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Vergleich von Getriebesystemen
Dipl.-Ing. Gunter Jürgens
Einleitung
Automatische Getriebe haben sich in USA und Japan durchgesetzt. Dort liegen die Marktanteile zwischen 75 und 85 %. Es gibt einige Gründe, warum ein Trend zu einer höheren Automatisierung des Triebstrangs in irgendeiner Form auch in Europa zu erwarten ist. Das Auto wird zuneh- mend Zweckgegenstand, es dient dazu, möglichst bequem und ohne hohen Bedienungsaufwand von A nach B zu kommen. Der Spaß am Fahren wird häufig durch Staus "vermiest", die mehr oder weniger perfekte Betätigung von Kupplung und Schalthebel wird lästige Arbeit. Strengste Abgas- und Geräuschvorschriften können teilweise nur noch durch geziel- ten Betrieb des Motors in günstigen Betriebspunkten - z. B. in der Warm- laufphase - erreicht werden. Der Einfluß des Fahrers könnte ohne Auto- matisierung der Übersetzungswahl z. B. aufwendige Abgas-Entgiftungs- maßnahmen teilweise zunichte machen.
Moderne Automatkonzepte können in Verbrauch und Fahrleistung mit Schaltgetrieben konkurrieren; der Mehrpreis liegt in der Größenordnung eines sehr guten Autoradios. Nicht zu unterschätzen sind hierbei das ent- spanntere Fahren und die damit nach weltweiten Untersuchungen verrin- gerte Unfallhäufigkeit.
Es sollen nun von der einfachsten Möglichkeit eines automatisierten Triebstranges - einem Schaltgetriebe mit automatischer Kupplung - über verschiedene Stufenautomatversionen bis zum stufenlosen Getriebe ver- schiedene Lösungsmöglichkeiten verglichen werden.
Als Vergleichsbasis wurde ein Fahrzeug mit 3 l Hubraum gewählt, da für diese Fahrzeugklasse alle zu vergleichenden Automatisierungsvarianten in Serie oder als Prototypen vorhanden sind. Es werden
- Kosten,
- Gewicht,
- Bauvolumen,
- Komfort,
- Verbrauch und
- Fahrleistungen
vergleichend bewertet.
Zunächst erfolgt eine Beschreibung der zu vergleichenden Getriebe.
5-Gang-Handschaltgetriebe (HSG) mit automatisierter Kupplung
Ein Beispiel eines ausgeführten Schaltgetriebes ist zur Verdeutlichung des Bauaufwandes in Bild 1 dargestellt.
Gewicht: 48 kg Länge: 470 mm
Bild 1: 5-Gang-Handschaltgetriebe HSG
Das Getriebe ist sehr kompakt und wiegt inklusive Zweimassenschwungrad und Schaltgestänge insgesamt nur 48 kg. Die Verluste des 1. und 5. Ganges sind in Bild 2 als Wirkungsgrad bei Teillast in der Ebene dargestellt [1].
50
60
70
80
90
100
20 40 60 80 100 120 140 160 [km/h]
5.Gang
1.Gang
η [%]
Bild 2: Teillastwirkungsgrad in der Ebene
Die Verluste der anderen Gänge liegen entsprechend dazwischen. Die Verluste, die durch das EKM und die Schlupfstrategie entstehen, sind bei den später durchgeführten Verbrauchsvergleichen berücksichtigt. Dann
ohne EKM gegenübergestellt. Der Beschleunigungsverlauf ist ein gutes Maß für den Komfort. Hohe Beschleunigungsspitzen mit nachklingenden Ausschwingvorgängen mindern den Komfort bei der nicht automatisierten Kupplung.
Mit dem automatisierten Kupplungsmanagement erreicht auch der ungeüb- te Fahrer bei Gangwechseln im Teillastbereich beinahe die Schaltgüte eines modernen Stufenautomaten.
Das Lastwechselverhalten im eingekuppelten Zustand ist oft ein Kritikpunkt bei Triebsträngen mit Schaltgetrieben. Hier zeigt Bild 4 das Potential, das mit einer guten Softwarestrategie auch ohne hohen Kupplungsschlupf erreichbar ist.
