Herausgeber: LuK GmbH & Co. - · PDF fileBühl, im April 2002 Helmut Beier Vorsitzender...

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Redaktion: Ralf Stopp, Christa Siefert

Layout: Vera Westermann

Druck: Konkordia GmbH, BühlDas Medienunternehmen

Printed in Germany

Nachdruck, auch auszugsweise, ohneGenehmigung des Herausgebers untersagt.

Vorwort

Innovationen bestimmen unsereZukunft. Experten sagen voraus,dass sich in den BereichenAntrieb, Elektronik und Sicherheitvon Fahrzeugen in den nächsten15 Jahren mehr verändern wirdals in den 50 Jahren zuvor. DieseInnovationsdynamik stellt Herstel-ler und Zulieferer vor immer neueHerausforderungen und wirdunsere mobile Welt entscheidendverändern.

LuK stellt sich diesen Herausfor-derungen. Mit einer Vielzahl vonVisionen und Entwicklungsleistun-gen stellen unsere Ingenieure ein-mal mehr ihre Innovationskraftunter Beweis.

Der vorliegende Band fasst dieVorträge des 7. LuK Kolloquiumszusammen und stellt unsere Sichtder technischen Entwicklungen dar.

Wir freuen uns auf einen interes-santen Dialog mit Ihnen.

Bühl, im April 2002

Helmut Beier

Vorsitzenderder Geschäftsführung LuK Gruppe

LuK KOLLOQUIUM 2002

Inhalt

1 ZMS – nichts Neues? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Der Drehmomentwandler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Kupplungsausrücksysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 Der Interne Kurbelwellendämpfer (ICD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 Neueste Ergebnisse der CVT-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6 Wirkungsgradoptimiertes CVT-Anpresssystem . . . . . . . . . . . . . 61

7 Das 500 Nm CVT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8 Das Kurbel-CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

9 Bedarfsorientiert ansteuerbare Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10 Die temperaturgeregelte Schmierölpumpe spart Sprit . . . . . . . 113

11 Der CO2 Kompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

12 Komponenten und Module für Getriebeschaltungen . . . . . . . . 135

13 Die XSG Familie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

14 Neue Chancen für die Kupplung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

15 Elektromechanische Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

16 Denken in Systemen – Software von LuK . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

17 Das Parallel-Schalt-Getriebe PSG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

18 Kleiner Startergenerator – große Wirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . 213

19 Codegenerierung contra Manufaktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

WESTEV

17 Das Parallel-Schalt-Getriebe PSG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

199LuK KOLLOQUIUM 2002

Das Parallel-Schalt-Getriebe PSGDoppelkupplungsgetriebe mit Trockenkupplungen

Reinhard BergerRolf MeinhardCarsten Bünder

17

17 Das Parallel-Schalt-Getriebe PSG

200 LuK KOLLOQUIUM 2002

EinleitungDas Parallel-Schalt-Getriebe (PSG) ist eineDoppelkupplungsgetriebe-Variante.

Solche Getriebe sind seit langem bekannt. Bei-spielsweise war Ende der 80er Jahre das Por-sche-Doppelkupplungs-Getriebe im Renn-sport im Einsatz [1]. Zur Serienanwendung kames jedoch nicht. Auf der Suche nach ver-brauchsoptimalen Antriebssystemen erlebendie Doppelkupplungsgetriebe jetzt eine Renais-sance.

Bild 1: PSG - Prinzip

Als Mitglied der XSG Familie [2] verfügt dasPSG über folgende Merkmale:

� Trockenkupplungen und elektromotorischeKupplungsaktoren,

� Vorgelegebauweise und Stirnradverzah-nungen,

� synchronisierte Klauenschaltung mit elek-tromechanischer Aktorik und Active Inter-lock [4],

� gemeinsame Strategieelemente mit demASG.

Durch die Kombination dieser Merkma-le hebt sich das PSG von anderen Dop-pelkupplungsgetrieben ab.

Die Anforderungen an ein PSG und sei-ne Komponenten entsprechen hin-

sichtlich Funktionalität und Komfort de-nen, die auch an das Automatikgetriebeheutiger Bauart gestellt werden.

Die konsequente Einbindung des PSGin die XSG Familie ist besonders des-halb wichtig, weil eine ganze Reihe vonGetriebeherstellern an modularen Ge-triebefamilien arbeitet, bei denen ne-ben dem Handschalter auch verschie-dene automatisierte Varianten übergleiche Fertigungseinrichtungen laufensollen. Diesem modularen Ansatz trägtLuK bei seinen Komponenten, denKupplungen und Aktoren, Rechnung.So kann z. B. in Verbindung mit dem Ac-tive Interlock-System der gleiche Ge-triebeaktor für ein ASG oder für ein PSGbenutzt werden.

