Porsche 911R, Fahrbericht, 991, Schaltgetriebe, 03/2016 Hans-Dieter Seufert

Schaltgetriebe im Pkw

So funktionieren die Gang-Wechsler

Getriebe sind Drehzahl- und Drehmomentwandler. Wegen des relativ kleinen nutzbaren Drehzahlbands eines Verbrennungsmotors kommt ohne ein Getriebe kein konventionell angetriebenes Auto in Fahrt.

Verbrennungsmotoren haben einen bauartbedingten Nachteil: Sie können nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich brauchbares Drehmoment und angemessene Leistung abgeben. Deshalb benötigen sie im Gegensatz zum Elektromotor oder zur Dampfmaschine ein Getriebe. Dabei ist die Bauart des Getriebes zunächst zweitrangig, wichtig ist die primäre Aufgabe, das Drehmoment und die Drehzahl so zu verändern, dass ein Fahrzeug damit möglichst optimal fahren kann. Man unterscheidet grundsätzlich folgende Getriebe:

► manuelles Schaltgetriebe

► automatisiertes Schaltgetriebe (ASG)

► Doppelkupplungsgetriebe

► Automatikgetriebe mit hydrodynamischem Wandler

► stufenloses Getriebe (Multitronic, CVT)


Dabei sollen die Räderwerke nicht nur die von der Kurbelwelle kommenden Drehmomente je nach Bedarf wandeln, sie sollen neben den grundsätzlichen Maßnahmen wie der Reduzierung des Gewichts und der Optimierung des motorischen Wirkungsgrads auch beim Spritsparen helfen und somit indirekt den CO2-Ausstoß senken.

Handschaltgetriebe besitzen heute in der Regel fünf oder sechs Gänge. ZF hat für den Porsche 911 sogar eine Siebengangbox entwickelt. Automatikgetriebe verfügen inzwischen über acht oder sogar neun Gänge. Beim DSG sorgen sechs oder sieben Gänge für Vortrieb. VW die Entwicklung eines DSG mit zehn Gängen wieder verworfen; das Räderwerk wäre zu komplex geworden. Theoretisch wäre ein Getriebe mit unendlich vielen Gängen optimal, um das vom Motor kommende Moment stets perfekt zu wandeln. Allerdings wäre es technischer Unsinn, ein Handschaltgetriebe mit noch mehr Gängen zu bauen, weil es nicht mehr bedienbar wäre. Auch eine Automatik mit mehr als zehn Gangstufen würde zu komplex und teuer. Lediglich das CVT (Continuously Variable Transmission) verfügt über unendlich viele Fahrstufen.

In den kleinen Gängen muss genügend Zugkraft zum Anfahren, zum zügigen Beschleunigen oder Bewältigen starker Steigungen, auch im Hängerbetrieb gewährleistet sein. Andererseits sollen schnelle Autobahnfahrten bei moderaten Motordrehzahlen verbrauchsgünstig und geräuscharm in der höchsten Gangstufe absolviert werden. Womit wir bei der Spreizung des Räderwerks wären, also dem Übersetzungsverhältnis zwischen dem kleinsten und dem größten Gang.


Bei der Auslegung orientiert sich der Getriebekonstrukteur am höchsten Motordrehmoment, nicht an der höchsten Motorleistung. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Motoren gleicher Leistung aufgrund ihres unterschiedlichen Drehmoments auch mit unterschiedlichen Getrieben bestückt sind.

Gleichachsige und ungleichachsige Getriebe

In der Getriebetechnik werden gleichachsige und ungleichachsige Getriebe unterschieden. Beim gleichachsigen Getriebe liegen Antriebs- und Abtriebswelle in einer Ebene. Ein typisches Beispiel für diese Kombination ist der Standardantrieb mit vorne liegendem Motor und angetriebener Hinterachse.

Selbstverständlich sind Antriebs- und Abtriebswelle getrennt. Unterhalb dieser beiden Wellen ist die Vorgelegewelle eingebaut, über die das Eingangsdrehmoment der Antriebswelle zur Abtriebswelle geleitet wird. Der Fachmann spricht deshalb von einem Dreiwellengetriebe. Da für den Rückwärtsgang ein zusätzliches Zahnrad als Umkehrrad benötigt wird, ist dieses auch auf einer Achse gelagert. Achsen übertragen im Gegensatz zu Wellen keine Drehmomente. Liegen Antriebs- und Abtriebswelle in verschiedenen Ebenen, spricht der Fachmann von einem ungleichachsigen Getriebe. Diese Bauart findet man vorwiegend in frontgetriebenen Fahrzeugen mit quer liegendem Motor oder heckgetriebenen Fahrzeugen mit im Heck liegendem Motor (Porsche). Aus Platzgründen liegt die Abtriebswelle unterhalb der Antriebswelle. Das Bild oben zeigt ein ungleichachsiges Dreiwellengetriebe für den frontgetriebenen Opel.


