1

Elektromotorische Automatisierung für Doppelkupplungsgetriebe

Electromotoric Actuation for Dual Clutch Transmissions

Dipl.-Ing. Uwe Wagner, Dr.-Ing. Reinhard Berger, Dipl.-Ing. Oswald Friedmann,

Dipl.-Ing. Norbert Esly

LuK GmbH & Co. oHG, 77813 Bühl

Summary

The feasibility of a dry clutch for use in a dual clutch transmission can be evaluated by a de-

tailed simulation process. Where necessary recommendations for the improvement can also

be derived. Because of the disadvantages of the w et clutch in terms of eff iciency and cost

this concept should normally only be used in applications w ith high cooling requirements.

The electromotoric actuation shows the greatest potential regarding eff iciency and ability to

form a hybrid system for both clutch types. For this reason a modular clutch actuator concept

applicable to dry and w et clutches was developed using brushless motors. Together w ith the

electromotor ic Active Interlock shift actuator this is a pow erful actuator concept for dual

clutch transmissions w ith a great potential for fuel eff iciency, independent of the clutch type.

By connecting a starter generator in parallel to the transmission this dual clutch transmission

with electromotoric actuators can very easily be extended to a hybrid system. With this ar-

rangement a 15% reduction in fuel consumption is possible. LuK has built up such a trans-

mission. It has been tested on the test bench, a vehicle is in calibration.

1 Einleitung

Mit dem Doppelkupplungsgetriebe hat das automatisierte Schaltgetriebe ein Niveau erreicht,

auf dem es sich durch seine Lastschaltfähigkeit nicht nur mit dem konventionellen Stufenau-

tomaten vergleichen kann, sondern sich vielmehr an dessen Maßstäben messen lassen

muss. Die Stärken des Planetengetr iebes mit Wandler auf dem heutigen Stand der Technik

sind sicherlich nach w ie vor Komfort und Robustheit. Vorteile verspricht das Doppelkupp-

lungsgetriebe in puncto Verbrauch und Performance. Das Potential hierfür resultiert aus dem

sehr guten Teillast-Wirkungsgrad des Stirnradgetriebes in Kombination mit dem Entfall der

Wandlerverluste. Möglichkeiten für eine w eitere deutliche Verbrauchsreduzierung ergeben

sich durch die Erw eiterung des Getr iebes um einen Startergenerator zum Hybridsystem. Auch hierfür bringt das Doppelkupplungsgetriebe sehr gute Voraussetzungen mit.

2

Für den nachhaltigen Erfolg des Doppelkupplungsgetriebes ist neben dem technischen Po-

tential die Kostensituation entscheidend. Auch diesbezüglich w ird sich jede neue Getr iebe-

technologie an dem Wandlerautomaten messen müssen.

Inw iew eit das Doppelkupplungsgetriebe seine Möglichkeiten im jew eiligen Anw endungsfall

ausschöpfen kann, hängt maßgeblich von dem gew ählten Kupplungstyp und der verw ende-

ten Aktorik ab. Im folgenden Beitrag w ird ein Automatisierungskonzept für Doppelkupplungs-

getriebe vorgestellt, das nach den Kriterien Wirkungsgrad und Kosten entw ickelt w urde. Es

wird auf die Definition, die technische Umsetzung und auf die Leistungsfähigkeit der gew ähl-

ten Aktorik eingegangen. Abschließend w ird ein Konzept zum einfachen Aufbau eines Hyb-

ridsystems vorgestellt.

2 Elektromotorische Aktorik für Doppelkupplungsgetriebe

2.1 Auswahl des Aktorkonzeptes

Die Ausw ahl der Aktorik zur Automatisierung eines Doppelkupplungsgetriebes hängt übli-

cherweise maßgeblich davon ab, ob eine trockene oder eine nasse Kupplung verw endet

wird. Daher w ird im Folgenden zunächst die Vorgehensweise bei der Festlegung des Kupp-

lungstyps beschrieben. Anschließend w erden die verschiedenen Aktorkonzepte für beide

Kupplungsvarianten auf Basis einer Bew ertungsmatrix einander gegenüber gestellt und be-

wertet.

Kupplungsauslegung

Die trockene Doppelkupplung w eist hinsichtlich Wirkungsgrad und Kosten gegenüber dem

nassen Konzept deutliche Vorteile auf. Die Entscheidung für oder gegen den Einsatz einer

trockenen Kupplung hängt in der Regel allein von der technischen Machbarkeit im jew eiligen

Anw endungsfall ab. Das ausschlaggebende Kriterium ist die Robustheit der Kupplung. Bei

der Auswahl des geeigneten Kupplungskonzeptes ist daher zuerst zu klären, ob die trockene

Kupplung die Anforderungen hinsichtlich thermischer Belastung und Lebensdauer erfüllt.

Zu diesem Zw eck w erden Belastungsrechnungen durchgeführt, deren Ergebnisse in einem

Belastungsindex zusammengefasst werden. Die hierfür erforderlichen Daten sind in Bild 1

dargestellt. Sie setzen sich aus den Parametern für Fahrzeug, Motor und Triebstrang, den an das Getriebe gestellten Forderungen für Funktion, Sicherheit und Robustheit und den Ziel-

vorgaben hinsichtlich Verbrauch und Performance zusammen.

Durch den Abgleich mit einem Kapazitätsindex, der sich im Wesentlichen aus den Kupp-

lungsdaten für die Kühl- und Wärmekapazität und dem Verschleißverhalten errechnet, ist

eine Aussage über die Anwendbarkeit einer trockenen Kupplung möglich. Als leistungs-

3

stärkste Referenz dient eine auf Machbarkeit bereits geprüfte 800Nm-Applikation. Liegen die

Werte für eine Auslegung unterhalb der gezeigten Grenzlinie, so ist die Anw endung einer

trockenen Kupplung möglich. In Grenzfällen können aus diesen Lastkollektivrechnungen

Maßnahmen zur Realisierbarkeit einer trockenen Kupplung w ie z.B. die Erhöhung der An-

fahrübersetzung oder entsprechende Änderungen in der Kupplungssteuerung abgeleitet

werden.

