Fahrwerks- und Antriebskomponenten des VW Phaetonnosper/public/Download/Kapitel 4.1 AT Neues... · Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 4: Getriebesteuerung Prof. Dr.-Ing

Mechatronische Systemtechnik im KFZ Kapitel 4: Getriebesteuerung Prof. Dr.-Ing. Tim J. Nosper

Fahrwerks- und Antriebskomponenten des VW Phaeton

Bild 4.1_1 Quelle: Der neue Phaeton, ATZ/MTZ-extra, Juli 2002


Vor- und Nachteile von Kolbenmotoren

Vorteile von Kolbenmotoren:• Niedriges Leistungsgewicht• Hohe Energiedichte ⇒ geringes Gewicht• Guter Wirkungsgrad• Ausgereifte Technologie

Prinzipbedingte Nachteile von Kolbenmotoren:• Die maximale Leistung steht nur in einem bestimmten

Drehzahlband (Nenndrehzahl) zur Verfügung• Kein Drehmoment bei Motordrehzahl null• Der Motorwirkungsgrad und somit der Kraftstoffverbrauch

ist abhängig vom Betriebspunkt des Motors• Die Drehmoment- und Leistungskennlinie weisen

eine starke Drehzahlabhängigkeit auf

Bild 4.1_2 Quelle: Förster


Zugkrafthyperbel Verbrennungsmotor I


Zu

gkr

aft

FZ

Geschwindigkeit v

Kraftschlußgrenze

Mit Triebstrangwirkungsgrad:Effektive Zugkrafthyperbel FZ, Ae

Ohne Triebstrangwirkungsgrad:Ideale Zugkrafthyperbel FZ, AID

Zugkraftangebot FZ,A

des Verbrennungsmotors


Zugkrafthyperbel Verbrennungsmotor II


Fahrwiderstandslinie Zugkraftbedarf FZ,B

für 0% Steigung

Zugkraftangebot FZ,A

im 2. Gang

1.

2.

3.

4. Gang

Anf

ahrb

erei

ch

Zu

gkr

aft

FZ

Geschwindigkeit v


Forderungen an Fahrzeuggetriebe

Bild 4.1_5

hoherWirkungsgrad

geringerVerbrauch

niedrigesGewicht

kosten-günstig

bedienungs-freundlich

geräuscharm

einsatzgerechteLebensdauer


Ägyptisches Wasserschöpfwerk (Sakie) in Luxor, ca. 2000 bis 1000 v. Chr.

Bild 4.1_6


Getriebeanforderungen

Vier Hauptfunktionen eines Fahrzeuggetriebes:- Anfahren ermöglichen.

- Leistungsanpassung vornehmen.Abtriebsdrehmoment T2 und Abtriebsdrehzahl n2 wandeln. Rückwärtsfahrt ermöglichen.

- Permanente Leistungsübertragung ermöglichen. Motorleistung form- oder kraftschlüssig und verlustarm übertragen.

- Leistungsanpassung steuern.

Nebenforderungen an Fahrzeuggetriebe:- Betriebssicherheit,- Getriebekosten,- Reparaturfreundlichkeit,- Bedienbarkeit,- Leistungsanpassung,- Einbaumaße und Gewicht,- Variationsmöglichkeiten,- Emissionen (Geräusch, Öl usw.).



Wünsche an Getriebe


HSG

???

