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Kraftfahrzeugantriebe

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Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Dr.-Ing. Klaus Herzog
Überblick
4.1 Wandler
4.1.1 Drehzahlwandler (Kupplungen)
4.1.2 hydrodynamische Drehmoment- und Drehzahlwandler
4.2 Getriebe
4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes
4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes
4.2.3 Übersetzungsauslegung
4.2.3 Stand- und Umlaufgetriebe
4.2.4 Getriebebauformen
4.3 Antriebswellen
4.3.1 Kreuzgelenke und Kardanwellen
4.3.2 Gleichlaufgelenke
4.3.3 Tripoden
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
4.1.1 Drehzahlwandler (Kupplungen)
Quelle: Sachs
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Schnitt durch eine
Schraubenfederkupplung
Kupplungsgehäuse
Ausrücklager
Getriebeeingangswelle
Kupplungsscheibe
Druckplatte
Blechtöpfe
Schraubenfedern
Schwungrad
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Quelle: LuK
Herzog
Kupplung und Zweimassenschwungrad zur
Optimierung des Drehschwingungsverhaltens
Aufbau
Funktionsweise
Quelle: LuK
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Herzog
Kupplungsmoment
Kupplungsmoment MK = µK ⋅ FK ⋅ rmK ⋅ zK
µK
= Reibwert
FK
= Anpresskraft
rmK
= mittlerer Reibradius
zK
= Anzahl der Reibflächen
rmK
2 ra3 − ri3
= ⋅ 2 2
3 ra − ri
ra
= Außenradius des Kupplungsbelages
ri
= Innenradius des Kupplungsbelages
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Kupplungswirkungsgrad
PA MA ⋅ 2π ⋅ n A
Kupplungswirkungsgrad ηK =
=
PE ME ⋅ 2π ⋅ nE
Mit Eingangsmoment ME = Ausgangsmoment MA folgt:
nA
ηK =
nE
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Kupplungsbetätigung
(Tellerfederkupplung)
Quelle: LuK
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Herzog
Einkuppelvorgang
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Herzog
Übungsaufgabe
Berechnen Sie das übertragbare Moment einer EinscheibenTrockenkupplung. Gegeben sind die folgenden Daten:
Belagdurchmesser außen
da
= 190 mm
Belagdurchmesser innen
di
= 130 mm
Anpresskraft
FK
= 3,5 kN
Reibwert
µK
= 0,2
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4.1.2 Hydrodynamische Drehmoment- und Drehzahlwandler
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Wandler-Kennlinien
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Berechnung von Pumpen- und
Turbinenmoment
Pumpenmoment
MP = LW ⋅ nP2
nP
= Pumpendrehzahl
LW
= Lastwert
Turbinenmoment
TR
MT = MP ⋅ TR
= Momentenverhältnis (Torque-Ratio)
Lastwert und Momentenverhältnis sind abhängig vom
n
Drehzahlverhältnis (Speed-Ratio) SR = T
nP
nT
= Turbinendrehzahl
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Herzog
Beispiel für Wandlerkennlinien
Lastwert
LastwertLW in Nm/(U/min)2
4.00E-05
3.50E-05
3.00E-05
2.50E-05
2.00E-05
1.50E-05
1.00E-05
5.00E-06
0.00E+00
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Drehzahlverhältnis SR
Momentenverhältnis TR
Momentenverhältnis (Torque Ratio)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Drehzahlverhältnis SR
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Herzog
Zusammenhang zwischen Motorvolllastlinie Pumpen- und Turbinenmoment
Motor- bzw. Pumpenmoment
Moment in Nm
300
250
200
Motormoment
Pumpenmoment bei
Pumpenmoment bei
Pumpenmoment bei
Pumpenmoment bei
Pumpenmoment bei
150
100
50
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
SR=0
SR=0,7
SR=0,8
SR=0,87
SR=0,95
6000
7000
Motor- bzw. Pumpendrehzahl in U/min
Turbinenmoment
700
Moment in Nm
600
500
