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V K G E C E Z E M S A C I T P M O S G R u C Z G Z M A X O D N V u S G R V l G R V K G E C E Z E M D N V u S G R V l G R V K GA A O R u A N D O N G I u A R N H I O G D N O I E R N G M D S A u K Z Q I N K J S l W O Z W u I E P N N R A u A H I O G D N O I E R N G M D S A u K Z Q H I O G D N O I E R N G M D

34

499498

CVT Das Getriebekonzept mit Zukunft

Andreas Englisch André TeubertBernhard Walter Konstantin BraunStephan PennerMarkus Jost

500 50134CVT

Einleitung

Die Verbreitung automatischer Getriebe im Pkw nimmt stetig zu. Gleichzeitig steigen die Erwartungen des Kunden an die Redu-zierung des Verbrauchs und den Komfort. Eine Optimierung des Kraftstoffverbrau-ches ist mit manuellen Getrieben nur sehr schwer umsetzbar.

Mehr als 20 % der automatisierten Getriebe werden im Jahr 2020 CVT-Ge-triebe sein. Im Teillastbetrieb kann ein deutlicher Vorteil im Verbrauch erzielt werden. Hybridkonzepte lassen sich ele-gant mit dem CVT kombinieren. Darüber hinaus ist es möglich, CVT-Getriebe kos-tengünstig herzustellen. Der Komfort des CVT ist in Verbindung mit Drehmoment-wandlern, modernen Dämpfersystemen und Hybridisierung nur schwer zu über-treffen.

Mit neuen Kettentypen konnten be-achtliche Steigerungen der Spreizung und der Festigkeit erzielt werden. Zukünftige Kettengenerationen werden diesen Trend weiter verfolgen. Es besteht darüber hin-aus die Möglichkeit, die Spreizung durch Getriebestufen bzw. Bereichsumschaltun-gen in Regionen zu erweitern, die mit Stu-fenautomaten komfortabel nur schwer er-reichbar 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 opti-miert werden.

Das CVT stellt somit unverändert eine der besten technischen Lösungen zur Auto-matisierung des Antriebsstranges, insbe-sondere im Bereich der Front-Quer-Appli-kationen, dar. Im Rahmen des Beitrages werden die aktuellen Entwicklungen und Weiterentwicklungsmöglichkeiten detailliert aufgezeigt.

Einstufige und zweistufige Konzepte

Die Konzeptfindung stellt im Rahmen der Entwicklung neben der eigentlichen Spezifi-kation mit die schwierigste Aufgabe dar. Derzeit gibt es am Markt einstufige und zweistufige Konzepte. Darüber hinaus kann die Effizienz durch den Einsatz von konstan-ten Getriebestufen weiter verbessert wer-den. Die Konzeptentscheidung hängt dabei wesentlich von der Auswahl der jeweiligen Komponente wie dem Umschlingungsmit-tel, dem Anpresssystem oder der Variator-größe ab. Die Qualität des Gesamtkonzep-tes 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 genom-men. Das Gewicht wurde auf ein Minimum reduziert. Die Spreizung konnte auf Werte von mehr als 8 gesteigert werden. Eine Hy-bridisierung konnte bauraumneutral vorge-nommen werden. Das Konzept wurde mo-dular gestaltet, um den Anforderungen in unterschiedlichen Märkten gerecht zu wer-den. Dieses Konzept ist unverändert tragfä-hig für die Weiterentwicklung. In den bishe-rigen Veröffentlichungen wurde das HV CVT immer in Verbindung mit einem hy-draulisch-mechanischen Drehmomentfühler dargestellt. Das HV CVT-Konzept kann je-doch je nach Wunsch auch mit einer elek-tronisch gesteuerten Anpressung ohne Drehmomentfühler umgesetzt werden. In

Bild 1 ist eine solche Variante mit der Be-zeichnung HV CVT ec (electronic clamping) im Vergleich zum bisherigen HV CVT skiz-ziert. Die Vorzüge der kompakten Bauweise und des variabel wählbaren Anfahrelemen-tes sind nach wie vor als die wesentlichen Stärken des Konzeptes hervorzuheben. Auch die abtriebsseitig angeordnete Rück-

wärtsgangeinheit kann je nach Wunsch mit einer konventionellen Stirnradstufe ohne Zahnkette und auch mit einem konventio-nellen Differenzial kombiniert werden. Mit dem Einsatz eines LuK iTC-Drehmoment-wandlers [2] kann man zudem eine beson-ders bauraumoptimierte und kostengünsti-ge Variante darstellen.

