Mission CO2-Reduktion: Die Zukunft des manuellen … · 2019. 5. 24. · n o d h i o e a s m i o u...

N O D H I O E A S M I O u E N l O A N G A D F J G I O J E R u I N K O P J E W l S P N Z A D F T O I E O H O I O O A N G A D F J G I O J E R u I N K O P O A N G A D F J G I O J E RO N O D H I O E A S M I O u E N l O A N G A D F O I E R N G M D S A u K Z Q I N K J S l O G D W O I A D u I G I R Z H I O G D N O I E R N G M D S A u K N M H I O G D N O I E R N Gu O I E u G I A F E D O N G I u A M u H I O G D V N K F N K K R E W S P l O C Y Q D M F E F B S A T B G P D R D D l R A E F B A F V N K F N K R E W S P D l R N E F B A F V N K F Nu u D P B D B H M K R x B D P B D l D B E u B A R N G M J B K R E W S P l O C Y Q D M F E F B S A T B G P D B D D l R B E Z B A F V R K F N K R E W S P Z l R B E O B A F V N K F NA u D R u A N D O r G I u A R N H I F G D N l S R N G M D S B N D S A u K Z Q I N K J S l W O I E P N N B A u A H I O G D N P I E R N G M D S A u K Z Q H I O G D N W I E R N G M DA A A E A u t o m A t i s i e r u n g G D N O I A W Z Y K F S A u K Z Q I N K J S l W O Q T V I E P N Z R 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Mission CO2-ReduktionDie Zukunft des manuellen Schaltgetriebes

Jürgen KrollMarkus HausnerRoland Seebacher

58 594Manuelles Schaltgetriebe

Einleitung

Auf absehbare Zeit wird der Verbrennungs-motor die dominierende Antriebsquelle in der individuellen Mobilität bleiben. Dabei ist die größte Herausforderung, den Kraft-stoffverbrauch weiter entsprechend den immer strenger werdenden gesetzlichen Vorgaben zu senken – und das bei mög-lichst gleichbleibendem Fahrkomfort und Fahrspaß! Alle Möglichkeiten auf der Moto-ren- und Getriebeseite müssen gleicher-maßen angegangen werden: Verbrauchs-günstige Fahrstrategien sind hier ein Schlüssel zur Zielerreichung. Um diese re-alisieren zu können, ist eine weitere Auto-matisierung des Getriebes und eine Elekt-rifizierung notwendig. Das klassische Handschaltgetriebe gerät so unter Druck und läuft Gefahr, zumindest in den ent- wickelten Märkten verdrängt zu werden. Auf der anderen Seite bleiben Handschal-ter unter Kostengesichtspunkten weiter attraktiv. Sie würden auch zukünftig eine große Rolle spielen, wenn es gelingt, kos-tengünstige Systeme zu entwickeln, die Fahrstrategien wie das „Segeln“ auch beim Handschalter möglichen machen.

Durch eine solche Teilautomatisierung des Handschalters ließen sich ohne Mehr-kosten auch Komfort- und Schutzfunktio-nen integrieren. Der Kraftstoffverbrauch könnte dann noch weiter gesenkt werden, indem z. B. eine längere Achsübersetzung gewählt wird. Ein Missbrauch, sprich ein Überhitzen der Kupplung, wird dabei durch die Teilautomatisierung verhindert.

Das so mögliche „extreme“ Downspee-ding hat aber auch Nachteile, insbesondere bei den zukünftig weit verbreiteten Motoren mit geringer Zylinderzahl und/oder Zylinder-abschaltung: Um den vom Endkunden er-warteten Komfort sicherzustellen, müssen immer bessere Systeme zur Schwingungs-isolation entwickelt werden. Zwar bietet das

von LuK entwickelte Fliehkraftpendel (FKP) hier auch für die kommenden Jahre großes Potenzial, dennoch werden langfristig noch leistungsfähigere Systeme zur Anwendung kommen müssen.

Ausgangssituation – Handschaltgetriebe unter Druck

Neben den Anstrengungen, auf der Moto-renseite den Verbrauch weiter zu senken, muss auch das Getriebe einen möglichst hohen Beitrag zu einem effizienten An-triebsstrang leisten. Das Handschaltgetrie-be bietet mit seinem hohen Wirkungsgrad hierfür zunächst eine gute Basis. Allerdings sind weitere konventionelle Optimierungs-maßnahmen wie Verlustreduzierung oder Erhöhung der Ganganzahl und Getrie-bespreizung begrenzt. Einen wesentlich höheren Beitrag kann das Getriebe leisten, wenn es dem Verbrennungsmotor einen Betrieb bei hohem Wirkungsgrad ermög-licht. Bei den heutigen Motoren bedeutet dies niedrige Drehzahlen oder eine Ab-schaltung, wenn er nicht gebraucht wird. Naturgemäß bietet ein Handschaltgetriebe zunächst ungünstige Voraussetzungen, um dieses Potenzial zu erschließen und gerät daher zunehmend unter Druck. Ab-gesehen von optischen Schaltpunktemp-fehlungen können keine verbrauchsopti-mierten Schaltstrategien genutzt werden. Zudem sind auch Hybrid- oder erweiterte Start-Stopp-Funktionen auf eine gewisse Automatisierung angewiesen.

Unter diesem Gesichtspunkt ist die Au-tomatisierung längst nicht mehr nur getrie-ben von dem Wunsch des Autokäufers nach mehr Komfort. Sie ist in einigen Fahr-zeugklassen zwingend erforderlich, um die

künftigen CO2-Grenzwerte zu erreichen und um damit empfindliche Strafzahlungen zu vermeiden. 2015 wird in Europa die Grenze von heute 135 g CO2/km auf 130 g CO2/km gesenkt und für 2020 sind 95 g CO2/km be-reits beschlossen.

Mit einer weitreichenden Verdrängung des Handschaltgetriebes ist laut aktueller Prognosen dennoch auf absehbare Zeit nicht zu rechnen. Es hat nach wie vor den höchsten Marktanteil, insbesondere bei den unteren Fahrzeugsegmenten, sowohl in den BRIC-Staaten als auch in Europa (Bild 1).

Um diese starke Marktposition auch für die Zukunft zu sichern, ist eine Aufwertung des Handschaltgetriebes erforderlich. Im Vordergrund stehen dabei Möglichkeiten zur Verbrauchsreduzierung, aber auch Funktionen zur Erhöhung des Komforts, wie beispielsweise ein Anfahr- oder Stauassis-tent, wären eine sinnvolle Ergänzung.

