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CVT ohne Grenzen –Komponenten für Nutzfahrzeuggetriebe

Andreas EnglischHartmut FaustManfred HommChristian LauingerMartin Vornehm

Der Anstieg der Kraftstoffkosten und die Not-wendigkeit zur weiteren Reduzierung von Schad-stoffemissionen erfordern neue technischeLösungen, die eine Optimierung des gesamtenAntriebsstranges erlauben. Dementsprechendweitet sich auch der Einsatz von Kettenvariato-ren im Personenwagensegment aus. Zu der inSerie produzierten Audi multitronic© [1] in derAusführung VL300 und deren WeiterentwicklungVL380 mit 420 Nm Variatormoment sowie demFord/ZF CFT30 [2] werden weitere Applikationenhinzukommen. Die Optimierung des Trieb-stranges ergibt aber auch bei Bussen, Trans-

portern oder Nutzkraftwagen (Nkw) Sinn, da sieeinen erheblichen Anteil der Emissionen verur-sachen.

Ein Nkw-Getriebehersteller widmete sich demZiel, die Spreizung des Getriebes so groß undvariabel zu machen, dass der Motor mehr oderweniger stationär in einem Bereich niedrigstenVerbrauchs und niedrigster Emissionen betrie-ben werden kann. Eine Motoroptimierung ingenau diesem Bereich bietet dann zusätzlichesVerbesserungspozential. Die Anforderungen aneinen Variator für ein derartiges Getriebe wurdenuntersucht mit dem Ergebnis, dass die LuK-Seri-enkomponenten durchaus Potenzial bieten, umdiese Aufgabe zu lösen. Deshalb wurde mit derEntwicklung eines solchen Variators begonnen.

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Einleitung

Bild 1 Daten und Ziele Pkw- und Nkw-Anwendung eines CVT im Vergleich

Fahrzeug Audi A6 3,2FSI / 2,7TDI Nutzfahrzeuge

Zulässiges Gewicht in kg 2 200 ... 4 000 10 000 … 40 000

Max. Motormoment in Nm 330 / 380 1 000 … 3 000

Max. Motorleistung in kW 188 / 132 200 … 500

Geforderte Laufleistung in km 300 000 > 1 000 000

Maximalgeschwindigkeitin km/h

250 / 225 120

Betriebsdauer in h > 3 000 > 15 000

Abgas-Normen/-Ziele EU4 Steigende Anforderung absehbar

Getriebe bzw. Variator Audi multitronic©

VL300 / VL380Leistungsverzweigtes CVT

Getriebestruktur Unverzweigt D/R Mehrere Bereiche + D/R

Schnellste komplette Variatorverstellung in s

1,2 0,65

Max. Ölbedarf für Verstellung in l/min

5 19

Max. Variatormoment in Nm -60 … +350 / -60 … +420 -350 … +600

Anzahl Kettenumläufe währendder Betriebsdauer in 106

300 2 000

Achsabstand Variator in mm 171 220

Die HerausforderungVergleicht man die Daten eines Audi A6 mit denDaten verschiedener Nkw, so erscheint die Auf-gabe zunächst als nicht lösbar. Bei einer ganzenReihe von Zielen ist nicht nur eine Verdoppelunggefordert, sondern sogar ein Sprung in der Grö-ßenordnung, wie Bild 1 verdeutlicht.

Wie die Variatordaten zeigen, muss zur Erfüllungdieser Anforderungen mehr als nur eine Einzel-komponente optimiert werden. Die nachfolgen-den Kapitel untersuchen alle Aspekte der Getrie-bestruktur und die Einzelbauteile Scheibensätze,Hydraulik, Pumpen und Kette.

Vorab sei gesagt, dass sich im Verlaufe der Ent-wicklung zunehmend klarer abzeichnet, dass dieHerausforderung zur Realisierung eines Nkw-CVT annehmbar ist.

GetriebearchitekturEine der Schlüsseltechnologien bei dieser CVT-Anwendung ist das auch im LuK-Kolloquium2002 [3, 4] beschriebene Prinzip der Leistungs-verzweigung sowie die Nutzung mehrerer stu-fenloser Fahrbereiche. Die mit dieser Technikvorgestellten Konzepte für Pkw-Getriebekon-

struktionen [5] decken Leistungen bis über 200 kW und entsprechende Momente ab, undleiten somit ins Nkw-Segment über.

