CVT für höchste Drehmomente - tu-chemnitz.de · erfolgreiche „multitronic“ von Audi [11, 12] ist ein Beispiel dafür. Bild 1 „Multitronic“-Getriebe von Audi Leider gibt

CVT für höchste Drehmomente CVT mit Umschlingungsvariator und Leistungsverzweigung

Prof. Dr. P. Tenberge, Dipl.-Ing. J. Sewart, Dipl.-Ing. J. Müller, Chemnitz 0 Kurzfassung

Stufenlose Getriebe für höchste Antriebsdrehmomente benötigen entweder ein Umschlin-

gungs- oder ein Traktionsgetriebe mit sehr hoher Drehmomentkapazität oder eine leistungs-

verzweigende Getriebestruktur, die den stufenlosen Kern entlasten. Bei der Konzeption so

einer Getriebestruktur mit einem Umschlingungs-CVT geht es in einem Schwerpunkt um die

Art der Leistungsverzweigung, die Anzahl der Fahrbereiche und die Regelung/Steuerung der

Fahrbereichswechsel. Für den Variator ist ein spezielles hydraulisches Regelsystem nötig,

das in beiden Leistungsflussrichtungen optimale Anpressungen liefert. Für Konzepte mit

Anfahren aus geared neutral ist hierfür eine geeignete Anfahrstrategie zu entwerfen. Nicht

zuletzt ist die konstruktive Umsetzung des Konzeptes in ein wettbewerbsfähiges Getriebe

hinsichtlich Bauraum, Gewicht und Kosten wichtig für seine Marktchancen.

CVTs for highest input torques need either a belt or a chain variator or a traction drive with

very high torque capacity or they need a power splitting gear structure, that eases the load

on the continuously variable core. To outline such a concept a main subject is to evaluate the

type of power splitting, the number of driving ranges and the controlling strategy for shifting

these ranges. The variator needs a special hydraulic control system, that operates optimal in

both directions of power flow. For concepts with starting up the vehicle from geared neutral a

suitable driving strategy has to be found. Last but not least the design of the concept to a

competitive gearbox regarding size, weight and costs is important for its market chance.

1 Einleitung

Stufenlose Fahrzeuggetriebe mit Umschlingungsvariatoren gibt es in Japan und Europa in

vielen Serienanwendungen bis zu 200 Nm. Die Stückzahlen dieser Anwendungen steigen

CVT für höchste Drehmomente 2 / 22

kontinuierlich, weil die Fahrzeuge mit diesen Getrieben aufgrund stetig verbesserter

Betriebsstrategien mittlerweile gute Fahrleistungen bei relativ niedrigem Verbrauch

ermöglichen. Außerdem liegen die Aufpreise unter denen von Wandlerautomaten. Die hier

verbauten Umschlingungsgetriebe haben Schubgliederbänder oder Wiegedruckstückketten

als Umschlingungsmittel. Getriebe mit Wiegedruckstückketten erreichen höhere Dreh-

momentkapazitäten bis zu 350 Nm. Die in der Kundenakzeptanz, also am Markt sehr

erfolgreiche „multitronic“ von Audi [11, 12] ist ein Beispiel dafür.

Bild 1 „Multitronic“-Getriebe von Audi

Leider gibt es bislang aber nur wenige dieser CVT-Anwendungen in Fahrzeugen mit

Antriebsdrehmomenten bis zu 350 Nm oder mehr. Natürlich kann man auch Umschlingungs-

CVT für sehr große Antriebsdrehmomente entwickeln [13]. Deren Achsabstand wird aber

dann bei einer angestrebten Übersetzungsspreizung bis zu ϕ=6 so groß (>>170 mm), dass

diese Getriebe nur noch schwer in die vorhandenen Bauräume passen. Die großen

Scheiben sind jedoch nötig, weil sonst die Kettenbelastungen unter Volllast in


Anfahrübersetzung mit minimalem Laufradius auf dem Antriebsscheibensatz so groß

werden, dass frühzeitige Kettenschädigungen die Getriebelebensdauer begrenzen.

Um trotzdem Anwendungen mit hohen Antriebsdrehmomenten bedienen zu können,

verbessern die Hersteller der Ketten und Scheibensätze von Umschlingungsgetrieben erst

einmal im Detail diese Komponenten sowie die Anpresssysteme und deren hydraulische

Versorgung samt der für schnelle Anpressreaktionen nötigen Drehmomentfühler [14, 15, 16].

Dies führt auch zu höheren Wirkungsgraden und geringeren spezifischen Ketten-

schädigungen, also tendenziell zu höheren Drehmomentkapazitäten. Der grundsätzliche

Zusammenhang zwischen dem Lastkollektiv des Fahrzeugs und dem Lastkollektiv des

Getriebes ändert sich dadurch jedoch nicht. Deshalb lassen sich mit diesen

Detailmaßnahmen drehmomentstarke neue Anwendungen nur schwer oder nur in kleinen

Schritten erschließen.

Bild 2: Getriebestruktur des „Multitronic“-CVT von Audi

Die Variatorbelastung hängt vom Lastkollektiv des Fahrzeugs und der Getriebestruktur ab.