Für Anw endungen, bei denen das Verhältnis von Belastungs- und Kapazitätsindex oberhalb

der gezeigten Grenzlinie liegt, muss eine nasse Kupplung gew ählt werden. Dies sind Appli-

kationen, bei denen aufgrund der Kombination von Fahrzeuggew icht, Motorisierung, Über-

setzungen und Lastkollektiv sehr hohe Anforderungen an die Kupplungskühlung gestellt w er-

den. Diese Grenze kann durchaus auch durch eine Getriebefamilie verlaufen. Für einen sol-

chen Fall könnte eine modulare Lösung für die Kupplungsaktorik von Vorteil sein.

Eine Festlegung des Kupplungskonzeptes nur auf Basis des Motordrehmomentes ist nicht

zielführend, da dabei entscheidende Belastungs- und Kapazitätsfaktoren nicht berücksichtigt

werden.

Lastenheft Getriebe

Funktionsanforderungen

Sicherheitsanforderungen

Lastkollektive

Fahrzeugparameter

Fahrzeuggewicht, Fahrwiderstand

Motormoment, Ungleichförmigkeit

Übersetzungen (Getriebe, Achsen, Räder)

Zielwerte für Fahrzeug-Performance

Kupplungsparameter

Kupplungsgröße

Kühl- und Wärmekapazität

Schädigungsmodell (Verschleiß)

Design KupplungsglockeSimulation

Simulation

Kapazitätsindex

Bel

astu

ngsi

ndex Nasskupplung

⇒ Anwendungenmit hohemKühlbedarf

Trockenkupplung

⇒ verbrauchsoptimal

⇒ kostenoptimal

Referenz-applikation

Lastenheft Getriebe

Funktionsanforderungen

Sicherheitsanforderungen

Lastkollektive

Fahrzeugparameter

Fahrzeuggewicht, Fahrwiderstand

Motormoment, Ungleichförmigkeit

Übersetzungen (Getriebe, Achsen, Räder)

Zielwerte für Fahrzeug-Performance

Kupplungsparameter

Kupplungsgröße

Kühl- und Wärmekapazität

Schädigungsmodell (Verschleiß)

Design KupplungsglockeSimulation

Simulation

Kapazitätsindex

Bel

astu

ngsi

ndex Nasskupplung

⇒ Anwendungenmit hohemKühlbedarf

Trockenkupplung

⇒ verbrauchsoptimal

⇒ kostenoptimal

Referenz-applikation

Bild 1 Vorgehensweise bei der Auswahl des Kupplungskonzeptes Selection Process for a Clutch Concept

4

Bewertung der verschiedenen Aktorkonzepte

In Bild 2 sind die für beide Kupplungstypen in Frage kommenden Aktorkonzepte dargestellt.

Die verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten w urden in drei Grundkonzepte eingeteilt:

Elektromotorische Aktorik: Elektromotorisch angetriebene Aktorik mit hydrostatischer oder

mechanischer Übertragungsstrecke, im Falle einer Nasskupplung in Kombination mit ei-

ner sauggedrosselten Niederdruckpumpe zur Kühlung [1]

Pow erpack: Elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe mit Druckspeicher und hyd-

rodynamischer Steuerung

Hydraulische Aktorik: Direkt angetriebene Hydraulikpumpe mit hydrodynamischer Steue-

rung

Alle drei Aktorvarianten müssen die gestellten Anforderungen hinsichtlich Dynamik, Steuer-

barkeit und erforderlicher Aktorkraft erfüllen. Im Falle der elektromotorischen Aktorik w ird

dies durch den Einsatz hochdynamischer bürstenloser Motoren (EC-Motoren) erreicht. Be-

wertet man die Varianten vor dem Hintergrund des Verbrauchseinsparungspotentials, so

ergibt sich die in Bild 2 dargestellte Bew ertungsmatrix für nasse und trockene Kupplungen.

Bei der Bew ertung werden zum einen die Hilfsenergieanteile für Aktorik und Kühlung be-

rücksichtigt, zum anderen w ird bewertet, welcher technische Aufwand für eine weitere

Verbrauchsreduzierung durch Absenkung der Leerlaufdrehzahl und Erw eiterung zu einem

Hybridsystem aufgew endet werden muss. Als Referenz wurde die nasse Kupplung mit hyd-

raulischer Aktorik für jedes Kriterium auf 100% gesetzt.

Technischer Aufwand für: Hybrid Absenkung Leerlaufdrehzahl

Hilfsenergiebedarf für: KühlungAktorik

nasse

Doppelkupplung

trockene

Doppelkupplung

HydraulischeAktorikPowerpackElektromotorische

Aktorik

40%

100%

60%

100%

Technischer Aufwand für: Hybrid Absenkung Leerlaufdrehzahl

Hilfsenergiebedarf für: KühlungAktorik

nasse

Doppelkupplung

trockene

Doppelkupplung

HydraulischeAktorikPowerpackElektromotorische

AktorikHydraulische

AktorikPowerpackElektromotorischeAktorik

40%

100%

60%

100%

Bild 2 Bew ertung der verschiedenen Aktorkonzepte für Doppelkupplungsgetriebe Evaluation of the Different Actuator Concepts for Dual Clutch Transmissions

5

Bew ertung des Hilfsenergiebedarfs für Aktorik und Kühlung

Für die Automatisierung und Kühlung eines Doppelkupplungsgetriebes im Mittelklasse-

segment w ird von einem Leistungsbedarf von 450 bis 500 W für eine nasse Doppelkupp-

lung mit hydraulischer Aktorik ausgegangen. Bei einer Auslegung zur ausschließlichen

Ansteuerung der Aktorik, also ohne Kupplungskühlung, könnte dieser Wert auf ca. 60%

reduziert w erden.