1500
2000
2500
Zeit [s]
-
0
5
0 1 2
Kupplung geschlossen
Motordrehzahl Getriebedrehzahl Längsbeschleunigung
EKM
a [m/s²]
n [min ]
-
Bild 4: Lastwechselverhalten mit und ohne EKM
Automatisiertes Schaltgetriebe
Wenn man den Kupplungsvorgang automatisiert, so ist es naheliegend, auch daran zu denken, den Gangwechsel selbst bei konventionellen Schaltgetrieben ebenfalls voll- oder halbautomatisch vorzunehmen.
Diese Lösung ist im Nfz-Bereich bereits in Serie. Nfz-Getriebe haben oft mehr als 10 Gänge. Da hier konventionelle Automatgetriebe mit Planeten- sätzen sehr bauaufwendig wären, ging man hier den Weg, das Schalt- gestänge mit Servozylindern zu versehen und diese halb- oder vollauto- matisch zu betätigen. Der zusätzliche Aufwand hält sich auch bei 16 Gängen in Grenzen im Vergleich zu dem notwendigen Aufwand eines konventionellen Vollautomatgetriebes. Die Getriebeschaltung wird aller- dings in der Regel nicht vollautomatisch durchgeführt, sondern der Fahrer entscheidet nach eigenem Ermessen oder durch eine Schaltempfehlung angeregt, ob er hoch- oder zurückschaltet. Ausgelöst wird die Hoch- oder Rückschaltung durch Drücken eines Schalthebels in die gewünschte Richtung; die Gassenwahl kann entfallen.
Da der Fahrer den Schaltbefehl auslöst, fällt die Zugkraftunterbrechung, die durch das Auskuppeln zum Gangwechsel erfolgt, nicht so negativ auf, als wenn dies vollautomatisch - vielleicht zu einem gerade unerwünschten Zeitpunkt - erfolgen würde.
Obwohl der Zusatzaufwand beim Übergang vom halbautomatischen, mit Schaltwunsch betätigten Getriebe zum vollautomatischen äußerst gering ist, könnte die Zugkraftunterbrechung jedoch ein Grund sein, warum Vollautomatisierung von Schaltgetrieben auch in Nutzfahrzeugen unseres Wissens noch nicht in Serie ist.
Unabhängig davon, ob die Gangwechsel durch Servozylinder oder Schritt- schaltwerke durchgeführt werden, müssen jedoch Strategien entwickelt werden, um den Gang unter jeder Bedingung einrücken zu können. Da in der Synchrongruppe die Drehmomentmitnahme über Verzahnungen, also formschlüssig erfolgt, ist es möglich, daß im Moment des Einrückens Zahn auf Zahn steht und damit ein Durchschalten ohne Zusatzmaßnahmen nicht möglich ist. Dieser Fall tritt beim Handschaltgetriebe gelegentlich auf - vor allem im 1. und im Rückwärtsgang - und kann hier z. B. durch nochmaliges Verdrehen der Wellen mittels Wiedereinkupplung in der Neutralgasse umgangen werden.
Da die Zusatzkosten für die automatisierte Gangwahl bei wenigen Gängen in der Größenordnung der Mehrkosten für einen Vollautomaten liegen, hat dieser Ansatz für Pkw-Getriebe nur geringe Marktchancen.
Der kleine Verbrauchsvorteil aufgrund der geringeren Verluste im Vergleich zum Vollautomat wird durch den schlechteren Schaltkomfort bedingt durch die Zugkraftunterbrechung aufgewogen.
Drehzahldifferenzen über beide Kupplungen erfolgen, wobei hier jedoch die Summe der Drehmomente beider Kupplungen berücksichtigt werden muß. Überträgt z. B. die eine Kupplung das volle Motormoment, so macht die 2. teilerregte Kupplung mit ihrem Schlupf nur Verluste. Reduziert man jedoch das übertragbare Drehmoment der Kupplung 1 bei gleichzeitiger Erhöhung des Drehmoments der Kupplung 2, so wird der Motor auf die dem anderen Getriebestrang entsprechende Drehzahl beschleunigt oder verzögert. Die Abstimmung dieser Vorgänge ist bei einer vollelektronischen Steuerung leicht möglich und es ist theoretisch und praktisch nachweisbar, daß hier der gleiche Schaltkomfort wie bei einem Planetengetriebe erreichbar ist.
