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Dokumentenidentifikation DE102006018806A1 25.10.2007
Titel CVT mit Leistungsverzweigung, insbesondere für Nutzfahrzeuge
Anmelder LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG, 77815 Bühl, DE
DE-Anmeldedatum 22.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018806
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse F16H 37/02(2006.01)A, F, I, 20060422, B, H, DE
Zusammenfassung Leistungsverzweigtes Getriebe, insbesondere für Nutzfahrzeuge, mit zumindest einem Stufenteilgetriebe und zumindest einem stufenlosen Teilgetriebe.

Beschreibung[de]

Der Anstieg der Kraftstoffkosten und die Notwendigkeit zur weiteren Reduzierung von Emissionen erfordern neue technische Lösungen, die eine Optimierung des gesamten Antriebsstranges erlauben. Dementsprechend weitet sich auch der Einsatz von Kettenvariatoren im Personenwagensegment aus. Zu der in Serie produzierten Audi multitronic® in der Ausführung VL300 und seiner Weiterentwicklung VL380 mit 420 Nm Variatormoment sowie dem Ford/ZF CFT30 werden weitere Applikationen hinzukommen. Die Optimierung des Triebstranges macht aber auch bei Bussen, Transportern oder Nutzkraftwagen (Nkw) Sinn, da sie einen erheblichen Anteil der Emissionen verursachen.

Ein Nkw-Getriebehersteller widmete sich dem Ziel, die Spreizung des Getriebes so groß und variabel zu machen, dass der Motor mehr oder weniger stationär in einem Bereich niedrigsten Verbrauchs und niedrigster Emissionen betrieben werden kann. Eine Motoroptimierung in genau diesem Bereich bietet dann zusätzliches Verbesserungspotential. Der für ein derartiges Getriebe erforderliche Variator wurde auf der Basis der LuK-Serienkomponenten positiv bewertet und eine Entwicklung begonnen.

Vergleicht man die Daten eines Audi A6 mit den Daten verschiedener Nkw miteinander, so erscheint die Aufgabe zunächst als nicht lösbar. Bei einer ganzen Reihe von Zielen ist nicht nur eine Verdoppelung gefordert, sondern sogar ein Sprung in der Größenordnung, wie 1 verdeutlicht.

1 zeigt Daten und Ziele im Vergleich Pkw- und Nkw-Anwendung eines CVT.

Wie die Variatordaten zeigen, muss zur Erfüllung dieser Anforderungen mehr als nur eine Einzelkomponente optimiert werden. Mit all diesen Aspekten von Getriebestrukturen über Scheibensätze und Pumpensystem bis zur Kette befassen sich die nachfolgenden Kapitel.

Im Verlauf der Entwicklung zeichnet sich zunehmend klarer ab, dass die Herausforderung zur Realisierung eines Nkw-CVT annehmbar ist.

Eine der Schlüsseltechnologien bei dieser CVT-Anwendung ist das auch im LuK-Kolloquium 2002 beschriebene Prinzip der Leistungsverzweigung sowie die Nutzung mehrerer stufenloser Fahrbereiche. Die mit dieser Technik vorgestellten Konzepte für Pkw-Getriebekonstruktionen decken Leistungen bis über 200 kW und entsprechende Momente ab, und leiten somit ins Nkw-Segment über.

Mit diesem technologischen Hintergrund können maßgeschneiderte Getriebestrukturen entwickelt werden, wie dies z.B. auch bei auf Hydrostaten basierenden Getrieben der Fall ist. Der Kettenvariator bietet im Vergleich zum Hydrostat akustische Vorteile, was besonders für die Anwendung im Bus notwendig ist. Im Vergleich zur rein elektrischen Leistungswandlung liegt der Vorteil des Kettenwandlers bei den Kosten, dem Wirkungsgrad und bei der höheren Leistungsdichte.

Grundsätzlich vorzusehen ist in der Regel eine Hochtreiberstufe, weil Nkw-Motoren ihre Leistung bei niedrigeren Drehzahlen entfalten. Bei manchen der dargestellten Getriebearchitekturen kann diese Funktion direkt im für eine eingangsseitige Verzweigung vorgesehenen Planetensatz erfolgen. Ebenfalls vorzusehen ist ein Schaltgetriebe, das durchaus mit den bei Nkw üblichen Klauenkupplungen arbeiten kann, wenn eine Drehzahlsynchronisierung anderweitig dargestellt wird.