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Turbinendrehzahl in U/min
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Herzog
Wandlerwirkungsgrad
Wandlerwirkungsgrad ηW =
PA
MT ⋅ 2π ⋅ nT
=
PE
MP ⋅ 2π ⋅ nP
Mit MT = TR * MP und SR=nA/nP folgt:
Wirkungsgradkennlinie des Beispiel-Wandlers
TR ⋅ MP
ηW =
⋅ SR = TR ⋅ SR
MP
1
0.8
η
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
SR
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Herzog
4.2 Getriebe
4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes
4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes
4.2.3 Übersetzungsauslegung
4.2.3 Stand- und Umlaufgetriebe
4.2.4 Getriebebauformen
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes
Das Getriebe eines PKW‘s soll das Motormoment und die Motordrehzahl in ein Antriebsmoment und eine Antriebsdrehzahl
wandeln. Hierbei sind folgende Kenngrößen wichtig:
Gangübersetzung:
iG =
Spreizung:
γ=
nE
MA
=
n A η G ⋅ ME
imax
imin
nE
nA
ME
MA
ηG
Kraftfahrzeugantriebe
=
=
=
=
=
4 Getriebe und Wandler
Eingangsdrehzahl
Ausgangsdrehzahl
Eingangsmoment
Ausgangsmoment
Getriebewirkungsgrad
Herzog
4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines
Schaltgetriebes
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Synchronisierung
Quelle: ATZ01/2015
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Herzog
Vereinfacht dargestellter Antriebsstrang
Quelle: Haken
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Schaltgetriebe
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4.2.3 Übersetzungsauslegung
Zugkraft:
Z g = ηA ⋅ Mmot ⋅ ig ⋅ isek ⋅
Geschwindigkeit:
v g = nmot ⋅
ηA
1
rdyn
1
⋅ 2π ⋅ rdyn
ig ⋅ isek
= Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges
Mmot = Motormoment
ig
= Gangübersetzung
isek
= Sekundärübersetzung
rdyn
= dynamischer Rollradius
nmot
= Motordrehzahl
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Herzog
Motorkennlinie eines 2 l Ottomotors
Motormoment in Nm
250
Moment in Nm
200
150
100
50
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Drehzahl in U/min
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Fahrwiderstände und Antriebskräfte
10000
10000
Zugkraft 1.Gang
9000
9000
Zugkraft
2.Gang
Zugkraft
2.Gang
Fahrwiderstand
in der
Ebene 3.Gang
Zugkraft
Zugkraft 3.Gang
8000
8000
Zugkraft 4.Gang
Zugkraft 4.Gang
Zugkraft 5.Gang
Kraft in N
Kraft in N
7000
7000
Zugkraft 5.Gang
P = 110 kW
Fahrwiderstand voll
Fahrwiderstand
in
beladen am Berg
Fahrwiderstand
in der
der
Ebene
Ebene
Fahrwiderstand voll
beladen am Berg
6000
6000
5000
5000
4000
4000
3000
3000
2000
2000
1000
1000
0
0
0
0.0
Kraftfahrzeugantriebe
50
50.0
100
150
100.0
150.0
Geschwindigkeit in km/h
Geschwindigkeit in km/h
4 Getriebe und Wandler
200
200.0
Herzog
Auslegungskriterien eines Getriebes
Der größte Gang wird in Hinblick auf die erreichbare
Höchstgeschwindigkeit ausgelegt.
Der kleinste Gang legt die minimale
Fahrgeschwindigkeit bei eingerückter Kupplung
fest, bestimmt das maximale Antriebsmoment an
den Antriebsrädern (Steigfähigkeit).
Die Getriebeabstufung ist so zu wählen, dass wenn
bei maximalen Motormoment runter geschaltet wird,
das Überdrehen des Motors ausgeschlossen ist.
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Stufensprung
Stufensprung
iz −1
αG =
iz
 nz −1

für v F = konst. 
=
 nz

Maximal möglicher Stufensprung α G max =
nzul
nzul
nM max
= zulässige Motordrehzahl
nMmax = Drehzahl bei maximalen Motormoment
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Herzog
Geometrische Getriebeauslegung
α G = konst.
