Varianten und Funktion der 8-HP-Getriebefamilie von ZF

Schon in einer sehr frühen Konzeptionsphase der Konstruktion des 8 HP stand eine möglichst effiziente, also reibungs- und dadurch kraftstoffsparende Konstruktion des Automatikgetriebes im Vordergrund. Zudem sollten verschiedene Anfahrelelemente, vom konventionellen Wandler bis hin zu leistungsstarken Hybridmodulen, möglich sein. Auch eine Variante für Allradantrieb war im geplanten Getriebebaukasten von Anfang an mit vorgesehen.

Die ZF-eigene Bezeichnung 8 HP steht grundsätzlich für die Achtgang-Automaten-Baureihe der Friedrichshafener, die vornehmlich für standardangetriebene Fahrzeuge mit Längsmotor und Heckantrieb sowie die daraus ableitbaren Allradvarianten vorgesehen ist. Die auf das Kürzel 8 HP (8 Gänge, hydraulisches Anfahrelement, Planetengetriebekonstruktion) folgende Zahlen- und Buchstabenkombination beschreibt die grundsätzliche Drehmomentbelastbarkeit für Benzin- und Dieselmotoren der Getriebegeneration sowie den Anwendungsbereich (Allrad/Hybrid usw.).

Ein Baukastensystem für alle Fälle Der Grundbaukasten der ersten Generation des Getriebesystems bestand aus vier Baugrößen und deckte vier Drehmomentstufen bei heckgetriebenen Benzin-/Dieselfahrzeugen von 300/300 Nm (8 HP 30) über 450/500 Nm (8 HP 45) und 700/700 Nm (8 HP 70) bis 900/1000 Nm (8 HP 90) ab.

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Für Allradantrieb waren zwei Baugrößen für Benzin-/Dieselmotoren bis 550/580 Nm (8 HP 55 A) sowie das 8 HP 90 A bis 900/1000 Nm vorgesehen.

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Auch für den vergleichsweise seltenen Fall des Frontantriebs mit Längsmotor wurde eine Getriebevariante angeboten: Das 8 HP 45 FL (Front-längs) ist durch Benzinmotoren bis 450, durch Dieselmotoren bis 500 Nm belastbar. Spätere Getriebe sind, wie etwa die Nachfolgegeneration, an den Kürzeln 8 HP 50, -75 oder -99, die dritte Generation an den Kürzeln -51 oder -76 erkennbar.

Das Vorhalten eines Baukastensystems sowie die zeitgleiche Konstruktion der Getriebevarianten erlauben es, einen hohen Anteil von Gleichteilen einzusetzen. So sind etwa 50 Prozent der Teile eines Getriebes auch in seinen Schwestermodellen zu finden, was zur Kosteneinsparung bei der Produktion wie auch bei der Reparatur beiträgt. Zudem kann für alle Varianten die gleiche Mechatronik und elektronische Hardware zur Getriebesteuerung verwendet werden.

Baukastensystem Anfahrelemente

Um unterschiedlichste Kundenanforderungen bedienen zu können, sind die oben beschriebenen Basisgetriebe mit verschiedenen Anfahrelementen kombinierbar.

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Je nach Anforderung des Fahrzeugherstellers, der eines der Getriebe in einem zukünftigen Fahrzeugmodell einsetzen will, stehen unterschiedliche Anfahrelemente zur Wahl, die ohne größere Veränderungen am Basisgetriebe alternativ in der Kupplungsglocke, dem Wandlerraum, untergebracht werden können. Standardmäßig werden die Getriebe mit einem konventionellen hydrodynamischen Drehmomentwandler in Dreileitungsausführung verbaut. Wird das Getriebe entsprechend angepasst, könnte dieser Dreileitungswandler durch eine nasslaufende Kupplung (HCC: Hydrodynamically Cooled Clutch) ersetzt werden.

Diese Lamellenkupplung hat im Vergleich zum Drehmomentwandler ein geringeres Massenträgheitsmoment und ist über die elektronische Getriebesteuerung frei ansteuerbar – eine Lösung etwa für sportliche Fahrzeuge. Noch weniger Massenträgheit im Antriebsstrang ergibt sich, wenn zum Beispiel für besonders sportliche Anwendung oder den Renneinsatz das Anfahrelement in der Kupplungsglocke gleich ganz weggelassen wird.

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Dann kann das Achtganggetriebe den zum Anfahren notwendigen Kraftschluss auch durch die ohnehin üppig dimensionierte, als nasslaufende Lamellenkupplung ausgeführte Bremse B als integriertes Anfahrelement (IAE) herstellen.

Baukastensystem Hybridantriebe

Bei geringeren Motordrehmomenten oder beim elektrisch unterstützten Anfahren leichterer Hybride genügt die thermische Belastbarkeit dieser Lamellenkupplung, sodass sie als integriertes Anfahrelement (IAE) genutzt werden kann. So lässt sich aus der 8-HP-Familie ein recht kompaktes Getriebe ableiten, das sich besonders gut für den Einbau in kompakte Fahrzeuge mit geringerer Motorleistung oder für Sporteinsätze eignet.

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Die IAE ist auch Voraussetzung für die Hybridisierung des Achtgang-Getriebesystems: So kann etwa ein passend konstruierter E-Motor für eine Mild-Hybridisierung bei nahezu unveränderter Baugröße des Getriebes in der Kupplungsglocke Platz finden. Soll ein Voll-Hybrid mit hoher Systemleistung dargestellt werden, sind nicht nur durch die dafür notwendige Motortrennkupplung zusätzliche Bauraumforderungen unvermeidbar. Weitere Infos zur Hybrid-Automatik finden Sie in unserer INFO 1 weiter unten im Text.