Motor
Kupplung 2
Kupplung 1
n Mot nab
Zeit
n Mot
nab
M K1 M K
Bild 6: Schaltung ohne Zugkraftunterbrechung
An zusätzlichem Aufwand gegenüber einem Schaltgetriebe fällt an: die Aufteilung des Getriebes in zwei Teilgetriebe, die zusätzliche Kupplung, der Automatisierungsaufwand beider Kupplungen, die Betätigungseinrich- tungen für die Synchronelemente und die Ölversorgung eines evtl. vor- handenen Drehmomentwandlers. Die Verluste können geringer ausfallen als bei Planetengetrieben.
Doppelkupplungsgetriebe arbeiten - wie der Name sagt - mit zwei reib- schlüssigen Kupplungen und je nach Gangzahl mehreren formschlüssigen Kupplungen, die üblicherweise mit Synchronelementen kombiniert sind.
4-Gang-Automat mit hydraulischem Drehmomentwandler
Schon sehr lange sind Automatgetriebe bekannt, bei denen praktisch für jeden Gang eine eigene reibschlüssige Kupplung benutzt wird. Egal ob diese Getriebe in Vorgelegebauart oder als Umlaufrädergetriebe (Planetengetriebe) gebaut werden, werden zumindest die Vorwärtsgänge durch je eine Reibkupplung geschaltet.
4-Gang-Automatgetriebe in Vorgelegebauweise
Ein Beispiel für ein 4-Gang-Automatgetriebe in Vorgelegebauweise, wie es in USA und Japan seit Jahren gebaut wird, zeigt das Bild 7.
Gewicht: 91 kg Länge: 620 mm
Bild 7: Automatgetriebe in Vorgelegebauweise
Der Vorteil dieser Getriebebauart liegt in der relativ freien Übersetzungs- wahl, da für jede Übersetzung eine eigene Rädergruppe verwendet wird. Nachteilig ist unter anderem die Begrenzung der Kupplungdurchmesser aufgrund des Achsabstandes. Bei Anwendung des Standes der Technik bei der Zahnradauslegung und -fertigung kann vom Verzahnungsgeräusch ein dem Planetengetriebe vergleichbarer Stand - d. h. unhörbar - erreicht werden. Die Schaltqualität ist mit und ohne Freiläufe theoretisch und prak- tisch gleich gut wie bei Planetengetrieben.
Wenn ein Drehmomentwandler mit seiner Wandlung das Anfahren unter- stützt, kann die Gesamtübersetzung im ersten Gang eines Automatgetrie- bes etwas "länger" ausgeführt werden als beim Schaltgetriebe. Die Über- setzung im obersten Gang ist meist etwas "kürzer" als beim Schaltgetriebe, was naturgemäß zu höheren Verbräuchen bei höheren Geschwindigkeiten, z. B. Autobahnfahrt, führen muß.
Der Anfahrkomfort ist sehr ähnlich dem HSG mit EKM, jedoch beim Gangwechsel macht sich der Entfall der Zugkraftunterbrechung vorteilhaft bemerkbar und vermindert auch den Beschleunigungsrückstand, der sich aufgrund der geringeren Ganganzahl ergibt.
[km/h]
60
70
80
90
100
60 80 100 120 140 160
5-Gang Schaltgetriebe 4-Gang Automat (Bandbreite)
- Gang
- Gang
η [%]
Bild 9: Teillastwirkungsgrad
Das Gesamtgewicht von 4-Gang-Stufenautomaten mit Drehmoment- wandler ist deutlich höher als beim 5-Gang-Handschaltgetriebe. Das hat mehrere Gründe:
- Der Drehmomentwandler wiegt etwa gleich viel wie ein Zwei- massenschwungrad, das zumindest in der betrachteten Fahr- zeugklasse meist verwendet wird.
- Die Übertragung des Kraftflusses durch reibschlüssige Elemente - Vollastschaltkupplungen - ist gewichtserhöhend. Diese Vollast- schaltkupplungen werden zwar mit Öl gekühlt, jedoch ist in einem gewissen Maß eine Zwischenspeicherung der Schaltwärme not- wendig. Dies läßt sich nur mit Masse erreichen.
- Die eingefüllte Ölmenge ist wesentlich größer (6 - 8 l) als beim Handschaltgetriebe.
