Minimale Anzahl von Bauteilen: das Kegelringgetriebe der Gesellschaft für Industrieforschung GIF.
Bei heutigen auf dem Markt erhältlichen stufenlosen CVT-Getrieben wird die Kraft über eine Kette oder ein Schubgliedband von einer konischen Scheibe zu einer anderen übertragen. Durch das Verstellen der Scheibendurchmesser lässt sich die Übersetzung stufenlos variieren. Eine Ausnahme bilden Toroidgetriebe, bei welchen die Kraftübertragung nicht durch eine mechanische Verbindung, sondern durch Scherkräfte in einem Traktionsöl erfolgt. Als einziger Grossserienhersteller bietet Nissan seit einigen Jahren in Japan ein solches Getriebe in zwei Luxuslimousinen an (techn. Details AR 38/2001). Neben Nissans Lösung könnte nun eine weitere exotische CVT-Technologie den Weg zur Serienproduktion schaffen: ein Getriebe, das prinzipiell aus drei Hauptteilen besteht – einem Ring und zwei Kegeln.
Die Kraft wird vom Eingangskegel über den Ölfilm am Reibring zum Ausgangskegel geleitet.
Innovationen vom Entwicklungsdienstleister
Beim Kegelringgetriebe – entwickelt und erprobt von der Gesellschaft für Industrieforschung GIF in Deutschland – wird die Kraft wie bei Nissans Toroid-CVT mit Hilfe eines Traktionsöls übertragen. Das Prinzip ist einfach: Ein axial verstellbarer Reibring definiert den Übertragungspunkt zwischen zwei Kegeln. Die Kraft wird über den Ölfilm am Ring vom Eingangs- zum Ausgangskegel übertragen. Mit der Position des mitdrehenden Reibrings relativ zu den Kegeln lässt sich somit stufenlos die Getriebeübersetzung verändern.
Der Reibring ist in einem Stellrahmen geführt. Durch das Verdrehen dieses Rahmens wird eine Drehung des Ring um die vertikale Achse eingeleitet. Wegen der Kombination von Rotation und Lenkwinkel werden – ähnlich der Lenkbewegung bei einem Fahrrad – mit kleinen Kräften schnelle Verstellvorgänge möglich. Und dies ist einer der grossen Vorteile des KRG: bei einem herkömmlichen stufenlosen Getriebe werden zur Übersetzungsänderung grosse Kräfte und massive Hydraulikeinheiten nötig –für die Verschiebung des Reibrings im KRG genügt ein Servomotor mit lediglich 20 Watt Leistung. Der Elektromotor muss nur die Trägheit des Stellrahmens und des Rings überwinden; die Kraft für die eigentliche Übersetzungsänderung stammt von der Kegelrotation.
Der geringe Kraftaufwand verkürzte die Verstellzeiten: Innerhalb von nur 1,5 s lässt sich der ganze Übersetzungsbereich einstellen.
Minimale Anzahl Bauteile
Im Innern kommt das Getriebe mit einem Minimum von Bauteilen aus – und diese sind meist von einfacher mechanischer Art. Beispiel: die Druckplatte, welche die beiden Kegel axial gegeneinander drückt und so die nötige Klemmkraft aufbringt, um das Drehmoment via Öl übertragen zu können. Auch diese Kraft muss nicht extern erzeugt werden. Vielmehr wird – abhängig vom Ausgangsdrehmoment –ein Teil der Kegelrotation in eine axiale Kraft transformiert, was die Verwendung von teuren Sensoren, elektronischen Steuergeräten und hydraulischen Verstelleinheiten überflüssig macht.
Entscheidend ist letztendlich die Übertragungsfähigkeit des Traktionsöls. Im KRG kommen zwei verschiedene Öle zur Anwendung – eines für die Schmierung der Lager und eines für die Leistungsübertragung. Dank dieser räumlichen Trennung kann das Traktionsöl auf maximale Reibkraftübertragung und Temperaturstabilität optimiert werden, während für die Schmierung der Wälzlager ein handelsübliches Getriebeöl verwendet wird.
Nächster Schritt: Kommerzialisierung
Als Nächstes planen die GIF-Verantwortlichen die Kommerzialisierung des Systems. Der Schritt vom Prüfstand auf die Strasse ist bereits getan; erste Prototypenfahrzeuge mit Kegelringgetriebe sind in Erprobung. Als Anfahrhilfe kommt in diesen Fahrzeugen der Marke Mini eine automatisierte Trockenkupplung zum Einsatz.
Laut Projektleiter Christoph Dräger ist es neben den schnellen Verdienstmöglichkeiten und dem damit verbundenen guten Ansprechverhalten vor allem die einfache und kostengünstige Bauweise, welche das Kegelringgetriebe von einem herkömmlichen CVT-Automaten unterscheiden soll. Wegen der ausschliesslich kraftschlüssigen Verbindung der Reibelemente ist das KRG in hohem Mass toleranzunempfindlich. Ist beispielsweise der Durchmesser eines Kegels etwas zu klein oder zu gross, kann dieser Fehler durch das axiale Verschieben des Ausgangskegels ausgeglichen werden.
CVT-Durchbruch noch nicht geschafft
Damit das KRG im Pw-Bereich Zukunftschancen hat, müssen sich stufenlose Getriebe auf dem Markt erst einmal durchsetzen. CVT-Fahrzeuge fristen trotz des gewachsenen Angebots immer noch ein Mauerblümchendasein – die scheinbare Unabhängigkeit von Fahrgeschwindigkeit und Motordrehzahl wird von vielen Kunden als unnatürlich und störend empfunden. Mit grossem Aufwand werden "virtuelle Gänge" eingebaut, damit sich die Getriebe für den Endverbraucher wie herkömmliche Getriebeautomaten anfühlen. Wenn es mit den Personenwagen nicht klappt, hat die GIF einen weiteren Pfeil im Köcher: Die KRG-Technologie, so Dräger, lässt sich auch bei Lastwagen oder Bussen anwenden.
STICHWORT
CVT-Getriebe
"Continously Variable Transmission",
stufenloses Getriebe mit einer
unendlichen Anzahl Gängen.
Die starre Kopplung zwischen
Fahrgeschwindigkeit und Motor-
drehzahl kann aufgehoben werden.
Eigenschaften des Kegelringgetriebes
• Kraftübertragung zwischen zwei Kegeln mittels
Reibring und Traktionsöl
• einfache Anpress- und Verstellvorrichtung ohne
Hydraulik
• geringe Verstellleistung (?20 Watt)
• kleine Teilezahl und geringe
Toleranzanforderungen
• automatisierte Trockenkupplung als
Anfahrhilfe
• Spreizung: 6,3
•
Anfahrübersetzung: 14:1
• Gesamtgewicht: 59 kg
