Stufenloses Getriebe

Stufenloses Getriebe

Ein stufenloses Getriebe (auch engl.: Continuously Variable Transmission, CVT) ist ein gleichförmiges Getriebe, das durch eine stufenlos einstellbare Übersetzung gekennzeichnet ist. Es kommt z. B. in Werkzeugmaschinen und Fahrzeugen zum Einsatz.

Inhaltsverzeichnis

Andere Benennungen

  • Infinite Variable Transmission (IVT, zu deutsch endlos verstellbares Getriebe)
  • Variator-Getriebe

Grundlagen

Ein CVT ist ein gleichförmig übersetzendes Getriebe, bei dem das Verhältnis der Drehzahlen der treibenden und der getriebenen Wellen, die Übersetzung, in einem bestimmten Bereich viele Werte (Stufen) einnehmen kann. Dies kann auch den Stillstand oder die Drehrichtungsumkehr einer Welle beinhalten. Die ideale Konstruktion eines solchen im Stillstand stufenlos stellbaren Getriebes stellt bis heute eine ungelöste Ingenieurherausforderung dar.

Das mechanische stufenlose Getriebe, bei dem vergleichbar mit einem Zahnradgetriebe die Kraft- und Leistungsübertragung im ständigen Eingriff geschieht, ist in Form einer Lamellenkette und radial genuteten Kegelscheiben möglich.

Bei reibschlüssiger Kraftübertragung erfolgt die Übertragung der Bewegung über eine nicht feste Kopplung von Bauteilen, deren Geometrien nach dem Hebelprinzip die Getriebewirkung bestimmen.

Eine Übersetzungsänderung wird durch Änderung dieser Bauteil-Geometrien erreicht, die aber gleichzeitig nicht ohne Änderung der Geometrien an der Stelle der Bauteile-Kopplung erfolgen kann.

Fast alle CVT sind über reibschlüssige Kopplungen realisiert, die durch so genannten Schlupf gekennzeichnet sind. Die mechanische Leistung wird innerhalb des Getriebes bei Überschreitung der Haftreibung durch die auftretende Relativbewegung in Reibungswärme umgewandelt und geht verloren. Der Einsatz von CVT wird deshalb durch die typischen Leistungseinschränkungen und Wirkungsgradeinschränkungen bestimmt.

Der prinzipbedingte Schlupf kann nur dann ausgeschlossen werden, wenn die Umfangskräfte kleinergleich der übertragbaren Reibkraft bleiben. Begrenzend ist die maximal mögliche Hertzsche Pressung zwischen Zugmittel und Kegelrad, um Eingrabungen oder Grübchenbildung zu vermeiden. In Folge ist daher der von außen aufbringbare Anpressdruck auf die Kegelräder begrenzt.

Neben mechanischen CVTs gibt es auch andere Lösungen

  • hydrostatisches Getriebe: Die Leistung wird über Verschieben eines unter Druck stehenden Fluids zwischen einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor übertragen. Die mechanische wird somit durch eine hydraulische Kopplung ersetzt.
  • hydrodynamische Drehmomentwandler: Die Leistung wird durch eine strömende Bewegung eines Fluids bei geringem Druck übertragen. Hydrodynamische Drehmomentwandler sind üblicherweise vollständig selbstregelnd, die Übersetzung kann von außen nicht oder nur eingeschränkt beeinflusst werden. In der Anwendung als stufenloses Getriebe sind sie für die meisten Anwendungszwecke ungeeignet.
  • elektrisches Getriebe: Die Leistung wird als steuerbare elektrische Energie zwischen einem Generator und einem Elektromotor übertragen.

Beschreibung

Bei CVT-Getrieben wird die Kraft über Zugmittel, entweder breite Keilriemen, Lamellenketten oder Schubgliederbänder übertragen. Daneben gibt es CVT als Wälzkörpergetriebe (Kegelringgetriebe und Extroid CVT).

Zentrales Element für die Kraftübertragung bei einem CVT ist der Variator. Er besteht aus zwei axial verschiebbaren Kegelscheibenpaaren und einem dazwischen laufenden Zugmittel.

