Entwicklungspotenziale für stufenlose Getriebe

  • Published on
    19-Mar-2017

  • View
    215

  • Download
    3

Embed Size (px)

Transcript

  • ENTWICKLUNG Getriebe und Schaltung

    676 ATZ 7-8/2003 Jahrgang 105

    Mit der Multitronic ist es Audi in Zusammenarbeit mit LuK alsEntwicklungspartner und Lieferant der Produkt-Komponentengelungen, den Benchmark im Bereich stufenlose Getriebe zudefinieren. Dies wird auch durch die stetig steigende Nachfrageund die positive Resonanz der Endkunden dokumentiert. DieserBeitrag beschreibt die Weiterentwicklungsanstze der einzelnenKomponenten Scheibenstze, Hydraulik und Kette, ausgehendvon den Serienapplikationen fr ber 300 Nm Motormoment beiSpreizung 6, bis zu 550 Nm bei Spreizung 7 in leistungsverzweig-ten Getriebestrukturen.

    Entwicklungspotenzialefr stufenlose Getriebe

  • 1 Einleitung

    Mit dem LuK-Variator knnen hohe Dreh-momente und Leistungen bei groer Sprei-zung ohne Limitierung der Hchstge-schwindigkeit bertragen werden, Bild 1.

    Um die Anforderungen an stufenloseGetriebe (Continuously Variable Transmis-sion CVT) zu diskutieren, wird eine typi-sche Fahrsituation betrachtet, die mit ei-nem CVT-Antriebsstrang ideal gestaltetwerden kann. Das Fahrzeug soll, ausgehendvon einer Geschwindigkeit von zum Bei-spiel 80 km/h, bis zum Erreichen derHchstgeschwindigkeit beschleunigt wer-den. Anhand dieser Fahrsituation werdendie wesentlichen Erwartungen des Kundenbeschrieben und daraus die Fragen abgelei-tet, die sich fr eine erfolgreiche Weiterent-wicklung stellen.

    1.1 KonstantfahrtDas Fahrzeug fhrt zunchst mit konstan-ter Geschwindigkeit und Teillast im Over-drive. In dieser Situation treten Komfort-aspekte und der Wirkungsgrad des An-triebsstrangs in den Vordergrund. Diegroe Spreizung erlaubt es, die Motordreh-zahl mglichst weit abzusenken, um denMotor im gnstigen Betriebsbereich betrei-ben zu knnen. Ein Verbrauchsvorteil kannin diesem Betriebspunkt jedoch nur dannerzielt werden, wenn der Gesamtwirkungs-grad von Motor und Getriebe besser ist alsin der Kombination mit Stufenautomatenoder Handschaltgetrieben.

    Der Wirkungsgrad des Getriebes ergibtsich dabei aus dem Wirkungsgrad des Va-riators, der Verzahnungen, der Lagerungenund dem Energieaufwand fr das hydrauli-sche System zur Sicherstellung von Anpres-sung und Verstellung. Gleichzeitig mini-mieren sich die Motorgerusche, und Ge-triebegerusche drfen nicht in den Vor-dergrund treten.

    In diesem Zusammenhang ergibt sichbereits eine Reihe von Fragen: Kann der Wirkungsgrad des Systems,beispielsweise durch intelligente Anpress-Systeme, weiter optimiert werden? Wie knnen die hydraulischen Verlusteminimiert werden? Bestehen Mglichkeiten, das akustischeVerhalten des Kettenvariators weiter zuverbessern?

    1.2 BeschleunigungIn der anschlieenden Beschleunigungs-phase erwartet der Fahrer eine schnelleVernderung der bersetzung, um dennotwendigen Zugkraftberschuss fr einezgige Beschleunigung zu erhalten. Mitdem Durchtreten des Fahrpedals steigtdas Motormoment rasch an, und der Va-

    riator muss schnell in Richtung Underdri-ve verstellen, um den Motor schnell undruckfrei in den Bereich hoher Leistung zubringen.