Bei einer Getriebestruktur ohne Leistungsverzweigung mit einem antriebsseitigen und einem


abtriebsseitigen Scheibensatz, wie dies z.B. bei der „multitronic“ von Audi der Fall ist, wird

der Antriebsscheibensatz A bis auf antriebsseitige Schwingungsentkopplungen annähernd

proportional zum Lastkollektiv des Verbrennungsmotors VM belastet und der Abtriebs-

scheibensatz B proportional zum Lastkollektiv des Fahrzeugs.

In Getriebestrukturen mit Leistungsverzweigung [6, 14, 15, 16] können die maximalen Dreh-

moment- und Drehzahlbelastungen an beiden Scheibensätzen eines Variators und damit die

maximalen Kettenkräfte aber deutlich kleiner werden. Leistungsverzweigende Getriebe-

strukturen mit mehreren Fahrbereichen erlauben darüber hinaus die mehrfache Nutzung der

Variatorspreizung für die Gesamtspreizung des Getriebes. Dadurch sinkt die Variator-

belastung weiter, aber die Anforderungen an die Verstelldynamik steigen.

Mittlerweile gibt es leistungsfähige Rechenprogramme [8, 9, 10,], mit denen man die Ketten-

belastungen, den Kettenkraftverlauf, die Scheibendeformationen und die Verluste in den

Kontakten Kette-Scheibe abhängig von den Scheiben- und Kettensteifigkeiten, den

Reibwerten in den Traktionskontakten und der Variatorgeometrie auch bei Verstellvorgängen

gut und schnell berechnen kann. Mit diesen Werkzeugen lässt sich der Einfluss einer

höheren Verstelldynamik auf den Wirkungsgrad und auf die höheren Anforderungen an das

Verstellsystem quantifizieren.

In der folgenden Untersuchung geht es um eine leistungsverzweigende Getriebestruktur mit

einem Umschlingungsvariator, die hinsichtlich der Eckbelastungen der Scheibensätze, der

Kettenschädigung und damit der Lebensdauer sowie des Wirkungsgrades Vorteile

gegenüber dem heutigen Stand der Technik bietet. Weitere wichtige Kriterien bei der

Konzeptfindung sind der verfügbare Bauraum und das Getriebegewicht.

2 Getriebestruktur

Die Getriebestruktur nach Bild 3 hat eine Antriebswelle, die über einen Schwingungsdämpfer

fest mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist. Auf dieser Antriebswelle sitzt ein

Pumpensystem zur Versorgung der hydraulischen Steuerung und der Schmierung.

Die Antriebswelle treibt das Hohlrad eines vierwelligen Überlagerungsgetriebes. Dieses

Überlagerungsgetriebe hat einen Aufbau wie der aus Automatikgetrieben bekannte


Ravigneaux-Planetenradsatz. Er umfasst einen Planetenträger a, in dem vier Sätze von

jeweils zwei miteinander kämmenden Planetenräder gelagert sind. Ein Planetenrad kämmt

jeweils mit dem Sonnenrad einer Welle b. Das andere Planetenrad kämmt jeweils mit einem

Sonnenrad einer Welle c und mit dem Hohlrad an der Antriebswelle an.

Die Welle a ist über eine erste Stirnradstufe u mit dem Scheibensatz A des

Umschlingungsvariators verbunden. Die Welle b ist über eine zweite Stirnradstufe v mit dem

Scheibensatz B des Umschlingungsvariators verbunden.

Variator

Schwin-gungs-

dämpfer

Über-lagerungs-

getriebeSchaltgetriebemit 2 Gängen

Bild 3: Strukturvorschlag für ein leistungsverzweigendes Getriebe mit 4 Fahrbereichen und

Umschlingungs-CVT

Zwischen dem Überlagerungsgetriebe und der Abtriebswelle ab sitzt ein Schaltgetriebe, über

das die Wellen a, b oder c mit dem Abtrieb verbunden werden können. Dafür ist es wichtig,


eine Getriebestruktur zu finden, bei der die Stegwelle a (Planetenradträger) durch das

Planetengetriebe nach innen geführt werden kann. Damit gelingt es, auch die Welle a durch

die Wellen c und b hindurch zum Schaltgetriebe zu führen.

Das Schaltgetriebe besteht aus einer weiteren, einfachen Planetenradstufe mit einem

Sonnenrad 3, einem Hohlrad 4 und einem Planetenträger mit drei Planetenrädern auf der

Getriebeabtriebswelle. Die Wellen c=0 und b=1 lassen sich über die Schaltkupplungen K1

und K2 mit dem Sonnenrad verbinden. Die Welle a=2 ist über die Schaltkupplung K3 mit der

Abtriebswelle verbindbar. Das Hohlrad ist über eine Bremse B1 mit dem Getriebegehäuse

oder eine Kupplung K4 mit der Abtriebswelle verbindbar.