Vor diesem technologischen Hintergrund könnenmaßgeschneiderte Getriebestrukturen entwickeltwerden, wie dies z.B. auch bei Getrieben der Fallist, die auf Hydrostaten basieren [6]. Der Ketten-variator bietet im Vergleich zum Hydrostat akus-tische Vorteile, was besonders für die Anwen-dung im Bus notwendig ist. Im Vergleich zur reinelektrischen Leistungswandlung liegt der Vorteildes Kettenwandlers bei den Kosten, dem Wir-kungsgrad und bei der höheren Leistungsdichte.

Grundsätzlich vorzusehen ist in der Regel eineHochtreiberstufe, weil Nkw-Motoren ihre Leis-tung bei niedrigeren Drehzahlen entfalten. Beimanchen der dargestellten Getriebearchitektu-ren kann diese Funktion direkt im für eine ein-gangsseitige Verzweigung vorgesehenen Plane-tensatz erfolgen. Ebenfalls vorzusehen ist einSchaltgetriebe, das durchaus mit den bei Nkwüblichen Klauenkupplungen arbeiten kann,wenn eine Drehzahlsynchronisierung anderwei-tig dargestellt wird.

Die Möglichkeiten, einen Planetensatz und einenKettenvariator über Anpassstufen miteinanderzu koppeln, können in nur zwei Klassen einge-

teilt werden, nämlichmit eingangsseitigemoder ausgangssei-tigem Planetensatz.In jeder dieser zweiKlassen gibt es dannalternative Anord-nungen des Mehrbe-reichs-Schaltgetriebes.Einige Möglichkeitenzeigt Bild 2.

Bei der links darge-stellten Klasse ist derPlanetensatz eingangs-seitig angeordnet unddas Schaltgetriebe imzum Variator paral-lelen Leistungspfad.Wenn die zum Schalt-getriebe führendeWelle festgebremstwerden kann, ist zu-dem ein unverzweigter


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Bild 2 Drei Getriebestrukturen mit Übersetzungs- und LeistungseigenschaftenJede Farbe entspricht einem Fahrbereich

Fahrbereich darstellbar. Unter der Skizze derGetriebearchitektur findet sich ein Beispiel, wiebei geeigneten Schaltgetriebeübersetzungenmehrere stufenlose Fahrbereiche darstellbarsind. Das jeweils ganz unten stehende Dia-gramm zeigt den Leistungsanteil, mit dem derVariator belastet wird.

Je nach Anwendung können die Vorteile dereinen oder anderen Architekturklasse überwie-gen. Bei dem links dargestellten Getriebe erge-ben sich Low-Fahrbereiche mit sehr niedrigerVariatorbelastung – günstig für ein nahezu sta-tionär eingesetztes Arbeitsgerät. Beim Wechselvon einem Fahrbereich in den nächsten stellt derVariator zurück.

Die mittlere Spalte zeigt ein Getriebe, dessenSchaltgetriebebaugruppe zwei nicht-koaxialeEingangswellen besitzt. Im Gegensatz zum linksdargestellten Getriebe sind die Bereichswechselohne Rückverstellung mög-lich. Dafür muss der Variatorim Mittel 50 % der Motorleis-tung übertragen – mehr alsbeim links daneben stehen-den Getriebe, was aber beileichten Nkw oder Trans-portern ausreicht.

Beim rechts dargestellten Ge-triebe sind einfach die Rollenzwischen Ein- und Ausganggetauscht. Dies hat im vorlie-genden Beispiel hauptsäch-lich Einfluss auf die Momen-ten- und Drehzahlbereicheder Komponenten – nicht aber auf die Leistung.

Zur Darstellung eines „Geared-Neutral“-Getriebesist grundsätzlich der Planetensatz abtriebsseitigzu setzen. Wenn der Planet antriebsseitig ange-ordnet ist, kann das Gegenteil dargestellt werden:sehr lange Übersetzungen bis hin zur Überset-zung „Geared-Zero“, bei der der Motor stillsteht.

Im Fahrbetrieb liegt der Vorteil aller dargestelltenArchitekturen in der für Nkw vergleichsweisegeringen Anzahl von Gängen und damit Bereichs-wechseln. Zum Beispiel wird bei vier Fahrberei-chen nach dem Anfahren nur einmal geschaltetund innerstädtisch faktisch ohne Bereichswech-sel weitergefahren. Am Ortsausgang ist ein wei-terer Bereichswechsel notwendig und auf derAutobahn dann ein letzter.