Beim Pow erpack lässt sich der Leistungsbedarf für die Aktorik durch die Regelbarkeit der

Pumpe und die geringeren Leckagen bis auf ca. 50% reduzieren. Auch beim Kühlungsbe-

darf ergibt sich Potential. Da die Steuerhydraulik dieses Systems i.a. aufgrund der sehr

engen Spalte einen geschlossenen Ölkreislauf benötigt, kann von einer speziellen Kühlöl-

pumpe ausgegangen w erden, die dann w iederum bedarfsgerecht betrieben w erden kann.

Bei der Bew ertung in Bild 2 w urde dies allerdings nicht berücksichtigt.

Das elektromotorische System bietet aufgrund des besseren Wirkungsgrades in der Über-

tragungsstrecke nochmals Potential von ca. 25% bezüglich des Leistungsbedarfs der Ak-

torik. Für die Kühlung im Falle der Nasskupplung kann w ie in [1] gezeigt eine geregelte

Pumpe eingesetzt w erden, so dass eine bedarfsgerechte Kühlung möglich ist. Bei der

Bew ertung in Bild 2 w urde dies nicht berücksichtigt.

Bei alleiniger Betrachtung der Hilfsenergie für die Aktorik ergibt sich in einem Mischkollek-

tiv w ie z.B. dem NEFZ-Zyklus ein Verbrauchsvorteil von ca. 2% für das elektromotorische

Nasskupplungssystem gegenüber einem hydraulisch gesteuerten. Bei Verw endung einer

Trockenkupplung kann allein durch den Wegfall der Kühlung nochmals ein Verbrauchs-

vorteil von ca. 2% erzielt w erden.

Bew ertung des technischen Aufwands für die w eitere Verbrauchsreduzierung

Für die Absenkung der Leerlaufdrehzahl ist bei den elektromotorisch angetriebenen Sys-

temen kein zusätzlicher Aufwand erforderlich. Bei dem hydraulischen System muss ent-

weder die Pumpenauslegung auf die niedrigere Drehzahl erfolgen, w as dann wiederum

Wirkungsgradnachteile bei höheren Drehzahlen zur Folge hat, oder aber es w ird eine Re-

gelungsmöglichkeit für die Pumpe vorgesehen.

Auch hinsichtlich des Aufw andes für die Erw eiterung zu einem Hybridsystem bieten die elektromotor ischen Systeme einen deutlichen Vorteil. Durch die Anbringung eines zum

Getriebe parallel geschalteten Starter-Generators [2] kann das Getriebe sehr einfach zu

einem vollw ertigen Hybridsystem mit Start/Stop-, Rekuperations- und Motorabschaltungs-

funktion erw eitert w erden. Der Aufwand liegt deutlich niedriger als beim hydraulischen

System, bei dem zur Erfüllung dieser Anforderungen entweder eine zweite E-Maschine

6

oder aber eine zusätzliche elektrisch betätigte Kupplung vorgesehen w erden muss. Der

Aufw and für die elektromotorischen Systeme im Vergleich zur Hydraulik w urde daher mit

50% bew ertet.

Als Ergebnis dieser Bew ertung zeigt sich, dass die elektromotorische Aktorik für beide Kupp-

lungsvarianten hinsichtlich der genannten Kriterien das größte Potential aufw eist. Eine Be-

trachtung von gemischten Konzepten w ie z.B. einer hydraulisch gesteuerten Kupplung mit

einem elektromotorischen Schaltaktor ändert an diesem Ergebnis nichts, da der Hilfsener-

giebedarf in jedem Fall höher liegt als der des elektromotorischen Systems.

LuK hat daher ein modulares elektromotorisches Aktorkonzept entw ickelt, bei dem bauglei-

che Aktoren für nasse und trockene Kupplungen verw endet werden können.

Schnittstelle Kupplung - Kupplungsaktor

Um eine modular einsetzbare Kupplungsaktor ik realisieren zu können, müssen von der tro-

ckenen und der nassen Kupplung folgende Schnittstellenanforderungen erfüllt w erden:

Gleiche Betätigungsrichtung

Vergleichbare konstruktive Aktorschnittstelle

Vergleichbare Charakteristik hinsichtlich Kraftniveau und Kennlinie

Um diese Schnittstellengleichheit zu gew ährleisten, w urde für die Trockenkupplung das Prin-

zip der zugedrückten Kupplung gew ählt [3]. Zur Übertragung von Drehmoment muss diese

Kupplung aktiv zugedrückt w erden. Bei Wegnahme der Einrückkraft öffnet die Kupplung

selbständig. Wie in Abschnitt 2.2 gezeigt w ird, kann das System Kupplung mit Aktor je nach

gefordertem Sicherheitskonzept durch entsprechenden Aufbau des Kupplungsaktors selbst-

öffnend, selbsthemmend oder selbstschließend ausgelegt w erden. Die konstruktive Schnitt-

stelle zur Aktorik bildet das Einrücklager, hier f indet die rotatorische Entkoppelung von Kupp-

lung und Aktorik statt.

Nasskupplungen w eisen üblicherw eise mit der Kupplung rotierende Nehmerzylinder mit

Fliehölkompensation und Drehdurchführungen für die hydraulische Ansteuerung auf. Um

eine vergleichbare Schnittstelle w ie bei der trockenen Kupplung zu schaffen, w ird auch die

Nasskupplung mit Einrücklagern versehen (Bild 3). Die gew ünschte Charakteristik von Weg, Kraft und Moment w ird durch die eingesetzten Hebel realisiert. Durch diese Konstruktion

kann auf die aufw endigen und leckage- bzw . verlustbehafteten Drehdurchführungen verzich-

tet w erden [1].

