Stufenloses Getriebe

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Ein stufenloses Getriebe ist ein Drehungen übertragendes Getriebe, bei dem die Übersetzung stufenlos einstellbar ist. Es kommt häufig in Werkzeugmaschinen und Fahrzeugen zum Einsatz.

Zur Bezeichnung derartiger Getriebe werden oft auch Abkürzungen aus dem Englischen übernommen:

  • CVT steht für Continuously Variable Transmission, also ein stufenloses Getriebe, welches einen begrenzten Regelbereich hat. Ein Fahrzeug mit CVT benötigt eine Anfahrkupplung.
  • IVT steht für Infinitely Variable Transmission, also ein stufenloses Getriebe, welches zwischen einem festen Übersetzungwert in einer Übertragungsrichtung beliebig ins langsame („unendlich“, ∞) untersetzen kann, so dass sich die angetriebene Welle dreht, während die abgetriebene Welle steht. Dadurch kann im Fahrzeug die Anfahrkupplung entfallen.

Der Begriff Regelbereich entspricht der Spreizung beim Stufengetriebe, also dem Verhältnis von größter zu kleinster Übersetzung. Bei CVTs in Fahrzeugen liegt der Faktor meist zwischen 5..6[1].

Stufenlose Getriebe werden in Straßenfahrzeugen meist als mechanische Getriebe gebaut, in langsamfahrenden Baumaschinen mit hydraulischen Nebenantrieben kommen auch hydraulische Getriebe für den Fahrantrieb zum Einsatz, bei denen die Leistungsübertragung über ein Strömungsmedium erfolgt. Eine weitere Form der stufenlosen Getriebe sind elektrische Getriebe (Motor/Generator), beispielsweise bei dieselelektrischen Antrieben der Bahn.

Grundlagen[Bearbeiten]

Bei stufenlosen Getrieben kann das Verhältnis der Drehzahlen der treibenden und der getriebenen Wellen, die Übersetzung, in einem bestimmten Bereich stufenlos geändert werden. Dies kann auch den Stillstand (IVT) oder die Drehrichtungsumkehr einer Welle beinhalten.

Die Drehmomentübertragung in einem stufenlosen mechanischen Getriebe ist in der Regel reibschlüssig. Ausnahme ist das formschlüssige quasistetige Kettengetriebe, bei dem eine Lamellenkette im ständigen Eingriff mit zwei radial genuteten Kegelscheiben steht. Die Nuten werden gegen das Zentrum der Kegelscheiben stetig enger. Die von den dünnen Lamellen gebildeten Kettenzähne werden ebenfalls enger, was aber nur in kleinen Stufen, das heißt nur quasistetig geschehen kann.

Bei reibschlüssiger Drehmomentübertragung ist die Kopplung von Bauteilen, deren Geometrien nach dem Hebelprinzip die Getriebewirkung bestimmen, kraftschlüssig.

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.

Die für Fahrzeuge entwickelten stufenlosen Getriebe sind überwiegend über reibschlüssige Kopplungen realisiert, die durch so genannten Schlupf gekennzeichnet sind. Für diesen Schlupf gibt es im Wesentlichen zwei Ursachen:

  • Prinzipbedingt gibt es bei allen Konstruktionen eine Druckfläche, über die die mechanische Leistung übertragen wird, z.B. die Anlagefläche des Keilriemens bei der DAF Variomatic. Geometrisch bewegen sich die Anlageflächen gegeneinander, weil sie quer zur Bewegungsrichtung leicht unterschiedliche Geschwindigkeiten haben. Bei der Variomatic gibt es nur eine Stellung (Übersetzung), in der das Getriebe ohne Schlupf arbeitet. Hier schneiden sich die Verlängerung aller Kegelflächen in einem Punkt. In allen anderen Stellungen der Kegelscheiben entsteht Bohrschlupf oder Bohrreibung, die sich durch eine möglichst schmale Kontaktfläche des Riemens reduzieren lässt.
  • Durch die elastische Dehnung entsteht Dehnschlupf (siehe auch Riemenantriebe) an der Kontaktfläche, der von der Elastizität/Steifigkeit der Reibungspartner und den übertragenen Kräften abhängt.

Der Einsatz von reibschlüssigen stufenlosen Getrieben ist durch mehrere Faktoren limitiert:

  • Maximal mögliche Hertzsche Pressung zwischen den koppelnden Kontaktflächen, um Eingrabungen oder Grübchenbildung zu vermeiden;
  • Zulässige Erwärmung aufgrund der Reibverluste;
  • Eigener Energieverbrauch beispielsweise um Kegelscheiben zusammenzupressen.