Neue Chancen für das Handschaltgetriebe

Zur Bewertung möglicher Verbrauchsvorteile ist primär der gültige Fahrzyklus heranzuziehen und dahingehend zu analysieren, in welchen Phasen welche Maßnahmen Vorteile bringen können. Beispielsweise führte der Stoppanteil von etwa 20 % im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) zur flächendeckenden Einführung der Start-Stopp-Systeme in Europa mit einem Verbrauchsvorteil im Bereich von 5 %. Die Wei-terführung dieser Technologie ist, den Motor auch während der Fahrt auszuschalten, wozu er vom Antriebsstrang getrennt werden muss. Dieser sogenannte Segelbetrieb ist theoretisch immer dann sinnvoll, wenn die Fahrzeugverzö-gerung im Bereich zwischen Fahrwiderstand und Motorbremsmoment liegt. Im aktuell

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2014 2020Europa Japan

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Bild 1 Weltweite Fahrzeugproduktion nach Getriebetechnologien (Quelle: CSM Aug. 2013)


gültigen NEFZ gibt es diese Phasen nicht, wo-mit eine Segelfunktion keinen Vorteil bringt. Mit dem geplanten WTLP (Worldwide harmonized Light Test Procedure) würde sich dies ändern. Intern durchgeführte Verbrauchssimulationen mit einem 2,0-l-Dieselmotor (Bild 2) zeigen, dass abhängig von der Segelstrategie Ver-brauchsreduzierungen von mehr als 6 % mög-lich sind. Bereits mit Segeln nur in den oberen Gängen (4/5/6) lässt sich eine Reduzierung von etwa 4 % erreichen. Im Gegensatz dazu schmilzt allerdings aufgrund des geringeren Stopp-Anteils im WLTP das Potenzial heutiger Start-Stopp-Systeme um mehr als 50 %.

Die Segelfunktion ist bisher nur mit Au-tomatikgetrieben möglich und bei einigen Modelle bereits in Serie. Allerdings ist eine

komplette Getrie-beautomatisierung nicht zwingend er-forderlich. Theore-tisch wäre bereits eine automatisierte Kupplung zum Trennen von Motor und Getriebe aus-reichend.

Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Automatikgetriebe sind Fahrzeuge mit Handschaltgetriebe im Zyklus an eine geschwindigkeits-abhängige Gang-

vorgabe gebunden. Um den Motor effizient im niedrigen Drehzahlbereich zu betreiben, müssen die Getriebeübersetzungen redu-ziert werden. Das Potenzial wäre beachtlich. Eine 10 % geringere Motordrehzahl reduziert den Verbrauch bei konstanten 70 km/h im 5. Gang um 7 % (Beispielsimulation mit 2,0-l-Dieselmotor), für den NEFZ ist eine Kraftstoff-einsparung von ca. 5,6 % und für den WLTP von ca. 2,5 % realisierbar. Allerdings würde darunter das Anfahrverhalten leiden: Sowohl Komfort als auch Kupplungsbelastung wür-den negativ beeinflusst. Auch hierfür könnte eine automatisierte Kupplung die Lösung bringen. Die höheren Anforderungen könn-ten durch automatisierte oder unterstütz-te Anfahrvorgänge kompensiert werden.

Darüber hinaus könnte mit einer Kupplungs-schutzstrategie zusätzliche Sicherheit ge-schaffen werden.

Eine Kombination der Maßnahmen Segeln und Drehzahlabsenkung führt theoretisch zu einer Einsparung im Bereich von 5 – 10 %, je nach Fahrzyklus. Eine Kupplungsautomati-sierung würde noch weitere Möglichkeiten eröffnen (Bild 3). Der höhere Automati- sierungsgrad würde einen Einstieg in die Hybridisierung bei einem Handschaltgetriebe erheblich unterstützen. Mit einem zusätz- lichen elektrischen Antrieb, zum Beispiel einer elektrischen 48-V-Antriebsachse, wäre in ei-nem Stop-and-Go-Modus auch elektrisches Anfahren und Rollen möglich (Stauschieben). Das Fahren mit konstanter Geschwindigkeit könnte teilweise auch ohne Verbrennungsmo-tor rein elektrisch erfolgen (elektrisches Se-geln) und beim Bremsen ließe sich die Effekti-vität einer Energierückgewinnung um die Schleppverluste des Verbrennungsmotors steigern. Interne Berechnungen zeigen, dass sich der mögliche Verbrauchsvorteil aller Maßnahmen zusammen im Zyklus auf mehr als 20 % summieren kann [1].

Neben den Potenzialen zur Verbrauchs-einsparung sind auch Komfortsteigerungen ein interessanter Aspekt. In einem automa-tisierten Stop-and-Go-Modus hätte der lin-ke Fuß Pause und würde den Fahrer und auch die Kupplung im lästigen Staubetrieb erheblich entlasten.

Automatisierung Hand-schalter: alte Bekannte

Das von LuK entwickelte Elektronische Kupplungsmanagement (EKM, Bild 4), bei dem der Fahrer noch selber schalten, aber nicht mehr kuppeln muss, ging 1993 im BMW ALPINA in Serie [2, 3]. Allerdings konnte diese konsequente Umsetzung ei-ner Kupplungsautomatisierung die Endkun-den damals nicht überzeugen. Fahrzeuge mit EKM fanden nur wenige Abnehmer und sind mittlerweile nicht mehr auf dem Markt. Ein wesentlicher Grund hierfür ist vermut-lich, dass ein Fahrzeug mit nur zwei Peda-len, also ohne Kupplungspedal, bei dem

ErweiterungStart-Stopp, Segeln Hybridfähigkeit

Assistenz- undKomfortfunktionen Schutzfunktionen

Bild 3 Motivationen für die Kupplungsautomatisierung

1997 2013

Bild 4 EKM bei der Markteinführung (Großserie) und in einem Konzeptfahrzeug

5,145,00

4,83 4,874,864,72

4,85

4,57

4,85

4,68

4,0

4,5

5,0

5,5

NEFZ WLTP

Verb

rauc

h in

l/10

0 km

BasisStart-Stopp

Segeln (VM an)Segeln (VM aus)

Segeln G 4/5/6 (VM aus)VM = Verbrennungsmotor

-6,1 %-2,6 %

-6,1 %

Bild 2 Verbrauchsvorteile Start-Stopp und Segeln für verschiedene Fahrzyklen

Getriebeaktor

Kupplungsaktor

ASGEKMHSG

Bild 5 Automatisierung Handschaltgetriebe (HSG)


Endkunden die Erwartung eines Automa-tikgetriebes weckt, die von einem EKM nicht erfüllt werden kann.

Etwa zeitgleich mit dem EKM ging auch das Automatisierte Schaltgetriebe (ASG, Bild 5) in Großserie. Auch diese Technologie findet bis heute nur wenige Abnehmer und steht ak-tuell nur bei wenigen Modellen zur Wahl. Das ASG konnte sich wegen der unerwünschten Zugkraftunterbrechung nicht durchsetzen, da dadurch nur eingeschränkt die Komforter-wartungen an ein Automatikgetriebe erreicht werden. Der weltweite Marktanteil stagniert bei Werten unter 1 %, womit das ASG aktuell mit Abstand die geringsten Stückzahlen aller Getriebetechnologien aufweist.