Im Golf VII sind allein drei unterschiedliche Handschaltgetriebe für die Benziner eingebaut: der 1,2-Liter-TSI mit 63 kW wird nur mit einem Fünfganggetriebe ausgeliefert. Beim 1,2-Liter-TSI mit 81 kW erhält der Käufer serienmäßig ein Sechsganggetriebe. Der 1,4-Liter-TSI mit 92 kW und 110 kW wird ebenso nur mit Sechsganggetriebe geliefert, wobei für den stärkeren Motor die Schaltbox auf das mit 250 Nm etwas höhere Eingangsdrehmoment angepasst ist. Beim VW Up gibt es nur einen Motor und demzufolge auch nur ein Getriebe. Das Fünfgang-Leichtbaugetriebe OCF ist auf ein maximales Eingangsdrehmoment von 120 Nm ausgelegt und soll folgende Anforderungen erfüllen:

► hoher Wirkungsgrad

► einfacher Aufbau

► einfache Montage und Demontage

► geringer Wartungsaufwand

► preiswert in der Herstellung


Das Ergebnis: ein Zweiwellen-Leichtbaugetriebe mit zusätzlicher Achse für den Rückwärtsgang und einem Gewicht von 26,7 kg einschließlich Ölfüllung.

Aufbau von Getrieben

An das einteilige Getriebegehäuse aus einer Leichtmetalllegierung ist das Kupplungsgehäuse angeschraubt.

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B2 1 Ausgleichsgetriebe 2 Stangenschaltung 3 Schaltdom mit Schaltwelle 4 Schalter Rückfahrleuchte 5 Geber Getriebeneutralstellung (Start-Stopp) 6 Antriebswelle 7 Abtriebswelle

Die Antriebswelle ist im Kupplungs- und Getriebegehäuse mit jeweils einem Kegelrollenlager gelagert und aus Gewichtsgründen teilweise hohlgebohrt. Die Zahnräder für den ersten, den zweiten und den Rückwärtsgang sind Festräder und aus dem Wellenmaterial gefertigt. Die Gangräder drei, vier und fünf sind einzeln gefertigt und auf die Welle gepresst. Eine Tieflochbohrung der Zahnräder vier und fünf dient vornehmlich der Gewichtsersparnis.

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B3 Antriebswelle: 1 Kegelrollenlager 2 Gangrad Rückwärtsgang 3 Gangrad 5. Gang 4 Gangrad 4. Gang 5 Tieflochbohrung 6 Gangrad 3. Gang 7 Gangrad 2. Gang 8 Gangrad 1. Gang

Auf der Abtriebswelle, ebenfalls als Hohlwelle ausgeführt, befinden sich die Schalträder für die Gangstufen eins bis fünf und das Zahnrad für den Abtrieb zum Ausgleichsgetriebe. Wie die Antriebswelle ist auch die Abtriebswelle mit zwei Kegelrollenlagern im Kupplungs- beziehungsweise im Getriebegehäuse gelagert.

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B4 Abtriebswelle: 1 Abtrieb zum Ausgleichsgetriebe 2 Synchronkörper 3 Schiebmuffe, 5. Gang und R-Gang 4 Schaltrad 5. Gang 5 Schaltrad 4. Gang 6 Schiebemuffe 3. und 4. Gang 7 Schaltrad 4. Gang 8 Schaltrad 2. Gang 9 Schiebemuffe 1. und 2. Gang 10 Schaltrad 1. Gang

VW stattet den Elektro-Up mit einem Einganggetriebe und zwei Übersetzungsstufen aus. Das maximale Eingangsdrehmoment beträgt 210 Nm, die höchstzulässige Eingangsdrehzahl liegt bei 12.000/min.

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B5 Einganggetriebe E-Up: 1 Rotorwell 2 Antriebswelle mit Zahnrad 1 3 Zahnrad 2 und 3 4 Achsantriebsrad Ausgleichsgetriebe 5 Sperrklinke

Die Rotorwelle (1) des Drehstrom-Elektromotors treibt die Antriebswelle (2) des Einganggetriebes. Über zwei Zahnräder (3) wird das Drehmoment über den Achsantrieb (4) an die Antriebsräder geleitet.