Variatorentwicklungjenseits 500 NmDie Hauptdimension:AchsabstandFür die Steigerung der Momentenkapazität isteine Vergrößerung der Hauptabmessungen not-wendig. Bei dem hier gewählten Achsabstandvon 220 mm gegenüber den im Pkw realisierba-ren 150 ... 190 mm ergeben sich eine ganze Reihe von Parametern, die sich verändern undberücksichtigt werden müssen. Teilweise ist dieWirkung sogar deutlich stärker als die 25 %-igeAchsabstandvergrößerung, wie die folgende Auf-listung zeigt. Die Veränderungen sind darindurch Pfeile angezeigt, deren Anzahl die Relati-on zur Achsabstandvergrößerung wiedergibt:

Durch die Kombination verstärken sich aberauch mehrere Entlastungseffekte. Nimmt manals Basis das VL380 (Variatormoment 420 Nm)und optimiert dieses Konzept bei vergrößertemAchsabstand, so ist ein maximales Variatormo-ment von 600 Nm durchaus denkbar.

Wirkungsgradmessung bis600 NmZur Bestätigung obiger Überlegungen wie auch dervon Forschungseinrichtungen veröffentlichten Mess-ergebnisse [7] und Simulationen [8] wurden bei LuKan einem neuen Hochleistungsprüfstand Wirkungs-grade gemessen. Da ein kompletter Kennfeldraumbestehend aus mehreren Übersetzungen, Dreh-



Ursache Folgen

Kettenlaufradien ↑ Kettenzugkräfte ↓, Anpresskräfte ↓

Anzahl der Kettenglieder ↑ Kräfte pro Wiegedruckstück (WD) bzw. -gelenk (WG) ↓↓

Ketten-Knickwinkel ↓ Bessere Lastverteilung auf beide Laschenbügel der Kette

Kraft pro Wiegegelenk ↓↓ Biegung der WG ↓, Laschenbelastung am Kettenrand ↓↓

Wellendurchmesser ↑ Biegesteifigkeit ↑↑, Wirkungsgrad ↑

Krümmung der Oberfläche ↓

Pressung ↓, Verschleiß ↓, Verschleiß pro WG ↓↓

zahlen und Momenten (z.T. sogar Anpressungen)abgefahren wird, stellt dies erhebliche Anforde-rungen an das Prüffeld. Die installierte Abtriebs-E-Maschine besitzt z.B. eine Nennleistung von 720 kW.

Im Ergebnis bestätigt sich, dass KettenvariatorenWirkungsgrade bis über 97 % erreichen. Bild 3 zeigtals Beispiel das 600 Nm-Wirkungsgradkennfeldbei konstanter Antriebsdrehzahl von 2500/min.

Dargestellt sind hier die Roh-Messwerte (bis aufGlättung zur Rauschunterdrückung) des Testge-

triebes inklusive der Verluste der Scheibensatz-lager (Pendelrollenlager). Die Steifigkeit desTestgetriebes liegt aufgrund einer Konstruktionmit auswechselbaren Scheibentellern sogarnoch unter der Zielsteifigkeit. Der Wirkungsgradkönnte also in Realität noch höher sein.

Die Vergrößerung des Achsabstandes hat alsodie erwünschte positive Wirkung erzielt.

Vollvariabler hydromecha-nischer MomentenfühlerDie beim Audi VL380 umgesetzte Scheibensatz-technologie ist die Grundlage für den Einsatz beinoch höheren Momenten [9]. Zentrale Bedeu-tung hat der im Inneren der Druckkammern Bau-raum sparend umgesetzte stufenlos variableMomentenfühler (vMF) [14]. Bild 4 stellt den VMFin der in Serie umgesetzten Konstruktion mitBlechumformteilen dar.

Der vMF bringt die für den sicheren Dauerbetriebim Nkw unabdingbaren Eigenschaften mit:

• Präzise, dem tatsächlichen Moment propor-tionale Anpressung bei allen Übersetzungen

• Dynamische Sicherheit, um Schäden auchbei Sprüngen des Momentes vorzubeugen

Die Funktion des vMF besteht darin, das entlangder im Bild 4 blau dargestellten Komponenten



Bild 3 Messung Wirkungsgradkennfeld KettenvariatorAchsabstand 220 mm, Antriebsdrehzahl 2500/min

Bild 4 Antriebs-Scheibensatz mit stufenlosem Momentenfühler vMF für Audi VL380 mit 420 Nm Variatormoment

eingebrachte Moment über Kugel-Rampen ineine Axialkraft umzuwandeln. Diese gelb darge-stellten Kugeln sind im Inneren des Mechanis-mus angeordnet. Das Moment gelangt dann überdie Gegenrampe der braun eingefärbten Kompo-nente auf die Welle und von dort weiter zur Fest-scheibe bzw. über die Schiebeverzahnung zuden grün eingefärbten, axial beweglichen Weg-scheiben.

