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Elektromotorische Aktorikfür Doppelkupplungs-getriebe –Bester Wirkungsgrad aus eigenem Antrieb

Uwe WagnerReinhard BergerMatthias EhrlichManfred Homm

Der Entwicklung von Doppelkupplungsgetriebenwird gegenwärtig bei fast allen Fahrzeugherstel-lern große Aufmerksamkeit beigemessen, ver-sprechen sie doch, den hohen Komfort einesStufenautomaten mit dem guten Basiswirkungs-grad eines Handschaltgetriebes zu verbinden.Neben den leistungsführenden KomponentenDoppelkupplung und Radsatz ist die automati-sche Betätigung der Kupplungs- und Schaltele-mente im Getriebe von besonderer Bedeutung,denn sie beeinflusst ganz wesentlich die obengenannten Kriterien Komfort und Wirkungsgrad.Bei der Auswahl geeigneter Aktoren werdengegenwärtig ganz verschiedene, konkurrierendeKonzepte betrachtet. Darin spiegelt sich die Tat-sache wider, dass Doppelkupplungsgetriebe amMarkt noch recht jung sind und ihnen ein kon-zeptioneller Reifeprozess bevorsteht [1]. ErsteErfahrungen über mögliche Aktoriken kommen

aus dem Automatikgetriebebereich sowie vonden automatisierten Schaltgetrieben [2].

Mit dem modularen Konzept für nasse und tro-ckene Doppelkupplung (Bild 1) hat LuK Voraus-setzungen für eine Vereinheitlichung nicht nurdes Basisgetriebes sondern darüber hinausauch für dessen Automatisierung geschaffen.Somit eröffnen sich für beide Varianten Syner-giemöglichkeiten bei Steuergeräten und Aktorik.

Als Automatisierung für ein Getriebekonzept,das sich zum Ziel gesetzt hat, die besten Eigen-schaften von Stufenautomaten und Handschal-tern zu kombinieren, muss die Aktorik für dasDoppelkupplungsgetriebe die folgenden techni-schen Anforderungen erfüllen:

1. Funktion

• Hohe Stelldynamik

• Präzise Regelbarkeit

• Definiertes Notlaufverhalten

2. Lebensdauer

• Fahrzeuglebensdauer von 240.000 kmund mehr

• Wartungsfreiheit

• Robustheit gegenüber allen Umgebungs-bedingungen (Temperaturen, Schwin-gungen, Schmutz)

3. Integration und Bauraumbedarf

• Kompakte Komponenten

• Möglichst geringer zusätzlicher Bauraum-bedarf, daher möglichst hoher Getriebe-integrationsgrad

• Einfache Montageprozesse

4. Energiebedarf

• Möglichst geringer Energiebedarf derAktoren und somit möglichst geringerzusätzlicher Kraftstoffverbrauch

5. Zusatzanforderung bei Erweiterungswunschzum Hybridsystem

• Energiequelle unabhängig vom Verbren-nungsmotor

Insbesondere die letzten beiden Anforderungennach minimalem Einfluss auf den Kraftstoffver-brauch sowie die Unabhängigkeit der Energie-

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10 Elektromotorische Aktorik für Doppelkupplungsgetriebe

Einleitung

Bild 1 Modulares Kupplungskonzept für Betätigungdurch Einrücklager

quelle vom Verbrennungsmotor schränken die Aus-wahlmöglichkeiten ein. Wie schon im LuK Kollo-quium 2002 [3] berichtet und auch aus heutigerSicht nach Markteinführung der ersten Doppel-kupplungsgetriebe [1] erfüllen Elektromotorendiese Anforderung am besten. LuK hat deshalbin enger Zusammenarbeit mit einem E-Motoren-hersteller einen Baukasten von EC-Motoren fürden Antrieb von Kupplungs- und Getriebeaktorikentwickelt (Bild 2). Die Baugrößen dieser Elek-tromotoren sind so dimensioniert, dass sie dieLeistungsanforderungen der Verstelldynamik fürdie verschiedenen Aufgaben der Kupplungs- undSchaltungsbetätigung erfüllen.

Die Verwendung dieser Elektromotoren ist nichtauf das Doppelkupplungsgetriebe beschränkt.Basierend auf den nachfolgend gezeigten Akto-ren lassen sich genauso Betätigungselementefür automatisierte Handschaltgetriebe, Verteiler-getriebe oder Hybridkupplungen ableiten.