Die Möglichkeiten, einen Planetensatz und einen Kettenvariator über Anpassstufen miteinander zu koppeln, können in nur zwei Klassen eingeteilt werden, nämlich mit eingangsseitigem oder ausgangsseitigem Planetensatz. In jeder dieser zwei Klassen gibt es dann alternative Anordnungen des Mehrbereichs-Schaltgetriebes. Einige Möglichkeiten stellt 2 dar.

2 zeigt drei Getriebestruktur-Alternativen mit Übersetzungs- und Leistungseigenschaften.

Bei der links dargestellten Klasse ist der Planetensatz eingangsseitig angeordnet und das Schaltgetriebe im zum Variator parallelen Leistungspfad. Wenn die zum Schaltgetriebe führende Welle festgebremst werden kann, ist zudem ein unverzweigter Fahrbereich darstellbar. Unter der Skizze der Getriebearchitektur findet sich ein Beispiel, wie bei geeigneten Schaltgetriebeübersetzungen mehrere stufenlose Fahrbereiche darstellbar sind. Das jeweils ganz unten stehende Diagramm zeigt den Leistungsanteil, mit dem der Variator belastet wird.

Je nach Anwendung können die Vorteile der einen oder anderen Architekturklasse überwiegen. Bei dem links dargestellten Getriebe ergeben sich Low-Fahrbereiche mit sehr niedriger Variatorbelastung – günstig für ein nahezu stationär eingesetztes Arbeitsgerät. Beim Wechsel von einem Fahrbereich in den nächsten stellt der Variator zurück.

Die mittlere Spalte zeigt ein Getriebe, dessen Schaltgetriebebaugruppe zwei nicht-koaxiale Eingangswellen besitzt. Im Gegensatz zum links dargestellten Getriebe sind die Bereichswechsel ohne Rückverstellung möglich. Dafür muss der Variator im Mittel 50 % der Motorleistung übertragen – mehr als beim links daneben stehenden Getriebe, was aber bei leichten Nkw oder Transportern ausreicht.

Beim rechts dargestellten Getriebe sind einfach die Rollen zwischen Ein- und Ausgang getauscht. Dies hat im vorliegenden Beispiel hauptsächlich Einfluss auf die Momenten- und Drehzahlbereiche der Komponenten – nicht aber auf die Leistung.

Zur Darstellung eines „Geared-Neutral"-Getriebes ist grundsätzlich der Planetensatz abtriebsseitig zu setzen. Wenn der Planet antriebsseitig angeordnet ist, kann das Gegenteil dargestellt werden: sehr lange Übersetzungen bis hin zur Übersetzung „Geared-Zero", bei der der Motor stillsteht.

Im Fahrbetrieb liegt der Vorteil aller dargestellten Architekturen in der für Nkw vergleichsweise geringen Anzahl von Gängen und damit Bereichswechseln. Anschaulich wird bei zum Beispiel vier Fahrbereichen nach dem Anfahren nur einmal geschaltet und innerstädtisch faktisch ohne Bereichswechsel weitergefahren. Am Ortsausgang ist ein weiterer Bereichswechsel notwendig und auf der Autobahn dann ein letzter.

Für eine Variatorentwicklung jenseits von 500 Nm ist die Hauptdimension der Achsabstand.

