Achtgang-Automatikgetriebe für den neuen Opel InsigniaBereits im Chevrolet Malibu, Cadillac XT5 und Buick LaCrosse

verwendet, kommt das Achtgang-Automatikgetriebe „AF50-8“

nun Anfang 2017 im Opel Insignia im Einsatz. Es zeichnet sich

durch besonderen Komfort und Effizienz aus, steigert

Sportlichkeit und Fahrzeugagilität. Das Getriebe wiegt

98 kg und hat eine maximale Drehmomentkapazität

von 480 Nm bei einer großen Spreizung von 7,8.

© Opel

TITELTHEMA GETRIEBE

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GETRIEBEFAMILIE IN VIELEN FAHRZEUGEN

Der Markt für Personenkraftwagen im mittleren und gehobenen Segment zeigt einen deutlichen Trend zu mehr Gängen und höherem Komfort bei den Automa-tikgetrieben auf. Zusätzlich fordern End-kunden und Gesetzgebung eine verbes-serte Effizienz und geringere Emissionen von der verwendeten Technik.

General Motors hat bereits 2013 damit begonnen, in den USA die ersten Acht-gang-Wandler-Automatikgetriebe in das Portfolio aufzunehmen. Nun ist diese Technik auch für weitere frontgetriebene und Allradfahrzeuge verfügbar. Den Anfang machte das neue Achtgang-Wand-ler-Automatikgetriebe mit dem internen Namen „AF50-8“, TITELBILD, mit der Ein-führung auf dem US-amerikanischen Markt im Chevrolet Malibu mit einem Ecotec-2,0-l-Turbo-Ottomotor. Dieser

Motor hat eine Leistung von 186 kW und ein Drehmoment von 350 Nm.

Nur kurze Zeit später kam das Acht-gang-Automatikgetriebe im Cadillac XT5 Crossover und dem Buick LaCrosse mit einem 3,6-l-V6-Ottomotor mit einer Leistung von 231 kW und einem Dreh-moment von 367 Nm auf den Markt. Vor einigen Monaten des Jahres 2016 folgte die Einführung auf dem chinesischen Markt mit einem 2,0-l-Turbo-Ottomotor mit einer Leistung von 192 kW und 400 Nm. All diese Fahrzeuge sind deutlich leichter als ihre Vorgänger und erfüllen wesentlich verschärfte Vorgaben in Bezug auf nahezu alle technischen Belange.

Dieses Motor-Getriebe-Portfolio wird im Frühjahr 2017 mit der Einführung des AF50-8 im neuen Opel Insignia komplettiert. Das Getriebe wird dabei mit einem Ottomotor mit einer Leistung von 184 kW und einem Drehmoment von 400 Nm sowie mit weiteren Diesel-motoren angeboten werden, TABELLE 1. Die Zielvorgabe für die Entwicklung dieses Getriebes waren sowohl heraus-ragende Schaltqualität und Komfort als auch höchste Effizienz.

REGIONAL ANGEPASSTE ENTWICKLUNG

Die Entwicklungsteams für die neue Getriebefamilie AF50-8 wurden regional aufgestellt, um den Herausforderungen der individuellen Märkte am besten gerecht zu werden. Hierbei hat auch die Nähe zu den Fahrzeugentwicklern eine große Rolle gespielt. Diese regionalen Teams berichten dabei an das globale Entwicklungsteam im Getriebebereich bei der Adam Opel AG in Rüsselsheim. International abgestimmte harmonisierte Prozesse und Werkzeuge stellen dabei eine reibungslose Zusammenarbeit sicher und erlauben auch eine einheit-liche Interpretation der Versuchsergeb-nisse. Somit konnte der Aufwand für die Entwicklung für die verschiedenen Anwendungen in Grenzen gehalten und Ergebnisse übertragen werden.

Das Getriebe zeichnet sich durch eine wesentlich größere Spreizung gegenüber seinem Sechsgang-Vorgängermodell aus. Dadurch konnte die Betriebsdrehzahl der Verbrennungsmotoren deutlich reduziert werden, was einen deutlichen Komfortgewinn und geringeren Kraft-stoffverbrauch zur Folge hat.

AUTOREN

Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Hinz ist stellvertretender globaler

Chefingenieur für Automatikgetriebe bei GM Global Propulsion Systems –

Europe bei der Adam Opel AG in Rüsselsheim.

Dipl.-Ing. Georg Bednarek ist globaler Chefingenieur und

globaler Programm-Manager für Automatikgetriebe bei GM Global Propulsion Systems – Europe bei

der Adam Opel AG in Rüsselsheim.