Hebelaktor zur KupplungsbetätigungKonzeptentwurfNach der Vorfestlegung auf elektromotorischangetriebene Aktoren kommt den Kriterien Inte-

gration und Bauraumbedarf die größte Bedeu-tung zu. Gesucht sind Lösungen, die nach Mög-

lichkeit Bauräume nahan den Betätigungs-stellen nutzen, umletztendlich dasGesamtgetriebe nichtunnötig zu vergrößern.

Ausgehend von diesenÜberlegungen ist einBetätigungskonzeptfür die Doppelkupp-lung entstanden, beidem Hebel in derGetriebeglocke überEinrücklager auf dieKupplung einwirkenund die Elektromo-toren direkt an dieGlocke angeschraubtwerden. Bild 3 zeigteine schematischeDarstellung diesesHebelaktors.


Elektromotorische Aktorik für Doppelkupplungsgetriebe 10

Bild 2 EC-Motoren Baukasten fürGetriebeautomatisierung

Bild 3 Hebelaktor zur Kupplungsbetätigung – Funktionsprinzip

Die Einrückkraft für die Kupplung wird durch eineim Aktor befindliche vorgespannte Feder aufge-bracht. Diese wirkt am anderen Ende auf denHebel ein. Dazwischen befindet sich ein ver-schieblicher Auflagerpunkt, dessen Längsbewe-gung mittels eines Kugelgewindetriebes durchdie Rotation des E-Motors erzeugt wird.

HebelgleichgewichtMit einem einfachen Hebelmodell (Bild 4) lässtsich der Wirkmechanismus des Hebelaktorserklären. Die Vorspannkraft der Feder FFeder unddas aus der Stellposition x resultierende Hebel-übersetzungsverhältnis bestimmen die Einrück-kraft der Kupplung FKupplung, siehe Bild 5.

Eine wichtige Anforderung an die Aktoren fürDoppelkupplungen ist das passive Öffnen beiStromausfall („normally open“) [4]. Hier unter-scheidet sich das Doppelkupplungsgetriebe vonden automatisierten Handschaltgetrieben. Dasdort zulässige „Einfrieren“ der Aktoren („normallystay“) könnte beim Doppelkupplungsgetriebe zueinem unlösbaren Verspannungszustand beiderKupplungen führen.

Die Forderung nach einem selbstöffnenden Dop-pelkupplungssystem hat für die Aktorik zurFolge, dass die mechanischen Einzelübersetzun-gen im Aktor nicht selbsthemmend sein dürfen.Dies wiederum bedeutet, dass der E-Motor imNormalbetrieb die Kupplung aktiv durch Dauer-bestromung geschlossen halten muss.

Bild 6 zeigt, durch welche Konstruktionsmerk-male des Hebelaktors dieses Selbstöffnensichergestellt wird. Im Kontaktpunkt zwischendem Einrückhebel und der axial verschieblichenRolleneinheit muss immer ein positiver Kontakt-winkel α gegeben sein. Die Summe der ein-wirkenden Kräfte von Feder und Kupplung multi-pliziert mit diesem Winkel ergeben eine rück-stellende Spiralkraft FSpindel auf den Kugelgewin-detrieb. Dieser wiederum erzeugt entsprechendseiner Spindelsteigung ein rückdrehendes



Bild 4 Hebelprinzip

Bild 5 Hebelaktor-Einrückung durch Verschiebung des Auflagepunktes

Moment MSpindel am E-Motor, so dass der Auf-lagerpunkt für den Hebel in seine motornaheAusgangsstellung zurückgeschoben werdenkann. Damit der E-Motor diesem Rückstellmomentnicht entgegenwirkt, müssen die Wicklungen impassiven Zustand geöffnet sein (Bild 6 rechts).

Die Dauerbestromung des E-Motors beimAnpressen einer Kupplung darf nicht zu einerthermischen Überlastung des E-Motors führen.Die Grenze für die Dauerbelastung liegt bei ca.20 Watt elektrischem Energieeintrag. Das Profildes Einrückhebels (Wippkurve) muss nun so aus-gelegt sein, dass einerseits der Kontaktwinkelimmer positiv ist, um das passive Selbstöffnenzu gewährleisten, und andererseits muss erklein genug sein, um das notwendige Haltemo-ment am E-Motor gering zu halten.

Diese Bedingungen gelten für alle Toleranzender Kupplungskennlinie unter Berücksichtigungdes Einbaus von Kupplung und Aktorik insGetriebe. Insgesamt kann es zu einer möglichenKennlinienverschiebung in der Größenordnungvon ca. 50 % des Einrückweges der Kupplung im

Neuzustand kommen. Bild 7 zeigt den Einflussder Kennlinientoleranzen auf den Betriebspunktvon Kupplung und Aktor.

