Die Stellantis-Gruppe hat ein 6-Gang-Doppelkupplungsgetriebe mit einer permanenterregten 48-Volt-Elektromaschine in einer P2-Architektur vorgestellt. Die E-Maschine ist direkt im Getriebe integriert, welches mit einem Planetengetriebe ausgerüstet ist.
TECHNIK
Audi «MHEV plus»
Audis neues 48-Volt-MildhybridSystem unterstützt den Verbrenner mit einem Zusammenspiel von herkömmlichem Riemenstartergenerator und komplett an- und abkoppelbarem Triebstranggenerator am Getriebeausgang.
Insassenüberwachungssysteme
Sowohl Hyundai Mobis als auch FEV haben jeweils ein neues System zur Fahrer- beziehungsweise Insassenüberwachung vorgestellt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Software-Auswertung der Bilder von (Infrarot-)Kameras.
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ERFOLGREICHER BRAKE-BY-WIRE-LANGSTRECKENTEST
Sechs Tage lang, über 3300 Kilometer und durch unterschiedliche Klimazonen bis zum Polarkreis: Ein Entwicklungsteam von Bosch hat auf einer nicht alltäglichen Erprobungsfahrt erstmals und erfolgreich das neue hydraulische Brake-by-Wire-System, bei dem die mechanische Verbindung zwischen Bremspedal und Bremssystem komplett entfällt, auf öffentlichen Strassen getestet. Das Unternehmen hat für das Versuchsfahrzeug eigens eine Strassenzulassung in mehreren Ländern beantragt und erhalten, basierend auf einem umfangreichen Sicherheitskonzept. Boschs robuste und effiziente Lösung arbeitet mit zwei unabhängigen hydraulischen Bremsaktuatoren – einem By-Wire-Bremsaktuator und einem ESP. Da beide jeweils unter-
Ohne mechanische Verbindung zum Pedal: Mit dem By-Wire-Bremsaktuator und dem ESP kommen zwei unabhängige hydraulische Bremsaktuatoren zum Einsatz.
Bild: Bosch
schiedlichen Kanälen des redundanten Bordnetzes zugeordnet sind, können sie im Fehlerfall unabhängig voneinander den erforderlichen Bremsdruck an allen vier Radbremsen aufbauen, dies im Gegensatz zu heutigen Bremssystemen (wie beispielsweise Boschs Integrated Power Brake), welche die erforderliche Redundanz im Fehlerfall noch über eine mechanische Verbindung zum Bremspedal sicherstellen. Neben dem hydraulischen System, dessen Markteinführung ab diesem Herbst geplant ist, entwickelt Bosch auch ein rein elektromechanisches. Die Firma hat Aufträge von verschiedenen Fahrzeugherstellern erhalten und rechnet damit, dass bereits 2030 mehr als 5.5 Mio. Fahrzeuge weltweit mit Brake-by-Wire ausgestattet sein werden. (pd/sag)
NEUARTIGER KAMERA-LIDAR-FUSIONSSENSOR
Die Kyocera Corporation hat einen neuartigen KameraLidar-Fusionssensor vorgestellt: den gemäss eigenen Angaben weltweit ersten Lidar, der die optischen Achsen der Kamera und des Lidars in einem Sensor vereint. Dieses Design ermöglicht die parallaxefreie Echtzeiterfassung überlagerter Daten, was bisher nicht möglich war. Der Sensor hat eine Bestrahlungsdichte von 0.045° und nutzt die firmeneigene LaserScan-Technologie von MFPs (Multifunktionsgeräte, Scanner-Drucker) und Druckern, wodurch ein 30 cm grosses Objekt in einer Entfernung von 100 m erkannt werden kann.
Bei Lidar ist ein MEMS-Spiegel oder -Motor erforderlich, um das Laserlicht über einen breiten Bereich kontrolliert zu emittieren. MEMS-
Kyoceras Kamera-Lidar-Fusionssensor ermöglicht die parallaxefreie Echtzeiterfassung überlagerter Daten.
Spiegel haben jedoch in der Regel eine geringere Auflösung, und Motoren neigen dazu, schnell zu verschleissen. Der neue integrierte Sensor von Kyocera bietet sowohl
eine höhere Auflösung als motorbasierte Systeme als auch eine höhere Haltbarkeit als herkömmliche MEMS-Spiegel. Denn es kommt hier ein eigens entwickelter MEMS-
Spiegel zum Einsatz, der mit Kyoceras fortschrittlichen Fertigungs- und Keramikgehäusetechnologien sowie hochauflösender Laserscantechnologie konstruiert wurde. (pd/sag)
Bild: Kyocera
PERSONALISIERBARES COCKPIT MIT E-INK-DISPLAY
Continental hat sein Konzept «Emotional Cockpit» vorgestellt, dessen zentrales Element ein 1.3 m langes und 4 cm hohes E-Ink-Prismadisplay ist, das sich über die gesamte Breite des Armaturenbretts erstreckt und dabei unzählige Möglichkeiten der Personalisierung mit individuell wählbaren Muster- und später auch Farbvarianten ermöglicht. E-Ink-Displays – wegen ihrer Ähnlichkeit mit der E-Reader-Technologie auch E-Papier genannt – reflektieren Licht wie echtes Papier. Das bedeutet, dass sie nicht wie herkömmliche Displays durch Lichtquellen hinter dem Bildschirm beleuchtet werden müssen. Sie können deshalb Bilder, Grafiken oder Textelemente dauerhaft und ohne Stromzufuhr anzeigen. Wenn das Fahrzeug zum Beispiel parkiert
TOYOTA CHEMICAL ENGINEERING
wird, bleibt der gewählte Inhalt sichtbar – als wäre er auf dem Bildschirm aufgedruckt. Während die erste Generation dieser neuen Technologie noch ausschliesslich
Bewährte E-Reader-Technologie: E-Ink-Displays verwenden elektronisch geladene Mikrokapseln zur Darstellung von Inhalten. anten möglich sein. Weitere Vorteile von E-Papier-Displays sind ihr geringes Gewicht und ihre Langlebigkeit – beides ist ideal für die Anwendung in Fahrzeugen. (pd/sag)
mit Schwarz- und Grauabstufungen arbeitet – was in einer ansonsten farbenfrohen Welt für eine auffallend minimalistische Ästhetik sorgt –, werden in Zukunft auch Farbvari-
NEUE RECYCLINGMETHODE FÜR ALTBATTERIEN
Bei konventionellen Recyclingmethoden werden Altbatterien zunächst in einer Verbrennungsanlage verarbeitet, bevor anschliessend die seltenen Metalle gesammelt und weiterverarbeitet werden. Durch den Verbrennungsprozess geht allerdings ein Teil der verwertbaren Materialien verloren, und zusätzlich entstehen grosse Mengen an CO2 Toyota Chemical Engineering hat nun eine neue Recyclingtechnologie für Hochvoltbatterien entwickelt, die ohne Verbrennung auskommt. Das Unternehmen hatte bereits im Jahr 2010 die erste Recyclingtechnologie für Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren präsentiert. Seitdem werden im Werk im japanischen Handa Altbatterien aus Hybridfahrzeugen recycelt, wobei dazu bisher eben die
Toyota Chemical Engineerings neue Recyclingmethode für Altbatterien ermöglicht die Wiederverwendung von Rohstoffen ohne Verbrennungsprozess.