Damit blieben die bisherigen Versuche, ein Handschaltgetriebe zu automatisieren weitgehend erfolglos. Sowohl beim Fahr-spaß als auch beim Fahrkomfort konnte kei-ne ausreichend Akzeptanz erreicht werden. Aus heutiger Sicht ergeben sich jedoch neue Chancen. Sowohl EKM als auch ASG bieten eine gute Basis, um die im vorange-gangenen Abschnitt beschriebenen Strategi-en zur Verbrauchssenkung zu unterstützen.

Zur Aufwertung von Handschaltgetrie-ben gibt es aber noch weitere Alternativen

lichkeit zur Aufwertung des Handschaltge-triebes vorgestellt. Der Fokus lag dabei bisher auf einer umfassenden Komfortstei-gerung von Kupplungsbetätigung und An-fahrverhalten bis hin zur Verbesserung des NVH-Verhaltens. Allerdings führten diese bisher betrachteten Funktionalitäten zu kei-nem ausreichenden Kosten-Nutzen-Ver-hältnis. Das Konzept wurde aus der bisheri-gen Motivation heraus nicht weiter verfolgt und wird bis heute nicht in Serie eingesetzt.

In Bild 6 ist die Architektur eines Clutch by Wire-Systems dargestellt. Die für das Kupplungssteuergerät notwendigen Ein-gangsdaten setzen sich aus Informationen vom Fahrzeug (CAN), dem Fahrerwunsch (Pedalposition), sowie von zusätzlichen Sensoren (z. B. Drehzahl) zusammen. Hin-terlegte Strategien bestimmen daraus das Kupplungssollmoment. Das System hat da-bei die Möglichkeit, die Fahrervorgabe zu korrigieren. Beispielsweise ist es sinnvoll, Missbrauchssituationen oder ein Abwürgen beim Anfahren zu verhindern.

Bei dieser Anordnung wirkt die Aus-rückkraft der Kupplung nicht mehr auf das Pedal, womit eine Pedalkraftemulation not-wendig ist. Hierzu gibt es bei Schaeffler eine

aus Kosten- und Bauraumsicht interessante Neuentwicklung. Ein besonders kompakter Kraftemulator ersetzt bauraumneutral den konventionellen hydraulischen Geberzylin-der, Details hierzu werden in [4] gezeigt.

Als Kupplungsaktor kann der von Schaeffler entwickelte HCA (Hydraulic Clutch Actuator, Bild 7) eingesetzt werden, der in [5] ausführlich beschrieben ist. Die-se Aktortechnologie wurde speziell für hyd-raulisch betätigte Kupplungen in automati-sierten Getrieben konzipiert und ist mittlerweile bei Doppelkupplungsgetrieben im Serieneinsatz.

Ein Vorteil des HCA liegt in seiner univer-sellen Adaptierbarkeit. Er kann zum einen ohne größere fahrzeugseitige Änderungen dort untergebracht werden, wo der notwendi-ge Bauraum zur Verfügung steht. Zum ande-ren ist eine Ansteuerung sowohl von CSC (Zentralrausrücker) als auch von semihydrauli-schem Nehmerzylinder gleichermaßen mög-lich. Bei Letzterem ist jedoch zu diskutieren, ob dies die sinnvollste Konfiguration darstellt. Der aktorinterne Axialhub treibt ein hydrostati-sches System an, welches wiederum am Ausrückhebel der Kupplung einen Axialhub erzeugt. Es erscheint daher naheliegend, den

für eine Kupplungsautomatisierung, bei denen im Gegensatz zu einem EKM das Kupplungspedal erhalten bleibt.

Clutch by Wire – Strategiefähige Kupplung

Ein schon bekanntes Konzept ist das Clutch by Wire (CbW). Für den Fahrer handelt es sich hierbei zunächst um ein ganz normales Handschaltgetriebe – wie gewohnt mit drei Pedalen und ohne jegliche wahrnehmbare Automatisierung. Dem Fahrer ist nicht un-mittelbar bewusst, dass durch die Betäti-gung des Kupplungspedals lediglich seine Fahrabsicht über einen Wegsensor detek-tiert wird. Die tatsächliche Kupplungsbetäti-gung übernimmt ein Aktor. Wie es die Bezeichnung „by wire“ verrät, entfällt die hydraulische oder mechanische Verbin-dung zwischen Kupplung und Kupplungs-pedal.

Diese Technologie wurde in der Vergan-genheit bereits mehrfach von LuK als Mög-

Kupplungspedal

Fahrzeugsignale (CAN)

Drehzahlsensor

Geberzylinder

ReservoirNehmerzylinder

Kupplung

E-Motor

Spindeltrieb

LCU

Kraft-emulator

Pedalposition

Aktorposition

Steuergerät

Bild 6 Aufbau und Komponenten Clutch by Wire (CbW)

Stator

RotorSpindeltrieb

LCU

Drucksensor

Druckanschluss

Kolben

Winkelsensor

Zylinder

Wegsensor

Bild 7 Hydrostatischer Kupplungsaktor – HCA (Hydraulic Clutch Actuator)


Ausrückhebel ohne Umweg über eine Hyd-raulik direkt zu betätigen. Schaeffler entwickelt hierzu eine kompakte und leistungsfähige Lösung (Bild 8). Das Ziel ist es, möglichst ohne getriebeseitige Änderungen den semihydrau-lischen Zylinder durch einen elektromechani-schen Aktor zu ersetzen. Damit wird die Grund- anforderung erfüllt, mit geringem Aufwand ein vorhandenes Getriebe um eine Kupplungsau-tomatisierung aufrüsten zu können.

Um die Flexibilität weiter zu erhöhen, geht Schaeffler noch einen Schritt weiter. Ein mo-dulares Aktorsystem soll es ermöglichen, im-

mer denselben Grundaktor zu verwenden (Bild 9). Dieser beinhaltet die Elektronik inklu-sive Sensorik, den E-Motor, sowie einen spe-ziellen Spindeltrieb für aufgedrückte Kupplun-gen (Selbsthemmung in Schließrichtung). Je nach Randbedingungen wird der Grundaktor entweder mit einem mechanischen oder ei-nem hydraulischen Modul komplettiert, an welchem auch die anwendungsspezifische Anbindung zum Getriebe vorgesehen wird. Dadurch reduzieren sich die Entwicklungs- und Systemkosten, was zwingend erforder-lich ist, um diese Systeme für die preissensib-len Handschaltgetriebe attraktiv zu machen.

Eine weitere Beschreibung zu diesem Konzept, sowie den aktuellen Entwicklun-gen bei der Aktortechnologie von Schaeffler gibt es in [6].

Die Anforderungen an den Aktor sind bei den bisher beschriebenen Möglichkei-ten zur Automatisierung des Handschaltge-triebes vergleichbar hoch. Insbesondere bei EKM und CbW wird eine hohe Dynamik be-nötigt, um auch schnelle Gangwechsel zu ermöglichen. Gelingt es, diese Anforderun-gen deutlich zu reduzieren, sind weitere Kostensenkungen realisierbar. Um dies zu erreichen geht Schaeffler einen neuen Weg, bei dem nicht mehr jeder Kuppelvorgang von einem Aktor ausgeführt wird.

