ENTWICKLUNG Kupplung

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Mit der Vorstellung des erstenserienfähigen Doppelkupplungs-getriebes durch Audi und Volks-wagen Ende November 2002 istdiese Innovation nun auch derAllgemeinheit zugänglich. DieserBeitrag zeigt, welche Möglichkei-ten zur Verbesserung dieses Ge-triebe bietet und warum Automo-bilhersteller und Zulieferer es erstheute in Serie anbieten.

Doppelkupplungs-getriebe – der Standder Entwicklung

Von

Christian

Bartsch

1 Vorgeschichte

Der elastische, nur lose aufliegende Flach-riemen war zur Beginn der Motorisierungdie einfachste Lösung, um Kupplung undGetriebe zu ersetzen, obwohl Zahnradge-triebe durchaus bekannt waren. Sie ver-schwanden erst mit steigender Motorisie-rung. Daimler hatte 1889 für den Stahlrad-wagen bereits eine Konuskupplung undein Schieberadgetriebe vorgesehen, dochder Durchbruch erfolgte erst mit Panhardund Peugeot ab dem Jahr 1891. In Europablieb die Konuskupplung Standard, obwohlsich in den USA ab 1915 die überlegene Ein-scheibenkupplung durchsetzte. Sie wurdeerst 15 Jahre später auch in Europa zumStandard.

Zahnradwechselgetriebe und Einschei-ben-Trockenkupplung dominieren auchheute noch den Antrieb der Personenwa-gen in Europa. Gegenwärtig sind rund 89Prozent aller Personenwagen mit Hand-schaltgetriebe (HSG) ausgerüstet, lediglich11 Prozent mit Automatikgetrieben. Den-noch war der Entwicklungsweg des HSGlang und nicht einfach. Zunächst stand dieSynchronisierung im Vordergrund, die sichin Deutschland erst nach 1950 auf breiterFront durchsetzte, ebenso die Entwicklungder Gangzahl von ursprünglich drei bisheute sechs. Der Ersatz der mechanischenKupplungsbetätigung vom Bowdenzugund Gestänge bis zur hydraulischen Fuß-kraftübertragung ist zu nennen und dieEntwicklung geeigneter Öle.

Aber auch vom Strömungswandler (Föt-tinger 1905) bis zum heutigen Automatge-triebe führt ein langer Entwicklungsweg.Erst die Einführung von Überbrückungs-

kupplungen bis herab zum ersten Gangwie bei DaimlerChrysler in den letzten Jah-ren reduzierte den Mehrverbrauch durchWandlerautomaten, ohne ihn ganz beseiti-gen zu können. Noch kürzere Schaltpausenals heute und neue Getriebekonstruktio-nen wie das Lepelletier-Sechsgang-Auto-matgetriebe der ZF verbessern die Situati-on der Wandlerautomaten und sorgen füreine Reduzierung von Gewicht und Bau-größe.

Vor allem die Unvollkommenheit derHSG ohne Synchronisation ließ eine schierunendliche Vielzahl von Vorschlägen zurAutomatisierung des Schalt- und Kupp-lungsvorganges entstehen, von denen kei-ner überlebte. Bei den Kupplungen gab esden größten Sprung mit der Einführungder Membranfeder, während bei den Ge-trieben die stufenlose, vom P.I.V-Getriebeabgeleitete Kraftübertragung zu den heu-tigen CVT-Getrieben führte. Aber auch au-tomatisierte Schaltgetriebe (ASG) führensich seit der Vorstellung des VolkswagenLupo 3L und des Smart ein, doch ist auchhier die Entwicklung längst nicht abge-schlossen. Durch die Zugkraftunterbre-chung sind jedoch dem ASG relativ engeGrenzen gesetzt, die besonders dann unan-genehm spürbar werden, wenn entwederder Schaltvorgang zu langsam oder zuschnell abläuft.