7

Trockenkupplung Nasskupplung

Einrückkraft

EinrücklagerEinrückkraft

Einrücklager

Bild 3 Schnittstelle der trockenen und der nassen Kupplung für ein modulares Aktorkonzept Interface of Dry and Wet Clutch for a Modular Actuator Concept

Hiermit sind die für die Kompatibilität der elektromotor ischen Kupplungsaktorik geforderten

Bedingungen hinsichtlich Konstruktion, Charakteristik und Verhalten im stromlosen Zustand

erfüllt.

2.2 Elektromotorische Kupplungsaktorik

Im Folgenden w erden zwei Aktorkonzepte zur Betätigung sow ohl nasser als auch trockener

Doppelkupplungen vorgestellt.

Hydrostatischer Kupplungsaktor

In Bild 4 ist ein elektromotorischer Kupplungsaktor mit hydrostatischer Übertragungsstrecke

dargestellt. Der Antrieb erfolgt über einen elektronisch kommutierten Elektromotor (EC-

Motor). Kernstück der Mechanik ist der Spindeltrieb zur Betätigung des Kolbens. Je nach

Sicherheitsanforderungen kann diese entw eder selbsthemmend oder selbstöffnend ausge-

legt w erden. Im Falle einer selbsthemmenden Auslegung w ird eine Kompensationsfeder vor-

gesehen, die eine Vorlast bis zu 50 % der maximalen Aktorkraft erzeugt. Durch das Aufbrin-

gen von Zug- und Druckkraft können somit die Spitzenmomente der E-Motoren ebenfalls bis

zu 50 % reduziert w erden.

Die hydrostatische Übertragungsstrecke besteht aus dem Geberzylinder im Aktor, einer ent-

sprechenden Druckleitung und einem Einrücker, der seinerseits w iederum pro Einrücklager

und damit pro Kupplung je drei am Umfang angeordnete Nehmerzylinder besitzt. Durch die

Verwendung von drei kleineren Kolben pro Kupplung anstelle je eines Ringkolbens konnten

8

die Dichtlängen und somit die Hysterese des Einrückers auf ein Minimum reduziert w erden

[4].

Das Anw endungsspektrum dieses hydrostatischen Aktors reicht von 150 bis 800 Nm, ent-

sprechende Prototypfahrzeuge sind bereits in Betrieb. Durch Parallelschaltung von zw ei Ak-

toren sind auch Anw endungen im Lkw -Bereich über 1000 Nm denkbar.

Geberkolben

EC-Motor

KompensationsfederSpindel mit Mutter

Kupplung 1NehmerkolbenEinrücklager

NehmerkolbenEinrücklager

Kupplung 2

Geberkolben

EC-Motor

KompensationsfederSpindel mit Mutter

Kupplung 1NehmerkolbenEinrücklager

NehmerkolbenEinrücklager

Kupplung 2

Bild 4 Hydrostatischer Kupplungsaktor mit 6-Kolbeneinrücker Hydrostatic Clutch Actuator with 6-Piston Release System

Mechanischer Kupplungsaktor

Um den Bauraumbedarf w eiter zu optimieren, w urde ein Kupplungsaktor entw ickelt, dessen

Mechanik direkt in der Kupplungsglocke angebracht w ird. Das Funktionsprinzip ist in Bild 5

dargestellt. Der Aktor besteht aus einem Hebel und einem verschiebbaren Schlitten, der über

eine Spindel von einem EC-Motor angetrieben w ird. Die Kraftbeaufschlagung des Hebels

erfolgt auf der einen Seite über das Einrücklager durch die Einrückkraft der Kupplung, auf

der anderen Seite durch eine im Aktor verbaute Druckfeder. Der Hebel stützt sich auf dem

Schlitten über Rollen ab, so dass ein Hebelsystem mit verschiebbarem Drehpunkt entsteht,

der Hebelaktor.

9

E-Mot

Kupplung offen

E-MotE-Mot

Kupplung geschlossen

F Kupplung

F Feder

Hebel

Schlitten

Feder

Bild 5 Funktionsprinzip des mechanischen Kupplungsaktors (Hebelaktor) Working Principle of the Mechanical Clutch Actuator (Lever Actuator)

Entscheidend für die Charakteristik des Aktors hinsichtlich seines Ansteuerverhaltens ist die

Kontur des Hebels im Kontakt zur Rolle des Schlittens. Legt man diese Kontur so aus, dass

die Berührnormale stets senkrecht zur Bew egungsrichtung des Schlittens steht, so ergeben

sich keine Reaktionskräfte in Laufrichtung des Schlittens. Bei dieser Auslegung müsste von

außen lediglich die Kraft zur Überw indung der Reibung aufgebracht werden, die eigentliche

Aktorkraft und damit die Hilfsenergie zur Ansteuerung der Kupplung w ürde ausschließlich

aus dem Federspeicher geholt. Da dies aber in der Praxis aufgrund der realen Toleranzver-

hältnisse nicht möglich ist, gibt es für den Aktor zwei Auslegungsmöglichkeiten, entw eder

selbstöffnend oder selbstschließend. Bei einem selbstöffnenden System erfolgt die Gestal-

tung des Hebels so, dass der Schlitten bei unbestromtem Motor von der Kupplung in die

Ausgangslage zurückgedrückt w ird. Die Kupplung öffnet sich. Bei einer selbstschließenden

Auslegung zeigt die Reaktionskraft des Hebels auf den Schlitten in die andere Richtung, also

zum Einrücklager hin. Die Kupplung w ird von der Druckfeder zugedrückt. Auch eine selbst-hemmende Auslegung ist möglich, hierzu muss lediglich die Spindel mit einem Wirkungsgrad

unter 50%, also selbsthemmend, ausgelegt w erden. Die Auslegung hängt ausschließlich von

dem vorgegebenen Sicherheitskonzept des Getriebes ab.

Der Schlitten ist positionsgeregelt, die Positionsmessung erfolgt dabei inkremental über die

im EC-Motor vorhandenen Hallsensoren. Eine zusätzliche Wegsensorik ist nicht notw endig.

