des Gesamtkonzeptes wiederum hängt von der konsequenten
Optimierung der einzelnen Komponenten
im Getriebe ab.
High Value CVT
Im Schaeffler Kolloquium 2010 und in
zahlreichen nachfolgenden Symposien
wurde das High Value CVT-Konzept (HV
CVT) [1] ausführlich vorgestellt. Mit diesem
Konzept wurden bereits richtungsweisende
Entwicklungstendenzen vorweg genommen. Das Gewicht wurde auf ein Minimum
reduziert. Die Spreizung konnte auf Werte
von mehr als 8 gesteigert werden. Eine Hybridisierung konnte bauraumneutral vorgenommen werden. Das Konzept wurde modular gestaltet, um den Anforderungen in
unterschiedlichen Märkten gerecht zu werden. Dieses Konzept ist unverändert tragfähig für die Weiterentwicklung. In den bisherigen Veröffentlichungen wurde das HV
CVT immer in Verbindung mit einem hydraulisch-mechanischen Drehmomentfühler
dargestellt. Das HV CVT-Konzept kann jedoch je nach Wunsch auch mit einer elektronisch gesteuerten Anpressung ohne
Drehmomentfühler umgesetzt werden. In
34
501
wärtsgangeinheit kann je nach Wunsch mit
einer konventionellen Stirnradstufe ohne
Zahnkette und auch mit einem konventionellen Differenzial kombiniert werden. Mit
dem Einsatz eines LuK iTC-Drehmomentwandlers [2] kann man zudem eine besonders bauraumoptimierte und kostengünstige Variante darstellen.
Einbereich- oder Zweibereichsstruktur
Bild 1
Vergleich HV CVT mit Drehmomentfühler
und HV CVT electronic clamping
Bild 1 ist eine solche Variante mit der Bezeichnung HV CVT ec (electronic clamping)
im Vergleich zum bisherigen HV CVT skizziert. Die Vorzüge der kompakten Bauweise
und des variabel wählbaren Anfahrelementes sind nach wie vor als die wesentlichen
Stärken des Konzeptes hervorzuheben.
Auch die abtriebsseitig angeordnete RückHV CVT Zweibereich
Bild 2
Wie in der Einleitung schon angedeutet,
stellt die Konzeptfindung im Rahmen der
Getriebeentwicklung mit die schwierigste
Aufgabe dar.
Bei den CVT-Getriebekonzepten für
Front-Quer-Antriebe hat sich in der Vergangenheit ein sogenanntes „Standarddesign“
durchgesetzt (Bild 2). Bei dieser Konstruktion ist der antriebsseitige Scheibensatz
ohne Eingangszahnradstufe koaxial zur der
Kurbelwellenachse angeordnet. Davor befindet sich ein Planetensatz mit Lamellenschaltelementen für die Drehrichtungsumkehr. Als Anfahrelement dient zumeist ein
Drehmomentwandler.
HV CVT ec
CVT-Konzeptvergleich für Front-Quer-Anwendung
CVT-Standarddesign
502
zungen in Kombination mit großer Momentkapazität auf. Eine strikte Grenze, ab wann
besser ein Zweibereichskonzept oder ein
Einbereichskonzept umgesetzt werden
sollte, gibt es nicht. Im nächsten Abschnitt
wollen wir diesbezüglich eine mögliche Variation vorstellen.
Front-Quer-Variatorbaukasten
Die Entscheidung für eine Einbereichs- oder
Zweibereichsstruktur hängt im wesentlichen davon ab, welche Gesamtspreizung
bei welchem Eingangsmoment erreicht
werden soll. Grundsätzlich gesehen sind
große Momente auch bei großen Spreizun-
34
503
gen kein Problem, wenn eine LuK-Kette als
Umschlingungsmittel eingesetzt wird. Man
stößt jedoch irgendwann an Grenzen bei
der wettbewerbsfähigen Darstellung bezüglich Bauraum, Gewicht und Massenträgheiten des Variators. Mit einer LuK-Kette
können problemlos Spreizungen von bis zu
8,5 auch bei höheren Momenten wettbewerbsfähig in einem Einbereichssystem erreicht werden. Dies lässt sich unter anderem durch den sehr klein umsetzbaren
minimalen Umschlingungsradius und durch
die geringe Bauhöhe der Kette erklären.