Auf der Antriebswelle, unmittelbar neben dem Antriebszahnrad sitzt die Parksperre. Der Fahrer betätigt mithilfe des Wählhebels über einen Seilzug eine Sperrklinke (5), die das Fahrzeug zusätzlich zur Handbremse vor dem Wegrollen sichert. Eine Parksperrenmechanik verhindert das Einrasten der Klinke ins Sperrrad bei einer Geschwindigkeit oberhalb 5 km/h.

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B6 Parksperre beim E-Up: 5 Sperrklinke 6 Sperrrad

Der Seilzug ist die einzige mechanische Verbindung zwischen Getriebe und Wählhebel. Beim Tippen des Wählhebels nach rechts, links, vorne oder hinten überfährt ein Permanentmagnet Hallsensoren, durch die unterschiedliche Rekuperationsstufen gewählt werden. In der Stufe B ist die Verzögerung maximal und beträgt – ohne Betätigung der Reibungsbremse – unterhalb einer Fahrgeschwindigkeit von 50 km/h – immerhin 2 m/s². Oberhalb dieser Geschwindigkeit ist die Verzögerung wesentlich geringer.

Synchronisierung

Bei der Beurteilung der Testfahrzeuge achten die Tester unter anderem auf den Schaltkomfort der manuellen Schaltgetriebe. Urteile wie butterweiche Schaltung, präzises Einlegen der Gänge oder hakelige Schaltung sind Aussagen, die den Schaltkomfort charakterisieren. Was sind die Ursachen einer präzisen, was die einer hakeligen Schaltung? Wesentliche Auswirkungen auf den Schaltkomfort hat die Schaltübertragung – Gestänge oder Seilzug – und die präzise Arbeit der Synchroneinrichtung. Diese hat die Aufgabe, Bauteile, die mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren, also zwei Zahnräder, auf ein gemeinsames Drehzahlniveau zu bringen. Im Getriebe erfolgt das Angleichen der Drehzahl durch Abbremsen oder Beschleunigen mittels Reibung auf dem anzugleichenden Bauteil.

Beim Getriebe des Up sind die Gänge eins, drei, vier und fünf einfach, der zweite Gang ist doppelt synchronisiert.
Die Doppelsynchronisation besteht aus dem Schaltrad, dem inneren und äußeren Synchronring, dem dazwischen liegenden Außenring und der Schiebemuffe mit Synchronkörper. Der Synchronkörper ist mit der Abtriebswelle verzahnt.

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B7 Aufbau der Doppelsynchronisierung

Der Außenring vergrößert die Reibfläche um fast 100 Prozent, senkt die Schaltkraft um ungefähr 50 Prozent und verringert den Verschleiß der Synchronringe.


Reibkegel, Schaltverzahnung und Stirnradzähne werden als hoch beanspruchte Bauteile nach einem speziellen Verfahren bearbeitet. Nach der Herstellung werden Kegel und Zahnrad getrennt gehärtet und entweder durch Laserstrahlschweißen oder eine Kerbverzahnung miteinander verbunden. Die Endbearbeitung – Fräsen, Honen und Schleifen – erfolgt im gehärteten Zustand, um unweigerlich auftretende Härteverzüge auszugleichen.


Für den Rückwärtsgang besitzt die Schiebemuffe des fünften Gangrads eine Außenverzahnung. Wird der Rückwärtsgang eingelegt, greift die Geradverzahnung der Muffe in ein Zwischenrad, das ständig mit dem Gangrad für den Rückwärtsgang auf der Antriebswelle verbunden ist. Das Zwischenrad kehrt die Drehrichtung um.

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B8 Rückwärtsgang mit Umkehrrad (gelb)

Auf der Abtriebswelle, neben der Schiebemuffe für den Rückwärtsgang, befindet sich das schräg verzahnte Rad zum Antrieb des Ausgleichsgetriebes. Zum Ausgleichsgetriebe gehört das Achsantriebsrad mit dem aufgenieteten Ausgleichskorb. Im Ausgleichskorb sind die beiden Ausgleichskegelräder auf einer Achse gelagert. Mit ihren Zahnflanken greifen sie in die Achswellenräder für den linken und rechten Antrieb der Seitenwellen. Gelagert ist der Ausgleichstrieb mithilfe von zwei Kegelrollenlagern im gemeinsamen Getriebegehäuse.

B9

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B9 Ausgleichsgetriebe mit Antriebswelle

Die Gangwählvorrichtung

Der Fahrer überträgt die Wahl des gewünschten Gangs über die beiden Seilzüge, den Schaltdom mit Schaltwelle auf die Schaltgabeln.