MTplus – Teilautomatisierte Alternative

Die Grundidee ist, parallel zu dem vorhande-nen Ausrücksystem einen Aktor anzuord-nen, wodurch die notwendige Aktorleistung deutlich reduziert werden soll. Es muss be-wertet werden, welche Funktionen dann noch möglich sind, beziehungsweise ob der verbleibende Mehrwert den Aufwand einer

Automatisierung rechtfertigen kann. Hierzu zeigt Bild 10 eine grobe Einschätzung, indem einige Funktionen anhand der Kriterien Dyna-mik und Einsatzdauer bewertet werden. Die höchsten Anforderungen ergeben sich für Funktionen zur Reduzierung von Schwin-gungen. Vergleichsweise gering sind die An-forderungen für Anfahren oder Segeln, wofür weder eine hohe Dynamik noch eine perma-nente Kupplungsmodulation benötigt wird.

Nach dieser Abschätzung hätte bereits ein kleinerer Aktor durchaus genügend Po-tenzial, das Handschaltgetriebe aufzuwer-

Bild 8 Elektromechanischer Aktor für CbW – Kompakt und leistungsfähig

Hydraulisches Modul

Mechanisches Modul

Grundaktor

Bild 9 Modulares Aktorkonzept für maximale Flexibilität

Momenten-begrenzung

Impulsstart

Anforderungen

Ko

mp

lexi

tät

Schlupf-regelung

ntntntttttttnten-en-en-enenenenenennnnnen-en-e

Momenten-nachführung

Start-Stopp

Segeln

Abwürge-schutz

pppAnfahren/

Modulation

-e-e--------

aaaaatiotiotiotiotiotiotiotiotioooonnnnnnnn nnn Momenten-

vorgabe

EinfacheBasisfunktionen

(Öffnen/Schließen)

TemporäreModulation mit

geringer Dynamik

PermanenteModulation

PermanenteModulation mithoher Dynamik

Anti-Rupf-regelung

Bild 10 Aktoranforderungen versus Funktionalitäten

ODER-Logik

Spindeltrieb

E-Motor

LCU

Bild 11 Grundkonzept der Teilautomatisierung MTplus mit ODER-Logik


ten. Insbesondere können die weiter oben erläuterten Funktionen zur Verbrauchssen-kung angeboten werden.

Als Herausforderung gilt es, ein geeignetes Aktorkonzept zu finden, welches sowohl eine konventionelle als auch eine automatisierte Be-tätigung der Kupplung ermöglicht. Dabei muss sichergestellt werden, dass zum einen der Ak-tor die normale Fußbetätigung nicht störend beeinträchtigt und zum anderen, dass der Fah-rer jederzeit vorrangig die Kontrolle behält.

Um hierfür Lösungen zu finden, wurden umfangreiche Konzeptstudien durchge-

führt. Das daraus entwickelte Grundkon-zept zeigt Bild 11, welches sich durch zwei wesentliche Eigenschaften charakterisieren lässt. Zum einen führt eine Betätigung durch den Aktor zu keiner Zeit zu einer Bewegung des Kupplungspedals, zum anderen ist die Ausrückposition der Kupplung durch eine ODER-Logik immer eindeutig definiert. Da-durch wird die Priorität des Fahrerwunschs jederzeit gewährleistet.

Bei der Darstellung in Bild 11 handelt es sich prinzipiell um einen aktiven Geberzylin-der. Einen konstruktiven Entwurf hierfür zeigt Bild 12. Der E-Motor mit Spindelantrieb ist neben dem Geberzylinder angeordnet. Die Anbindungen von Pedal und Spindeltrieb zur Kolbenstange ermöglichen jeweils nur eine Kraftübertragung in Auskuppelrichtung, wo-mit die ODER-Logik realisiert ist.

Ein aktiver Geberzylinder hat jedoch offensichtliche Nachteile: Zum einen die er-höhte Gefahr einer Geräuschübertragung vom E-Motor in den Innenraum, zum ande-ren der zusätzliche Bauraumbedarf im ohne-hin beengten Bereich des Geberzylinders. Dazu kommt eine schlechte Adaptierbar-keit. Ein solcher Aktor müsste in vielen Fäl-len anwendungsspezifisch angepasst bzw. neu konstruiert werden – eine eher ungüns-tige Voraussetzung im Hinblick auf eine

Kostenbewertung. Dies trifft weitge-hend auch auf eine Anordnung im Be-reich des Nehmer-zylinders zu, womit auch diese nur be-dingt zielführend ist.

Eine Integration in die hydraulische Druckleitung stellt sich bezüglich der Kriterien Bauraum und Adaptierbarkeit wesentlich günstiger dar. Die Aktoreinheit wird dort positioniert, wo der notwendige Bauraum zur Verfügung steht und mit der Hydraulik verbunden. Eine direkte Übertragung des in Bild 11 dargestellten Prin-zips führt zu einem Zwischenzylinder mit zwei Kolben, welche das Hydrauliksystem aufteilen (Bild 13). Bei einer automatisierten Betätigung wird der Kolben 2 direkt vom Ak-tor angetrieben, der Kolben 1 bleibt stehen.

Bei einer manuellen Fußbetätigung treibt der Kolben 1 über den Mitnehmerring den Kol-ben 2 an, wodurch sich zwei Nachteile erge-ben: Zum einen verursachen die Dichtungen zusätzliche Reibung, zum anderen fordert die notwendige Schnüffelfunktion des Zylinders von Kolben 2 einen zusätzlichen Wegverlust.

Um diese Nachteile zu eliminieren, wird an einer alternativen Variante gearbeitet, bei der das Ausrücksystem nicht permanent in zwei Bereiche geteilt wird (Bild 14). Dadurch besteht bei Fußbetätigung ein direkter Fluid-pfad vom Geber- zum Nehmerzylinder (grüner Pfeil), und das ohne nennenswerte Zusatzverluste. Im automatisierten Modus sperrt der aktive Zwischenkolben den Zulauf vom Geberzylinder ab und übernimmt die Kupplungsbetätigung. Eine noch zu lösende Schwierigkeit bei diesem Konzept ist die rei-bungslose Überstimmmöglichkeit durch den Fahrer. Hierzu werden derzeit noch verschie-dene Ventil- und Speicheranordnungen un-tersucht (nicht in Bild 14 dargestellt).

Systemvergleich – Grenzenlose Möglichkeiten

In den vorangegangenen Abschnitten wurden einige Möglichkeiten vorgestellt, mit denen die Kupplung eines Handschaltgetriebes automatisiert werden kann. In Bild 15 sind die Varianten zusammenfassend gegen-übergestellt. Die konsequenteste Umset-zung ist das EKM, da hier das Kupplungs-pedal entfällt und der Fahrerwunsch nur durch den Gangwählhebel detektiert wird. Zu ähnlichen Kosten bietet das CbW ver-gleichbare Möglichkeiten. Der Fahrer muss zwar noch selber kuppeln, jedoch werden wie beim EKM alle Kupplungsbetätigungen von einem Aktor durchgeführt.