Die Darstellung eines Front-Quer-Variatorbaukastens in Bild 4 mit einer LuK-Kette
als Umschlingungsmittel zeigt, dass die
Bauraumgrenzen im Vergleich zu konkurrierenden Getriebekonzepten erst im Bereich
von Spreizungen nahe 10 überschritten
werden. Je höher die gewünschte Momentenkapazität, umso eher erreicht man natür-
Vergleichsbasis
a = Abstand Scheibensätze / L = Getriebelänge
ZF 9HP [4]
Spreizung 9,8 / L = 370
Pulley 2
400
Drehmoment in Nm
Zweibereichs-CVT
Einbereichs-CVT
Im direkten Vergleich
dazu steht das HV
CVT-Konzept. Beim
P2
HV CVT wurden die
DrehrichtungsumP2
P1
kehreinheit abtriebsseitig platziert und
P1
die Kegelscheiben
In
In
gespiegelt angeordOut
net. Dadurch erhält
Out
man vor allem in
Kombination mit der
LuK-Kette eine sehr
kompakte und bauBild 3 Querschnittsansicht Zweibereichs-CVT und Einbereichs-CVT
raumoptimale Ankönnen Spreizungen bis 10 dargestellt werordnung. Durch den abtriebsseitig angeordden, ohne dass der Variator und somit das
neten Rückwärtsgang kann der GetriebeGetriebe unverhältnismäßig groß werden. Im
eingangsbereich zudem sehr flexibel mit
Bild 3 sind im Vergleich die Getriebequerunterschiedlichen Anfahrelementen dargeschnitte eines Zweibereichs-CVT und eines
stellt werden. Vor allem eine Hybridisierung
wird dadurch sehr erleichtert.
Einbereichs-CVT mit gleicher GetriebespreiInzwischen wurde von der Firma Jatco ein
zung mit ihren Hauptachsen skizziert. Die
Zweibereichs-CVT auf den Markt gebracht
Durchmesser der Kegelscheiben sind farb[3]. Bisher gab es immer eine gewisse Skeplich hervorgehoben. Man kann deutlich den
sis, ob ein Zweibereichs-CVT durch die BeBauraumunterschied erkennen.
reichsumschaltung von komfortverwöhnten
Zusammenfassend kann man sagen,
CVT-Kunden akzeptiert wird. Jatco hat diese
dass ein CVT im „Standarddesign“ den für zuSkepsis nun jedoch erfolgreich widerlegt.
künftige Antriebsstränge ungünstigsten und
In Bild 2 ist das LuK HV CVT dual range
unflexibelsten Bauraum aufweist. Gerade entals Zweibereichs-CVT-Konzept skizziert. Bei
lang der bauraumkritischen Kurbelwellendiesem Getriebeentwurf wurde die Planeachse weist diese Anordnung die größte Bautensatzanordnung im Vergleich zu dem am
länge der drei Konzepte auf. Durch den
Markt befindlichen noch weiter vereinfacht.
antriebsseitig angeordneten Planetensatz für
Es ist nun für die Bereichsschaltung nur noch
die Drehrichtungsumkehr ist eine Hybridisieeine Einfachplanetenstufe notwendig. Diese
rung nur schwierig umzusetzen.