2 Doppelkupplungen

Alle Versuche zur Automatisierung vonKupplungs- und Schaltvorgängen zieltenzunächst darauf ab, den Übersetzungs-wechsel einfacher und auch für den weni-ger geübten Autofahrer leichter beherrsch-

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Bild 1: Zeichnung aus der Patentschrift von Rudolf Franke 1940, hier gezeigtan einem Vierganggetriebe

2 Doppelkupplungen

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bar zu gestalten. Diese Überlegungen spiel-ten jedoch keine Rolle, als Rudolf Franke imJahr 1940 ein Patent für ein Doppelkupp-lungsgetriebe anmeldete, das bereits nahe-zu alle Merkmale moderner Konstruktio-

nen enthielt, Bild 1. Franke hoffte, damitdie Zugkraftunterbrechung beim Schaltenvon Geländefahrzeugen und später vonTraktoren zu beseitigen. Nach unserenNachforschungen taucht mit diesem Pa-

tent erstmals überhaupt der Begriff derZugkraftunterbrechung beim Schaltvor-gang auf, die Franke mit genau der richti-gen Maßnahme beseitigen wollte. Zu einerSerienfertigung kam es jedoch nicht.

Erst rund 30 Jahre nach der AnmeldungFrankes griff Porsche diese Idee wieder aufund entwickelte das erste Doppelkupp-lungsgetriebe für seinen Rennwagen 962C, das auch von Audi im verkürzten Rally-quattro verwendet wurde. In beiden Fällenbewährte sich die Konstruktion, obwohlmit „trockenen“ Kupplungen gearbeitetwurde. Der Belagverschleiß war deshalbunbedenklich, weil die Belagscheiben nachdem Rennen ohnehin ausgetauscht wur-den. Versuche, dieses Getriebe auch in denPorsche-Serienwagen zu verwenden,scheiterten, weil die Steuerung einen er-heblich höheren Aufwand erfordert hätteund die Elektronik ihren heutigen Standnoch nicht erreicht hatte.

Die Idee des Doppelkupplungsgetriebesstarb damit jedoch nicht, sondern wurdevom Volkswagen-GetriebespezialistenWolfgang Schreiber wieder aufgegriffen.Er hatte alle denkbaren Möglichkeiten zurWeiterentwicklung von Schaltgetriebenuntersucht und bis auf das Doppelkupp-lungsgetriebe ausgeschieden. Vor rundfünf Jahren informierte er Karl-Heinz Neu-mann, den damaligen Leiter der Aggregat-entwicklung bei Volkswagen, über das Er-gebnis seiner Vorarbeit und erhielt vonihm volle Unterstützung. Schreiber hattesich von Anfang an auf „nasse“ Kupplun-gen konzentriert. Als Hersteller der ent-sprechenden Lamellenpakete kam damalsnur BorgWarner infrage, die über umfang-reiche Erfahrungen mit „nassen“ Lamel-lenkupplungen bei Wandlerautomatenverfügten. BorgWarner war sofort bereit,sich an der Entwicklung eines Doppel-kupplungsgetriebes zu beteiligen und lie-fert heute sowohl das Kupplungspaket wieden hydraulischen Teil des Getriebes, Bild2, während Temic für die Elektronik ver-antwortlich zeichnet.

3 „Nasse“ und „trockene“ Doppelkupplungen

Es gibt wohl keine Neuentwicklung, diesich über längere Zeit geheim halten lässt.Denn jeder Automobilhersteller ist auf dieMitarbeit von Zulieferern angewiesen, beidenen er um Mitarbeit wirbt. In diesemFall besaß BorgWarner einen deutlichenEntwicklungsvorsprung, als die übrigenHersteller von Kupplungen erst mit derEntwicklung begannen. Volkswagen-Inge-nieur Schreiber blieb mit dieser Entwick-lung auf der sicheren Seite, denn das Ge-triebe sollte für Drehmomente bis 350 Nm