Für die Steigerung der Momentenkapazität ist eine Vergrößerung der Hauptabmessungen notwendig. Bei dem hier gewählten Achsabstand von 220 mm gegenüber den im Pkw realisierbaren 160-190 mm entspannt sich eine ganze Reihe von Aspekten. Teilweise ist die Wirkung sogar deutlich stärker als die 25 %-ige Achsabstandvergrößerung, wie die folgende Auflistung zeigt. Die Veränderungen sind darin durch Pfeile angezeigt, deren Anzahl die Relation zur Achsabstandvergrößerung wiedergibt: Ursache Folgen Kettenlaufradien ↑ Kettenzugkräfte ↓, Anpresskräfte ↓ Anzahl der Kettenglieder ↑ Kräfte pro Wiegedruckstück (WD) bzw. -gelenk (WG) ↓↓ Ketten-Knickwinkel ↓ Bessere Lastverteilung auf beide Laschenbügel der Kette Kraft pro Wiegegelenk ↓↓ Biegung der WG ↓, Laschenbelastung am Kettenrand ↓↓ Wellendurchmesser ↑ Biegesteifigkeit ↑↑, Wirkungsgrad ↑ Krümmung der Oberfläche ↓ Pressung ↓, Verschleiß ↓, Verschleiß pro WG ↓↓

Durch die Kombination verstärken sich mehrere Entlastungseffekte noch, so dass die maximal 600 Nm ausgehend von den bereits in Serie beim VL380 realisierten 420 Nm bei sauberer Auslegung aller derartiger Aspekte nicht zu hoch gegriffen sind.

Zur Bestätigung obiger Überlegungen wie auch der von Forschungseinrichtungen veröffentlichten Messergebnisse und Simulationen wurden bei LuK an einem neuen Hochleistungsprüfstand Wirkungsgrade gemessen. Da ein kompletter Kennfeldraum bestehend aus mehreren Übersetzungen, Drehzahlen und Momenten (z. T. sogar Anpressungen) abgefahren werden sollte, stellte dies auch erhebliche Anforderungen an das Prüffeld – die installierte Abtriebs-E-Maschine besitzt z.B. eine Nenn-Leistung von 720 kW.

Im Ergebnis bestätigt sich, dass Kettenvariatoren Wirkungsgrade bis über 97 % erreichen. 3 zeigt als Beispiel das 600 Nm-Wirkungsgradkennfeld bei konstanter Antriebsdrehzahl von 2500 min-1.

3 zeigt ein Kettenvariator-Wirkungsgradkennfeld.

Dargestellt sind hier die Roh-Messwerte (bis auf Glättung zur Rauschunterdrückung) des Testgetriebes inklusive der Verluste der Scheibensatzlager (Pendelrollenlager). Die Steifigkeit des Testgetriebes liegt aufgrund einer Konstruktion mit auswechselbaren Scheibentellern sogar noch unter der Zielsteifigkeit. Der Wirkungsgrad könnte also in Realität noch höher sein.

Der Achsabstand von 220 mm zeigt damit die erwartete positive Wirkung.

Die beim Audi VL380 umgesetzte Scheibensatztechnologie ist die Grundlage für den Einsatz bei noch höheren Momenten. Zentrale Bedeutung hat der im Inneren der Druckkammern Bauraum sparend umgesetzte stufenlos vollvariable hydromechanische Momentenfühler (vMF), in 4 dargestellt in der in Serie umgesetzten Konstruktion mit Blechumformteilen.

4 zeigt einen Antriebs-Scheibensatz mit stufenlosem Momentenfühler vMF für Audi VL380 mit 420 Nm Variatormoment.

Der vMF bringt die für den sicheren Dauerbetrieb im Nkw unabdingbaren Eigenschaften mit:

  • • Präzise, dem tatsächlichen Moment proportionale Anpressung bei allen Übersetzungen
  • • Dynamische Sicherheit, um Schäden auch bei Sprüngen des Momentes vorzubeugen

Die Funktion des vMF besteht darin, das entlang der im Bild blau dargestellten Komponenten eingebrachte Moment über Kugel-Rampen in eine Axialkraft umzuwandeln. Diese gelb dargestellten Kugeln sind im Inneren des Mechanismus angeordnet. Das Moment gelangt dann über die Gegenrampe der braun eingefärbten Komponente auf die Welle und von dort weiter zur Festscheibe bzw. über die Schiebeverzahnung zu den grün eingefärbten, axial beweglichen Wegscheiben-Komponenten.

Die durch die Kugeln erzeugte Axialkraft wirkt aber nicht direkt auf die Kegelscheibe, sondern verschließt mit dem blauen Bauteil eine hydraulische Ablaufbohrung. Dieser Mechanismus regelt mit hoher Dynamik einen dem Moment proportionalen hydraulischen Druck ein. Der Druck erzeugt dann über große Anpressflächen die eigentliche Anpresskraft für die grünen Wegscheiben-Komponenten. Der gleiche Druck wird dabei auch dem Abtriebsscheibensatz zur Anpressung zugeführt.