ist somit auch einfacher und flexibler an
Die beiden HV CVT-Konzepte weisen
unterschiedliche Drehmomentklassen anzubezüglich Baulänge und Hybridisierbarkeit
passen. Mit der konzeptbedingten Eingangsvergleichbare Vorteile auf. Das Zweibezahnradstufe und dem abtriebsseitig anreichskonzept bietet die beste Querschnittsgeordneten Rückwärtsgang erhält man
anordnung. Beim Kostenaufwand steht der
wiederum eine große Flexibilität für die AnAufwand für den Planetensatz des Zweiordnung unterschiedlicher Anfahrelemente
bereichskonzepts dem Mehraufwand des
und für eine mögliche Hybridisierung. Der
größeren Variators beim EinbereichskonHauptvorteil der Zweibereichsstruktur ist,
zept gegenüber. Hier wird ein kleiner Vordass der Variator bei gleicher Getriebespreiteil beim Einbereichskonzept gesehen. Den
zung deutlich kleiner dimensioniert werden
größten Vorteil weist das Zweibereichskann, als bei einem Einbereichs-CVT. Zudem
konzept in der Umsetzbarkeit großer Sprei-
CVT
In
Out
Pulley 1
a = 160 / L = 350
a = 190 / L = 360
a = 205 / L = 370
DQ 200 [5]
Spreizung 7,4 / L = 370
250
a = 145 / L = 320
a = 175 / L = 330
a = 190 / L = 340
a = 130 / L = 290
a = 155 / L = 300
a = 175 / L = 310
Jatco CVT 7 [3]
Spreizung 7,3 / L = 325
150
6,0 (i = 14 … 2,3)
8,5 (i = 17 … 2,0)
10,0 (i = 18 … 1,8)
Übersetzung
Bild 4
Front-Quer-Kettenvariatorbaukasten für eine Einbereichsstruktur
Zweibereichs-CVT
504
genwärtig verlangten Hybridisierung berücksichtigt, ist die CVT-Technologie im
Allrad-Bereich als eine zukunftsweisende
Getriebetechnologie anzusehen.
Konstante Getriebestufen
Eine weitere Möglichkeit der Wirkungsgradsteigerung stellt die Einführung einer konstanten Getriebestufe dar. Diese Variante
bietet eine ganze Reihe von Möglichkeiten
zur weiteren Optimierung. In der Vergangenheit wurden schon vielfach Kombinationen von CVT-Variatoren mit parallel angeordneten Stirnradstufen veröffentlicht. In
diesem Fall stellen wir jedoch eine sehr bauraumsparende Version vor, die zudem noch
Vergleichsbasis
a = Abstand Scheibensätze / L = Getriebelänge
ZF 9HP [4]
Spreizung 9,8 / L = 370
Pulley 1 Pulley 2
Drehmoment in Nm
400
In
a = 160 / L = 350
Out
a = 135 / L = 360
Zweibereich
a = 145 / L = 370
a = 175 / L = 330
a = 135 / L = 340
DQ 200 [5]
Spreizung 7,4 / L = 370
250
a = 145 / L = 320
Jatco CVT 7 [3]
Spreizung 7,3 / L = 325
150
a = 130 / L = 290
6,0 (i = 14 … 2,3)
Geringer
Mehraufwand
a = 155 / L = 300
8,5 (i = 17 … 2,0)
a = 125 / L = 310
10,0 (i = 18 … 1,8)
Übersetzung
Front-Quer-Kettenvariatorbaukasten für Ein- und Zweibereichsstruktur
Zweibereichs-CVT
505
Getriebeübersetzung
Gesamtspreizung
lich die Grenze der Wettbewerbsfähigkeit.
Im gelb bis rot markierten Bereich ist eine
Zweibereichsstruktur eine ernstzunehmende Variante, das CVT auch bei großen
Spreizungen wettbewerbsfähig darzustellen. In manchen Fällen, zum Beispiel
bei speziellen Wirkungsgradoptimierungen,
kann eine Zweibereichsstruktur jedoch
auch bei kleineren Momenten und mittleren
Spreizungen mit einer Kette als Umschlingungsmittel vorteilhaft sein.
In Bild 5 ist dargestellt, wie der in Bild 4
gezeigte Getriebebaukasten sich verändert,
wenn der Bereich mit großer Spreizung und
hohem Moment als Zweibereichsstruktur
realisiert wird.
Man kann deutlich erkennen, dass mit
einem CVT alle Bereiche, die von FrontQuer-Antrieben erwartet werden, konkurrenzfähig abgedeckt werden können.
