CVT-Getriebe


Das Grundprinzip eines CVT-Getriebes (engl. Continuous Variable Transmission) besteht in einer stufenlosen Drehzahl- und Drehmomentwandlung. Damit ist es erstens moeglich, die uebersetzung genau der Zugkrafthyperbel des Motors anzupassen, und zweitens kann im Teillastbereich, in dem hohe Fahranteile liegen, die Uebersetzung so eingestellt werden, dass der Motor im verbrauchsguenstigsten Bereich arbeitet [1]. Diese Vorteile gegenueber den Stufengetrieben tragen dazu bei, dass das CVT-Konzept sich in letzter Zeit zunehmend durchsetzt. Die mit CVT-Getrieben erreichbaren hohen Getriebespreizungen und die stufenlose Uebersetzung kommen den derzeitigen Entwicklungstrends sehr entgegen. So wird in Zukunft die mittlere Fahrzeuggesschwindigkeit sinken und es werden aerodynamisch sehr guenstige Fahrzeuge zur Verfuegung stehen. Dies fuehrt zu geringeren mittleren Motorleistungen, wobei aber gute Beschleunigung und Elastizitaet zu erhalten sind [2].

1.1 CVT-Konzepte

Die CVT-Technik umfasst nicht nur das Schubgliederkonzept sondern noch andere Funktionsprinzipien, die sich bezueglich der Art der Leistungsuebertragung, dem physikalischen Wirkprinzip und schliesslich dem Loesungsprinzip unterscheiden [7]. Allen gemein ist die Moeglichkeit der stufenlosen Uebersetzung der Drehzahl und des Drehmomentes. Abbildung 2 zeigt einen  Ueberblick ueber die verschiedenen CVT-konzepte. Von den vielen moeglichen Loesungsprinzipien wird derzeit in PKW hauptsaechlich das Umschlingungsgetriebe eingesetzt. Der Grund hierfuer ist die objektive Bewetung der verschiedenen Varianten im Hinblick auf die an ein Getriebe gestellten Anfordderungen. So wurden in vergangener Zeit einige Konzeptbewertungen durchgefuert. In [2] wird die Bewertung mechanisch stufenloser Wandler beschrieben. Die Bewertung erfolgte anhand von 22 Kriterien, die aus den Bereichen Konstruktion/Fertigung, Anpassung/Steuerung sowie den Betriebseigenschaften stammen. Die einzelnen Kriterien wurden einer Wichtung unterzogen. Ergebnis der Untersuchung war, dass die CVT-Umschlingungsgetriebe vor den Toroid-Reibrand-Getrieben eindeutig das beste Loesungsprinzip darstellen. In [6] werden die Getriebefunktionstraeger Halbtoroid, Volltoroid, Schubgliederband, Zuggliederkette Stirnradstufe und Planetenstufe miteinander verglichen. Bei einer Nutzwertanalyse fuer den Einbau in einen Porsche 911 ergab sich hierbei sogar, dass das CVT-Schubgliederband den Zahnradstufengetrieben vorzuziehen ist. Dementsprechend ist es auch nicht verwunderlich, dass die neueren PKW-Getriebe-Entwicklungen sich bei der Wahl eines CVT-Konzeptes fast ausschliesslich auf das CVT-Umschlingungsgetriebe-Konzept stuetzen. Beispiele hierfuer sind der neue BMW-Mini mit Schubgliederband [3] und das Audi Multitronic-Getriebe mit Zuggliderkette. Es ist wichtig anzumerken, dass das Ergebnis von Nutzwertanalysen immer massgeblich von den Eingangvorraussetzungen (Einbaulage, Leistungsbereich, usw.) abhaengt. Trotzdem ist eine derzeitige Praeferenz gegenueber dem Umschlingungs-Konzept im PKW-Bereich nicht zu verleugnen.

1.2 Aufbau und Funktionsweise eines CVT-Getriebes mit Schubgliderband

In Abbildung 4 ist die prinzipielle Funktionsweise eines CVT-Getriebes dargestellt. Zentrales Element ist das Schubgliederband, ueber welches das Antriebsmoment auf die Abtriebswelle uebertragen wird. Zur Einstellung der stufenlosen Uebersetzung dienen zwei Kegelscheibenpaare, von denen jeweils eine Kegelscheibe axial verschibbar ist. Die axiale Lage der verstellbaren Kegelscheiben kann z.B. ueber Hydraulik eingestellt werden, wie ebenfalls in Abbildung 4 zu erkennen ist. Der hydraulischen oder wie auch immer gearteten Kegelscheibenverstellung kommt zusaetzlich noch die Aufgabe zu, bei jedem Uebersetzungsverhaeltnis die Anpressung zwischen Schubgliederband und Kegelscheibenlaufflaechen so zu regeln, dass das Band keinesfalls durchrutscht. Sollte dies geschehen, werden die Oberflaechen der Kegelscheiben zerstoert und das CVT-Getriebe faellt aus.