Einbereich- oder Zweibereichsstruktur

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 Vergan-genheit ein sogenanntes „Standarddesign“ durchgesetzt (Bild 2). Bei dieser Konstruk-tion ist der antriebsseitige Scheibensatz ohne Eingangszahnradstufe koaxial zur der Kurbelwellenachse angeordnet. Davor be-findet sich ein Planetensatz mit Lamellen-schaltelementen für die Drehrichtungsum-kehr. Als Anfahrelement dient zumeist ein Drehmomentwandler.

Bild 1 Vergleich HV CVT mit Drehmomentfühler und HV CVT electronic clamping

HV CVT Zweibereich HV CVT ec CVT-Standarddesign

Bild 2 CVT-Konzeptvergleich für Front-Quer-Anwendung

502 50334CVT

Im direkten Vergleich dazu steht das HV CVT-Konzept. Beim HV CVT wurden die Drehrichtungsum-kehreinheit abtriebs-seitig platziert und die Kegelscheiben gespiegelt angeord-net. Dadurch erhält man vor allem in Kombination mit der LuK-Kette eine sehr kompakte und bau-raumoptimale An-ordnung. Durch den abtriebsseitig angeord-neten Rückwärtsgang kann der Getriebe- eingangsbereich zudem sehr flexibel mit unterschiedlichen Anfahrelementen darge-stellt werden. Vor allem eine Hybridisierung wird dadurch sehr erleichtert.

Inzwischen wurde von der Firma Jatco ein Zweibereichs-CVT auf den Markt gebracht [3]. Bisher gab es immer eine gewisse Skep-sis, ob ein Zweibereichs-CVT durch die Be-reichsumschaltung von komfortverwöhnten CVT-Kunden akzeptiert wird. Jatco hat diese Skepsis nun jedoch erfolgreich widerlegt.

In Bild 2 ist das LuK HV CVT dual range als Zweibereichs-CVT-Konzept skizziert. Bei diesem Getriebeentwurf wurde die Plane-tensatzanordnung im Vergleich zu dem am Markt befindlichen noch weiter vereinfacht. Es ist nun für die Bereichsschaltung nur noch eine Einfachplanetenstufe notwendig. Diese ist somit auch einfacher und flexibler an unterschiedliche Drehmomentklassen anzu-passen. Mit der konzeptbedingten Eingangs-zahnradstufe und dem abtriebsseitig an- geordneten Rückwärtsgang erhält man wiederum eine große Flexibilität für die An-ordnung unterschiedlicher Anfahrelemente und für eine mögliche Hybridisierung. Der Hauptvorteil der Zweibereichsstruktur ist, dass der Variator bei gleicher Getriebesprei-zung deutlich kleiner dimensioniert werden kann, als bei einem Einbereichs-CVT. Zudem

können Spreizungen bis 10 dargestellt wer-den, ohne dass der Variator und somit das Getriebe unverhältnismäßig groß werden. Im Bild 3 sind im Vergleich die Getriebequer-schnitte eines Zweibereichs-CVT und eines Einbereichs-CVT mit gleicher Getriebesprei-zung mit ihren Hauptachsen skizziert. Die Durchmesser der Kegelscheiben sind farb-lich hervorgehoben. Man kann deutlich den Bauraumunterschied erkennen.

Zusammenfassend kann man sagen, dass ein CVT im „Standarddesign“ den für zu-künftige Antriebsstränge ungünstigsten und unflexibelsten Bauraum aufweist. Gerade ent-lang der bauraumkritischen Kurbelwellen-achse weist diese Anordnung die größte Bau-länge der drei Konzepte auf. Durch den antriebsseitig angeordneten Planetensatz für die Drehrichtungsumkehr ist eine Hybridisie-rung nur schwierig umzusetzen.