Wenn man den Aspekt der zukünftig allge-
Bild 5
34
CVT
Bereich der
Übersetzungsänderung
Direkter Gang
als Bereichswechselgang
Low
High
Übersetzung
Variator
OD Direktgang
Bild 6
OD
Spreizung Variator
UD
HV CVT dual range mit Getriebedirektstufe
zur optimierten Nutzung einer E-Maschine in
einem hybridisierten Antriebsstrang genutzt
werden kann, die „HV CVT dual range“.
In Bild 6 ist die Umsetzung innerhalb
einer Zweibereichsstruktur dargestellt. Die
feste Getriebeübersetzung kann in diesem
Fall entweder als Overdrive-Stufe (OD) oder
als direkte Umschaltstufe für den Bereichswechsel genutzt werden.
Das besondere an dieser Ausführung ist,
dass die parallel zum Variator angeordnete
Stirnradstufe direkt an den Motordämpfer
angekoppelt ist und nicht in Reihe nach der
Anfahrkupplung oder nach einem Drehmomentwandler. Die Direktstufe kann somit
zum Beispiel auch mit dem permanent angetriebenen Pumpenzweig kombiniert werden. In dieser Anordnung ist die Direktstufe
nahezu bauraumneutral und mit einem sehr
geringen Mehraufwand darstellbar. Das auf
der Getriebeeingangsseite angeordnete
Stirnrad kämmt hierbei direkt mit dem großen Stirnrad der Differenzialabtriebsstufe.
Bei Verwendung als GesamtgetriebeOverdrive-Direktstufe wird die Stirnradüber-
setzung so gewählt, dass sie nach dem
Erreichen des Variator-Overdrives ohne Differenzdrehzahl mittels Klaue zugeschaltet
werden kann. Sobald der Kraftfluss über die
Stirnradstufe geschlossen ist, kann der Variator an- und abtriebsseitig wirkungsgradoptimal komplett abgetrennt werden. Durch
intelligente Nutzung von Fahrstreckeninformationen, die zukünftig immer umfangreicher zur Verfügung stehen, kombiniert mit
aktuell vorliegenden Antriebsstrangdaten,
kann diese Schaltung gezielt, unbemerkt
und verbrauchsoptimal durchgeführt werden.
Die in Bild 6 dargestellte Direktstufe
kann auch als Bereichswechselgang verwendet werden. Um den Bereichswechsel
für den Fahrer möglichst unbemerkt durchzuführen, werden die zwei Betriebsbereiche bei heutigen Anwendungen stark
überlappend umgesetzt. Dadurch verliert
man jedoch viel an Gesamtspreizung, die
technisch gesehen eigentlich zur Verfügung
stünde. Effektiver geht dies durch einen
Bereichswechsel mit Hilfe einer Direktstufe
506
CVT
an immer der gleichen Gesamtgetriebeübersetzung, in Bild 6 beispielhaft grün
gestrichelt dargestellt. So kann man die
Übersetzungsbereiche weiter auseinanderziehen und dadurch eine größere Gesamtspreizung ohne größeren Variator darstellen. Beim Bereichswechsel wird dabei
die Antriebsenergie ohne Einbruch der Zugkraft über die Direktstufe an das Differenzial
weitergeleitet. Der Variator kann während
dessen unbelastet in den neuen Bereich
verstellt werden. Die Zu- und Wegschaltung der Direktstufe kann unbemerkt durch
den Fahrer mit Hilfe einer Klauenkupplung durchgeführt werden, da dabei keine
Differenzdrehzahlen am Schaltelement vorliegen. Bei schnellen Rückschaltwünschen
(„Kick down“) innerhalb des High-Bereichs
kann auch senkrecht ohne Nutzung der
Umschaltstufe in den Low-Bereich gesprungen werden. Eine Lamellenbremse
wird dabei schlupfend betrieben, um die
Motordrehzahl anzupassen. Somit kann
auch ein spontan gewünschter Übersetzungssprung schnell umgesetzt werden.