10

Die Umsetzung von Weg zu Kraft erfolgt über die oben beschriebene Hebelmechanik selbst-

geregelt. Gegen die als äußere Störung auftretenden Axialschw ingungen ist das System

durch seine hohe Eckfrequenz stabil.

Ebenso w ie der zuvor gezeigte hydrostatische Kupplungsaktor deckt der Hebelaktor einen

sehr breiten Einsatzbereich ab. Prototypen für Kupplungen bis 800 Nm sind in Erprobung.

Basisaktor

Aktor Kupplung 1 Aktor Kupplung 2

Hebel 1 Hebel 2

Feder

Schlitten

Ausrücklager 2Ausrücklager 1

Basisaktor

Aktor Kupplung 1 Aktor Kupplung 2

Hebel 1 Hebel 2

Feder

Schlitten

Ausrücklager 2Ausrücklager 1

Bild 6 Mechanischer Kupplungsaktor (Hebelaktor) Mechanical Clutch Actuator (Lever Actuator)

In Bild 6 ist die konstruktive Ausführung des Aktors dargestellt. Die beiden Aktoren für die

Kupplungen 1 und 2 bestehen aus dem gleichen Basisaktor, lediglich die Hebel zur Anlen-

kung der beiden unterschiedlichen Einrücklager sind entsprechend angepasst. Die Anord-

nung der beiden Aktoren in der Getriebeglocke erfolgt radial nach außen, so dass die Steck-

verbindungen der beiden EC-Motoren aus der Kupplungsglocke herausragen.

2.3 Elektromotorische Schaltaktorik

Die übergeordneten Zielsetzungen an die Schaltaktorik lassen sich im Wesentlichen auf zw ei

Punkte reduzieren:

Pro Teilgetriebe muss jeder Zielgang so geschaltet w erden können, dass die anderen

Gänge des betreffenden Teilgetriebes gesperrt bzw . ausgelegt w erden.

Beide Teilgetriebe müssen unabhängig voneinander geschaltet w erden können.

11

LuK hat hierfür den Active Interlock Schaltaktor entw ickelt [5]. Über je einen Wähl- und

Schaltmotor können voneinander entkoppelte Wähl- und Schaltbew egungen durchgeführt

werden. Durch die spezielle Active Interlock Kinematik w ird nur ein Aktor für beide Teilgetrie-

be benötigt.

Active Interlock Schaltwellenaktor

In Bild 7 ist ein Schaltaktor dargestellt, der schon in verschiedenen Front Quer Prototypfahr-

zeugen zum Einsatz kommt. Sow ohl Schalt- als auch Wählkinematik w erden von einem EC-

Motor angetrieben.

Für das Schalten erfolgt der Kraftf luß vom Schaltmotor auf einen Spindeltrieb, dessen Spin-

delmutter als Zahnstange ausgeführt in das Zahnrad der Schaltw elle eingreift und so die er-

forderliche Drehbew egung des Schaltf ingers ausführt.

Der Wählmotor greift über eine verzahnte Welle in zw ei Kronräder ein, die ihrerseits w ieder-

um als Spindelmuttern in eine gegenläufige Doppelspindel eingreifen. Durch die bei Rotation

des Motors gegensinnige Drehbew egung der beiden Kronräder entsteht dann für die Spindel

und mit ihr für die Schaltw elle und den Schaltf inger eine Axialverschiebung, die Wählbew e-

gung.

Die Montage an das Getriebe erfolgt als Einsteckmodul mit zentraler Schaltw elle analog zu

Schaltmodulen für Schaltgetriebe. Es eignet sich durch diese Bauform besonders für quer

eingebaute Getriebe.

Schaltmotor Wählmotor

Getriebeschaltschienen

Schaltwelle mitActive Interlock – Modul

Bild 7 Active Interlock Schaltw ellenaktor Active Interlock Shift Actuator

12

Getriebe-schaltschienen

erweitertes Schaltmaul

Schaltfinger

Sperr- und Auswerfereinheit

In Bild 8 ist das Active Interlock – Modul

vergrößert dargestellt. Kennzeichnend

sind die erw eiterten Schaltmäuler in den

Schaltschienen und das spezielle Schalt-

f ingermodul, das neben dem eigentlichen

Schaltf inger noch eine spezielle Sperr-

und Auswerferkinematik beinhaltet.

Bild 8 Active Interlock–Modul mit Getriebeschaltschienen Active Interlock-Module with Transmission Shift Rails

Durch dieses Element w ird gewährleistet, dass beim Einfahren des Schaltf ingers in eine

Schaltgasse die anderen Gänge in dem betreffenden Teilgetriebe ausgelegt bzw . gesperrt

werden. Der geschaltete Gang bleibt über die Hinterschneidung der Synchronisierung gehal-

ten und w ird von der Rastierung unterstützt. Somit ist es möglich, dass der Schaltf inger nach

dem Einlegen eines Ganges in dem erw eiterten Schaltmaul w ieder in die Neutralgasse zu-

rückfährt, um entw eder im aktiven Teilgetriebe in eine beliebige Vorw ahlposition zu gehen,

oder aber im inaktiven Teilgetriebe einen Gangw echsel vorzunehmen oder ebenfalls in eine

Vorwahlposition zu fahren.

Teilintegrierter Active Interlock Schaltaktor

In Bild 9 ist eine w eitere Ausführungsform eines Active Interlock Aktors dargestellt . Bei dieser Konstruktion w irkt die Sperr- und Auswerferkinematik auf im Aktor gelagerte Klinken, die ih-

rerseits w iederum in die Schaltschienen eingreifen. Die Active Inter lock Kinematik ist also im

Aktor integriert und liegt nicht in der Schnittstelle zw ischen dem Schaltf ingermodul des Ak-

tors und den Schaltschienen des Getriebes. Dies w irkt sich positiv auf die Toleranzanforde-

rungen bei der Montage des Aktors auf das Getriebe aus.