Um den Betriebspunkt der Kupplung möglichstkonstant zu halten, sollte die Feder im Hebel-aktor vorgespannt und möglichst weich sein.Bezogen auf den Weg am Einrücklager (sEinrück)resultiert für ein gegebenes Hebelverhältnis(konstante Stellposition x) als wirksame Feder-kennlinie eine Gerade (in Bild 7 grün gestrichelt).Als stabiler Betriebspunkt ergibt sich derSchnittpunkt dieser Geraden mit der jeweiligenKupplungskennlinie.

Folgende Toleranzsituationen sind in Bild 7gezeigt:

a) Die Kupplung mit dem geringsten Lüftspielund der steilsten Kennlinie (orange Kennli-nie) über alle Toleranzen ist auf maximalübertragbares Moment eingestellt. Dazuwird die Rolleneinheit im Aktor auf die Positi-on xa gestellt. Der Winkel ist gerade so groß,dass der E-Motor nicht überlastet wird.



Bild 6 Selbstöffnen bei Stromausfall

b) Nun ist der Aktor in der gleichen Stellposition(xb = xa) mit der Kupplung mit dem größtenLüftspiel und der Kennlinie mit der geringstenSteigung (rote Kennlinie) gepaart. Da derGegendruck durch die Einrückkraft am unterenHebelende geringer ist, dreht sich der Hebelbei konstanter Stellposition x im Uhrzeiger-sinn und folgt der Kupplung. Theoretischergibt sich dadurch der stabile Betriebs-punkt c), bei dem die Anpresskraft und damitdas übertragbare Moment aufgrund der wei-chen Federkennlinie nur geringfügig niedri-ger liegen als im Betriebspunkt a).

In der Praxis jedoch ist die Kennliniensprei-zung bei arithmetischer Grenzlage der Tole-ranzen meist so groß, dass in diesem Punktder für die Rückstellung des Aktors zulässigeMindestwinkel αmin unterschritten wird. Umdas zu vermeiden, ist ein Hebelanschlag imAktor vorgesehen, der am oberen Hebelendedie Rotation begrenzt, sodass immer nochein positiver Winkel α sichergestellt wird. DerKraftanteil der Feder, welcher jetzt an diesemAnschlag abgestützt wird, fehlt aber zumErzeugen der notwendigen Einrückkraft ander Kupplung. Die Momentenkapazität reichtnicht ganz aus, es stellt sich der Betriebs-punkt b) ein.

c) Um die notwendige Momentenkapazität derKupplung zu erreichen, muss der Auflager-punkt im Aktor noch ein Stückchen weiter inRichtung Einrückung verschoben werden(Position xc). Durch das geänderte Hebelver-

hältnis steigen die auf dem Einrückwegbezogene Vorspannung und Steifigkeit derFeder (gepunktete Linie) und die Kupplungwird weiter angepresst.

Das System ist so ausgelegt, dass der Anschlagbei arithmetischer Toleranzrechnung nur imäußersten Grenzbereich der möglichen Kennlini-en zum Tragen kommt. Im Normalfall arbeitet derAktor ohne diesen Anschlag. In dieser Betriebs-art ist er durch das selbsteinstellende Kräfte-gleichgewicht in der Lage, ca. 2/3 einer Kennlinien-verschiebung der Kupplung selbst auszuregeln.Das Hebelsystem arbeitet also wie ein der elek-tronischen Kupplungsregelung unterlagerter,mechanischer P-Regler mit nur ca. 30 % bleiben-der Regelabweichung.

Ausführung und InstallationBild 8 zeigt einen konstruktiven Entwurf desHebelaktors. Die Mechanik wird über eineGrundplatte und zwei Schrauben mit demGlockenboden des Getriebes verschraubt. Der E-Motor wird radial von außen an der Glockebefestigt und greift durch ein Loch in der Glockeund einen Zentrierbund in der Aktormechanik indie Spindel ein. Konzentrisch zu den Verschrau-bungen sind die Federn angeordnet, die amunteren Ende auf den Hebel (geschnitten darge-stellt) einwirken. Die Rolleneinheit, angetriebendurch den Kugelgewindetrieb, besitzt Rollenpaa-re, die einerseits auf der Grundplatte und ande-rerseits im Hebel laufen und damit den ver-schieblichen Auflagerpunkt darstellen. Aus den



Bild 7 Einfluss der Kennlinientoleranzen auf den Betriebspunkt

gemeinsamen Kernelementen E-Motor, Kugelge-windetrieb und Rolleneinheit lassen sich jetztgleichartige Aktoren an verschiedene Bauräumeanpassen. In Bild 9 wird dies beispielhaft für jeeine Kupplungsglocke mit trockener und nasserDoppelkupplung gezeigt.