    In dieser Situation sind sowohl die not-wendige Anpressung als auch die Verstel-lung sicherzustellen. Gleichzeitig tritt einehhere Beanspruchung der Kette auf. Welche Anforderungen sind hinsichtlichder erforderlichen Verstelldynamik an dasGetriebe zu stellen? Wie kann die bertragungsfhigkeit desVariators weiter gesteigert werden, undwo liegen aus heutiger Sicht die Grenzendes Umschlingungsgetriebes?

    1.3 Fahren mitHchstgeschwindigkeitNach Abschluss der Beschleunigungspha-se hat das Fahrzeug die maximale Fahrge-schwindigkeit erreicht. Die Fliehkrfte be-anspruchen die Kette dabei zustzlich. Diemaximale Leistung des Motors und derWirkungsgrad des Antriebsstrangs defi-nieren nun neben den Fahrwiderstnden die maximal erreichbare Geschwindig-keit. Ergeben sich hier Beschrnkungen durchdie Kette? Welche Ansatzpunkte gibt es fr eine Re-duzierung der Getriebeverluste?

    2 Anforderungen an dieSystemkomponenten

    Nachfolgend sollen die hier gestellten Fra-gen fr die Komponenten Scheibenstze,Hydraulik und Kette beantwortet und L-sungsanstze aufgezeigt werden, um dasstufenlose Umschlingungsgetriebe weiterzu optimieren.

    677ATZ 7-8/2003 Jahrgang 105

    Dipl.-Ing. ManfredHomm ist Leiter derAbteilung EntwicklungCVT Hydraulik bei derLuK GmbH & Co. oHG,Bhl.

    Dr.-Ing. Hartmut Faustist Leiter der AbteilungEntwicklung CVT Kons-truktion bei der LuKGmbH & Co. oHG,Bhl.

    Dipl.-Ing. Dipl.Wirtsch.-Ing. AndreasEnglisch ist Leiter desBereiches EntwicklungCVT bei der LuK GmbH& Co. oHG, Bhl.

    Dr. rer. nat. ChristianLauinger ist in der Ent-wicklung CVT Gesamt-system bei der LuKGmbH & Co. oHG, Bhl,ttig.

    Dipl.-Ing. Michael Reuschel ist in der Ent-wicklung CVT Gesamt-system bei der LuKGmbH & Co. oHG,Bhl, ttig.

    Dipl.-Ing. Andr Teubert ist Leiter derAbteilung EntwicklungCVT Umschlingungs-mittel bei der LuKGmbH & Co. oHG,Bhl.

    Die Autoren

    1 Einleitung

    Bild 1: CVT-BenchmarkFigure 1: CVT benchmark

  • 2.1 Variatorkonstruktion Das Ziel der Variatorkonstruktion mit LuK-CVT-Komponenten ist die betriebssicherebertragung von Drehmomenten ber 350Nm mit einer Spreizung von mindestens 6in unverzweigten Getriebestrukturen. Beigegebenem Bauraum sind die mglichenWerte fr Achsabstand und Scheibendurch-messer bereits weitgehend festgelegt. Umdie von der Kette darstellbaren kleinenLaufradien nutzen zu knnen, sind entspre-chend kleine Wellendurchmesser auszu-fhren. Bei der Multitronic mit derzeit biszu 355 Nm Variatormoment sind bei einemAchsabstand von nur 171 mm fr eine Sprei-zung von 6,05 lediglich 48 mm am Primr-scheibensatz und 46 mm am Sekundr-scheibensatz gewhlt. Die entsprechendenFestigkeitsanforderungen sind hinsichtlichder Werkstoffauswahl, der Konstruktionund der Herstellung zu bercksichtigen. Beianderen CVT am Markt sind trotz geringe-rer Momentenkapazitten meist grereWellendurchmesser ausgefhrt.