High Value CVT multimode
Mit den in den vorherigen Kapiteln vorgestellten Innovationen und dem vorgestellten CVTVariatorbaukasten wurden einige Fakten aufgezeigt, die die Anwendung eines CVT in
Front-Quer-Antriebssträngen bestärken. Im
nachfolgenden wollen wir nun eine Getriebekonzeptvariante aufzeigen, die diese Innovationen aufgreift und bezüglich Hybridisierung
sehr zukunftsweisende Möglichkeiten bietet.
Die Getriebevariante mit dem Namen
„High Value CVT multimode“ ist in Bild 7 als
Zweibereichskonzept skizziert. Im Vergleich
zum High Value CVT dual range wurde der
Aufwand für den abtriebsseitigen Planetensatz für die Bereichsumschaltung noch
weiter reduziert. Es ist nun nur noch eine
Lamellenbremse für die Schaltung in den
Low-Bereich integriert. Die Schaltung in den
High-Bereich kann mittels Klauenschaltung
durchgeführt werden, da der Bereichswechsel, wie im vorherigen Kapitel be-
Elektrischer Anfahrund Rückwärtsfahrtpunkt
Optimierte
Gesamtspreizung
Maximale Gesamtspreizung
Getriebeübersetzung
Low
Direkter Gang +
elektrischer Gang
High
OD
Optimierte
Variatorspreizung
Maximale Variatorspreizung
Bild 7
HV CVT multimode
Übersetzung
Variator
UD
schrieben, mit Hilfe einer Direktstufe vorgesehen ist.
Durch die Verwendung einer Direktstufe
für die Bereichswechselschaltung kann
man zudem den Variator effektiver ausnutzen. Man kann, wie im Bild 7 gestrichelt
dargestellt, den Variatornutzungsbereich im
Vergleich zum Stand der Technik im OD
bei gleichbleibender Gesamtgetriebeübersetzung einschränken und dadurch mit verbessertem Wirkungsgrad betreiben. Man
könnte jedoch auch die Gesamtgetriebespreizung noch weiter vergrößern oder den
Variator noch weiter miniaturisieren.
Das Konzept ist hybridisiert. Die Rückwärtsfahrt wird dabei komplett von der integrierten E-Maschine sichergestellt. Auf einen
extra angeordneten mechanischen Rückwärtsgang wurde bewusst aus Bauraum-,
Kosten-, Wirkungsgrad-, und Komfortgründen
verzichtet. Zur Absicherung dieser Konzeption
kann die Hybridbatterie auch bei stehendem
Fahrzeug mit dem Verbrennungsmotor über
die E-Maschine geladen werden.
Die skizzierte Getriebearchitektur bietet zudem eine Vielzahl an Betriebsmöglichkeiten:
–– Man kann mit der E-Maschine mit komplett abgekoppeltem und stehendem
Variatorzweig wirkungsgradoptimal über
die Direktstufe fahren.
–– Man kann beim Bremsen über die Direktstufe und damit mit abgekoppeltem Verbrennungsmotor rekuperieren, ohne eine
zusätzliche K0 vorzusehen.
–– Man kann gleichzeitig parallel mit unterschiedlichen Drehzahlen mit dem E-Motor
über die Direktstufe und dem Verbrennungsmotor über den CVT-Zweig fahren.
–– Man kann natürlich auch mit der E-Maschine über den Variatorzweig fahren.
Zum elektrischen Anfahren und für
Rückwärtsfahrt bei sehr hohen Raddrehmomenten ist es vorgesehen, über
den Variatorzweig im Underdrive-Endanschlag zu fahren und somit die gesamte zur Verfügung stehende Getriebeuntersetzung zu nutzen.
34
507
–– Zu guter Letzt kann man bei Fahrt mit
maximalem Moment über den Verbrennungsmotor mit der E-Maschine zusätzlich über die Direktstufe boosten,
ohne den Kettenvariator zusätzlich zu
belasten.
Trotz dieser zahlreichen Funktionalitäten
und Betriebsmodi kann dieses Hybridgetriebekonzept kompakter dargestellt werden als ein CVT in Standardbauweise ohne
Hybridmaschine oder Getriebe anderer
Bauart. Dieses neue Getriebekonzept bietet
zudem Möglichkeiten für Übersetzungsspreizungen bis 10 in allen üblichen Drehmomentbereichen. Verglichen mit anderen
Hybridgetriebekonzepten gleicher Funktionalität ist vor allem auch ein kostenseitig attraktives Ergebnis zu erwarten.