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Die Herausforderung an die Entwickler war es, diese sich oft widersprechenden Vorgaben so darzustellen, dass sie ein herausragendes Gesamtpaket ergeben, das den Kunden begeistert. Dabei war ein verstärktes Augenmerk nicht nur auf Verbrauch und Komfort, sondern auch Sportlichkeit und Fahrzeugagilität gelegt worden. Damit erfüllt das neue Acht-gang-Automatikgetriebe alle Vorgaben des Lastenhefts und lässt sich gut in den neuen Opel Insignia (Modelljahr 2017) integrieren.

AUS JAPANISCHER PRODUKTION

Das rein elektrische Schalten (Shift-by-wire) und die Zylinderabschaltung, bei der zwei Zylinder des Sechszylindermo-tors abgeschaltet werden und der Motor nur mit vier Zylindern betrieben wird, waren zwei herausragende Beispiele in

der deutlich erhöhten Komplexität der Anforderungen an das AF50-8-Getriebe. Es wurde zusammen mit dem Getriebe-spezialisten Aisin AW in Anjo (Japan) entwickelt und wird auch dort produziert. Geliefert wird es an mehrere Werke in den USA, nach China und mit dem Start des neuen Opel Insignia auch nach Rüsselsheim.

Das Getriebe wiegt 98 kg und hat eine maximale Drehmomentkapazität von 480 Nm. Die große Spreizung von 7,8 und die bereits dritte Generation der elektrischen und hydraulischen Schalt elemente garantieren eine hohe Präzision und großen Kundennutzen im Fahrzeugalltag.

GETRIEBEAUFBAU

Das AF50-8-Getriebe ist für den Front-Quer-Einbau konzipiert und wird auf der

in Fahrtrichtung linken Seite (Fahrer-seite) an den Motor geschraubt. Es zeich-net sich durch sein hohes Leistungs-gewicht sowie seine Modularität aus. Es ist geeignet, um sowohl Front- als auch Allradfahrzeuge anzutreiben, TABELLE 2.

Dabei wird ein Verteilergetriebe an der rechten Seite des Getriebes ange-schraubt. Es verteilt das Drehmoment sowohl zwischen den zwei Vorder-rädern als auch über eine Kardanwelle und ein Hinterachsdifferenzial an die Hinterräder. In Abhängigkeit von der Fahrsituation wird die Drehmoment-verteilung an die Hinterachse aktiviert oder deaktiviert.

Die Anordnung der getriebeinternen Komponenten, einschließlich der Plane-tensätze, erfolgt bauraumoptimiert. Das lässt sich am gewählten Kraftflussdia-gramm, BILD 1, anhand der reduzierten Anzahl von Komponenten erkennen, bei dem nur ein Ravigneaux-Radsatz und ein weiterer doppelter Planetenradsatz ver-wendet wurde. Vier Kupplungen (C1, C2, C3, C4), zwei Bremsen (B1, B2) sowie ein Freilauf (F1) ermöglichen acht Vorwärts-gänge und den Rückwärtsgang, BILD 1 und BILD 2. Auch diese einzelnen Kom-ponenten sind hinsichtlich ihrer Dimen-sionierung und des Gewichts optimiert.

Wie bereits erwähnt, erlaubt die Ausle-gung des Getriebes eine Spreizung von 7,8. Im Vergleich zum Sechsgang-Vorgän-germodell wurde der erste Gang nun deut-lich kürzer ausgelegt (von 4,48 auf 5,25 reduziert), um eine verbesserte Anfahr-barkeit zu gewährleisten, TABELLE 3. Zudem wurde der achte Gang deutlich länger (von 0,74 auf 0,673). Nicht nur bei

Kraftstoffart Benzin Diesel

Zylinderzahl 4 Zylinder 6 Zylinder 4 Zylinder

Radantrieb FWD AWD FWD AWD FWD AWD

Mittelklasse Malibu ✓

Crossover XT5 ✓ ✓ ✓ ✓

Luxus LaCrosse ✓ ✓

Mittelklasse Insignia ✓ ✓ ✓

TABELLE 2 Übersicht über die möglichen Frontantriebs- (FWD) und Allradapplikationen (AWD) für das AF50-8-Getriebe bei Vier- und Sechszylinder-Motorisierungen (© Opel)

