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Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
8 Schae er KOLLOQUIUM 2010 9
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
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1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
9Schae er KOLLOQUIUM 2010Schae er KOLLOQUIUM 20108
LuK Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
Schlsselelemente fr e ziente Antriebsstrnge
Matt hias ZinkMarkus Hausner
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1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
10 Schae er KOLLOQUIUM 2010 11
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1EinleitungBis vor wenigen Jahren war die Motorenentwick-lung
stark geprgt durch eine steti ge Erhhung des spezifi schen
Motormoments bei Dieselmotoren mit neuen Einspritztechnologien
kombiniert mit Aufl adung. Seit Beginn der 90er Jahre wurden
da-durch die auf den Hubraum bezogenen mglichen Motormomente in
etwa verdreifacht. Der typische Dieselmotor hatt e dabei ein
Hubvolumen von etwa zwei Litern und vier Zylinder, womit diese
Aggrega-te heute in der Lage sind 450 Nm und mehr zu er-zeugen [1].
Diese Evoluti on bei den Dieselmotoren steigerte in hohem Mae
Fahrspa und E zienz. Damit auch bezglich Komfort kompromisslose
Er-gebnisse erzielt werden knnen, wuchsen in ver-gleichbarem Mae
die Anforderungen an den Drehschwingungsdmpfer, der zum einen die
ho-hen Momente bertragen und zum anderen die hohen Wechselmomente
wirkungsvoll vom An-triebsstrang fern halten muss.
Bei der Wahl des Getriebes konnte sich der Kunde bis-her im
Wesentlichen zwischen einem Handschaltge-triebe oder einem Automati
kgetriebe entscheiden, in vergleichsweise seltenen Fllen auch fr
ein CVT oder ein automati siertes Handschaltgetriebe.
Seit einigen Jahren wchst nun weltweit der Druck bezglich
Verbrauchsreduzierung und Redukti on des CO2-Ausstoes, wobei
Fahrspa und Komfort erhal-ten bleiben sollen. Beispielsweise soll
laut einer Stu-die [2] der durchschnitt liche Kraft sto verbrauch
in Deutschland bis 2030 von derzeit 7,6 Liter auf min-
destens 6,1 Liter abgesenkt werden (-20 %). Bei ho-hem
Hybridisierungsgrad und beschleunigtem techno-logischem Wandel,
beispielsweise bezglich alterna-ti ven Kraft sto en und Antrieben,
wird sogar eine mg-liche Absenkung auf 5,2 Liter vorausgesagt (-31
%).
Global fhrt dies zu einer Tendenz hin zu kleineren und
leichteren Fahrzeugen. Fr den Antriebsstrang sind massive
Anstrengungen notwendig, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhhen.
Fr den Verbrennungsmotor erfolgt dies durch weiteres Downsizing,
wobei insbesondere bei Ben-zinmotoren verstrkt nun auch Aufl adung
zum Ein-satz kommt. Konkret bedeutet dies, eine Drehmo-mentklasse
mit mglichst kleinen Motoren abzudecken (Bild 2). 2,0 Liter
Aggregate werden beispielsweise durch 1,5 Liter Aggregate mit
ver-gleichbarem Drehmoment ersetzt. Insbesondere verzeichnen kleine
Motoren bis 1,3 Liter Hubraum hohe Zuwchse, dagegen verringert sich
der Anteil von Motoren mit ber 1,8 Liter Hubraum.
Beim Antriebsstrang soll mit Automati sierung und Elektrifi
zierung erreicht werden, dass der Verbren-nungsmotor bei opti malen
Lasten und Drehzahlen betrieben werden kann.
GetriebevielfaltTrotz der starken Bewegungen bei der
Getriebe-technologie hat weltweit nach wie vor das
Hand-schaltgetriebe das grte Produkti onsvolumen.
Vorteile dieser Getrie-betechnologie sind ver-gleichsweise
geringe Kosten, ein hoher Wir-kungsgrad und gute Fahrleistungen.