Für den Einsatz als Hybridgetriebe muss der Automat zunächst Start-Stopp-fähig sein. Das heißt, der Öldruck im Getriebe muss während der Aus-Phasen des Verbrennungsmotors aufrechterhalten werden. Das gelingt entweder durch eine elektrische Ölförderpumpe oder, bei Mikrohybriden, durch einen hydraulischen Impulsspeicher (HIS, siehe INFO 2). Hier wird Öl während des Motorbetriebs in einen federbelasteten Zylinder, den hydraulischen Impulsspeicher, gepresst und beim Motorstart wieder abgegeben. So ist das Getriebe auch nach längeren Ampelstopps sehr schnell wieder anfahrbereit.

Baukastensystem Allradantriebe

Für einige Varianten des 8 HP stehen als Option entsprechende Abtriebssysteme für Allradantrieb zur Verfügung:

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Mit recht geringen Modifikationen des Basisgetriebes kann an den Abgangsflansch des Automaten etwa ein Verteilergetriebe für ein sogenanntes Hang-on-Allradsystem angesetzt werden. Diese Variante kommt zum Beispiel in klassischen Geländewagen zum Einsatz, die Zuschaltung der Vorderachse erfolgt hier entweder manuell oder automatisch durch elektrisch oder pneumatisch gesteuerte Lamellenkupplungen.

Eine weitere, mit diversen Audi- oder Porsche-Modellen recht verbreitete Variante ist die mit integriertem Allradsystem. Hier sind die größten Modifikationen am Gehäuse des Basisgetriebes nötig, da sowohl das Verteilergetriebe, etwa mit Torsen-Differenzial, die Welle zur Vorderachse wie auch das dazugehörende Differenzial im Getriebe integriert sind.

Funktion des Basisgetriebes Automatikgetriebe arbeiten – im Gegensatz zu Handschaltgetrieben – mit Planetenradsätzen, Lamellenkupplungen, Lamellenbremsen und einem hydrodynamischen Wandler.

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Lamellenkupplungen und -bremsen werden als Schaltelemente bezeichnet. Je nach Anordnung der Planetenradsätze spricht man von einem Ravigneaux- oder Lepelletier-System. Der Ravigneaux-Radsatz – als Basisgetriebe eines Viergang-Automaten – besteht aus zwei Sonnenrädern, drei kurzen (äußeren) und drei langen (inneren) Planetenrädern, einem gemeinsamen Planetenträger und einem Hohlrad. Innere und äußere Planetenräder stehen im Eingriff.

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Lepelletier hat dem Ravigneauxsatz einen einfachen Planetensatz vorgeschaltet. Dadurch besteht die Möglichkeit, Sonnenräder und Planetenträger des Ravigneauxsatzes mit unterschiedlichen Drehzahlen anzutreiben, um somit mehr als vier Gangstufen zu realisieren.

Ein Vorteil von vielgängigen Automatikgetrieben ist ihre große Spreizung. Sie erlaubt geringen Kraftstoffverbrauch durch niedrige Drehzahl im höchsten Gang, ebenso verbessern sich Schaltkomfort und Beschleunigung etwa durch hohe Zugkraft im ersten Gang.

Die Spreizung

Die Spreizung ist der Quotient aus der kürzesten und der längsten Übersetzung (i). Für den Achtgang-Automaten gibt ZF die folgenden Übersetzungen an – i1 bis i8: 4,71 / 3,14 / 2,11 / 1,67 / 1,29 / 1,00 / 0,84 / 0,67. Daraus lässt sich ableiten: i1 dividiert durch i8 ergibt eine Spreizung von 7,03.

Eine noch größere Getriebespreizung mit der dafür erforderlichen hohen Anzahl von Gängen ist mit einem technischen Aufwand und daraus resultierender Verlustleistung verbunden, was nicht mehr zu rechtfertigen ist. Der zusätzliche Einbau von Schaltelementen und Radsätzen für ein Neun- oder Zehnganggetriebe kann den inneren Wirkungsgrad des Getriebes außerdem wieder verschlechtern. Allerdings soll nicht verschwiegen werden, dass Mercedes ein Neunganggetriebe – 9G-Tronic – mit einem Drehmoment bis zu 700 Nm in seine Fahrzeuge einbaut; auch ZF baut ein Neunganggetriebe beispielsweise für Jeep und Rover.

Ein weiteres Kriterium für fühlbare Getriebequalität ist die Auslegung der Gang-sprünge. Kleine Gangsprünge – vor allem in den unteren Gängen – verbessern die Beschleunigung, erhöhen die Schaltqualität sowohl beim Hoch- als auch beim Zurückschalten und halten den Motor in einem verbrauchsgünstigen Drehzahlbereich. Beim Sechsganggetriebe beträgt der Gangsprung vom ersten zum zweiten Gang 1,78, beim 8 HP nur 1,5 mit abnehmender Tendenz bis auf 1,25 zwischen Gang sieben und acht.