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2 Doppelkupplungen

Bild 2: Doppelkupplung von BorgWarner für Audi und Volkswagen mit nur200 mm Durchmesser für Drehmomente bis 350 Nm

Bild 3: Verbrauchsdifferenzen der verschiedenen Getriebevarianten vonLuK. Der unterste, gestrichelte Kurvenzug gilt für Doppelkupplungsgetriebe.Hier ist deutlich zu erkennen, dass Wandlerautomaten in Kombination mitschwächeren Motoren sehr unwirtschaftlich laufen

3 „Nasse“ und „trockene“ Doppelkupplungen

ausgelegt werden und über ausreichendethermische Reserven auch für extreme Be-anspruchung verfügen.

Heute gibt es in Europa vier Hersteller,von denen Doppelkupplungen entwickeltwerden. Während BorgWarner ausschließ-lich „nasse“, also im Ölbad laufende Lamel-lenkupplungen anbietet, entwickelt ZFSachs sowohl nasse wie trockene Varian-ten. LuK und Valeo dagegen haben sich auftrockene Kupplungen spezialisiert. In dieEntwicklungen sind aber auch die Elektro-nikspezialisten eingebunden, weil die Ge-triebesteuerung mit der Motorsteuerungverknüpft sein muss.

Trockene Doppelkupplungen eignensich nach Berechnungen von Volkswagenfür Drehmomente bis etwa 200 Nm,während LuK für trockene Kupplungennach oben keine Grenzen sieht. Sie werdennur durch die Durchmesser der Kupp-lungsscheiben gezogen, während bei nas-sen Kupplungen höhere Drehmomentedurch Hinzufügen weiterer Lamellen undohne wesentliche Durchmesservergröße-rung bewältigt werden. Mit einem Durch-messer von nur 200 mm bei einer Dickevon 80 mm ist das von Volkswagen be-nutzte Kupplungspaket ein gutes Beispielfür die extreme Kompaktheit nasser Kupp-lungen.

Aber auch die Hersteller trockenerKupplungen können gewichtige Argu-mente für sich verbuchen. So vermögennasse Kupplungen zwar erheblich größereWärmemengen abzuführen – bei Volkswa-gen sind es rund 70 kW – doch dafür liegtbei ihnen der Leistungsverlust auch höher.Volkswagen verwendet eine Ölpumpe miteiner Leistung von 2 kW, hinzu kommenhydraulische Schleppverluste, die es beitrockenen Kupplungen ebenfalls nichtgibt. Darum rechnen die Kupplungsher-steller bei nassen Kupplungen auch nurmit einer Reduzierung des Kraftstoffver-brauchs durch unterbrechungsloses Schal-ten von 3 bis 5 Prozent, während trockeneKupplungen bis 10 Prozent erreichen sol-len, beide im Vergleich mit HSG. In der Pra-xis aber ergibt sich ein anderes Bild.

Im MVEG-Test ermittelte Volkswagenfür den Golf R32 DSG gegenüber dem HSGeine Verbrauchsreduzierung von rund 10Prozent, nämlich von ursprünglich 11,5 auf10,3 l/100 km. Hinzu kommt eine deutlicheVerbesserung des Beschleunigungsvermö-gens. Zunächst ohne Beweise nehmen wirjedoch an, dass sich bei normaler Fahrweiseim Alltag eine noch größere Verbrauchsre-duzierung erreichen lässt, weil das unter-brechungslose, automatische Schalten dieFahrweise selbst sehr ungeübter Fahrer re-volutionieren wird. Wandlerautomaten da-gegen werden auch künftig gegenüber HSG

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mit einem Mehrverbrauch belastet sein. Beischwächer motorisierten kleinen Wagenmit „trockenem“ DSG kann danach sogarmit einer Verbrauchsabsenkung um mehrals 10 Prozent gerechnet werden, Bild 3.