Die beiden HV CVT-Konzepte weisen bezüglich Baulänge und Hybridisierbarkeit vergleichbare Vorteile auf. Das Zweibe-reichskonzept bietet die beste Querschnitts-anordnung. Beim Kostenaufwand steht der Aufwand für den Planetensatz des Zwei-bereichskonzepts dem Mehraufwand des größeren Variators beim Einbereichskon-zept gegenüber. Hier wird ein kleiner Vor-teil beim Einbereichskonzept gesehen. Den größten Vorteil weist das Zweibereichs- konzept in der Umsetzbarkeit großer Sprei-

zungen in Kombination mit großer Moment-kapazität 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 Vari-ation vorstellen.

Front-Quer-Variator- baukasten

Die Entscheidung für eine Einbereichs- oder Zweibereichsstruktur hängt im wesentli-chen davon ab, welche Gesamtspreizung bei welchem Eingangsmoment erreicht werden soll. Grundsätzlich gesehen sind große Momente auch bei großen Spreizun-

gen kein Problem, wenn eine LuK-Kette als Umschlingungsmittel eingesetzt wird. Man stößt jedoch irgendwann an Grenzen bei der wettbewerbsfähigen Darstellung be-züglich Bauraum, Gewicht und Massen-trägheiten des Variators. Mit einer LuK-Kette können problemlos Spreizungen von bis zu 8,5 auch bei höheren Momenten wettbe-werbsfähig in einem Einbereichssystem er-reicht werden. Dies lässt sich unter ande-rem durch den sehr klein umsetzbaren minimalen Umschlingungsradius und durch die geringe Bauhöhe der Kette erklären.

Die Darstellung eines Front-Quer-Varia-torbaukastens in Bild 4 mit einer LuK-Kette als Umschlingungsmittel zeigt, dass die Bauraumgrenzen im Vergleich zu konkurrie-renden Getriebekonzepten erst im Bereich von Spreizungen nahe 10 überschritten werden. Je höher die gewünschte Momen-tenkapazität, umso eher erreicht man natür-

Zweibereichs-CVT Einbereichs-CVT

P1 P2

P1

P2

In

OutOut

In

Bild 3 Querschnittsansicht Zweibereichs-CVT und Einbereichs-CVT

Übersetzung

150

250

400

a = 205 / L = 370

6,0 (i = 14 … 2,3) 8,5 (i = 17 … 2,0) 10,0 (i = 18 … 1,8)

DQ 200 [5]Spreizung 7,4 / L = 370

ZF 9HP [4]Spreizung 9,8 / L = 370

Jatco CVT 7 [3]Spreizung 7,3 / L = 325

Pulley 1

Pulley 2

a = Abstand Scheibensätze / L = Getriebelänge

Zweibereichs-CVT

Vergleichsbasis

a = 190 / L = 360a = 160 / L = 350

a = 145 / L = 320 a = 175 / L = 330 a = 190 / L = 340

a = 130 / L = 290 a = 155 / L = 300 a = 175 / L = 310

Dre

hmo

men

t in

Nm

InOut

Bild 4 Front-Quer-Kettenvariatorbaukasten für eine Einbereichsstruktur

504 50534CVT

lich die Grenze der Wettbewerbsfähigkeit. Im gelb bis rot markierten Bereich ist eine Zweibereichsstruktur eine ernstzunehmen-de Variante, das CVT auch bei großen Spreizungen wettbewerbsfähig darzustel-len. In manchen Fällen, zum Beispiel bei speziellen Wirkungsgradoptimierungen, kann eine Zweibereichsstruktur jedoch auch bei kleineren Momenten und mittleren Spreizungen mit einer Kette als Umschlin-gungsmittel 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 Front-Quer-Antrieben erwartet werden, konkur-renzfähig abgedeckt werden können. Wenn man den Aspekt der zukünftig allge-

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 Bereichs-wechsel 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 Drehmo-mentwandler. Die Direktstufe kann somit zum Beispiel auch mit dem permanent an-getriebenen Pumpenzweig kombiniert wer-den. 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 gro-ßen Stirnrad der Differenzialabtriebsstufe.