ASG

DKG

CVT

AG

Hybrid

KundeFahrzeug-hersteller

Getriebe-hersteller

Gesetz-geber

preiswert

sportlich

Komfort

kleinleicht

wenigVerbrauchEmission

kleinleicht u.

profitabel


Einteilung von Schaltgetrieben

Syn

chro

ng

etri

ebe

Kla

uen

get

rieb

e

Schaltgetriebe

z-Gang-Getriebe (Stufen-Getriebe mit z Gängen) Stufenlos-Getriebe

mit Zugkraftunterbrechungbeim Gangwechsel

ohne Zugkraftunterbrechungbeim Gangwechsel

Ko

nve

nti

on

elle

sA

uto

mat

get

rieb

e

Do

pp

elku

pp

lun

gs-

get

rieb

e

Ket

ten

wan

dle

r-G

etri

ebe

Hyd

rost

atis

ches

Get

rieb

e

Anfahren automatisiert und stufenlos

Tei

lau

tom

atis

iert

sK

lau

en-

od

erS

ynch

ron

get

rieb

e

Vo

llau

tom

atis

iert

esK

lau

en-

od

erS

ynch

ron

get

rieb

e

Gangwechselmanuell

Gangwechselautomatisch

Gang-wechsel teil-automatisch

Anfahren und Zugkraftunter-brechung beim Schalten mitfußbetätigter Kupplung

Drehmoment-/Drehzahl-wandlung automatisch

To

roid

get

rieb

e(R

eib

rad

)



Trend für den Einsatz von Pkw-Getrieben in Europa


100%

50%

0%1980 1985 1990 1995 2000

5-Gang-Automatgetriebe

6-Gang-Synchrongetriebe

Stufenlos-Getriebe3-Gang-Automatgetriebe

4-Gang-Automatgetriebe




Vergleich der Getriebearten

Getriebe MT ASG DKG AT CVT IVTVerbrauchsoptimierung durch Antriebsmanagement - - 0 0 0 + + + +

Getriebewirkungsgrad + + + + + 0 - -

Hilfsenergiebedarf + + + + 0 - - - - -

Gewicht + + + 0 0 - -

Komfort - - 0 + + + + +

Dynamik + + + - 0 + +

Package + + + + + 0 0 0

Systemkosten + + + 0 0 - - - -



Gangabstufung

Bild 4.1_12

GangabstufungFür die Übersetzungen der einzelnen Gänge finden zweigrundsätzliche Abstufungen Anwendung:

• Geometrische Gangabstufung:gleicher Stufensprung für alle Gänge; bei Mehrgruppen-Getriebe für Nkw nicht anders möglich.

• Progressive Gangabstufung:höhere Gänge haben einen kleineren Stufensprung; üblich bei Pkw.


Gang:

iberech.

geom.

1 2 3 54

4,14 2,93 2,05 1,43 1,0

4,14

4,2

2,54

2,49

1,69

1,66

1,24

1,24

1,0

1,0

iberech.Progr.

iist

progr.

Übersetzungen für ein Fünfgang-

Getriebe mit geometrischer bzw.

progressiver Auslegung

Bild 4.1_13

Geometrische (links) undprogressive (rechts)Gangabstufung


Auslegung des höchsten Ganges auf maximale Geschwindigkeit

Bild 4.1_14

P

vF

PNmax

vmax = vmax theor.

PN

PÜ


Überdrehende Auslegung des höchsten Ganges

Bild 4.1_15

P

vF

PNmaxPR + PLW

PN

PÜ

vmax theor.vmax


Unterdrehende Auslegung des höchsten Ganges/ Overdrive

Bild 4.1_16

P

vF

PNmax

PN

PÜ

vmax theor.vmax


Allgemeines über Planetengetriebe

Bild 4.1_17

Definition:Die im umlaufenden Planetenträger (Steg) gelagerten Zahn- oder Reibräder führen neben der Umlaufbewegung eine Eigendrehungaus. Vergleichbar mit dem Umlauf der Planeten um die Sonne.

Lechner, G.; Naunheimer, H.: Fahrzeuggetriebe.Springer-Verlag Berlin, 1994.

Looman, J.: Zahnradgetriebe.Springer-Verlag Berlin, 1996.

Förster, H.-J.: Automatische Fahrzeuggetriebe.Springer-Verlag Berlin, 1991.

Müller, H.W.: Die Umlaufgetriebe.Springer-Verlag Berlin, 1998.