- Auch die hydraulische Steuerung und die dazu benötigte Ölpumpe wiegen mindestens 5 kg. Berücksichtigt man dazu noch den Ölkühler, so wird in dieser Leistungsklasse je nach Konstruktion ein dem Getriebe zuzuordnendes Gesamtgewicht von 70 bis 90 kg erforderlich sein.
Das Bauvolumen der leistungsführenden Teile (Schaltelemente, Planeten- sätze und Wellen) kann ähnlich liegen wie bei den entsprechenden Kompo- nenten des Schaltgetriebes, jedoch kommt durch Hydrauliksteuerung und Ölsumpf noch zusätzliches Volumen hinzu. Dies ist neben den Kosten wohl der Hauptgrund dafür, daß zwar 5-Gang-Handschaltgetriebe, aber überwiegend nur 4-Gang-Automatgetriebe - vor allem bei Frontantriebs- fahrzeugen - eingesetzt werden.
Die Gesamtkosten sind im Vergleich zum Schaltgetriebe (inklusive Schwungrad und Kupplung, etc.) deutlich höher. Der Mehraufwand kann je nach Konstruktion sehr unterschiedlich sein. Werden z. B. zur Verein- fachung der Gangwechselsteuerung Freiläufe verwendet, müssen diese Freiläufe im Schubbetrieb durch zusätzliche Kupplungen überbrückt werden.
5-Gang-Stufenautomat mit hydraulischem Drehmomentwandler
Will man, ohne auf Anfahrsteigfähigkeit zu verzichten, mit einem Automat- getriebe eine ähnliche Overdrive-Übersetzung erreichen wie bei 5-Gang- Handschaltgetrieben, muß im Regelfall ein zusätzlicher Gang eingefügt werden. Der Drehmomentwandler allein konnte bis heute die notwendige Getriebespreizung nicht vollkommen ausgleichen, da die Verluste, z. B. bei Bergfahrt mit Anhänger, sonst einfach zu groß würden. Um die vorhan- denen Investitionen für 4-Gang-Getriebe weiterhin nutzen zu können, wird so häufig eine zusätzliche Planetengruppe mit Schaltelementen zugefügt, um ein 5-Gang-Getriebe mit größerer Gesamtspreizung zu erhalten. Diese Getriebe sind dann von der Gesamtspreizung einem 5-Gang-Handschalt- getriebe gleichwertig und können wegen des Drehmomentwandlers als Anfahrhilfe sogar mit einem ausgeprägterem Overdrive-Effekt arbeiten. Die niedrigere Zugkraft im Overdrive-Bereich kann durch die einfache Rückschaltmöglichkeit in den zweithöchsten Gang akzeptiert werden. Hierfür ist allerdings eine geglückte Schaltauslegung sehr schwer zu finden. Verschiedene Testberichte weisen auf eine zu hohe Schalthäufig- keit der oberen beiden Gänge hin.
Gewicht: 90 kg Länge: 680 mm
Bild 11: 5-Gang-Automat
Weiterhin hat der zusätzliche fünfte Gang höhere Verluste zur Folge, was in Bild 10 andeutungsweise berücksichtigt ist [5]. Hier ist zu beachten, daß die Getriebeeingangsdrehzahl, die wesentlich die Verluste bestimmt (wegen der Ölpumpe), aufgrund des 5. Ganges niedriger ist als beim 4- Gang-Getriebe.
Trotz des höheren Gewichtes und der tendenziell höheren Verluste ist aufgrund der stärker ausgeprägten Overdrive-Übersetzung des 5. Ganges der Verbrauch niedriger als beim 4-Gang-Automat, ja sogar niedriger als beim 5-Gang-Handschaltgetriebe bei gleichzeitig verbesserten Fahr- leistungen. Ein entsprechendes Getriebe ist in Bild 11 dargestellt.
Modifizierter 4-Gang-Automat mit LuK-TorCon-System
Die ersten Automatgetriebe hatten nur zwei, maximal drei mechanische Gänge, aber dafür hydraulische Drehmomentwandler mit hoher Wandlung und hoher Festbremsdrehzahl. Dies ergab ein sehr komfortables Fahren bei allerdings hohen Verlusten. Im Laufe der Jahre mußte zur Verringerung der Verluste der Wandler steifer ausgeführt werden. Damit war die hohe Anfahrwandlung nicht mehr möglich und mußte durch eine größere Getriebespreizung mit mehr Gängen ausgeglichen werden.