Die durch die Kugeln erzeugte Axialkraft wirktaber nicht direkt auf die Kegelscheibe, sondernverschließt mit dem blauen Bauteil eine hydrau-lische Ablaufbohrung. Dieser Mechanismusregelt mit hoher Dynamik einen dem Momentproportionalen hydraulischen Druck ein. DerDruck erzeugt dann über große Anpressflächendie eigentliche Anpresskraft für die grünen Weg-scheiben-Komponenten. Der gleiche Druck wirddabei auch dem Abtriebsscheibensatz zurAnpressung zugeführt.

Die Abhängigkeit von der Übersetzung wirddadurch erreicht, dass der Kugel-Rampenmecha-

nismus auf verschiedenen Radien verschiedeneRampensteilheiten hat. Der zur jeweiligen Über-setzung passende Rampenwinkel wird durch dieradiale Positionierung der Kugeln mittels derFührungsflächen erreicht, die sich übersetzungs-abhängig axial mit der Wegscheibe verschieben(in Bild 4 ebenfalls grün dargestellt).

Zur Veranschaulichung der Übersetzungsabhän-gigkeit des vMF dient die Detailvergrößerung desblauen Bauteils mit den unterschiedlich steilenRampen, Bild 5.

Im Ergebnis ist der auf das Drehmoment bezoge-ne Druck im Underdrive am größten und fälltkontinuierlich zum Overdrive hin ab. Die dreidi-mensionale Formgebung der Bauteile ist optimalan den unter vielfältigen Bedingungen ermittel-ten Anpressbedarf angepasst.

Die durch das direkte hydromechanische Prinziperzielte dynamische Sicherheit wird anhand derMessung in Bild 6 beispielhaft belegt.

Bei der dargestellten Messung erregt ein geziel-ter Sprung des Antriebsmomentes eine abklin-gende Triebstrangschwingung am Prüfstand. Imrealen Fahrzeug entspricht dies beispielsweiseeinem plötzlichen Gasgeben mit Nachruckeln.Wie man erkennen kann, ist zwischen demgemessenen Moment und dem durch denMomentenfühler eingeregelten und gemessenenDruck faktisch keine Verzögerung vorhanden.Auch quantitativ ist der eingeregelte Druck zujedem Zeitpunkt deckungsgleich mit dem Soll-druck, der aus dem gemessenen Moment rech-nerisch ermittelt wurde.



Bild 5 vMF-Rampenkontur mit übersetzungsabhängigemWinkel und resultierender Anpresskennlinie

Bild 6 Dynamische Sicherheit des vMF-Anpresssystemsbei einem Sprung des Antriebsmoments

HydraulikDas bereits bei der multitronic© umgesetzteDoppelkolbenprinzip ermöglicht es, auch beikleiner installierter Pumpenleistung allegewünschten schnellen Änderungen der Über-setzung hydraulisch zu bedienen. Der resultie-rende Verbrauchsvorteil ist auch bei Nkw anzu-streben. Durch die erforderlichen extremschnellen Verstellungen bei der hier vorliegen-den Mehrbereichs-Getriebestruktur ist das Dop-pelkolbenprinzip sogar unumgänglich für eineeffiziente Hydraulik. Es bildet die Basis der nach-folgenden Hydraulik- und Pumpenentwicklung.

Unabhängige Ansteuerungder VerstelldrückeTrotz Hochskalierung des Gesamtsystems undder Kolbenflächen führen die im Vergleich zuPkw wesentlich höheren Schubmomente infolgeMotorbremseinrichtungen zu einem Anstieg dererforderlichen Spitzendrücke bis 100 bar. Diesbedingt höhere Druckverstärkungen der ent-sprechenden Ventile für die Verstelldruckkam-mern. Durch eine unabhängige Ansteuerung bei-der Ventile ist diese hohe Ventilverstärkung auchbei Volumenströmen bis 19 l/min stabil und dieHydraulik gewinnt an Ansteuerpräzision.

Anschaulich sind die Aufgaben des Anpress- undVerstellsystems und die durch diese Hydraulikumgesetzte Lösung in Bild 7 dargestellt. DerVariator erfordert zum stationären Betrieb zweiKräfte an den Scheibensätzen, welche in einembestimmten, von der Übersetzung abhängigemVerhältnis stehen, der sog. Stützung ζ oder auchKp/Ks. Der Stützungswert liegt im Zugbetriebbei der LuK CVT-Kette bei 1,05 (UD) bis max. 1,6(OD). Im Schubbetrieb ist es der Stützungs-Kehr-wert bei inverser Übersetzung, also etwa 0,95(OD) bis 0,6 (UD). Entsprechend dem erforderli-chen Stützungswert kann man sich den Dreh-punkt der grau dargestellten Wippe verschobendenken. Die Aufgabe der rot dargestelltenAnpresskolben ist es, die Grundanpresskräfte anbeiden Scheibensätzen zu erzeugen, wobei wäh-rend der Variatorverstellung Hochdrucköl zwi-schen den Kolben ausgetauscht wird. Die Auf-gabe der orange dargestellten, kleineren Ver-stellkolben ist es, die zur Ausbalancierung not-wendigen Restkräfte und die zusätzlichen Ver-stellkräfte zu erzeugen.