3 Drehzahlen und Fahrbereiche des Getriebes

Stufe 2: (Plusgetriebe) St Ho

i01 i02

Stufe 1: So St Ho (Minusgetriebe)

BZ 1

BZ 2

So

Bild 4: Drehzahlleiterdiagramm des Überlagerungsgetriebes nach Bild 3


Bild 4 zeigt das Drehzahlleiterdiagramm des vierwelligen Überlagerungsgetriebes neben der

Grafik der Getriebestruktur. Auf den Drehzahlleitern werden nach oben die Drehzahlen n.....

bezogen auf die Antriebsdrehzahl nan angetragen. Die Abstände (a, b, c) der Drehzahlleitern

zueinander sind durch die Standübersetzungen bzw. die Zähnezahlen der Räder so

bestimmt, dass für einen Betriebszustand (BZ) die Drehzahlen aller vier Wellen auf einer

Geraden liegen. Alle Betriebszustandsgeraden gehen dann auch durch den Punkt nan/nan=1.

Tafel 1: Übersetzungen der Getriebestufen des Getriebes nach Bild 3

i01 1ca

−67−

191929⋅ 2.310−

zpÜ 3:=

i02 1ba

+6719

1920⋅

2022⋅ 3.045

i03 1 iSG−64−

222220⋅ 3.2− zpN 4:=

iaA26−

410.634−

ibB39−

301.3−

Bild 5 verdeutlicht die Drehzahlen im Überlagerungsgetriebe und die Gesamtübersetzungen

iges=nan/nab aufgetragen über der Variatorübersetzung.

Ein kinematischer Grenz-Betriebszustand (BZ1) dieses Getriebes ist dadurch gekenn-

zeichnet, dass dann alle Wellen des Überlagerungsgetriebes gleich schnell drehen, nämlich

so schnell wie die Antriebswelle. In diesem Betriebszustand sind die Verluste in so einem

Planetengetriebe minimal.

In dem anderen kinematischen Grenz-Betriebszustand (BZ2) des Getriebes dreht die

Koppelwelle b maximal schnell (e:1), die Koppelwelle a maximal langsam (f:1) und die

Koppelwelle c sogar mit negativer Drehzahl (d:1). Für das hier gewählte Beispiel sind:


e 2.05 f1

2.050.488 d 0.7−

Die Übersetzung zwischen den beiden Wellen b und a variiert zwischen den beiden

Grenzbetriebszuständen im Bereich

2.052 4.2 iba≥nbna

1≥ .

Das heißt, der zwischen den Wellen a und b wirkende Variator benötigt dafür einen

Stellbereich von nur noch ϕV = 4.2.

0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.42

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Variatorübersetzung

n....

. / n

an

0

1

0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.42

1.5

1

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Variatorübersetzung

nab

/ nan

0

1

Überlagerungsgetriebe Schaltgetriebe

Variator

Koppel-getriebe

Variator

c

b

a

A

B B

A

1.FB=g.n.

2.FB

3.FB

4.FB=overdrive

BZ1BZ2

Bild 5: Drehzahlen und Übersetzungen im Getriebe nach Bild 3


Die Übersetzungen iaA und ibB der Stirnradstufen zwischen den Koppelwellen a, b und den

Scheibensätzen A, B des Variators sind so gewählt, dass die maximalen Variatordrehzahlen

an beiden Scheibensätzen nahezu gleich groß sind. Dermaßen ausgeglichene Drehzahl-

belastungen an den Scheibensätzen sind nur in leistungsverzweigenden Getriebestrukturen

möglich, bei denen ein Scheibensatz des Variators weder auf der Antriebswelle, noch auf der

Abtriebswelle sitzt.

In einem 1. Fahrbereich wird die Koppelwelle c mit der Umlaufübersetzung iSG vom

Sonnenrad zum Planetenträger bei stehendem Hohlrad im Schaltgetriebe zum Abtrieb

übersetzt. K1 ist geschlossen. Da die Drehzahl dieser Koppelwelle im Stellbereich durch 0

geht, kann man sie zum Anfahren vorwärts wie rückwärts (geared neutral) und zum

Rückwärtsfahren nutzen. Ein extra Rückwärtsgang kann somit entfallen.

Im Betriebszustand BZ1 des Überlagerungsgetriebes bei iAB=iV=2.05 haben alle Koppel-

wellen gleiche Drehzahlen. In diesem Betriebspunkt wird zuerst die schnelle Koppelwelle b

über K2 zusätzlich mit dem Sonnenrad des Schaltgetriebes verbunden. Dann werden die

Scheibenanpressungen im Variator so umgesteuert, dass sich der Leistungsfluss im Variator

umdreht. Bei Kenntnis der Drehmomentbelastungen vor der Schaltung und der

Standübersetzungen lassen sich die nötigen Scheibenanpressungen berechnen und

einstellen, damit K2 das Drehmoment übernimmt und K1 entlastet wird und geöffnet werden

kann. Das Getriebe befindet sich im 2. Fahrbereich.