Auch in den nchsten Jahren wird dies weltweit die dominante
Getriebeva-riante bleiben und bis 2018 mit einer prog-nosti zierten
Steigerung um 11 Millionen Ein-heiten den hchsten absoluten
Stckzahlzu-wachs verzeichnen.
Gegenber einem Hand-schaltgetriebe stellte
bisher ein Automati kgetriebe fl chendeckend die einzige
Mglichkeit dar kuppelfrei zu schalten. Dem hohen Komfort des
Automati kgetriebes steht bisher ein vergleichsweise hoher
Verbrauch gegen-ber, da bei ti efen Drehzahlen die
Wandlerber-brckungskupplung aus Komfortgrnden ge net werden muss.
Gerade aber bei niedrigen Drehzah-
len knnen gnsti ge Verbrauchswerte er-zielt werden. Dadurch
stellt insbesondere auch fr Automati kge-triebe die
Dmpfer-technologie eine Schlsselrolle dar, da die Leistungsfhigkeit
des Dmpfers mage-bend besti mmt, ab welcher Drehzahl schlup rei und
damit verbrauchsoptimiert gefahren werden kann. LuK hat bereits
gezeigt, was in dieser Hinsicht heute technisch mach-bar ist. Im
Vergleich mit einem konventi onellen Dmpfer kann der Iso-lati
onsgrad mit Dop-
peldmpfer und Fliehkraft pendel (FKP) um mehr als 60 %
gesteigert werden. Dadurch wird die Vor-aussetzung gescha en,
deutliche Verbrauchsvor-teile zu realisieren [3].
Der Wunsch, die Vorteile des Handschaltgetriebes mit denen des
Automati kgetriebes zu verbinden,
20002000 20102010 20202020 20302030
1010
88
66
44
22
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5.25.2
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Jahr
Bild 1 Prognose durchschnitt licher PKW K raft sto verbrauch in
Deutschland
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20%20%
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20072007 20152015 20072007 20152015 20072007 20152015
SpeSpezifischeszifisches MomenMomenttDieselDiesel
SpeSpezifischeszifisches MomenMomenttBenzinBenzin
HubrHubraumaum
bisbis 120 Nm/l120 Nm/lbisbis 140 Nm/l140 Nm/lbisbis 160 Nm/l160
Nm/lbisbis 180 Nm/l180 Nm/l
berber 180 Nm/l180 Nm/l
bisbis 80 Nm/l80 Nm/lbisbis 100 Nm/l100 Nm/lbisbis 120 Nm/l120
Nm/lbisbis 140 Nm/l140 Nm/lbisbis 160 Nm/l160 Nm/l
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berber 2,8 l2,8 lbisbis 2,8 l2,8 lbisbis 2,3 l2,3 lbisbis 1,8
l1,8 lbisbis 1,3 l1,3 l
Bild 2 Motorenprodukti on in Europa nach Hubraum und spezifi
schem Moment (Quelle: CSM)
505030302020101000
(+49 %)(+49 %)
(+32 %)(+32 %)+6+6
(+133 %)(+133 %)+4+4
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(+500 %)(+500 %)+5+5
(+38 %)(+38 %)+11+11
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1133
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+26+26
29293535
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3366
77
1919
25252121
Handschalt-Handschalt-ggeetriebetriebe
CVTCVT
HybridHybrid
AutAutomaomatisierttisiertesesHandschalt-Handschalt-
ggeetriebetriebe
AutAutomaomatik-tik-ggeetriebetriebe
DoppelkDoppelkupplungs-upplungs-ggeetriebetriebe
prproduziertoduzierte Gee Getriebetriebe Mio.Mio. //
JahrJahr
Vernderung 2009 - 2018 gesamt: Mio.Mio.
Mio.Mio.
Mio.Mio.
Mio.Mio.
Mio.Mio.
Mio.Mio.
Mio.Mio.