Die Abhängigkeit von der Übersetzung wird dadurch erreicht, dass der Kugel-Rampenmechanismus auf verschiedenen Radien verschiedene Rampensteilheiten hat. Der zur jeweiligen Übersetzung passende Rampenwinkel wird durch die radiale Positionierung der Kugeln mittels der Führungsflächen erreicht, die sich übersetzungsabhängig axial mit der Wegscheibe verschieben (in 4 ebenfalls grün dargestellt).

Zur Veranschaulichung der Übersetzungsabhängigkeit des vMF dient die Detailvergrößerung des blauen Bauteils mit den unterschiedlich steilen Rampen, 5.

5 zeigt eine VMF-Rampenkontur mit übersetzungsabhängigem Winkel und resultierender Anpresskennlinie.

Im Ergebnis ist der auf das Drehmoment bezogene Druck im Underdrive am größten und fällt kontinuierlich zum Overdrive hin ab. Die dreidimensionale Formgebung der Bauteile ist optimal an den unter vielfältigen Bedingungen ermittelten Anpressbedarf angepasst.

Die durch das direkte hydromechanische Prinzip erzielte dynamische Sicherheit wird anhand der Messung in 6 beispielhaft belegt.

6 zeigt eine dynamische Sicherheit des vMF-Anpress-Systems bei einem Sprung des Antriebsmoments.

Bei der dargestellten Messung erregt ein gezielter Sprung des Antriebsmomentes eine abklingende Triebstrangschwingung am Prüfstand. Im realen Fahrzeug entspricht dies beispielsweise einem plötzlichen Gasgeben mit Nachruckeln. Wie man erkennen kann, ist zwischen dem gemessenen Moment und dem durch den Momentenfühler eingeregelten und gemessenen Druck faktisch keine Verzögerung vorhanden. Auch quantitativ ist der eingeregelte Druck zu jedem Zeitpunkt deckungsgleich mit dem Solldruck, der aus dem gemessenen Moment rechnerisch ermittelt wurde.

Das bereits bei der multitronic® umgesetzte Doppelkolbenprinzip ermöglicht es, auch bei kleiner installierter Pumpenleistung alle gewünschten schnellen Änderungen der Übersetzung hydraulisch zu bedienen. Der resultierende Verbrauchsvorteil ist auch bei Nkw anzustreben. Durch die erforderlichen extrem schnellen Verstellungen bei der hier vorliegenden Mehrbereichs-Getriebestruktur ist das Doppelkolbenprinzip sogar unumgänglich für eine effiziente Hydraulik. Es bildet die Basis der nachfolgenden Hydraulik- und Pumpenentwicklung.

Eine unabhängige Ansteuerung der Verstellstücke ist realisiert.

Trotz Hochskalierung des Gesamtsystems und der Kolbenflächen führen die im Vergleich zu Pkw wesentlich höheren Schubmomente infolge Motorbremseinrichtungen zu einem Anstieg der erforderlichen Spitzendrücke bis 100 bar. Dies bedingt höhere Druckverstärkungen der entsprechenden Ventile für die Verstelldruckkammern. Durch eine unabhängige Ansteuerung beider Ventile ist diese hohe Ventilverstärkung auch unter den Volumenströmen bis 19 l/min stabil und die Hydraulik gewinnt an Ansteuerpräzision.