Im 2. Fahrbereich wird die Variatorübersetzung von iV=2.05 (BZ1) nach iV=0.488 (BZ2)

verstellt. Die Koppelwelle b dreht maximal schnell und die Koppelwelle a extrem langsam

wie die Abtriebswelle. Bei einer Umlaufübersetzung iSG im Schaltgetriebe, die dem

Stellbereich des Variators entspricht, hat nun die langsame Koppelwelle a die gleiche

Drehzahl wie die Abtriebswelle. Koppelwelle a kann nun über K3 mit dem Abtrieb verbunden

werden. Im Variator werden wieder die Scheibenanpressungen umgesteuert, um nun K2 zu

entlasten und K3 zu belasten. K2 wird dann geöffnet. Der 3. Fahrbereich ist nun aktiv.

Um im 3. Fahrbereich die Gesamtübersetzung in Richtung iges=1 zu verstellen, wird die

Variatorübersetzung wieder von iV=0.488 (BZ2) nach iV=2.05 (BZ1) verstellt. Abhängig von

der Gesamtübersetzung und deren Änderung erkennt die Getriebesteuerung, dass nun ein

Wechsel in den 4. Fahrbereich erfolgen soll und bereitet das Schaltgetriebe darauf vor. Im


Schaltgetriebe wird das Hohlrad vom Getriebegehäuse getrennt und mit dem Planetenträger

verbunden. Das Schaltgetriebe läuft somit mit minimalen Verlusten als Block um.

Tafel 2: Schaltlogik des Getriebes nach Bild 3

F B 10 ,4 8 8- 6 ,0 3 1

g e a re d n e u tra l

F B 4

F B 3

F B 2

0 ,4 8 8

2 ,0 5 0

0 ,4 8 8

2 ,0 5 0

0 ,8 8 4

iV=

n A /n B

o v e r -d r iv e 0 ,4 8 8

∞

ig e sK 4K 3K 2K 1B 1

S c h a lte le m e n te

n e u tra l N

u n d e r -d r iv e

F a h r -b e re ic h e

K u p p lu n g b le ib t z u , is t a b e r la s tfre i

1 ,0 0 0

2 ,0 5 0

4 ,2 0 3

Die Umschaltung von 3. Fahrbereich zum 4. Fahrbereich erfolgt wieder im Betriebszustand

BZ1 des Überlagerungsgetriebes mit gleichen Drehzahlen an allen Koppelwellen. Die

Koppelwelle b wird mit dem Sonnenrad des Schaltgetriebes verbunden und a anschließend

vom Abtrieb getrennt. Die Umsteuerung im Variator erfolgt wie beim Wechsel vom 1. in den

2. Fahrbereich.

Bei einer Verstellung im 3. Fahrbereich zur Übersetzung iges=1 hin wird der Scheibensatz A

betragsmäßig beschleunigt und nimmt kinetische Energie auf. Gleichzeitig wird Scheibensatz

B betragsmäßig verzögert und gibt kinetische Energie ab. Nach dem Fahrbereichswechsel

wird der Variator im 4. Fahrbereich in die andere Richtung verstellt. Dann gibt Scheibensatz

A wieder kinetische Energie ab und Scheibensatz B nimmt welche auf. Wenn die

Gesamtbilanz der Beschleunigungsleistungen, die in die Drehmassen hinein- bzw. aus ihnen

herausfließen, beim Fahrbereichswechsel nicht 0 ist, ändert sich beim Fahrbereichswechsel

auch bei konstantem Antriebsdrehmoment die Abtriebsbeschleunigung. In Getriebe-


strukturen wie der nach Bild 3 mit sich gegenläufig verändernden Drehzahlen der

Scheibensätze des Variators ist dieser Effekt aber wesentlich kleiner als in Strukturen mit

einem Scheibensatz auf der Antriebswelle [14, 15]. Mit kleinen regelungstechnischen

Eingriffen auf das Motordrehmoment kann dieser Effekt dann noch auf nicht mehr spürbare

Werte verringert werden.

Tabelle 2 verdeutlicht die Schaltlogik und die Übersetzungsbereiche des Getriebes.

Fahrbereich 1 dient zum Anfahren und Rückwärtsfahren. Die daran anschließenden

Fahrbereiche 2 bis 4 decken einen Stellbereich von ϕ=8,6 ab.

Die Schaltelemente K1 bis K4 sind formschlüssige Schaltelemente. Die Bremse B1 kann

vorteilhaft auch als reibschlüssiges Schaltelement ausgeführt werden. Das erleichtert das

Anfahren aus dem Stillstand und kann mit einer Schlupfregelung auch bei den

Fahrbereichswechseln schwingungsdämpfend wirken.

Alternativ zu dieser Struktur mit 4 Fahrbereichen gibt es natürlich auch Konzepte mit nur

einem, zwei oder drei Fahrbereichen. Der Hauptbetriebsbereich eines Fahrzeuggetriebes

liegt im Overdrive mit einer Spreizung von ca. 1,25 bis 1,5 bei heute ausgeführten Getrieben.

