DSG – das Direktschaltgetriebe von · PDF fileVDI-Tagung „Getriebe in Fahrzeugen 2004“ 22. / 23. Juni 2004, Friedrichshafen DSG® – das Direktschaltgetriebe von Volkswagen

VDI-Tagung „Getriebe in Fahrzeugen 2004“ 22. / 23. Juni 2004, Friedrichshafen

DSG® – das Direktschaltgetriebe von Volkswagen1 Innovative Getriebetechnik mit Doppelkupplung

Dr.-Ing. Timo Götte, Dipl.-Ing. Thomas Pape

Kurzfassung Vor knapp einem Jahr hat die Volkswagen AG das neuartige Direktschaltgetriebe – genannt DSG - im Golf R32 und im Audi TT mit dem VR6-Motor in Serie gebracht.

Das Direktschaltgetriebe ist ein neuer Typ von vollautomatischem Getriebe, dessen

Funktionsprinzip darauf beruht, dass die geraden bzw . die ungeraden Gänge eines

Schaltgetriebes in zw ei Teilgetriebe mit jew eils einer eigenen Nasskupplung aufgeteilt sind.

Es bietet mit seinen zugkraftunterbrechungsfreien Schaltungen den Komfort eines

klassischen Wandlerautomaten, ist in Kraftstoffverbrauch und Fahrleistung gleichw ertig bzw .

besser als ein Handschaltgetriebe und zeigt eine bislang für Automatikgetriebe nicht

erreichte Fahrdynamik und Sportlichkeit.

Abstract

Almost a year has past since Volksw agen launched its innovative direct shift gearbox –

better know n as the DSG – in the Golf R32 and Audi TT w ith the VR6 engine.

The direct shift gearbox is a new type of fully automatic gearbox that divides the odd and

even-numbered gears of a manual gearbox into tw o sub-gearboxes, each w ith its ow n oil-

immersed clutch

It changes gear w ithout losing pulling pow er, providing all the comfort of a classic torque-

converter automatic gearbox. Its fuel consumption and performance are equivalent to or

better than those of a conventional manual gearbox, providing for a level of performance and

dynamic sportiness previously unknow n with an automatic gearbox.

1 DSG® ist eine eingetragene Marken der Volkswagen AG

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1. Stand der Markteinführung

Seit der Markteinführung des Direktschaltgetriebes in 2003 im Golf R32 und Audi-TT mit dem

VR6-Motor und Allrad-Triebstrang, eine Kombination, die beeindruckend die Leistungsfähig-

keit des DSG in Verbindung mit Top-Motorisierungen demonstriert, erfolgte zw ischenzeitlich

auch der Serieneinsatz als Frontgetriebe im Touran, im New Beetle und im neuen Golf 5

sow ie im neuen Audi A3. Diese Frontanw endungen erfolgten in Kombination mit dem 1,9 l

77 kW TDI-PD-Motor und dem neuen 2,0 l 103 kW TDI-PD-Motor mit 4-Ventiltechnik.

Dieselfahrzeuge mit Automatikgetriebe konnten sich am Markt trotz hohem Anteil an

Fahrzeugen mit Dieselmotor bisher nicht durchsetzen, w eil der Komfortgew inn gegenüber

Handschaltgetrieben immer mit Nachteilen w ie deutlichem Mehrverbrauch, Schaltverzöge-

rungen und schlechteren Fahrleistungen verbunden w ar.

Das DSG ermöglicht es nun in Kombination mit modernsten Dieselmotoren Automatikfahr-

zeuge anzubieten, die dem Kunden eine außergew öhnliche Fahrdynamik und Fahrkomfort ohne Verbrauchsnachteile und mit besten Emissionen bieten.

Bild 1: Direktschaltgetriebe DSG


2. Funktionsprinzip

Das Direktschaltgetriebe ist prinzipiell als Parallelschaltung zw eier autarker Teilgetriebe zu

verstehen. Jedes dieser 2 „Schaltgetriebe“ ist mit einer eigenen Nasskupplung ausgerüstet

– daher auch der häufig verw endete Name Doppelkupplungsgetriebe.