Der Aufbau eines CVT-Getriebes soll anhand des CTX-Getriebautomaten der Firma Ford erfolgen, der schon vor ca. 10 Jahren in den Ford Fiesta eingebaut wurde. In Abbildung 5 ist ein Laengsschnitt durch das CTX-Getriebe gezeigt.

Die Verstellung der Kegelscheiben 'a' und 'b' erfolgt ueber hydraulische Betaetigungszylinder. Die Einstellung des korrekten Anpressdruckes ist Aufgabe der hydraulischen Steuerung. Fuer die Vorwaertsfahrt wird der Steg des Planetenradsatzes P direkt ueber die Vorwaertskupplung 'f' mit der Sonne verbunden und treibt direkt die Kegelscheibe 'a' an. Fuer die Rueckwaertsfahrt wird eine Drehrichtungsumkehr benoetigt. Diese wird durch die Rueckwaertskupplung 'r' realisiert. Beim Schliessen der Rueckwaertskupplung 'r' ist das Hohlrad fest mit dem Gehaeuse verbunden und der Steg und somit die Kegelscheibe 'a' dreht sich entgegengesetzt der Antriebswelle. Die Antriebswelle treibt gleichzeitig die in dieser Abbildung nicht dargestellte Oelpumpe an. Die Oelpumpe erzeugt  den fuer die Kegelscheibenbedienung noetigen Betriebsdruck. Die Reduktionsgetriebestufe R und die Endstuffe E uebertragen das Abtriebsmoment schliesslich auf das Differential, wo es auf die Seitenwellen 'w' verteilt wird.

Das CTX-Getriebe wird vollhydraulisch gesteuert. Diese Art der Steuerung ist nicht mehr zeitgemaess und soll deshalb nicht naeher erlaeutert werden. Der Nachteil an der vollhydraulischen Steuerung des CTX-Getriebes besteht darin, dass es nur ungenuegend moeglich ist, den Kegelscheibenanpressdruck optimal in Abhaengigkeit vom vorhandenen Drehmoment zu regeln [4].

Eine andere, sehr frueh in PKW eingesetzte CVT-Variante war das ECVT von Subaru, das im Februar 1987 eingefuehrt wurde [5]. Der hauptsaechliche Unterschied im Vergleich zum Ford-CTX-Getriebe besteht in der Magnetpulverkupplung sowie in der anders realisierten Vorwaerts-Rueckwaerts-Schaltung.

Die CVT-Getriebe wurden anfangs lediglich in Kleinwagen (Ford Fiesta, Subaru Justy) mit geringer Leistung und somit geringerem Drehmoment eingesetzt, weil die Schubgliederbaender anfangs noch nicht in der Lage waren groessere Leistungen zu uebertragen. Diesbezueglich wurden allerdings erhebliche Verbesserungen erreicht, so dass nun auch Motormomente von 300Nm uebertragen werden koennen. Hier gibt es sogar schon Entwicklungen der Firma VDT an einem Schubgliederband, das fuer 400Nm geeignet sein soll [6]. Dieses Drehmomentniveau liegt im Bereich eines Porsche 911. Somit duerfte in der Zukunft der Anwendung des CVT-Konzeptes auf der Basis von Schubgliederbaendern auch fuer Mittel- und Oberklassewagen nichts im Wege stehen.

1.3 Steuerung von CVT-Getrieben

In diesem Abschnitt konzentriet sich die Betrachtung auf CVT-Schubgliederband-Getriebe, da diese das am meisten eingesetzte Konzept darstellen.

CVT-Getriebe haben die konzeptbedingte Eigenschaft automatisch gesteuert werden zu muessen. Der Anpressdruck der Kegelscheiben beim Umschlingungsgetriebe ist eine fuer die Zuverlaessigkeit und die Wirtschaftlichkeit des Getriebes entscheidende Groesse. Findet hier keine selbsttaetige Regelung statt, muesste diese der Fahrer uebernehem, was angesichts der Komplexitaet des Regelvorganges unmoeglich erscheint.

In den Abbildung 6 und 7 ist das Funktionsschema einer CVT-Getrieberegelung gezeigt. Das schema in Abbildung 6 kann je nach Aufbau des Antriebsstranges (z.B. Ersetzen des Wandlers durch eine nasse Anfahrkupplung oder eine Magentpulverkupplung) auch anders aussehen.