Bei Verwendung als Gesamtgetriebe- Overdrive-Direktstufe wird die Stirnradüber-

setzung so gewählt, dass sie nach dem Erreichen des Variator-Overdrives ohne Dif-ferenzdrehzahl mittels Klaue zugeschaltet werden kann. Sobald der Kraftfluss über die Stirnradstufe geschlossen ist, kann der Va-riator an- und abtriebsseitig wirkungsgrad-optimal komplett abgetrennt werden. Durch intelligente Nutzung von Fahrstreckeninfor-mationen, die zukünftig immer umfangrei-cher zur Verfügung stehen, kombiniert mit aktuell vorliegenden Antriebsstrangdaten, kann diese Schaltung gezielt, unbemerkt und verbrauchsoptimal durchgeführt wer-den.

Die in Bild 6 dargestellte Direktstufe kann auch als Bereichswechselgang ver-wendet werden. Um den Bereichswechsel für den Fahrer möglichst unbemerkt durch-zuführen, werden die zwei Betriebsbe- reiche 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

genwärtig verlangten Hybridisierung be-rücksichtigt, ist die CVT-Technologie im Allrad-Bereich als eine zukunftsweisende Getriebetechnologie anzusehen.

Konstante Getriebestufen

Eine weitere Möglichkeit der Wirkungsgrad-steigerung stellt die Einführung einer kons-tanten Getriebestufe dar. Diese Variante bietet eine ganze Reihe von Möglichkeiten zur weiteren Optimierung. In der Vergan-genheit wurden schon vielfach Kombinatio-nen von CVT-Variatoren mit parallel ange-ordneten Stirnradstufen veröffentlicht. In diesem Fall stellen wir jedoch eine sehr bau-raumsparende Version vor, die zudem noch

Übersetzung

150

250

400

a = 145 / L = 370

6,0 (i = 14 … 2,3) 8,5 (i = 17 … 2,0) 10,0 (i = 18 … 1,8)

DQ 200 [5]Spreizung 7,4 / L = 370

ZF 9HP [4]Spreizung 9,8 / L = 370

Jatco CVT 7 [3]Spreizung 7,3 / L = 325

Pulley 2Pulley 1

a = Abstand Scheibensätze / L = Getriebelänge

Zweibereichs-CVT

Vergleichsbasis

a = 135 / L = 360a = 160 / L = 350

a = 145 / L = 320 a = 175 / L = 330 a = 135 / L = 340

a = 130 / L = 290 a = 155 / L = 300 a = 125 / L = 310

Dre

hmo

men

t in

Nm

InOut

Zweibereich

Bild 5 Front-Quer-Kettenvariatorbaukasten für Ein- und Zweibereichsstruktur

Ges

amts

pre

izun

g

Spreizung Variator UDOD

Low

High

Getriebe-über-

setzung

Bereich derÜbersetzungs-änderung

OD Direktgang

Direkter Gangals Bereichs-wechselgang

GeringerMehr-

aufwand

Über-setzungVariator

Bild 6 HV CVT dual range mit Getriebedirektstufe

506 50734CVT

an immer der gleichen Gesamtgetriebe-übersetzung, in Bild 6 beispielhaft grün gestrichelt dargestellt. So kann man die Übersetzungsbereiche weiter auseinander-ziehen und dadurch eine größere Ge-samtspreizung ohne größeren Variator dar-stellen. Beim Bereichswechsel wird dabei die Antriebsenergie ohne Einbruch der Zug-kraft über die Direktstufe an das Differenzial weitergeleitet. Der Variator kann während dessen unbelastet in den neuen Bereich verstellt werden. Die Zu- und Wegschal-tung der Direktstufe kann unbemerkt durch den Fahrer mit Hilfe einer Klauenkupp-lung durchgeführt werden, da dabei keine Differenzdrehzahlen am Schaltelement vor-liegen. Bei schnellen Rückschaltwünschen („Kick down“) innerhalb des High-Bereichs kann auch senkrecht ohne Nutzung der Umschaltstufe in den Low-Bereich ge-sprungen werden. Eine Lamellenbremse wird dabei schlupfend betrieben, um die Motordrehzahl anzupassen. Somit kann auch ein spontan gewünschter Überset-zungssprung schnell umgesetzt werden.