Bild 3 Weltweite Produkti onszahlen nach Getriebetypen
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Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
12 Schae er KOLLOQUIUM 2010 13
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1fhrte zu der Entwicklung von Doppelkupplungsge-trieben. Dieses
neue Getriebekonzept zeigt, wie sich Fahrspa, Verbrauch und Komfort
beeindru-ckend kombinieren lassen. Hier werden in den nchsten
Jahren die hchsten relati ven Zuwchse realisiert.
Die weitere Automati sierung und Elektrifi zierung fi ndet in
der Hybridisierung ihre konsequente Fort-setzung. Auch hier ist das
Ziel, ohne Abstriche bei Komfort und Fahrspa den Verbrauch durch
Ener-giemanagement weiter zu senken. Wie stark sich die
Marktdurchdringung und mit welchen Hybrid-konzepten diese sich
entwickeln wird, ist derzeit noch nicht vollstndig absehbar. Sicher
scheint je-doch, dass sich die Hybridisierung in den nchsten Jahren
fl chendeckend in den Modellreihen der Automobilhersteller
etablieren wird.
Der Beitrag der Getriebe zu gnstigen Ver-brauchswerten ergibt
sich zu einem Groteil durch die Schaffung der Grundlage, den
Ver-brennungsmotor bei geringem spezifischem Ver-brauch zu
betreiben. Hierzu nimmt die Anzahl der Gnge sowie die Spreizung zu.
Eine Automa-tisierung sorgt dafr, dass immer der richtige Gang
eingelegt ist. Beim Handschaltgetriebe ist Letzteres dem Fahrer
berlassen, aber auch hier kann eine visuelle Schaltempfehlung
positiv un-tersttzen, wenn der Fahrer sich in dem empfoh-lenen Gang
wohl fhlt.
Weitere Anstrengungen betre en den mechani-schen Wirkungsgrad.
Geringere Reibung und Leichtbau fhren jedoch auch zu einer hheren
Sensiti vitt gegenber Drehschwingungen, da we-niger Masse bewegt
und Schwingungen weniger gedmpft werden. Insbesondere bei
Doppelkupp-lungsgetrieben steigen die Anforderungen hin-sichtlich
Drehungleichfrmigkeit gegenber einem Handschaltgetriebe deutlich
an, da ein Teilgetriebe nicht im Kraft fl uss liegt und daher
anfllig fr Ras-selgerusche ist. Daher muss gesamthaft berck-sichti
gt werden, dass diesbezgliche Opti mierun-gen, je nach
Ausgangslage, auch mit hheren Anforderungen an die
Drehschwingungsdmpfer einhergehen.
Opti male Dmpfer fr komfortables Fahren bei geringem
VerbrauchUnabhngig vom Getriebekonzept werden Fahr-zeuge, abgesehen
vom rein elektrischen Fahren, in absehbarer Zukunft nach wie vor
verbrennungs-motorisch angetrieben. Das bedeutet, die grund-
stzlichen Anforderun-gen an der Schnitt stelle zwischen Motor
und Getriebe sind fr alle Getriebevarianten zu-nchst gleich. Neben
einem Anfahrelement und der bertragung des mitt leren Momen-tes
mssen die Wech-selmomente bedmpft werden. Dabei steigt die
Anforderung an den Dmpfer mit hhe-ren Momenten bei niedrigen
Drehzahlen und Reduzierung der Zylinderzahl. Oder an-ders
ausgedrckt: Die Anforderungen an den Dmpfer steigen bei der
Zielstellung nach geringem Verbrauch, bei gleichbleibendem Fahrspa
und Komfort.
