Das Getriebebuch

349 Pages·2012·10.555 MB·German

by  Dr. Robert Fischer, Prof. Dr. Gunter Jürgens, Prof. Dr.-Ing. Ferit Küçükay, Dipl. Ing. Rolf Najork, Dr.-Ing. Burkhard Pollak (auth.)

~ SpringerWienNewYork
Der Fahrzeugantrieb
Herausgegeben von Helmut List
Wissenschaftlicher Beirat
K. Kollmann, H.P. Lenz, R. Pischinger
R.D. Reitz, T. Suzuki
Robert Fischer
Gunter Jürgens
Ferit Küçükay
Rolf Najork
Burkhard Pollak
Das Getriebebuch
Unter Mitarbeit von
Gerhard Kokalj, Christian Hörsken
Tobias Kassel, Artur Plötner
Dr.RobertFischer
AVLListGmbH
Graz,Österreich
Prof.Dr.GunterJürgens
TechnischeUniversität,InstitutfürMaschinenelementeundEntwicklungsmethodik
Graz,Österreich
Prof.Dr.-Ing.FeritKüçükay
InstitutfürFahrzeugtechnik,TechnischeUniversitätBraunschweig
Braunschweig,Deutschland
Dipl.Ing.RolfNajork
GetragCorporateGroup
Köln,Deutschland
Dr.-Ing.BurkhardPollak
pi3GmbH
Bühl,Deutschland
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Mit282Abbildungen
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DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschen
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ISSN 1617-8920
ISBN 978-3-7091-0876-5 SpringerWienNewYork
Vorwort
DieGetriebetechnikhateinenbedeutendenEinflussaufVerbrauch,Fahrbarkeit,GewichtundKos-
ten von Fahrzeugen. Die Relevanz dieser Eigenschaften hat in der jüngeren Vergangenheit we-
sentlich zugenommen, und in der Wechselwirkung mit dem gesamten Antriebsstrang und dem
GesamtfahrzeugwerdenGetriebezunehmendwichtiger.
LangeZeitwardieInnovationsrateinderGetriebetechnikrelativgering.ImWesentlichengab
es bis Anfang der achtzigerJahre des letzen Jahrhundertsauf der einen Seite Handschaltgetriebe
undaufderanderenSeiteStandardplanetenautomatenmithydraulischerSteuerung.Automatikge-
triebewurdenvorallemzurBedienungsvereinfachungeingesetzt.WederdieSportlichkeitnochder
VerbrauchwarbesseralsbeieinemHandschaltgetriebe.
EvolutionärwurdemehrfachdieAnzahlderGängebzw.StufensowohlbeiHandschaltgetrieben
als auch bei Stufenautomatenerhöht,die Motivation dazu waren Fahrbarkeitund Verbrauch. Der
erstegrößereInnovationsschubbeidenAutomatikgetriebenkammitderEinführungelektronischer
Steuergeräte.DamitstandenzusätzlicheFreiheitsgradezurVerfügung,dievorallemfürKomfort-
verbesserungenunddiebessereAbstimmungmitdemMotorgenutztwurden.Soließensichauch
diePotenzialevonWandlerüberbrückungskupplungenzurVerbrauchsverbesserungbessernutzen.
Einen weiteren starken Schub hat die Getriebetechnik dann in den neunzigerJahren des letz-
tenJahrhundertsbekommen.MitderEinführungvonStufenlosgetriebenfürhöhereDrehmomente
kamendie PlanetengetriebeunterDruck. In mehrerenEvolutionsstufenhabensie aberwiederei-
ne Spitzenposition erreicht. Mit den Doppelkupplungsgetrieben wurde das Spektrum nochmals
erweitert.DerBedarfanautomatischschaltendenGetriebensteigtauchinMärkten,dievonHand-
schaltgetriebendominiertwaren,undmitderDoppelkupplungstechnologiekönnenbestehendeFer-
tigungsanlagenfürHandschaltgetriebeweitergenutztwerden.
DieserneueWettbewerbwarundistsehrfruchtbar.ModerneAutomatikgetriebekönnensowohl
inVerbrauchalsauchinFahrbarkeitHandschaltgetriebeübertrumpfen.