Kette 05 –
die nächste Generation
In den vergangenen Jahren erfuhr die CVT-Kette eine stetige Weiterentwicklung. Dadurch
wurde es möglich, die Leistungsdichte kontinuierlich zu steigern. Gleichzeitig konnten die
positiven Eigenschaften, zum Beispiel der
sehr gute Wirkungsgrad, erhalten werden.
Neuste Messungen zeigen, dass der Wirkungsgrad je nach Betriebspunkt bis zu 4 %
höher ist als bei einem vergleichbaren Umschlingungsmittel im Wettbewerbsumfeld.
Darüber hinaus können ausdrücklich höhere
Gesamtspreizungen mit der Kette erzielt und
damit der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges, wie bereits ausgeführt, weiter verbessert werden. Außerdem sind durch die
gute Skalierbarkeit der Kette höhere Drehmomentanwendungen, insbesondere in Verbindung mit einer Hybridisierung des Antriebsstranges, bei hoher Lebensdauer
realisierbar. Bild 8 zeigt die Drehmomentkapazitäten der unterschiedlichen Kettentypen.
508
CVT
Um diesen Effekt weiter auszunutzen, wurde die 05er-Kette entwickelt. Dabei wird die
Teilung gegenüber der 06er-Kette um weitere 15 % reduziert.
Ty
p
08
37
Typ 08
33
-10 %
p
07
Teilung
Ty
Typ 07
Ty
p
06
28
Teilung
-10 %
05
26
24
Ty
p
Kettenbreite in mm
30
Typ 06
Typ 06
optimiert
22
Teilung
20
-15 %
Typ 05
18
17
100
300
400
Motormoment in Nm
500
600
Drehmomentabdeckung der verschiedenen Kettentypen
digkeit des in den Scheibensatz einlaufenden Kettengliedes. Der Auftreffimpuls sinkt
mit steigender Anzahl der Glieder pro Kettenlänge (siehe Bild 9).
5 dB
Akustikoptimierung durch
Teilungsreduzierung
Mit sinkender Kettenlaschenteilung bei der
Einführung neuer Kettengenerationen
08 > 07 > 06 konnte die Akustik der Kette
signifikant verbessert werden. Je geringer
die Teilung einer Kette, desto mehr Glieder
sind bei der selben Kettenlänge vorhanden
und desto geringer ist die Auftreffgeschwin-
Kettengeneration sinkende Teilung
Typ 08
Typ 07
Bild 9
Typ 06
Typ 05
Reduzierung der Geräuschemissionen
mit sinkender Teilung
509
gungsberechnung auf die Komponenten
appliziert werden. Darüber hinaus werden
die aus den Fertigungsverfahren resultierenden Veränderungen der Bauteile berücksichtigt.
Bestätigung durch Messung
Die Anforderungen an die „kleine“ 05er-Kette waren hochgesteckt. Sie soll bei gleichem
kleinstem Laufradius die gleiche Festigkeit
wie die heutige 06er-Kette aufweisen. Dabei
soll der hervorragende Wirkungsgrad des
„größeren Bruders“ nicht unterschritten
werden.
Wie ist es möglich mit kleineren Querschnitten der Kettenkomponenten die gleichen oder sogar höhere Belastungen zu
ertragen? Der Schlüssel dafür liegt im tiefen
Verständnis der Beanspruchungsvorgänge
in den Bauteilen. Dazu wurden zum Teil
komplett neue Berechnungswerkzeuge
entwickelt, die die Schädigung der Bauteile
noch genauer ermitteln und deren Optimierung erleichtern.