    Gleichzeitig sind mit den Durchmesserndie Wellenschaft-Steifigkeiten festgelegt.Diese beeinflussen zusammen mit denSteifigkeiten der Kegelscheiben selbst dasBetriebsverhalten des Variators, unter an-derem die mechanischen Verluste durch sogenannten spiraligen Lauf der Kette in derUmschlingung. Fr einen guten Variator-Wirkungsgrad ist deshalb die Verformungder Kegelscheiben gering zu halten, wozuinsbesondere die Ausbildung einer breitenWurzel zur Welle hin dient.

    Die verbleibende Zwangsbewegung derKette auf den Kegelscheiben erfordert dieAbstimmung des Tribosystems, um einer-seits hinreichend groe Reibwerte unterallen Betriebszustnden und ber Laufzeitsicherzustellen, andererseits unzulssighohen Verschlei zu vermeiden. Neben ge-eigneten Wrmebehandlungen beiderReibpartner kommt der Oberflchentopo-grafie groe Bedeutung zu.

    Die zur bertragung der hohen Varia-tormomente erforderlichen Anpresskrftewerden durch ldrcke von ber 60 baraufgebracht. Diese erfordern im Zusam-menhang mit den rotierenden Scheiben-verformungen geeignete Dichtsysteme. Invielfltigen Untersuchungen, auch aufspeziellen LuK-Dichtungsprfstnden,wurde ein mehrteiliges Dichtsystem ent-wickelt, das aus einem Manteldichtringaus einem PTFE-Compound und einemVorspannring aus FPM besteht.

    Die dauerhafte Dichtungsfunktion wirduntersttzt durch die Verwendung von ko-stengnstig hergestellten Blechzylindernals Gegenlaufflche. Diese bieten ein ver-gleichsweise geschlossenes Oberflchen-profil mit hohem Materialanteil.

    2.2 Scheibensatz-integriertesAnpresssystem Ein wesentliches Kriterium fr die dauer-hafte Funktionsfhigkeit des auf derKraftbertragung durch Reibung basieren-den Variatorsystems ist die Erzeugung derAnpresskraft zwischen Kegelscheiben undKette. Als ein fr alle Bedingungen desKundenbetriebes zuverlssiges und siche-res System hat sich mit inzwischen einerviertel Million im Einsatz befindlichenFahrzeugen das in der Audi-Multitronicverwendete Anpress-System erwiesen. Beidiesem wird der Anpressdruck ausschlie-lich und vollstndig von dem im primrenScheibensatz integrierten hydromechani-schen Momentenfhler (MF) eingestelltund geregelt, ohne dass hierzu irgendwel-che Signale von auen zugefhrt werdenmssten. Die wesentlichen Vorteile sind: sehr hohe Genauigkeit sehr hohe Dynamik mit gemessenenDruckgradienten bis 4500 bar/s selbststndige Anpassung an unter-schiedliche Motorenmomente ohne Hard-ware-nderungen.

    Der Anpressdruck wird bei diesem Seri-ensystem streng proportional zum Varia-tormoment und in zwei Stufen an die Va-riatorbersetzung beziehungsweise denLaufradius am primren Scheibensatz an-gepasst eingestellt [1]. Damit ergeben sichunter Bercksichtigung der Pkw-Fahrzeit-anteile eine hinreichend gute Anpassungan den so genannten Anpressbedarf undgnstige Verbrauchswerte sowohl im eu-ropischen MVEG/NEFZ-Zyklus mit zirka

    10 % Verbesserung gegenber dem durchdie multitronic ersetzten Fnfgang-Stufen-automaten [2] als auch in Kundenhand [3].