Der vorliegende Beitrag zeigt dieChancen, die sich durch den Einsatzvon Trockenkupplungen in einem Dop-pelkupplungsgetriebe ergeben, aber

auch die zu lösenden Knackpunkte. Desweiteren wird die Integration der in anderenBeiträgen [2], [3], [4], [5] vorgestellten Ein-zelkomponenten zum Gesamtsystem ge-zeigt. Dabei spielt auch das Thema Schwin-gungsisolierung mittels Schlupfregelungeine wichtige Rolle.



Chancen und Herausforderungen für die Trockenkupplung

ÜbersichtLuK stellt im Jahr ca. 12 Mio. Trockenkupp-lungen und ca. 3 Mio. Lock-Up-Kupplungenfür Wandler her. Für beide Varianten - trockenund nass - liegt also ein großes Know-how vor.Dies gilt auch für die Automatisierung, dennneben den ASG-Anwendungen mit Trocken-kupplungen hatte LuK auch ganz entschei-denden Anteil an der Entwicklung der nassenAnfahrkupplung der multitronic® von Audi.

Die Präferenz für die Trocken-Doppelkupp-lung im PSG ergibt sich aus den folgendenPunkten:

� geringerer Kraftstoffverbrauch,

� Option für modulare Getriebefamilien(MT, ASG, PSG),

� viel häufigere Verwendung als Anfahr-element.

Dem stehen verschiedene Bedenken gegen-über, die immer wieder geäußert werden,wenn es darum geht, Wandlerautomatendurch Getriebe mit Trockenkupplungen zu er-setzen. Insbesondere sind dies:

� der Belag-Verschleiß,

� die Wärmekapazität und Missbrauchs-festigkeit,

� die Regelbarkeit,

� das Verhalten im Fehlerfall.

LuK kann heute zeigen, dass all diese Punktezufriedenstellend gelöst werden können. Beieinigen bestehen sogar Vorteile für die Trok-kenkupplung im Vergleich zur Nasskupplung(Bild 2). Nachfolgend werden die wichtigstenKriterien im einzelnen behandelt.

Bild 2: Trocken- oder Nasskupplung?

Getriebeverluste und Kraft-stoffverbrauch

Das Handschaltgetriebe (MT) hat mit über96% einen hervorragenden Volllastwirkungs-grad. In realen Fahrzyklen mit hohem Teillast-anteil liegen jedoch schon die Verzahnungs-,Lager- und Schmierverluste im zweistelligenProzentbereich [6]. Im Bild 3 sind die zusätz-lich entstehenden Verluste in den Kupplungenund für die Getriebebetätigung dargestellt,während die oben genannten Basis-Verlust-anteile über alle Varianten als gleich betrach-tet und deshalb nicht gezeigt werden.

Diese Werte beschreiben die Verlustlei-stungsanteile im Bezug auf die im Verbren-nungsmotor induzierte Energie. Bei einer Um-rechnung in Verbrauchswerte kann es aufGrund des Motor-Verbrauchskennfeldes zuleichten Verschiebungen kommen.

Trocken-kupplung

Nass-kupplung

Verbrauch

ÜberlastbarkeitBerganfahrten

Option fürmodulare Familien

Bauraum/Gewicht

Verhalten beiAusfall

SchaltqualitätRegelbarkeit



Bild 3: Kupplungsverluste und Betätigungs-Hilfsenergie

Beim Anfahren und Schalten entstehen Reib-verluste in den Kupplungen. Für Wandlerau-tomaten betrifft dies nur die Schaltungen, daüber den Wandler und nicht über Kupplungenangefahren wird (Anfahrenergie AT steckt imorangen Balken). Durch die Lastschaltungenbeim PSG und DKG nass fallen die Kupplungs-verluste im Vergleich zum Handschaltgetriebeim NEFZ Zyklus um ca. 0,6% höher aus.

Weitere Verluste entstehen infolge vonSchleppmomenten in den nicht aktiven Kupp-lungen. Hier zeigt sich ein deutlicher Vorteil fürdie Trockenkupplung. Die größten Schlepp-verluste treten im Automatikgetriebe der kon-ventionellen Bauart auf, da dort permanentdrei oder mehr Kupplungen bzw. Bremsen mitmehreren Lamellen lastfrei mitlaufen [7]. BeimPSG und DKG nass ist die lastfreie Kupplungwährend der Fahrt schlupffrei angelegt,solan-ge kein Gang vorgewählt ist.

Auch beim Hilfsenergiebedarf für die Betäti-gung von Kupplungen und Schaltung ist einTrokkenkupplungssystem mit elektromecha-nischen Aktoren das Optimum. Der mittlereelektrische Leistungsbedarf wird mit 20 Wattabgeschätzt, beim heute in Serie befindlichenASG sind es 12 Watt. Die permanent mitlau-fende Ölpumpe, die Leckage des Drucköls,der Ölstrom durch Kühler und Filter verursa-chen beim AT bzw. DKG nass erheblich grö-ßere Verluste. Da im Fahren eine permanenteAnpressung der Kupplung(en) vorliegt, würde

eine elektrische Ölpumpe die Situation nichtverbessern.