Diese Hydraulik bietet nicht nur ein hohes Maßan Stabilität und Präzision in der Ansteuerungder Drücke, sondern erlaubt durch die Unabhän-gigkeit der Druckansteuerung auch noch weiter-gehende Funktionen, z.B. eine Erhöhung derAnpress-Sicherheit auf schlechter Fahrbahn oderbei geeigneter Auslegung des Momentenfühlerseine geringfügige Reduktion der Anpressungz.B. zur Kompensation von Rest-Fliehöldruck-kräften. Im Ergebnis wird damit eine Wirkungs-gradoptimierung im Betrieb erreicht.

Bei Verstellung der Übersetzung wird die Kräfte-balance geregelt verlassen. Dazu kann wahlwei-se ein Verstelldruck reduziert werden und/oderder andere Verstelldruck erhöht werden. DieserFreiheitsgrad ist gerade bei den schnellen Ver-stellungen eines Mehrbereichsgetriebes vonVorteil.

Hier sind also die Vorteile mehrerer Systemekombiniert: Der vollvariable Momentenfühler



Bild 7 Doppelkolbenprinzip und unabhängige Verstell-druck-Ansteuerung zur Ausbalancierung der erfor-derlichen Kräfte im Variator

bringt die Robustheit und dynamische Sicher-heit mit und die unabhängige Druckansteuer-barkeit der Verstellkammern die Freiheiten dersoftwaregesteuert freien Anpressung. Eine Kom-bination mit einer Schlupfregelung [10] derAnpressung ist auch bei diesem System möglich,ohne die Vorteile des Momentenfühlers zu ver-lieren.

Pumpen und KühlsystemIn Getrieben der Leistungsklasse oberhalb 400 kW macht der Schmieröl- und Kühlleistungs-bedarf von Kupplung, Variator, Verzahnungenund Lagern die Verwendung einer Niederdruck-pumpe sinnvoll. Nach der Identifikation desauslegungsrelevanten Betriebspunktes (Volllast-Berganfahrt mit Maximalanpressung und Kupp-lungskühlung) ergibt sich für das ausgearbeiteteLeistungsverzweigungskonzept eine Niederdruck-pumpe in Gerotorbauweise mit 29 cm³ Förder-volumen.

Die z.B. für die Anpressung des Variators not-wendige, kleinvolumigere Hochdruckpumpe istals symmetrisch geteilte, zweiflutige, voll kom-

pensierte Flügelzellenpumpe mit einem Förder-volumen von insgesamt 10 cm³ ausgeführt. Eineähnliche von LuK entwickelte Pumpe ist auch inder Autotronic© von DaimlerChrysler im Serien-einsatz [11].

Zusammen mit der Niederdruckpumpe bildet sieals Tandempumpe eine Baueinheit auf einerWelle (siehe Bild 8). Diese Welle wird vom Motorins Schnelle übersetzt angetrieben. Die Zufüh-rung von Niederdrucköl gewährleistet eine kavi-tationsfreie Versorgung der Hochdruckpumpeund erlaubt ein kompaktes Design des Ansaug-traktes sowie ein effizientes Filterkonzept.

Pumpeneffizienz durchintelligente Steuerung der PumpenflutenIm Vergleich zu einem einflutig ausgeführtenHochdruckteil ist der hydraulische Leistungsbe-darf durch intelligente Steuerung der zweitenPumpenflut deutlich reduziert. Hierfür ist in derhydraulischen Steuerung ein elektrischesSchaltventil enthalten, dessen Funktion in Bild 9erläutert ist.

In der links dargestellten Stellung des Fluten-Steuerschiebers ist die zweite Flut der Flügelzel-lenpumpe auf Umlauf geschaltet. Das Antriebs-moment der Pumpe wird dadurch in denanteilsmäßig dominanten Fahrsituationen dras-tisch gesenkt. Durch die Rückspeisung geht die-ses Öl den Niederdruckabnehmern zur Schmie-rung und Kühlung nicht verloren.

In dem rechts wiederholten Bildausschnitt istder Fluten-Steuerschieber elektrisch derartangesteuert (ausgeschaltet), dass die zweite Flutüber ein Rückschlagventil mit der ersten Pum-penflut vereint wird. Damit steht genug Druckölauch für die schnellsten Verstellungen des Varia-tors zur Verfügung, z.B. beim Anfahren oderbeim Wechseln des Fahrbereiches.