Ein Achtgang-Planetengetriebe benötigt vier einfache Planetenradsätze und fünf Schalteinheiten. Diese fünf Schalteinheiten bestehen aus drei Kupplungen und zwei Bremsen. Der Unterschied: Lamellenkupplungen verbinden Bauteile miteinander, Lamellenbremsen verblocken Bauteile eines Planetensatzes mit dem Getriebegehäuse.

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Das Achtgang-Automatikgetriebe von ZF ,

Zu den Hauptbauteilen des Automatikgetriebes zählen:

►Drehmomentwandler mit Überbrückungskupplung

► vier Planetenradsätze

► drei Lamellenkupplungen und

► zwei Lamellenbremsen.

Die Ölversorgung wird von einer Flügelzellenpumpe übernommen.

Der Drehmomentwandler

Der hydrodynamische Drehmomentwandler besteht aus dem Pumpenrad, dem Turbinenrad und dem Reaktionsglied, in der Fachsprache auch als Leitrad bezeichnet. Als Übertragungsmedium für das Drehmoment ist der Wandler mit Hydrauliköl befüllt.

Das Pumpenrad des Drehmomentwandlers wird von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Bei laufendem Motor leitet das Pumpenrad den Ölstrom auf die Schaufeln des Turbinenrades, das mit der Antriebswelle des Getriebes verbunden ist. Die kinetische Energie der Hydraulikflüssigkeit treibt die Turbine in Drehrichtung des Motors an, die Energie des Ölstroms nimmt ab und wird dabei umgelenkt. Im Nabenbereich verlässt das Öl das Turbinenrad, trifft aufs Leitrad und wird nochmals umgelenkt ins Pumpenrad geleitet und dort wiederum beschleunigt.

Durch das Umlenken der Hydraulikflüssigkeit entsteht am Leitrad ein Moment, dessen Reaktionsmoment das Drehmoment an der Turbine erhöht. Ein Freilauf sperrt das Leitrad gegen Rückwärtsdrehen.

Im Moment des Anfahrens besteht die maximale Differenz zwischen Pumpen- und Turbinendrehzahl, das Drehmoment wird etwa um das 2,5-Fache verstärkt (Wandlung). Mit zunehmender Pumpendrehzahl nimmt die Drehmomentenerhöhung stetig ab. Bei einem Drehzahlverhältnis zwischen Turbinenrad und Pumpenrad von 85 Prozent beginnt der Kupplungsbereich, d. h., Turbinenmoment und Pumpenmoment entsprechen dem Motormoment, der Wandler arbeitet als hydraulische Kupplung, das Leitrad stützt sich nicht mehr am Getriebegehäuse ab und dreht in gleicher Richtung wie Verbrennungsmotor, Pumpe und Turbine. Der Ölstrom wird nicht mehr umgelenkt, das Turbinenmoment ist gleich dem Pumpenmoment und die Momentenerhöhung = 1.

Sollte die Turbine höher drehen als das Pumpenrad, befindet sich das Fahrzeug im Schiebebetrieb. In diesem Moment treibt die Turbine die Pumpe, damit auch den Motor: Der Wandler läuft im Bremsbereich.

Die Wandlerüberbrückungskupplung

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Die Wandlerüberbrückungskupplung WK eliminiert den Drehzahlunterschied zwischen Pumpen- und Turbinenrad, den Wandlerschlupf. Das Ansteuern der Überbrückungskupplung erfolgt unabhängig vom Turbinenraum. Eine eigene Ölleitung steuert die Überbrückungskupplung an. Der Vorteil: Der Wandler ist auch bei geschlossener Kupplung optimal durchströmt und gekühlt. Zusätzlich ermöglicht die separate Leitung in allen Fahrzuständen eine bessere Ansteuerung der Kupplung. Die WK gestattet eine verlustarme Übertragung der Motorleistung. Torsionsdämpfer der Kupplung verhindern, dass Motorschwingungen aufs Getriebe übertragen werden.

Zusätzlich wird während der Regelphase eine geringe Drehzahldifferenz zwischen Pumpe und Turbine eingestellt. Verantwortlich dafür ist das elektronische Drucksteuerventil, das den Öldruck auf den Kolben der WK regelt. Beide Maßnahmen sorgen für eine optimale Schaltqualität. Der Vorbefülldruck in der Wandlerkupplung beträgt 0,3 bar, der minimale, durch das Wandlerdruckventil geregelte Druck liegt bei 1 bar, der Höchstdruck bei 6 bar. Dadurch besteht je nach Anforderung des Fahrzeugherstellers die Möglichkeit, den Öldruck für die Überbrückungskupplung vom ersten bis zum achten Gang geregelt zu schließen.

Je nach Anforderung des Fahrzeugherstellers kann der Wandler statt mit einem konventionellen Torsionsdämpfer mit einem Turbinen-Torsionsdämpfer TTD oder einem Zweidämpfersystem ZD ausgestattet werden. Das Zweidämpfersystem wird vornehmlich bei Dieselmotoren eingesetzt und erlaubt sehr niedrige Motordrehzahlen mit geschlossener WK.

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Moderne Wandlergetriebe sind mit einer Standabkopplung versehen. Die Standabkopplung verhindert das lästige Kriechen des Fahrzeugs bei eingelegter Fahrstufe, zum Beispiel vor roten Ampeln, und reduziert den Kraftstoffverbrauch im Leerlauf. Die Standabkopplung erfolgt durch Öffnen der Bremse B.