Aufgrund seiner Bauform eignet sich dieser Aktor sow ohl für längs als auch quer eingebaute Getriebe.

13

Schaltfinger Sperr- und Auswerferklinken

Wählmotor Schaltmotor

Bild 9 Teilintegrierter Active Interlock Schaltaktor Partially Integrated Active Interlock Shift Actuator 3 Leistungsfähigkeit der elektromotorischen Aktorik Kupplungsaktor

Wie bereits in Abschnitt 2.1 beschrieben, w erden für die dargestellte elektromotorische Akto-

rik eigens hierfür entw ickelte elektronisch kommutierte Motoren eingesetzt. Das Leistungspo-

tential dieser EC-Motoren ist in Bild 10 beispielhaft für 2 Motortypen dargestellt. Es zeigt den

für das jew eilige Kupplungsmoment erreichbaren Bereich der Verstelldynamik. Durch die

höhere Leistungsfähigkeit bei reduziertem Bauraumbedarf ergibt sich eine Vervielfachung der Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Bürstenmotoren [6].

EC-Motor 1

Bürstenmotor

EC-Motor 21000

0

800

600

400

200

70 90 110 130 150 170

Kupp

lung

smom

ent [

Nm

]

Verstelldynamik [ms]

EC-Motor 2

EC-Motor 1

Bürstenmotor

EC-Motor 1

Bürstenmotor

EC-Motor 21000

0

800

600

400

200

70 90 110 130 150 170

Kupp

lung

smom

ent [

Nm

]

Verstelldynamik [ms]

EC-Motor 2

EC-Motor 1

Bürstenmotor

Bild 10 Vergleich der Dynamik von Kupplungsaktoren mit verschiedenen Elektromotoren Comparison of the Dynamics of Clutch Actuators with Different Electric Motors

14

Mit dieser Aktordynamik ist es grundsätzlich möglich, der sow ohl für trockene als auch für

nasse Kupplungen krit ischen ersten Triebstrangeigenform, dem Rupfen, entgegen zu w irken.

In Bild 11 ist das vereinfachte Blockschaltbild dieser Antirupfregelung (ARR) dargestellt. Die

Regelung ist der Kupplungssteuerung als Add On–Strategie in Form einer Sollw egmodulati-

on aufgeschaltet. Um die Wirksamkeit zu testen, w urde ein Fahrzeug mit stark rupfenden

Ceram-Belägen ausgestattet. In Bild 12 sind Anfahrmessungen mit und ohne ARR darge-

stellt.

Kupplungs-

steuerung

Kupplungs-

aktorLageregler

Sollweg Spannung

Ist-Weg

nRadnMot...

Antirupfregler

nGetr.

nMot Sollwegmodulation

Kupplungs-

steuerung

Kupplungs-

aktorLageregler

Sollweg Spannung

Ist-Weg

nRadnMot...

Antirupfregler

nGetr.

nMot Sollwegmodulation

Bild 11 Blockschaltbild der Antirupfregelung (ARR) Schematic of the Anti Shudder Control Strategie (ARR)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

328 329 330 Zeit [s]338 339 340

Dre

hzah

l [1/

min

]

Anfahrt ohne ARR Anfahrt mit ARRAnfahrt ohne ARR Anfahrt mit ARR

Getriebeeingangsdrehzahl

Motordrehzahl

Bild 12 Messung einer Anfahrt mit und ohne Antirupfregelung (ARR) Measurement of a Vehicle Drive off with and without Anti Shudder Strategie (ARR)

15

Zusammenspiel von Kupplungs- und Schaltaktorik

In den Bildern 13 und 14 ist das Zusammenspiel der oben beschriebenen Aktorik anhand

von zwei Schaltabläufen dargestellt. Die Messungen w urden an einem Prototypfahrzeug der

Kompaktklasse mit einer trockenen Doppelkupplung vorgenommen. Die Abstimmung ist

komfortorientiert ausgelegt.

Für die Beschreibung der Schaltabläufe gelten die folgenden Bezeichnungen:

K 1: Kupplung des ungeraden Teilgetriebes, also Gänge 1, 3 und 5

K 2: Kupplung des geraden Teilgetr iebes, also Gänge 2, 4 und 6

-1000

100200300

0

0

2

4

246

0

100

200

Zeit [s]16.5 17.0 17.5 18.0

22 33 4411

BeschleunigungPedal

Welle 1Welle 2Zielgang

Kupplung 1Kupplung 2Motor

Kupplung 1Kupplung 2Motor

BeschleunigungPedal

Welle 1Welle 2Zielgang

Kupplung 1Kupplung 2Motor

Kupplung 1Kupplung 2Motor

Dre

hzah

l[1

/min

]M

omen

t[N

m]

Peda

l [%

]Be

schl

[mg]

Gan

g

Bild 13 2-3 Zughochschaltung (trockene Doppelkupplung, elektromotorische Aktorik) 2-3 Upshift in Drive (Dry Dual Clutch, Electromotoric Actuators)

2-3 Zughochschaltung

Der Schaltablauf gliedert sich in vier Phasen:

1. Vorbereitung der Überschneidung durch Aufbau von Schlupf an der öffnenden K 2:

Während der Überschneidung w ird K 2 so gesteuert, dass stets positiver Schlupf an-

liegt. Negativer Schlupf w ürde zu einer Vorzeichenumkehr des übertragenen Momen-

tes und damit zu Verspannung bzw . sprunghaftem Momentenverlauf führen. Hierfür

sind eine gut steuerbare Kupplung und ein Schlupfregler mit hoher Regelgüte not-

wendig. Die Phase kann je nach Schaltungsabstimmung zw ischen 0ms (sportliche

Abstimmung) und 300ms (Komfortabstimmung) dauern.