Merkmal / Pkw Malibu XT5 LaCrosse Insignia

Motor 2,0 l DOHC I4 VVT DI Turbo 2,0 l I4 VVT DI Turbo

3,6 l V6 VVT DI3,6 l V6 VVT DI

2,0 l I4 VVT DI Turbo 2,0 l I4 Turbo Diesel

Max. Leistung 186 kW bei 5300/min192 kW bei 5300/min 231 kW bei 6700/min

227 kW bei 6800/min184 kW bei 6300/min 125 kW bei 5000/min

Max. Drehmoment 350 Nm bei 1700/min400 Nm bei 3000/min 367 Nm bei 5000/min

363 Nm bei 5200/min400 Nm bei 2000-5000/min 400 Nm bei 1750-2000/min

Achsübersetzung 3,075 3,200 3,075 3,075

K-Faktor 245 245 207 245/207

Shift-by-wire (ETRS) – ✓ ✓ –

Schaltwippen am Lenkrad – ✓ ✓ ✓

TABELLE 1 Fahrzeugapplikationen mit dem Achtgang-Wandler-Automatikgetriebe AF50-8 (© Opel)

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Autobahnfahrten ermöglichen die redu-zierten Motordrehzahlen einen deutlich verbesserten Komfort durch das gerin-gere Motorengeräusch. Durch die grö-ßere Spreizung und die Verbesserungen im Basisgetriebe konnte eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um etwa 7,7 % im NEFZ realisiert werden.

Das Getriebesteuergerät sitzt auf dem Getriebegehäuse und ist mit der internen Elektrik fest verbunden. Es ist damit Bestandteil des Getriebezusammenbaus und stellt eine zuverlässige, bereits im Getriebewerk überprüfte Funktionalität sicher.

Für die verschiedenen Motoren wurde ein Drehmomentwandler mit einem Durchmesser von 241 mm und unter-schiedlichen Steifigkeiten gewählt. Der Drehmomentwandler nutzt ein Dämp-fungssystem der zweiten Generation mit einem besonders großen Arbeitsweg. Zudem wurden viele neue Funktionen in die Software des Getriebes eingeführt. Dies resultiert in deutlich verbesserten Schaltqualitäten und nochmals erhöhten Sicherheitsstandards.

Eine Wandlerüberbrückungskupplung erlaubt schlupffreien Betrieb in fast allen Lastzuständen. Die Spezifikations-

unterschiede des Wandlers in den ein-zelnen Applikationen werden in BILD 3 dargestellt. Es gibt eine zweistufige und eine dreistufige Variante, je nach Motor-moment. Als Schmierstoff wird weltweit das AW1-Getriebeöl verwendet, das auch bei extremem Betrieb über die Fahrzeug-Lebensdauer nicht gewechselt werden muss.

GETRIEBESTEUERUNG

Der Ventilkörper der Getriebesteuerung befindet sich in Fahrtrichtung vorne am Getriebegehäuse. Durch die Verwendung direkt gesteuerter Magnetventile, BILD 4, der neuesten Generation in der hydrau-lischen Drucksteuerung entfällt die Notwendigkeit zusätzlicher, separater Steuerventile konventioneller Machart. Das vereinfacht nicht nur den Aufwand im System, sondern auch Platzbedarf, Masse und Kosten werden reduziert. Im Zusammenspiel mit moderner Software und Kalibrierung werden so schnelle und übergangslose Schaltungen, best-mög liche Schaltzeiten und größtmög-licher Schaltkomfort realisiert. Diese Eigenschaften wurden als wichtige Kriterien für Getriebe im Mittelklasse-segment identifiziert.

Darüber hinaus werden Schaltwippen am Lenkrad als zusätzliche Funktion angeboten. Diese können auch auf Wunsch im Automatikmodus „D“ bedient werden, um so die Kunden-erwartungen bezüglich des Komforts auch bei sportlichen Ausstattungen zu erfüllen.

BILD 5 zeigt die Schaltlogik des AF50-8. Die Pfeile illustrieren, dass für sequenzi-elles Hoch- und Runterschalten nur eine Kupplung geschaltet werden muss. Bei Bedarf ist es jedoch – durch das gleich-zeitige Überblenden zweier Kupplungs-paare – möglich, direkt vom 6. in den 3. Gang zu wechseln, zum Beispiel beim Kick-down. Bei Getrieben, die nur sequenziell schalten können, wäre ein solches Überspringen von Gängen (zum Beispiel vom 8. auf den 3. Gang) nicht möglich, und es müssten kaskadierte Schaltungen ausgeführt werden (zum Beispiel 8-5-3).