Vor dem Hintergrund der Selbstverpflichtungder Automobilindustrie, den Flotten-Ver-brauch bis 2008 auf 140 g CO2 pro gefahre-nen Kilometer zu reduzieren, ist die Alternati-ve mit den Trockenkupplungen die bestmög-liche Lösung.

Lebensdauer von Trocken-kupplungenSeit der Einführung asbestfreier Kupplungs-beläge und selbstnachstellender Kupplungenmit erhöhter Verschleißreserve kommt es in-nerhalb eines normalen Autolebens praktischnicht mehr zum verschleißbedingten Aus-tausch der Kupplung. Bei automatisierterKupplungsbetätigung steigt die durchschnitt-liche Lebensdauer noch weiter an. Dies liegtan der größeren Konstanz in der Betätigungder Kupplung, aber auch an den gegenMissbrauch implementierten Strategien.

Dem gegenüber stellt sich beim PSG die be-rechtigte Frage: Wie verkraftet eine Trocken-kupplung den zusätzlichen Energieeintrag in-folge der Lastschaltungen? Schließlich mussdie kommende Kupplung zunächst das volleMotormoment übernehmen und dann dieDrehzahldifferenz abbauen.

Für Lebensdauerabschätzungen von Trok-kenkupplungen ist bei LuK ein gemischterFahrzyklus entwickelt worden, der mit Feld-ergebnissen und Dauerlauferprobungen beiunseren Kunden sehr gute Übereinstimmungerzielt. Dieser Zyklus beinhaltet 50% Stadt-fahrten, 30% Überlandfahrten, 18% Auto-bahnfahrten und 2% Bergfahrten. Insgesamtumfasst dieser Zyklus bei einer gefordertenFahrzeug-Lebensdauer von 240 000 km240 000 Anfahrten und 1,5 Mio. Schaltungen.

Die Ergebnisse der Verschleißhochrechnungfür ein Mittelklassefahrzeug zeigt Bild 4. Ausdem Diagramm geht hervor, dass ein Teil derAnfahrenergie auch in der Kupplung des zwei-ten Ganges aufgenommen wird. Je nachÜbersetzungsauslegung ist es einerseits



möglich, direkt im 2. Gang anzufahren (z. B.Teillastbetrieb) oder beide Kupplungen wäh-rend einer Anfahrt einzusetzen.

Den in Bild 4 gezeigten Ergebnissen ist eineum 30% höhere mittlere Verschleißrate (imVergleich zum Handschaltgetriebe heute) zu-grunde gelegt worden, um einerseits den Ei-genschaften der künftigen bleifreien BelägeRechnung zu tragen und andererseits die ten-dentiell höhere Bauteiltemperatur zu berück-sichtigen (höherer Energieeintrag durch Last-schaltung).

Bild 4: Lebensdauer Trockendoppelkupplung

Situationen mit sehr hohem Energieeintrag

Dauerkriechen, Schleichfahrt, Berganfahrtenohne und mit Hänger, Halten des Fahrzeugesam Berg - mit diesen Situationen verbindensich die meisten Bedenken beim Einsatz einerTrockenkupplung in einem Automatikgetrie-be. Jeder Fahrzeughersteller hat hier seine ei-genen Tests, die zum Teil sehr unterschiedli-che Akzente setzen.

Durch die Automatisierung der Trockenkupp-lung lassen sich die Situationen mit sehr ho-hem Energieeintrag besser beherrschen alsbeim Handschaltgetriebe. Dies zeigen die Er-

fahrungen mit der Mercedes A-Klasse (EKM)und dem Opel Corsa (ASG). Das PSG wie-derum bietet noch mehr Potenzial als ein ASG,und zwar aus folgenden Gründen:

� Ein zu 100% automatisiertes Getriebe bietetmehr Freiheiten in der Übersetzungsausle-gung des 1. Ganges als ein Add-on ASG.Eine größere Spreizung nach unten (1. undeventuell 2. Gang kürzer) führt nicht auto-matisch zu schlechterem Zyklusverbrauch,senkt jedoch die Reibleistungen bei Anfahrtoder Kriechen drastisch.

� Beim PSG kann die Reibwärme auf zweiKupplungen und deren Gussmassen verteiltwerden.

Im Bild 5 sind Temperatursimulationen für dieSituation „Halten am Berg“ für verschiedeneOptionen miteinander verglichen.

Man sieht, dass die Zeit, über die ein PSG-Fahrzeug, ohne die Kupplung zu zerstören,am Berg gehalten werden kann (Fall 3), fastdoppelt so groß wird, wie bei einem Hand-schalter (Fall 1). Dies ist z. B. in Situationenwichtig, wo man aus einer Ausfahrt, z. B. auseinem Parkhaus, herausfahrend noch einigeFahrzeuge passieren lassen muss.

Ab einem bestimmten Punkt müssen aberauch beim PSG die Selbstschutzmechanis-men der automatisierten Kupplung greifen [5].Einige Lösungsmöglichkeiten zeigt Bild 6.