Ausführungen

Ein kraftschlüssiges CVT-Getriebe mit Lamellenkette und längs genuteten Kegelscheiben
Das Prinzip

Das Umschlingungsmittel besteht wahlweise aus

  • einem Schubgliederband, das zwischen zwei Kegelscheibenpaaren läuft
  • einem breiten Keilriemen, der zwischen zwei glatten Kegelscheibenpaaren läuft (siehe auch: Riemengetriebe)
  • einer Laschenkette, die zwischen zwei glatten Kegelscheibenpaaren läuft (siehe auch: Multitronic) oder
  • einer Kette mit seitlich verschieblichen Blechlamellen, die zwischen zwei gezahnten Kegelscheibenpaaren läuft (siehe auch: Kettengetriebe)

Hauptunterschied der Ausführungen ist:

  • Das Schubgliederband überträgt in den meisten Betriebszuständen das Drehmoment durch Schubkräfte.
  • Der Keilriemen arbeitet kraftschlüssig und hat Schlupf. Dafür ist das Betriebsgeräusch des Keilriemens geringer und er kann ohne Schmierung laufen. Das maximal übertragbare Drehmoment ist relativ gering.
  • Die Laschenkette arbeitet kraftschlüssig. Das maximal übertragbare Drehmoment beträgt zwischenzeitlich bis zu 380 Nm (im Modell Audi A 6 2.7 TDI Multitronic).
  • Die Lamellenkette arbeitet formschlüssig und damit schlupffrei.

Funktion

Das eine Kegelscheibenpaar ist mit dem Antrieb verbunden, das andere mit dem Abtrieb. Jeweils eine diagonal gegenüberliegende Hälfte der Kegelscheibenpaare ist auf den Wellen fixiert, während die jeweils andere Scheibe auf der Welle axial geführt, gesteuert verschoben werden kann.

Wenn die Kegelscheiben weit voneinander entfernt sind, dann beschreibt das Zugmittel einen kleinen Radius auf der Kegelfläche. Sind die Kegelscheiben dagegen nah beieinander, dann folgt das Zugmittel einem großen Radius auf der Kegelfläche.

Die Kegelscheibenpaare bewegen sich dabei gegenläufig, damit bei gleich bleibender Zugmittellänge und Achsabstand das Zugmittel vorgespannt bleibt.

Ein kleiner Zugmittel-Radius im Antriebs-Kegelscheibenpaar entspricht einem kleinen Gang eines konventionellen Getriebes, ein großer Radius einem großen Gang.

Sind die Kegelscheiben weit voneinander entfernt und werden die Kegelscheiben zusammengedrückt, dann vergrößert sich der Zugmittel-Radius und damit das Übersetzungsverhältnis von klein auf groß. Da dieser Vorgang stufenlos ist, verändert sich das Übersetzungsverhältnis ebenfalls stufenlos.

Infinitely Variable Transmission (IVT)

Durch Kombination eines oder mehrerer Planetengetriebes mit einem stufenlosen Getriebe ist es möglich, einen „unendlichen“ Übersetzungsbereich bereitzustellen. So kommt das Fahrzeug bei Übersetzung „unendlich“ im Stand, bei laufendem Motor, ohne zusätzliche Trennkupplung aus.

Ein Beispiel dafür stellen moderne stufenlose Getriebe in Traktoren dar, etwa das Vario-Getriebe des Traktorenherstellers Fendt. Ein Planetengetriebe dient als Kraftweiche und teilt die Kraft des Antriebsmotors in den Antrieb der Räder und den einer stufenlos verstellbaren Hydropumpe auf. Im hydrostatischen Teil der Kraftübertragung wird die Energie der Hydraulikflüssigkeit zwei ebenfalls stufenlos verstellbaren Hydromotoren zugeführt und steht dem Antrieb der Räder wieder zur Verfügung. Das Übersetzungsverhältnis wird über den hydrostatischen Zweig geregelt. Durch die Leistungsverzweigung ergibt sich ein weiterer Vorteil: der Leistungsanteil des stufenlosen (hydrostatischen) Leistungszweiges kann in den meisten Betriebspunkten gering gehalten werden, wodurch dessen schlechterer Wirkungsgrad nicht so sehr ins Gewicht fällt.

Das Getriebe (Power Split Device) des Hybridfahrzeugs Toyota Prius ist vergleichbar aufgebaut, wobei hier der stufenlose Teil aus einem elektrischen Getriebe (Generator und Elektromotor) besteht. Das System wird von Toyota unter dem Namen Hybrid Synergy Drive vermarktet.