herkömmliche Verbrennungsmethode angewandt wurde. Seit Herbst 2023 forscht das Unternehmen an der neuen Technologie:
Die Elektrolytflüssigkeit in Akkumulatoren ist leicht entflammbar. Um das Brandrisiko im Verarbeitungsprozess zu eliminieren, wird sie daher destilliert und extrahiert. Anschliessend werden die Batteriezellen zerkleinert, sortiert und in den Produktionsprozess zurückgeführt. Bei den zurückgewonnenen Teilen handelt es sich um grosse aluminium- oder eisenhaltige Stücke oder um sogenannte schwarze Masse –ein Pulver, das verschiedene seltene Metalle enthält. Die zurückgewonnenen Rohstoffe werden anschliessend bei Partnerunternehmen für die erneute Batterieproduktion weiterverarbeitet. (pd/sag)
Bild 1. Auf den ersten Blick sieht man dem Getriebe seine besonderen technischen Lösungen nicht an. Sicher sieht es nach einem walzengesteuerten Doppelkupplungsgetriebe aus.
Hybridgetriebe
DOPPELKUPPLUNGSGETRIEBE MIT PLANETENSATZ
Die Stellantis-Gruppe hat ein Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe mit einer permanenterregten 48-Volt-Elektromaschine in einer P2-Architektur vorgestellt. Die E-Maschine ist direkt im Getriebe integriert. Dieses ist mit einem Planetengetriebe ausgerüstet, welches die drei Hauptgänge splitten kann. Text: Andreas Lerch | Bilder: Peugeot, Lerch
Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe sind in der Regel nicht mehr sehr speziell und werden am Markt seit mehr als 20 Jahren angeboten. Die Stellantis-Gruppe stellte aber 2023 ein neues Konzerngetriebe vor, welches eine Hybridarchitektur aufweist und durch einen zusätzlichen einfachen Planetensatz auf sich aufmerksam macht. Nicht nur der Planetensatz ist speziell, auch dass das Doppelkupplungsgetriebe insgesamt drei Kupplungen aufweist, mag etwas eigenartig anmuten. Dies ist darin begründet, dass die Hybridarchitektur als P2 ausgeführt ist.
P2 bedeutet, dass sich der elektrische Antrieb zwischen dem Motor und dem Getriebe befindet und bei beiden Baugruppen ab- oder angekoppelt werden kann. Ist der E-Antrieb nur mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt, kann dieser dadurch gestartet werden. Theoretisch könnte in dieser Konstellation auch die Batterie geladen werden; dies ist aber nicht vorgesehen. Ist der E-Antrieb nur mit dem Getriebe gekoppelt, so kann entweder elektrisch gefahren werden, oder es kann rekuperiert werden, ohne das Schleppmoment des Verbrennungsmotors bei der Energie-
Da beim P2-Hybrid die E-Maschine zwischen zwei Kupplungen eingebaut ist und das Doppelkupplungsgetriebe normalerweise am Getriebeeingang zwei parallel geschaltete Kupplungen aufweist, braucht das neue Getriebe halt eben drei Kupplungen: die Anfahrkupplung nach dem Motor und die beiden Kupplungen, welche abwechslungsweise für einen Gang agieren.
Getriebeaufbau
Bild 1 zeigt das Getriebe. Deutlich erkennbar ist der Achsantrieb mit dem Parksperrenrad. Dabei kann man sich das integrierte Differential vorstellen. Darüber befindet sich die Primärwelle, welche auf der rechten Eingangsseite über zwei Lamellenkupplungen verfügt. Dahinter befindet sich die Schaltwalze mit den Führungskulissen, welche die Schaltmuffen der Gangschaltung steuern. Wer genau schaut, erkennt noch weiter hinten die E-Maschine. Leicht zurückversetzt findet sich unter der Primärwelle noch einmal eine Welle. Man erkennt etwa zwei Zahnräder und dazwischen eine Schaltmuffe. Das Bild zeigt deutlich, wie viel Entwicklungsenergie die PeugeotIngenieure in das Platzmanagement gesteckt haben, damit das gesamte Hybridgetriebe nicht grösser als ein Sechsgang-Schaltgetriebe ohne EMaschine geworden ist.
rückgewinnung zu verlieren. Peugeot gibt an, dass der 48-Volt-Antrieb bis zu 30 km/h elektrisch fahren kann. Die Reichweite wird aber nicht überragend sein, da die Batteriekapazität brutto bei knapp einer Kilowattstunde und netto bei 432 Wh liegt. Die Lithium-Ionen-Batterie befindet sich unter dem Fahrersitz. Sind beide Kupplungen beim P2-Hybrid geschlossen, kann elektrisch mit 9 kW geboostet werden (E-Motor-Nenndaten: 21 kW bzw. 55 Nm). Im Leistungssplit kann auch die Batterie geladen und dadurch eine Betriebspunktverschiebung beim Verbrennungsmotor erreicht werden.