Bild 5: Halten am Berg - Temperatursimulation



Bild 6: Halten am Berg – Kupplungsschutz

Dabei ist zu unterschei-den, ob der Fahrer auf demGaspedal steht und damitausdrücklich einen Be-schleunigungswunsch äu-ßert oder ob er lediglichdas Bremspedal losgelas-sen hat und in der Kupp-lung ein kleines Ankriech-moment aufgebaut wird.Im ersten Fall könnte dieKupplung nach einiger Zeit(einige Sekunden, sieheBild 5) langsam per Ram-pe geschlossen werden,im anderen Fall müsste sie öffnen, sieheBild 6. Beim Dauerkriechen beträgt aber dieZeitspanne, bevor der Selbstschutz greifenmuss, wegen des geringen Moments mehrereMinuten.

Messungen zu den Kupplungsschutz Strate-gien, die im Fahrversuch positiv beurteilt wur-den, finden sich in [5]. Für die Zukunft sindaber weiterführende, noch bessere Lösungendenkbar, nämlich dann, wenn die Getriebe-steuerung bei einem aktiven Bremssystem ei-nen Hillholder anfordern kann.

NotlaufverhaltenIn diesem Abschnitt wird das Notlaufverhaltenbei einem Totalausfall der Getriebesteuerungbetrachtet. Dies ist aus Sicht der Getriebesteue-rung sicherlich der schwerwiegendste Fall. Da-bei gilt, wie auch bei jedem Teilausfall, dass esnicht zu sicherheitskritischen Zuständen, d. h.zu unmittelbarer Unfallgefahr und Gefahr fürLeib und Leben von Personen, kommen darf.

Wie bei der Reaktion auf Prozessorfehler ge-zeigt wird [5], glaubt LuK auch hier, dass ein Bei-behalten des aktuellen Zustandes beider Kupp-lungen im Moment des Ausfalles die bestmög-liche direkte Reaktion ist, d. h. die Kupplungensollten weder öffnen noch schließen (Bild 7).

Mit einem solchen Notlaufverhalten lässt sichz. B. die Unfallgefahr an der roten Ampel oderam Fußgängerüberweg vermeiden, weil dieKupplungen in der entsprechenden Situation

Bild 7: Sicherer Kupplungszustand bei Totalausfall und laufendem Motor

offen sind und bleiben. Aber auch beim Fahrenwürde dieses Notlaufverhalten dem aktuellenFahrerwunsch Rechnung tragen und somit ge-fährliche Situationen vermeiden, in dem dieKupplungen nicht plötzlich öffnen. Dies ist z. B.beim knappen Überholen oder der Bergfahrtwichtig. Beim PSG könnte der Fahrer das Fahr-zeug selbst dann noch beschleunigen, wennder Totalausfall der Getriebesteuerung währendeiner Überschneidungsschaltung passiert.



Trockenkupplungen mit selbsthaltenden elek-tromotorischen Aktoren zeigen beim Abschal-ten der Leistungsendstufen ein solches Verhal-ten. Bei Nasskupplungen hingegen müsste Zu-satzaufwand betrieben werden, um den Zu-stand der Kupplungen einzufrieren.

Auf Kundenwunsch kann LuK auch mit elektro-motorischen Aktoren selbsttätig öffnende Kupp-lungen darstellen. Dies würde ein hydrostati-sches Ausrücksystem mit einem Notlaufventilund kraftfrei geöffneten Kupplungen erfordern.

Würde ein Ausfall von Getriebesteuerung und -betätigung mitten in einer Überschneidungs-schaltung stattfinden, stellt sich die Frage, ob eszum Blockieren des Getriebes kommen kann.Immerhin ist in jedem Strang ein Gang eingelegtund beide Kupplungen übertragen Moment.Hier muss zunächst betont werden, dass beideKupplungen in Summe nur das Motormomentübertragen, d. h. dass bei einer Überschnei-dungsschaltung simultan eine Kupplung ge-schlossen und die andere geöffnet wird. Dieslässt sich dank der bekannten Adaptionen fürdie Kupplungskennlinie (Tastpunkt, Gradient)[9] sowie durch die Momentennachführung bzw.Schlupfregelung sehr zuverlässig einstellen.

Käme es jetzt zum Notlauf, so würde eineKupplung schlupfen, das Getriebe aber aufkeinen Fall blockieren. Das Abtriebsmomentkann mit folgender Formel berechnet werden:

Mab Abtriebsmoment

Mmot Motormoment

MK2 Moment der schlupfenden Kupplung

nmot Motordrehzahl

n2 Drehzahl Eingangswelle mit Schlupf

i1 Übersetzung haftende Kupplung

i2 Übersetzung schlupfende Kupplung

Das Abtriebsmoment wird also durch das Mo-tormoment, das Moment der schlupfendenKupplung sowie den Gangsprung bestimmt.Selbst nach Ausfall der Getriebesteuerung

kann der Fahrer die Beschleunigung noch mitdem Motor beeinflussen. In Bild 8 sind die Lei-stungsflüsse für den Fall, dass der Fahrer wei-terhin beschleunigen möchte, dargestellt.