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Damit wird das Stützmoment am Hohlrad aufgehoben, das Turbinenrad kann drehen, ohne ein Drehmoment an der Getriebeausgangswelle aufzubauen. Kupplung C und Bremse A sind zu 100 Prozent kraftschlüssig. Allerdings muss in diesem Betriebszustand die Elektronik über die Daten des Neigungswinkelsensors die Parkbremse schließen, um bei eingelegter Gangstufe das Fahrzeug festzuhalten. Die Standabkopplung wird in Fachkreisen als NIC (Neutral Idle Control) bezeichnet. Ist sie mit einer Start-Stopp-Funktion kombiniert, muss auch der weiter oben beschriebene Impulsspeicher (HIS) verbaut sein. Die Versorgung des Getriebes mit Drucköl übernimmt eine doppelhubige Flügelzellenpumpe, bei der während einer Umdrehung des Rotors zwei Ansaug- und Pumpvorgänge erfolgen. Angetrieben wird die Pumpe von einer Rollenzahnkette direkt vom Wandlerhals. Ein Ventil sorgt für einen konstanten Systemdruck, bevor das Öl ins hydraulische Schaltgerät strömt. Überschüssiges Öl wird in den Saugkanal geleitet, wirkt dort als Saugstrahlpumpe und unterstützt den Ansaugvorgang. Die Fördermenge beträgt 14,7 cm 3 pro Umdrehung.

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Die Radsätze

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Die vier Radsätze – 3, 4, 5 und 6 im vorangegangenen Bild – sind das mechanische Kernstück des Getriebes. Eingesetzt werden einfache Planetengetriebe, je nach Belastung mit drei oder vier Planetenrädern, bei sehr hohem Eingangsdrehmoment sogar fünf Planetenrädern.

Die Planetenträger des ersten und zweiten Radsatzes bestehen aus Stahlumformteilen. Der weniger stark belastete Träger des dritten Radsatzes besteht aus Aluminiumdruckguss. Für den hoch beanspruchten Planetenträger des vierten Radsatzes hat ZF eine zweiteilige Schweißkonstruktion gewählt. Die Außenverzahnungen von Sonnen- und Planetenrad sind gehärtet und geschliffen, die Zähne der Hohlräder im Räumverfahren hergestellt und anschließend nitriert.

Radsatz 1 und 2 haben ein gemeinsames Sonnenrad. Der Abtrieb zum Differenzial erfolgt immer über den Planetenträger des vierten Radsatzes. Getriebeabtriebswelle und Parksperrenrad sind als ein Teil integriert. Das Konus-Klinke-System der Parksperre wird im Fahrbetrieb hydraulisch ausgerückt und elektrisch mithilfe eines Magnetventils gesichert. Eingelegt wird die Sperre, wenn der Zylinderraum des Parksperrenschiebers drucklos geschaltet ist (Einlegen der Parksperre P oder Abstellen des Motors) und sich entleert. Eine Feder schiebt die Klinke ins Parksperrenrad.

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Bei Stromausfall oder in besonderen Situationen kann die eingelegte Parksperre durch einen zusätzlichen Bowdenzug oder eine Entriegelungsschraube gelöst werden. Für Fahrzeuge mit hoher Anhängelast hat ZF eine verstärkte Version der Parksperre mit zusätzlichem Zahnring auf dem bestehenden Zahnring und einer optimierten Form der Sperrklinke entwickelt.

Die Schaltelemente

Bei den Schaltelementen – drei Kupplungen und zwei Bremsen – bestehen die Außenlamellen aus Stahl, die Innenlamellen sind mit organischen Reibbelägen versehen.

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Bei den beiden Bremsen A und B werden zu den Stahllamellen Spreiz-Wellfedern eingesetzt. Diese halten die Belaglamellen und die Stahllamellen auf Abstand, verhindern ein Kleben der Lamellen im geöffneten Zustand und die daraus resultierenden Schleppverluste der Bremse. Das Kleben ist eine Folge der Viskosität des Hydrauliköls. Nachteilig verringert der Einbau der Spreiz-Wellfedern die nutzbare Reibfläche der Belaglamellen. Daher wird bei Getrieben mit einem hohen Eingangsdrehmoment auf den Einbau von Spreiz-Wellfedern verzichtet und Schleppverluste werden akzeptiert.

Per Öldruck werden die ringförmigen Kolben auf die jeweiligen Lamellenpakete gepresst und so der Kraftschluss hergestellt. Die Druckölversorgung, sowohl zur Schmierung der Lagerstellen auf der Hauptwelle wie auch zur Steuerung und Druckbeaufschlagung der teils rotierenden Kupplungskolben,

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erfolgt direkt durch äußerst präzise, längs eingebrachte Tiefbohrungen in der Hauptwelle des Getriebes.

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Damit eine konstante Regelgüte gewährleistet ist, existieren für die drei Kupplungen dynamische Druckausgleichsräume. Tellerfedern drücken zum vollständigen Öffnen der Kolben die Hydraulikkolben zurück in ihre Ausgangsstellung.

Während der Standabkopplung (kein Kriechen im Motorleerlauf) läuft die Bremse B im Schlupf. Der Kolben wird von beiden Seiten hydraulisch beaufschlagt, kann dadurch gesteuert vom Öldruck vor- und zurückbewegt werden. Im geöffneten Zustand sorgt die Ölpumpe für ein gutes Durchströmen und damit für die Wärmeabfuhr der Bremse.