Getriebeschema
In der schematischen Darstellung werden viele Details sichtbar, welche zu dieser Platzoptimierung geführt haben. In den folgenden Bildern sind die Farben und die Bezeichnungen gleich gehalten. So ist der E-Antrieb überall in Pink eingefärbt. Sein Drehmoment wird über eine doppelte Übersetzung ins Langsame übersetzt und in P2-Manier zwischen die beiden Eingangskupplungen dem Antriebsstrang zugeführt. Die grünen Zahnräder (b und m) sind beide mit dem Zahnrad (p) verbunden. Ebenso ist der blaue Achsantrieb aufgebaut. Mit dem grossen Achsantriebsrad
Bild 2. Schematischer Getriebeaufbau: A Elektromaschine – B Primärwelle –C schaltbares Planetengetriebe – D Verteilerwelle – E Sekundärwelle 1 – F Sekundärwelle 2 – G Achsantrieb – H Differential – 1 Anfahrkupplung C0 – 2 Sonnenradkupplung C1 – 3 Kupplung C2 – 4 einfach schaltbare Schiebemuffe – 5, 7 doppelt schaltbare Schiebemuffe – 6 spezielle Schalteinrichtung (doppelt schaltbar) –a bis r Gang-, Schalt-, Übertragungsräder.
(r), welches an das Differential (H) und das Parksperrenrad angeflanscht ist, kämmen die beiden Antriebszahnräder (l) und (o). Die Zähne der beiden hellblauen Zahnräder (g) und (q) auf der rechten Getriebeseite kämmen ebenfalls miteinander und weisen auf einen grossen Gang hin, da das Zahnrad auf der Primärwelle (g) grösser ist als das Zahnrad auf der Sekundärwelle 2 (q).
Kompliziert ist das Zusammenspiel der orangen Zahnräder (c, d, e, f und n). Die beiden Zahnräder (c) und (d) bilden zusammen die Verteilerwelle (D) und übersetzen Drehzahl bzw. Drehmoment zwischen den beiden Zahnrädern (e) und (f) bzw. (f) und (e) (je nachdem, woher der Kraftfluss kommt). Die Kraft wird dann zum Zahnrad (n) weitergeleitet oder wird über eine Schalteinrichtung (4) oder (5) mit einer der beiden primären Hohlwellen verbunden und dann weitergeleitet.
Die Primärwelle (B) ist mit einer Vollwelle aufgebaut, welche die Anfahrkupplung (1) direkt mit dem
Hohlrad des Planetengetriebes (h) verbindet. Auf die Getriebeseite der Anfahrkupplung (1) wird ebenfalls das elektrische Drehmoment eingeleitet oder abgenommen. Und die eine Kupplung (3) des Doppelkupplungsgetriebes erhält ihr Drehmoment auch von diesem Punkt.
Von dieser Kupplung wird die linke Hohlwelle der Primärwelle mit dem fest montierten Zahnrad (b) angetrieben. Die Schiebemuffe (4) hat nur eine Schaltposition und eine Neutralstellung. In der geschalteten Position verbindet sie die linke Hohlwelle bzw. die Kupplung 3 mit dem orangen Rädersatz (e). Dieser läuft auf der rechten Hohlwelle und kann über die Synchroneinrichtung (5) die orangen Zahnräder (e) und (f) anbinden. Mit den Schaltmuffen (4) und (5) und den Zahnrädern (e) und (f) können in Verbindung mit der Verteilerwelle (D) verschiedenste Kraftverlaufsszenarien geschaltet werden. Das Zahnrad (g) ist ausserdem fest mit der rechten Hohlwelle verbunden.
Am rechten Ende der Primärwelle befindet sich der Planetensatz. Die zweite Kupplung des Doppelkupplungsgetriebes bzw. die dritte Kupplung des Getriebes ist mit dem Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt und hat die Aufgabe, dieses entweder lose laufen zu lassen oder zu blockieren.
Sekundärwellen
Die beiden Sekundärwellen sind um den Achsantrieb herum angeordnet, so dass die Abtriebszahnräder (l und o) der beiden Wellen in den Achsantrieb eingreifen können und auf der anderen Seite die Primärwelle mit den Sekundärwellen kämmen kann. Beide Sekundärwellen verfügen über eine zweiseitig wirkende Schalteinrichtung. Bei der Sekundärwelle 2 (F) funktioniert sie normal, indem sie bei entsprechender axialer Betätigung das eine oder das andere Zahnrad mit der Welle und dem Abtriebsrad (o) verbindet. Die Sekundärwelle 1 ist etwas komplizierter: Wird die Schaltmuffe (6) nach rechts geschoben, wird das rechte Zahnrad (n) mit der Welle verbunden. Wird die Schaltmuffe jedoch nach links geschoben, werden die beiden Zahnräder (n) und (m) miteinander verbunden, ohne dass das Drehmoment auf
die Sekundärwelle 1 (E) und damit auf das Abtriebsrad (l) geleitet wird.