Verbrauchsredukti on durch opti mierte DmpferEin
Drehschwingungsdmpfer an sich reduziert selbst-verstndlich nicht
direkt den Verbrauch, allerdings wird in einem einfachen Beispiel
verdeutlicht, wie eng die Wahl der Dmpfertechnologie mit dem Kraft
sto -verbrauch verknpft ist. Die Basis bildet hierbei ein aktueller
2 Liter Dieselmotor mit etwa 350 Nm. Die Schwingungen werden mit
einem opti mal ausgeleg-ten Zweimassenschwungrad (ZMS) wirkungsvoll
redu-ziert. Wird mit diesem Fahrzeug bei gegebener
Getrie-bebersetzung konstant mit 70 km/h im 5. Gang gefahren,
betrgt der spezifi sche Kraft sto verbrauch 385 g/kWh. Dies
entspricht fr dieses Fahrzeug umge-rechnet einem Kraft sto
verbrauch von 3,96 Liter auf 100 km. Wird die Gangbersetzung
beispielhaft um 20 % reduziert, verringert sich um denselben Faktor
die Motordrehzahl. Der spezifi sche Kraft sto ver-brauch sinkt
dadurch auf 330 g/kWh, beziehungswei-se der Verbrauch auf 3,39
Liter je 100 km. Dies ent-spricht einer Reduzierung von 14 %!
Eine vergleichbare Verbesserung wird erreicht, wenn die
Geschwindigkeit von 70 km/h im 6. Gang anstatt im 5. Gang gefahren
wird.
Zur Ermitt lung des erzielbaren Vorteils durch Fah-ren bei
niedrigerer Motordrehzahl im neuen euro-pischen Fahrzyklus (NEFZ)
wurden Verbrauchssi-mulati onen durchgefhrt. In Bild 5 ist das
Ergebnis vergleichend fr einen Stadtzyklus dargestellt. Zu-sammen
mit dem Verbrauchskennfeld aus Bild 4 wird fr den Stadtzyklus ein
Verbrauchsvorteil von 0,92 Liter je 100 km beziehungsweise 11,4 %
be-rechnet. Fr den gesamten Zyklus sinkt der Ver-brauch von 6,08
auf 5,44 Liter je 100km. Dies er-gibt eine Ersparnis von 10,5
%.
Durch die Absenkung der Motordrehzahl steigt in gleichem Mae das
Motormoment und beides fhrt zu einer Verschlechterung des
Fahrkomforts, da zum einen die Ungleichfrmigkeit der Kurbel-welle
zunimmt und zum anderen der Isolati ons-grad des ZMS abnimmt. Mit
einem leistungsfhige-ren Dmpfer kann diese Verschlechterung wieder
kompensiert werden. Das von LuK entwickelte FKP bietet hierzu
ausreichendes Potenzial [4, 5], um den geschilderten
Verbrauchsvorteil ohne Kom-forteinbuen zu realisieren.
LuK beschft igt sich schon lange damit, dieses Prin-zip zur
Schwingungsredukti on im PKW-Antriebs-strang zu nutzen. Schon beim
Kolloquium 1990
00 20002000 30003000 40004000
00
100100
200200
300300
250250
300300
350350400400500500
10001000
400400
225225
100100
400400
500500
275275
350350
300300
325325
00 15001500 20002000 25002500
00
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MotMotorordrdrehzehzahlahl ininnnMotMot
1/min1/minMotMotorordrdrehzehzahlahl in 1/minin 1/minnnMotMot
FFahrahrwiderwiderssttand im 5. Gangand im 5. Gangmit rmit
reduzierteduzierter Aner
Antriebtriebsssstrtrangberangbersesetztzung (-20 %)ung (-20 %)
FFahrahrwiderwiderssttand im 5. Gangand im 5. Gang
kkonsonsttanantte Leise Leistung 6 kW (70 km/h)tung 6 kW (70
km/h)spespezifischer Kzifischer
Krraaftsftsttoffoffvverbrerbrauchauch in gin g/kWh/kWhbbee
Bild 4 Verbrauchskennfeld 2,0 Liter Dieselmotor Potenzial
Verbrauchsreduzierung durch Drehzahlabsenkung (Downspeeding)
1
0
2
3
4
150150 200200
00
10001000
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Bild 5 Auswirkungen von Downspeeding im NEFZ Verbrauchssimulati
on (Stadtzyklus)
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1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
14 Schae er KOLLOQUIUM 2010 15
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
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wurde diese Technik in Verbindung mit einer ge-dmpft en
Kupplungsscheibe erlutert [6]. Im Kol-loquium 2002 wurde das FKP
auf der Sekundrsei-te eines ZMS vorgestellt [7] und seit 2008 ist
diese Technologie erfolgreich in Serie.