Erst wenn der Fahrer vom Gas geht, würdesein Wunsch nach Verzögerung etwas stärkerals erwartet umgesetzt, Bild 9.

Bild 8: Leistungsflüsse im Zugbetrieb nach Ge-triebesteuerungsausfall während Über-schneidung

Bild 9: Leistungsflüsse im Schubbetrieb nach Ge-triebesteuerungsausfall während Über-schneidung

Die Gefahr, dass dabei die Räder die Haftungverlieren, besteht nur, wenn alles zusammen(Ausfall beider Kupplungsaktoren während ei-ner Überschneidung und Fahrer geht vom Gas)auch noch auf glatter Fahrbahn passiert. Untersolchen Straßenverhältnissen kann aber einZug-Schub-Lastwechsel bei jedem Getriebesy-stem zu einem Rutschen der Räder führen,auch ohne dass ein Fehler vorliegt.

Dies wird aus Bild 10 ersichtlich. In den Be-schleunigungs-Zeitverläufen tritt die größteVerzögerung nach dem Lastwechsel im1. Gang auf. Erst im eingeschwungenen Zu-stand ist die Verzögerung eines PSG größer,wenn zuvor während einer Schaltung das Ge-triebe ausgefallen ist und die Kupplungsposi-tionen eingefroren wurden.



Bild 10: Lastenwechsel:Beschleunigungs-Zeit-Verläufe

Eine Motor-Schleppmomenten-Regelung kannin beiden Fällen ein Rutschen der Räder ver-hindern. Im Bild 10 ist das beispielhaft für ei-nen Lastwechsel gezeigt, bei dem der Motorauf Nullmoment geht.

Durch einen geringfügigen Zusatzaufwand inder Fahrzeugverkabelung lässt sich die Ver-fügbarkeit der Getriebesteuerung eines PSGim Vergleich zum ASG erhöhen.

Bild 11: Redundante Absicherung derPSG-Getriebesteuerung

Man sichert einfach die unabhängigen Kupp-lungsaktoren getrennt ab, so dass z. B. beimKurzschluss in einem Kupplungsaktor zwardie zugehörige Sicherung durchbrennt, dieGetriebesteuerung und der andere Kupp-lungsaktor nach wie vor versorgt werden(Bild 11).

Das zuvor betrachtete Ausfallszenario, dassbeide Kupplungen Moment übertragen undnicht mehr modulierbar sind, wird dabei in sei-ner Auftretenswahrscheinlichkeit minimiert,und es bedarf eines Doppelfehlers, dass esüberhaupt auftritt.

RegelbarkeitFür die Regelung einer Trockenkupplung gilteine Moment-Weg-Kennlinie. Bei einer Nass-kupplung beschreibt eine Kombination ausMoment-Volumen-Kennlinie und Moment-Druck-Kennlinie das Übertragungsverhalten(Bild 12). Diese Kombination ergibt sich, weildie Nasskupplung zunächst vorbefüllt werdenmuss (Volumen), bevor über den Druck eineAnpresskraft eingestellt werden kann.

Trockenkupplung und Nasskupplung habeneines gemeinsam: Das übertragene Kupp-lungsmoment hängt ganz wesentlich vom ak-tuellen Reibwert ab und der kann in beiden Sy-stemen streuen. Die Reibwertänderungenbeider Systeme zeigen folgende Besonder-heiten:

� Kurzfristig kann sich der Reibwert einerTrockenkupplung stärker ändern als bei derNasskupplung, was jedoch durch intelligen-te Adaptionsalgorithmen [9] erfolgreichkompensiert werden kann.

� Über Lebensdauer erholt sich die Trocken-kupplung normalerweise wieder, auch wennsie kurzzeitig nach hohem Energieeintragihre Kennlinie stark verändert hat. Bei einerNasskupplung kommt es zu einer irreversi-blen Ölalterung, die sich in einem negativenReibwertgradienten äußert (Bild 13). Durcheinen Ölwechsel kann die ursprünglicheReibwertcharakteristik wiederhergestelltwerden.



Vom ASG her gibt es Erfahrungen, die dieseAussagen untermauern. Bei LuK existiert bei-spielsweise ein Programm zur objektiven Be-wertung der Schaltqualität anhand gemesse-ner Beschleunigungsverläufe. Dieses wird fürdie regelmäßige Beurteilung von Fahrzeugenim Dauerlauf benutzt. Die im Bild 14 darge-stellten Ergebnisse zeigen, dass sich dieSchaltqualität eines ASG mit Trockenkupp-lung über Lebensdauer praktisch nicht ändert.

