Fahrzeuggetriebe

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Einführung

Abstract

Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge brauchen Getriebe, um Drehmomente und Drehzahlen zu wandeln. Entsprechend sind die Getriebe nach ihrem Einsatzgebiet und nach ihrem Verwendungszweck – z.B. Schaltgetriebe, Lenkgetriebe, Nebenabtriebe – zu unterscheiden. Dieses Buch behandelt ausschließlich Getriebe für Straßenfahrzeuge bzw. für Fahrzeuge im kombinierten On- und Off-Road-Einsatz, Abb. 1.1, fett umrandet.

Überblick über das System Verkehr – Fahrzeug

Abstract

Die Verflechtungen zwischen Verkehr und Verkehrstechnik einerseits und Gesamtwirtschaft andererseits sind eng und fundamental. Verkehrsvorgänge haben eine volkswirtschaftliche Basisfunktion ähnlich der des Geldes, ohne die eine moderne arbeitsteilige Volkswirtschaft mit komplizierten Kreislaufvorgängen nicht funktionsfähig ist. Abbildung 2.1 zeigt als Beispiel für diesen Zusammenhang einen steten Anstieg der Verkehrsleistung im Güterverkehr sowohl absolut als auch auf den einzelnen Einwohner in Deutschland bezogen. Der Großteil dieses Güterverkehrs wird hierbei über den Straßenverkehr abgewickelt.

Leistungsbedarf und Leistungsangebot

Abstract

Das Fahrzeuggetriebe ist der Mittler zwischen dem Motor und den Antriebsrädern. Durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung passt das Getriebe das Leistungsangebot dem Leistungsbedarf an. Der Leistungsbedarf an den Antriebsrädern wird durch die Fahrwiderstände bestimmt [3.9].

Kennungswandler – Wahl der Übersetzungen

Abstract

Im vorangegangenen Kapitel 3 wurde der Leistungsbedarf aus den Fahrwiderständen und das ihm gegenüberstehende Leistungsangebot des Motors behandelt. Der Verbrennungsmotor hat eine für Fahrzeuge schlecht geeignete Drehmoment-/ Drehzahlcharakteristik, siehe dazu auch Abschn. 2.3.2 „Warum brauchen Fahrzeuge Getriebe?“. Um der idealen Motorkennung mit P max = konst. über den ganzen Drehzahlbereich möglichst nahe zu kommen, sind Kennungswandler nötig. Kupplungen sind Drehzahl-, Getriebe Drehzahl- und Drehmomentwandler. Die Größe der Wandlung wird durch physikalische, nicht zuletzt aber durch praktisch sinnvolle Grenzen bestimmt. Diese sind vielfach vom Einsatzzweck abhängig.

Zusammenarbeit Verbrennungsmotor – Getriebe

Abstract

In Kapitel 3 wurden der Leistungsbedarf und das Leistungsangebot behandelt. Danach wurden in Kapitel 4 die Grundlagen für die Wahl der Übersetzungen erarbeitet. In diesem Kapitel geht es nun um die Abstimmung des Getriebes auf Motor und Fahrzeug. Dabei handelt es sich um Problemstellungen der Fahrzeuglängsdynamik. Die Optimierung des Antriebsstrangs und seiner Komponenten erfolgt durch rechnerische Fahrsimulation, Fahr- und Prüfstandsversuche. Die Komponenten des Antriebsstrangs – Motor, Anfahrelement, Schaltgetriebe, Endantrieb etc. – müssen dabei „passend“ zusammengeführt werden. Diese Abstimmung wird als „Powertrain-Matching“ bezeichnet. Die wesentlichen Optimierungskriterien sind dabei

• Fahrleistungen,
• Kraftstoffverbrauch,
• Emissionen und
• Fahrkomfort.

Prinzipiell ist diese Anpassarbeit von beiden Seiten her nötig, also Anpassung des Motors an das Getriebe und umgekehrt. In der Praxis dominiert aber der Motor und das Getriebe hat sich seinen Eigenschaften zu „beugen“.

Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte

Abstract

In diesem Kapitel werden konstruktive Grundkonzepte der Fahrzeuggetriebe systematisch vorgestellt. Daraus abgeleitete Konstruktionen werden in Kapitel 12 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ exemplarisch behandelt.

Auslegung von Zahnradgetrieben für Fahrzeuge

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Das erklärte Ziel dieses Buchs ist es, den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darzustellen. In den Kapiteln 3 bis 5 wurde gezeigt, wie die übersetzungen – als Eckdaten des Getriebes – gewählt werden. In Kapitel 6 wurden dann konstruktive Grundkonzepte vorgestellt. In den nun folgenden Kapiteln 7 bis 11 wird die Auslegung und Gestaltung wichtiger Bauteile behandelt.

Auslegung und Gestaltung von Wellen

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Eine besondere Bedeutung bei der Auslegung von Fahrzeuggetrieben kommt der Gestaltung und Berechnung der Getriebewellen zu. Die Wellendurchmesser bestimmen entscheidend den Achsabstand eines Getriebes und damit seine Größe. Getriebewellen müssen daher besonders sorgfältig auf Festigkeit und Verformung ausgelegt werden.

Schalteinrichtungen

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Bei Fahrzeuggetrieben sind Einrichtungen notwendig, die es ermöglichen, die übersetzung und damit das Leistungsangebot dem aktuellen Fahrzustand anzupassen. „Leistungsanpassung vornehmen“ ist eine der vier Hauptfunktionen eines Fahrzeuggetriebes. Bei Handschaltgetrieben wird der Gangwechsel vom Fahrer veranlasst und ausgeführt. Abhängig vom Grad der Automatisierung übernimmt bei allen anderen Getrieben die Elektronik und Aktuatorik diese Aufgabe teilweise oder komplett. Bestimmte Getriebefunktionen – wie Neutral, Rückwärts, Parken usw. – werden aber auch hier vom Fahrer durch Betätigung einer Schalteinrichtung bestimmt.