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B10 Seilzugschaltung

Mit einer Schiebemuffe können zwei Gänge geschaltet werden. Für ein Fünfganggetriebe mit Rückwärtsgang werden drei Schiebemuffen beziehungsweise drei Schaltgabeln benötigt. Über Gleitlager können die Schaltgabeln auf einer Schaltachse, die im Getriebe- und Kupplungsgehäuse gelagert ist, axial verschoben werden.

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B11 Schalteinrichtung mit Schaltgabel und Mitnehmer

Die drei Schaltgabeln sind mit Mitnehmern bestückt, in die der Schaltfinger der Schaltwelle eingreift. Dazu liegen die Mitnehmer übereinander. Eine Sperrhülse verhindert, dass zwei Schaltgabeln irrtümlich gleichzeitig betätigt werden.

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B12 Schaltdom: 1 Kulissenstift 2 Rastierhülse 3 Schaltfinger 4 Arretierhülse 5 Schaltwelle

Schaltwelle, Schaltfinger und Sperrhülse befinden sich im Schaltdom. Zu den weiteren Bauteilen im Schaltdom gehören Kulissenstift, Arretierhülsen und der Schalter für die Rückfahrleuchten. Ist der Up mit einem Start-Stopp-System ausgestattet, befindet sich im Schaltdom zusätzlich ein Geber für die Getriebeneutralstellung mit dazugehörendem Sensorblech.
Zur Seilzugschaltung gehören das Gang-Wählhebel-Modul mit dem Ganghebel sowie der Schalt- und der Wählseilzug. Das Übertragen der Hebelbewegung durch Seilzüge vermindert das Auftreten von Getriebegeräuschen durch Körperschall, reduziert außerdem die Übertragung von Vibrationen aus dem Antriebsbereich in den Fahrgastraum. Zusätzlich ist der Schaltdom mit einem Schwingungstilger ausgestattet (siehe Bild „Seilzugschaltung“). Betätigt der Fahrer den Schalthebel seitwärts, werden mit dem Wählseilzug über einen Umlenkhebel Schaltwelle und Schaltfinger senkrecht innerhalb der Gasse bewegt. Der Schaltfinger greift in einen der drei Mitnehmer an den Schaltgabeln (siehe Bild „Schalteinrichtung“). Mit der Längsbewegung des Schalthebels wird über den Schaltseilzug durch Drehen der Schaltwelle der Gang eingelegt. Ein Kulissenstift im Schaltdom begrenzt die Drehbewegung der Schaltwelle, eine Sperrklinke an der Schaltkulisse verhindert, dass vom fünften direkt in den Rückwärtsgang geschaltet wird und eine Sperrhülse mit Aussparungen sorgt dafür, dass nicht zwei Schaltgabeln gleichzeitig betätigt werden. Für das Einrasten der Gänge sorgt eine Arretierhülse, die in eine Rasterung auf der Schaltwelle greift.

Der Kraftverlauf

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B13 Kraftverlauf im 1. Gang

Im ersten Gang wird die Schiebemuffe in die Sperrverzahnung vom Schaltrad des ersten Gangrads geschoben. Vom Schwungrad des Motors über die Mitnehmerscheibe der Kupplung gelangt das Drehmoment auf die Getriebeeingangswelle und wird vom Festrad 1. Gang auf das Schaltrad und die damit gekoppelte Schiebemuffe übertragen. Da die Schiebemuffe durch ihre Innenverzahnung mit der Außenverzahnung des Synchronkörpers und der Synchronkörper mit der Abtriebswelle verbunden ist, gelangt die Kraft über das Antriebszahnrad zum Ausgleichsgetriebe. Die Drehrichtung von Antriebs- und Abtriebswelle ist entgegengesetzt.

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B14 Kraftverlauf im R-Gang

Im Rückwärtsgang wird die Schiebemuffe des fünften Gangs mit ihrer Außenverzahnung in das Zwischenrad verschoben. Da das Zwischenrad für den Rückwärtsgang permanent mit dem Gangrad auf der Antriebswelle verbunden ist, ist die Drehrichtung gegenüber den Gängen 1 bis 5 umgekehrt. Die Drehrichtung von Antriebs- und Abtriebswelle ist gleich.

Sechsgang-Schaltgetriebe

Der Trend zu Sechsganggetrieben ist unübersehbar. Inzwischen müssen nur noch Basisversionen preiswerter Modelle mit fünf Gängen auskommen. Der größte Vorteil des zusätzlichen Gangs ist eine größere Spreizung. Damit kann der sechste Gang länger ausgelegt werden, was die Drehzahl bei höherer Geschwindigkeit und somit den Kraftstoffverbrauch reduziert.