Das Drehmoment des Motors verzw eigt sich über die 2 Kupplungen (K1 und K2) auf das

zugehörige Teilgetriebe, Bild 2. Dem Teilgetriebe 1 sind die ungeraden Gänge 1, 3 und 5

und die Kupplung 1 zugeordnet. Die geraden Gänge 2, 4 und 6 hingegen liegen im Kraftf luss

der zweiten Kupplung. Der Rückw ärtsgang ist beim DSG dem ersten Teilgetriebe

zugeordnet, eine Integration in das zw eite Teilgetriebe ist aber prinzipiell auch möglich,

wobei dann beide Kupplungen als Anfahrkupplung dimensioniert sein müssen.

Bild 2: Darstellung des DSG-Funktionsprinzips

Während der Fahrt erfolgt der Kraftschluss im gew ählten Gang und damit im Teilgetriebe

über die zugehörige geschlossene Kupplung. Erfolgt nun durch Änderung des Fahrpedals

während der Fahrt durch die automatische Fahrstrategie oder im Tip-Modus durch

Fahrerw unsch z. B. die Anforderung zu einer Hochschaltung, w ird im momentenfreien


Teilgetriebe der entsprechende nächsthöhere Gang eingelegt. Dies geschieht in Bruchteilen

einer Sekunde und für den Fahrer nicht w ahrnehmbar. Anschließend erfolgt eine zugkraftun-

terbrechungsfreie Überschneidungsschaltung, d.h. die bislang geschlossene Kupplung w ird

geöffnet, w ährend die andere zunehmend das Moment übernimmt. Nach Abschluss der

Überschneidung kann der Gang im nun offenen, momentenfreien Teilgetriebe ausgelegt

werden. Der prinzipielle Ablauf unterscheidet sich bei Hoch- und Rückschaltungen nicht.

3. Getriebeaufbau

Der konstruktive Aufbau des Direktschaltgetriebes ist bereits in mehreren Veröffentlichungen

beschrieben w orden [1-3]. Im Folgenden w erden daher die bekannten Getriebekomponenten

nur kurz vorgestellt und einige neue bisher nicht veröffentlichte Funktionseinheiten

ausführlicher beschrieben.

3.1 Räderkasten und Ölkreislauf

Der Hauptschnitt ähnelt dabei zunächst einem Handschaltgetriebe in 3-Wellen-Ausführung, Bild 3. Die beiden Teilgetriebe sind kompakt ineinander verschachtelt.

Der Momentenfluss vom Motor erfolgt über ein Zweimassenschwungrad (ZMS) in die

äußeren Lamellenträger der Doppelkupplung. Die Primärseite des ZMS ist dabei konventio-

nell mit der Kurbelw elle verschraubt; die Sekundärmasse w ird von der Sekundärseite des

ZMS und den äußeren Lamellen der Doppelkupplung gebildet. Dadurch ergeben sich etw a

gleich große Massenträgkeitsmomente zu beiden Seiten der Bogenfedern, die zu einer

optimalen Drehschw ingungsisolation notw endig sind. Zur Zentrierung der Sekundärmasse

und Aufnahme von Unw uchtkräften ist das motorseit ige Ende der Kupplungsverzahnung in

einem Pilotlager in der Kurbelw elle gelagert.

Die beiden Innenlamellenträger der Kupplung, die je nach geschaltetem Lamellenpaket die

Abtriebe der Kupplung bilden, sind über Steckverzahnungen mit den koaxial angeordneten

Antriebswellen der beiden Teilgetriebe verbunden. Teilgetriebe eins mit der innenliegenden,

durchgehenden Antriebsw elle befindet sich auf der dem Motor abgew andten Seite, das

Teilgetriebe zw ei mit der als Hohlw elle ausgeführten, kürzeren Antriebswelle auf der dem

Motor zugew andten Seite.


Bild 3: Kraftf luss im DSG

Die Synchronisierungen sind auf den Triebw ellen angeordnet. Die Gänge 1 und 3, 2 und 4

sow ie 6 und R sind jew eils zu Synchronisierungseinheiten zusammengefasst. Die Gänge 1

bis 3 und R sind als leistungsfähige Mehrfachkonussynchronisierungen ausgeführt, die

analog den Einfachkonussynchronisierungen der Gänge 4 bis 6 zur Leistungssteigerung und

Verschleißreduzierung mit Molybdän- bzw . Sintermaterial beschichtet sind. Mit diesen

leistungsfähigen Synchroneinheiten sind kürzeste Schaltzeiten in allen Betriebsbedingungen

über die gesamte Getriebelebensdauer darstellbar. Die beiden Triebw ellenverzahnungen

greifen in das hier nicht dargestellte Achsantriebsrad ein, w elches ein Kegelraddifferential

antreibt. Am Ende des Getriebekraftf lusses kann noch ein Verteilergetriebe für den 4Motion-

Antrieb angeflanscht werden, w ie in Bild 4 dargestellt.