Anschaulich sind die Aufgaben des Anpress- und Verstellsystems und die durch diese Hydraulik umgesetzte Lösung in 7 dargestellt. Der Variator erfordert zum stationären Betrieb zwei Kräfte an den Scheibensätzen, welche in einem bestimmten, von der Übersetzung abhängigem Verhältnis stehen, der sog. Stützung (oder auch Kp/Ks. Der Stützungswert liegt im Zugbetrieb bei der LuK CVT-Kette bei 1,05 (UD) bis max. 1,6 (OD). Im Schubbetrieb ist es der Stützungs-Kehrwert bei inverser Übersetzung, also etwa 0,95 (OD) bis 0,6 (UD). Entsprechend dem erforderlichen Stützungswert kann man sich den Dreh- und Angelpunkt der grau dargestellten Wippe verschoben denken. Die Aufgabe der rot dargestellten Anpresskolben ist es, die Grundanpresskräfte an beiden Scheibensätzen zu erzeugen, wobei während der Variatorverstellung Hochdrucköl zwischen den Kolben ausgetauscht wird. Die Aufgabe der orange dargestellten, kleineren Verstellkolben ist es, die zur Ausbalancierung notwendigen Restkräfte und die zusätzlichen Verstellkräfte zu erzeugen.

7 zeigt ein Doppelkolbenprinzip und eine unabhängige Verstelldruck-Ansteuerung zur Ausbalancierung der erforderlichen Kräfte im Variator.

Diese Hydraulik bietet nicht nur ein hohes Maß an Stabilität und Präzision in der Ansteuerung der Drücke, sondern erlaubt durch die Unabhängigkeit der Druckansteuerung auch noch weitergehende Funktionen, z.B. eine Erhöhung der Anpress-Sicherheit auf schlechter Fahrbahn oder bei geeigneter Auslegung des Momentenfühlers eine geringfügige Reduktion der Anpressung z.B. zur Kompensation von Rest-Fliehöldruckkräften. Im Ergebnis wird damit eine Wirkungsgradoptimierung im Betrieb erreicht.

Bei Verstellung der Übersetzung wird die Kräftebalance geregelt verlassen. Dazu kann wahlweise ein Verstelldruck reduziert werden und/oder der andere Verstelldruck erhöht werden. Dieser Freiheitsgrad ist gerade bei den schnellen Verstellungen eines Mehrbereichsgetriebes von Vorteil.

Hier sind also die Vorteile mehrerer Systeme kombiniert: Der vollvariable Momentenfühler bringt die Robustheit und dynamische Sicherheit mit, und die unabhängige Druckansteuerbarkeit der Verstellkammern bringt die Freiheiten der softwaregesteuert freien Anpressung ein. Eine Kombination mit einer Schlupfregelung der Anpressung ist auch bei diesem System möglich, ohne die Vorteile des Momentenfühlers zu verlieren.

In Getrieben der Leistungsklasse oberhalb 400 kW macht der Schmieröl- und Kühlleistungsbedarf von Kupplung, Variator, Verzahnungen und Lagern die Verwendung einer Niederdruckpumpe sinnvoll. Nach der Identifikation des auslegungsrelevanten Betriebspunktes (Volllast-Berganfahrt mit Maximalanpressung und Kupplungskühlung) ergibt sich für das ausgearbeitete Leistungsverzweigungskonzept eine Niederdruckpumpe in Gerotorbauweise mit 29 cm3 Fördervolumen.

Die z.B. für die Anpressung des Variators notwendige kleinvolumigere Hochdruckpumpe ist als symmetrisch geteilte zweiflutige voll kompensierte Flügelzellenpumpe mit einem Fördervolumen von insgesamt 10 cm3 ausgeführt. Eine ähnliche von LuK entwickelte Pumpe ist auch in der Autotronic® von DaimlerChrysler im Serieneinsatz.

Zusammen mit der Niederdruckpumpe bildet sie als Tandempumpe eine Baueinheit, 8, auf einer Welle, die vom Motor ins Schnelle übersetzt angetrieben wird. Die Zuführung von Niederdrucköl gewährleistet eine kavitationsfreie Versorgung der Hochdruckpumpe und erlaubt ein kompaktes Design des Ansaugtraktes sowie ein effizientes Filterkonzept.

8 zeigt eine hydraulische Tandempumpe aus Niederdruck-Gerotor-Baugruppe (blau) und zweiflutiger Hochdruck-Flügelzellenpumpe (rot).

Die Pumpeneffizienz ist durch eine intelligente Steuerung der Pumpenfluten gesteigert.

Im Vergleich zu einem einflutig ausgeführten Hochdruckteil ist der hydraulische Leistungsbedarf durch intelligente Steuerung der zweiten Pumpenflut deutlich reduziert. Hierfür ist in der hydraulischen Steuerung ein elektrisches Schaltventil enthalten, dessen Funktion in 9 erläutert ist.