Durch die modifizierte Getriebesteue-rung wurde die Schwierigkeit des gleich-zeitigen und ruckfreien Überblendens zweier Kupplungspaare gelöst, um ein nahtloses und schnelles Schaltverhalten, auch bei übersprungenen Gängen, zu

Eingang Ausgang

L/C

B1

C4C3

C1

F1 B2

C2CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC

DoppelterPlanetenradsatz

Ravigneaux-Planetenradsatz

2-teiliges Aluminium-Druckguss-Gehäuse

4 Kupplungen2 Bremsen

Drehmomentwandlermit SLTD II ø 241 mm,

245k-Einscheibenwandler-überbrückungskupplung

Achsübersetzung von 2,561 bis 3,329

BILD 1 Kraftflussdiagramm des AF50-8-Getriebes mit doppeltem Planetenradsatz und Ravigneaux- Radsatz (L/C = Lock-up Clutch, deutsch: Wandlerüberbrückungskupplung) (© Opel)

BILD 2 Schnittbild durch das AF50-8-Getriebe mit vier Kupplungen und zwei Bremsen (© Opel)

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gewährleisten. Falls erforderlich, wird ein Wandlerschlupf von bis zu 50/min in den Gängen 3 bis 8 zugelassen.

INTEGRATION UND ABSICHERUNG

Eine große Herausforderung bei der Integration des AF50-8-Getriebes in den neuen Opel Insignia war es, nicht nur ein positives Fahrerlebnis zu gewährleis-ten, sondern auch die Kundenerwartun-gen hinsichtlich niedrigeren Kraftstoff-verbrauchs zu erfüllen. Daher wurde bereits vor der Absicherung die Effizienz des Getriebes durch zahlreiche Simula-tionswerkzeuge verbessert. In einer sehr frühen Entwicklungsphase wurden alle verfügbaren Achsübersetzungen in den

verschiedenen Fahrzeugen hinsichtlich Leistung und Kraftstoffverbrauch aus-gewertet. Danach, immer noch vor dem ersten Getriebeaufbau, wurden die Dauer haltbarkeit und das Geräusch- und Vibrationsverhalten berechnet.

Nachdem die gewonnenen Erkenntnisse in mehrere Optimierungsschritte eingeflos-sen waren, wurden die ersten Getriebe für Versuche und Validierung verwendet. Par-allel zu den Fahrzeugtests wurden weitere Computersimulationen zur Komponenten-dauerhaltbarkeit und Softwarefunktionali-tät durchgeführt. All diese Maßnahmen waren Teil eines globalen Gesamtentwick-lungs- und Validierungsplans, in dem alle einzelnen Kunden- und Marktanforderun-gen sowie die Positionierung der einzelnen

Fahrzeuge berücksichtigt wurden. Der Abgleich von einheitlichen, allgemeinen Anforderungen gegenüber den einzelnen regionalen oder modellspezifischen Anfor-derungen musste sorgsam geprüft und umgesetzt werden.

Das Getriebe und seine Steuerung erfüllen all diese Anforderungen, obwohl es nur eine Software für alle Applikatio-nen gibt. Einzelne regionale Festlegun-gen werden durch unterschiedliche Kali-brierungen differenziert. Da die Software Teil des Getriebesteuergeräts ist, das auf dem Getriebe montiert geliefert wird, war es notwendig, die Freigaben zwi-schen den einzelnen Aufbauphasen exakt zu koordinieren und auf ein Mini-mum zu reduzieren.

GLOBALE ORGANISATION

Durch die globale Verwendung der neuen Getriebefamilie auf mehreren Kontinenten war es notwendig, das Ent-wicklungsteam dezentral aufzustellen. Somit war gewährleistet, dass sowohl die Anforderungen der unterschiedlichen Märkte als auch die Anforderungen der auf den Kontinenten verteilten Fahrzeug-Entwicklungsteams berücksichtigt wur-den. Die übergeordnete globale Verant-wortung ist im Getriebeteam bei Opel in Rüsselsheim beheimatet. Die Bedatung der Getriebesteuerungen wurde am glei-chen Standort erarbeitet. Das Ergebnis der engen Zusammenarbeit der einzel-nen GM-Teams mit dem Zulieferer ist ein für den jeweiligen Markt individuell abgestimmtes Produkt.

ZUSAMMENFASSUNG

Opel beschreibt hier das neue Achtgang-Automatikgetriebe AF50-8 für den GM-Konzern und die neueste Anwendung im neuen Opel Insignia. Diese Getriebe-variante komplettiert das Portfolio für den europäischen Markt und fügt Diesel-motoren hinzu.