Dieser overdrive sollte auch in einer leistungsverzweigenden Struktur nur von einem

Fahrbereich abgedeckt werden, um unnötig viele Fahrbereichswechsel zu vermeiden. Um

den Variator bei Volllastanfahrten nicht zu hoch zu belasten, sollte auch der Anfahrbereich

keine zu große Spreizung aufweisen. Denn nur dann kommt das Getriebe mit einem baulich

kleinen Variator aus. Diese Analysen der Drehzahlen und die folgenden Analysen der

Leistungsflüsse im Getriebe führen letztendlich zu Getriebekonzepten mit drei oder vier

Fahrbereichen. In der Struktur nach Bild 3 und mit der Auslegung nach Tafel 1 verdoppelt

der 4. Fahrbereich sogar nahezu den Gesamtstellbereich im Vergleich zur 3-Bereichs-

variante und kostet „nur“ den Mehraufwand der Zahnkupplung K4. Ein 3-Bereichskonzept

dieser Art mit nur einer Getriebeübersetzung im Schaltgetriebe liefert außerdem nur eine

minimale Gesamtübersetzung von iges=1. Wollte man so ein Getriebe in einer Fahrzeug-

anwendung alternativ zu einem Automatikgetriebe mit Overdrive nutzen, so müsste man

auch die Achsübersetzung anpassen. Andere 3-Bereichskonzepte, die auch den Overdrive

abdecken würden, erfordern aufwendigere Schaltgetriebe. Das hier favorisierte 4-Bereichs-

konzept ist einem 3-Bereichskonzept also in vielen Kriterien überlegen. Dies wird auch bei

der folgenden Analyse der Bauteilbelastungen noch besonders deutlich.


4 Drehmomente und Leistungsflüsse im Getriebe Die Drehmomente und Leistungsflüsse im Getriebe sollen hier beispielhaft für eine

Oberklasseanwendung mit einem Antriebskennfeld nach Bild 6 dargestellt werden. Der

Verbrennungsmotor soll ein maximales Drehmoment von 500 Nm und eine maximale

Leistung von 326 PS aufweisen.

Für diese Anwendung soll das Getriebe einen Variator mit einem Achsabstand von 180 mm

und einer Kettenlänge von 730 mm haben.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

200

400

600

max. Motordrehmoment [Nm]max. Motorleistung [kW]

Pmax

kW

Tmax

NmnTmax

min 1−

nPmax

min 1−

Pmax 240kW=

Pmax 326PS=

nPmax 5480min 1−=

Tmax 500 Nm=

nTmax 4280min 1−=

T

P

Bild 6: Volllastkennlinien für eine beispielhafte Anwendung

Bild 7 verdeutlicht die Belastungen des Getriebes, insbesondere des Variators, bei einer

Volllastbeschleunigung. Dazu wird die Drehzahl des Motors schnell von einer Anfahrdrehzahl

von 1500/min auf die Drehzahl der Nennleistung gesteigert. Der Motor gibt dabei sein Voll-

lastdrehmoment ab, dass nur beim Anfahren durch eine Traktionskontrolle soweit gesenkt

wird, dass das Abtriebsdrehmoment unter dem Haftschlussmoment von in diesem Beispiel

Tabmax=1750 Nm bleibt. Bei der Rückwärtsfahrt wird das Abtriebsdrehmoment auf einen Wert

begrenzt, der für eine Steigfähigkeit von pmax=55% des voll beladenen Fahrzeugs ausreicht.

Die maximale Belastung am Scheibensatz A beträgt ca. 400 Nm. Sie tritt nur beim

Volllastanfahren an der Haftschlussgrenze auf. Hier ist auch die von der Kette zu über-


tragende Umfangskraft mit ca. 7400 N maximal. Die maximale Umfangskraft im unverzweig-

tem „multitronic“-Getriebe mit einem Laufradius knapp unter 35 mm in Anfahrübersetzung

beträgt schon über 10.000 N beim Volllastanfahren in einer 350 Nm-Anwendung.

0 100 200 300

1500

1000

500

0

500

Geschwindigkeit [kph]

Dre

hmom

ente

[Nm

]

00

0 100 200 300

200

100

0

100

200


Leis

tung

en [k

W]

0

0

0 100 200 300

0

2000

4000

6000

8000

Geschwindigkeit [kph]D

rehz

ahle

n [1

/min

]

0

0

an an

an

A

A

A

BB

B

ab

ab

ab

Bild 7: Getriebebelastung bei einer Volllastbeschleunigung

0 100 200 3000

2

4

6

8


Um

fang

skra

ft im

Var

iato

r [kN

]

30

0 100 200 3000

20

40

60

80

100


Lauf

radi

en im

Var

iato

r [m

m]

30

A

B

Bild 8: Umfangskraft und Laufradien im Variator bei einer Vollastbeschleunigung

Beim Anfahren aus geared neutral mit der leistungsverzweigenden Getriebestruktur liegt die

Variatorleistung über der effektiven Antriebsleistung. Diese ist jedoch kleiner als die


maximale Motorleistung, wenn dieser Fahrbereich auf solche Übersetzungen begrenzt ist,

bei denen die Traktionskontrolle das Motordrehmoment an der Haftschlussgrenze reduziert.