Für wesentlich höhere Drehmomente als das oben beschriebene kleine Up-Getriebe ist die Sechsgangbox 08D des allradgetriebenen VW Touareg/Porsche ausgelegt.

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B15 Sechsgang-Schaltgetriebe ML 400 des VW Touareg/Porsche Cayenne. Das Umkehrrad für den Rückwärtsgang ist in dieser Darstellung nicht sichtbar

Ihr stark verripptes Aluminiumgehäuse ist zweigeteilt und besteht aus der Kupplungsglocke mit Aufnahme für das Schaltmodul und dem Getriebegehäuse. Gebaut wird das Räderwerk von ZF im Werk Brandenburg als ML 400 mit einem maximalen Eingangsdrehmoment von 600 Nm für Ottomotoren und 500 Nm für Dieselmotoren.
Um das Getriebe allradtauglich zu gestalten, wird ein Zentraldifferenzial mit Reduzierstufe ans Getriebe angehängt. Darüber können Vorder- und Hinterachse angetrieben werden.
In der Ausführung für BMW hat das Getriebe die ZF-Bezeichnung S6-53 beziehungsweise S6-37 bei drehmomentschwächeren Motoren.
Das ML 400 ist ein gleichachsiges Dreiwellengetriebe. Gleichachsig, da Antriebs- und Abtriebswelle auf der gleichen Achse liegen, und Dreiwellengetriebe, da zur Antriebs- und Abtriebswelle noch eine Vorgelegewelle montiert ist.

Aufbau

Das ML 400 ist als Dreiwellen-Längsgetriebe konzipiert und besitzt eine Antriebs-, eine Vorgelege- und eine Hauptwelle als Abtriebswelle. Antriebs- und Abtriebswelle liegen in einer Ebene. Die Antriebswelle wird in der Kupplungsglocke von einem Rillenkugellager aufgenommen. Auf ihr befindet sich das Festrad zum Antrieb der Vorgelegewelle. Die Bohrung der Antriebswelle nimmt das Rollenlager der Abtriebswelle auf.

Ausgestattet mit den beiden Festrädern des 3. und 4. Gangs, den Schalträdern für den Rückwärtsgang sowie den Gängen 1, 2 und 6, stützt sich die Hauptwelle als Abtriebswelle mit einem Rillenkugellager im hinteren Teil des Getriebegehäuses ab.
Die unterhalb von Antriebs- und Abtriebswelle liegende, im Getriebegehäuse gelagerte Vorgelegewelle besitzt drei Festräder (1. Gang/Rückwärtsgang, 2. Gang und 6. Gang), zwei Schalträder als Gegenräder für den 3. und 4. Gang sowie eine konstante Stufe zum Antrieb der Welle. Während die Festräder für den 1. und 2. Gang ins Wellenmaterial gefräst sind, sind die konstante Stufe und das Festrad für den 6. Gang über eine Verzahnung fest mit der Vorgelegewelle verbunden. Die Schalträder sind als Losräder auf der Abtriebs- und Vorgelegewelle nadelgelagert.

Mehrfachsynchronisierung

Mehrfachsynchronisierungen ermöglichen ein schnelles und kraftsparendes Schalten. ZF stattet den ersten und zweiten Gang des ML-400-Getriebes mit einer Dreikonen-Synchronisation aus. Beim dritten und vierten erfolgt das Angleichen mit einer Doppelsynchronisierung, der fünfte und sechste Gang sowie der Rückwärtsgang werden mittels Einfachsynchronisierung eingelegt.

Die Dreikonen-Synchronisierung besteht aus:

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B16 Bauteile der Dreikonen-Synchronisierung

► Schiebemuffe

► Synchronkörper mit Druckstücken

► Synchronring mit Sperrverzahnung

► Zwischenring

► Innenring

► Reibkonus des Schaltrads

Die Schiebemuffe sitzt mit ihrer Innenverzahnung auf der Außenverzahnung des Synchronkörpers, dieser wiederum mit seiner Innenverzahnung auf der Verzahnung der Abtriebs- oder Vorgelegewelle.