Planetengetriebe
Ein Planetengetriebe (Bild 3) besteht aus einem Sonnenrad (k), in der Regel drei Planetenrädern (i), der Verbindung der Planetenräder, dem Planetenträger oder Steg (s) und dem innenverzahnten Hohlrad (h). Stufenautomaten bestehen aus verschieden zusammengeschalteten Planetensätzen.
Bei einem Planetensatz wird entweder das Sonnenrad, der Planetenträger oder das Hohlrad angetrieben. Ein Bauteil wird festgehalten und über das dritte wird das Drehmoment weitergeleitet. Entscheidend für die Übersetzung ist neben der Zähnezahl von Hohlrad und Sonnenrad die gewählte Schaltung. Der Planetenträger ist dabei das entscheidende Bauteil: Wird der Planetenträger festgehalten, ergibt es in jedem Fall eine Drehrichtungsänderung. Wird dabei das Hohlrad angetrieben, ist die Übersetzung ins Schnelle, wird das Sonnenrad angetrieben, ergibt sich eine Übersetzung ins Langsame. Wird der Planetenträger angetrieben, bleibt es ein Vorwärtsgang und zwar einer ins Schnelle. Werden Drehmoment
Bild 3. Einfache Planetengetriebe weisen in der Regel drei Planetenräder auf. k Sonnenrad – i Planetenrad – s Planetenträger – h Hohlrad.
Bild 4. Die Schaltmatrix beinhaltet links die drei Kupplungen (1, 2, 3) –4 die einseitig wirkende Schalteinrichtung – 5 bis 7 die beidseitig wirkenden Schalteinrichtungen.
und Drehzahl über den Planetenträger weitergeleitet, so entsteht ebenfalls ein Vorwärtsgang, aber einer ins Langsame.
Split und Range
Das 16-Gang-Getriebe eines Lastwagens besteht aus einem Grundgetriebe mit 4 Gängen. Dabei kann im konventionellen Getriebeaufbau in der Eingangsstufe zwischen zwei Festverzahnungspaaren (Split) unterschieden werden. Die beiden Zahnradpaare haben ein bisschen eine andere Übersetzung, und so kann ein 1. Gang «langsam» und ein 1. Gang «schnell» geschaltet werden. Das gelingt bis zum 4. Gang des Getriebes und mit diesen Halbgängen entstehen jetzt bereits 8 Gänge. Befindet sich das Getriebe im 8. Gang «schnell» und soll noch weiter beschleunigt werden, so kommt das am Getriebeausgang eingebaute Planetengetriebe zum Einsatz. Während es bis dahin in einer verlangsamenden Übersetzung geschaltet war, werden jetzt zwei Teile zusammengeschaltet und der Abtrieb erfolgt im Übersetzungsverhältnis 1:1. Daher kann der Fahrer nun wieder im 1. Gang «langsam» weiterfahren. Weil jetzt die schnelle Gruppe oder der Range eingeschaltet ist, entspricht die Übersetzung nun dem 9. Gang «langsam».
Planetengetriebe im E-DCT
In dieser Art funktioniert auch das Peugeot-Getriebe. Es handelt sich eigentlich um ein 3-Gang-Getriebe. Da aber jeder zweite Gang über den Planetensatz ein bisschen verlangsamt wird, verdoppeln sich die Gänge und es ergeben sich 6
Vorwärtsgänge und ein Rückwärtsgang. Dabei wirkt der Planetensatz nicht wie im Lastwagengetriebe als Range-, sondern als Splitstufe. Er wird in jedem Gang zu oder weggeschaltet. So ergeben sich im Prinzip immer langsame und schnelle Gänge. Dies ergibt sich, indem das Sonnenrad festgehalten oder losgelassen wird. Wird es festgehalten, so leitet der Planetenträger das Drehmoment weiter und es entsteht eine Übersetzung ins Langsame. Wird die Kupplung gelöst, dreht der Planetensatz frei mit. Die Kraft wird dann auf einem anderen Weg durch das Getriebe geleitet. Es gibt noch eine spezielle Schaltung für einen 7. Gang. Dieser wird aber bei den Hybridfahrzeugen nicht eingesetzt.
Schaltbetätigung
Die Schaltbetätigung erfolgt bei diesem Getriebe durch eine Walze, in welche Nuten gefräst sind. In den Nuten laufen Bolzen, welche mit den Schaltmuffen verbunden sind. Wird die Walze gedreht, müssen die Bolzen den Nuten folgen und ziehen die Schaltmuffen mit, wodurch die Gänge gewechselt werden. Diese Schaltbetätigung ermöglicht es, zwei Schaltmuffen miteinander zu betätigen. Dies ist bei konventionellen Schaltgetrieben nicht möglich. Die Schaltwalze verunmöglicht aber das Gang-Überspringen. Da sich die Walze sehr schnell bewegen kann, bemerkt der Fahrer kaum, wenn das Getriebe zwei oder gar drei Gänge zurückschaltet.
Schematische Darstellung
In der schematischen Darstellung (Bild 6) sind die Zahnräder rein funk-
tional dargestellt. Dabei spielt es keine Rolle, wenn nebeneinander dargestellte Zahnräder eigentlich auf unterschiedlichen Wellen positioniert sind. In den Bildern 5 und 6 kann das gut verglichen und studiert werden, weil die gleichen Zahnräder in den gleichen Farben dargestellt sind. Als weitere Vereinfachung werden in der schematischen Darstellung die Synchronisierungen als einfache Kupplungen dargestellt. Die Synchronisierungen sind in beiden Darstellungen wiederum gleich nummeriert, und mit den blauen Pfeilen wird dargestellt, in welche Richtung sich die eigentliche Schiebemuffe bewegen würde. In der schematischen Darstellung wird dann einfach die entsprechende Kupplung geschlossen. Aus diesem Grund sind die Kraftverläufe in der schematischen Darstellung einfacher zu verstehen.