MitdemAuftretenderHybridtechnikistnochmehrLebenindieGetriebeweltgekommen.Die
FreiheitsgradenehmenweiterzuundvielfältigeKombinationenausVerbrennungsmotor,E-Motor
undGetriebesindmachbar.Dabeimussu.a.beachtetwerden,dassz.B.bestimmteVerbrauchsre-
duzierungspotentialeausOptimierungsmaßnahmennichtkumulativnutzbarsind.EineGesamtsys-
temauslegungistzwingendnotwendig,umdiemöglichenPotenzialezuerschließen.
Damitisterläutert,warumGetriebeeinesobedeutendeStellunghaben.IstdasauchdieRecht-
fertigungfüreinweiteresGetriebebuch,daesdochschoneineganzeAnzahlguterBüchergibt?
Die heutigen Innovationsgeschwindigkeitmacht das Ausführungswissen schnell vergänglich,
mitHilfevonAuslegungswissenkönnenbestehendeGetriebekonzepteund-technologienimHin-
blickaufneueAnforderungenundApplikationenangepasstundweiterentwickeltwerden.Beides
istsehrgutinderexistentenjüngerenLiteraturzuFahrzeuggetriebenabgebildet.
WirhabeneinendarüberhinausgehendenAnspruchundgeheneinenzusätzlichenSchritt. Die
System-undMethodenkompetenzzuFahrzeuggetriebenstelltdasWissenumdie Motivationund
dieNotwendigkeitfürGetriebetechnologiensowiedieWechselwirkungenmitumgebendenSyste-
men im Kontext der Gesamtfahrzeuge in den Mittelpunkt. Abstrahierend werden die zahlreichen
KomponentenundSubsystemeeingeführt,sodasseinezeitloseKompetenzvermitteltwird.
VI Vorwort
AufdieserBasislassensichauchneueKonzepteentwickelnundbewerten;wirwürdenunssehr
freuen,wennwirmitdiesemBuchAnregungendafürgäben.
Bei der Verfassung des Buches haben uns Fachleute der Unternehmen AVL und Getrag
Corporate Group, des Instituts für Fahrzeugtechnik der TU Braunschweig und des Instituts für
MaschinenelementeundEntwicklungsmethodikderTUGrazdurchDiskussionen,Korrekturlesen
des Textes und Anregungenwesentlich unterstützt. Hierfür gebührt ihnen unser herzlicherDank.
Besonders zu erwähnen sind an dieser Stelle die Herren Dr.-Ing. Tobias Kassel, Dr.-Ing. Dipl.
Math. Christian Hörsken, Dipl. Ing. Gerhard Kokalj und Dipl. Ing. Artur Plötner, die mit fachli-
chenDiskussionenundAnregungenbeigetragenhaben.WeiterhinwollenwirihnenfürdieKoor-
dinationsarbeitenbei der Verfassung des Manuskripts danken, die trotz der Arbeitsbelastungund
räumlichenEntfernungderAutorenunddesVerlagsmitbewundernswerterÜbersichtundGeduld
gelöstwurden.