    Zur weiteren Steigerung der Momen-tenkapazitt der LuK-CVT-Komponentenwird derzeit neben der alternativ betrach-teten schlupfgesteuerten Anpressung (sie-he Abschnitt 2.4) an einem scheibensatzin-tegrierten Momentenfhlersystem mit ei-ner auch ber der bersetzung stufenlosvariablen Kennlinie (vMF) gearbeitet.Durch die damit in bestimmten berset-zungsbereichen weiter reduzierte Anpres-sung ergeben sich folgende Vorteile: Beibehaltung der oben genannten posi-tiven Aspekte des zweistufigen MF weitere Entlastung der Kette, des Tribo-kontaktes zwischen Kette und Scheiben,der Wellen, der Lagerungen und derGehusestruktur Integrierbarkeit ohne weitere nderun-gen an der hydraulischen oder elektroni-schen Steuerung, den Schnittstellen oderder Gesamtsystemumgebung.

    Das Funktionsprinzip des in Bild 2 dar-gestellten Baustandes besteht darin, dassdie beiden aktiven Rampen des zum Patentangemeldeten vMF ber dem Radius varia-ble Steigungswinkel aufweisen. Diese kon-tinuierlich vernderlichen Steigungswin-kel in tangentialer Richtung werden berdie radiale Position der Kugeln wirksam,die das Drehmoment von der antriebsseiti-gen zur abtriebsseitigen Rampe bertra-gen. Die Kugeln werden entsprechend dervorliegenden Variatorbersetzung mit Hil-fe von Fhrungsflchen radial positioniert,

    ENTWICKLUNG Getriebe und Schaltung

    678 ATZ 7-8/2003 Jahrgang 105

    2.2 Scheibensatz-integriertes Anpresssystem

    Bild 2: Scheibensatz mit integriertem bersetzungsvariablenMomentenfhler (vMF)Figure 2: Pulley set with integrated variable torque sensor (VTS)

  • 0180-30 40 636(9 Cent/Min.)

    www.postbank.de/firmenkunden

    Firmenkundenbetreuer Account Management

    Mehr Waren. Mehr Wege.Mehr Unternehmen.Logistikfinanzierung fr mittelstndische und groe Unternehmen.

    Machen Sie mehr aus Ihrem Unternehmen. Mitunseren integrierten Lsungen und mageschnei-derten Finanzierungskonzepten begleiten wir IhrUnternehmen entlang der gesamten logistischenWertschpfungskette: von der Bestellung berdas Lagermanagement, die Auftragsabwicklungund Versandvorbereitung bis zu Transport und

    Inkasso. So knnen Sie ohne Reibungsverlusteoutsourcen, Gewinn bringend in Ihr Kerngeschftinvestieren und vom gesamten Know-how desKonzerns Deutsche Post World Net profitieren.Kurz: One-Stop-Shopping at its best, das sichschnell fr Sie auszahlt. Mehr Informationen frIhr Unternehmen erwnscht?

  • ENTWICKLUNG Getriebe und Schaltung

    680 ATZ 7-8/2003 Jahrgang 105

    welche an der axial verschiebbaren Kegel-scheibe angeordnet sind. Durch entspre-chende Gestaltung der Rampenkonturenund der Fhrungsflchen kann der ge-wnschte Kennlinienverlauf ausgebildetwerden.

    Durch die Integration des gesamten Ku-gel-Rampen-Mechanismus einschlielichder Kugelfhrungen in den Anpresszylin-der wurde hier die ohnehin erforderlicheBaulnge der verschiebbaren Kegelscheibegenutzt. Erste Dauerlufe bei LuK mit 400Nm Variatormoment besttigten die Dau-erfunktionsfhigkeit des vMF und das da-mit verbundene Potenzial zur Steigerungder Momentenkapazitt des CVT-Gesamt-systems.