7000
6000
Drehzahl in U/min
5000
4000
1. Gang
3000
2. Gang
3. Gang
2000
4. Gang
1000
5. Gang
0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Progressive Getriebeauslegung
Bei der progressiven Getriebeauslegung wird der
Stufensprung mit steigender Gangnummer immer
kleiner
Der Progressionsfaktor k beschreibt das Verhältnis
aus zwei benachbarten Stufensprüngen
α G,n
α G,n −1
Kraftfahrzeugantriebe
=k
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Zugkraftdiagramm bei geometrischer
Getriebeauslegung
α G = konst.
10000
Zugkraft 1.Gang
9000
Zugkraft 2.Gang
8000
Zugkraft 3.Gang
7000
Zugkraft 4.Gang
Kraft in N
6000
Zugkraft 5.Gang
5000
P = 110 kW
4000
3000
2000
1000
0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Drehzahl- Geschwindigkeitsdiagramm bei
progressiver Getriebeauslegung
7000
6000
Drehzahl in U/min
5000
4000
1. Gang
3000
2. Gang
3. Gang
2000
4. Gang
1000
5. Gang
0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Zugkraftdiagramm bei progressiver
Getriebeauslegung
10000
Zugkraft 1.Gang
9000
Zugkraft 2.Gang
8000
Zugkraft 3.Gang
7000
Zugkraft 4.Gang
Kraft in N
6000
Zugkraft 5.Gang
5000
P = 110 kW
4000
3000
2000
1000
0
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Übungsaufgabe
Die Achsübersetzung eines Fahrzeugs soll so ausgelegt werden,
dass in der Ebene die höchst mögliche Geschwindigkeit erreicht
wird. Der Motor des Fahrzeugs hat eine Nennleistung von 108 kW
bei 6000 U/min. Verluste im Antriebsstrang können vernachlässigt
werden.
Fahrzeugmasse
mF
= 1600 kg
Rollwiderstandsbeiwert
fR
= 0,015
Luftwiderstandsbeiwert
cw
= 0,34
projizierte Fahrzeugfläche
A
= 2,5 m2
Dynamischer Rollradius
rdyn = 0,315 m
Übersetzungen 1. bis 6. Gang
Kraftfahrzeugantriebe
2,90; 2,33; 1,83; 1,50; 1,27; 1,14
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Herzog
Bedarfsmoment eines Pkws in der Ebene
bei unterschiedlichen Endübersetzungen
unterdrehend
vmaxmax-Auslegung
überdrehend
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Übungsaufgabe
Bestimmen Sie mit Hilfe der Daten aus der letzten
Aufgabe und dem Diagramm den Streckenverbrauch bei einer Geschwindigkeit von 140 km/h für
die verschiedenen Achsübersetzungen.
Wie hoch ist das Beschleunigungsvermögen bei
dieser Geschwindigkeit für die unterschiedlichen
Übersetzungen. Massenträgheitsmomente der
rotierenden Massen können vernachlässigt werden.
Welche Endgeschwindigkeiten können mit den
verschiedenen Übersetzungen erreicht werden?
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
4.2.3 Stand- und Umlaufgetriebe
Quelle: Lechner/Naunheimer
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Zweiwellengetriebe
Koaxiales Zweiwellengetriebe
Deaxiales Zweiwellengetriebe
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe
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Kräfteplan am Planetengetriebe
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Grundgleichung eines Umlaufgetriebes
ωSt ⋅ (1 + i0 ) = ωH ⋅ i0 + ωs
mit
i0 = −
rH
rS
i0
= Standübersetzung
rH
= Wälzkreishalbmesser Hohlrad
rS
= Wälzkreishalbmesser Sonnenrad
ωSt
= Winkelgeschwindigkeit des Steges
ωH
= Winkelgeschwindigkeit des Hohlrades
ωS
= Winkelgeschwindigkeit des Sonnenrades
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Übersetzungen eines Planetensatzes
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe
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Kraftschlüssige Schaltkuppelmittel
Quelle: ika
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Herzog
Aufbau und Schaltschema eines
gekoppelten Planetensatzes
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe
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Kegelraddifferential
Quelle: ika
Das Kegelraddifferential ist vom Prinzip her ein Umlaufgetriebe mit
gleich großem Hohl- und Sonnenrad.