Die geforderten Leis-tungseckdaten dieserKupplungsaktorensind beachtlich. Umeine für eine komfor-table Kupplungssteu-eurng hinreichendeAuflösung zu erhal-ten, muss die Stell-position der Rollen-einheit auf kleiner1/10 mm eingeregeltwerden können.Gleichzeitig muss derAktor bei nominalenKupplungskennlinienin 100 ... 120 ms dieKupplung vollständigschließen bzw. öffnenkönnen. Die maxi-malen Einrückkräfteder Kupplungen kön-nen dabei deutlich

über 3000 N liegen, wobei an der Rolleneinheitdann aufgrund der Hebelmechanik über dasDoppelte dieser Kräfte anliegt. Aber nicht nur dieMechanik, auch die E-Motoren sind dabei gefor-dert. Sie müssen in kritischen Lastkollektiven ihrmaximales Haltemoment bei Flanschtemperatu-

ren von bis zu 125°Cdauerhaft aufbringenkönnen.

Mit diesem Leistungs-profil stellt der Hebel-aktor eine ideale Kom-bination aus Regel-barkeit, Dynamik undWirkungsgrad für dieAutomatisierung dertrockenen und nassenDoppelkupplungendar, wobei er durchden teilweisen Ein-bau in die Kupplungs-glocke nur ein Mini-mum an zusätzlichemBauraum benötigt.



Bild 8 Modell Hebelaktor

Bild 9 Einbaubeispiele Hebelaktor

ElektromotorischeGetriebeaktorikActive InterlockZu einem vollständig elektromotorisch angetrie-benen Automatisierungssystem für ein Doppel-kupplungsgetriebe gehört neben der obenbeschriebenen Aktorik für die Doppelkupplungauch die Aktorik zur Betätigung der Schaltele-mente im Getriebe. Hierfür kommen Elektromo-toren aus dem gleichen Baukasten zum Einsatz(Bild 2). Um Komplexität und Bauraumbedarf fürdie Getriebebetätigung minimal zu halten, hatLuK das Active Interlock System entwickelt [5, 6].Damit ist es möglich, mit einer gemeinsamenAktorik Gänge in beiden Teilgetrieben in beliebi-ger Kombination vorzuwählen.

Der Active Interlock Getriebeaktor besteht imWesentlichen aus zwei Modulen:

1. Schalt-Wähl-Welle mit Schaltfingereinheit

2. Antriebseinheit

Schalt-Wähl-Welle mitSchaltfingereinheitDie Schaltfingereinheit mit dem Schaltfingersowie den Sperr- und Auswerferelementen bildetdie Schnittstelle zur inneren Schaltung des Ge-triebes. Sie interagiert mit den Schaltschienen zur

Betätigung der Schie-bemuffen (Bild 11).

Das Einlegen der Gängeerfolgt mit dem Schalt-finger ganz analog zurBetätigung von Hand-schaltgetrieben. DasBesondere beim ActiveInterlock sind die imVergleich zur Schalt-fingerbreite deutlichweiteren Mäuler anden Schaltschienen.Dadurch wird es mög-



Bild 12 Active Interlock – Wählgasse

Bild 10 Acitve Interlock – Ein Aktor für beide Teilgetriebe

Bild 11 Integration von Schalt-Wähl-Welle mit Schaltfingereinheit und Schaltschienen

Bild 13 Active Interlock – Auslegen vorgewählter Gänge

lich, auch bei eingelegtem Gang die Schaltwellein die Mittelstellung zurückzudrehen und eineandere Gasse mit dem Schaltfinger auszuwählen(Bild 12).

Soll jetzt ein neuer Gang im gleichen Teilgetriebevorgewählt werden, übernehmen die Sperr- undAuswerferelemente gleichzeitig das Auslegeneines zuvor noch eingelegten Ganges. Dabei spieltes keine Rolle, in welche Richtung sich die Schalt-welle dreht bzw. der Schaltfinger bewegt (Bild 13).

AntriebseinheitFür die Ausführung der Schalt- und Wählbewe-gung ist jeweils ein E-Motor vorgesehen (Bild14). Der Schaltmotor übernimmt das Ein- undAuslegen der Gänge sowie die Rückbewegung

des Schaltfingers in die mittlere Wählstellung(Drehbewegung der Schaltwelle). Der Wählmotorist für die Positionierung des Schaltfingers in dergewünschten Gasse verantwortlich (Axialbewe-gung der Schaltwelle).