Kraftverläufe
Im ersten Gang ist die Kupplung (2) betätigt und der Planetensatz leitet das Drehmoment weiter. Es fliesst über den Planetenträger auf die rechte Hohlwelle der Primärwelle, auf die Synchronisierung (5) und die Zahnräder f-d-c-e (d und c bilden die Verteilerwelle D) und die Synchronisierung (4) zum Zahnrad (b). Von diesem wird das Drehmoment auf die Sekundärwelle 2 und über das Achsantriebsrad (o) zum Achsantrieb geleitet. Neben der Übersetzung im Planetengetriebe wird das Drehmoment in vier weiteren Zahnradübersetzungen angepasst.
Im zweiten Gang wird die Kupplung (2) gelöst und die Kupplung (3) geschlossen. So strömt das Drehmoment direkt vom Getriebeeingang zum Zahnrad (b) und dann auf dem gleichen Weg wie im Gang 1 durch das Getriebe. In der schematischen Darstellung geht es einfach senkrecht zum Achsantrieb. Damit ergeben sich im zweiten Gang nur noch zwei Übersetzungen.
Im dritten Gang ist wieder die Kupplung (2) aktiv und das Drehmoment macht den Weg über das Planetengetriebe. Von der rechten Primärhohlwelle geht es direkt über die Schaltmuffe (5) auf die Zahnräder (e) und (n). Von (n) über die Synchronisierung (6) auf die Sekundärwelle 1 (E) und zum Achsantrieb. Auch im vierten Gang wechseln vor allem die
Bild 5
Kupplungen, und das Drehmoment strömt direkt von der Kupplung (3) über die linke Primärhohlwelle zur Synchroneinrichtung (4). Diese überträgt das Drehmoment auf das Zahnrad (e), und dann geht es weiter wie beim dritten Gang.
Beim fünften Gang wird das Drehmoment unmittelbar nach dem Planetensatz vom grossen blauen Zahnrad (g) auf die Sekundärwelle 2 und den Achsantrieb geleitet. Beim sechsten Gang wird es dann etwas heikler, da sich das Drehmoment von der Kupplung (3) durch die ganze Primärwelle kämpfen muss. Das geht so, dass die Synchroneinrichtung (4) das Drehmoment zum Zahnrad (e) leitet. Dieses gibt das Drehmoment aber gleich an die Synchroneinrichtung (5) und die rechte Hohlwelle weiter. Diese ist fest mit dem Zahnrad (g) verbunden, und auf diesem Weg ist der Kraftschluss für den sechsten Gang erfolgt. Alle bisherigen Gänge haben eine gerade Anzahl von Zahnradpaaren aufgewiesen, welche das Drehmoment verändert haben. Der Rückwärtsgang muss nun eine ungerade Anzahl oder ein Zwischenrad aufweisen, um die Drehrichtung zu ändern. Im schematischen Bild sind die drei im Kraftfluss integrierten orangen Zahnräder gut sichtbar. In der konventionellen Getriebedarstellung geht es um die Zahnräder c-e-n. Hier kann das Zahnrad (e) als Zwischenrad angesehen werden, und damit ist die Drehrichtungsänderung erfolgt. Vom Zahnrad (n) muss das Drehmoment nun aber direkt auf das Zahnrad (p) gelangen, ohne die Sekundärwelle 1 mitzubeschleunigen. Das macht die Synchroneinrichtung (6) interessant und etwas ungewöhnlich.
Schaltwalze
Die Schaltung durch eine Schaltwalze ist immer noch ein bisschen ungewohnt. Da keine Gänge über-
FRAGEN
1. Über wie viele Zahnradübersetzungen (Planetengetriebe zählt als eine Übersetzung) werden die Drehzahlen und Drehmomente in den einzelnen Gängen übersetzt?
2. Zeichnen Sie den Kraftverlauf von Gang 7 in das Bild rechts.
3. Um welche Hybridtopographie handelt es sich bei diesem Getriebe?
Bild 7. Die Schaltwalze ist abgerollt und zweidimensional dargestellt. Die erste und zweite Spalte stellen die geschalteten oder programmierten Gänge dar (N = neutral). Die dritte Spalte zählt einfach die unterschiedlichen Stellungen der Walze durch.
sprungen werden können, braucht es immer wieder Neutralstellungen, damit der Kraftfluss in jedem Moment sehr schnell ausgeschaltet werden kann. Aus diesem Grund sind die Gänge 3, 4 und 5 jeweils dreimal nacheinander geschaltet (Bild 7). So kann z. B. in der letzten Stufe des zweiten Ganges (Pos. 7) durch Kupplungswechsel der dritte Gang geschaltet werden, dann kann die Walze weitergedreht werden bis zur Position 9. Durch Kupplungswechsel wird dann der vierte
Gang geschaltet. Geht der Fahrer während der Beschleunigung unverhofft wieder vom Gas, wird die Walze wieder zurückgedreht, damit wieder in den zweiten Gang geschaltet werden könnte. Ergibt sich eine Vollbremsung, so kann in Position 8 durch Kupplungswechsel eine Neutralstellung geschaltet werden.
Der siebte Gang ist in dieser Darstellung auch aufgezeigt. Dieser ist bei Hybridfahrzeugen jedoch nicht vorgesehen.
LÖSUNG ZUR AUSGABE 1+2/2025
1. Ein Vektor ist eine gerichtete Grösse. Ein Kraftvektor besteht nicht nur aus seinem Betrag in Newton, sondern auch aus seiner Wirkungsrichtung. Die Kraft kann von oben nach unten oder von links nach rechts oder umgekehrt wirken – und das alles mit dem gleichen Betrag.