Kraftfahrzeugantriebe
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Kegelraddifferential
Quelle: Lechner/Naunheimer
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
4.2.4 Getriebebauformen
Herkömmliche Getriebe
5-Gang Schaltgetriebe (ZF) 5-Gang Automatikgetriebe
(Daimler Chrysler)
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Schaltbetätigung eines manuellen
Getriebes mit Hilfe von Seilzügen
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Automatisiertes Schaltgetriebe
Kraftfahrzeugantriebe
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Elektrohydraulischer Kupplungsaktuator
Kraftfahrzeugantriebe
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Herzog
Funktionsschema eines
Doppelkupplungsgetriebes
Doppelkupplung
Antrieb
Abtrieb
4. Gang
2. Gang
3. Gang
1. Gang
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Kompaktes 6-Gang
Doppelkupplungsgetriebe (GFT)
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
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Kompaktes 6-Gang
Doppelkupplungsgetriebe
Quelle: VW
Kraftfahrzeugantriebe
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7-Gang Doppelkupplungsgetriebe (Daimler)
Technische Daten:
Gewicht:
Max. Eingangsmoment:
Spreizung (Otto; Diesel):
81,2 kg
350Nm
7,142; 7,990
Quelle: ATZ12/2011
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Ausführung einer nassen Doppelkupplung
Quelle: Daimler
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Stufenloses Getriebe (Audi, LuK)
Variator
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Stufenloses Getriebe (Audi, LuK)
Kraftfahrzeugantriebe
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Variator (Audi, LuK)
Kraftfahrzeugantriebe
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Variator mit Schubgliederband (Van
Doorne‘s Transmissie VDT)
Kraftfahrzeugantriebe
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Kennfeld eines stufenlosen Getriebes
6000
5000
Drosselklappenstellung in %
0
4000
30
60
3000
70
77
2000
81
85
1000
89
93
100
0
0
40
80
120
160
200
Ge schwindigke it in km/ h
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Verbrauchsoptimierte Regelkennlinie
Moment in Nm
200
Spez. Kraftstoffverbrauch
in g/kWh
150
100
50
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Drehzahl in U/min
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Elektrisches Getriebe
Quelle: VW
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
3D-Modell eines elektrischen Getriebes
Quelle: VW
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Vergleich verschiedener
Getriebekonzepte
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
4.3 Antriebswellen
4.3.1 Kreuzgelenke und Kardanwellen
4.3.2 Gleichlaufgelenke
4.3.3 Tripoden
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
4.3.1 Kreuzgelenke und Kardanwellen
Kreuzgelenk
ω2 =
ω1
ω2
α1
β
Kraftfahrzeugantriebe
=
=
=
=
ω1 ∙cosβ
1-sin2 β∙sin2 α1
Winkelgeschwindigkeit Welle 1
Winkelgeschwindigkeit Welle 2
Drehwinkel Welle 1
Beugewinkel
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Drehungleichförmigkeit durch ein
Kreuzgelenk
Kraftfahrzeugantriebe
4 Getriebe und Wandler
Herzog
Doppelgelenkwellen
Mit Hilfe eines zweiten Kreuzgelenkes können die Drehungleichförmigkeiten
von Drehzahl und Moment bei Anordnung in Z- oder W-Konfiguration und
gleichen Beugewinkeln vermieden werden. Dies gilt allerdings nicht für die
Zwischenwelle.
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Herzog
4.3.2 Gleichlaufgelenk (homokinetisches
Gelenk)
Quelle: Seherr-Thoss
Quelle: GKN
Bei Gleichlaufgelenken werden die Kräfte über Kugeln übertragen. Die Kantaktbahnen der Kugeln sind so angeordnet, dass sich keine Drehzahl- und Momentenungleichförmigkeit ergibt.
Kraftfahrzeugantriebe
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4.3.3 Tripoden-Antriebswelle
Quelle: Drexler
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