Bild 12: Kennlinien

Bild 13: Nasskupplung: Ölalterung

Bild 14: Trockenkupplung:Konstanz über Lebensdauer

Ausführungsbeispiele

Trocken Doppelkupplung und Betätigung

Nachdem die funktionalen Aspekte beimEinsatz einer Trockenkupplung im PSG be-handelt worden sind, werden nun konstruk-tive Ausführungen gezeigt. Im Zusammen-bau müssen die Doppelkupplung, dasSchwungrad, die Schwingungsdämpfer so-wie die Kupplungsausrücksysteme undKupplungsaktoren so aufeinander abge-stimmt sein, dass der knappe Bauraum op-timal genutzt wird. Alle Komponenten sollenin der Kupplungsglocke bzw. am Getriebeihren Platz finden. Dabei gibt es zwei be-sondere Herausforderungen:

� den axialen Bauraum in der Kupplungs-glocke (insbesondere bei Front-quer-Anwendungen),

� das Package rund um das Getriebe fürdiejenigen Aktorikkomponenten, dienicht in der Kupplungsglocke unterge-bracht werden.



Bild 15: Beispiele Doppelkupplung

Im Bild 15 links ist eine Doppelkupplung mit vor-geschaltetem ZMS zu sehen, rechts eine Dop-pelkupplung mit Dämpfer-Kupplungsscheibenund einer Flexplate. Letztgenannte Variante hatwesentliche Vorteile beim axialen Bauraum(ca 20 mm) und der Massenträgheit(ca 0,1 kgm2). Dass sich daraus keine Nach-teile bei der Schwingungsisolation ergebenmüssen, wird im nachfolgenden Abschnitt ge-zeigt.

Verschiedene Optionen für Ausrücksystemund Kupplungsbetätigung sind Gegenstandvon [3] und [4]. Die Konstruktionsbeispiele imBild 15 beinhalten einen doppelten Rampen-mechanismus.

Bild 16: Ausrücksystem Doppelkupplung

Bild 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel für dieelektromotorischen Aktoren, die diesen dop-pelten Rampenmechanismus betätigen.

Hervorzuheben ist die deckelfeste Anbindungdes Ausrücksystems an der Kupplung überein Stützlager. Dies hat folgende Vorteile:

� Reduktion der im Ausrücksystem vorzuhal-tenden Toleranzen,

� radiale Abstützung der Kupplungsmasse imGetriebegehäuse,

� Betätigungskräfte wirken nicht auf die Kur-belwelle, sondern werden intern abgestützt.

Kupplung und Ausrücksystem bilden eine Ein-heit und gehören zum Getriebe. So kann dieGesamtmontage und das Einlernen des kom-pletten PSG bereits im Getriebewerk erfolgen.

Dauerschlupf zurSchwingungsisolationAuch mit der vom Bauraum her günstigerenDoppelkupplungsvariante mit Dämpfer-Schei-ben und Flexplate lässt sich der vom ZMS ge-wohnte, gute Geräuschkomfort im Fahrzeug er-zielen. Zu diesem Zweck wird die Kupplung inden schwingungsempfindlichen Betriebsberei-chen des geschlossenen Antriebsstrangs mitDauerschlupf betrieben. Details zur Regelungs-strategie werden in [5] vorgestellt.



Die Torsionsdämpfer in den Kupplungsschei-ben gewährleisten, dass man in weiten Dreh-zahlbereichen ohne Schlupf fahren kann [8]. Inden Betriebsbereichen, in denen es beim ge-schlossenen Antriebsstrang Geräuschproble-me gäbe, bietet der gezielte Schlupf punktuellsogar eine bessere Isolation als ein ZMS. Auchbei Lastwechseln, sowohl von Schub nach Zugals auch von Zug nach Schub, lassen sich durchden definierten Schlupf Schwingungsanregun-gen im Triebstrang vermeiden [9].

Unter Dynamikgesichtspunkten bietet die Vari-ante ohne ZMS ebenfalls Vorteile. Die Massen-trägheit der Doppelkupplung ist etwa genausogroß wie die gesamte Massenträgheit einesZMS und einer Einfachkupplung zusammenge-nommen, d. h. bezüglich der Massenträgheitgibt es kaum einen Unterschied zwischenHandschaltgetriebe bzw. ASG und dem PSG.Damit sind auch die Beschleunigungsleistun-gen und die Motordynamik vergleichbar. Bei ei-ner Doppelkupplung mit ZMS müsste als zu-sätzliche Massenträgheit noch die Primärmas-se hinzugenommen werden, die zur Beruhi-gung der Kurbelwelle notwendig ist. Diese liegtim Bereich von 0,1 bis 0,13 kgm2 (Bild 17).

Bild 17: Trägheitsmomente (inkl. Kurbelwelle)

Bei der Lösung mit Flexplate ist die primäreSchwungmasse des Verbrennungsmotors er-heblich größer als bei der ZMS-Lösung, so-dass die Kurbelwelle ohnehin schon ruhigerläuft. D. h. die motorseitigen Anregungen wer-den bei einem PSG mit trockener Doppel-kupplung, Flexplate und Dämpfer-Kupplungs-scheiben im Vergleich zu den anderen Getrie-bevarianten reduziert, auch im Vergleich zumHandschaltgetriebe (Bild 18).