Ausgehend von gemeinsamen Grundelementenwie den Elektromotoren und den Funktions-elementen des Active Interlock Systems lassensich flexible Anordnungen von Getriebeaktorenam Gesamtgetriebe finden. Dies lässt gleich-zeitig dem Getriebekonstrukteur Freiräume beider Gestaltung der inneren Schaltung und bei der Anordnung der Schaltschienen. Bild 15zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsformenfür den Anbau eines Schaltaktors an das Ge-triebe.



Bild 14 2-Motoren Getriebeaktor

Bild 15 Getriebeaktorik – Variabilität

1-Motoren GetriebeaktorDer 1-Motoren Getriebeaktor ist eine Weiterent-wicklung der Antriebseinheit für die Acitve Inter-lock Getriebebetätigung unter Verwendung der-selben Schalt-Wähl-Welle mit Schaltfingereinheit.Ihm liegt die Idee zu Grunde, nicht mehr zwei Mo-toren für die unterschiedlichen Teilfunktionen Schal-ten und Wählen zu verwenden, sondern die beidenDrehrichtungen eines einzigen E-Motors (Bild 16).

Drehrichtung 1:Dreht sich der E-Motorin Drehrichtung 1, wirdder Schaltfinger inSchaltrichtung zumEinlegen des Gangesbewegt (rote Pfeile imSchema des 1-Moto-ren-Aktors). Im erstenBewegungsabschnitterfolgt dabei mittelsder Schaltfingerein-heit das Auslegen deszuvor noch eingeleg-ten Ganges im glei-chen Teilgetriebe.

Drehrichtung 2:Dreht der E-Motor nun in der entgegengesetztenRichtung, wird der Schaltfinger zunächst in diemittlere Stellung zurückgebracht. Wenn er dortangekommen ist, schließt sich die Wählbewe-gung, d. h. das Positionieren des Schaltfingersund der Auswerferelemente in den einzelnenSchaltgassen, an.

Bild 17 zeigt den inneren Aufbau eines solchen 1-Motoren Getriebeaktors. Die verschiedenenBewegungsphasen verdeutlicht Bild 18. Kernele-mente für die Wählfunktion dieser Aktormecha-nik sind eine Kurvenscheibe, die über einen Pinam Umfang das Heben und Senken der Schalt-welle bewirkt und ein Freilauf, welcher beimWechsel von Drehrichtung 2 in Drehrichtung 1(Wählen in Schalten) die aktuell gewählte Gassen-position fixiert, indem er ein Zurückdrehen der

Kurvenscheibe verhindert. Die Schaltbewegungwird über zwei gegenläufige Spindelmuttern auf-gebracht, die bei Rotation des Antriebs in Dreh-richtung 1 auf einer Spindel mit zwei Abschnittenunterschiedlicher Gewinderichtung auseinanderlaufen. Komplementäre Nockenanordnungen aufden beiden Muttern sind so angeordnet, dass



Bild 17 Aufbau 1-Motoren Getriebeaktor

Bild 16 1-Motoren Getriebeaktor: Grundidee

jeweils die Bewegung einer Mutter auf einen Mit-nehmer übertragen wird, während die Nockender anderen Mutter in Nuten des Mitnehmerslaufen. Diese Nocken-Nuten-Kombination bildetdas Schaltgassenprofil ab. Über die auf dem Mit-nehmer befindliche Zahnstange wird die Schalt-welle rotierend angetrieben und damit dieSchaltfinger in Schaltrichtung aus der Mittellageausgelenkt.

Bild 18 oben zeigt die Schaltbewegung des1-Motoren Getriebeaktors. In der mittleren Dar-

stellung von Bild 18 hat sich die Drehrichtungdes Elektromotors geändert, der Schaltfingerbewegt sich zurück in die Mittelstellung. DieseBewegung stoppt, wenn beide gegenläufigeSpindelmuttern soweit aufeinander zugelaufensind, dass sie sich berühren. Nunmehr bleibt nurnoch der Freiheitsgrad der Drehung und somitwird die Kurvenscheibe angetrieben. Über dieKurvenscheibe hebt und senkt sich die Schalt-welle in Wählrichtung (Bild 18 unten).



Bild 18 1-Motoren Getriebeaktor: Funktion

ElektrohydraulischesPower PackOptimierter SystemansatzAusgehend von der Vorauswahl für elektrischeMotoren als Antriebe für die Aktorik von Doppel-kupplung und Getriebeschaltung sind zunächstrein elektromechanische Lösungen vorgestelltworden. Auch elektrohydraulische Lösungen miteiner elektrisch angetriebenen Pumpe erfüllendie Bedingung der Unabhängigkeit der Aktorikvom Zustand des Verbrennungsmotors. Folglichmuss auch ein elektrohydraulisches Power Packim Wettbewerb der verschiedenen Betätigungs-

systeme für Doppelkupplungsgetriebe betrach-tet werden.