Neben mechanischen stufenlosen Getrieben gibt es weitere 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[Bearbeiten]

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

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

Ausführungen[Bearbeiten]

Ein formschlüssiges stufenloses Getriebe mit Lamellenkette und radial genuteten Kegelscheiben
Das Prinzip

Das Umschlingungsmittel besteht wahlweise aus

Hauptunterschied der Ausführungen ist:

  • Das Schubgliederband überträgt in den meisten Betriebszuständen das Drehmoment durch Schubkräfte, d.h. obwohl es ein flexibles Band ist, wird es zur Leistungsübertragung nicht gezogen, sondern gedrückt.
  • 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 bis zu 400 Nm. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses ist bei CVT-Getrieben in Automobilen im Verhältnis 1:7 bis 1:8 möglich.
  • Die Lamellenkette arbeitet formschlüssig und damit schlupffrei.

Funktion[Bearbeiten]

Ein 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, beschreibt das Zugmittel einen kleinen Radius auf der Kegelfläche. Sind die Kegelscheiben dagegen nah beieinander, 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, 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)[Bearbeiten]

Prinzipskizze für unendlich variables Getriebe

Bestimmte stufenlose Getriebe, wie das Toroidgetriebe, hydraulische Getriebe, oder die Kombination eines oder mehrerer Planetengetriebes mit einem stufenlosen Getriebe können einen „unendlichen“ Übersetzungsbereich abdecken. So kommt das Fahrzeug bei Übersetzung „unendlich“ im Stand, bei laufendem Motor, ohne zusätzliche Trennkupplung aus.

Ein Beispiel sind moderne stufenlose Getriebe in Traktoren, 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.[2]

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[Bearbeiten]

NuVinci®-Getriebe[Bearbeiten]

Sein Grundprinzip wurde bereits von Leonardo da Vinci beschrieben. Der Name NuVinci (new, engl. neu) ist davon abgeleitet. Es ist ein stufenloses Planetengetriebe mit Reibschluss zwischen Kugeln und Kegelflächen. Durch Kippen der durch die Kugeln führenden, im Getriebegestell gelagerten Achsen rollen diese mit unterschiedlich großen Radien auf den Rändern der seitlich angeordneten Scheiben, wodurch sich eine unterschiedlich große Übersetzung ergibt.[3]

X-CONI-Getriebe[Bearbeiten]

Ausführung als QuattroCONI-Getriebe mit vier Kegeln

Die sogenannten X-CONI-Getriebe lehnen sich in ihrer Funktion 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 ein 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[Bearbeiten]

Mechanische stufenlose Getriebe[Bearbeiten]

Im Maschinenbau, vor allem in Werkzeugmaschinen, war vor der breiten Einführung elektronisch regelbarer Motoren das stufenlose Getriebe mit Lamellenkette (ein Markenname: P.I.V.) weit verbreitet.

stufenloses Motorroller-Getriebe

Auch im Fahrzeugbau wurden stufenlose Getriebe eingesetzt. Der breiten Öffentlichkeit bekannt wurden sie erstmals als Variomatic in Fahrzeugen von DAF, die vorwärts wie rückwärts gleich schnell fahren konnten. Der französische Moped-Hersteller Motobécane begann bereits Ende der 1940er mit der Entwicklung einer stufenlosen Kraftübertragung und fertigte in den 1950ern den resultierenden Typ Mobymatic. [4] Die Fliehkraftkupplung wurde hierbei vom Hinterrad angetrieben. Ein Kraftschluss kam erst ab einer Geschwindigkeit von etwa 7 km/h zustande, auf die das Fahrzeug zuvor mit Muskelkraft beschleunigt werden musste. Von 1954 bis 1957 baute DKW den Motorroller DKW Hobby mit stufenlosen Riemengetriebe (System Uher) in einer Auflage von 45.303 Einheiten. Im Gegensatz zum Mobymatic-Typus, wurde beim System Uher die Fahrgeschwindigkeit allein durch die Motordrehzahl bestimmt, was damals Probleme beim Befahren von Steigungen mit sich brachte. 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 stufenlosen Keilriemen-Getriebe und einer Fliehkraftkupplung gefertigt. 1987 brachte der Automobilhersteller Subaru den Kleinwagen Justy mit einem elektronisch gesteuerten, ECVT genannten stufenlosen Getriebe auf den Markt. Im gleichen Jahr stellte Ford das stufenlose CTX-Automatikgetriebe für die zweite Baureihe des Fiesta vor. Der Fiat-Konzern verwendete diese Getriebe in den Automatikversionen des Fiat Panda I (141A), Uno, Punto I, Tipo sowie Lancia Y10 und Lancia Y unter dem Namen Selecta bzw. Selectronic.

Heute finden sich stufenlose Getriebe beispielsweise in Antrieben von Motorrollern und auch in Personenkraftwagen bis 191 kW (260 PS) (zum Beispiel Audi-Multitronic) mit Ketten und bis 350 Nm mit Schubgliedern. Eine Elektronik regelt das stufenlose Getriebe 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 stufenlosen Getriebes als Reibradgetriebe mit winkelveränderlichen Rollen ist das 1999 vorgestellte Nissan-Extroid-CVT-Getriebe. Es war zunächst wegen einer überdimensionierten Hydraulik und einem ungünstigen Wirkungsgrad in kleinen Kraftfahrzeugen noch zu schwer und zu teuer. Allerdings wurde das technische Potenzial der rollreibenden und damit extrem leisen, komfortablen stufenlosen Kraftübertragung erkennbar. Eine andere Variante mit Rollreibungsübertragung ist das Kegelringgetriebe.