Literatur:


Ein-Steg-Planetengetriebe

Bild 4.1_18 Quelle: Westermann

Sonnenrad

Hohlrad

Planetenträger

Planetenräder

Planetenträger : Drehbarer StegSt2

Sonnenrad : Rad auf der ZentralachseZ1

Planetenräder : Räder, die mit Steg umlaufen Z2

Hohlrad : InnenverzahnungZ3


Vier Gänge/Übersetzungsmöglichkeiten einer Planetenstufe

Bild 4.1_19

1. Gang:Sonnenradtreibt,Hohlrad festnan = n1nab = nStn3 = 0

2. Gang:Hohlrad treibt,Sonnenrad festnan = n3nab = nStn1 = 0

3. Gang:Hohlrad,Sonnenradu. Planetenradverblockti=1,0nan= nab= n1= nSt = n3

Rückwärtsgang:Sonnenrad treibt,Planetenradträgerfest iSnan = n1nab = n3nSt = 0

1

3

StSt

1

3

StSt

1

3

StSt1

3

StSt

1

3Sp z

z1i1i +=−=

3

1

Sp z

z1

i

11i +=−=

1ip =1

3Sp z

zii −==


Vorteile Planetenradgeriebe

Bild 4.1_20

Leistungsverzweigung auf mehrere Planeten:⇒ z.B Fahrzeug-NKW-Getriebe bis 7 Planeten,

Luftfahrzeuggetriebe, Hubschrauber 12 bis 16 Planeten.

Je nach Wahl von Antrieb und Abtrieb sind unterschiedliche Übersetzungen möglich.

Durch zwei Antriebe bei einem Getriebe (Überlagerungsgetriebe)können Drehzahlen "gemischt" werden.

Hohe Übersetzung bis ca. 100 in einer Stufe.


Nachteile Planetenradgeriebe

Bild 4.1_21

Gleiche Lastaufteilung auf Planeten schwierig:a) Teilungsfehler der Räderb) Teilungsfehler am Planetenradträgerc) Unrundheit des HohlradsGenauste Fertigung erforderlich ⇒ teuer

Die Lager der Planetenräder werden durch Fliehkräfte zusätzlich stark belastet ⇒Leistungsgrenze.

Koppelplanetengetriebe können durch innere Leistungsverzweigung eine Blindleistung haben (bis zur Selbsthemmung).


Schaltmöglichkeiten eines einfachen Planetengetriebes



Einfacher Planetenradsatz

Bild 4.1_23 Quelle: Haan-Gruiten


Ravigneaux-Satz



Lamellenkupplung eines Automatikgetriebes



Bandbremse eines Automatgetriebes



Freiläufe

Bild 4.1_27


Aufbau Drehmomentwandler

Bild 4.1_28 Quelle: Holland&Josenhans


Drehmomentverlauf



Ölstrom im Drehmomentwandler



Wandlerüberbrückungskupplung



Wandlerüberbrückungskupplung mit Lamellenkupplung



Druckerzeugung-Ölpumpe



Funktionsweise hydraulische Kupplung



Elektronische Getriebesteuerung - Systembild



Hochschalten ohne Zugkraftunterbrechung

Bild 4.1_36

vF

ttS < 1"

t

FZ

tS < 1"

Fah

rzeu

gg

esch

win

dig

keit

Zu

gkr

aft

Zeit Zeit


Überschneidungs- Schaltung / Steuerung

Bild 4.1_37 Quelle: VW

Motordrehmoment

Zuschaltende

Kupplung

Abschaltende

Kupplung

Motormoment - Eingriff

Zeit

Mo

men

t

ÜberschneidungMomentübernahme


1 Drehmomentwandler

2 Ölpumpe

3 Antriebswelle

4 Lamellenbremse B1

5 Kupplung K1

6 Kupplung K2

7 Lamellenbremse B3

8 Kupplung K3

9 Lamellenbremse B2

10 Abtriebswelle

11 Parksperrenrad

12 Zwischenwelle

13 Freilauf F2

14 Hinterer Planetenradsatz

15 Mittlerer Planetenradsatz

16 Elektro-hydraulische Steuereinheit

17 Vorderer Planetenradsatz

18 Freilauf F1

19 Statorwelle

20 Wandlerüber-brückungskupplung

5-Gang-Automatgetriebe (elektronisch gesteuert)