Während sich für automatisierte Kupplungenund automatisierte Handschaltgetriebe reinelektromechanische Betätigungssysteme alskostengünstiger erwiesen haben, muss dieseBetrachtung beim Doppelkupplungsgetriebe miteinem weiteren aktiven Element, der zweiten Kupp-lung, neu angestellt werden. Dazu ist es wichtig,die Erfahrungen des Add-on ASG Systems mitelektrohydraulischer Betätigung zu nutzen. LuKsieht hier folgende Optimierungspotenziale:

1. Integration des elektrohydraulischen PowerPacks als eine Einheit ohne teure Verbin-dungselemente wie Schläuche und Kabel

2. Integration eineskostengünstigen,tellerfederbasier-ten Druckspeichersanstelle der teu-ren und oft nichtdauerhaltbarenGasspeicher

3. Vereinfachungenbei den Ventilkon-zepten durch Ver-wendung von Ven-tilsitzen direkt inder Steuerplatteanstelle von Car-tridgeventilen

4. Drehschieberventilfür die Wählfunktiondes Getriebeaktorsan Stelle mehrererLinearventile

Bild 19 zeigt denHydraulikplan für einelektrohydraulischesPower Pack einesDoppelkupplungsge-triebes und hebt dieangesprochenen Opti-mierungspotenzialeentsprechend deroben gezeigten Num-merierung hervor.



Bild 19 Hydraulikplan Power Pack für Doppelkupplungsgetriebe

Als weiteres Optimierungspotenzial wird die Ver-wendung von ATF anstelle von Hydrauliköl alsBetätigungsfluid untersucht, wodurch sich prin-zipiell die Möglichkeit eines gemeinsamenÖlkreislaufes mit dem Getriebe eröffnet.

Drehschieber fürs WählenDas Drehschieberventil für die Wählfunktionwird durch einen Elektromotor rotatorisch ange-trieben. In den einzelnen Stellungen des Dreh-schieberventils wird jeweils ein Schaltzylinderim Getriebe so mit dem Schaltdruckventil ver-bunden, dass der vom Schaltdruckventil er-zeugte Hydraulikdruck zur Schaltbewegung aneiner Schaltschiene führt.

Bild 20 oben zeigt das Einlegen des 1. Ganges. ImAnschluss daran wird durch den Drehschieberdas Schaltelement des 2. Ganges ausgewählt undder entsprechende Gang geschaltet. Daranschließt sich in der unteren Darstellung von Bild 20 das Auslegen des 1. und das Vorwählendes 3. Ganges an.

Dieses Ventilkonzept für die Vorwahlschaltungim Getriebe führt zu einer Aufwandsminimierungund ist erheblich einfacher als vergleichbareexistierende Konzepte. Hinsichtlich Dynamikund Notlaufverhalten ist es absolut gleichwertigzur elektromechanischen Getriebebetätigungmit Active Interlock.

Tellerfederspeicher imPower PackGasdruckspeicher in elektrohydraulischen PowerPacks sind oftmals Schwachstellen und werden

im Lauf der Fahrzeuglebensdauer getauscht. LuK arbeitet an einem Tellerfederspeicher, welcher mittels zweier Tellerfedern rechts undlinks der Ventilplatten Hydrauliköl speichernkann (Bild 21).

Durch die Kennliniender verwendeten Teller-federn ist es möglich,einen relativ großenKonstantdruckbereichzu realisieren, wodurchder Spitzendruck auf25 bar reduziert wer-den kann. Dies be-deutet im Vergleich zu Hochdruck-PowerPacks entweder redu-zierte Leckagen beivergleichbaren Spalt-



Bild 21 Power Pack mit Tellerfederspeicher

Bild 20 Funktion des Drehschiebers für das Wählen

werten oder vergleichbare Leckagewerte beierweiterten Spaltwerten. Bei dem hier gezeigtenNiederdruck-Power Pack wird dieser Vorteildahingehend ausgenutzt, dass bei vergleichba-rer Leckagebilanz erheblich kostengünstigereVentilsitze direkt in der Ventilplatte eingesetztwerden.

Zu den oben genannten Eigenschaften des Tel-lerfederspeichers wie Niederdruckfähigkeit undLebensdauerfestigkeit bietet er zusätzlich denVorteil, dass er sich hervorragend an den Bau-raum des Power Packs anpasst (Bild 21).