Auch in dieser Hinsicht bietet so ein weit gespreiztes 4-Bereichskonzept Vorteile gegenüber

Konzepten mit nur 3 Fahrbereichen.

In den Fahrbereichen 2, 3 und 4 fließen nur zwischen 33% und 67% der Motorleistung über

den Variator. Der übrige Teil der Antriebsleistung wird nur über die wenigen Zahneingriffe im

Überlagerungsgetriebe übertragen. Da auch die Verzahnung des Schaltgetriebes nur in den

ersten beiden Fahrbereichen aktiv ist, ergibt sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad, der über

dem eines unverzweigten Getriebes liegen wird. Hilfreich ist hier auch, dass dieses Getriebe

maximal ein reibschlüssiges Schaltelement hat.

0 50 100 150 200 250 3000

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5


| Var

iato

rleis

tung

| / A

ntrie

bsle

istu

ng

10

2. FB 3. FB 4. FB

67%

33%

Bild 9: Relative Variatorbelastung des leistungsverzweigten Getriebes mit 4 Fahrbereichen

In den Fahrbereichen 2, 3 und 4 liegen die Kettenbelastungen aufgrund der Leistungs-

verzweigung so niedrig, dass die Kettenschädigung deutlich geringer als bei einem

unverzweigten Getriebe ausfällt. Dies lässt sich entweder für eine höhere Lebensdauer

nutzen oder für Gewichtsreduzierungen bei der Kette und den Scheiben.

Die maximalen Belastungen im Variator sind an beiden Scheibensätzen nahezu gleich. Dies

liegt am Verzweigungskonzept mit dem vierwelligen Überlagerungsgetriebe und den

gleichen Übersetzungsspreizungen in den Fahrbereichen 2, 3 und 4.


5 Konstruktive Gestaltung des Getriebes Die Bilder 10 und 11 zeigen erste konstruktive Skizzen zu so einem stufenlosen Getriebe für

eine 500 Nm-Anwendung mit Längseinbau des Getriebes und Hinterachsantrieb. Bei so

einer Anordnung ist antriebsseitig der größte Platz im Tunnel. Hier sind die beiden

Scheibensätze unterhalb der Antriebswelle so platziert, dass die Kette in allen Betriebs-

zuständen knapp unterhalb der Antriebswelle durchläuft.

Die Antriebswelle treibt ein Pumpensystem zur Versorgung der Hydraulik, das im Front-

deckel untergebracht ist. Da dieses Getriebe kein Anfahrelement in Form einer Kupplung

oder eines Wandlers hat, fördert die Pumpe sobald der Verbrennungsmotor läuft.

Das vierwellige Überlagerungsgetriebe liegt zentral im Getriebe. Es besteht aus dem mit der

Antriebswelle an verbundenen Hohlrad, dem Planetenträger a und den beiden Sonnenrad-

wellen b und c. Diese Struktur wurde gewählt, um die Welle a einmal an den Scheibensatz A

anbinden zu können, zum anderen aber auch, um die Welle a durch die Wellen b und c

hindurch zur Abtriebswelle führen zu können.

Die beiden Vorgelegestufen vom Planetenträger a zum Scheibensatz A und vom Sonnenrad

b zum Scheibensatz B haben deutlich verschiedene Übersetzung iaA und ibB. Dadurch

ergeben sich unterschiedlich große Stirnräder an den Koppelwellen, die mit ihren ineinander

verschachtelten Lagerungen sehr kompakt zwischen Überlagerungsgetriebe und Schalt-

getriebe sitzen können. Das Getriebegehäuse kann dazu bis zwischen diese Stirnräder

gezogen werden.

In einem abtriebsseitigen Deckel sitzt die Abtriebswelle, die gleichzeitig Planetenträger der

Schaltgetriebestufe ist. Das Hohlrad ist auf der Abtriebswelle gelagert. Es ist über eine

Lamellenbremse B1 mit dem Getriebegehäuse oder über eine Zahnkupplung K4 mit dem

Abtrieb verbindbar. Die Aktorik dieser Schaltelemente und der Kupplung K3 sitzt in diesem

Gehäusedeckel. Die Aktorik der Kupplungen K1 und K2 sitzt vor dem Schaltgetriebe im

eingezogenen Getriebegehäuse.

Zur Reduzierung der Wellendurchbiegung sind die Wellen beider Scheibensätze dreifach

gelagert. Dadurch lassen sich die Scheibendeformationen reduzieren und der Wirkungsgrad


erhöhen. Das Getriebe hat dafür einen mittleren Deckel, in dem auch das Festlager der

Antriebswelle sitzt.