Anfang der 70er Jahre wurde im Zuge der weiteren Verringerung der Ver- luste der Schlupf des Wandlers zumindest im obersten Gang durch Über- brückungskupplungen eliminiert. Nun hatte man zwar ein verbrauchs-
günstigeres Getriebe, allerdings mit geringerem Komfort. Aus dieser Zeit existiert ein SAE-paper, in dem ein Entwickler sagte: "Als der Wandler überbrückt war, wußten wir erst, was wir für Vorteile verloren hatten."
Auch bei einer Optimierung von Schaltstrategien des Stufenautomaten und des Wandlers mit der Überbrückungskupplung, z. B. durch adaptive Schaltprogramme oder Programmwähler, ist ein Kompromiß zwischen einer reduzierten Schalthäufigkeit und verbrauchs- oder fahrleistungs- orientierter Gangwahl sehr schwer zu finden. Selbst wenn die Schaltungen fast unspürbar durchgeführt werden, fällt doch die Motordrehzahländerung zumindest akustisch auf. Ein gestuftes Getriebe bringt immer eine konkrete Zuordnung von Motordrehzahl zur Fahrgeschwindigkeit. Nur im Bereich von hohen Schlüpfen, wie sie bei weichen Wandlern auftreten können, wird die Motordrehzahl bei Beschleunigungs- und Schaltvorgängen fast konstant bleiben. Auch eine höhere Gangzahl - quasi der Weg zum stufenlosen Getriebe - bringt wegen der höheren Schalthäufigkeit eher wieder mehr Probleme. Kann eine noch höhere Gangzahl - über 5 Gänge hinaus - hier helfen?
LuK hat dazu einen anderen Lösungsansatz gefunden.
Besinnt man sich wieder auf die Eigenschaften des hydraulischen Drehmomentwandlers als komfortables stufenloses Getriebe in Kombina- tion mit einer Lock up, so sind nun andere Triebstrangauslegungen mit Getrieben mit weniger Gängen denkbar. Die Gesamtübersetzung im ersten Gang sollte nach wie vor sehr hoch sein, um mit niedrigen Verlusten - teil- oder vollüberbrückt - in diesem Gang hohe Zugkraft für Anhängerbetrieb und ähnliches zur Verfügung zu haben. Die Overdrive-Übersetzung muß ebenfalls "mechanisch" erreicht werden, jedoch können die dazwischen liegenden wenigen Übersetzungen und damit hohen Gangsprünge durch das stufenlose Getriebe "Drehmomentwandler" komfortabel überbrückt werden. Ist dies nur bei Beschleunigungsvorgängen und somit kurzzeitig notwendig, so spielt dort der Wirkungsgrad nur eine untergeordnete Rolle. In vielen Fällen wird die oft kritisierte Schalthäufigkeit speziell aus dem Overdrive nicht mehr notwendig, da der Gang- bzw. Übersetzungswechsel durch den erweiterten Wandlungsbereich des Drehmomentwandlers "stufenlos" durch volles oder teilweises Öffnen der Überbrückungskupplung ersetzt wird. In Bild 12 ist zu sehen, daß der 4. Gang mit dem erhöhten Wandlungsbereich des LuK-TorCon-Systems den 4. und 5. Gang des 5- Gang-Automaten zwischen 60 und 140 km/h abdeckt.
Ein Getriebe mit dem LuK-TorCon-System ist von Aufwand, Verlusten, Gewicht und Kosten ein 4-Gang-Stufenautomat mit den Vorteilen eines 5- Gang-Automaten. Ob die größere Getriebespreizung konstruktiv möglich ist, hängt von der Art des Planetensatzes und den Freiräumen für die andere Dimensionierung von Lagern etc. ab. Die zusätzlichen Entwick-
0
4000
8000
12000
16000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
5 - G ang Ser i e
2,
1,
0,
0,
2, 1, 1, 0, 0,
4 - G ang mi t Wand ler - /Lock - u p S y s te m
G esch w i nd ig ke it ( k m/h )
1 .Gang
2 .Gan g
3 .Gang
4 .Gang
1 .Gan g
2 .G ang
4 .G ang
3 .Gang
5 .G ang
höheres Mo men t ⇒ b essere Besch leun igung
**ge r in ge Scha l thäu f igkeit
Bild 12: Zugkraftvergleich 5-Gang-Getriebe zu LuK-Konzept
Theoretisch ergibt in jedem Punkt des Fahrleistungskennfeldes eine genau passende Übersetzung den niedrigsten Verbrauch. Berücksichtigt man jedoch die höheren Verluste und die sehr schwierige Schaltphilosophieabstimmung, so scheint vor allem für Front- antriebsfahrzeuge das neue "alte" Konzept mit wenigen Gängen und optimiertem Drehmomentwandler günstig zu sein.
