dr.-ing. klaus herzog - technische hochschule mittelhessen · pdf filekraftfahrzeugantriebe 4...
TRANSCRIPT
Kraftfahrzeugantriebe4 Getriebe und Wandler
Dr.-Ing. Klaus Herzog
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Überblick
4.1 Wandler4.1.1 Drehzahlwandler (Kupplungen)4.1.2 hydrodynamische Drehmoment- und Drehzahlwandler
4.2 Getriebe4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes4.2.3 Übersetzungsauslegung4.2.3 Stand- und Umlaufgetriebe4.2.4 Getriebebauformen
4.3 Antriebswellen4.3.1 Kreuzgelenke und Kardanwellen4.3.2 Gleichlaufgelenke4.3.3 Tripoden
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.1.1 Drehzahlwandler (Kupplungen)
Quelle: Sachs
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Schnitt durch eine Schraubenfederkupplung
DruckplatteBlechtöpfeSchraubenfedern
Schwungrad
Kupplungsscheibe
Getriebeeingangswelle
Ausrücklager
Kupplungsgehäuse
Quelle: LuK
Kupplung und Zweimassenschwungrad zur Optimierung des Drehschwingungsverhaltens
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Quelle: LuK
Aufbau Funktionsweise
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kupplungsmoment
Kupplungsmoment KmKKKK zrFM ⋅⋅⋅µ=
Kµ = Reibwert FK = Anpresskraft rmK = mittlerer Reibradius zK = Anzahl der Reibflächen
2i
2a
3i
3a
mKrr
rr32
r−−⋅=
ra = Außenradius des Kupplungsbelages ri = Innenradius des Kupplungsbelages
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kupplungswirkungsgrad
Kupplungswirkungsgrad E
AK P
P=η
EE
AA
n2Mn2M
⋅π⋅⋅π⋅=
Mit Eingangsmoment ME = Ausgangsmoment MA folgt:
E
AK n
n=η
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kupplungsbetätigung (Tellerfederkupplung)
Quelle: LuK
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Einkuppelvorgang
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Übungsaufgabe
Berechnen Sie das übertragbare Moment einer Einscheiben-Trockenkupplung. Gegeben sind die folgenden Daten: Belagdurchmesser außen ad = 190 mm Belagdurchmesser innen id = 130 mm Anpresskraft FK = 3,5 kN Reibwert Kµ = 0,2
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.1.2 Hydrodynamische Dreh-moment- und Drehzahlwandler
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Wandler-Kennlinien
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Berechnung von Pumpen- und Turbinenmoment
Pumpenmoment 2PP nLWM ⋅=
nP = Pumpendrehzahl LW = Lastwert Turbinenmoment TRMM PT ⋅= TR = Momentenverhältnis (Torque-Ratio) Lastwert und Momentenverhältnis sind abhängig vom
Drehzahlverhältnis (Speed-Ratio) P
T
nn
SR =
nT = Turbinendrehzahl
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Beispiel für Wandlerkennlinien
Lastwert
0.00E+00
5.00E-06
1.00E-05
1.50E-05
2.00E-05
2.50E-05
3.00E-05
3.50E-05
4.00E-05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Drehzahlverhältnis SR
Last
wer
tLW
in N
m/(U
/min
)2
Momentenverhältnis (Torque Ratio)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Drehzahlverhältnis SR
Mom
ente
nver
hältn
is T
R
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Zusammenhang zwischen Motorvoll-lastlinie Pumpen- und Turbinenmoment
Motor- bzw. Pumpenmoment
0
50
100
150
200
250
300
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Motor- bzw. Pumpendrehzahl in U/min
Mom
ent i
n N
m
MotormomentPumpenmoment bei SR=0Pumpenmoment bei SR=0,7Pumpenmoment bei SR=0,8Pumpenmoment bei SR=0,87Pumpenmoment bei SR=0,95
Turbinenmoment
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Turbinendrehzahl in U/min
Mom
ent i
n N
m
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Wandlerwirkungsgrad
Wandlerwirkungsgrad E
AW P
P=η
PP
TT
n2Mn2M
⋅π⋅⋅π⋅=
Mit MT = TR * MP und SR=nA/nP folgt:
SRTRSRM
MTR
P
PW ⋅=⋅⋅=η
Wirkungsgradkennlinie des Beispiel-Wandlers
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
SR
ηηηη
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.2 Getriebe
4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes4.2.3 Übersetzungsauslegung4.2.3 Stand- und Umlaufgetriebe4.2.4 Getriebebauformen
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.2.1 Aufgaben eines PKW-Getriebes
Das Getriebe eines PKW‘s soll das Motormoment und die Motor-drehzahl in ein Antriebsmoment und eine Antriebsdrehzahl wandeln. Hierbei sind folgende Kenngrößen wichtig:
Gangübersetzung: EG
A
A
EG M
Mnn
i⋅η
==
Spreizung: min
max
ii
=γ
En = Eingangsdrehzahl
An = Ausgangsdrehzahl
EM = Eingangsmoment
AM = Ausgangsmoment
Gη = Getriebewirkungsgrad
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.2.2 Prinzipieller Aufbau eines Schaltgetriebes
Synchronisierung
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Quelle: ATZ01/2015
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Vereinfacht dargestellter Antriebsstrang
Quelle: Haken
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Schaltgetriebe
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.2.3 Übersetzungsauslegung
Zugkraft: dyn
sekgmotAg r1
iiMZ ⋅⋅⋅⋅η=
Geschwindigkeit: dynsekg
motg r2ii1
nv ⋅π⋅⋅
⋅=
ηA = Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges Mmot = Motormoment ig = Gangübersetzung isek = Sekundärübersetzung rdyn = dynamischer Rollradius nmot = Motordrehzahl
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Motorkennlinie eines 2 l Ottomotors
Motormoment in Nm
0
50
100
150
200
250
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Drehzahl in U/min
Mom
ent i
n N
m
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Fahrwiderstände und Antriebskräfte
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0 50 100 150 200
Geschwindigkeit in km/h
Kra
ft in
N
Fahrwiderstand in derEbene
Fahrwiderstand vollbeladen am Berg
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kra
ft in
N
Zugkraft 1.Gang
Zugkraft 2.Gang
Zugkraft 3.Gang
Zugkraft 4.Gang
Zugkraft 5.Gang
Fahrwiderstand in derEbene
Fahrwiderstand vollbeladen am Berg
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kra
ft in
N
Zugkraft 1.Gang
Zugkraft 2.Gang
Zugkraft 3.Gang
Zugkraft 4.Gang
Zugkraft 5.Gang
P = 110 kW
Fahrwiderstand in derEbeneFahrwiderstand vollbeladen am Berg
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler 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 4 Getriebe und Wandler Herzog
Stufensprung
Stufensprung
===α −− .konstvfürn
ni
iF
z
1z
z
1zG
Maximal möglicher Stufensprung maxM
zulmaxG n
n=α
nzul = zulässige Motordrehzahl nMmax = Drehzahl bei maximalen Motormoment
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Geometrische Getriebeauslegung
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Geschwindigkeit in km/h
Dre
hzah
l in
U/m
in
1. Gang
2. Gang
3. Gang
4. Gang
5. Gang
.konstG =α
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler 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
k1n,G
n,G =αα
−
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Zugkraftdiagramm bei geometrischer Getriebeauslegung
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kra
ft in
N
Zugkraft 1.Gang
Zugkraft 2.Gang
Zugkraft 3.Gang
Zugkraft 4.Gang
Zugkraft 5.Gang
P = 110 kW
.konstG =α
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Drehzahl- Geschwindigkeitsdiagramm bei progressiver Getriebeauslegung
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Geschwindigkeit in km/h
Dre
hzah
l in
U/m
in
1. Gang
2. Gang
3. Gang
4. Gang
5. Gang
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Zugkraftdiagramm bei progressiver Getriebeauslegung
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0
Geschwindigkeit in km/h
Kra
ft in
N
Zugkraft 1.Gang
Zugkraft 2.Gang
Zugkraft 3.Gang
Zugkraft 4.Gang
Zugkraft 5.Gang
P = 110 kW
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler 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 Fm = 1600 kg Rollwiderstandsbeiwert Rf = 0,015 Luftwiderstandsbeiwert wc = 0,34 projizierte Fahrzeugfläche A = 2,5 m2 Dynamischer Rollradius dynr = 0,315 m
Übersetzungen 1. bis 6. Gang 2,90; 2,33; 1,83; 1,50; 1,27; 1,14
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Bedarfsmoment eines Pkws in der Ebene bei unterschiedlichen Endübersetzungen
vvvvmaxmaxmaxmax----AuslegungAuslegungAuslegungAuslegungunterdrehendunterdrehendunterdrehendunterdrehend
überdrehendüberdrehendüberdrehendüberdrehend
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Übungsaufgabe