9 zeigt eine Steuerung der Hoch- und Niederdruck-Volumenströme für diverse Verbraucher.

In der links dargestellten Stellung des Fluten-Steuerschiebers ist die zweite Flut der Flügelzellenpumpe auf Umlauf geschaltet. Das Antriebsmoment der Pumpe wird dadurch in den anteilsmäßig dominanten Fahrsituationen drastisch gesenkt. Durch die Rückspeisung geht dieses Öl den Niederdruckabnehmern zur Schmierung und Kühlung nicht verloren.

In dem rechts wiederholten Bildausschnitt ist der Fluten-Steuerschieber elektrisch derart angesteuert (ausgeschaltet), dass die zweite Flut über ein Rückschlagventil mit der ersten Pumpenflut vereint wird. Damit steht genug Drucköl auch für die schnellsten Verstellungen des Variators zur Verfügung, z.B. beim Anfahren oder beim Wechseln des Fahrbereiches.

Die Pumpenverluste dieses Getriebes – wie auch der multitronic® und der Autotronic® – sind dank der optimierten Auslegung gering. Ein Alternativkonzept mit nur einer Pumpe für alle Abnehmer hätte den dreifachen Leistungsbedarf ohne Kostenvorteil verursacht, weil die Kosten einer Hochdruckpumpe ungünstiger skalieren als die einer Niederdruckpumpe.

Eine konsequente Anwendung der an der Pkw-Anwendung positiv erprobten Oberflächentechnologien zum Verschleißschutz – z.B. Hartanodisierung oder chemische Nickelbeschichtung der Kolben – sichert die störungsfreie Hydraulikfunktion auch bei der hohen Lebensdauererwartung eines Nkw.

Die zunehmende Erfahrung und Prozessoptimierung mit der festigkeitsoptimierten Light-Laschengeometrie haben die Momentenkapazität der 37 mm breiten LK3708-Kette soweit gesteigert, dass nach ersten Versuchen mit 220 mm Achsabstand für 600 Nm Variatormoment keine Kettenverbreiterung notwendig erscheint. Alle in diesem Artikel dargestellten Ergebnisse sind mit dieser 37 mm breiten Kette eingefahren worden. Der beim LuK-Kolloquium 2002 dargestellte Zusammenhang zwischen Achsabstand, Festigkeitssteigerung und Momentenkapazität wird bei großen Achsabständen sogar übertroffen.

10 zeigt eine Momentenkapazität des Kettenvariators mit verschiedenen Kettentypen.

Das Kettenspektrum in 10 ist im unteren Momentenbereich durch schmälere Ketten und Ketten mit reduzierter Teilung abgerundet. Damit bei den hier dargestellten 600 Nm nicht Schluss sein muss, wird ebenfalls an einer Kette mit vergrößerter Teilung, d.h. LK10-Lasche mit stärkeren Laschenbügeln gearbeitet. Dank stärkerer Wiegedruckstücke werden zudem die vom Kettenrand her eingebrachten Kräfte gleichmäßiger auf die nebeneinander liegenden Laschen verteilt.

Die festigkeitsseitige Eignung für die vorgesehene Anwendung wurde anhand von Schädigungsrechnungen mit dem Nkw-Kollektiv nachgewiesen. Die Krafthübe einer Lasche sind im Vergleich zwischen Pkw- und -Nkw-Kollektiv (inklusive der durch Leistungsverzeigung erzielten Reduktion) im 11 dargestellt. Das aufgrund der Laufleistung umfangreichere Gros der Krafthübe liegt beim Nkw auf ähnlichem Kraftniveau wie beim Pkw. Die trotz des verdoppelten Maximalmomentes nur gering gestiegenen Maximal-Krafthübe beider Kollektive treten vergleichbar selten auf.

11 zeigt ein Kollektiv der Laschen-Krafthübe bei Pkw und Nkw.