Nutzt man jedoch die 5 Gänge mit noch größerer Gesamtspreizung und diesem Konzept, so kann man die Vorteile eines 6-Gang-Automats her- kömmlicher Auslegung erreichen.
CVT
Der Wunsch nach einer stufenlos variierbaren Getriebeübersetzung existiert schon sehr lange. Der hydraulische Drehmomentwandler ist ein Kompromiß in dieser Richtung. Hier ist jedoch der Wirkungsgrad nicht besonders befriedigend und auch die Übersetzungswahl nicht frei - die Übersetzung ergibt sich im Rahmen der Kennlinien. Sie kann aber mit einer parallelgeschalteten Überbrückungskupplung wie beim LuK-TorCon- System in gewissen Grenzen zusätzlich beeinflußt werden.
Bei mechanischen stufenlosen Getrieben wird die Übersetzung durch gleichzeitige Änderung der Reibradien von Kraftübertragungselementen variiert. Es gibt dazu unterschiedliche Lösungsansätze, einer davon wird nachfolgend gezeigt.
LuK hat zusammen mit anderen Partnern ein stufenloses Getriebe für ca. 250 Nm als Prototyp entwickelt (Bild 13).
Das Kernstück - der Variator - besteht aus konischen Scheiben und da- zwischen einem Umschlingungselement. Dieses Umschlingungselement war bei den ersten stufenlosen Getrieben, die bei DAF im Jahre 1959 ein- gesetzt wurden, aus Gummi. Damit wurden über 1 Million Getriebe gebaut. Inzwischen werden wegen höherer Leistungen und der Forderung nach höherer Lebensdauer metallische Umschlingungselemente benutzt. Am weitesten verbreitet ist hier das Van-Doorne-Band. Viele Prototypen und eine Serienanwendung operieren auch mit Ketten.
Da bei diesen Getrieben die Leistung durch Reibung zwischen den Kegel- scheiben und dem Umschlingungselement übertragen wird, sind bei der Paarung Stahl-Stahl wegen des niedrigen Reibwertes hohe Anpreßkräfte notwendig. Die dabei besonders beanspruchten Übertragungselemente, wie die Scheibensätze, Wellen, etc., müssen entsprechend stark dimen- sioniert sein.
Stufenlose Getriebe bieten bei den zur Zeit bekannten Ausführungen Gesamtübersetzungsbereiche zwischen fünf und sechs. Das heißt, daß stufenlose Getriebe Übersetzungen ermöglichen, die sonst nur mit fünf oder sechs mechanischen Gängen eines Automatgetriebes überdeckt werden können.
Die Verluste durch Dichtringreibung würden wegen der höheren Drücke eigentlich stärker ausfallen als bei Stufenautomatgetrieben. Da jedoch weniger Elemente zu bedienen sind, können die Dichtungen auf sehr kleinem Durchmesser am Wellenende angeordnet werden, so daß die Gesamtsumme dieser Verluste klein ist.
Außerdem kommt das stufenlose Getriebe mit weniger Elementen als der Stufenautomat aus - das heißt, daß Ventilationsverluste von geöffneten Schaltelementen und ähnlichem geringer sind.
Eine sehr große Bedeutung kommt der präzisen Anpressung der Scheibensätze an die Kette bzw. das Band zu. Wie man sich leicht vor- stellen kann, ergibt eine Anpressung über das notwendige Maß hinaus zu- sätzliche Reibungsverluste zwischen Scheibe und Umschlingungselement, aber auch die Pumpenleistung steigt aufgrund des höheren Drucks. Das von LuK nach diesen Gesichtspunkten optimierte stufenlose Getriebe konnte in der Verlustleistung im äußerst wichtigen Teillastbereich Werte von sehr guten 4-Gang-Stufenautomaten erreichen (Bild 14). Die meisten 4- und 5-Gang-Stufenautomatgetriebe haben bei kleinerer Spreizung schlechtere Wirkungsgrade!