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen,IndizesundAbkürzungen ......................................................... XIII
1 KernaufgabederFahrzeuggetriebe ........................................................ 1
1.1 ZugkraftbedarfundMomentenbereitstellungbeiKonstantfahrt.............................. 2
1.1.1 ZugkraftbedarfbeiKonstantfahrt ............................................... 2
1.1.2 MomentenbereitstellungbeiKonstantfahrt ....................................... 4
1.2 ZugkraftbedarfundMomentenbereitstellungbeiinstationärenFahrzuständen ................. 5
1.2.1 ZugkraftbedarfbeiBeschleunigung ............................................. 5
1.2.2 MomentenbereitstellungbeiBeschleunigung ..................................... 7
1.2.3 VerbrauchskennfeldeinesVerbrennungsmotors ................................... 7
1.2.4 MöglichkeitenderLeistungsbereitstellung ....................................... 8
1.2.5 Zugkraftdiagramm ........................................................... 9
1.2.6 Ansprechverhalten ........................................................... 10
1.2.7 ElektrischeMaschinenfürdenHybrid-undE-Antrieb ............................. 12
1.3 Verbrauchsoptimierung............................................................... 14
1.3.1 Verbrauchsermittlung ......................................................... 15
1.3.2 Lastpunktverschiebung........................................................ 17
1.3.3 OptimierungderVerbrennungskraftmaschine ..................................... 20
1.3.4 PotenzialkombinierterLastpunktverschiebungundOptimierungderVKM ............ 21
1.3.5 Wirkungsgrad ............................................................... 22
1.3.6 ZielkonfliktzwischenVerbrauchundFahrspaß.................................... 25
1.4 AnfahrenundDrehzahlangleichung .................................................... 29
1.4.1 Kupplungen................................................................. 30
1.4.2 Anfahrvorgang .............................................................. 33
1.5 ÜbersetzungenundihreAuslegung..................................................... 37
1.5.1 Übersetzungsverhältnis ....................................................... 37
1.5.2 AnforderungenzurAuslegung ................................................. 38
1.5.3 AuslegungzurErreichungderHöchstgeschwindigkeit ............................. 39
1.5.4 AuslegungderkleinstenGetriebeübersetzungalsOverdrive......................... 40
1.5.5 AuslegungdergrößtenGetriebeübersetzung...................................... 41
1.5.6 AuslegungderAnzahlundStufungderGänge .................................... 42
1.5.7 ZielkonfliktebeiderÜbersetzungswahl .......................................... 44
1.5.8 PraktischeAuslegungshinweise ................................................ 45
2 SchaltdynamikundKomfort.............................................................. 47
2.1 GrundlagendesGangwechselsundderSynchronisation ................................... 47
2.1.1 KlassifizierungvonSchaltungen................................................ 47
2.1.2 LastschaltendeZughochschaltungohneMotormomenteneingriff..................... 49
2.1.3 LastschaltendeZughochschaltungmitMotormomenteingriff ........................ 52
2.1.4 SensitivitätenamBeispielderlastschaltendenZughochschaltungen .................. 53
2.1.5 LastschaltendeZugrückschaltung............................................... 56
2.1.6 ZughochschaltungmitZugkraftunterbrechung .................................... 57
2.1.7 ZugrückschaltungmitZugkraftunterbrechung..................................... 61
2.1.8 BetriebspunktewährenddesSchaltensimMotorkennfeld........................... 62
VIII Inhaltsverzeichnis
2.2 Antriebsstrangdynamik............................................................... 63
2.2.1 Antriebsstrangmodell ......................................................... 65
2.2.2 ReduktionvonTrägheitsmomenten ............................................. 68
2.2.3 ReduktionvonFedersteifigkeiten ............................................... 69
2.2.4 Ersatzsystem ................................................................ 70
2.2.5 EigenfrequenzenundEigenformen.............................................. 71
2.2.6 Schwingungsanregungen ...................................................... 76
2.2.7 ErzwungeneSchwingung...................................................... 78
2.2.8 DrehschwingungsdämpfungamGetriebeeingang.................................. 81
2.3 Fahrzeugakustik..................................................................... 83
2.3.1 GetriebealsGeräuschquelle ................................................... 84
2.3.2 GetriebeimZusammenhangmitakustischemFahreindruck ......................... 87
2.4 FahrzeugdynamikundFahrerinteraktion ................................................ 89
2.4.1 Fahrzeugdynamik ............................................................ 89
2.4.2 DynamischeKoppelung....................................................... 89
2.4.3 EinflussdesSchaltens......................................................... 90
2.4.4 PhysiologischeEmpfindungendesMenschen..................................... 91
3 ElementederLeistungsübertragung ....................................................... 95
3.1 GrundlagenundWirkprinzipien ....................................................... 95
3.1.1 ÜbertragungsformenundAnordnungen.......................................... 95
3.1.2 SchaltenundModulierenderLeistungsübertragung................................ 98
3.1.3 FunktionsweiseeinerKupplung–GrundsätzederKraftübertragungdurchReibung ..... 99