Das Getriebegehäuse

Das einteilige Getriebegehäuse aus einer Leichtmetalllegierung ist in Dünnwand-Druckgusstechnik hergestellt. Die Wandstärke wurde in bestimmten Bereichen auf drei Millimeter reduziert. Die hinten liegende Kupplung D wird vom Schaltgerät über ein im Gehäuse eingegossenes Rohr mit Öl versorgt. In der Ölwanne aus Kunststoff befinden sich Restschmutzmagnete und ein großes Filterelement.

Ölhaushalt

Je nach Ausführung kommen bis zu drei unterschiedliche Schmierkonzepte zum Einsatz: In der Basisvariante des 8 HP für Standardantrieb wird nur das Automatikgetriebe geschmiert und von der Pumpe mit AT-Fluid versorgt. In der Fronttriebler-Variante FL muss das Vorderachsdifferenzial gesondert mit einem dafür geeigneten Schmiermittel versorgt werden.

Bei allradgetriebenen Fahrzeugen können Vorderachs- und Mittendifferenzial einzeln versorgt werden oder das Mittendifferenzial ist mit einer Ölpumpe ausgestattet und versorgt über ein außen liegendes Leitungssystem das vordere Differenzial mit Schmiermittel.

Die mechatronische Steuerung ,

Die Steuerung des Automatikgetriebes erfolgt durch ein Mechatronikmodul, das im Getriebesumpf platziert ist.

Die Baueinheit besteht aus:

► hydraulischer Getriebesteuerung

► elektronischer Getriebesteuerung

► Sensoren und

► Aktoren.

In zwei Ventilgehäusen, getrennt durch ein Zwischenblech, befinden sich Ventile und Kanäle zur Versorgung der Schaltelemente mit Hydrauliköl. Im oberen Gehäuse befinden sich sieben Hydraulikventile und Einlegeteile wie Kugeln, Siebfilter und Plattenventile. Im unteren Gehäuse sind 14 Hydraulikventile, sieben Druckregel-, ein Magnetventil und der Magnet für die Verriegelung der Parksperre eingebaut.

Die Hydraulik arbeitet in einem Druckbereich zwischen 5,5 und 17 bar, abhängig vom Eingangsdrehmoment des Getriebes. Die sieben Druckregelventile werden mit 5,5 bar versorgt. Da für jedes Schaltelement ein eigenes Ventil eingebaut ist, sind Kupplungen und Bremsen unabhängig voneinander ansteuerbar, Mehrfachschaltungen dadurch möglich.

Druckregelventile setzen den Steuerstrom in Steuerdruck um, sie aktivieren damit die zu den Schaltelementen gehörenden hydraulischen Schieber. Im Mechatronikgehäuse befinden sich sieben Druckregelventile, ein Magnetventil, zusätzlich der Magnet für die Parksperre. Vier dieser Regelventile arbeiten mit steigender Kennlinie, das heißt: Stromlos sind sie geschlossen, bei maximalem Strom vollständig geöffnet. Angesteuert werden die beiden Bremsen A, B, die Kupplungen D und E sowie die Wandlerkupplung. Zwei Regelventile arbeiten mit fallender Kennlinie. Bei diesen ist in stromlosem Zustand der Steuerdruck maximal. Eines davon steuert die Kupplung C, das andere den Systemdruck.

Sollte bei eingelegtem Vorwärtsgang die elektronische Getriebesteuerung ausfallen, werden alle Druckregler stromlos. Da zwei von ihnen im stromlosen Zustand einen maximalen Steuerdruck erlauben, die Kupplung C dadurch geschlossen bleibt, ist das Weiterfahren im sechsten Gang möglich. Erst mit Abstellen des Motors wird diese Notlauffunktion aufgehoben, eine Weiterfahrt mit ausgefallener Elektronik unmöglich.

Das Magnetventil, vom Getriebesteuergerät beaufschlagt, steuert das Positionsventil und das Parksperrenventil. Das Positionsventil ersetzt den in der Vergangenheit verwendeten Wählschieber am Schaltschiebergehäuse zum Einlegen der Gangstufen. Es schaltet Systemdruck zum Regeln der Drücke zu den Schaltelementen.

Die elektronische Getriebesteuerung

Die elektronische Getriebesteuerung ist mit der hydraulischen verbunden. Sie besteht aus einem verschweißten, hermetisch abgedichteten Metallgehäuse mit Glasdurchführungen für die elektrischen Kontakte. ZF gewährleistet eine Betriebssicherheit bis zu einer Temperatur von 145 °C.

Sensoren und Aktoren

Zu den Sensoren gehören der Temperaturfühler für das Hydrauliköl und der Substrattemperatursensor zum Messen der Temperatur des Mikroprozessors, die Geber für die Getriebeeingangs- und -ausgangsdrehzahl.

Da hohe Temperaturen speziell die Elektronik beschädigen, existiert ein dreistufiger "Hotmode". In Stufe eins werden bei einer Substrattemperatur von 124 °C (126 °C ATF-Temperatur) die Schaltpunkte auf höhere Drehzahlen verschoben, zusätzlich der Betriebsbereich, bei dem die Wandlerkupplung schließt, erweitert. Durch die höheren Drehzahlen erhöht sich zwangsläufig auch die im Getriebe umlaufende, auch zur Kühlung eingesetzte Ölmenge.