High Value CVT multimode

Mit den in den vorherigen Kapiteln vorgestell-ten Innovationen und dem vorgestellten CVT-Variatorbaukasten wurden einige Fakten auf-gezeigt, die die Anwendung eines CVT in Front-Quer-Antriebssträngen bestärken. Im nachfolgenden wollen wir nun eine Getriebe-konzeptvariante aufzeigen, die diese Innovati-onen 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 Planeten-satz 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 Bereichs-wechsel, wie im vorherigen Kapitel be-

schrieben, mit Hilfe einer Direktstufe vorge-sehen ist.

Durch die Verwendung einer Direktstufe für die Bereichswechselschaltung kann man zudem den Variator effektiver ausnut-zen. Man kann, wie im Bild 7 gestrichelt dargestellt, den Variatornutzungsbereich im Vergleich zum Stand der Technik im OD bei gleichbleibender Gesamtgetriebeüber-setzung einschränken und dadurch mit ver-bessertem Wirkungsgrad betreiben. Man könnte jedoch auch die Gesamtgetriebe-spreizung noch weiter vergrößern oder den Variator noch weiter miniaturisieren.

Das Konzept ist hybridisiert. Die Rück-wärtsfahrt wird dabei komplett von der integ-rierten E-Maschine sichergestellt. Auf einen extra angeordneten mechanischen Rück-wärtsgang 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 zu-dem eine Vielzahl an Betriebsmöglichkeiten: – Man kann mit der E-Maschine mit kom-

plett abgekoppeltem und stehendem Variatorzweig wirkungsgradoptimal über die Direktstufe fahren.

– Man kann beim Bremsen über die Direkt-stufe und damit mit abgekoppeltem Ver-brennungsmotor rekuperieren, ohne eine zusätzliche K0 vorzusehen.

– Man kann gleichzeitig parallel mit unter-schiedlichen Drehzahlen mit dem E-Motor über die Direktstufe und dem Verbren-nungsmotor über den CVT-Zweig fahren.

– Man kann natürlich auch mit der E-Ma-schine über den Variatorzweig fahren. Zum elektrischen Anfahren und für Rückwärtsfahrt bei sehr hohen Rad-drehmomenten ist es vorgesehen, über den Variatorzweig im Underdrive-End-anschlag zu fahren und somit die ge-samte zur Verfügung stehende Getrie-beuntersetzung zu nutzen.

– Zu guter Letzt kann man bei Fahrt mit maximalem Moment über den Verbren-nungsmotor mit der E-Maschine zu-sätzlich über die Direktstufe boosten, ohne den Kettenvariator zusätzlich zu belasten.

Trotz dieser zahlreichen Funktionalitäten und Betriebsmodi kann dieses Hybridge-triebekonzept kompakter dargestellt wer-den als ein CVT in Standardbauweise ohne Hybridmaschine oder Getriebe anderer Bauart. Dieses neue Getriebekonzept bietet zudem Möglichkeiten für Übersetzungs-spreizungen bis 10 in allen üblichen Dreh-momentbereichen. Verglichen mit anderen Hybridgetriebekonzepten gleicher Funktio-nalität ist vor allem auch ein kostenseitig at-traktives Ergebnis zu erwarten.

Kette 05 – die nächste Generation

In den vergangenen Jahren erfuhr die CVT-Ket-te eine stetige Weiterentwicklung. Dadurch wurde es möglich, die Leistungsdichte konti-nuierlich zu steigern. Gleichzeitig konnten die positiven Eigenschaften, zum Beispiel der sehr gute Wirkungsgrad, erhalten werden. Neuste Messungen zeigen, dass der Wir-kungsgrad je nach Betriebspunkt bis zu 4 % höher ist als bei einem vergleichbaren Um-schlingungsmittel im Wettbewerbsumfeld. Darüber hinaus können ausdrücklich höhere Gesamtspreizungen mit der Kette erzielt und damit der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs-stranges, wie bereits ausgeführt, weiter ver-bessert werden. Außerdem sind durch die gute Skalierbarkeit der Kette höhere Dreh-momentanwendungen, insbesondere in Ver-bindung mit einer Hybridisierung des An-triebsstranges, bei hoher Lebensdauer realisierbar. Bild 8 zeigt die Drehmomentka-pazitäten der unterschiedlichen Kettentypen.