Die Pumpenverluste dieses Getriebes – wie auchder multitronic© und der Autotronic© – sind dankder optimierten Auslegung gering. Ein Alternativ-konzept mit nur einer Pumpe für alle Abnehmerhätte den dreifachen Leistungsbedarf ohne Kos-tenvorteil verursacht, weil die Kosten einer Hoch-druckpumpe ungünstiger skalieren als die einerNiederdruckpumpe.



Bild 8 Hydraulische Tandempumpe aus Niederdruck-Gerotor-Baugruppe (blau) und zweiflutiger Hoch-druck-Flügelzellenpumpe (rot)

Vorkehrungen für denLangzeiteinsatzEine konsequente Anwendung der an der Pkw-Anwendung positiv erprobten Oberflächentech-nologien zum Verschleißschutz – z.B. Hartanodi-sierung oder chemische Nickelbeschichtung derKolben – sichert die störungsfreie Hydraulikfunk-tion auch bei der hohen Lebensdauererwartungeines Nkw.

Die CVT-KetteFestigkeitDie zunehmende Erfahrung und Prozessoptimie-rung mit der festigkeitsoptimierten Light-Laschengeometrie haben die Momentenkapazi-tät der 37 mm breiten LK3708-Kette soweitgesteigert, dass nach ersten Versuchen mit220 mm Achsabstand für ein Variatormomentvon 600 Nm keine Kettenverbreiterung notwen-dig erscheint. Alle in diesem Artikel dargestell-ten Ergebnisse sind mit dieser 37 mm breitenKette eingefahren worden. Der beim LuK-Kollo-quium 2002 [12] dargestellte Zusammenhang

zwischen Achsabstand, Festigkeitssteigerungund Momentenkapazität wird bei großen Achs-abständen sogar übertroffen.

Das Kettenspektrum in Bild 10 ist im unterenMomentenbereich durch schmälere Ketten undKetten mit reduzierter Teilung abgerundet. Damitbei den hier dargestellten 600 Nm nicht Schlusssein muss, wird ebenfalls an einer Kette mit ver-größerter Teilung, d.h. LK10-Lasche mit stärkerenLaschenbügeln gearbeitet. Dank stärkerer Wiege-druckstücke werden zudem die vom Kettenrandher eingebrachten Kräfte gleichmäßiger auf dienebeneinander liegenden Laschen verteilt.

Die festigkeitsseitige Eignung für die vorgesehe-ne Anwendung wurde anhand von Schädigungs-rechnungen mit dem Nkw-Kollektiv nach-gewiesen. Die Krafthübe einer Lasche sind imVergleich zwischen Pkw- und Nkw-Kollektiv(inklusive der durch Leistungsverzeigung erziel-ten Reduktion) im Bild 11 dargestellt. Das auf-grund der Laufleistung umfangreichere Gros derKrafthübe liegt beim Nkw auf ähnlichem Kraftni-veau wie beim Pkw. Die trotz des deutlich höhe-ren Maximalmomentes nur gering gestiegenenMaximal-Krafthübe beider Kollektive treten ver-gleichbar selten auf.



Bild 9 Steuerung der Hoch- und Niederdruck-Volumenströme für diverse Verbraucher

Dauerhaltbarkeit derScheibenoberflächenIn Anbetracht der enormen Laufleistungserwar-tung von über einer Million km muss dem ThemaVerschleiß besondere Aufmerksamkeit ge-widmet werden. Die hohen Wirkungsgradwertelassen aber bereits geringe Verschleißwerte

erwarten. Verschleiß ist immer auch mit Energie-verlust verbunden. Für CVT als Reibgetriebezählt dabei nicht nur der Materialabtrag, quanti-fizierbar in Gewicht, sondern schon der Quali-tätsverschleiß der Reiboberflächen, quantifi-zierbar z.B. als Reibwertänderung oder Rauigkeits-änderung.

Basierend auf den erarbeiteten Materialien undTest-Erfahrungen [13]befinden sich beideAspekte in intensiverund erfolgreicher Er-probung auf mehrerenHochleistungs-Dauer-laufprüfständen. EinigeZwischenergebnissezur Langzeitstabilitätdes metallischen Tribo-systems zeigt Bild 12.Hier ist über der Lauf-zeit von mehreren tau-send (!) Stunden dieVeränderung des Stüt-zungswertes ζ darge-stellt. Der Stützungs-wert ist ein guterIndikator für Verände-rungen der Reibwerte.