Das neue Konzept MTplus verfolgt das Ziel, durch eine teilautomatisierte Kupplung eine kostengünstige Alternative mit reduziertem Funktionsumfang anzubieten. Im Gegensatz zu EKM und CbW ist die Kupplung nur beim Anfahren in den Gängen 1, (2) und R automati-siert. Bei Schaltungen in den höheren Gängen wird die Kupplung nach wie vor manuell betä-tigt. Die Herausforderungen sind eine ausrei-chend gute Bedienbarkeit, sowie eine mög-lichst geringe Rückwirkung zwischen Aktor- und Fußbetätigung. Weitere Analyse hierzu

Anbindung Kupplungspedal

Wegsensor Druck-anschluss

El. Anschluss

Anschluss Nachlaufbehälter

E-Motor

Kolbenstange

Hydraulikzylinder

Spindeltrieb

Bild 12 Beispiel für aktiven Geberzylinder (ODER-Logik)

Kolben 2

Kolben 1

El. Anschluss

Anschluss Geberzylinder

E-Motor

AnschlussNachlaufbehälter

Mitnehmerring

Spindeltrieb

Anschluss Nehmerzylinder

Bild 13 Aktorvariante für MTplus mit zwei Zwischenkolben

Anschluss Nehmerzylinder

El. Anschluss

E-Motor

Anschluss Geberzylinder

Spindeltrieb

Aktiver Zwischenkolben

Bild 14 Alternative Zwischenkolbenvariante ohne Zusatzverluste bei Fußbetätigung


werden im Versuch mit einem Demonstrator erfolgen. Im Vergleich zu einem EKM oder CbW ergeben sich folgende Vorteile: – Kostensenkung durch reduzierte Aktoran-

forderungen (Dynamik und Einsatzdauer) – Mechanische Überstimmungsmöglich-

keit (Reduzierung FuSi-Anforderungen)

– Kein Liegenbleiber bei Ausfall des Aktor-systems

Alle drei Systeme bieten umfangreiche Funkti-onsmöglichkeiten an (Bild 16). Insbesondere die Optionen zur Verbrauchssenkung werden grundsätzlich von allen Systemen unterstützt. Neben der Segelfunktion wird das Hand-

schaltgetriebe insgesamt deutlich hybridfähi-ger. Darüber hinaus gibt es eine vielfältige Auswahl zur Steigerung von Komfort und Robustheit bis hin zu Assistenzsystemen.

Optimistisch in die Zukunft

Der Trend zu mehr Automatisierung und Elek-trifizierung zur Senkung der Flottenverbräu-che fordert auch Lösungen für das Hand-schaltgetriebe. Schaeffler treibt in diesem Zusammenhang Entwicklungen zur Automa-tisierung der Kupplung voran. Dabei gilt es natürlich, die Auswirkungen auf den ge-samten Antriebsstrang zu berücksichtigen. Beispielsweise steht dem möglichen Ver-brauchsvorteil durch längere Übersetzungen eine höhere Motoranregung aufgrund der niedrigeren Drehzahlen gegenüber, wo-durch sich die Anforderungen an die Torsi-onsdämpfer weiter erhöhen.

Effizienzsteigerung im Antriebsstrang und die Folgen

Im vorangegangenen Abschnitt wurde be-reits darauf eingegangen, dass eine Ver-schiebung der Betriebspunkte zu niedri-geren Motordrehzahlen (Downspeeding) einen hohen Beitrag zur Verbrauchssen-kung leisten kann. Beispielsweise können durch Absenkung der mittleren Motor-drehzahl um 10 % bei einem heutigen 2,0-l-Dieselmotor 5,6 % Kraftstoff im NEFZ ein-gespart werden. Dieses Potenzial ist jedoch nur nutzbar, wenn sich keine Nachteile bei Fahrdynamik und Fahrkomfort ergeben. Um die Fahrdynamik in etwa konstant zu halten, muss die gleiche Leistung bereits bei 10 % geringerer Motordrehzahl zur Verfügung stehen, weshalb das maximale Motormo-ment um etwa 10 % angehoben werden muss (Bild 17).

EKM CbW MTplus

• 2-Pedal Design• Vollautomatisierte Kupplung• Aktor mit hoher Dynamik• Schaltabsichtserkennung• Gangerkennung• Automatisierte Betätigung bei Anfahren und Schalten

• 3-Pedal Design• Vollautomatisierte Kupplung• Aktor mit hoher Dynamik• Pedalkraftemulator• Gangerkennung• Automatisierte Betätigung bei Anfahren und Schalten

• 3-Pedal Design• Teilautomatisierte Kupplung• Aktor mit reduzierter Dynamik• Hydraulische Verbindung zwischen Pedal und Kupplung Gangerkennung• Automatisierte Betätigung nur bei Anfahren (Gänge 1, (2), R)

Bild 15 Varianten zur Kupplungsautomatisierung von Handschaltgetrieben

CO2-Potenzial Assistenz Schutz Komfort Sicherheit

Segeln

Regenerieren

ElektrischesAnfahren/Rollen

Hybridisier-barkeit

AutomatisiertesAnfahren

Autonomes Fahren

Abwürgeschutz

Gedrücktes Fahren

Kupplungs-schutz

Fahren ohneKupplungspedal

Traktions-kontrolle

Kupplung beiGangwechsel Impaktschutz

OptimalePedalkraft

Mikroschlupf

Anti-Rupfregelung

Lastwechsel-dämpfung

Pedalkraft-unterstützung

Kollisionsschutz

Notfallbremsung

EK

M

Konzept

Cb

WM

Tplus

LängereÜbersetzungen

Bild 16 Mögliche und unterstützte Funktionen durch Kupplungsautomatisierung

600

200

1.500

Mo

torm

om

ent

in N

m

Motordrehzahl in min-1

400

2.000

extremes DownspeedingBetriebspunktverschiebung 10 %heutiger Motor

1.0000

800

900

1.000

gleiche Leistung

-5,6 % -11 %

Verbrauch

70

80

90

100NEDC

Ver

bra

uch

in %

Bild 17 Änderung der Motorcharakteristik und mögliche Verbrauchseinsparung bei Downspeeding


Darüber hinaus ist absehbar, dass der nutz-bare Drehzahlbereich noch deutlich weiter nach unten ausgedehnt werden wird. In Zu-kunft wird bei einigen Motoren das maximale Drehmoment bereits unterhalb von 1.000 min-1 anliegen. Im Vergleich zu heute kann da-durch der Verbrauch im NEFZ theoretisch um 11 % gesenkt werden.

Diese Entwicklungen auf der Motoren-seite haben eine deutlich höhere Schwin-gungsanregung für den Antriebsstrang zur Folge. In erster Näherung steigt die Motorun-gleichförmigkeit jeweils proportional mit einer Momentenerhöhung oder Drehzahl-absenkung. Als verstärkender Effekt kommt hinzu, dass bei reduzierter Motordrehzahl die Anregungsfrequenz näher an die Eigenfre-quenz des Antriebsstrangs rückt.