2. Immer wenn die Kraft rechtwinklig auf den Hebel wirkt, ergibt sich ein Drehmoment. Oder der rechtwinklige Anteil der Kraft auf den Hebel bestimmt das Drehmoment.
3. Es gibt keinen Unterschied ausser dem Formelzeichen W für Arbeit und E für Energie.
Milder Helfer: Der kompakte, rund 21 kg wiegende Triebstranggenerator ermöglicht ein maximales Drehmoment von 230 Nm am Getriebeausgang.
Audi «MHEV plus»
WILDER MILDER HYBRID
Audis neues 48-Volt-Mildhybrid-System «MHEV plus» unterstützt den Verbrennungsmotor mit einem Zusammenspiel von herkömmlichem Riemenstartergenerator und komplett an- und abkoppelbarem Triebstranggenerator am Getriebeausgang, der zusätzlich elektrische Fahranteile ermöglicht. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Audi
Mit den neuen A5- bzw. Q5-Modellen führt Audi ein Mildhybrid-System ein, dessen Architektur sich künftig auch in weitere Fahrzeugmodelle mit Front- und QuattroTriebsträngen auf Basis der neuen Premium Platform Combustion integrieren lässt. Bei der «MHEV plus» genannten Technologie kommt einerseits ein herkömmlicher Riemenstartergenerator (RSG) zum Einsatz, dem die Aufgabe zukommt, den Motor zu starten und zusätzlich elektrische Energie für die Batterie zu liefern. Der Riemenantrieb hat bekanntlich gegenüber einem Ritzelstarter akustische Vorteile und erreicht eine höhere Startdrehzahl des Verbrenners. Zudem kann der RSG die Energie des Motors beim Abschalten zurückgewinnen und stellt
für den Wiederstart die Zylinder in die optimale Position.
Triebstranggenerator
Zusätzlich verbauen die Ingolstädter eine weitere 48-Volt-E-Maschine an die Ausgangswelle des Getriebes. Der kompakt bauende und rund 21 kg wiegende Triebstranggenerator (TSG) integriert dazu neben der permanenterregten Synchronmaschine auch gleich die entsprechende Leistungselektronik in einem Gehäuse. Das Modul kann bis zu 18 kW elektrische Leistung zum Antrieb beitragen und ermöglicht ein maximales Drehmoment von 230 Nm am Getriebeausgang, das schon beim Fahrzeugstart als Antriebsmoment zur Verfügung steht.
Das kompakte Getriebe des TSG arbeitet mit einer Übersetzung von
die Positionierung direkt hinter dem Getriebe mehrere Vorteile. So liegt die vom TSG gelieferte Antriebsleistung bzw. die Rekuperationsleistung von bis zu 25 kW ohne weitere Verluste direkt am Achsabtrieb an, und der TSG kann aufgrund dieser Anordnung unverändert und modular sowohl bei Front- als auch Allradantrieben zum Einsatz kommen.
Thermomanagement
Der Betriebstemperaturbereich des Triebstranggenerators erstreckt sich von –40 bis zu 75 °C. Ein Wassermantel umgibt die E-Maschine und kühlt ausserdem im gemeinsamen Kühlmittelkreislauf die Leistungselektronik, die platzsparend direkt an der E-Maschine montiert ist. Innerhalb der Leistungselektronik sind die hochperformanten Leistungsmodule um den Kühlkörper herum angeordnet. Die Zwischenkreis-Kondensatoren sind platzsparend und thermisch optimal vom Kühlkörper umgeben.
Auch der Akkumulator muss in seiner «Wohlfühltemperatur» betrieben werden, er ist aufgrund der Vorgaben an Verfügbarkeit, Leistung und Drehmoment in einen NiedrigtemperaturWasserkühlkreislauf eingebunden, der für optimale Bedingungen im Bereich zwischen 25 und 60 °C sorgt. Die Lithium-Ionen-Batterie auf Basis von Lithium-Eisenphosphat (LFP) hat eine Speicherkapazität von 37 Ah, was knapp 1.7 kWh (brutto) entspricht. Ihre maximale Entladeleistung liegt bei 24 kW.
3.6:1 und ermöglicht damit auf der Abtriebswelle eine maximale Drehzahl von 5550/min, was je nach Fahrzeug-/Antriebsvariante einer Geschwindigkeit von 130 bis 140 km/h entspricht. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten wird der TSG über eine integrierte Klauenkupplung vom Antriebsstrang abgekoppelt.
Die Entwicklungsingenieure standen vor der Herausforderung, das zusätzliche elektrische Antriebsmodul ohne gröbere Änderungen am herkömmlichen bzw. bestehenden Antriebsstrang zu integrieren. Das ist gut gelungen; der benötigte Bauraum, um den TSG innerhalb der gegebenen Fahrzeugtunnelgrenzen einzusetzen, konnte bei minimalem Änderungsaufwand an den umliegenden Bauteilen und Komponenten geschaffen werden. Dabei bietet
Betriebsstrategie
So weit also die Eckdaten von «MHEV plus». Nun ist von der Betriebsstrategie abhängig, wann (Betriebszustand des Fahrzeugs) und wie (Antreiben/Rekuperieren) der TSG optimal eingesetzt werden sollte. Bei einem Hybridsystem gilt die Faustregel, dass eine mit 50 bis 60 % geladene Batterie am effizientesten arbeiten kann, weil sie sowohl hohe Ströme an den Elektromotor ausgeben als auch beim Rekuperieren hohe Ladeströme speichern kann. Audi betont, dass der Fokus beim Hybridsystem nicht auf elektrischer Reichweite, sondern auf Batterieentleerung und -füllung in schnellen Zyklen liegt. Denn so lässt sich möglichst viel Energie zurückgewinnen und zeitnah wieder effizient für den Antrieb einsetzen.