Bild 11 Kollektiv der Laschen-Krafthübe bei Nkw und Pkw

Bild 10 Momentenkapazität des Kettenvariators mit verschiedenen Kettentypen

In der oberen Hälfte von Bild 12 sind schwarz dieErgebnisse einer Referenz-Pkw-Anwendung mitAchsabstand 171 mm dargestellt. Die erkennbaregeringe Änderung des Stützungswertes ζ zeigtan, dass sich der Reibwert µ nur minimal verän-dert hat. Das Lebensdauerziel von 3000 h einesPkw kann durch Raffung innerhalb von ca. 150 habgeprüft werden. Das Pkw-System ist sehr sta-bil und bietet erkennbar hohe Reserven.

In blau dargestellt sind die Ergebnisse des glei-chen Aufbaus mit Achsabstand 171 mm, der aller-dings den skalierten Belastungen der Nkw-Anwendung ausgesetzt wird. Diese Skalierungbedeutet, dass die Momente derart reduziertwurden, dass die sich ergebenden Kräfte am Wie-gegelenk einem 220-mm-System entsprechen. Dieser versuchsmethodisch bedingte Zwischen-schritt belegt bereits das Lebensdauerpotenzialeiner Achsabstandsvergrößerung.

Das Nkw-Lebensdauerziel von über 15000 hkonnte durch Raffung innerhalb von 1000 herreicht werden. Der Test wurde sogar zur Absi-cherung noch bis 2500 h Laufzeit verlängert. Dieunterschiedlichen Symbolformen zeigen dabeiunterschiedliche Testprozeduren an. Bei derdurch Quadrate symbolisierten Prozedur wirddie Übersetzung in mehreren Stufen verändert,so dass am Wiegedruckstück eine hohe Belas-tungskonzentration vorliegt, auf der Scheibeaber nicht. Die durch Rauten symbolisierte Test-prozedur erfolgt bei fester Übersetzung, so dassdie Kontaktbelastungen sich sowohl am Wiege-druckstück als auch auf der Scheibe konzentrie-ren (die beiden Reibpartner können sich dabeiaber auch gut aneinander anpassen). Die Ergeb-nisse des bei fester Übersetzung getestetenVariators bestätigen nochmals, dass Mischzyklendie härteste und damit effizienteste Versuchsme-thodik darstellen.



Bild 12 Oben: Änderung der Stützung bei Dauerläufen unterschiedlicher Variatoren und Zyklen. Unten: Breitenverschleiß der Wiegedruckstücke bei diesen Dauerläufen

In grün dargestellt sind die Ergebnisse einesechten 220-mm-Variators, der den unskaliertenBelastungen der Nkw-Anwendung bis 600 Nmausgesetzt wird. Die anfänglich schnelleStützungsänderung wie auch der anfangs hoheBreitenverschleiß (untere Hälfte des Bildes)resultieren daraus, dass im Versuchsprogrammzuerst die Höchstlastpunkte abgetestet wurden.Das stabile Verhalten ist auch das Ergebnis einerspäter noch beschriebenen Teilungsfolgen-Opti-mierung der Kette.

Das hier im Kettenvariator umgesetzte Tribo-system aus Kette, Scheibensatzoberfläche und geeignetem Öl zeigt insgesamt ein stabi-les Verhalten der Reibwerte und bestätigt dieErreichbarkeit der ehrgeizigen Lebensdauer-ziele.

Dauerhaltbarkeit der Wiegedruckstück-StirnflächenDer zweite Haltbarkeitsaspekt ist der kettenseiti-ge Verschleiß der Stirnflächen, der zu einerAbnahme der Kettenbreite führt. In den obendargestellten Langzeitversuchen wurde dieserStirnflächenverschleiß bei regelmäßigen Befun-dungen ermittelt. Diese Ergebnisse zeigt dieuntere Hälfte von Bild 12 mit durchgängiger Farb-und Symbolwahl.

Der insgesamt geringe Stirnflächenverschleißist eine Eigenschaft der optimierten Wärmebe-handlung.

Durch die Konstruktion der Wiegedruckstück-Stirnflächen wird dafür gesorgt, dass die für denVerschleiß relevanten Beanspruchungen wie z.B.die Hertzsche Pressung das zulässige Maß nichtüberschreiten. Bild 13 zeigt eine Analyse derKontaktorte und -eigenschaften auf diesen Stirn-flächen, berechnet mit einem 3D-Kettenberech-nungsprogramm, das hierbei auch alle elasti-schen Verformungen von den Wellen bis zu denWiegedruckstücken berücksichtigt.