Bild 18 fasst die Auswirkungen auf die Drehungleichförmigkeit im Antriebsstrang zu-sammen. Ausgehend von einem heutigen Motor (grüne Linie) verdoppelt sich die Schwingbreite am Getriebeeingang bei glei-cher Dämpfertechnologie für eine Absenkung der Motordrehzahl um 10 % (graue Linie). Be-reits für diesen Fall wird das Komfortziel nicht

mehr erreicht. Mancher Fahrer würde die niedrigen Drehzahlen meiden und so mögli-che Verbrauchsvorteile nicht nutzen.

Ein weiteres Downspeeding verschärft die Situation überproportional (rote Linie). Steht das maximale Drehmoment bereits unterhalb von 1.000 min-1 zur Verfügung, wird das Kom-fortziel bei dieser Drehzahl um mehr als das sechsfache überschritten. Um mit diesen Mo-toren ein akzeptables Komfortniveau errei-chen zu können, sind leistungsfähige Dämp-fersysteme erforderlich. Sie sind eine wichtige Voraussetzung, um die Verbrauchspotenziale durch Downspeeding zu ermöglichen.

Schwingungsisolation – Stand der Technik

Vor etwa 20 Jahren sind die Anforderungen an die Dämpfertechnologie durch die Einfüh-rung der direkteinspritzenden Dieselmotoren im Pkw sprunghaft angestiegen (Bild 19).

Dieser Technologiewechsel auf der Moto-renseite stellte die Entwickler von Syste-men zur Schwingungsisolation vor ganz neue Aufgaben. Die daraus resultierende Drehungleichförmigkeit war mit den vor-handenen torsionsgedämpften Kupp-lungsscheiben nicht ausreichend zu dämp-fen. Das Prinzip des Tiefpassfilters war zwar bekannt, galt aber bis zur Einführung des Zweimassenschwungrads (ZMS) als industriell nicht realisierbar im Pkw. Auf Basis umfassender Kenntnis der Wirkprin-zipien von passiven Dämpfungssystemen arbeitete LuK schon früh systematisch an den Grundlagen und war deshalb in der Lage, für die sich abzeichnenden Heraus-forderungen rechtzeitig eine konzeptionell überzeugende Lösung zu präsentieren. Langjähriges Know-how in der Metallver-arbeitung schließlich führte zu einem ro-busten Produkt.

Inzwischen hat sich das spezifische Drehmoment gegenüber dem ersten auf-geladenen Diesel-Direkteinspritzer mehr

als verdoppelt. In der Folge liegen auch schon heute bei einigen Motoren Dreh-schwingungen vor, die mit einem ZMS al-lein nicht zu beherrschen sind. Die Ant-wort auf die gestiegenen Anforderungen bietet das Fliehkraftpendel (FKP). Beim FKP handelt es sich um einen Tilger, also um nicht im Kraftfluss liegende Zusatz-massen. Sowohl Zweimassenschwung-rad als auch Fliehkraftpendel wurden be-ständig weiterentwickelt und decken die Anforderungen der anstehenden Evoluti-onsstufen der aktuellen Motorgeneration ab [7].

Die derzeit noch in der Entwicklung stehende nächste Motorengeneration wird jedoch eine deutlich leistungsfähigere Schwingungsisolation erfordern. Deshalb untersucht Schaeffler nicht nur die Mög-lichkeiten und Grenzen der aktuell einge-setzten Technologie, sondern zieht alter-native Lösungsansätze in Betracht.

100

Δn

Sch

win

gb

reit

e in

min

-1

10 % Betriebspunktverschiebung

heutiger Motor

300

1.200

Zeit

Dre

hzah

l

extremes Downspeeding

Δn

Motordrehzahl nMot in min-1

50

0

Ziel

800 900 1.000

800

300

1.200

Zeit

Dre

hzah

l

900

300

1.200

Zeit

Dre

hzah

l

1.000

Motor Getriebe

Bild 18 Drehungleichförmigkeit am Motor und Getriebeeingang heutiger und künftiger Motoren

1985

2008

Down-speeding

weniger Zylinder größerere

Sensitivität

Volllast-kennlinie

Sek.Getriebe

Prim. Fahrzeug

Zweimassen-schwungrad

morgen

Torsions-dämpfer

?

300

100

04.0001.0004.0001.000

1990

2008

Drehzahl in min-1

Mo

men

t in

Nm

300

100

0

Mo

men

t in

Nm

Drehzahl in min-1

gestern

ZMS +Fliehkraft-pendel

Bild 19 Stetig steigende Anforderungen an die Schwingungsdämpfung


Alternative Lösungsansätze – Optionen und ihre Wirkprinzipien

Bevor Umsetzungsmöglichkeiten auf Pro-duktebene angedacht werden, müssen die in Frage kommenden Wirkprinzipien in Be-zug auf die künftigen Anforderungen um-fangreich bewertet werden. Dabei hat sich die Methode bewährt, die Wirkprinzipien anhand einfacher und linearisierter Modelle herauszuarbeiten. Neben dem technischen Potenzial der unterschiedlichen Ansätze muss auch deren jeweiliges Kosten-Nut-zen-Verhältnis in der Gesamtbewertung be-rücksichtigt werden.

Das Ziel muss immer sein, Ansätze zu finden, die über den gesamten Drehzahlbe-reich gleich wirksam sind. Verbesserungen im sehr niedrigen Drehzahlbereich sind nicht zielführend, wenn sie zu Lasten bereits er-zielter Fortschritte im mittleren und hohen Drehzahlbereich gehen. Darüber hinaus sind nur Lösungen interessant, welche die Re-striktionen bezüglich Bauraum und Gewicht erfüllen, sowie hinsichtlich Reibung, Ver-schleiß und Fertigungstoleranzen genauso robust sind wie die heutigen Systeme.

Die nachfolgend betrachteten Systeme werden darauf untersucht, ob und unter wel-chen Bedingungen ihre physikalischen Po-tenziale ausreichen, die Drehschwingungen eines Motors mit extremem Downspeeding-Konzept so zu isolieren, dass schon ab 800 min-1 komfortables Fahren möglich ist.

Feder-Masse-System: Prinzip des Zweimassenschwungrades

Die grundsätzliche Funktion besteht darin, dass zwei über ein Feder-Dämpfungssys-tem miteinander verbundene Massen ge-geneinander schwingen. In Bezug auf den

heute genutzten Betriebsbereich und den dabei entstehenden Anregungen arbeitet der Dämpfer überkritisch. Er ist dadurch ge-kennzeichnet, dass die Isolation mit zuneh-mender Frequenz kontinuierlich besser wird. Mit abnehmender Frequenz rückt die Resonanzfrequenz näher, was zu einem Anstieg der Drehschwingungen führt.