GesamtintegrationBild 22 zeigt den Gesamtentwurf eines PowerPacks mit den vorgenannten Merkmalen:

• Integration aller Funktionen in einem einzigenModul

• Lebensdauerfester Tellerfederspeicher

• Ventilsitze direkt im Ventilblock

• Drehschieber für die Wählfunktion.

Eine erste Validierung auf Prüfständen wurdeerfolgreich absolviert.

Verschleißnachstellungim EinrücksystemIm vorhergehenden Beitrag über die Doppelkupp-lung sind auch Nachstellmechanismen für denVerschleiß bei Verwendung von trockenen Doppel-kupplungen vorgestellt worden. Bei der Gesamt-systemoptimierung stellt sich die Frage, in wie weiteine Verschleißnachstellung im Einrücksystem Vor-



Bild 23 Verschleißnachstellung im Einrücksystem – Prinzip

Bild 22 Power Pack-Zusammenbau

teile gegenüber der Nachstellung in der Kupplungbietet. Kosten und Bauraum sind auch bei dieserAufgabenstellung wichtige Randbedingungen.

LuK hat ein Konzept für den Toleranzausgleichund die Verschleißnachstellung im Einrücksys-tem einer Doppelkupplung entwickelt. Den Prin-zipaufbau für diese Nachstellung zeigt beispiel-haft Bild 23.

Zwischen der Betätigung und dem Einrücklagersind ein Verschleißsensor, eine den zu sensie-renden Hub definierende Hülse und ein Rampen-system angeordnet. Die Funktion des Nachstell-systems verdeutlicht Bild 24. In der oberen Hälfteder vier Darstellungen ist jeweils das Ausgangs-system ohne Verschleiß an der Kupplung ge-zeigt, in der unteren Hälfte mit Verschleiß.

a) Kupplung in unbetätigter Stellung

b) Die Kupplung ist bis zur zuletzt sensiertenPosition eingerückt, was im Ausgangszustandder maximalen Momentenkapazität entspricht(Feder komprimiert in oberer Hälfte). Aufgrundzusätzlichen Verschleißes (untere Hälfte) istdie Kupplung noch nicht maximal eingerückt.

c) Um auch bei diesem Verschleiß das notwen-dige Moment übertragen zu können, mussdie Kupplung weiter eingerückt werden.Dabei wird der Verschleißsensor verschoben(untere Hälfte).

d) Der Verschleißsensor ist rückwärts selbst-hemmend. Die Hülse stößt am Sensor an undblockiert somit die Rückbewegung des Ein-rücklagers beim Ausrücken der Kupplung.Der Rampenmachanismus wird durch vorge-spannte Federn verdreht, gespreizt und fülltdie dadurch entstehende Lücke zwischenHebel und Hülse aus (untere Hälfte).

Bild 25 zeigt einen Entwurf von zwei solchenselbstnachstellenden Einrücksystemen für eineDoppelkupplungsbetätigung.

Dieses System ist insbesondere dann interessant,wenn die Doppelkupplung für kleine Momente(kleine Motorisierungen) und geringe Verschleiß-reserven sehr kompakt ausgeführt werden kann.Unter diesen Bedingungen vereinfacht der Weg-fall von Verschleißnachstellungen in der Kupp-lung die Kupplung selbst. Der zusätzliche Ein-rückwegbedarf an den Einrücklagern infolge vonVerschleiß, der dann im Einrücksystem kompen-siert wird, kann gering gehalten werden.



Bild 24 Verschleißnachstellung im Einrücksystem – Funktion

Zusammenfassungund AusblickDas Doppelkupplungsgetriebe in der Ausfüh-rungsform mit trockenen Kupplungen stellt zur-zeit das Automatikgetriebekonzept mit demgrößten Potenzial hinsichtlich Kosten und Wir-kungsgrad dar. Zur Automatisierung von Kupp-lungen und Schaltung werden elektromotorischangetriebene Aktoren eingesetzt.

Die gezeigte Ausführung einer elektromechani-schen Aktorik für die Doppelkupplung als Hebel-aktor bietet hervorragende Eigenschaften hin-sichtlich Steuerbarkeit und Dynamik. Gleichzeitigbenötigt dieser Kupplungsaktor ein Minimum anHilfsenergie. Durch seine Teilintegration in dieKupplungsglocke ist der Aktorikanteil amGesamtgetriebepackage gering. Ergänzt wirddiese Kupplungsaktorik um den Active InterlockSchaltaktor mit ebenfalls hervorragender Leis-tungsfähigkeit und minimalem Energiebedarf. Inder Ausführung als 1-Motoren-Getriebeaktor bie-tet sich weiteres Potenzial zur Kosten- und Bau-raumreduktion.