Die Farbflächen sind die Kontaktellipsen,deren Pressung über die Farbe visualisiertwird. Diese Berechnung mit dem LuK-Berech-nungsprogramm CHAIN berücksichtigt alleelastischen und dynamischen Effekte vonScheibensätzen und Kette, ebenso wie dieGelenkkinematik der Wiegedruckstücke. Damitwerden Belastungsdetails nachvollziehbar und

können in der Kettenkonstruktion berücksich-tigt werden.

Im Hinblick auf weitere Laufzeiterhöhung kannauch die Optimierung der Teilungsfolge einenBeitrag leisten (Bild 14). Bei Beachtung der akus-tischen Priorität bieten sich hierzu Teilungsfol-gen aus langen und kurzen Laschen an, beidenen die direkte Abfolge zweier langer Laschengezielt ausgeschlossen wird. Der Grund hierfürist, dass die höchsten Stirnflächenbelastungenexperimentell und rechnerisch an genau diesenOrten auftreten. Derartig optimierte Ketten zei-gen nicht nur geringere Verschleißraten, son-dern können auch mehr Gesamtverschleiß er-tragen, weil die Breitenabnahme der Kettegleichförmiger erfolgt.

AusblickLuK hat die Scheibensätze mit neuartigem voll-variablen Momentenfühler, die optimierteKette LK3308 und eine hydraulische Steuerungmit Flügelzellenpumpe im Audi A6 VL380 miteinem Variatormoment von 420 Nm erfolgreichin die Serie integriert. Nun wird nach Wegengesucht, diese Technologie auch für Nkw-Anwendungen mit Leistungsverzweigung undVariatormomenten bis 600 Nm einzusetzen.Die Herausforderungen hinsichtlich Struktur-entwicklung, Variatordesign, Pumpen- undHydraulikentwicklung sowie Kettenkonstrukti-on erforderten sorgfältige Vorüberlegungenund den Mut zur Tat, der durch die positivenVersuchergebnisse belohnt wird.



Bild 13 CHAIN-Screenshot mit Visualisierung derKontakteigenschaften am Antriebsscheibensatzim Underdrive

Aus dem Zusammenspiel der Vielzahl von Detail-arbeiten ergibt sich nun für die leistungsver-zweigte Anwendung im Nkw wie auch fürmomentengesteigerte Pkw-Anwendungen eineaussichtsreiche Situation.

Erste Prototypen einer speziellen Getriebestruk-tur werden gemeinsam mit einem im Nkw-Seg-ment etablierten Kunden aufgebaut.

Literatur[1] Fleischmann, H.-P.; Gutz, H.; Kumpf, G.; Mar-

tin, F.; Schöffmann, M.: Die neuen Getriebeim Audi A6. ATZ 106(2004), Sonderheft AudiA6, S. 128-138.

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[7] Sattler, H.: Abschlussbericht Forschungsvor-haben Nr. 221 „CVT Wirkungsgrad“; For-schungsvereinigung Antriebstechnik e.V.(Hrsg.), Frankfurt.

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[9] Englisch, A.; Faust, H.; Homm, M.; Teubert,A.; Reuschel, M.; Lauinger, C.: Entwicklungs-potentiale für stufenlose Getriebe. ATZ103(2003), Heft 7/8, S. 676-685.

[10] Faust, H.; Homm, M.; Reuschel, M.: Efficiency-Optimised CVT-Hydraulic and Clamping-System.CVT 2002 Congress, München, 7./8. Oktober2002, VDI-Berichte Nr. 1709 (2002), p. 43-58

[11] Greiner, J.; Kiesel, J.; Veil, A.; Strenkert, J.:Front-CVT Automatikgetriebe (WFC 280) vonMercedes-Benz. Getriebe in Fahrzeugen2004, Friedrichshafen, VDI-Berichte Nr. 1827(2004), S. 421-445.

[12] Indlekofer, N.; Wagner, U.; Fidlin, A.; Teubert,A.: Neueste Ergebnisse der CVT-Entwicklung.7. LuK Symposium (2002), S. 63-72.

[13] Linnenbrügger, A.; Baumann, M.; Endler, T.:High Performance Chain CVTs and their Tri-bological Optimisation. Tribology of VehicleTransmissions 2005, Tsukaba/Japan 16/18.Februar 2005, Proceedings p. 14-19.

[14] Englisch, A.; Faust, H.; Homm, M.; Teubert, A.;Vornehm, M.: Hochleistungs-CVT-Komponenten.Getriebe in Fahrzeugen 2004, Friedrichshafen,VDI-Berichte Nr. 1827 (2004), S. 649-668.



Bild 14 Korrelation des lokalen Breitenverschleißesmit der Abfolge langer und kurzer Laschen.

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