Theoretisch ist es möglich, mit einem Feder-Masse-System die geforderten Ziele selbst bei extremem Downspeeding zu er-reichen. Allerdings müsste hierzu im Ver-gleich zur Basis entweder die Masse um den Faktor 3,5 erhöht oder die Federrate um den Faktor 17 reduziert werden (siehe Bild 20). Beides ist nicht realistisch. Gegen eine Erhöhung der Masse sprechen Bau-raumbedarf, Mehrgewicht sowie Einbußen bei der Fahrdynamik. Eine extreme Absen-kung der Federrate kommt ebenfalls wegen des Bauraums sowie wegen der Einbußen beim Fahrgefühl nicht in Betracht.

Antiresonanz – Prinzip der Interferenz

Im Folgenden werden zwei Konzepte zur Erzeugung von Antiresonanz beschrieben: der Feder-Masse-Tilger und der sogenann-te Summierdämpfer. Die beiden Konzepte unterscheiden sich in ihren Wirkprinzipien, führen aber unter gleichen Randbedingun-gen zu einem vergleichbaren Ergebnis.

Der Feder-Masse-TilgerEr basiert auf einem zweiten Feder-Masse-System. Wenn dieses mit seiner Resonanz-frequenz angeregt wird, erzeugt es eine Gegenschwingung, welche idealerweise die Anregung vollständig kompensiert. Bei einem klassischen über eine Feder ange-bundenen Tilger tritt dieser Effekt bei genau einer Frequenz auf, der Resonanzfrequenz des Tilgers. Als Nachteil entsteht eine zu-sätzliche Resonanzstelle oberhalb der Til-ger-Resonanzfrequenz.

Daher ist ein konventioneller Tilger (Bild 21) nicht für den Einsatz zur Reduzierung von Dreh-schwingungen im Antriebsstrang geeignet. Stattdessen ist ein Tilger erforderlich, dessen Tilgungsfrequenz jederzeit der Zündfrequenz des Motors entspricht. Diese Eigenschaft er-füllt das Fliehkraftpendel (Bild 22), bei dem die

Rückstellkraft der Tilgermasse durch die Fliehkraft bestimmt wird. Da sich die Fliehkraft quadratisch mit der Drehzahl ändert, ergibt sich für das Fliehkraftpendel eine drehzahl-

1.5001.000

Am

plit

ude

Masse x 3,5

Steifigkeit / 17

Basis

oder


2.000800 1.800

ZielMasse x 3,5 oder Steifigkeit / 17Basis

Bild 20 Isolationsfähigkeit und Grenzen des Feder-Masse-Systems

1.5001.000

Am

plit

ude

Tilger

Basis


2.000

ZielTilgerBasis

800 1.800

Bild 21 Prinzip und Isolationswirkung eines konventionellen Tilgers


Jc

fA ~ lLfA ~

1.5001.000

Am

plit

ude

2.000

c

J

fA - Antiresonanzfrequenz

l

L

ZielFKP

n ·

Tilger Fliehkraftpendel

800

Bild 22 Fliehkraftpendel (FKP) als drehzahlabhängiger Tilger


proportionale Tilgungsfrequenz. Dies ist eine ideale Eigenschaft zur Reduzierung von Drehschwingungen im Antriebsstrang, da eine feste Anregungsordnung getilgt werden kann.

Wie effektiv die Masse bei einem Flieh-kraftpendel wirkt, wird mit Bild 23 verdeut-licht. Abhängig von der Drehzahl ist darge-stellt, um welchen Faktor die Sekundärmasse für eine vergleichbare Performance erhöht werden müsste – beispielsweise um den Faktor 3 bei einer Drehzahl von 1.000 min-1 oder um den Faktor 9 bei 1.500 min-1.

Mit einem FKP ist theoretisch ab einer de-finierten Frequenz eine Schwingungsisolation von 100 % erreichbar. In Versuchen wurde in Kombination mit einem ZMS schon eine Abkopplung von bis zu 99 % nachgewiesen. Damit können die Anforderungen der heuti-gen Motoren und die der nächsten Evoluti-onsstufen problemlos erfüllt werden. Aktuelle Systeme decken selbst die Anforderungen von Zweizylindermotoren ab. Die Potenziale des FKP werden näher in [7] beschrieben.

Mit abnehmender Drehzahl muss das Fliehkraftpendel mehr Energie aufnehmen. Seine Aufnahmefähigkeit diesbezüglich hängt von der Masse und dem Schwingwin-kel ab. Letzterer ist prinzipbedingt begrenzt. Auch der Erhöhung der Pendelmasse sind aufgrund der Einbaulage Grenzen gesetzt.

Ob mit dem FKP eine Schwingungsisolation zu realisieren ist, die die Anregungen auch der nächsten Motorengeneration sicher be-herrscht, ist derzeit noch nicht abschlie-ßend zu beurteilen. Die jüngsten Verbesse-rungen dieses Systems stützen jedoch diese Arbeitshypothese.

Gleichwohl untersucht Schaeffler alterna-tive Ansätze. In der grundlegenden Erkennt-nis, Masse intelligent einzusetzen, ist auch der Schlüssel für künftige Lösungen zu sehen.

Der SummierdämpferEin zweiter Weg, Schwingungsanregungen durch Antiresonanz zu tilgen, besteht darin, zwei Schwingungspfade zu addieren. Bild 24 zeigt das Prinzip. Die Anregungen werden auf dem einen Pfad über ein Feder-Masse-System, auf dem anderen Pfad direkt auf einen Hebel übertragen. Der Drehpunkt des Hebels (Summier-Einheit) ist schwin-gungsdynamisch betrachtet sowohl kraft- als auch bewegungsfrei.

Wie bei einem konventionellen Tilger ist auch mit einem Summierdämpfer eine völli-ge Schwingungsabkopplung möglich, aller-dings auch hier nur bei exakt einer Fre-quenz. Dem Tilger gegenüber weist der Summierdämpfer insofern einen Vorteil auf, als keine zusätzliche Eigenfrequenz erzeugt wird. Störende Anregungen oberhalb und unterhalb der Antiresonanz bleiben den-noch bestehen.

Die zu isolierende Frequenz ist theore-tisch frei wählbar. Zur Abstimmung des Sys-tems stellt der Summierdämpfer gegenüber dem Tilger einen Parameter mehr zur Verfü-gung – neben der Federrate und der Dreh-masse (J) zusätzlich das Hebel-Überset-zungsverhältnis. Ein weiterer Vorteil besteht darin, das System so zu konfigurieren, dass auch auf der Primärseite (Motorseite) eine dämpfende Wirkung erzielt werden kann.

Neben der in Bild 24 gezeigten Prinzipdar-stellung eines Summierdämpfers sind weitere Anordnungen möglich. Unter anderem kann die Feder an jeder beliebigen Stelle platziert werden (Bild 25). Umfangreiche Untersuchun-gen haben gezeigt, dass unabhängig von der Position der Feder die gleichen einfachen Ge-setzmäßigkeiten gelten. Beispielsweise lässt sich die Antiresonanz für alle Konzepte durch die gleiche Formel berechnen. Bei gleicher Masse J, Hebel-Übersetzung sowie Feder-kapazität ergibt sich für alle dargestellten

Konzepte nicht nur die gleiche Frequenz für die Antiresonanz, sondern auch ein identi-sches Übertragungsverhalten.