Bestimmen Sie mit Hilfe der Daten aus der letzten Aufgabe und dem Diagramm den Streckenver-brauch 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
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Zweiwellengetriebe
Koaxiales Zweiwellen-getriebe
Deaxiales Zweiwellen-getriebe
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kräfteplan am Planetengetriebe
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Grundgleichung eines Umlaufgetriebes
s0H0St i)i1( ω+⋅ω=+⋅ω
mit S
H0 r
ri −=
i0 = Standübersetzung rH = Wälzkreishalbmesser Hohlrad rS = Wälzkreishalbmesser Sonnenrad
Stω = Winkelgeschwindigkeit des Steges
Hω = Winkelgeschwindigkeit des Hohlrades
Sω = Winkelgeschwindigkeit des Sonnenrades
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Übersetzungen eines Planetensatzes
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kraftschlüssige Schaltkuppelmittel
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Aufbau und Schaltschema eines gekoppelten Planetensatzes
Quelle: ika
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kegelraddifferential
Quelle: ika
Das Kegelraddifferential ist vom Prinzip her ein Umlaufgetriebe mit gleich großem Hohl- und Sonnenrad.
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kegelraddifferential
Quelle: Lechner/Naunheimer
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
4.2.4 Getriebebauformen
5-Gang Schaltgetriebe (ZF) 5-Gang Automatikgetriebe(Daimler Chrysler)
Herkömmliche Getriebe
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Schaltbetätigung eines manuellen Getriebes mit Hilfe von Seilzügen
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Automatisiertes Schaltgetriebe
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Elektrohydraulischer Kupplungsaktuator
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Funktionsschema eines Doppelkupplungsgetriebes
Antrieb
Abtrieb
1. Gang
3. Gang4. Gang
2. Gang
Doppel-kupplung
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kompaktes 6-Gang Doppelkupplungsgetriebe (GFT)
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kompaktes 6-Gang Doppelkupplungsgetriebe
Quelle: VW
7-Gang Doppelkupplungsgetriebe (Daimler)
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Quelle: ATZ12/2011
Technische Daten:Gewicht: 81,2 kgMax. Eingangsmoment: 350NmSpreizung (Otto; Diesel): 7,142; 7,990
Ausführung einer nassen Doppelkupplung
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Quelle: Daimler
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Stufenloses Getriebe (Audi, LuK)
Variator
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Stufenloses Getriebe (Audi, LuK)
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Variator (Audi, LuK)
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Variator mit Schubgliederband (Van Doorne‘s Transmissie VDT)
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kennfeld eines stufenlosen Getriebes
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 40 80 120 160 200
Ge schwindigke it in km/h
0
30
60
70
77
81
85
89
93
100
Drosselklappen-stellung in %
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Verbrauchsoptimierte Regelkennlinie
Drehzahl in U/min
1000 2000 3000 4000 5000 6000
50
100
150
200M
omen
t in
Nm
Spez. Kraftstoffverbrauchin g/kWh
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
4.3.1 Kreuzgelenke und Kardanwellen
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Kreuzgelenk
ω1 = Winkelgeschwindigkeit Welle 1
ω2 = Winkelgeschwindigkeit Welle 2
α1 = Drehwinkel Welle 1
β = Beugewinkel
ω2 =ω1 ∙cosβ
1-sin2 β∙sin2 α1
Drehungleichförmigkeit durch ein Kreuzgelenk
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Doppelgelenkwellen
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
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.
4.3.2 Gleichlaufgelenk (homokinetisches Gelenk)
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Bei Gleichlaufgelenken werden die Kräfte über Kugeln übertragen. Die Kantakt-bahnen der Kugeln sind so angeordnet, dass sich keine Drehzahl- und Momenten-ungleichförmigkeit ergibt.
Quelle: Seherr-ThossQuelle: GKN
4.3.3 Tripoden-Antriebswelle
Kraftfahrzeugantriebe 4 Getriebe und Wandler Herzog
Quelle: Drexler