Vereinfacht gesagt, ermitteln die neuen
Berechnungswerkzeuge die genauen Beanspruchungen der maximal belasteten
Komponenten in der Kette, die zur Schädi-
Unzuverlässigkeit
Die Applikation der Kette in kleineren Fahrzeugen setzt allerdings voraus, dass die
Akustik der Kette eine weitere Verbesserung erfährt, um den Aufwand im Fahrzeug
minimieren zu können. Eine Größe, die sich
stark auf die Akustik auswirkt, ist die Teilung
der Kette. Ziel war deswegen die Entwicklung einer neuen Kettengeneration mit einer
um weitere 15 % reduzierten Teilung, bei
mindestens gleicher Drehmomentkapazität
im Vergleich zum Typ 06 [1].
NVH
Bild 8
200
Nur so stark wie das schwächste Glied
34
Während der Entwicklung der neuen Berechnungsverfahren wurde ein vorläufiger
Verfahrensstand verwendet, um eine erste
Optimierung der vorhandenen 06er-Geometrie zu bewerten. Diese hat rechnerisch eine Verringerung der Schädigung
von etwa 38 % gebracht. In einem hochbelastenden Underdrive-Test (Festigkeitstest in der Anfahrübersetzung) wurde dies
überprüft. Der B10-Wert der vermessenen
Ketten war ca. 4,8 mal höher als bei den
Ketten ohne geometrische Änderung, die
bereits mit sehr guten Laufzeitergebnissen
überzeugten, siehe Bild 10. Die Berechnungsergebnisse konnten somit bestätigt
werden.
Durch diese neuen Berechnungsverfahren ist es nun möglich, die optimale Geometrie zu ermitteln. Bild 11 zeigt den Vergleich
zwischen der vorhandenen 06- und dem
ersten Prototypenstand der 05-Kette.
Ein Übertrag der
neuen Konstruktionsideen auf die bestehenden größeren
Kettenvarianten ist
naheliegend. Da06-neu:
06-alt:
durch wird es mögB10 = 480 %
B10 = 100 %
lich werden, Applikationen, die heute
Reduzierung der
Schädigung um 38 %
mit einer 08er-Teiin der Simulation
lung ausgerüstet
werden, zukünftig
mit einer optimierten 07er-Kette zu
Laufzeit
bedienen.
Bild 10 Ergebnis von Underdrive-Dauertests der 06er-Ketten
510
CVT
Typ 06 a-Lasche
Typ 06 b-Lasche
-15 %
-15 %
Typ 05 a-Lasche
Typ 05 b-Lasche
Bild 11 Vergleich der 06er-/05er-Ketten mit
angepasster Geometrie
Das Ziel bei weitem übertroffen –
bessere Akustik bei höherer
Lebensdauer
bessern. Die bisherigen Langlaschenglieder
haben bezogen auf die Länge eine geringere
relative Masse als die Kurzlaschenglieder.
Durch das Ausfüllen des Mittelbereichs der
Langlaschen (Bild 11) konnte die Massenverteilung über der Kettenlänge optimiert werden. Bei der 06er-Lasche betrug der maximale Massenunterschied über der Länge
ca. 14 %, bei der 05er-Lasche wird dieser
auf 12 % reduziert. Durch die Umsetzung der
um 15 % kleineren Teilung und dem besseren Massenausgleich wird eine deutliche
Akustikverbesserung erreicht.
Das Potenzial schmaler
05er-Ketten
Die minimale Breite einer Kette wird unter
anderem durch die Scheibengeometrie begrenzt. Der Scheibenwinkel und die Maße
der Scheiben geben die kleinstmögliche
Kettenbreite vor. Bild 12 zeigt beispielhaft
die Begrenzung der kleinsten Kettenbreite
durch die Scheibengeometrie.
Anhand einer bekannten CVT-Anwendung in der 140-Nm-Klasse wurde untersucht, wie hoch das maximal zu übertragende Drehmoment mit der kleinstmöglichen
05er-Kette wäre. Hierfür wurde anhand
der genannten Getriebeanwendung die
schmalste Kettenbreite ermittelt, bei der die
Die Belastungen der 05er-Kette wurden für
eine bestehende Kundengetriebeanwendung mit einem maximalen Eingangsdrehmoment von 250 Nm simuliert. Die Berechnungen zeigen eine Reduzierung der
Schädigung im Vergleich zu der bisher kritischsten Stelle um 21 %. Wenn das Verhältnis zwischen der Schädigungsreduzierung und der tatsächlichen Lebensdauer
ähnlich den Werten aus den erwähnten Underdrive-Tests mit der 06er-Kette ausfällt,
ist eine deutliche Verbesserung der Kettenfestigkeit zu erwarten.