Die drei Druckstücke greifen in die Aussparungen des Synchronrings. Nasen des Synchron- und des Innenrings greifen in den Synchronkörper, sodass diese Bauteile mit der Drehzahl der Vorgelege- beziehungsweise Abtriebswelle umlaufen. Der Zwischenring hat die gleiche Funktion wie der Reibkonus des Schaltrads, befindet sich mit seinen Nasen in Aussparungen des Schaltrads und läuft mit der gleichen Drehzahl.
Wenn der Fahrer den Schalthebel betätigt, wird die Schiebemuffe in Richtung Schaltrad bewegt. Gleichzeitig werden die Druckstücke axial gegen das Schaltrad bewegt, sodass die Reibfläche des Synchronrings auf dem Reibkonus des Rads anliegt und Zwischenring und Innenring ebenfalls aufeinander reiben.
Das entstehende Reibmoment zwischen Synchronring und Reibkonus verdreht den Ring dahingehend, dass die Schiebemuffe durch die Außenverzahnung des Rings gesperrt wird. Ein weiteres Verschieben der Muffe in Richtung Schaltrad ist in dem Augenblick nicht möglich.
Nur mit Gewalt kann der Fahrer die Schiebemuffe in die Schaltverzahnung des Gangrads schieben – begleitet von einem wenig angenehmen Geräusch. Im Normalfall, das heißt ohne Gewaltanwendung, wird das Schaltrad so lange beschleunigt oder abgebremst, bis ein Gleichlauf hergestellt ist. Erst dann ist der Fahrer in der Lage, über die angeschrägten Zähne des Synchronrings und der Muffe den Ring so zu verdrehen, dass die Schiebemuffe geräuschlos in die Schaltverzahnung des Schaltrads geschoben werden kann. Die spezielle Form der Verzahnung sorgt für eine stabile Verbindung zwischen Muffe und Rad. So soll verhindert werden, dass ein Gang herausspringen kann.

Schaltbetätigung

Die Schaltbetätigung des Touareg-Getriebes ist wie folgt aufgebaut. Sie wird – wie beim Up – aus Geräuschgründen durch zwei Seilzüge vom Schaltgehäuse auf das Schaltmodul übertragen. Die Betätigung der Schaltgabeln im Inneren des Getriebes ist allerdings aufwendiger.

Die Baugruppen bestehen aus:

► der externen Schaltbetätigung mit Schaltgehäuse, Seilzügen, Umlenkhebeln

► der internen Schaltbetätigung mit Schaltmodul, Schaltwelle und Schaltschwingen

Gassenwahl

Die Links-, beziehungsweise die Rechtsbewegung des Handschalthebels wird als Bewegung zur Wahl der Schaltgasse vom Wählseilzug auf den Wählhebel mit Drehwelle im Schaltmodul übertragen und in eine Drehbewegung verwandelt. Die Wähldrehwelle dreht die Zentralschaltwelle mit den darauf befestigten Schaltfingern. Je nach Stellung innerhalb der Schaltgasse greift der Schaltfinger in die entsprechende Schaltschwinge für die verschiedenen Gänge.

Die Vor- und Rückbewegung des Handschalthebels wird als axiale Bewegung des Schaltseilzugs von der Schaltdrehwelle im Schaltmodul zur Längsverschiebung der Zentralschaltwelle genutzt. Der Schaltfinger – durch die Drehbewegung der Zentralschaltwelle sitzt dieser schon in der Schaltschwinge – dreht die Schaltschwinge um ihren Lagerpunkt und schiebt die Muffe entsprechend der Wahl des Fahrers in die Schaltverzahnung des 1. oder 2. Gangrads.

Verriegelung

Eine Verriegelungsschiene, die von der Schaltwelle während der Wählbewegung betätigt wird, sperrt die anderen Schaltschwingen.

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B17 Innere Schaltung des Touareg-Getriebes. Auf den Drehwellen werden die Winkelhebel für die jeweiligen Seilzüge befestigt

Ein auf der Schaltwelle befestigter Führungsfinger (Führungsfinger und Schaltfinger für 3., 4., 5. und 6. Gang bilden ein Bauteil) greift nach der Gangwahl in die Nuten einer Schaltkulisse. Dadurch wird die Lage der Zentralschaltwelle fixiert sowie ein seitliches Spiel oder gar ein Schwingen des Handschalthebels bei eingelegtem Gang verhindert.

In der Leerlaufstellung der Schaltschwingen arretiert ein federbelasteter Pin die Schwinge. Wird geschaltet, muss der Fahrer die Vertiefung überwinden. Nach dem Überwinden wird die Schaltbewegung durch die Federwirkung des Pins unterstützt, der Gang kann ohne hohen Kraftaufwand geschaltet werden.
Zum Ausgleich der Bauteiltoleranzen muss die Schaltung, speziell der Schaltseilzug und der Wählseilzug, exakt eingestellt werden. Das geschieht nach dem Fixieren des Handschalthebels und dem Lösen der Schaltzüge mithilfe eines Schraubendrehers und dem Arretieren der zentralen Schaltwelle mit nachfolgendem Festklemmen der Seilzüge. Einzelheiten dazu sollten den jeweilig fahrzeugspezifischen Reparatur- und Wartungsanleitungen entnommen werden.