16

2. Überschneidung der Kupplungen:

Die Kupplungen w erden so angesteuert, dass die Summe der Kupplungsmomente

stets dem anliegenden Motormoment entspricht. Wie in Bild 10 dargestellt, sind

Überschneidungszeiten im Bereich von 100 ms möglich.

3. Synchronisieren der Motordrehzahl:

K 2 ist geöffnet, K 1 hat das Drehmoment vollständig übernommen. Jetzt w ird die Mo-

tordrehzahl über Momenteneingriff auf die Getriebeeingangsdrehzahl des dritten

Ganges synchronisiert. Das ist die Phase, die der Fahrer akustisch als Schaltung

wahrnimmt. Sie kann je nach Abstimmung zw ischen 300 und 500ms betragen. Bei

sportlicher Abstimmung kann die Drehzahlsynchronisierung auch über das Moment

an K1 geregelt w erden.

Wie in der Messung zu sehen, w ird unmittelbar nach Öffnen der K 2 im geraden Teil-

getriebe schon der vierte Gang vorgew ählt.

4. Übergang in Schlupfregelung oder Momentennachführung:

Für den Fahrer ist die Schaltung beendet, die Kupplungssteuerung w echselt je nach

Situation in den Zustand Schlupfregelung oder Momentensteuerung.

Dre

hzah

l[1

/min

]M

omen

t[N

m]

Peda

l [%

]B

esch

l[m

g]G

ang

-1000

100200300

0

42.0 42.5 43.0

0

2

4

246

0

100

200

2a2a

43.5Zeit [s]2b2b 33 4411

BeschleunigungPedal

Welle 1Welle 2Zielgang

Kupplung 1Kupplung 2Motor

Kupplung 1Kupplung 2Motor

BeschleunigungPedal

Welle 1Welle 2Zielgang

Kupplung 1Kupplung 2Motor

Kupplung 1Kupplung 2Motor

Bild 14 6-2 (5) Zugrückschaltung (trockene Doppelkupplung, elektromotorische Aktorik) 6-2 (5) Downshift in Drive (Dry Dual Clutch, Electromotoric Actuators)

17

6-2 (5) Zugrückschaltung

Diese Schaltung lässt sich ebenfalls in vier Phasen gliedern:

1. Schaltungseinleitung:

Der Fahrer leitet die Schaltung durch einen Tipp-In im sechsten Gang ein. Als Ziel-

gang w ird zur Zugkraftauffüllung zunächst der fünfte Gang vorgegeben. Die Über-

schneidung von K 2 auf K 1 ist sehr kurz, sie beträgt nur ca. 50 ms. Der endgült ige

Zielgang w ird schließlich auf den zw eiten Gang gesetzt.

2.a Gangvorw ahl und Motorsynchronisierung:

K 1 w ird so angesteuert, dass der Motor mit konstantem Gradienten auf die Zieldreh-

zahl des zw eiten Ganges hochlaufen kann. Im geraden Teilgetriebe w ird der zw eite

Gang eingelegt. Dies ist ca. 200 ms vor Erreichen der Motorzieldrehzahl abgeschlos-

sen.

2.b Motorsynchronisierung:

Bei Erreichen der Zieldrehzahl w ird der Motor über das Moment an K 1 in der Art ein-

geregelt, dass an K 2 der vorgegebene positive Schlupf anliegt. In dieser Phase er-

folgt ein stetiger Anstieg der Fahrzeugbeschleunigung. Für den Fahrer ist die Schal-

tung jetzt akustisch abgeschlossen.

3. Überschneidung:

Die Überschneidung der Kupplungen erfolgt analog zur oben beschriebenen Zug-

hochschaltung. Dabei w ächst die Beschleunigung kontinuier lich auf das Zielniveau

an.

4. Übergang in die Schlupfregelung oder die Momentensteuerung:

Diese Phase erfolgt ebenfalls analog zur oben beschriebenen Zughochschaltung.

Die elektromotorische Aktorik für Kupplung und Getriebe stellt somit nicht nur eine w irkungs-

gradoptimale sondern auch eine leistungsfähige Variante der Doppelkupplungsautomatisie-

rung dar.

4 Das elektrische Schaltgetriebe (ESG)

Mit dem gezeigten niedrigen Bedarf an Hilfsenergie bietet das Doppelkupplungsgetriebe mit elektromotor ischer Aktorik ideale Voraussetzungen für eine verbrauchsoptimale Triebstrang-

auslegung. Erw eitert man das System um einen Startergenerator, so ergeben sich

Möglichkeiten für eine w eitere Verbrauchsreduzierung von über 15%.

18

Um dieses Verbrauchseinsparungspotential maximal ausschöpfen zu können, sollte ein sol-

ches Antriebskonzept die folgenden zusätzlichen Betr iebsarten möglichst uneingeschränkt

anbieten können:

Start-Stop (ca. 5% Verbrauchseinsparung)

Rekuperation (ca. 10% Verbrauchseinsparung)

Elektr isches Rangieren bzw . Fahren

Boosterbetrieb

Hierfür kommen verschiedene technische Konzepte in Frage:

Elektr isch leistungsverzweigte Systeme mit zw ei elektrischen Maschinen

Startergenerator mit zw ei Kupplungen

Serielle Anordnung von zw ei Startergeneratoren mit einer Kupplung

Anordnung eines Startergenerators parallel zu einem Doppelkupplungsgetriebe

(Elektrisches Schaltgetriebe = ESG)

Durch die direkte Koppelung des Startergenerators mit einem Teilgetriebe und die Verw en-

dung der vorhandenen Kupplungen und Synchronisierungen zur Realisierung der oben ge-

nannten Betriebsarten benötigt das ESG keine zusätzliche Kupplung und keinen zw eiten

Startergenerator. Es stellt als System mit dem geringsten Zusatzaufwand eine sehr kosten-

und bauraumgünstige Lösung dar.