Audis Triebstranggenerator integriert eine E-Maschine, die Leistungselektronik sowie ein Getriebe mit einer Übersetzung von 3.6:1 in einem Gehäuse.
Für das optimale Zusammenspiel zwischen Verbrenner, TSG und RSG beim «MHEV plus» wertet eine Steuersoftware den Betriebszustand des Fahrzeugs aus. Dafür sind Kennlinien für den optimalen Einsatz der beiden E-Maschinen sowie Wunschmomente für Antrieb oder Rekuperation hinterlegt, wobei auch der Batterieladezustand berücksichtigt wird. Ziel ist ein stabiler Fahrzustand – und dabei kommt das Regelsystem situativ zu unterschiedlichen Ergebnissen, denn die Betriebsstrategie der elektrischen Zusatzantriebe ist für den jeweiligen Verbrennungsmotor optimiert. Als Ergebnis soll immer ein möglichst niedriger Verbrauch – ohne Abstriche bei der Fahrdynamik – stehen.
Fahrmodusabhängig
Die Betriebsstrategie berücksichtigt sowohl den gewählten Getriebemodus als auch die Modulation des Fahrpedals. So setzt die volle elektrische Zusatzleistung von 18 kW durch den TSG im Fahrmodus D erst ab ca. 80 % Fahrpedal oder Kick-down ein. In der Fahrstufe S dagegen steht die Zusatzleistung bereits ab niedrigeren Fahrpedalwerten zur Verfügung. In D kann der TSG bereits ab 85 km/h abgekoppelt werden, um bei Konstantfahrt mit dem Verbrenner etwa auf der Autobahn elektrische Verluste der mitdrehenden E-Maschine des TSG zu vermeiden. In S bleibt der TSG hingegen bis zu seiner maximal zulässigen Drehzahl von 5550/min angekoppelt, um jederzeit ein spontanes Ansprechen zu ermöglichen. Bezüglich D und S wird insbesondere der anzustrebende Ziel-SoC (State of Charge) der 48-V-Batterie unterschieden. In D entspricht ein mittlerer SoC von 50 bis 55 % der optimalen Balance, um einerseits
genug Energie für die elektrische Unterstützung des Verbrenners bis hin zu elektrischen Fahranteilen zur Verfügung zu haben. Dieser SoC reicht andererseits aus, um genug Aufnahmekapazität für die relativ hohen rekuperativen Energiemengen bereitzustellen, die sich durch die Bremsleistungen der weichen und längeren Bremsphasen beispielsweise auf Ampeln oder auf Ortseingänge ergeben.
In S wiederum gewährleistet ein höherer Ziel-SoC von ca. 70 % eine höhere verfügbare Energiemenge für elektrische Unterstützung des Verbrenners bei sportlicher Fahrweise. Die Bremsphasen dagegen werden bei sportlicher Fahrweise erwartungsgemäss stärker und kürzer ausfallen.
Rein elektrisch
Ein Fahrzeug mit «MHEV plus» kann auch rein elektrisch unterwegs sein, wenn es beispielsweise auf einen Ortseingang zurollt und mithilfe des
Leistungselektronik des TSG: Die hochperformanten Leistungsmodule sind um den Kühlkörper herum angeordnet.
TSG die Geschwindigkeit hält. Überschreitet die geforderte Wunschleistung des Fahrers oder der Adaptive Cruise Control einen bestimmten Wert, so startet der Verbrenner und übernimmt den Antrieb. Dabei ist die Zustartschwelle abhängig vom aktuellen SoC der 48-V-Batterie sowie der Geschwindigkeit des Fahrzeugs:
Wenn der aktuelle SoC unterhalb des Ziel-SoC liegt, schaltet sich der Verbrennungsmotor früher zu. Dies einerseits, um nicht weitere Energie für das elektrische Fahren zu verbrauchen und den SoC somit noch weiter abzusenken. Andererseits kann der Verbrennungsmotor mittels erhöhter Leistung im Zusammenspiel mit RSG und TSG den State of Charge bei Bedarf wieder anheben – also die Batterie aufladen. Ausgenommen davon ist jedoch das elektrische Rangieren, Kriechen und Parken, das bis zu einem deutlich niedrigeren Ladezustand aufrechterhalten wird.
Liegt der aktuelle SoC dagegen oberhalb des Ziel-SoC, schaltet sich der Verbrenner später zu. Auf diese Weise entlädt sich die Batterie in Richtung des Ziel-SoC, um bei künftigen Bremsungen genug Rekuperationsenergie aufnehmen zu können.
Fazit
Gemäss Audi sorgen die Effizienzsteigerungen im Antriebsstrang in Kombination mit dem jeweiligen Tankvolumen für eine spürbar verbesserte Reichweite, was massgeblich zur Langstreckentauglichkeit und zum Reisekomfort der mit «MHEV plus»-Technologie ausgerüsteten Modelle beitrage. Bezüglich Dieselbzw. Benzinverbrauchseinsparungen nennen die Ingolstädter (jeweils gemäss WLTP) für den 2.0 TDI des A5 (150 kW, Front-/Quattro-Antrieb) bis zu 0.38 l/100 km beziehungsweise 10 g/km CO2 und in einem 3.0 TFSI mit V6-Motor (270 kW, Quattro) bis zu 0.74 l/100 km bzw. 17 g/km CO2
Kraftfluss bei der Antriebskombination aus Verbrennungsmotor und Triebstranggenerator in einem Fahrzeug mit Quattro-Antrieb.