620

308

125

128

Scheiben-satz A

Scheiben-satz B

Pumpe

anab

Druck-sensor A

Druck-sensor B

Schalt-getriebe

Überlagerungs-getriebe

Bild 10: Abgewinkelter Achsschnitt durch einen ersten Getriebeentwurf

Beide Scheibensätze haben Drehmomentfühler, die einen drehmomentproportionalen Druck

erzeugen. Anders als in bisher ausgeführten Getrieben haben diese Drehmomentfühler

einen gehäusefesten, nicht drehenden Kolben. Die Druckkraft wird über ein Axiallager

übertragen. Eine Drehdurchführung für den Sensoröldruck kann somit entfallen. Eine

variable Steigung der mechanischen Rampe im Drehmomentfühler, wie dies in [18]

vorgeschlagen wird, ist hier auch nicht nötig. Die vollvariable Anpressregelung wird in

diesem Getriebe durch eine spezielle hydraulische Steuerung erreicht. Deshalb benötigen


die Scheibensätze auch keine Stufenkolben [16], sondern nur einfache Kolben mit

konstantem Querschnitt.

In diesem ersten Entwurf hat das Getriebe eine Baulänge von 620 mm, eine größte Breite

von 404 mm sowie eine maximale Bauhöhe von weniger als 350 mm.

404

206

130

Bild 11: Anordnung der Getriebewellen in einem Stirnschnitt

A B

6 Hydraulische Steuerung und Regelung des Getriebes

In diesem leistungsverzweigenden Getriebe fließt in den Fahrbereichen 1 und 3 die

Variatorleistung vom Scheibensatz A zum Scheibensatz B und in den Fahrbereichen 2 und 4

von B nach A. Diesen wechselnden Leistungsflussrichtungen muss die hydraulische

Steuerung des Getriebes Rechnung tragen. Bild 12 zeigt einen Hydraulikplan einer für


dieses Getriebe geeigneten hydraulischen Scheibenanpressung. Eine geregelte Pumpe

erzeugt einen konstanten Volumenstrom. Über eine Stromteilerschaltung werden beide

Drehmomentfühler unabhängig voneinander mit Öl versorgt und drosseln die Teilvolumen-

ströme auf drehmomentproportionale Werte.

Bild 12: Hydraulische Steuerung in einem leistungsverzweigten CVT – Getriebe

Für eine wirkungsgradoptimale Anpressung wird hier vorgeschlagen, über eine hydraulische

Addition aus beiden Drucksignalen einen Systemdruck zu erzeugen, der im gesamten

Stellbereich vom Antriebsdrehmoment und der Übersetzung abhängt. Dieser Systemdruck

wird dann über einen bekannten Vierkantensteuerschieber auf die Scheibensätze A und B


verteilt. Über eine mechanische Rückführung einer der Scheibenbewegungen auf den

Vierkantensteuerschieber erhält man eine Übersetzungsregelung wie in heute bekannten

Steuersystemen.

Bei einer gleichwertigen (1:1)-Addition beider Drucksignale zum Systemdruck erhält man

unabhängig von der Richtung des Stellleistungsflusses einen für eine wirkungsgradoptimale

Anpressung geeigneten Systemdruck. So ein Anpresssystem braucht keine Stufenkolben an

den Scheibensätzen [16] oder übersetzungsabhängige Drehmomentfühler [18], die in den

Scheibensätzen integriert sein müssen.

Die Stabilität der Anfahrregelung und der dabei erreichte Komfort sind entscheidend für den

Erfolg so eines geared neutral – Getriebes. Als Maß der Dinge für das Anfahrverhalten gilt

nach wie vor ein gut ausgelegter hydrodynamischer Wandler. Auf Grund seiner Charak-

teristik als Strömungsmaschine mit einer quadratisch mit der Drehzahl steigenden Dreh-

momentaufnahme und einer mit steigender Drehzahlwandlung nTurbine/nPumpe fallenden

Drehmomentwandlung TTurbine/TPumpe, macht er beim Anfahren alles richtig. Bisherige

Drehzahlregelungen in geared neutral - Getrieben konnten dagegen nicht überzeugen. Also

liegt das Ziel nahe, diesem Getriebe regelungstechnisch die Anfahrcharakteristik eines

Wandlerautomaten zu geben.

Abhängig vom Drehzahlverhältnis nc/nan gibt der Regler eine exponentiell mit der

Antriebsdrehzahl steigende Sollkurve für das Motordrehmoment vor. Diese entspricht der

Pumpenkennlinie des Wandlers. Abhängig von der Fahrpedalstellung öffnet der Regler die

Drosselklappe bzw. regelt die Kraftstoffeinspritzung auf diesen Wert hin. Dabei wird aber

eine zu jeder Fahrpedalstellung und dieser Sollkurve gehörige Solldrehzahl nicht

überschritten.

Mit einer zweiten Reglerkurve, die der Drehmomentwandlung im Wandlerautomaten

entspricht, erhält man abhängig vom Drehzahlverhältnis nc/nan das Solldrehmoment an der

Welle c. Über die Drehmomentbeziehungen im Überlagerungsgetriebe erhält man die

Solldrehmomente an den Drehmomentfühlern und die dortigen Solldrücke. Aus der Differenz

zwischen dem Istmoment und dem Sollmoment an Welle c lässt sich bei Kenntnis der trägen

Massen eine Sollbeschleunigung errechnen. Über den momentanen Drehzahlzustand im

Getriebe ergibt sich daraus eine Verstellgeschwindigkeit diV/dt am Variator. Der Variator wird

nun so verstellt, dass sich diese Drücke tatsächlich einstellen.