In Stufe zwei wird bei einer Substrattemperatur von 139 °C (141 °C ATF-Temperatur) das Motordrehmoment reduziert und in Stufe drei, bei einer Substrattemperatur von 145 °C (147 °C ATF-Temperatur), die Stromversorgung der Magnetventile abgeschaltet. Ein Schalten ist dann nicht mehr möglich. Im Rahmen eines Öltemperaturkollektivs werden die Temperaturen im Steuergerät gespeichert. Damit ist über die Laufzeit die thermische Belastung des Getriebes gespeichert und abrufbar.

Die Geber für Getriebeeingangs- und -ausgangsdrehzahl sind Hall-Sensoren. Als intelligente Sensoren erkennen sie die Drehrichtung, adaptieren Veränderungen der Feldstärke sowie des Luftspalts zwischen Sensor und Geberrad.

Der Schaltverlauf Die Kraftverläufe im Getriebe werden im nachfolgenden Bild dargestellt.

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Die roten Punkte dokumentieren, dass das Schaltelement geschlossen ist. Die farbigen Pfeile in der Grafik geben die Direktschaltungen an. Beispielhaft erklären wir hier den Kraftfluss im ersten und zweiten sowie im Rückwärtsgang wie auch die Möglichkeit der Direktschaltung:

Erster Gang

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Geschlossen sind im ersten Gang die Bremsen A und B. Radsatz RS1 läuft als Blocksatz, Kupplung C ist ebenfalls geschlossen. Die Kraft verläuft von der Kurbelwelle auf die Pumpe des Wandlers. Der Ölstrom treibt die Turbine, die Turbinenwelle leitet die Kraft über die geschlossene Kupplung C ans Sonnenrad des vierten Planetensatzes, von dort über die im stehenden Hohlrad umlaufenden Planetenräder auf den Planetenträger und weiter an das Abtriebsrad des Automatikgetriebes.

Zweiter Gang

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Hier sind die Schaltelemente A, B, E geschlossen. Radsätze RS1 und RS3 laufen als Blocksatz. Die Kraft verläuft von der Kurbelwelle auf die Pumpe des Wandlers. Der Ölstrom treibt die Turbine, die Turbinenwelle leitet die Kraft auf den Planetenträger des Radsatzes RS2. Da das Sonnenrad S2 festgebremst ist, drehen sich die Planeten um Sonnenrad S2 und versetzen das Hohlrad H2 dieses Radsatzes in Drehbewegung. Hohlrad H2 ist mit dem Sonnenrad des dritten Radsatzes und Kupplung E verbunden. Da RS3 als Blocksatz umläuft (ohne Kraftabgabe), gelangt die Kraft ans Sonnenrad S4 des vierten Planetensatzes RS4 über den Planetenträger PT4 weiter an die Abtriebswelle des Automatikgetriebes. Hohlrad H4 steht, die Planetenräder laufen in seiner Verzahnung und versetzen den Planetensteg in Rotation.

Rückwärtsgang

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Im Rückwärtsgang sind die beiden Bremsen A und B und die Kupplung D geschlossen. Dadurch ist die Abtriebswelle mit der Kupplung D verbunden. Radsatz RS1 läuft als Blocksatz, die beiden Kupplungen E und C sind geöffnet.

Die Kraft verläuft von der Kurbelwelle auf die Pumpe des Wandlers. Der Ölstrom treibt die Turbine, die Turbinenwelle leitet die Kraft auf den Planetenträger des Radsatzes RS2, von dort auf die Planetenräder P2. Da das Sonnenrad S2 feststeht, dreht sich das Hohlrad H2 in der gleichen Richtung des Planetenträgers PT2 und treibt das Sonnenrad S3 des dritten Radsatzes RS3.

Vom Sonnenrad S3 wird die Kraft auf Planetenrad P3 und Planetenträger PT3 geleitet. Über die geschlossene Kupplung D gelangt die Antriebskraft zum Planetenträger PT4 des vierten Radsatzes RS4, damit zur Abtriebswelle. Da Hohlrad H3 mit Sonnenrad S4 fest verbunden ist, treibt das Sonnenrad S4 die Planetenräder P4 des vierten Planetensatzes RS4 gegen die Motordrehrichtung an. Diese rollen sich am feststehenden Hohlrad H4 ab und drehen den Planetenträger PT4 mit einer Übersetzung i = 3,32 ebenfalls entgegen der Motordrehrichtung.

Direktschaltung

Zur Erhöhung der Dynamik ist das 8 HP als Direktschaltgetriebe so konzipiert, dass auch größere Gangsprünge direkt möglich sind. Das bedeutet, dass – abhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit und Lastanforderung – sowohl das Hoch- als auch das Zurückschalten im Sechser-, Vierer-, Dreier- oder Zweier-Gangsprung erfolgen kann. Soll beispielsweise vom achten in den zweiten Gang geschaltet werden, kann unter Umgehung der Gänge sieben bis drei direkt in den zweiten Gang geschaltet werden. Sollte eine direkte Schaltung – beispielsweise vom achten in den fünften Gang – nicht möglich sein, wird erst der größere Gangsprung als Direktschaltung (vom achten Gang in den sechsten Gang), danach die Einfachschaltung vom sechsten in den fünften Gang ausgeführt.

Komfortfunktionen des Getriebes Unangenehm bei Automatikgetrieben ist das relativ häufige Hochschalten bei kurzzeitiger Gaswegnahme – beispielsweise vor Kurven – mit nachfolgendem Zurückschalten beim Gasgeben in der Kurve. Diese Komforteinbuße entfällt bei einer navigationsdatenbasierten Gangauswahl.