In dieser dreidimensionalen Schnittdarstellung sind die Hauptkomponenten gekennzeichnet,

auf die im Folgenden näher eingegangen w ird.

Die Momenteneinleitung in die Doppelkupplung erfolgt über die Steckverzahnung an der

Eingangsnabe, w elche mit der Sekundärseite des Zweimassenschw ungrades verbunden ist,

Bild 5. Eingangsnabe und Mitnehmerscheibe w erden formschlüssig über eine Steckverzah-

nung mit dem Außenlamellenträger der K1 verbunden, w elcher die Lamellenpakete umgreift

und ebenso w ie der Außenlamellenträger der K2 mit der Hauptnabe verschw eißt ist. Diese


Einheit dreht permanent mit Motordrehzahl und ist auf der äußeren Antriebswelle mit 2

Nadellagern reibungsarm gelagert.

Bild 4: Schnittdarstellung des DSG

Bild 5: Doppelkupplung


Die Kupplung ist für 350 Nm Drehmoment konzipiert und zeichnet sich durch eine sehr gute

Regelbarkeit und – aufgrund des nasslaufenden Konzeptes – durch hohe Belastbarkeit bei

minimalem Verschleiß aus, w as sie zu einem Lebensdauerbauteil macht. Die gute

Regelbarkeit unter allen Betriebsbedingungen stellt für die nasslaufende Lamellenkupplung

einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Wandlern dar, die insbesondere in

Kombination mit Dieselmotoren zu deutlich verbessertem und reproduzierbarem Tr ieb-

strangverhalten für den Fahrer führt.

Die Schiebemuffen der Synchroneinheiten w erden über vier Gangsteller betätigt, deren

Schaltschienen jew eils beidseitig reibungsarm in Kugelhülsen gelagert sind, Bild 6. Die

erforderliche Schaltkraft kann über zw ei gegenläufig w irkende Kolben hydraulisch auf die

Stirnfläche der Schaltschiene aufgebracht w erden. Die Positionierung der Schaltgabel im

lastfreien Zustand geschieht – w ie bei Handschaltgetrieben auch – in den Endlagen über die

Hinterschnitte von Kurzverzahnung und Schiebemuffe und in der Neutralposition mittels

einer federbelasteten Rastierung.

Bild 6: Gangsteller


Die Wegsensierung erfolgt über zw ei an der Schaltgabel angebrachte Magnete sow ie einen

Hallsensor am Sensorikmodul. Neben definierter Mitten- und Endposit ion ermöglicht sie die

Messung beliebiger Zw ischenpositionen, so dass Regelvorgänge bei der Gangstellerbew e-

gung möglich sind.

Eine ganz besondere Bedeutung im DSG kommt dem ATF-Öl zu, weil die sehr unterschied-

lichen Aufgaben von dem gemeinsamen Ölhaushalt – sprich von einem Öl – bew erkstelligt

werden müssen:

• Schmierung, Kühlung und Betätigung der Kupplungen,

• Betrieb der hydraulischen Steuereinheit,

• Schmierung sow ie Kühlung der Räder, Wellen, Lager und der Synchronisiereinheiten,

• Betätigung der Gangstelleraktuatorik.

Aufgrund dieser vielfältigen Anforderungen, die es in dieser Kombination bislang nicht gab,

musste ein spezielles Getriebeöl entw ickelt w erden.

Die w esentlichen Kriterien w aren dabei die Anforderungen des Tribosystems Kupplungsbe-lag/Öl hinsichtlich Reibw ertverlauf und -konstanz sow ie der Verschleißschutz der Verzah-

nungen. Entscheidend für den Betrieb der Kupplungen ist ein posit iver Verlauf des

Reibw ertes mit zunehmender Schlupfdrehzahl, Bild 7.

Bild 7: Reibw ertverlauf der nassen Doppelkupplung


Die Ölpumpe zur Versorgung des Ölkreislaufes mit Drucköl befindet sich auf der dem Motor

abgew andten Seite des Getriebes und w ird über eine zentrale Welle, die innerhalb der

Antriebswelle 1 verläuft, direkt mit Motordrehzahl angetrieben. Die Pumpe ist als Sichelpum-

pe in Kavernenbauform mit einer Trochoidenverzahnung konzipiert. Sie zeichnet sich durch

eine sehr kompakte und einfache Bauform aus.