Getriebe- und Schaltschema Automatikgetriebe

Bild 4.1_39 Quelle: DaimlerChrysler


Kraftfluss im ersten Gang


A Feststehende Teile D 2. Übersetzung

B Motordrehzahl E 3. Übersetzung

C 1. Übersetzung

A EDCB

F1

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3 B2

K3

F2

14


Kraftfluss im zweiten Gang




C 1. Übersetzung

A EDCB

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3 B2

K3

F2

14

F1


Kraftfluss im dritten Gang




C 1. Übersetzung

A EDCB

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3B2

K3

F2

14

F1


Kraftfluss im vierten Gang


A Feststehende Teile B Motordrehzahl

A EDCB

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3B2

K3

F2

14

F1


Kraftfluss im fünften Gang




C 1. Übersetzung

A EDCB

F1

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3 B2

K3

F2

14


Kraftfluss im Rückwärtsgang




C 1. Übersetzung

Programmwahlschalter Position S

A EDCB

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3 B2

K3

F2

14

F1


Kraftfluss im Rückwärtsgang




C 1. Übersetzung

Programmwahlschalter Position W

A EDCB

B1

3

4

5

2

K2

K1

97

6

8 12

11

10

13

B3 B2

K3

F2

14

F1



N15/3 ESG Steuergerät

S16/10 Positionserkennungsschalter

Y66/1 Stellmagnet P/R-Sperre

X11/4 Prüfkupplung für Diagnose

K38/3 Anlasssperrrelais

S16/7 Kickdownschalter

Y3/6l1 Drehzahlgeber n3

Y3/6l2 Drehzahlgeber n2

Y3/6s1 Anlasssperrkontakt

Y3/6b1 Temperaturfühler

Y3/6y1 Regelmagnetventil, Modulierdruck

Y3/6y2 Regelmagnetventil, Schaltdruck

Y3/6y3 Magnetventil, 1-2 und 4-5 Schaltung

Y3/6y4 Magnetventil, 2-3 Schaltung

Y3/6y5 Magnetventil 3-4 Schaltung

Y3/6y6 Magnetventil, KÜB

3

4

5

6

2

Y3/6y1

Automatik-Getriebe (DC) - Steuergerät


Elektronisches Steuergerät (ESG) Automatik-Getriebe (DC)


Y3/6y1

Y3/6y2

Y3/6y3

Y3/6y4

Y3/6y5

Y3/6y6

Y3/6l1Y3/6l2

Y3/6s1

Y3/6b1


283_034


Parksperre


6-Gang-Automatgetriebe für Pkw 6 HP 26 (ZF)

Bild 4.1_50 Quelle: ZF


Bild 4.1_51

6 Gang-Automatgetriebe für Pkw

Quelle: ZF


Bild 4.1_52 Quelle: ZF

Prinzipzeichnung des Getriebes 6 HP 26

Wandler

Schaltkupplungen und -Bremsen

Steuerung

Planetenradsatz


Einsatz derSchaltelementeÜbersetzungen

Bild 4.1_53

Getriebeschema 6 HP 26


Anfahren

NiederreibwerterkennungFahrwiederstandserkennung

Fahrertypbewertung

LängsbeschleunigungKick-Down QuerbeschleunigungSpontane Erhöhungder Sportlichkeit

ACCWarmlauf-programm

Hotmode-Programm

ESPSchaltprogrammauswahl

Gangauswahl

Wählhebel tiptronic Fast- OffErkennung

Kurven-Erkennung

SVF


Dynamisches - Schalt - Programm

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