Ist z.B. beim Anfahren das Drehmoment an Welle c zu klein, wird durch Verstellen des

Variators der Scheibensatz A beschleunigt und Scheibensatz B verzögert. Bild 4 macht

deutlich, dass dadurch Welle c mit allen Abtriebsmassen beschleunigt wird, wodurch das

Moment an dieser Welle steigt.

Fährt das Fahrzeug z.B. an ein Hindernis, eine Rampe oder eine Bordsteinkante, steigt das

Moment an Welle c und in den Drehmomentfühlern steil an. Solange es über dem Sollwert

liegt, wird die Variatorübersetzung iV=iAB so weit reduziert bis das Fahrzeug steht.

Auf diese Weise lässt sich eine Drehmoment-Anfahrregelung realisieren, die alle Eigen-

schaften eines Wandlers hat. Dies sind insbesondere das weiche Losrollen in der Ebene,

wenn der Fahrer die Bremse löst, oder das automatische Anhalten an einem Hindernis wie

einer Bordsteinkante. Auch ein Anfahren aus einem Festbremspunkt wäre auf diese Weise

machbar, würde aber natürlich den Variator hoch belasten.

Da die oben genannten Kennlinien variabel programmierbar sind, sind mit ein und dem-

selben Getriebe verschiedene Charakteristiken zwischen hartem und weichem Wandler

darstellbar. Entscheidend für diese Regelung ist mindestens ein genaues Drehmomentsignal

für die Variatorbelastung oder die Belastung an der Koppelwelle c. Auch deshalb sind hier

zwei Drehmomentsensoren mit nicht drehendem Kolben im Gehäuse vorteilhaft. Unabhängig

von den momentanen Variatorverlusten lassen sich daraus die Drehmomente an den Wellen

an und c bestimmen. Das Ergebnis wird nur durch die geringen Verzahnungsverluste

verfälscht. Ein einziger Drehmomentsensor auf der Antriebswelle wäre hier nicht

ausreichend, da er bei Fahrzeugstillstand in der Ebene ein Signal abgibt, dass zu stark vom

momentanen nicht genau bekannten Verlustmoment im Variator überlagert wird.

7 Zusammenfassung

Um stufenlose Getriebe für sehr drehmomentstarke Anwendungen zu qualifizieren, sind

neue Getriebekonzepte nötig. Leistungsverzweigende Getriebestrukturen stellen hier eine

interessante Alternative dar.

Im Vergleich zur einer unverzweigten CVT-Getriebestruktur nach Bild 2 benötigt die

leistungsverzweigende Getriebestruktur nach Bild 3 nur einen kleinen Variatorstellbereich


von ϕV=4.2 statt 6. Bei gleicher Drehmomentkapazität kann dann der Variator kleiner

werden, oder die Drehmomentkapazität steigt bei gleicher Baugröße.

Im Vergleich zu anderen Verzweigungskonzepten bietet die Struktur nach Bild 3 mit dem

vierwelligen Überlagerungsgetriebe weitere Vorteile. Beide Scheibensätze sind bzgl. der

Drehzahlen und Drehmomente gleichmäßig belastet. Die Scheibensätze können identisch

ausgeführt sein. Das Getriebe hat drei stufenlos regelbare Koppelwellen, nämlich eine zum

Anfahren aus geared neutral sowie ein langsame Koppelwelle a und eine schnelle

Koppelwelle b. Nur mit den Koppelwellen c und b ließe sich ohne weitere Getriebestufen ein

2-Bereichsgetriebe aufbauen. Dies wäre aber nicht für hohe Antriebsdrehmomente geeignet.

Deshalb nutzt man diese ersten beiden Fahrbereiche mit einer hohen Schaltgetriebe-

übersetzung und schließt daran zwei weitere Fahrbereiche über die Koppelwellen a und b

ohne Schaltgetriebeübersetzung an.

Die 4 Fahrbereiche führen zu einer unendlichen Gesamtspreizung und sogar zur einem

Stellbereich von ϕ =8,6 in den Fahrbereich 2 bis 4. Trotzdem sind die Variatorbelastungen

gering. Im Mittel fließen nur 50% der Antriebsleistung über den stufenlosen Leistungszweig.

Daraus ergibt sich insgesamt eine hohe Drehmomentkapazität für das Gesamtsystem.

Als Mehraufwand im Vergleich zur unverzweigten Getriebestruktur ist nur das Schaltgetriebe

mit den Fahrbereichsschaltungen zu nennen. Der Aufwand für das antriebsseitige Über-

lagerungsgetriebe wird durch Wegfall des antriebsseitigen Wendegetriebes mit 2 Schalt-

elementen kompensiert. Regelungstechnisch sind 3 Fahrbereichsschaltungen und schnellere

Variatorverstellungen zu beherrschen.

Mit einer Baulänge von ca. 620 mm und der antriebsseitigen Anordnung der Scheibensätze

ist eine wettbewerbsfähige Getriebekonstruktion für einen Standardantrieb darstellbar.

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