3.2 EinfacheVerzahnungsstufen .......................................................... 99
3.2.1 AuslegungskriterienfürVerzahnungsstufen....................................... 101
3.2.2 DieHauptparametereinerZahnradstufe.......................................... 102
3.2.3 Zahnflankenmodifikation ...................................................... 103
3.2.4 PraktischeAuslegungshinweisefürStirnradstufen................................. 105
3.2.5 Geräusch-undTragfähigkeitsoptimierungderLaufverzahnung ...................... 106
3.2.6 Kegelradstufen .............................................................. 106
3.3 Planetenstufen ...................................................................... 108
3.3.1 AufbauundKinematikdereinfachenPlanetenradstufe ............................. 108
3.3.2 GrafischeErmittlungvonGetriebeübersetzungen.................................. 110
3.3.3 Kräfte,Momente,Verluste..................................................... 113
3.3.4 Konstruktionshinweise........................................................ 113
3.3.5 Fertigung ................................................................... 114
3.3.6 KomplexePlanetenradsätze.................................................... 115
3.3.7 Leistungsverzweigung ........................................................ 116
3.3.8 Differentiale................................................................. 117
3.4 VerschieberäderundKlauenschaltungen ................................................ 120
3.4.1 WirkprinzipundEinsatzgebiete ................................................ 120
3.4.2 Auslegungsgrundlagen........................................................ 121
3.4.3 BeispieleausgeführterBauformen .............................................. 122
3.5 Trockenkupplungen.................................................................. 124
3.5.1 KonstruktionsmerkmaleeinerTrockenkupplung................................... 126
3.6 Nasskupplungen .................................................................... 128
3.6.1 GrundlagenzurDrehmomentübertragungmitMischreibung......................... 128
3.6.2 WärmehaushaltvonNasskupplungen............................................ 129
3.6.3 Verschleiß .................................................................. 132
3.6.4 Öl-undBelagsbeanspruchung.................................................. 132
3.6.5 Schleppmoment.............................................................. 133
Inhaltsverzeichnis IX
3.7 Synchronisationseinheiten ............................................................ 134
3.7.1 AbstraktionundMotivation.................................................... 134
3.7.2 AufbauundFunktioneinerSynchronisationseinheit ............................... 135
3.7.3 Synchronisationssysteme...................................................... 138
3.7.4 Auslegungs-undOptimierungshinweise ......................................... 139
3.8 FluiddynamischerWandlerundÜberbrückungskupplung .................................. 140
3.8.1 FunktionundKennlinienfluiddynamischerWandler ............................... 140
3.8.2 HinweisezurkonstruktivenGestaltungdesWandlers .............................. 143
3.8.3 FunktionundPrinzipienderÜberbrückungskupplung .............................. 144
3.9 StufenloseLeistungsübertragung....................................................... 146
3.9.1 Wirkprinzip ................................................................. 146
3.9.2 Umschlingungsvariator ....................................................... 148
3.9.3 Reibradvariator .............................................................. 151
3.9.4 VariatordesKegelringgetriebes................................................. 152
3.9.5 Anpressung ................................................................. 152
4 Betätigungs-,Servo-undHilfssysteme ..................................................... 155
4.1 GrundlagenundWirkmechanismen .................................................... 155
4.1.1 ReduzierungdesKraftbedarfs.................................................. 156
4.2 Übertragungselemente ............................................................... 159
4.2.1 KraftübertragungvonstehendenaufdrehendeElemente............................ 159
4.2.2 Ein-undAusrücksysteme ..................................................... 160
4.2.3 InnereSchaltungen........................................................... 160
4.3 KühlungundSchmierung............................................................. 161
4.4 AnforderungenanServo-undAutomatisierungssysteme................................... 162
4.5 HydraulischeBetätigung ............................................................. 163
4.5.1 Pumpen .................................................................... 163
4.5.2 VentilezurSteuerungundRegelung............................................. 167
4.5.3 WeitereKomponenten ........................................................ 169
4.5.4 Regelungs-undSteuerungssubsysteme .......................................... 170
4.5.5 ElektrohydraulischeBetätigungssysteme......................................... 173
4.6 PneumatischeBetätigung............................................................. 174
4.6.1 EigenschaftendesMediumsLuft ............................................... 174
4.6.2 KomponentenderPneumatik................................................... 175
4.6.3 BeispielpneumatischerKupplungssteuerung ..................................... 176
4.7 ElektromechanischeBetätigung........................................................ 177
4.7.1 Energiewandler .............................................................. 177