Mit umfangreichen Daten über die Topografie der zu befahrenden Strecke, ausgewertet mithilfe der Navigation, können die Schaltvorgänge durch ideale Gangauswahl angepasst werden. Ein Hochschalten bei Lastrücknahme vor einer Kurve unterbleibt, wenn das System zuvor durch eine vorausschauende Bewertung des Krümmungsverlaufs das Hochschalten als unsinnig einstuft. Der Gang wird gehalten, eine kraftvolle Beschleunigung aus der Kurve ohne zeitraubendes Schalten ist möglich. Auch vor Steigungen erkennt das System, ob diese mit der augenblicklich eingelegten Gangstufe zu bewältigen sind.

Beim dynamischen Schaltprogramm (DSP) erfolgt eine Anpassung der Gangwechsel an die bisherige Fahrweise des Fahrers. Bei sportlicher Gaspedalbetätigung werden die einzelnen Gänge höher ausgedreht.

Kommunizieren hingegen Navigationsgerät und Getriebesteuergerät miteinander, sind die Daten, zum Beispiel für eine Ortsdurchfahrt mit Geschwindigkeitsbeschränkung, frühzeitig bekannt. Das Steuergerät wählt angepasst eine kraftstoffsparende, komfortbetonte Schaltstufe mit niedriger Motordrehzahl. Es ist nachvollziehbar, dass die Qualität der Streckendaten wesentlichen Einfluss auf die durchs Steuergerät eingeleiteten Schaltverläufe hat. Sind die verwendeten Daten ungenau oder veraltet oder hat sich sogar der aktuelle Streckenverlauf geändert, ist die Gangwahl nicht mehr optimal.

Die Schaltbetätigung Die Gangstufe – beispielsweise N, P oder D – bestimmt der Fahrer mittels Wählhebel. Früher wurde seine Stellung oft über einen Bowdenzug auf das Getriebe übertragen. Heute ist dafür ausschließlich eine Shift-by-Wire-Bedieneinrichtung zuständig, bei der der Fahrerwunsch über eine elektrische Leitung dem Getriebesteuergerät mitgeteilt wird. Eine mechanische Verbindung zwischen Wählhebel und Getriebe – bis auf eine Notentriegelung – entfällt.

Weil eine genaue mechanische Justierung entfällt, kann die Bedieneinheit ergonomisch sinnvoll gestaltet und platziert werden. Die mechanische Entkopplung von Bedieneinheit und Getriebe verbessert zudem die Akustik.

Das Thermomanagement Die Auslegung dieser softwaregesteuerten Eigenschaften sind im Wesentlichen von den Wünschen des Fahrzeugherstellers abhängig. Audi etwa stattet das Getriebe mit einem Thermomanagement aus, das durch Verkürzen der Warmlaufphase Kraftstoff sparen soll.

Ein separates Softwaremodul im Motorsteuergerät sorgt mit optimaler Verteilung der anfallenden Wärme für eine rasche Aufheizung des Motors, des Fahrgastraums und des Automatikgetriebes. Priorität hat der Innenraum.

Hat der Motor seine Mindesttemperatur erreicht, öffnen Magnetventile den Durchlauf zum ATF-Wärmetauscher. Das Getriebeöl wird mithilfe der warmen Flüssigkeit aus dem Zylinderkopf aufgeheizt.

Bei weiter ansteigender Motortemperatur wird die Kühlmittelpumpe vom Motorsteuergerät angesteuert. Das für den Motor benötigte Kühlmittel durchströmt den Hauptwasserkühler. Besteht die Gefahr einer Überhitzung des AT-Fluids (max. 96 °C), wird Kühlmittel vom Hauptkühler zum ATF-Wärmetauscher geleitet, in der nächsten Phase eine weitere Umwälzpumpe zur Erhöhung der Kühlleistung zugeschaltet.

Fazit Moderne, im Wirkungsgrad optimierte Automatikgetriebe verbessern den Komfort, erhöhen die Fahrsicherheit und mindern die CO 2 -Emission. Der früher öfter beklagte Mehrverbrauch ist inzwischen deutlich reduziert worden. Bedingt durch die größere Spreizung und Gangzahl sowie das Reduzieren der Schleppmomente in den Schaltelementen kann der Motor in einem optimalen Drehzahlbereich bei hohem Getriebewirkungsgrad laufen.

Technik-Info 1

Die Hybridversionen der 8-HP-Familie Dem allgemeinen Trend zur Hybridisierung folgt auch ZF: Die Automatikgetriebe können in mehreren Hybridisierungsstufen vom Mikrohybrid über Mildhybrid bis zum Vollhybrid aufgerüstet werden. Hier die möglichen Hybridversionen im Detail:

Mikrohybridversionen

Schon in der Mikrohybridversion ist das Getriebe Start-Stopp-fähig. Da die Ölpumpe bei Motorstillstand nicht mehr angetrieben wird, öffnen die Schaltelemente und das Getriebe geht in Neutralstellung. Um nach beendeter Stopp-Phase unverzüglich anfahren zu können, baut ein hydraulischer Impulsspeicher (siehe TECHNIK-INFO 2) innerhalb von 350 ms in den Schaltelementen einen Druck auf.