In Abbildung 8 sind die Elemente einer elektronischen Getriebesteuerung (EGS) dargstellt. Hierbei handelt es sich, wie man leicht erkennen kann, nicht um eine CVT Steuerung. Aber auch bei einer solchen muessen Signale erfasst und Reaktionen abgeleitet werden. Hierzu werden Sensoren und Aktuatoren benoetigt.

Der Informationsfluss wird zunehmend ueber moderne Bussystem, wie den CAN-Bus abgewickelt. Dies ist ein Element der zunehmenden Integrationbestrebungen bei der Konzeption von Steuerungen. Dadurch koennen viele Verkabelungen, Loetstellen und andere Elemente eingespart werden. In letzter Zeit war verstaerkt ein Trend in Richtung Modularisierung zu beobachten. Dieser Trend ging und geht einher mit Bestrebungen integrierte Steuerungen herzustellen [9]. Integration bedeutet die Zusammenfassung von evtl. raeumlich verteilten Funktionsgruppen zu Gesamtmodulen. So war es bis vor kurzem ueblich, die Steuerventile im Getriebe und das Steuergeraet im Fahrgastraum unterzubringen. Ein in Abbilfung 9 dargestelltes Mechatronik-Modul der Firma Bosch kann alle Steuerungsfunktionen in einer Baugruppe bieten und ist auch eine Schluesselkomponente fuer das CVT-Getriebe. Hierdurch koennen Kosten gespart, die Zuverlaessigkeit gesteigert und Platz- und Gewichtsersparnis erzielt werden. Um diese Vorteile zu realisieren muessen allerdings die erhoehten Beanspruchungen (z.B. Waermebeanspruchung der Steuerungselektronik bei getzriebenahmen Einbau) gemeistert werden. Zusaetzlich muessen die Teile sehr zuverlaessig sein, weil die Tauschbarkeit der einzelnen Baugruppen im Service durch die Integration erschwert wird. Ein wesentlicher Schritt in Richtung hoch zuverlaessiger Elektronikbauelemente stellte die Hybridtechnik dar. Hybridsteuergeraete werden schon in Millionen-Stueckzahl hergestellt und sind fuer die teils extremen Temperaturbeanspruchungen spezifiziert.

1.4 Zuverlaessigkeit von CVT-Getrieben

Ein entscheidendes Verkaufsargument fuer PKW ist deren Zuverlaessigkeit. Aufgrund von Pruefstandsversuchen wird eine Aussage ueber die Lebensdauerfaehigkeit von Systemen gemacht.

In [2] ist beschrieben, dass bei Pruefstandsversuchen der Firma VW mit CVT-Getrieben mit Zuggliederkette herausgefunden wurde, dass die CVT-Grundelemente die erforderliche Lebendauerfaehigkeit aufweisen. Die richtige CVT-Steuerung entscheide hierbei wesentlich ueber die Lebensdauerfaehigkeit des Systems.

In [11] wird die Bedeutung der Zuverlaessigkeit der CVT-Getriebe fuer eine positive Marktakzeptant beschrieben. Die Firma Van Doorne's Transmissie (VDT) stelle zwischen 1986 und 1988 42400 eine erste Serie von CVT-Einheiten her. Es wurde eine Statistik ueber die ausgefallenen CVT-Getriebe aufgestellt. Hierbei stellte sich heraus, dass die CVT-Schuesselkomponente Schubgliederband und Kegelscheiben sehr geringe Ausfallzahlen aufwiesen.

Entsprechend der Lerneffekte aus dieser ersten Generation von Serien-CVTs werden gezielte Verbesserungsmassnahmen abgeleitet.

Ein konzeptioneller Vorteil der CVT-Getriebe im Vergleich zu Standard-Automatikgetrieben ist die sehr viel geringere Anzahl von Bauteilen. In [11] wird die CVT-Bauteilzahl in der Groessenodnung von 300 Teilen angegeben, waehrend ein Automatikgetriebe bei ca. 500 Teilen liegt. Um die Uebersichtlichkeit der CVT-Struktur zu dokumentieren ist in Abbildung 11 ein in Baugruppen und Einzelteile zerlegtes Eotronic CVT-Getriebe der Firma ZF zu sehen. Viele Bauteile - laut Aussage von [11] beruhen ungefaehr 70% der Herstellungskosten des CVT auf Standardkomponenten - sind dieselben, wie in Radsatz-Automatikgetrieben.