4.7.2 Leistungsübertragung......................................................... 180
4.7.3 BauformenvonAktuatoren .................................................... 181
4.8 Energie-undLeistungsbilanz.......................................................... 183
5 SteuerungundRegelung ................................................................. 187
5.1 ElektronischeSteuergeräte............................................................ 188
5.1.1 Übersicht ................................................................... 188
5.1.2 Schnittstellen................................................................ 188
5.1.3 Mikrocontroller.............................................................. 190
5.1.4 Überwachungseinrichtung ..................................................... 190
5.1.5 Spannungsregler ............................................................. 191
5.1.6 ElektromagnetischeVerträglichkeit ............................................. 191
5.1.7 AusführungenvonSteuergeräten ............................................... 191
X Inhaltsverzeichnis
5.2 Softwarearchitektur.................................................................. 192
5.2.1 Architektur.................................................................. 193
5.3 Signalverarbeitung .................................................................. 195
5.3.1 Drehzahlsensoren ............................................................ 195
5.3.2 Schaltgabelpositionssensoren .................................................. 196
5.3.3 Drucksensoren............................................................... 196
5.3.4 Temperatursensoren .......................................................... 196
5.3.5 Wählhebelpositionssensoren ................................................... 197
5.3.6 Signalaufbereitungund-filterung ............................................... 197
5.3.7 Fehlererkennung ............................................................. 198
5.3.8 On-Board-Diagnose .......................................................... 200
5.3.9 Aktuatoren.................................................................. 201
5.4 Schaltpunktwahl .................................................................... 202
5.4.1 Schaltstrategie............................................................... 202
5.5 Schaltdurchführung.................................................................. 205
5.5.1 Regelung ................................................................... 206
5.5.2 Adaption ................................................................... 207
5.6 SicherheitinGetriebesystemen ........................................................ 210
5.7 BerechnungdesDrehmomentsüberDruck .............................................. 212
6 GetriebekonstruktionenfürPkw-Anwendungen ............................................ 217
6.1 BauartübergreifendeMerkmale,ElementeundAufgaben .................................. 217
6.1.1 Getriebeanordnungen ......................................................... 218
6.1.2 Getriebeentwicklung.......................................................... 219
6.1.3 KonstruktionselementedesGetriebes............................................ 221
6.1.4 EntwicklungsprozessfürGetriebegehäuse........................................ 225
6.1.5 ErmittlungderGetriebebelastung ............................................... 228
6.1.6 Toleranzanalyse.............................................................. 230
6.2 Handschaltgetriebe .................................................................. 230
6.2.1 AufbauundBaugruppen ...................................................... 230
6.2.2 AnforderungenanHandschaltgetriebe ........................................... 232
6.2.3 AuslegungvonHandschaltgetrieben............................................. 233
6.2.4 Ausführungsbeispiele......................................................... 233
6.3 AutomatisierteHandschaltgetriebe ..................................................... 235
6.3.1 AufbauundBaugruppen ...................................................... 236
6.3.2 AnforderungenanautomatisierteHandschaltgetriebe .............................. 236
6.3.3 AuslegungvonautomatisiertenHandschaltgetrieben ............................... 238
6.3.4 Ausführungsbeispiel.......................................................... 238
6.4 Doppelkupplungsgetriebe............................................................. 240
6.4.1 AufbauundBaugruppen ...................................................... 241
6.4.2 AnforderungenanDoppelkupplungsgetriebe ..................................... 243
6.4.3 AuslegungvonDoppelkupplungsgetrieben ....................................... 243
6.4.4 Ausführungsbeispiele......................................................... 244
6.5 Automatikgetriebe................................................................... 248
6.5.1 AufbauundBaugruppen ...................................................... 248
6.5.2 AnforderungenanAutomatikgetriebe ........................................... 250
6.5.3 AuslegungvonAutomatikgetrieben ............................................. 251
6.5.4 Ausführungsbeispiele......................................................... 253
6.6 Stufenlosgetriebe.................................................................... 256
6.6.1 AufbauundBaugruppen ...................................................... 256
6.6.2 AnforderungenanStufenlosgetriebe............................................. 257
6.6.3 AuslegungvonStufenlosgetrieben .............................................. 258
6.6.4 Ausführungsbeispiel.......................................................... 258