Schaltbetätigung Audi

Im Gegensatz zu VW verwendet Audi als äußere Schaltbetätigung klassisch eine Schaltstange statt der Seilzüge. Damit sollen Schaltvorgänge präziser erfolgen und Schaltzeiten verkürzt werden. Ältere Leser des technik profi erinnern sich sicher noch an Zeiten schaltstangenbetätigter Getriebe, bei denen die Gänge auf schlechtem Straßenbelag und bei inzwischen schwammig gewordener Motor- und Getriebelagerung selbsttätig herausprangen. Je größer die Masse des Schalthebels, desto häufiger waren die „Gangspringer“. Um dieses zu verhindern, musste der Schalthebel während der Fahrt auf solch schlechten Straßen festgehalten werden. Ganz Findige tauschten sogar den schweren Schaltknauf gegen einen leichten aus Aluminium.

Die äußere Schaltbetätigung der Handschaltgetriebe des Audi A6 besteht aus zwei Stangen, der Schaltstange und der Verbindungsstange. Mit der Links-rechts-Bewegung des Schalthebels wird die Schaltstange gedreht und im Getriebe die entsprechende Gasse gewählt, um den gewünschten Gang einzulegen.

Um Lastwechselbewegungen des Getriebes nicht auf den Schalthebel zu übertragen, ist die Hebellagerung beweglich ausgeführt. Eine Schubstange verbindet letztlich Getriebe und Schalthebellager und überträgt damit die Getriebebewegungen auf das Schalthebellager. Das Schalthebellager ist in Fahrzeuglängsachse verschiebbar und kann dadurch den Bewegungen des Getriebes folgen. Lastwechselreaktionen sollten in der Regel nur geringe Auswirkungen auf den Schalthebel haben.

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B18 Schaltbetätigung des Audi A6 mit Schaltstange zur Unterdrückung von Lastwechselbewegungen
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B19 Schaltbetätigung des Audi A6

Siebengang-Handschaltgetriebe

Abgeleitet aus dem Siebengang-Doppelkupplungsgetriebe PDK baut ZF für den Porsche Carrera ein Siebengang-Handschaltgetriebe, bei dem der siebte Gang des Handschalters als Overdrive ausgelegt ist.

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B20 ZF-Siebengang-Schaltgetriebe des Porsche 911

Bei Tempo 120 km/h sinkt die Motordrehzahl gegenüber dem sechsten Gang um 550/min zugunsten eines um 9 Prozent geringeren Kraftstoffkonsums. Die Höchstgeschwindigkeit wird – wie bei diesen Ausführungen üblich – im sechsten Gang erreicht.

Ein wesentliches Kennzeichen des PDK ist die Doppelkupplung mit zwei ineinander laufenden Antriebswellen. Im Gegensatz dazu benötigt das Siebengang-Handschaltgetriebe nur eine Kupplung und nur eine Antriebswelle.

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B21 Anordnung der Radsätze eines PDK und eines Siebengang-Handschaltgetriebes. Das Handschaltgetriebe hat nur eine Antriebswelle

Das Bild oben verdeutlicht die Unterschiede der beiden Getriebearten. Ersichtlich ist, dass die Gänge 4 und 6 sowie 7 und 5 auf der Antriebswelle, die Gangstufen 2, R sowie 1 und 3 auf der Hauptwelle liegen. Im Unterschied zum PDK hat ZF die Synchronisierung optimiert: Zum Einsatz kommen Carbonreibbeläge und modifizierte Schaltverzahnungen. Die Gangstufen bei Handschaltern folgen dem „H“-Schema: Einem geraden Gang liegt immer ein ungerader Gang gegenüber und bildet so eine Schaltgasse. Dem ersten Gang liegt der zweite in der Schaltgasse gegenüber, dem dritten der vierte und dem fünften der sechste Gang. Zu einem Gangpaar gehört der Synchronkörper mit einer Schiebemuffe. Beim Doppelkupplungsgetriebe liegen konstruktionsbedingt die aufeinander folgenden Gangstufen des Radsatzes nicht gegenüber und haben deshalb auch keinen gemeinsamen Synchronkörper. Folgendes Bild unterstützt die obige Grafik und zeigt die Anordnung der Schaltstangen mit den dazugehörenden Schaltgabeln.