Cogni-Safe nimmt beim Fahrer kontinuierlich eine Blickverfolgung, eine Analyse des Augenzustands und eine Einschätzung der Kopfhaltung vor.
Fahrer- und Insassenüberwachungssysteme
STETS IM BLICK
Sowohl Hyundai Mobis als auch FEV haben jeweils ein neues System zur Fahrer- beziehungsweise Insassenüberwachung vorgestellt. Eine Hauptrolle spielt dabei die Software-Auswertung der Bilder von (Infrarot-)Kameras.
Text: Stefan Gfeller | Bilder: Hyundai Mobis, FEV
Die unabhängige Prüforganisation Euro NCAP testet seit letztem Jahr auch die Anforderungen an die Fahrerüberwachung. Diese Systeme werden immer «aufmerksamer», und Fahrzeughersteller bzw. Zulieferer stellen neuen Lösungen vor. So hat nun Hyundai Mobis ein In-Cabin Monitoring System (ICM) präsentiert, das in der Lage ist, Körperhaltung bzw. -position, Handlungen und Biosignale zu erkennen, um die Sicherheit der Passagiere im Auto sowohl auf den Vorder- als auch auf den Rücksitzen zu bewerten. Das System besteht einerseits aus Kameras, welche die Passagiere überwachen, und andererseits auf einer Softwarelogik, welche die Daten analysiert: Zunächst erfassen die im Fahrzeug installierten Kameras die Körperhaltung und Position der Fahrgäste sowie deren Biosignale in Echtzeit. Die Softwarelogik analysiert dann die Daten der Kamera, um potenzielle Risiken zu ermitteln und die Fahrgäste mit akustischen und visuellen Hinweisen zu warnen.
Unterschiedliche Szenarien
So kann das ICM beispielsweise den Fahrer warnen, wenn er die Augen schliesst und einzuschlafen droht, und ihm vorschlagen, dass er besser eine Pause einlegen sollte. Insgesamt wurden mehr als zehn Szenarien entwickelt, in denen das System dazu beitragen kann, Unfälle zu verhindern. Dazu zählen die Nutzung des Mobiltelefons oder das Rauchen während der Fahrt, das
Loslassen des Lenkrads, das Nichtanlegen des Sicherheitsgurts und das unbeaufsichtigte Zurücklassen von Kleinkindern auf dem Rücksitz. Bei der Entwicklung des ICM lag der Schwerpunkt auf der Softwarelogik. In diesem Jahr nun ist geplant, die Gesundheitsfunktion zur Analyse der Biosignale des Fahrers zu verbessern und die Entwicklung einer neuen Technologie der nächsten Generation für kommerzielle Flottendienste zu beschleunigen. Ebenfalls noch in diesem Jahr will das Unternehmen damit beginnen, Bestellungen für das System von Kunden aus aller Welt entgegenzunehmen.
Augenzustand, Kopfhaltung überwacht FEV konzentriert sich mit seinem DMS Cogni-Safe ganz auf den Fahrer. Das System nutzt fortschrittliche
Technologien wie Deep Learning und Computer Vision, um Fahrerzustände wie Ablenkung, Müdigkeit und Unaufmerksamkeit in Echtzeit und selbst unter schwierigsten Bedingungen zu überwachen. Dabei wird auf ein Netzwerk von Kameras einerseits für sichtbares Licht, aber auch für Infrarotspektrum zurückgegriffen, um das Fahrerverhalten aus unterschiedlichen Winkeln zu analysieren. Auf dieser Basis nimmt das System beim Fahrer kontinuierlich eine Blickverfolgung, eine Analyse des Augenzustands (Prozentsatz des Augenschlusses, «PERCLOS») und eine Einschätzung der Kopfhaltung vor, wodurch schliesslich weitere Schlüsse bezüglich Aufmerksamkeit und Schläfrigkeit gezogen werden können.
Zusätzlich analysiert Cogni-Safe das Fahrerverhalten bezüglich Aktivitäten, welche die Sicherheit beeinträchtigen können – wie etwa das Schreiben von Textnachrichten auf dem Mobiltelefon, Trinken während der Fahrt oder auch das Verstellen von Bedienelementen im Fahrzeug. In diesem Fall kann das System den Fahrer visuell und akustisch informieren und bei Bedarf aktive Sicherheitsmassnahmen wie eine Notbremsung einleiten oder eine Spurassistenz aktivieren.
Eine zentrale Rolle bei den Funktionen des DMS spielt auch künstliche Intelligenz: Durch den Einsatz von Convolutional Neural Networks (CNN) werden präzise Echtzeitanalysen durchgeführt, die sich dynamisch an verschiedene Fahrer und Umgebungsbedingungen wie etwa unterschiedliche Lichtverhältnisse anpassen und sich kontinuierlich verbessern.
Hyundais ICM kann Körperhaltung und Biosignale erkennen, um die Sicherheit der Passagiere sowohl auf den Vorderals auch auf den Rücksitzen zu bewerten.
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Wasserstoff-Verbrennungsmotoren
Soll elektrischer Strom in chemische Treibstoffe verwandelt oder direkt als Energieträger verwenden werden? Aus Sicht der Wirkungsgradverfechter muss er als Energieträger in die Fahrzeuge eingesetzt werden. Geht es aber um Reichweite, um Nutzfahrzeuge oder die Off-Road-Branche, dann ist die Sache nicht mehr so klar. Deshalb kümmern sich heute vor allem Nutzfahrzeugmotorenhersteller um Wasserstoff-Verbrennungsmotoren. Schon vor 15 Jahren stellte Mazda am Genfer Autosalon einen wasserstoffbetriebenen Wankelmotor vor. Die Serienreife hat er zwar bis heute noch nicht erreicht; aber was nicht ist, kann noch werden.
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