[km/h]
60
70
80
90
100
60 80 100 120 140 160
LuK-CVT 4-Gang Automat (Bandbreite)
- Gang
η [%]
Bild 14: Vergleich Teillastwirkungsgrade
Bisherige stufenlose Getriebe hatten relativ schlechte Teillastwirkungs- grade. Die größere Gesamtspreizung im Vergleich zum Stufenautomat ermöglichte jedoch den Betrieb mit mehr Overdrive-Effekt. Dies ergibt im Motor einen günstigeren Betriebspunkt, so daß gesamtheitlich betrachtet die Verluste Motor und Getriebe geringer waren.
Der Betrieb im extremen Overdrive wurde jedoch vielfach beanstandet. Das Fahrzeug macht einen "müden" Eindruck.
Hat nun das stufenlose Getriebe einen sehr guten Teillastwirkungsgrad, so kann man den Einsatz der Overdrive-Übersetzung nach der möglichen Akzeptanz wählen. Verbrauchsvorteile im Vergleich zum Handschalt- getriebe, das nicht "streng" verbrauchsgünstig betrieben wird, sind wie mit allen Automatgetrieben bei verbrauchsoptimierter Übersetzungswahl mög- lich. Allerdings wird der Vorteil der stufenlosen Übersetzung - das Betreiben im jeweiligen Verbrauchsoptimum des Motors - überschätzt. Der Verbrauchsvorteil von stufenlosen Getrieben liegt vor allem in der großen Spreizung und damit in der Overdrive-Charakteristik begründet.
Widersprüche gibt es bei den Zielsetzungen für das Verstellverhalten des Getriebes. Die kompromißlose Betreibung des Motors im jeweils günstig- sten Bereich hat oft Kritik hervorgerufen, da nun die völlig ungewohnte Akustik des Motordrehzahlverlaufs im Vergleich zum Stufengetriebe Kritik hervorruft. Andererseits wird beim Stufengetriebe selbst bei excellentem und nicht wahrnehmbarem Schaltkomfort die Motordrehzahländerung bei Übersetzungsänderung kritisiert. Hier ist ein Gewöhnungsprozeß bzw. eine geschickte Kompromißauslegung notwendig. In den USA ist ein dem CVT entsprechendes Drehzahlverhalten bei Fahrzeugen mit Stufenautomat und "weichem" Drehmomentwandler schon längst akzeptiert.
Das Gesamtgewicht von stufenlosen Getrieben kann aufgrund der not- wendigen steifen Ausführung von Scheibensätzen und Wellen höher liegen als bei vergleichbaren 4-Gang-Automatgetrieben. Es gibt hier jedoch einige Optimierungsmöglichkeiten. Nutzt man z. B. bei einem stufenlosen Getriebe den erhöhten Spreizungsbereich zur Vergrößerung der Anfahrübersetzung, so kann mit einer Anfahrkupplung anstelle eines Drehmomentwandlers gearbeitet werden.
Vergleicht man stufenlose Getriebe mit den leistungsgleichen 5-Gang- Automatgetrieben, so ist sogar ein Gewichtsvorteil des stufenlosen Getrie- bes vorstellbar.
Auch beim Bauvolumen muß man leistungsgleiche Stufenautomaten zum Vergleich nehmen. Ist insbesondere vom Fahrzeugkonzept ein Achsversatz zwischen Eingangs- und Ausgangswelle notwendig, so sind hier stufenlose Umschlingungsgetriebe bauartbedingt günstig.
Für einen Vergleich der Herstellaufwendungen ist es sinnvoll, zuerst auf- wandsähnliche Baugruppen als kostenneutral auszugrenzen. Setzt man eine elektronische Steuerung voraus, werden die Gesamtkosten für Ölpumpe und Steuerung bei Stufenautomat und stufenlosem Getriebe ähnlich sein. Auch Getriebegehäuse und Ölwanne können als kosten- neutral betrachtet werden. Im Vergleich zu den Radsätzen und Schalt- elementen eines 4-Gang-Automaten wird die Vorwärts-/Rückwärts-