Die Getriebefamilie zeichnet sich durch eine hohe Drehmomentkapazität bei gleichzeitig kleinem Gewicht und Baugröße aus. Eine Vielzahl von neuen Funktionen stellt perfekte Schaltqualität und hohen Komfort für den Kunden sicher. Dabei konnte eine ausgewogene Balance zwischen Sportlichkeit und niedrigem Kraftstoffverbrauch (etwa 7,7 % geringer gegenüber dem Sechsgang-Vorgängermodell) dargestellt werden.

TABELLE 3 Übersetzungen, Stufensprünge und Spreizung des AF50-8-Getriebes (© Opel)

BILD 3 Charakteristik der zwei verschiedenen Drehmomentwandler für das AF50-8-Getriebe (© Opel)

Drehmomentwandler ø 241 mm mit Überbrückungskupplung

Steuerungssystem Elektrohydraulisch

Radantrieb FWD / AWD

Getriebepumpe Binäre Pumpe

Max. Motordrehmoment 400 Nm (Otto) / 480 Nm (Diesel)

Übersetzungen

Gang Übersetzung Stufensprung / Spreizung

R-Gang 4,015

1. 5,2501,7

1,5

1,3

1,2 7,8

1,2

1,2

1,2

2. 3,029

3. 1,950

4. 1,457

5. 1,221

6. 1,000

7. 0,809

8. 0,673

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LITERATURHINWEISE[1] Ota, H.; Nozaki, K.; Honda, A.; Kinoshita, M.; Aoki, T.; Todo, M.; Iwase, M.: Toyota’s World First 8-Speed Automatic Transmission for Passenger Cars. In: SAE Technical Paper Series, 2007-01-1101[2] Kondo, M.; Hasegawa, Y.; Takanami, Y.; Arai, K.; Tanaka, M.; Kinoshita, M.; Ootsuki, T.; Yamaguchi, T.; Fukatsu, A.: Toyota AA80E 8-Speed Automatic Transmission with Novel Powertrain Control System. In: SAE Technical Paper Series, 2007-01-1311[3] Bednarek, G.; Alt, M.; Geratz, K.: Sechsgang-Automatikgetriebe im Opel Astra und für den globa-len Markt. In: ATZ 111 (2009), Nr. 12, S. 892-898[4] Bednarek, G.; Alt, M.; Sporleder, J.: The new generation 6-speed automatic transmission AF40. Internationaler VDI-Kongress Getriebe in Fahrzeu-gen, Friedrichshafen, Juni 2010[5] Alt, M.; Bednarek, G.: Schnelles Schalten & Hohe Effizienz: Verbesserung des 6-Gang-Automa-tikgetriebes im Opel Insignia. 9th International CTI Symposium: Innovative Automotive Transmissions, Berlin, November 2010[6] Bednarek, G.; Alt, M.; Sporleder, J.: Sechsgang-Automatikgetriebe der zweiten Generation für den Opel Insignia. In: ATZ 113 (2011), Nr. 3, S. 190-197[7] Bednarek, G.; Sporleder, J.; Hansen, P.: GM’s first 8 speed RWD automatic transmission. 12th International CTI Symposium, Berlin, Dezember 2013[8] Sporleder, J.; Bednarek, G.: The New 8 Speed RWD Automatic Transmission for the Cadillac CTS. VDI Congress Drivetrain for Vehicles, Friedrichsha-fen, Juni 2014[9] Bednarek, G.; Sporleder, J.: Acht Gänge für den Cadillac CTS. In: VDI Konstruktion, Ausgabe 08.2014

[10] Bednarek, G.; Hinz, W.: The new 8 speed FWD Automatic Transmission for General Motors. 14th International CTI Symposium, Berlin, Dezember 2015[11] Bednarek, G.; Hinz, W.: The new 8 speed FWD Automatic Transmission for General Motors, CTI Symposium, Novi, MI, USA, Mai 2016[12] Hinz, W.; Bednarek, G.: The new 8-speed FWD Automatic Transmission for General Motors / Adam Opel AG. Internationaler Kongress Getriebe in Fahr-zeugen, Friedrichshafen, Juni 2016

BILD 4 Konventionelles (links) und direkt linear gesteuertes Magnetventil (rechts) (© Opel)

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BILD 5 Schaltlogik des AF50-8-Getriebes (© Opel)

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