Wird das Übertragungsverhalten für Auslegungen mit unterschiedlichen Antire-sonanzstellen betrachtet, werden typische Eigenschaften eines Summierdämpfers deutlich. Theoretisch ist es möglich, die An-tiresonanz auf eine beliebig niedrige Dreh-zahl zu schieben. Allerdings reduziert sich dadurch neben der Tilgungsbreite auch das Isolationsvermögen oberhalb der Tilgungs-frequenz (Bild 26). Daraus wird auch er-sichtlich, dass ein Summierdämpfer mit sehr niedriger Antiresonanz empfindlich auf Parameterschwankungen reagiert. Eine befriedigende Lösung kann nur erreicht werden, wenn mindestens einer der drei relevanten Parameter über der Drehzahl variabel ist.

Im direkten Vergleich zeigt der Sum-mierdämpfer gegenüber dem konventio-nellen Tilger ein etwas höheres theoreti-sches Potenzial zur Schwingungsdämp-fung (Bild 27). Allerdings ist mit dem Fliehkraftpendel bereits eine Lösung für ei-nen drehzahlabhängigen Tilger gefunden und erfolgreich im Serieneinsatz. Im Ge-gensatz dazu ist ein drehzahlabhängiger Summierdämpfer heute noch nirgends re-alisiert.

1.000 1.500


2.000

15

10

5

1

0

JSek Jeff

Jeff

JFKP

J(Sek+FKP)

=̂

Bild 23 Äquivalent wirksame Massenträgheit eines Fliehkraftpendels

1.5001.000

Am

plit

ude

SummierdämpferBasis


Ziel

2.000

SummierdämpferBasis

800 1.800

J

Bild 24 Prinzip und Isolationswirkung eines Sum-mierdämpfers

( i - 1 )2

J

c0fA · i

= 2π1

0=i

1=i

∆M=c0

φ

M Mi

J

c

c0 = Effektive SteifigkeitfA = Antiresonanz

∆φ

Bild 25 Variationsmöglichkeiten der Federanordnung beim Summierdämpfer


Zusammenfassung

Beim Wettlauf um die globalen CO2-Ziele haben zunehmend die Automatikgetriebe die Nase vorn. Mit ihnen können spritspa-rende Fahrstrategien umgesetzt werden, bei denen Motor und Getriebe voneinander getrennt werden. Auf der anderen Seite ste-hen die Vorteile des Handschalters: Zuver-lässigkeit, Robustheit und ein niedriger Preis, der diesen Getriebetyp insbesondere für kleinere Fahrzeuge weiter sehr inter-essant macht. Der offensichtliche Weg, die bewährten Handschalter weiterzuentwi-ckeln, besteht darin, die Kupplung zu auto-matisieren, um auch hier die erwähnten Fahrstrategien umsetzen zu können. Neben den bereits bestehenden technischen Lö-sungen (EKM, CbW) arbeitet Schaeffler an Systemen, die technisch entfeinert, den Preisvorteil des Handschalters gegenüber dem Automaten weitestgehend erhalten.

Neben der kompletten Abkopplung des Motors vom restlichen Antriebsstrang kann eine solche automatisierte Kupplung noch viele andere Komfort- und Schutzfunktio-nen unterstützen. Durch ein automatisiertes Anfahren kann eine Überlastung oder Miss-brauch der Kupplung ausgeschlossen wer-den, was wiederum eine veränderte Ausle-gung des Antriebsstrangs ermöglicht. So kann beispielsweise zur weiteren Reduzie-rung des Verbrauchs eine längere Achs-übersetzung eingesetzt werden.

Der Betriebspunkt des Verbrennungs-motors wird dabei zu niedrigeren Drehzahlen verschoben und das spezifische Drehmo-ment angehoben. Beide Maßnahmen gehen mit einer höheren Drehungleichförmigkeit einher. Die daraus resultierenden hohen An-forderungen an die Schwingungsisolation werden bei den aktuellen Motoren und ihrer nächsten Evolutionsstufe mit der gegen-wärtig verfügbaren Technologie sicher be-herrscht. Die dann folgende Motorgeneration

fordert allerdings noch leistungsfähigere Systeme. Die Technologie des Zweimassen-schwungrads in Verbindung mit einem Flieh-kraftpendel kommt dafür in Frage, aber auch der Summierdämpfer – wenn es gelingt, sein hohes Potenzial bei niedrigen Drehzahlen auf mittlere und hohe Drehzahlen auszudehnen. Schaeffler untersucht beide Konzepte wei-terhin intensiv. Der Schlüssel für eine erfolg-versprechende Weiterentwicklung des Sum-mierdämpfers wird darin liegen, dass ein relevanter Parameter drehzahlabhängig vari-iert werden kann. Eine industrialisierbare, ro-buste und bezahlbare Lösung dafür steht al-lerdings noch aus.

Literatur

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[4] Welter, R.; Herrmann, T.; Honselmann, S.; Keller, J.: Ausrücksysteme für die Zukunft. 10. Schaeffler Kolloquium, 2014

[5] Müller, M.; Kneissler, M.; Gramann, M.; Esly, N.; Daikeler, R.; Agner, I.: Komponenten für Doppel-kupplungsgetriebe. 9. Schaeffler-Kolloquium, 2010

[6] Müller, B.; Rathke, G.; Grethel, M.; Man, L.: Getriebeaktorik. 10. Schaeffler Kolloquium, 2014

[7] Kooy, A.; Auf die Isolation kommt es an: Die Evolution des Fliehkraftpendels nicht nur für ZMS. 10. Schaeffler Kolloquium, 2014

[8] Fidlin, A.; Seebacher, R.: Simulationstechnik am Beispiel des ZMS. 8. LuK Kolloquium, 2006

[9] Kroll, J.; Kooy, A.; Seebacher, R: Torsions-schwingungsdämpfung für zukünftige Motoren. 9. Schaeffler Kolloquium, 2010

[10] Reik, W.; Fidlin, A.; Seebacher, R.: Gute Schwingungen – böse Schwingungen. VDI-Fachtagung Schwingungen in Antrieben, 2009

1.5001.000

Am

plit

ude

Motordrehzahl nMot in min-1 2.000

Tilg

er

1.5001.000

Am

plit

ude


X

Sum

mie

rdäm

pfe

r

1.5001.000

Am

plit

ude

Motordrehzahl nMot in min-1 2.000 1.5001.000

Am

plit

ude


?

Konstante Parameter Drehzahlabhängige Parameter

Bild 27 Evolution von Tilger und Summierdämpfer

1.5001.000

Am

plit

ude

Motordrehzahl nMot in min-1 Ziel

2.000

Tilgungsbreite

TilgerfrequenzSummierdämpfer

Bild 26 Einfluss der Tilgungsfrequenz auf das Übertragungsverhalten des Summierdämpfers

Mission CO2-Reduktion: Die Zukunft des manuellen … · 2019. 5. 24. · n o d h i o e a s m i o u...

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