Anfahrelemente

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Der Verbrennungsmotor weist eine Mindestdrehzahl (Leerlaufdrehzahl) auf. Zum Anfahren aus dem Fahrzeugstillstand muss die Drehzahllücke zwischen der niedrigsten Motorbetriebsdrehzahl und der stillstehenden Getriebeeingangswelle durch einen Drehzahlwandler geschlossen werden. Siehe hierzu auch Abschn. 4.1 „Antriebsstrang“. Kennzeichnend für einen Drehzahlwandler, Abb. 10.1, ist:

• Ausgangsmoment T 2 ist gleich dem Eingangsmoment T 1: T 2 = T 1,
• Ausgangsdrehzahl n 2 ist kleiner/gleich der Eingangsdrehzahl n 1: n 2 ≤ n 1 und
• Eingangsleistung P 1 wird um die Verlustleistung P V reduziert: P 2 = P 1 – P V.

Auslegung und Gestaltung weiterer Konstruktionselemente

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Wir nun werden wohl mit dem für uns Bekannten anfangen müssen Aristoteles. In diesem Kapitel wird die Theorie, Auslegung und Gestaltung der Lager, Schmierung, Ölversorgung, Ölpumpen, Gehäuse, Abdichtungen und Dauerbremsanlagen von Fahrzeuggetrieben behandelt. Ziel ist es dabei, Hinweise für den Umgang mit diesen Konstruktionselementen zu geben. Bei den heute hochentwickelten Berechnungsverfahren, wie beispielsweise der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Gehäuseberechnung oder der betriebsfesten Lagerauslegung, würde ein Behandeln aller Details zu weit gehen. An den entsprechenden Stellen wird auf weiterführende Literatur verwiesen.

Beispiele ausgeführter Konstruktionen von Fahrzeuggetrieben

Abstract

In diesem Kapitel werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt und ihr konstruktiver Aufbau besprochen. Bezüglich der Räderanordnungen der vorgestellten Grundkonzepte sei auf die Getriebeschemata in den Abschnitten 6.6 „Pkw-Getriebe“, 6.7 „Nkw-Getriebe“, 6.8 „Endantriebe“ und 6.9 „Nebenabtriebe“ verwiesen.

Elektronische Getriebesteuerung

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Die Innovationen im Bereich Getriebe werden maßgeblich durch die Integration von Elektrik, Elektronik, Hydraulik, Aktuatorik und Sensorik bestimmt. Ein großer Anteil der Funktionalität von Getrieben wird über Software realisiert. Funktionen aus Elektronik und Software ergänzen nicht nur die Mechanik, sondern eröffnen weitergehende Möglichkeiten. So werden übergeordnete Funktionen im Fahrzeug durch Informationsvernetzung erzielt. Dadurch können Funktionen erzeugt werden, zu dem ein System alleine gar nicht in der Lage wäre [13.2].

Rechnerunterstützte Getriebeentwicklung

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Der steigende Termin- und Kostendruck bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben erfordert einen konsequenten Einsatz von CAE-Methoden (C omputer-A ided-E ngineering), Abb. 14.1. Indem möglichst viele Eigenschaften der einzelnen Komponenten und des Gesamtsystems Getriebe schon frühzeitig im Computer überprüft und optimiert werden, steigen zwar die Aufwendungen in der frühen Entwicklungsphase. Durch Einsparung von Entwicklungsschleifen ergibt sich aber insgesamt ein deutlicher Zeit-, Kosten- und Qualitätsvorteil.

Entwicklungsprozess von Fahrzeuggetrieben

Abstract

Das vorliegende Buch will den Entwicklungsablauf für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen. Nur ein Produkt, das sich auch verkaufen lässt, ist erfolgreich!

Fertigungstechnik von Fahrzeuggetrieben

Abstract

Wie jedes Produkt stehen auch die Fahrzeuggetriebe im Wettbewerb. Es herrscht Konkurrenz zwischen verschiedenen Getriebeherstellern und verschiedenen Getriebebauarten. Das Produkt „Getriebe“ muss daher neben der Erfüllung der Funktionen v.a. auch wirtschaftlich herstellbar sein und die geforderte Qualität erreichen. Den Fertigungsvorgang zu kennen und diesen bereits in der Konstruktionsphase zu berücksichtigen, ist eine Grundvoraussetzung bei der Entwicklung.

Zuverlässigkeit und Erprobung von Fahrzeuggetrieben

Abstract

Gesetzliche Auflagen, z.B. in der Produkthaftung und im Umweltschutz, höhere Produktkomplexität, kürzere Innovationszeiten und gestiegene Kundenerwartungen erfordern immer größere Anstrengungen, um zuverlässige und sichere Produkte herzustellen. Um dies zu erreichen, müssen bereits während der Entwicklung des Produkts Grundregeln berücksichtigt werden. Die wichtigsten Grundregeln, die es bei der Entwicklung von Fahrzeuggetrieben zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit zu beachten gilt, sind im Folgenden dargestellt:

• genaues Lastenheft,
• möglichst wenig Einzelteile,
• Verzicht auf Risikoteile,
• Austauschbarkeit von Verschleißteilen,
• Rechnersimulation des praktischen Einsatzes,
• Untersuchen des dynamischen Verhaltens des Triebstrangs,
• frühzeitige Komponenten-Versuche,
• umfangreiche Prüfstands- und Fahrerprobung,
• strengste Qualitätssicherung im Haus und bei Zulieferanten und
• Stichprobenkontrollen in der Serie.

Erratum

Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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