Antrieb und Getriebe wachsen zu einer Baueinheit zusammen

Immer mehr Gänge sollen in immer kleineren Baumaßen untergebracht werden. Besonders Hybridfahrzeuge stellen Getriebetechniker vor neue Herausforderungen.

 „Das Getriebe ist der natürliche Aufenthaltsort für den Elektromotor“. Christopher Thomas, Cheftechniker von Borg Warner, sprach aus, wovon 1500 Ingenieure im Saal überzeugt waren.

Nicht ob, sondern in welchem Maß künftige Getriebe elektrifiziert werden, diskutierten die Teilnehmer des VDI-Kongresses „Getriebe in Fahrzeugen“ Ende Juni in Friedrichshafen. Eine wichtige Frage war dabei, wo der Elektromotor platziert wird: Zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe, innerhalb des Getriebes oder dahinter.

Bei bisher ausgeführten Plug-in-Hybridfahrzeugen dominieren Stufenautomatikgetriebe, bei denen der Wandler durch eine elektrische Maschine sowie eine Trennkupplung ersetzt wird. Die Vorträge auf dem Kongress zeigten, dass es dabei nicht bleiben wird: Auch Doppelkupplungs- und Stufenlosgetriebe werden zunehmend hybridisiert. Und gleichzeitig hat bei Fahrzeugherstellern und Zulieferern das Nachdenken darüber begonnen, wie Getriebe sich verändern, wenn der Sonderfall Hybrid zur Normalität wird.

Ein Beispiel für ein hybridisiertes Doppelkupplungsgetriebe stellten Porsche und ZF vor, das sukzessive in allen Sportwagenbaureihen zum Einsatz kommen soll. Offenkundigste Neuheit ist dabei, dass gegenüber dem Vorgänger die Gangzahl von sieben auf acht erhöht wurde. Sowohl der siebte als auch der achte Gang sind lang übersetzte Gänge (Overdrive) – die Höchstgeschwindigkeit soll stets im sechsten Gang erreicht werden.

Durch die sehr „lange“ Übersetzung des achten Gangs beträgt die Gesamtspreizung des Getriebes – also den Übersetzungsunterschied zwischen niedrigstem und höchstem Gang – mehr als elf zu eins. Das ist ein sehr hoher Wert, der Vorgänger lag wie die besten heutigen Stufenautomatikgetriebe bei circa neun zu eins. Allein daraus resultiert laut Hersteller eine Kraftstoffersparnis von bis zu 1,4 %, wobei diese stark vom spezifischen Verbrauch des jeweiligen Motors abhänge.

Weitere Einsparungen resultieren aus einer Vielzahl von Detailmaßnahmen. So wird die Ölversorgung von zwei bedarfsweise zugeschalteten Pumpen übernommen. Insgesamt sollen die Verluste durch Reibung und Ölhaushalt um 28 % verringert worden sein.

Der wichtigste Grund für die Entwicklung einer neuen Getriebegeneration dürfte jedoch ein ganz anderer sein: Das Getriebe baut um rund 14 cm kürzer, weil Schaltelemente und Verzahnungen nicht mehr auf zwei, sondern auf vier Wellen verteilt werden. Im gewonnenen Bauraum kann ein Elektromotor untergebracht werden – wichtig, um die Sportwagen zu hybridisieren.

Zwar ist noch unklar, wann es den 911er als Hybridvariante geben wird, doch die Leistungsdaten sind vielversprechend: Kurzzeitig liefert die wassergekühlte, als Außenläufer ausgeführte E-Maschine zusätzlich 100 kW und 400 Nm, die Dauerleistung liegt cirka 50 % darunter. Wie ernst es Porsche mit der Hybridisierung meint, ist auch der konsequent modularen Bauweise anzumerken. Damit die Außenabmessungen immer gleich sind, läuft in den nicht elektrifizierten Varianten des Getriebes die Eingangswelle die ersten Zentimeter durch leeren Raum.

Auch stufenlose Getriebe, beliebt vor allem im asiatischen Markt, werden zunehmend elektrifiziert. So berichtete Alain Raposo, bei Renault Nissan für die weltweite Antriebsentwicklung verantwortlich, dass künftig neue Getriebe nur noch so entwickelt werden, dass die Elektrifizierung von vorne herein konstruktiv berücksichtigt ist – CVT („Continuously Variable Transmission“) eingeschlossen.

Da der mechanische Wirkungsgrad bei Stufenlosgetrieben begrenzt und hohe Spreizungen schwer zu realisieren sind, schlägt der Zulieferer Schaeffler ein neues Konzept für CVT-Getriebe in Plug-in-Hybridfahrzeugen mit Front-quer-Antrieb vor. Das Drehmoment des Elektromotors wird dabei nicht über den Variator des CVT, sondern parallel über einen – ebenfalls im Getriebe verbauten Direktgang geleitet.

Der Elektromotor mit einer kurzfristig verfügbaren Spitzenleistung von 80 kW ermöglicht rein elektrisches Fahren bis zu einer Geschwindigkeit von 130 km/h. Durchfährt ein so ausgestattetes Hybridfahrzeug mit einem Gewicht von 1600 kg den europäischen Normzyklus rein elektrisch, kommt es nach Simulationen von Schaeffler auf einen Energieverbrauch von 10,8 kW/100 km. Rückwärts würde ein solches Auto nur mehr elektrisch fahren, damit gehört das Schaeffler-CVT bereits zu einer neuen Klasse an Hybridgetrieben, die in einem verbrennungsmotorischen Fahrzeug nicht mehr eingesetzt werden können.

Momentan scheut die Industrie die hohen Entwicklungsaufwendungen, die mit reinen Hybridgetrieben verbunden sind. „Die Investition in eine neue Getriebegeneration beträgt oft 1 Mrd. $, manchmal auch mehr“, erläutert Christopher Thomas. „Da ist es momentan nur vernünftig, dass die meisten Hersteller vorerst auf modulare Konzepte setzen – zumal sich das Kaufverhalten nicht mit Gewissheit vorhersagen lässt.“

Doch auch unter den Experten werden Stimmen lauter, die eine flächendeckende Hybridisierung für wahrscheinlich halten. Für batterieelektrische Fahrzeuge gilt ohnehin, dass Antrieb und Getriebe zu einer Baueinheit zusammenwachsen. Uwe Keller, bei Daimler für das Kompetenzzentrum Triebstrang verantwortlich, fasste zusammen: „Wir brauchen ein Antriebssystem, das in Größe eines Koffers Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik zusammenfasst.“

Auf eine weitere Veränderung müssen sich die Getriebeentwickler vorbereiten. Der vor 30 Jahren gegründete VDI-Kongress zieht 2017 nach Bonn um – am Standort Friedrichshafen besteht aufgrund der Raumnot keine Wachstumsmöglichkeit mehr.

Autor des Artikels:

Johannes Winterhagen