Im realen Fahrbetrieb wird das Verbrauchsreduzie-rungspotenzial
bei Einsatz eines ZMS mit FKP best-
ti gt. Zusammen mit anderen Manahmen konnte der Verbrauch bei
einem Serienfahr-zeug mit Handschaltge-triebe um 0,7 Liter ohne
Komforteinbuen ge-senkt werden. Ein Er-folg, der ohne
leistungs-fhigen Dmpfer nicht mglich gewesen wre.
Dieses Potenzial ist un-eingeschrnkt bertrag-bar auf alle
anderen Ge-triebekonzepte (Bild 7). Ein besserer Dmpfer untersttzt
auch bei Doppelkupplungsgetrie-ben oder Automati kge-trieben das
Fahren im
verbrauchsgnsti gen Drehzahlbereich. Bei einem Au-tomati
kgetriebe ermglicht eine bessere Schwin-gungsabkopplung zustzlich,
dass der Wandler ent-sprechend frher berbrckt werden kann. So kann
nicht nur der Wirkungsgrad des Motors, sondern auch der
Wirkungsgrad des Getriebes positi v beein-fl usst werden.
Insbesondere fr Automati kgetriebe sind e ekti ve Dmpfer elementar
wichti g, um bezg-
lich Verbrauch gegen-ber anderen Getriebe-konzepten
konkurrenz-fhig zu sein.
Die Entwicklung und Opti mierung von Dreh-schwingungsdmpfern war
und ist getrieben durch das Streben nach gerusch- und vibrati
-onsarmen Fahrzeugan-trieben. Daher knnen selbstverstndlich
bes-sere Dmpfer nach wie vor fr eine reine Kom-fortsteigerung
einge-setzt werden. Die Mg-lichkeiten durch eine e zientere
Schwingungsreduzierung sind in Bild 8 qualitati v zusammengefasst.
Je nach Ausgangslage und Zielsetzung kann ganz fl exibel gewhlt
wer-den, zu welchen Anteilen das Potenzial bezglich
Komfortsteigerung oder Verbrauchsreduzierung verwendet werden soll.
Wie erwhnt, sind diese Opti onen unabhngig vom Getriebetyp.
Kompro-misse beim Komfort, beispielsweise als Folge von
Einsparmanahmen, bleiben ohne Einfl uss auf die Verbrauchswerte im
NEFZ. Im realen Fahrbetrieb werden sie sich jedoch nachteilig auf
den Ver-brauch auswirken.
Neue Herausforderungen Eine Systembetrachtung am Beispiel des
3-ZylindermotorsBei greren Motoren ist die Reduzierung der
Zy-linderzahl lngst umgesetzt. Heuti ge 6-Zylinder Ag-gregate
ersetzen die 8-Zylinder vergangener Tage, sowie die 4-Zylinder die
6-Zylinder. Die Vorteile sind naheliegend: Geringere Masse, weniger
be-wegliche Teile und geringere Reibung fhren zu weniger
Verlustleistung. Allerdings steht den Vor-teilen der zylinderrmeren
Motoren zunchst eine schlechtere Laufruhe gegenber, insbesondere
wenn der Motor verbrauchsopti miert im unteren Drehzahlbereich
betrieben werden soll.
Dies ist ein mglicher Grund dafr, dass aufgelade-ne und damit
drehmomentstarke Varianten mit 3 oder gar nur 2 Zylindern noch
vergleichsweise sel-ten sind. Die Anforderungen an die
Geruschredu-zierung steigen berproporti onal. Wird beispiels-weise
ein 4-Zylindermotor mit ZMS durch eine 3-Zylindervariante ersetzt,
fhrt dies bei gleicher Dmpfertechnologie in etwa zu einer
Verdoppelung der Drehungleichfrmigkeit am Getriebeeingang. Der
Grund dafr ist die geringere Zndfrequenz, welche zu einer hheren
Ungleichfrmigkeit der Kurbelwelle und zu einer Verschiebung der
An-triebsstrangresonanz nher in den fahrrelevanten Drehzahlbereich
fhrt.