Eine w eitere w ichtige Funktion ergibt sich durch die serielle Ankoppelung des Klimakom-

pressors an den Startergenerator. Dadurch w ird die Möglichkeit einer Standklimatisierung

gegeben, die eine w esentliche Voraussetzung für die Akzeptanz des Start-Stop-Betriebs

durch den Endkunden darstellt.

Abtrieb

M otor

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/C

Getriebe

Startergenerator

Klim akompressor

Abtrieb

M otor

6 4 2

1 3 5 R

SGSG

K2

K1

A/CA/CA/C

Getriebe

Startergenerator

Klim akompressor

Bild 15 ESG: Getriebeschema und Getriebemodell ESG: Concept and Model of the Transmission

19

Für die einzelnen Betriebsarten ergeben sich die in Bild 16 gezeigten Leistungsflüsse.

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/C

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/C

Motorstart Generatorbetrieb (4. Gang)6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/C

Boosterbetrieb (4. Gang)

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/C

Elektrisches Fahren/Anfahren

Rekuperation mit Klimakompressor

A/C

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

Standklimatisierung

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/C

6 4 2

1 3 5 R

SGSG

K2

K1

A/C

6 4 2

1 3 5 R

SGSG

K2

K1

A/CA/CA/C

Motorstart Generatorbetrieb (4. Gang)6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

A/CA/CA/C

Boosterbetrieb (4. Gang)

6 4 2

1 3 5 R

SGSG

K2

K1

A/C

Elektrisches Fahren/Anfahren

Rekuperation mit Klimakompressor

A/C

6 4 2

1 3 5 R

SG

K2

K1

6 4 2

1 3 5 R

SGSG

K2

K1

Standklimatisierung

6 4 2

1 3 5 R

SGSG

K2

K1

A/C

Bild 16 ESG: Leistungsfluss der wichtigsten Betriebsarten ESG: Powerflow in the Most Important Operating Modes

20

Bei LuK w urde das in Bild 17 dargestellte

ESG aufgebaut. Es basiert auf einem Fünf-

Gang Doppelkupplungsgetriebe mit trocke-

nen Kupplungen und elektromotorischer Ak-

torik und w ird in einem Prototypenfahrzeug

mit einem 1,3 l Dieselmotor eingesetzt. Für

die Dimensionierung des Startergenerators

ergibt sich bei dieser Anwendung unter Be-

rücksichtigung der Kriterien Kosten, Gew icht

und Verbrauchseinsparungspotential ein

Optimum im Bereich von 10 kW.

Bild 17 LuK ESG-Prototyp Prototype of the LuK ESG

5 Zusammenfassung und Ausblick

Durch ein umfangreiches Berechnungsverfahren können die Machbarkeit einer trockenen

Kupplung für die Anw endung in Doppelkupplungsgetrieben geprüft und gegebenenfalls

Maßnahmen zur Realisierbarkeit aufgezeigt w erden. Aufgrund der Nachteile der nassen

Kupplung hinsichtlich Wirkungsgrad und Kosten empfiehlt sich ihre Anwendung in der Regel

nur für Applikationen mit hohem Kühlbedarf.

Für beide Kupplungstypen w eist die elektromotor ische Aktorik das größte Potential hinsicht-

lich Wirkungsgrad und Erw eiterbarkeit auf ein Hybridsystem auf. Daher w urde eine modulare

Kupplungsaktorik auf Basis bürstenloser EC-Motoren entw ickelt, die für nasse und trockene

Kupplungen verw endbar ist. In Kombination mit elektromotor ischen Active Interlock Schaltak-

toren ergibt sich dadurch ein leistungsfähiges Automatisierungskonzept mit maximalem

Verbrauchseinsparungspotential, das unabhängig vom gew ählten Kupplungstyp anw endbar

ist.

Durch die Erw eiterung um einen parallel zum Getriebe angeordneten Startergenerator kann

das elektromotorisch automatisierte Doppelkupplungsgetriebe sehr einfach zu einem Hybrid-

system erweitert werden. Dadurch ist eine weitere Verbrauchsreduzierung um 15% möglich.

Bei LuK w urde ein solches Getriebe aufgebaut und auf dem Prüfstand getestet. Ein Fahr-

zeug ist in Abstimmung.

21

Literatur

[1] Reik, W.; Friedmann, O.; Agner, I.; Werner, O.: Die Kupplung – Das Herz des Doppel-kupplungsgetriebes. VDI-Tagung „Getriebe in Fahrzeugen 2004“, Friedr ichshafen, 22./23.06.2004

[2] Berger, R.: Automatikgetr iebe mit Doppelkupplungen. 2. IIR Tagung „Innovative Fahrzeugantriebe“, Mainz, 1. - 4.12.2003

[3] Meinhard, R.; Berger, R.: Doppelkupplungen für die Automatikgetriebe von morgen. In: V DI-Berichte 1786 „Kupplungen in Antrieben und Antriebssystemen“, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2003

[4] Zink, M.; Shead, R.: Neue Anforderungen an die Kupplungsbetätigung. In: V DI-Berichte 1786 „Kupplungen in Antrieben und Antriebssystemen“, VDI-Verlag, Düsseldorf. 2003

[5] Berger, R.; Fischer, R.: Parallel-Schalt-Getriebe (PSG) – Doppelkupplungsgetriebe mit Trockenkupplungen In: V DI-Berichte 1704 „ Innovative Fahrzeugantriebe“, S.447 – 468, VDI-Verlag, Düs-seldorf, 2002

[6] Fischer, R.; Berger, R.; Bührle, P.; Ehr lich, M.: Vorteile des elektromotorischen LuK ASG am Beispiel der Easytronic im Opel Corsa. In: V DI-Berichte 1610, S. 37 – 64, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2001

Abdruck mit freundlicher Genehmiung der VDI-Verlags GmbH, Düsseldorf, aus VDI-Berichte 1827, Getriebe in Fahrzeugen,

Tagung in Friedrichshafen am 22./23. Juni 2004.

Vortrag: S. 89-110