Die Ausführung der Aktorik als elektrohydrauli-sches „Power Pack“ ist eine alternative Option

mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit. Gelingt es,die gezeigten Optimierungspunkte wie mechani-sche Druckspeicher, Drehschieber sowie verein-fachte Steuerventile zu realisieren, so muss sichim Einzelfall entscheiden, welche Aktorik für denjeweiligen Anwendungsfall eines Doppelkupp-lungsgetriebes die bessere Lösung darstellt.

Weiteres Potenzial zur Vereinfachung eines tro-ckenen Doppelkupplungssystems bietet dieVerlagerung der Verschleißnachstellung in dasEinrücksystem. Aufgrund der geforderten Wegeund Kräfte ist der Einsatz einer solchen Lösungbei kleinen Drehmomenten bis etwa 150 Nmdenkbar.

Bei nassen Doppelkupplungsgetrieben stellt wiebei klassischen Automatgetrieben die direkt-angetriebene Steuerhydraulik den Stand derTechnik dar. Die hohen Verluste der Hydraulikkompensieren jedoch einen großen Teil der Wir-kungsgradvorteile des Basisgetriebes. Durch dieAusführung der nassen Doppelkupplung mit Tel-lerfedern und Einrücklagern bietet sich aber dieMöglichkeit, auch hier die gezeigte elektrome-chanische oder elektrohydraulische Aktorik inKombination mit einer Niederdruck-Kühlölpum-pe einzusetzen. Damit ergibt sich ein System,das einen erheblich niedrigeren Hilfsenergiebe-darf hat.

Darüber hinaus stellt die vorgestellte elektromo-torische Aktorik sowohl für trockene als auch fürnasse Doppelkupplungsgetriebe die idealeBasis für eine Erweiterung zum Hybridsystemdar. Die für die Hybridfunktionen Stopp/Startund Rekuperation notwendigen Aktionen imGetriebe können aus eigenem Antrieb und unab-hängig vom Verbrennungsmotor durchgeführtwerden.

Die elektromotorische Aktorik spielt somit einezentrale Rolle für den Erfolg der Doppelkupp-lungsgetriebe und für die Erweiterung dieserGetriebe zum Hybridsystem. Sie stellt für das trockene Doppelkupplungsgetriebe eineSchlüsselkomponente dar und bietet für dasnasse Doppelkupplungsgetriebe ein enormesPotenzial zur Verbrauchsreduktion. Durch ihremodulare Einsetzbarkeit für nasse und trockeneKupplungen lassen sich Getriebefamilien mitgleichem Basisgetriebe und an die jeweiligeApplikation angepasster Kupplungstechnologiedarstellen.



Bild 25 Doppeleinrücksystem mit Verschleißnachstellungen

Literatur[1] Becker, V.; Rudolf, F.: DSG von Volkswagen:

Innovative Getriebetechnik mit Doppelkupp-lung – Potenziale und Zukunftschancen, CTIInnovative-Fahrzeug-Getriebe 2004, Beitrag A1

[2] Fischer, R.; Berger, R.; Bührle, P.; Ehrlich, M.:Vorteile des elektromotorischen LuK ASG amBeispiel der Easytronic im Opel Corsa, VDIBerichte 1610 „Getriebe in Fahrzeugen2001“, VDI Verlag, Düsseldorf, 2001, S. 37-63

[3] Fischer, R.; Schneider. G.: Die XSG-Familie:Trockenkupplungen und E-Motoren als Kern-elemente zukünftiger Automatikgetriebe. In:7. LuK Kolloquium 2002, S. 173-188

[4] Certeza, C.; Scher, O.; Stulzer, K.J.; Schier-horn, R.; Kelly, D.: Wet or Dry clutches forDual Cltuch Treansmissions (DCT´s), CTI Inno-vative-Fahrzeug-Getriebe 2004, Beitrag A2

[5] Pollak, B.; Kneißler, M.; Esly, N.; Norum, V.;Hirt, G.: Elektromechanische Aktorik – sokommen Getriebesysteme in die Gänge, 7. LuK Kolloquium, 2002, S. 205-218

[6] Berger, R.; Fischer, R.: Parallel-Schalt-Getrie-be (PSG) – Doppelkupplungsgetriebe mit Tro-ckenkupplungen, VDI-Berichte 1704 „Innova-tive Fahrzeugantriebe 2002“, VDI Verlag,Düsseldorf, 2002, S. 447-467



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