Sonderformen

NuVinci-Getriebe

Sein Grundprinzip wurde bereits von Leonardo da Vinci beschrieben. Der Name NuVinci ist davon abgeleitet. Es handelt sich um ein Planetengetriebe, in dem der Kraftschluss durch Kugeln erfolgt. Durch Kippen dieser Kugeln in Verhältnis zu den seitlichen angeordneten Scheiben kann das Übersetzungsverhältnis stufenlos variiert werden. Fahrradnaben der Firma Fallbrook funktionieren nach diesem Prinzip und weisen eine Getriebespreizung von bis zu 360 % auf.[1]

X-CONI-Getriebe

Ausführung als QuattroCONI-Getriebe mit vier Kegeln

Die sogenannten X-CONI-Getriebe lehnen sich vom Funktionsprinzip her an die Kegelringgetriebe an, können aber mehr Drehmoment übertragen. Sie sind in der Regel gleichachsig und funktionsbedingt leistungsverzweigt ausgeführt und für heckgetriebene Fahrzeuge gut geeignet. Grundprinzip ist eine konzentrische Anordnung nahezu aller Bauteile im Getriebe. Die Kraft fließt nach dem Anfahrelement (Kupplung, Drehmomentwandler etc.) auf den Planetenträger. Ein Teil geht auf die Abtriebswelle mit Sonnenrad, der andere Teil auf ein Hohlrad mit Innen- und Außenverzahnung. Das Hohlrad treibt die als äußere Planeten orientierten Kegel an. Diese sind um den halben Kegelwinkel geneigt und bilden dadurch einen „Zylinder“, in dem der „Centerdrive“ das Übertragungsrad translatorisch auf der Abtriebswelle über eine Verschiebeeinheit bewegt werden kann. Die für die toroidische Übertragung notwendige Anpresskraft wird von den Kegeln selbst erzeugt. Um hohes Drehmoment übertragen zu können, lässt sich auch eine Trennung zwischen Traktionsbereich und Schmierbereich realisieren.

Heckansicht auf ein HexaCONI-Getriebe
Ausführung als doppeltes QuattroCONI-Getriebe mit insgesamt acht Kegeln

Die Ausführungen als QuattroCONI (4 Kegel) oder HexaCONI (6 Kegel) sind sinnvoll, aber auch eine andere Anzahl Kegel ab zwei aufwärts ist denkbar, z. B. als Modulbauweise für verschiedene Leistungen.

Wenn höchste Drehmomentübertragung gefordert ist, z. B. für Nutzfahrzeuge, bietet sich die Ausführung aus Duo-X-CONI an, in der ein zweiter Satz Kegel nachgeschaltet ist.


Anwendungen

Mechanische CVTs

Im Maschinenbau, vor allem in Werkzeugmaschinen, war vor der breiten Einführung elektronisch regelbarer Motoren das CVT-Getriebe (ein Markenname: P.I.V.) für schlupffreie und stufenlos stellbare Antriebe weit verbreitet.

Motorroller-CVT

Auch im Fahrzeugbau wurden CVT-Getriebe eingesetzt. Der breiten Öffentlichkeit bekannt wurden CVT-Getriebe erstmals als Variomatic in Fahrzeugen von DAF, die vorwärts wie rückwärts gleich schnell fahren konnten. Von 1954 bis 1957 baute DKW den Motorroller DKW Hobby mit stufenlosen Riemengetriebe (System Uher) in einer Auflage von 45.303 Einheiten. Seit den 1980er Jahren wurden Kleinkrafträder (Mofa/Moped) in Großserie von Honda (z. B. im Mofa Camino) und dem italienischen Hersteller Piaggio (z. B. im Hexagon) mit einem Keilriemen-CVT und einer Fliehkraftkupplung gefertigt. 1987 brachte der Automobilhersteller Subaru den Kleinwagen Justy mit einem elektronisch gesteuerten, ECVT genannten CVT-Getriebe auf den Markt. Im gleichen Jahr stellte Ford das neue Modell des Fiesta mit stufenlosem CTX-Automatikgetriebe vor. Der Fiat-Konzern verwendete diese Getriebe in den Automatikversionen des Fiat Panda I, Uno, Punto I, Tipo sowie Lancia Y10 und Lancia Y unter dem Namen Selecta bzw. Selectronic.