Der Mildhybrid

Beim Mildhybrid sitzt zwischen Verbrennungsmotor und Wandler beziehungsweise Getriebe ein leistungsfähiger Elektromotor als Starter, Generator und Beschleunigungsunterstützer (Booster). Wenn der Elektromotor rekuperiert, speist er mit der elektrischen Energie die Fahrzeugbatterie. Die elektrische Leistung dieses Kurbelwellen-Starter-Generators für die vierte Generation des Achtgang-Automatikgetriebes liegt zwischen 10 und 25 kW.

Der Vollhybrid (ZF)

In der Vollhybridversion entfällt der Wandler, der Raum im Getriebegehäuse kann für den Elektromotor, das Zweimassenschwungrad und die Motortrennkupplung genutzt werden. Mit ihrer Hilfe kann im elektrischen Betrieb der Verbrennungsmotor vom Antriebssystem getrennt werden. Die mechanische Leistung des wasser- oder getriebeölgekühlten Elektromotors ist mit bis zu 90 kW und einem maximalen Drehmoment von 250 Nm wesentlich höher als beim Mildhybrid. Mit diesem Antrieb werden im elektrischen Modus Reichweiten von 50 Kilometern, je nach Batteriekapazität und Fahrverhalten auch von über 50 Kilometern, erreicht. Die Höchstgeschwindigkeit dieses 48-Volt-Antriebs gibt ZF mit 120 km/h an.

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Im verbrennungsmotorischen oder kombinierten Fahrbetrieb dient die Bremse B als "Anfahrkupplung". Der zum Anfahren notwendige Schlupf – geregelt durch den Öldruck auf Bremse B – wird mit zunehmender Geschwindigkeit reduziert, die anfallende Wärme durch den Getriebeölstrom abgeführt.

Im rein elektrischen Betrieb, bei geöffneter Trennkupplung zum stillstehenden Motor, ist eine "Anfahrkupplung" unnötig. Allerdings ist bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten die Ölversorgung des Getriebes unzureichend. Entweder wird das Anfahrelement mit höherem Schlupf betrieben (nachteilig, da Wärmeentwicklung), oder eine elektrische Zusatzpumpe in der Ölwanne sorgt für den notwendigen Anpressdruck in den Schaltelementen.

Das vollständig neu entwickelte Wandler-Hybrid-Getriebe hat eine elektrische Leistung von 100 kW bei einem Drehmomentmaximum von 400 Nm. Die integrierte elektrische Ölpumpe moduliert den Öldruck so, dass aus dem Stand elektrisch angefahren werden kann und bis kurz vor dem Fahrzeugstillstand rekuperiert werden kann.

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Technik-Info 2

Der hydraulische Impulsspeicher Start-Stopp-Anlagen sparen Kraftstoff und reduzieren den CO 2 -Ausstoß, wenn sich der Motor bei einem Ampelstopp oder bei einem sonstigen Halt selbsttätig abstellt und beim Betätigen der Kupplung wieder startet. Das bei Schaltgetrieben probate System funktioniert in Kombination mit einem Automatikgetriebe leider nicht, bei Motorstillstand öffnen die Schaltelemente und das Getriebe geht in Neutralstellung. Das von der Getriebeölpumpe während des Startvorgangs geförderte Ölvolumen reicht nicht aus, um innerhalb weniger Millisekunden den Systemdruck aufzubauen. Die Ölversorgung muss deshalb während des Startvorgangs unterstützt werden. Gefordert wird eine maximale Anfahrverzögerung von 350 ms. Diese geringe Zeitspanne ist nur mit einer gesonderten, elektrisch betriebenen Ölpumpe oder einem Öldruckspeicher zu realisieren. Ohne diesen Speicher würde der Startvorgang ungefähr 800 Millisekunden dauern – mit einem spürbaren Verlust an Fahrdynamik.

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Der hydraulische Impulsspeicher HIS besteht aus einem 19 Zentimeter langen Zylinder mit innen liegendem Kolben, einer Feder mit Verriegelungsmechanismus und einem Haltemagneten. Während des Motorlaufs füllt die ATF-Pumpe über eine Drosselbohrung im HIS den Zylinder innerhalb von fünf Sekunden mit Öl. Der Kolben im Impulsspeicher wird gegen die Feder gedrückt, überfährt dabei einen Kugelrastermechanismus und drückt den Anker des Haltemagneten in seine Endstellung. Der Haltemagnet ist bestromt. Da der Magnet nicht in der Lage ist, den Kolben gegen die Federkraft in seiner Endstellung zu halten, werden die Kugeln bei diesem Vorgang so ausgefahren, dass sie den Kolben in seiner Endstellung verriegeln. Der hydraulische Impulsspeicher ist geladen.

Wird der Motor abgestellt, sinkt der Öldruck im gesamten Getriebe, da die Ölpumpe nicht mehr fördert. Der Impulsspeicher ist zwar mit Öl gefüllt, allerdings ebenfalls drucklos.

Betätigt der Fahrer das Gaspedal, startet der Motor, der Haltemagnet wird stromlos. Die Verriegelungskugeln tauchen in die Aussparung der Verriegelungshülse und geben den Kolben frei. Dieser presst das Ölvolumen in der Entleerungsphase über das Drossel-Rückschlagventil – dieses gibt einen großen Querschnitt frei – und das Schaltschiebergehäuse in die Schaltelemente (Bremsen und Kupplungen). Der Kraftverlauf vom Motor über das Automatikgetriebe ans Ausgleichgetriebe ist wieder geschlossen.