Optimierte Variatorspreizung UDOD

Low

High

Getriebe-über-

setzung

Über-setzungVariator

Elektrischer Anfahr- und Rückwärtsfahrtpunkt

Direkter Gang +elektrischer Gang

Maximale Variatorspreizung

Max

imal

e G

esam

tsp

reiz

ung

Op

tim

iert

e G

esam

tsp

reiz

ung

Bild 7 HV CVT multimode

508 50934CVT

Die Applikation der Kette in kleineren Fahr-zeugen setzt allerdings voraus, dass die Akustik der Kette eine weitere Verbesse-rung 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 Entwick-lung einer neuen Kettengeneration mit einer um weitere 15 % reduzierten Teilung, bei mindestens gleicher Drehmomentkapazität im Vergleich zum Typ 06 [1].

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-

digkeit des in den Scheibensatz einlaufen-den Kettengliedes. Der Auftreffimpuls sinkt mit steigender Anzahl der Glieder pro Ket-tenlänge (siehe Bild 9).

Um diesen Effekt weiter auszunutzen, wur-de die 05er-Kette entwickelt. Dabei wird die Teilung gegenüber der 06er-Kette um wei-tere 15 % reduziert.

Nur so stark wie das schwächste Glied

Die Anforderungen an die „kleine“ 05er-Ket-te 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 Quer-schnitten der Kettenkomponenten die glei-chen 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 Optimie-rung erleichtern.

Vereinfacht gesagt, ermitteln die neuen Berechnungswerkzeuge die genauen Be-anspruchungen der maximal belasteten Komponenten in der Kette, die zur Schädi-

gungsberechnung auf die Komponenten appliziert werden. Darüber hinaus werden die aus den Fertigungsverfahren resultie-renden Veränderungen der Bauteile be-rücksichtigt.

Bestätigung durch Messung

Während der Entwicklung der neuen Be-rechnungsverfahren wurde ein vorläufiger Verfahrensstand verwendet, um eine erste Optimierung der vorhandenen 06er-Geo-metrie zu bewerten. Diese hat rechne-risch eine Verringerung der Schädigung von etwa 38 % gebracht. In einem hoch-belastenden Underdrive-Test (Festigkeits-test 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 Berech-nungsergebnisse konnten somit bestätigt werden.

Durch diese neuen Berechnungsverfah-ren ist es nun möglich, die optimale Geome-trie zu ermitteln. Bild 11 zeigt den Vergleich zwischen der vorhandenen 06- und dem

ersten Prototypen-stand der 05-Kette.

Ein Übertrag der neuen Konstruktions-ideen auf die beste-henden größeren Kettenvarianten ist naheliegend. Da- durch wird es mög-lich werden, Appli-kationen, die heute mit einer 08er-Tei-lung ausgerüstet werden, zukünftig mit einer optimier-ten 07er-Kette zu bedienen.

Kettengeneration sinkende Teilung

NV

H

Typ 08Typ 07

Typ 06Typ 05

5 dB

Bild 9 Reduzierung der Geräuschemissionen mit sinkender Teilung

Laufzeit

Unz

uver

läss

igke

it06-alt:

B10 = 100 %06-neu:

B10 = 480 %

Reduzierung der Schädigung um 38 %

in der Simulation

Bild 10 Ergebnis von Underdrive-Dauertests der 06er-Ketten

17

Typ 07

Teilung -10 %

Typ 08

Typ 06

Teilung -10 %

Typ 05

Teilung -15 %Typ 06 optimiert

Motormoment in Nm100 200 300 400 500 600

24

37

30

28

33

26

Ket

tenb

reit

e in

mm

20

22

18

Typ

05

Typ

06

Typ

07

Typ

08

Bild 8 Drehmomentabdeckung der verschiedenen Kettentypen

510 51134CVT

Das Ziel bei weitem übertroffen – bessere Akustik bei höherer Lebensdauer

Die Belastungen der 05er-Kette wurden für eine bestehende Kundengetriebeanwen-dung mit einem maximalen Eingangsdreh-moment von 250 Nm simuliert. Die Berech-nungen zeigen eine Reduzierung der Schädigung im Vergleich zu der bisher kri-tischsten Stelle um 21 %. Wenn das Ver-hältnis zwischen der Schädigungsreduzie-rung und der tatsächlichen Lebensdauer ähnlich den Werten aus den erwähnten Un-derdrive-Tests mit der 06er-Kette ausfällt, ist eine deutliche Verbesserung der Ketten-festigkeit zu erwar-ten.

Gleichzeitig wur-de die Kette bezüg-lich der Massenver-teilung über der Ket- tenlänge optimiert. Bisherige Tests ha-ben gezeigt, dass es möglich ist, mit einer Homogenisie-rung der Masse über der Kettenlän-ge die Akustik der Kette weiter zu ver-

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 Massenver-teilung über der Kettenlänge optimiert wer-den. Bei der 06er-Lasche betrug der maxi-male 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 besse-ren Massenausgleich wird eine deutliche Akustikverbesserung erreicht.

Das Potenzial schmaler 05er-Ketten

Die minimale Breite einer Kette wird unter anderem durch die Scheibengeometrie be-grenzt. 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-Anwen-dung in der 140-Nm-Klasse wurde unter-sucht, wie hoch das maximal zu übertragen-de Drehmoment mit der kleinstmöglichen 05er-Kette wäre. Hierfür wurde anhand der genannten Getriebeanwendung die schmalste Kettenbreite ermittelt, bei der die

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 wer-den könnte, sondern sogar bis zu 180 Nm im Underdrive übertragbar wären.

Gewichtseinsparung bei Verwendung einer schmalen Kette

Gegenüber einem 24 mm breiten Schub-gliederband und einer 2406-Kette wird die 1705-Kette ca. 7 mm schmaler. Die Ge-wichtseinsparung gegenüber dem Schub-gliederband liegt bei mehr als 300 g. Im Vergleich zur 2406-Kette beträgt sie immer noch 70 g. Bild 13 zeigt einen Größenver-gleich der 1705-Kette zu einem 24-mm-Schubgliederband.

Eine schmalere Kette wirkt sich jedoch auch auf den Bauraum und das Gewicht des Gesamtgetriebes aus. Gegenüber ei-nem kleinen CVT mit 24-mm-Schubglieder-band sind Gewichtseinsparungen an den Scheibensätzen, dem Umschlingungsmit-tel, dem Aluminiumgehäuse und Kleinbau-teilen von bis zu 650 g denkbar.

Zusammenfassung

Das High Value CVT-Konzept kann auf-grund der Modularität des Systems in Ver-bindung mit der neuen 05er-Kettengenera-tion unverändert überzeugen. Die neue Kettengeneration weist eine um 15 % klei-nere Teilung auf bei gesteigerter Drehmo-mentkapazität im Vergleich zur 06-Gene-ration. Mit diesen Ketten können bereits in Einbereichsgetrieben sehr hohe Spreizun-gen realisiert werden. In Zweibereichsge-

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 an-deren Getriebekonzepten kann eine verbes-serte Hybridtechnologie dargestellt werden.

Literatur

[1] Teubert, A.; Englisch, A.; Götz, A.: The com-pact 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 „Ge-triebe in Fahrzeugen“, 2011

[5] Schäfer, M.: Volkswagen’s new dual-clutch transmission. CTI Symposium, 2007Bild 12 Begrenzung der kleinsten Kettenbreite durch die Scheibengeometrie

Bild 13 Vergleich einer 1705-Kette gegen ein 24-mm-Schubgliederband

Typ 06 a-Lasche

Typ 05 a-Lasche

Typ 06 b-Lasche

Typ 05 b-Lasche

-15 % -15 %

Bild 11 Vergleich der 06er-/05er-Ketten mit angepasster Geometrie