Heute finden sich CVT-Getriebe z. B. in Antrieben von Motorroller und zunehmend wieder in PKW bis 191 kW (260 PS) (z. B. Audi-Multitronic), für Kettenanwendungen und bis 350 Nm für Schubgliederapplikationen. Eine Elektronik regelt das CVT so, dass sich der Motor stets – für die vorgewählte Fahrweise – im optimalen Drehzahlbereich befindet. Dies bedeutet je nach Fahrsituation, dass der Motor in einem Drehzahlbereich mit geringstmöglichem Kraftstoffverbrauch (meist ECONOMY genannt, beim Beschleunigen bleibt der Motor im Drehzahlbereich des maximalen Drehmoments) oder höchstmöglicher Leistung (z. B. zum Überholen, meist POWER genannt, im Drehzahlbereich der maximalen Leistungsabgabe) läuft. Während des Beschleunigens kann der Motor bei konstanter Drehzahl seine maximale Leistung abgeben, während die Geschwindigkeitszunahme über das stufenlose Getriebe ausgeglichen wird. Dies hat den anfangs irritierenden Effekt, dass bei gleichbleibendem Motorgeräusch die Geschwindigkeit stetig zunimmt („Gummiband-Effekt“).

Eine Variante des CVT als Reibradgetriebe mit winkelveränderlichen Rollen ist das 1999 vorgestellte (Nissan Extroid-CVT)-Getriebe. Es ist wegen einer überdimensionierten Hydraulik und einem ungünstigen Wirkungsgrad in kleinen Kraftfahrzeugen noch zu schwer und zu teuer. Allerdings wird das technische Potenzial der rollreibenden und damit extrem leisen, komfortablen stufenlosen Kraftübertragung erkennbar. Eine moderne Variante mit Rollreibungsübertragung ist das Kegelringgetriebe.

Die Mercedes-Benz A- und B-Klasse sowie der Dodge Caliber werden mit einem CVT-Automatikgetriebe mit virtuellen Gängen ausgestattet, die auch wahlweise per Hand geschaltet werden können. Auch der Honda Jazz (ab 1,4 l, bis 09/2008), der Mini und der Ford Focus (nur 1,6 l Diesel, sowie 1,8 l Benziner und nur bis Februar 2007) sind optional mit einem CVT-Getriebe erhältlich. Auch im Toyota iQ, Toyota Verso, Toyota Verso-S, Toyota Avensis (ab 2009) und Toyota RAV4 (ab 2009) ist optional ein CVT-Getriebe (Multidrive-S) verfügbar. Bei Subaru ist für einige Modelle ein „Lineatronic“ genanntes CVT verfügbar (2.0i und 2.5i Benziner).

Hydrostatische CVTs

Bei Baumaschinen sind hydrostatische CVTs üblich. Bei Traktoren konnten sich rein hydrostatische Getriebe wegen des mäßigen Wirkungsgrades hingegen kaum durchsetzen. 1996 brachte Fendt als erster Traktorhersteller ein leistungsverzweigtes hydrostatisches Getriebe auf den Markt. Aufgrund der Leistungsverzweigung wird meist nur ein kleiner Leistungsanteil hydrostatisch übertragen und der Rest mechanisch, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes gegenüber einer rein hydrostatischen Lösung verbesserte. Andere Hersteller brachten später ähnliche Lösungen auf den Markt. Heute bieten alle führenden Hersteller stufenlose Traktorgetriebe an, bei Standardschleppern ist ein eindeutiger Trend zum hydromechanischen CVT-Getriebe festzustellen.

Elektrische CVTs

Bei Diesellokomotiven, U-Booten und Schiffen wird häufig ein elektrisches Getriebe (Generator + Motor) eingesetzt. Wegen des hohen Gewichts und mäßigen Wirkungsgrades konnte sich diese Lösung nicht in PKWs durchsetzen. Ähnlich wie bei einem hydrostatischen CVT kann jedoch auch hier der Getriebewirkungsgrad erheblich verbessert werden, wenn eine leistungsverzweigte Bauart eingesetzt wird, wie beispielsweise im Toyota Prius und den Lexus-Fahrzeugen RX400h, GS450h, LS600h und CT200h.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. NuVinci: Datenblatt des NuVinci N360 CVP (pdf)

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