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B22 Schaltung beim Siebengang-Handschaltgetriebe: A Schaltwelle für 4. und 6. Gang B Schaltwelle für 7. und 5. Gang C Schaltwelle für 1. und 3. Gang D Schaltwelle für 2. und R-Gang 5 Sperrnocken 6 Zentralschaltwelle 7 Schaltrahmen 8 Schaltkulisse 9 Schaltfinger 10 Schaltgabel

Schaltstange A schaltet mit der Schaltgabel den 4. und 6. Gang, Schaltstange B den 7. und 5. Gang, Schaltstange C den 1. und 3. Gang, Schaltstange D den 2. und den R-Gang.Da die Gänge 1, 3 auf der Hauptwelle, die Gänge 4, 6 auf der Antriebswelle liegen, müssen bei einem Handschaltgetriebe mit Radsatz aus einem Doppelkupplungsgetriebe der zu schaltenden Gasse – beispielsweise vom 1. Gang in den 2. Gang – auch zwei Schaltelemente zugeordnet sein. Die Synchronisierungen werden über das innere Schaltsystem konvertiert (umgewandelt). ZF nennt daher die Überführung der Ganganordnung „Mechanisch Konvertierte Schaltaktuaktorik“ MeKoSa: die für ein Doppelkupplungsgetriebe typische Anordnung der Synchronisierung entspricht dem konventionellen H-Schaltschema.

Sperrnocken für Gang sieben


Beim Wählen der Schaltgasse verschiebt der Fahrer die Zentralschaltwelle (siehe Bild „Schaltung biem Siebengang-Handschaltgetriebe“) vertikal. Zwei der insgesamt acht Schaltfinger greifen gleichzeitig in den Rahmen der Schaltstangen, die verschoben werden sollen. Insgesamt sind vier Schaltstangen waagerecht angeordnet. Legt der Fahrer den Gang ein, dreht die Schaltwelle und der Schaltfinger schiebt mithilfe des Schaltrahmens die Schaltstange, sodass die an der Schaltstange befestigte Schaltgabel den gewünschten Gang einlegt.

Verständlich, dass die Zentralschaltwelle aufgrund ihrer vielfältigen Aufgaben ein hoch komplexes Bauteil ist. Neben der Betätigung der Schaltstangen verriegelt sie auch die nicht zu schaltenden Gänge mithilfe eines Sperrnockens. Nur für den siebten Gang gibt es eine gesonderte mechanische Wählsperre. Sie gestattet ein Schalten in den siebten Gang nur, wenn zuvor der fünfte oder sechste Gang eingelegt war. Auch ein direktes Schalten vom siebten in den vierten Gang unter Umgehung der Gänge fünf und sechs ist aus Sicherheitsgründen nicht möglich.

Schaltgetriebe sind thermisch hoch belastet


Schaltgetriebe mit integriertem Achsantrieb sind – speziell bei sportlichen Fahrzeugen – thermisch hoch belastet. Auch benötigen Achsantriebe aufgrund der hohen Zahnflankenbelastung ein hochviskoseres Öl als das Schaltgetriebe. Um den auftretenden Zielkonflikt zu lösen – niedrigviskoses Öl erhöht den Wirkungsgrad, verschlechtert bei hohen Temperaturen die Schmierung – wird ein Thermomanagement zur gemeinsamen Regelung von Motor und Getriebe eingebaut. Es besteht aus einer vom Getriebe angetriebenen Ölpumpe, die das Schmiermittel zum vom Motorkühlmittel durchströmten Wärmetauscher fördert. Dadurch wird nach dem Kaltstart das Getriebeöl schnell auf Betriebstemperatur gebracht und nach rasanter Fahrt die hohe Verlustwärme ans Kühlmittel abgeführt.

Fazit

Trotz der Entwicklung von automatisierten Schaltgetrieben, Doppelkupplungsgetrieben und modernen Neungang-Vollautomaten werden Handschaltgetriebe auch weiterhin ihre Daseinsberechtigung haben. Das liegt zum einen an den geringsten Herstellungskosten und zum anderen am besten Wirkungsgrad aller Getriebe. Zum Beispiel baut Opel das am Anfang gezeigte Sechsganggetriebe in die Modelle Adam, Mokka sowie den Insignia mit Motoren von mehr als 135 Nm bis 235 Nm Drehmoment ein. Von Opel werden die erheblich verkürzten Schaltwege bei minimalem Kraftaufwand durch Dreikonen-Synchronisierung einzelner Gänge hervorgehoben.

Beachtlich ist die Entwicklung bei ZF. Das im Artikel vorgestellte Siebengang-Handschaltgetriebe für Porsche wird vermutlich in absehbarer Zeit auch bei anderen Fahrzeugherstellern eingebaut werden.

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Getriebe, die vorher wissen, was passiert, können Sprit sparen.

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