Innerhalb des Ölkreislaufes saugt die Pumpe das Getriebeöl zunächst über einen Saugfilter

an, Bild 8. Zusätzlich w ird überschüssiges Drucköl insbesondere bei höheren Drehzahlen

von der Mechatronik direkt in die Saugseite der Pumpe geleitet, w as den Volumenstrom am

Saugfilter begrenzt.

Das Drucköl steht der Mechatronik für die Ansteuerung der Kupplungen und der Gangsteller

zur Verfügung. Auch die Kupplungskühlung w ird direkt aus dem Drucköl gespeist.

Ein Teilstrom w ird über einen Ölkühler geleitet, der aufgrund der geringen Getriebeverlust-

leistung direkt in den Wasserkreislauf des Motors integriert w erden konnte. Anschließend

wird dieser Ölstrom über einen Druckfilter der Öleinspritzschmierung zugeführt.

Bild 8: Ölkreislauf


Das Ölspritzrohr spritzt das Öl gezielt direkt vor die Zahneingr iffe der Laufverzahnungen

aller 6 Gänge. Das im System vorhandene Drucköl w ird auf diese Weise optimal einer

zusätzlichen Anwendung zugeführt und verbessert die Schmierung der Verzahnung in einer

Qualität, die keine Tauchschmierung gew ährleisten kann. Dadurch konnte der Getriebew ir-

kungsgrad deutlich positiv beeinflusst werden.

3.2 Mechatronik

Die Mechatronik-Einheit des DSG integriert die standardmäßig getrennten Baugruppen der

hydraulischen Steuerung, des Getrieberechners und der Sensorik in einem Bauteil, Bild 9.

Die Vorteile dieser Vorgehensweise liegen in einer optimalen Ausnutzung des Bauraumes,

Bild 9: ZSB Mechatronik

dem Ersatz mechanischer Einstellungen durch eine Kalibrierung im ZSB und dem

weitgehenden Entfall von Steckverbindungen und einer entsprechend hohen Funktionssi-

cherheit. Die Strukturierung des Getriebes in zw ei Teilgetriebe w urde auch in der Mechatro-


nik konsequent umgesetzt, w odurch bei Auftreten einer Fehlfunktion innerhalb eines

Teilgetriebes immer noch ein Notfahren mit dem anderen Teilgetriebe möglich ist.

Bild 10: Getrieberechner und Sensorik

Die konstruktive Gestaltung des Getrieberechners und des Sensormoduls trägt den

besonderen Umgebungsbedingungen innerhalb des Getr iebes durch die folgenden

Eigenschaften Rechnung, Bild 10:

• Ölbeständigkeit,

• Temperaturbeständig und voll funktionsfähig im Bereich – 40...150 °C,

• Festigkeit gegenüber mechanischen Schw ingungen bis 33 g.

Um eine optimale Wärmeabfuhr zu gew ährleisten, w urde der Rechner in Hybridbauweise

mit gehäuselosen Bauelementen aufgebaut. Diese Bauelemente sind auf einer Keramikplat-

te appliziert und sind durch mehrlagig aufgedruckte Leiterbahnen miteinander verschaltet.

Weitere Verbindungen w erden durch Gold- und Alu-Bonddrähte hergestellt. Der Hybridraum

wird zum Schutz vor Umw elteinflüssen mit einem Gel gefüllt. Elektrische Leitungen zu den

Steckverbindungen der Hydraulikventile und den Sensoren w erden über Stanzgitterbahnen

realisiert. Die Stanzgitterbahnen w erden zusammen mit den Sensoren in einem Kunststoff-

Gehäuse umspritzt. Diese Bauart ergibt eine extrem hohe Ausfallsicherheit. Hybrid und

Gehäuse sind auf einer Grundplatte aus Aluminium appliziert, w elche die Wärmeabfuhr und


Wärmeverteilung für den Getr ieberechner ermöglicht und außerdem die beiden Drucksenso-

ren beinhaltet. Über diese Grundplatte w ird auch der Wärmeübergang zu den Temperatur-

sensoren auf dem Hybriden ermöglicht.

Dem Getrieberechner stehen die folgenden Sensorsignale zur Verfügung:

• 4 analoge Wegsensoren für die Erfassung der Schaltgabelposit ionen,

• 2 Drucksensoren für die Kupplungsdrücke,

• insgesamt 3 Temperatursensoren,

• 5 Drehzahlsensoren.