4 Ausblick

Das von Volkswagen vorgestellte DSG, Bild4 und Titelbild, ist erst der Anfang einerEntwicklung, der sich kein europäischerAutomobilhersteller entziehen kann. Zwar

wird von einem Automobilhersteller berich-tet, er habe die Entwicklung des DSG wiederaufgegeben, weil es gegenüber Wandlerau-tomaten keinen nennenswerten Kostenvor-teil bietet, aber das ist wohl eine revidierba-re Entscheidung. Dagegen wird das DSG all-mählich in die Domäne der Wandlerauto-maten ebenso vordringen wie in die derHSG – besonders dann, wenn die ersten klei-neren, schwächer motorisierten Wagen mittrockenen DSG ausgerüstet werden undsich deren Vorzüge herumsprechen.

Bei der Fahrbarkeit ist das DSG demWandlerautomaten überlegen, beim Ver-brauch ebenfalls, ganz besonders alstrockene Variante. Das ASG wird zwar alspreiswerteste Möglichkeit zur Automati-sierung des Schaltvorganges weiter ent-wickelt, dürfte aber ebenfalls gegenüberdem DSG an Boden verlieren.

Die Einführung des ersten, für dieGroßserie entwickelten Doppelkupp-lungsgetriebes durch Volkswagen wirddie Getriebewelt revolutionieren. Derzeitberechnet Volkswagen für den Golf R32DSG einen Aufpreis von 1700 Euro,während das Audi TT Coupe 3,2 quattromit DSG als komplette Modellvariante an-geboten wird. Mit steigender Stückzahlwerden die Aufpreise jedoch sinken. DasGetriebe soll künftig in allen dafür geeig-neten Baureihen des Konzerns angebotenwerden, sodass mit erheblichen Stückzah-len zu rechnen ist. Vor allem aber darfman gespannt darauf sein, welche Ver-brauchsminderung bei der Kombinationdes DSG mit einem modernen Diesel zu er-zielen ist, der bei Zusammenarbeit mitdem DSG seine Vorzüge besonders gut zurGeltung bringen kann.

Mit dem DSG ist die Getriebewelt bun-ter geworden. Seine Entwicklung führte je-doch auch zum Nachdenken über andereArten der Übersetzungsänderung. So wirdbei LuK derzeit ein Kurbelgetriebe ent-wickelt, das völlig ohne Zahnradüberset-zungen und ohne Kupplung auskommtund keine Zwischenwelle für Rückwärts-fahrt mehr braucht, Bild 5. Wegen seinerextrem kompakten Bauweise, seines gerin-gen Gewichts und möglicherweise auchseines niedrigen Preises könnte es sich be-sonders für kleine Autos eignen, für die al-le bekannten Automaten viel zu teuer undzu schwer sind. Allerdings müssen noch er-hebliche Entwicklungshürden genommenwerden, bis ein solches Getriebe serienreifist. Der Ansatz ist jedoch so vielverspre-chend, dass sich der Entwicklungsaufwandlohnt.

Nur der Vollständigkeit wegen sollhier erwähnt werden, dass die Entwick-lung auch bei den Wandlerautomatenund den CVT unvermindert weiter geht.ZF konnte beim neuen 6HP32 mit sechsGängen das Gewicht gegenüber dem 5 HP30 um rund 20 kg senken, obwohl das6HP32 rund 200 Nm mehr verkraftet. Au-di und LuK dagegen entwickeln das CVT„Multitronic“ weiter zu höheren Drehmo-menten, denn die stufenlose Überset-zungsänderung ist das absolute Optimumeiner Kraftübertragung. Vielleicht aberbereiten uns die Getriebespezialisten wei-tere Überraschungen, an die heute nochniemand denkt. ■

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4 Ausblick

Bild 4: Hauptschnitt durch das Doppelkupplungsgetriebe im Volkswagen RS 32 DSG

Bild 5: Die Umschaltung von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt erfolgt beim Kurbelgetriebe von LuK am Abtrieb, der hier durch das Siebeneck im Zentrum dargestellt ist

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