Simulationsrechnungen und Versuche habengezeigt, dass bereichsweiser Dauerschlupf zurSchwingungsisolierung nicht zu einem erhöh-ten Kraftstoffverbrauch führt und nur geringfügi-gen Mehrverschleiß der Reibbeläge bewirkt.

Bild 18: Drehungleichförmigkeit

Auf den ersten Blick mag es unplausibel er-scheinen, dass zusätzlicher Kupplungs-schlupf den Kraftstoffverbrauch nicht erhöht.Die Begründung dafür liegt in der gegenüberder ZMS-Lösung geringeren Massenträgheitdes Aggregates. Die zusätzliche Primärmas-senträgheit des ZMS muss bei allen Be-schleunigungsvorgängen mitbeschleunigtwerden, so dass nicht nutzbare kinetische En-ergie in ihr gespeichert wird. Bei einer primä-ren Massenträgheit von 0,1 kgm2 entsprichtdas im europäischen Verbrauchszyklus ei-nem Mehrverbrauch von ca. 0,5%. Für denbereichsweisen Dauerschlupf wurden Verlu-ste in der gleichen Größenordnung berech-net, so dass sich die Einsparung infolge ge-ringerer Massenträgheit und der Verlustdurch Schlupf kompensieren (Bild 19).

Bild 19: Verbrauchsbilanz PSG mit/ohne Schlupf-regelung

Der geringe Mehrverschleiß von bis zu 0,4 mmpro Kupplung wurde bereits im Bild 4 gezeigt.

ohne ZMS mit ZMS

MT / ASG 0,2 kgm2 0,25 kgm2

PSG 0,25 kgm2 0,35 kgm2Mehrverbrauch

Manueller Modus

Automatik Modus

Optimierung Motorbetriebspunkt ± 0% -5,0%

Reduktion Massenträgheit -0,5% -0,5%

Schlupfregelung +0,5% +1,0%

Bilanz ± 0% -4,5%

*beispielhafter Durchschnittswert

*



Active Interlock zurGetriebebetätigungMit dem von LuK entwickelten Active-Inter-lock-System [4] wird der Aufwand für die au-tomatisierte Schaltbetätigung im Getriebe aufein Minimum reduziert.

Bild 20: Active Interlock-Schaltsystem für PSG

Die Bauteile der Innenschaltung (Schaltgabeln,Schaltschienen, Führungsteile) entsprechendenen eines Handschaltgetriebes bzw. ASG(Bild 20). Für das zweite Teilgetriebe des PSGwird kein zweiter Getriebeaktor benötigt (Bild 1).Es genügt, den ASG-Getriebeaktor an denSperrelementen geringfügig zu modifizieren,um ihn zum Schalten beider Teilgetriebe desPSG einsetzen zu können.

Für Getriebehersteller, die das PSG modularaus einer Handschaltgetriebefamilie ableiten,ist das Active Interlock-Schaltsystem wegen dergroßen Ähnlichkeit zum Handschalter/ASG be-sonders vorteilhaft. Selbst der Flansch für denAnbau des Getriebeaktors kann genauso aus-geführt sein wie beim Handschaltgetriebe derFlansch für das Schaltungsmodul [4].

Möglich wird der Verzicht auf den zweiten Ge-triebeaktor dadurch, dass in den Schaltstan-gen die Mäuler breiter sind als der Schaltfin-

ger, der über diese Mäuler die Schaltstangenbetätigt. Somit können im PSG zwei Gängegleichzeitig eingelegt werden, d. h. ein gera-der und ein ungerader Gang zur gleichen Zeit(Bild 21).

Bild 21: Schalten von zwei Gängen mitActive Interlock

Außerdem gewährleistet das Active Interlock-System, dass niemals zwei ungerade oderzwei gerade Gänge gleichzeitig eingelegtwerden können [4].

Integration der Parksperre

Das PSG soll nicht nur von der Funktion her son-dern auch hinsichtlich der Bedienbarkeit ein voll-wertiger Ersatz für heutige Automatikgetriebesein. Das führt heute zur Forderung nach ei-ner integrierten Parksperre, auch wenn dieseFunktion in Zukunft vielleicht mit elektrischenBremssystemen realisiert wird.



Für die aktuellen Projekte hat LuKnach Möglichkeiten gesucht, einer-seits die Vorteile des Shift-by-Wire-Systems (Geräusch-entkoppelungzum Innenraum, Freiheiten beim In-nenraumdesign) zu nutzen und an-dererseits Parksperr-Lösungen mitminimalem Zusatzaufwand zu ent-wikkeln.

Die scheinbar einfachste Lösungwäre es, in jedem Teilstrang desGetriebes einen Gang einzulegenund beide Kupplungen zu schlie-ßen. Allerdings wäre in diesem Zu-stand das Anlassen des Verbren-nungsmotors in einer P-Stellungdes Wählhebels nicht möglich, denndafür müssten die Kupplungen geöff-net und somit die Wegrollsicherungaufgehoben werden. Dies würdedem Stand der Technik bei Automa-tikgetrieben mit Parksperre wider-sprechen.