Die Mercedes-Benz A- und B-Klasse sowie der Dodge Caliber wurden mit einem stufenlosen 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) waren optional mit einem stufenlosen Getriebe erhältlich. Auch in den Toyota-Modellen iQ, Verso, Verso-S, Avensis (ab 2009) und RAV4 (ab 2009) ist optional ein stufenloses Getriebe („Multidrive-S“) verfügbar. Bei Subaru ist für einige Modelle ein „Lineatronic“ genanntes stufenloses Getriebe verfügbar (2.0i und 2.5i Ottomotor, beim Outback seit 2014 auch in Verbindung mit 2.0D Dieselmotor). Weitere Hersteller, die für bestimmte Ausführungen verschiedener Modelle stufenlose Getriebe einsetzen oder einsetzten, sind Jeep (Compass und Patriot), Mitsubishi (Lancer) , Nissan (Altima, Cube, Juke, Maxima, Micra, Murano, Note, Qashqai, Rogue, Sentra, Sunny, Tiida und X-Trail), Proton (Inspira, Iriz, Prevé und Saga) und Suzuki (SX4).

Die kompakte 3-kg-Haushalts-Waschmaschine Eudora aus Gunskirchen, OÖ. wurde ab etwa 1960 statt mit Handhebelsteuerung mit Schleuderautomatik hergestellt. Der Motor ist auf einer Wippe montiert, sodass sein Gewicht den Keilriemen zur grossen, auf der Waschtrommelachse sitzenden Riemenscheibe spannt, die im Waschbetrieb mit etwa 100 Umdrehungen/min rotieren. Das Paar stumpfkegeliger Scheiben auf der Motorachse ist dabei vom Riemenzug axial auseinandergepresst, sodass beim Waschen über den kleinstmöglichen wirksamen Durchmesser dieses Antriebs nur eine geringe Riemengeschwindigkeit auf die grosse Abtriebsriemenscheibe wirkt. Zum Schleudern wird nun der Asynchronmotor mit weniger Polen betrieben und erhöht so seine Drehzahl auf gut das Doppelte. Dadurch unterliegen 6 keilförmige Eisengewichte erhöhter Fliehkraft, gleiten in glatten Kunststoffführungen im Antrieb ein Stück nach aussen und pressen die hintere der Kegelscheiben zur vorderen, wodurch der Keilriemen sukzessive auf mehr als den doppelten Durchmesser aufreitet und 550/min Schleuderdrehzahl (Typ: Super38 EU442)[5] der Trommel erreicht wird. Das variable Getriebe durchläuft dabei seinen gesamten Übersetzungsbereich binnen etwa 5 Sekunden, während die Trommel dabei von Waschdrehzahl ausgehend hochdreht. Dabei wird der Motor entsprechend dem zusätzlichen Bedarf an Keilriemenlänge angehoben. Wird durch einen simplen Drehhebel dieser Motorhebung eine Sperre entgegengestellt, ändert sich am Durchmesser des Riemenantriebs fast nichts und erfolgt Schonschleudern mit etwa halbem Tempo.

Hydrostatische stufenlose Getriebe[Bearbeiten]

Bei Baumaschinen sind hydrostatische stufenlose Getriebe üblich. Bei Traktoren konnten sich rein hydrostatische Getriebe wegen des mäßigen Wirkungsgrades hingegen kaum durchsetzen. 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 stufenlosen Getriebe festzustellen.

Elektrische stufenlose Getriebe[Bearbeiten]

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 stufenlosen Getriebe kann jedoch auch hier der Getriebewirkungsgrad erheblich verbessert werden, wenn eine leistungsverzweigte Bauart eingesetzt wird, wie beispielsweise im Toyota Prius, Yaris Hybrid und Auris Hybrid und den Lexus-Fahrzeugen RX400h, GS450h, LS600h und CT200h.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Nach Harald Naunheimer, Bernd Bertsche, Gisbert Lechner "Fahrzeuggetriebe - Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion", Kapitel 4.4 "Übersetzungen und ihre Änderung bei Stufenlosgetrieben", 2. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York 2007, ISBN 978-3-540-30625-2
  2. Fendt: Variogetriebe - das Herzstück eines jeden Fendt Schleppers. Abgerufen am 24. August 2014.
  3. Fahrradgetriebenabe NuVinci ® der Firma Fallbrook, Hub-Diagramm
  4. Stufenlose Kraftübertragung an Zweiradkraftfahrzeugen. In: Kraftfahrzeugtechnik 10/1957, S. 376-380.
  5. Bedienungsanleitung Waschvollautomat EU 442 "38 SUPER", abgerufen am 10. Januar 2015