    2.3 Hydraulische Steuerungund HochdruckpumpeDer Zustand Konstantfahrt im Teillastbe-reich stellt die hufigste Betriebssituationim Fahrzeug dar. In diesem Betriebszu-stand ist es besonders wichtig, die Getrie-beverluste und somit auch die Leistungs-aufnahme der Pumpe so gering wie mg-lich zu halten. Diese wird ber die Pum-pengre und den notwendigen System-druck festgelegt. Beide werden durch dasGetriebekonzept und die Getriebeleckagebestimmt. Das Getriebekonzept beinhaltetbeispielsweise die Entscheidung fr Ein-fach- oder Doppelkolben fr die Anpres-sung und Verstellung des Variators [1] oderdie Ausfhrung der Kupplungskhlungmit einer Saugstrahlpumpe, die es erlaubt,den Khllvolumenstrom der Hochdruck-pumpe zu verdoppeln.

    Fr die Konstantfahrt muss die Hydrau-lik folgende Funktionen sicherstellen: Halten der Anfahrkupplung Anpressung und bersetzungskontrolledes Variators Getriebekhlung und -schmierung.

    Die dabei von der Pumpe abzudeckendeinterne Getriebeleckage setzt sich zusam-men aus Leckagen der Pumpe, der Steue-rung, der Gleitdichtringe an den Drehein-fhrungen und der Schiebesitze der Schei-benstze.

    Die Pumpe wird konstruktiv mit einerradialen und axialen Spaltkompensationversehen, sodass die interne Pumpenlecka-ge auf ein Minimum reduziert wird. Dengrten Anteil stellt die interne Steue-rungsleckage dar. Sie kann durch eine ge-ringe Anzahl von Schiebern, kleine Schie-berdurchmesser, groe berdeckungsln-gen und reduzierte Schieberspiele verrin-gert werden. Die Leckage der Gleitdichtrin-ge kann durch den Einsatz von speziellenSchlossgeometrien und neuen Materialienmit gnstigem Quellverhalten reduziertwerden. Die Schiebesitzleckage der Schei-

    benstze kann durch Spieleinengung, Ver-grerung der Dichtlnge und Reduzie-rung der Ovalverformung unter Last ver-kleinert werden. All diese Manahmen er-mglichen eine Pumpe mit reduziertemFrdervolumen und somit geringe hydrau-lische Verluste. Mit der Kombination ausDoppelkolbensystem mit einer kompaktenund leckagearmen Hydraulik ist es gelun-gen, im Vergleich zu anderen CVTs einePumpe mit deutlich geringerem Frdervo-

    lumen unter Bercksichtigung der gefor-derten Funktionalitt zu realisieren [4, 5].

    Je nach Fahrsituation bentigt das Ge-triebe sehr unterschiedlich groe Volu-menstrme. Die Kombination aus Doppel-kolben und Drehmomentfhler zeichnetsich auch dadurch aus, dass weder die Spit-zenbedarfswerte fr Verstellung, Kupp-lungskhlung oder Anpressung die erfor-derliche Pumpengre dominierend be-stimmen.

    2.3 Hydraulische Steuerung und Hochdruckpumpe

    Bild 3: VolumenstrombedarfFigure 3: Necessary volume flow

    Bild 4: Zweiflutige FlgelzellenpumpeFigure 4: Dual flow vane pump

  • 681ATZ 7-8/2003 Jahrgang 105

    Zu Beginn eines Beschleunigungsvor-gangs verstellt das Getriebe mit hoher Dy-namik in Richtung Underdrive. Fr dieseFahrsituation bentigen konventionelleVariatoren mit Einfachkolben die dreifa-che lmenge, Bild 3.

    Auslegungsrelevant fr die Pumpen-gre sind Fahrsituationen mit geringenMotordrehzahlen, hohen Temperaturenund hohen Motormomenten. Bei Hchst-geschwindigkeit frdert eine Konstant-pumpe bedingt durch die hohen Motor-drehzahlen unntig viel l und hat somiteinen negativen Einfluss auf den Getriebe-wirkungsgrad. Einen deutlichen Vorteilbietet in diesem Punkt eine von LuK ent-wickelte zweiflutige Flgelzelle...

Recommended

View more >