Gleichzeitig wurde die Kette bezüglich der Massenverteilung über der Kettenlänge optimiert.
Bisherige Tests haben gezeigt, dass
es möglich ist, mit
einer Homogenisierung der Masse
über der Kettenlänge die Akustik der
Kette weiter zu verBild 12 Begrenzung der kleinsten Kettenbreite durch die Scheibengeometrie
34
511
Scheiben beim Schließen des Keilspaltes
gerade noch nicht anschlagen. Die daraus
ermittelte Kettenbreite beläuft sich auf
17,5 mm. Kettenberechnungen zeigen, dass
mit einer solchen “schmalen“ Kette nicht nur
die berechnete Anwendung bedient werden könnte, sondern sogar bis zu 180 Nm im
Underdrive übertragbar wären.
Gewichtseinsparung bei Verwendung
einer schmalen Kette
Bild 13 Vergleich einer 1705-Kette gegen ein
24-mm-Schubgliederband
Gegenüber einem 24 mm breiten Schubgliederband und einer 2406-Kette wird
die 1705-Kette ca. 7 mm schmaler. Die Gewichtseinsparung gegenüber dem Schubgliederband liegt bei mehr als 300 g. Im
Vergleich zur 2406-Kette beträgt sie immer
noch 70 g. Bild 13 zeigt einen Größenvergleich der 1705-Kette zu einem 24-mmSchubgliederband.
Eine schmalere Kette wirkt sich jedoch
auch auf den Bauraum und das Gewicht
des Gesamtgetriebes aus. Gegenüber einem kleinen CVT mit 24-mm-Schubgliederband sind Gewichtseinsparungen an den
Scheibensätzen, dem Umschlingungsmittel, dem Aluminiumgehäuse und Kleinbauteilen von bis zu 650 g denkbar.
trieben kann die Baugröße des Variators
für Spreizungen bis 10 deutlich reduziert
werden. Dadurch können auch Vorteile im
Gewicht und bei der Reduzierung der
Massenträgheiten erzielt werden.
Das Konzept High Value CVT multimode
zeigt weitere Möglichkeiten zur Steigerung
der Effizienz und Funktionalität des CVT auf.
Mit reduziertem Aufwand im Vergleich zu anderen Getriebekonzepten kann eine verbesserte Hybridtechnologie dargestellt werden.
Zusammenfassung
Das High Value CVT-Konzept kann aufgrund der Modularität des Systems in Verbindung mit der neuen 05er-Kettengeneration unverändert überzeugen. Die neue
Kettengeneration weist eine um 15 % kleinere Teilung auf bei gesteigerter Drehmomentkapazität im Vergleich zur 06-Generation. Mit diesen Ketten können bereits in
Einbereichsgetrieben sehr hohe Spreizungen realisiert werden. In Zweibereichsge-
Literatur
[1] Teubert, A.; Englisch, A.; Götz, A.: The compact High Value CVT transmission – Efficient,
economical and innovative. VDI-Berichte 2130,
2011, S. 448-450
[2] Lindemann, P; Steinberger, M.; Krause, T.:
iTC – Innovative Wandlerlösungen ebnen den
Weg in die Zukunft. 10. Schaeffler Kolloquium,
2014
[3] Nonomura, R.: Fuel Economy Improvement
Technology and Control System in New CVT.
CTI Symposium, 2010
[4] Greiner, J.: Automatgetriebe-Baukasten für
Front-Quer-Anwendungen. Fachtagung „Getriebe in Fahrzeugen“, 2011
[5] Schäfer, M.: Volkswagen’s new dual-clutch
transmission. CTI Symposium, 2007