In Anbetracht der enormen Laufleistungserwartung von über einer Million km muss dem Thema Verschleiß besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Die hohen Wirkungsgradwerte lassen aber bereits geringe Verschleißwerte erwarten: Verschleiß braucht nämlich in der Regel Energieverlust. Für CVT als Reibgetriebe zählt dabei nicht nur der Materialverschleiß – quantifizierbar in Gewicht pro Reibenergie –, sondern schon der Qualitätsverschleiß der Reiboberflächen – quantifizierbar z.B. als Reibwertänderung oder Rauhigkeitsänderung.

Basierend auf den erarbeiteten Materialien und Test-Erfahrungen befinden sich beide Aspekte in intensiver und erfolgreicher Erprobung auf mehreren Hochleistungs-Dauerprüfständen. Einige Zwischenergebnisse zur Langzeitstabilität des metallischen Tribosystems zeigt 12. Hier ist über der Laufzeit von mehreren tausend Stunden die Veränderung des Stützungswertes dargestellt. Der Stützungswert ist ein guter Indikator für Veränderungen der Reibwerte.

12 zeigt oben eine Änderung der Stützung bei Dauerläufen unterschiedlicher Variatoren und Zyklen und unten einen Breitenverschleiß der Wiegedruckstücke bei diesen Dauerläufen.

In der oberen Hälfte von 12 sind schwarz die Ergebnisse einer Referenz-Pkw-Anwendung mit Achsabstand 171 mm dargestellt. Die erkennbare geringe Änderung des Stützungswertes (zeigt an, dass sich der Reibwert &mgr; nur minimal verändert hat. Das Lebensdauerziel von 3000 h eines Pkw kann durch Raffung innerhalb von ca. 150 h abgeprüft werden. Das Pkw-System ist sehr stabil und bietet erkennbar hohe Reserven.

In blau dargestellt sind die Ergebnisse des gleichen Aufbaus mit Achsabstand 171 mm, der allerdings den skalierten Belastungen der Nkw-Anwendung ausgesetzt wird. Diese Skalierung bedeutet, dass die Momente derart reduziert wurden, dass die sich ergebenden pinspezifischen Kräfte einem 220 mm System entsprechen. Dieser versuchsmethodisch bedingte Zwischenschritt belegt bereits das Lebensdauerpotential einer Achsabstandvergrößerung. Das Nkw-Lebensdauerziel von über 15.000 h konnte durch Raffung innerhalb von 1000 h erreicht werden. Der Test wurde sogar zur Absicherung noch bis 2500 h Laufzeit verlängert. Die unterschiedlichen Symbolformen zeigen dabei unterschiedliche Testprozeduren an. Bei der durch Quadrate symbolisierten Prozedur wird die Übersetzung in mehreren Stufen verändert, so dass am Wiegedruckstück eine hohe Belastungskonzentration vorliegt, auf der Scheibe aber nicht. Die durch Rauten symbolisierte Testprozedur erfolgt bei fester Übersetzung, so dass die Kontaktbelastungen sich sowohl am Wiegedruckstück, als auch auf der Scheibe konzentrieren (die beiden Reibpartner können sich dabei aber auch gut aneinander anpassen). Die Ergebnisse des bei fester Übersetzung getesteten Variators bestätigen nochmals, dass Mischzyklen die härteste und damit effizienteste Versuchsmethodik darstellen.

In grün dargestellt sind die bei Drucklegung noch unvollständigen Ergebnisse eines echten 220 mm Variators, der den unskalierten Belastungen der Nkw-Anwendung bis 600 Nm ausgesetzt wird. Die anfänglich schnelle Stützungsänderung wie auch der anfangs hohe Breitenverschleiß (untere Hälfte der 12) resultieren daraus, dass im Versuchsprogramm zuerst die Höchstlastpunkte abgetestet wurden. Das danach stabile Verhalten ist dabei auch das Ergebnis einer später noch beschriebenen Teilungsfolgen-Optimierung der Kette.

Das hier im Kettenvariator umgesetzte Tribosystem aus Kette, Scheibensatzoberfläche und geeignetem Öl zeigt insgesamt ein stabiles Verhalten der Reibwerte und bestätigt die Erreichbarkeit der ehrgeizigen Lebensdauerziele.