Die mechanische Parksperrklinke,wie sie in heutigen Automatikgetrie-ben zu finden ist, ist ein verhältnis-mäßig einfaches Bauteil. Die Park-sperrklinke könnte auch durch denelektromotorischen Getriebeaktordes PSG betätigt werden. Dabeigibt es folgende Ideen:

� Die Parksperrklinke wird durchden Getriebeaktor aktiv ein- undausgelegt.

� Das Einlegen der Parksperrklinkeerfolgt mittels eines Federspei-chers, das Lösen aktiv durch denGetriebeaktor. Beim Fahren wirddie Parksperre durch einen Hal-temagneten offen gehalten.

Beide Lösungen sind gemäß dem ak-tuellen Stand der Technik praktika-bel. Letzten Endes muss die Aus-führung in Zusammenarbeit mitdem Fahrzeughersteller auf das fa-vorisierte Bedienkonzept abge-stimmt werden. Das Anliegen vonBild 22: Konstruktionsbeispiel integrierte Parksperre



LuK ist es, seinen Kunden einen Mehrauf-wand zu ersparen, indem bei der Konstruktiondes Getriebeaktors die Option der Parksperr-betätigung berücksichtigt wird.

Bild 22 zeigt ein Ausführungsbeispiel für dasLösen der Parksperre mit dem elektromotori-schen Getriebeaktor.

Zusammenfassung und AusblickDas Parallel-Schalt-Getriebe ist ein Automa-tikgetriebe mit trockener Doppelkupplung. Esist Teil der XSG Familie und baut auf demKnow-how auf, welches LuK mit der Trocken-kupplung und deren Automatisierung sowieder Automatisierung von Schaltgetrieben ge-wonnen hat. Das Hauptargument für den Ein-satz von Trockenkupplungen ist die größt-mögliche Verbrauchseinsparung, ohne dassdabei im Vergleich zum WandlerautomatenAbstriche beim Fahrkomfort in Kauf genom-men werden müssen.

Gegenwärtig wird bei LuK ein erstes PSG-Funktionsmuster aufgebaut. Darüber hinausgibt es weitere sehr interessante Projekte mitverschiedenen Fahrzeug- bzw. Getriebeher-stellern. Aus heutiger Sicht ist ein erster Se-rieneinsatz im Modelljahr 2006 denkbar.

Während das ASG eher für kleinere odersportlichere Fahrzeuge und Motoren geeignetist, kann das PSG in allen Fahrzeugklassenund Motorisierungen eingesetzt werden.

LuK möchte mit seinem Know-how und sei-nen Komponenten dazu beitragen, dem Kun-den innovative, ökonomische und wettbe-werbsfähige Getriebesysteme anzubieten.

Literatur[1] Flegl, H.; Wüst, R.; Stelter, N.;

Szodfridt, I.: Das Porsche-Doppelkupp-lungs-(PDK)-Getriebe, ATZ 89 (1987) 9,S. 439 - 452.

[2] Fischer, R.; Schneider, G.: Die XSG Fa-milie – Trockenkupplungen und E-Moto-ren als Kernelemente zukünftiger Auto-matikgetriebe, 7. LuK Kolloquium 2002.

[3] Reik, W.; Kimmig, K.-L.; Meinhard, R.;Elison, H.-D.; Raber, C.: Neue Chancefür die Kupplung? 7. LuK Kolloquium2002.

[4] Pollak, B.; Kneißler, M.; Esly, N.;Norum, V.; Hirt, G.: Elektromechani-sche Aktorik – So kommen Getriebesy-steme in die Gänge, 7. LuK Kolloquium2002.

[5] Küpper, K.; Werner, O.; Seebacher, R.:Denken in Systemen – Software vonLuK, 7. LuK Kolloquium 2002.

[6] Wagner, G.: Berechnung der Verlustlei-stung von Kfz-Vorgelegegetrieben, VDIBerichte 977, 1992, S. 175 - 198.

[7] Wagner, G.; Bucksch, M.; Scherer, H.:Das automatische Getriebe 6HP26 vonZF-Getriebesysteme, konstruktiver Auf-bau und mechanische Bauteile, VDIBerichte 1610, 2001, S. 631 - 654.

[8] Fischer, R.; Berger, R.: Automatisie-rung von Schaltgetrieben, 6. LuK Kollo-quium 1998.

[9] Fischer, R.; Berger, R.; Salecker, M.:Anforderungen an die Verbrennungsmo-tor-Steuerung bei Automatisierung desSchaltgetriebes, 19. Internationales Wie-ner Motorensymposium, Mai 1998.

Herausgeber: LuK GmbH & Co. - · PDF fileBühl, im April 2002 Helmut Beier Vorsitzender...

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