Die Aufgabe der Hydraulik kann in die folgenden Hauptfunktionen untergliedert w erden:

• Gangstelleransteuerung,

• Ansteuerung der beiden Kupplungen,

• Kühlung und Schmierung der Doppelkupplung,

• Ölversorgung für Getriebekühler, Feinstf ilter und Zahnradschmierung,

• Systemdruckregelung ( innerhalb der hydraulischen Steuerung).

4. Fahrleistungen und Verbräuche

Ein w esentliches Entscheidungskriterium für das DSG w ar die Möglichkeit für alle Gänge die

jew eils optimale Stirnrad-Übersetzung frei w ählen zu können. In Bild 11 sind die für den Golf

R32 und den neuen Golf mit 2,0 l 103 kW TDI realisierten Gesamtübersetzungen 1. bis 6.

Gang dargestellt; die beiden kontinuierlichen Kurvenverläufe geben die harmonischen

Gangsprünge w ieder. Im Golf R32 w urde eine Spreizung von 4,9 und im Diesel von 6,2

umgesetzt.

In Bild 12 ist schematisch der Geschw indigkeitsverlauf einer Kick Dow n-Beschleunigung aus

dem Stand eines Fahrzeuges mit Handschaltgetriebe und DSG gegenübergestellt. Beim

DSG ergibt sich aufgrund der zugkraftunterbrechungsfreien Schaltungen „1 nach 2“ und „2

nach 3“ im Beschleunigungsw ert von 0 auf 100 km/h beim Golf R32 sogar ein Vorteil von

0,2s gegenüber dem Handschalter.


Bild 11: Gangübersetzung und Spreizung Golf R32 und Golf Diesel

In den MV EG-Verbrauchsmessungen konnte mit dem DSG ein um über einen Liter

niedrigerer Kraftstoffverbrauch erzielt w erden. Als w ichtiger Grund ist auch hier der gute

Wirkungsgrad zu nennen: Der Minderverbrauch aufgrund der automatischen, optimalen

Gangw ahl, w ird beim DSG nicht w ie bei anderen Vollautomaten durch schlechte Wirkungs-

grade aufgezehrt.

Ein guter mechanischer Getriebew irkungsgrad ist insbesondere bei Dieselmotoren, die über

große Betriebsbereiche selbst einen sehr guten Wirkungsgrad haben und infolgedessen die

optimale Gangübersetzung nicht mehr so entscheidend ist, die Voraussetzung für niedrige

Verbräuche.


Bild 12: Fahrleistung und Verbrauch: Vergleich Golf R32

Mit dem DSG und Dieselfahrzeugen w erden im Normzyklus daher fast die Verbräuche der

Handschalter erreicht. Im realen Kundenbetrieb verschwindet der Verbrauchsunterschied

zw ischen Handschalter und DSG gänzlich, je nach Fahrgew ohnheiten w ird der Handschal-

terverbrauch mit DSG sogar unterschritten, da nur sehr w enige Fahrer in der Präzision und

Reproduzierbarkeit stets den richtigen Schaltpunkt w ählen w ie ein optimal abgestimmtes

Schaltprogramm des DSG.

Bild 13: Abgas und Verbrauch


5. Ausblick

In Bild 14 sind die w ichtigsten technischen Daten des DSG zusammengefasst.

Bild 14: Technische Daten des DSG

Mit dem DSG ist es in Verbindung mit den neusten Motorentw icklungen – insbesondere den

leistungsstarken TDI-Dieselmotoren – gelungen, die dominanten Kundennutzenkriterien w ie

Fahrspaß und Fahrkomfort mit Fahrdynamik und Verbrauch in einem neuartigen Automatik-

getriebe zu vereinen. Dies verspricht dem DSG im handschalterdominanten Europa eine

große Zukunft.

6. Hinweise zu Literaturangaben

[1] Lösche, T., Becker, V., Rudolph, F., Schreiber, W.: DSG – das Direktschaltgetriebe von Volksw agen; 12. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2003

[2] Rudolph, F., Steinberg, I., Günter, F.: Die Doppelkupplung des Direktschaltgetriebes DSG der Volksw agen AG; VDI-Berichte Nr. 1786, S. 401-411, 2003

[3] Schreiber, W., Rudolph, F., Becker, V.: Das neue Doppelkupplungsgetriebe von Volksw agen; ATZ 11/2003 Jg. 105

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