Der zweite Haltbarkeitsaspekt ist der kettenseitige Verschleiß der Stirnflächen, der zu einer Abnahme der Kettenbreite führt. In den oben dargestellten Langzeitversuchen wurde dieser Stirnflächenverschleiß bei regelmäßigen Befundungen ermittelt. Diese Ergebnisse zeigt die untere Hälfte von 12 mit durchgängiger Farb- und Symbolwahl.

Der insgesamt geringe Stirnflächenverschleiß ist eine Eigenschaft der optimierten Wärmebehandlung.

Durch die Konstruktion der Wiegedruckstück-Stirnflächen wird dafür gesorgt, dass die für den Verschleiß relevanten Beanspruchungen wie z.B. die Hertzsche Pressung das zulässige Maß nicht überschreiten. 13 zeigt eine Analyse der Kontaktorte und -Eigenschaften auf diesen Stirnflächen, berechnet mit dem dreidimensionalen Kettenberechnungsprogramm „CHAIN", das hierbei auch alle elastischen Verformungen von den Wellen bis zu den Wiegedruckstücken berücksichtigt.

13 zeigt einen CHAIN-Screenshot mit Visualisierung der Kontakteigenschaften am Antriebsscheibensatz im Underdrive.

Die Farbflächen sind die Kontaktellipsen, deren Pressung über die Farbe visualisiert wird. Diese Berechnung mit dem LuK-Berechnungsprogramm CHAIN berücksichtigt alle elastischen und dynamischen Effekte von Scheibensätzen und Kette, ebenso wie die Gelenkkinematik der Wiegedruckstücke. Damit werden Belastungsdetails nachvollziehbar und können in der Kettenkonstruktion berücksichtigt werden.

Im Hinblick auf weitere Laufzeiterhöhung kann auch die Optimierung der Teilungsfolge einen Beitrag leisten, 14. Bei Beachtung der akustischen Priorität bieten sich hierzu Teilungsfolgen aus langen und kurzen Laschen an, bei denen die direkte Abfolge zweier langen Laschen gezielt ausgeschlossen wird. Der Grund hierfür ist, dass die höchsten Stirnflächenbelastungen experimentell und rechnerisch an genau diesen Orten auftreten. Derartig optimierte Ketten zeigen nicht nur geringere Verschleißraten, sondern können auch mehr Gesamtverschleiß ertragen, weil die Breitenabnahme der Kette gleichförmiger erfolgt.

14 zeigt eine Korrelation des lokalen Breitenverschleißes mit der Abfolge langer und kurzer Laschen. Bei der optimierten Kette wird die direkte Abfolge zweier langer Laschen vermieden.

Nach dem erfolgreichen Serieneinsatz des Audi VL380 mit 420 Nm Variatormoment, realisiert mit den LuK CVT-Komponenten Scheibensätze mit neuartigem vollvariablen Momentenfühler, optimierter Kette LK3308 und hydraulischer Steuerung mit Flügelzellenpumpe, wird nach Wegen gesucht, diese Technologie auch für Nkw-Anwendungen mit Leistungsverzweigung und Variatormomenten bis 600 Nm einzusetzen. Die Herausforderungen hinsichtlich Strukturentwicklung, Variatordesign, Pumpen- und Hydraulikentwicklung sowie Kettenkonstruktion erforderten sorgfältige Vorüberlegungen und den Mut zur Tat, der durch die positiven Versuchsergebnisse belohnt wird.

Aus dem Zusammenspiel der Vielzahl von Detailarbeiten ergibt sich nun für die leistungsverzweigte Anwendung im Nkw wie auch für momentengesteigerte Pkw-Anwendungen eine aussichtsreiche Situation.

Erste Prototypen einer speziellen Getriebestruktur werden gemeinsam mit einem im Nkw-Segment etablierten Kunden aufgebaut.


Anspruch[de]
Leistungsverzweigtes Getriebe, insbesondere für Nutzfahrzeuge, gekennzeichnet durch die Kombination zumindest eines Stufenteilgetriebes mit zumindest einem stufenlosen Teilgetriebe. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das stufenlose Teilgetriebe (CVT) als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ausgeführt ist. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Hochtreiberstufe. Getriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Planetengetriebes.






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