Neben der kriti scheren Situati on auf der Getriebe-seite
verschrft sich ebenfalls deutlich die Anforde-rung fr den
Nebenabtrieb. Auch hier steigt die Ungleichfrmigkeit fr die
reduzierte Zylinderan-zahl trotz gleichem Motormoment extrem an. Fr
den Nebenabtrieb wre ein Einmassenschwungrad (EMS) von Vorteil.
Auf der Antriebsstrangseite verschiebt sich die Re-sonanz
ebenfalls zu hheren Drehzahlen. Dies ist allerdings im Gegensatz zu
einem ZMS positi v, da die Resonanz ohnehin im fahrbaren
Drehzahlbe-reich liegt. Durch die Verschiebung zu hheren Drehzahlen
wird bei einem EMS die Resonanz we-niger stark angeregt, dennoch
liegen die Drehzahl-schwankungen deutlich ber denen eines
4-Zylin-dermotors (Bild 9).
Um mit konventi oneller Dmpfertechnologie bes-sere Ergebnisse zu
erzielen, wre eine Verschie-
4040
2020
1010
0010001000 15001500 20002000 25002500
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3030
Doppelkupplungs-getriebe
Automatikgetriebe
Motor
Handschaltgetriebe
Standard-DmpferDmpfer mit Fliehkraftpendel
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Bild 7 LuK FKP Mastab der Drehschwingungsisolati on bei allen
GetriebeartenRR
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KKononvvenentionellertioneller DmpDmpffer (Basis)er (Basis)
ZZwweimassenscheimassenschwungrwungradad
ZZwweimassenscheimassenschwungrwungradadmit Fliehkrmit
Fliehkraaftpendelftpendel
Bild 8 Flexible Opti onen in Verbindung mit verbesserter
Dmpfertechnologie am Beispiel des Handschaltgetriebes
Das Herzstckder Spritspar-O
P war natr-
lich an Bord:ein in das Zw
eimassen-
schwungrad integriertes Flieh
kraftpendel,
das unangenehmes Ruckeln
im Antriebs-
strang bei niedrigen Drehza
hlen unter-
bindet. AAuuttooSStrtraasssseennvveerrkkeehhrr 1199/2/20000
99
Und damit der untertourige Diesel nicht holprig luftwie ein Sack
Nsse, bemht sich ein
schwingungstilgendesFliehkraftpendel-Schwungrad sehr erfolgreich um
Laufkultur.
AutAutoZoZeitung 19/2009eitung 19/2009Das ermglicht ein
neuartiges Fliehkraftpendel, das in das
bekannteZweimassenschwungrad integriert wurde. Diese Technik setzt
dieSchaltdrehzahl um bis zu 400 Umdrehungen herab, weil sich
derFahrer im niedertourigen Bereich ohne Ruckeln wohler fhlt,
...
AAuuttooMMoottoorrSSppoorrt 19/2009t 19/2009
Besonders beeindruckt hat unsaber das sogenannte
Fliehkraft-Pendel im Zweimassen-Schwung-rad. ... Das gefllt uns:
RuckfreiesBummeln ... Selbst bei 1000 Tourenmuckt der 320d nicht -
gut so.AAuuttooBBIILLDD 3355//22000099
Bild 6 LuK FKP Erfolgreiche Umsetzung in Serie
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Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
16 Schae er KOLLOQUIUM 2010 17
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
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bung der Antriebsstrangresonanz hilfreich. Fr ein ZMS msste
diese Resonanzfrequenz reduziert und fr ein EMS erhht werden.
Konkret wrde dies bedeuten, die Steifi gkeit des Antriebsstrangs zu
modifi zieren, um dadurch den Einsatzbereich der Dmpfer zu
erweitern (Bild 10).
Das theoretische Potenzial ist erheblich. Sofern es die
Randbedingungen und andere Anforde-rungen zulassen, sollte die
Mglichkeit einer An-triebsstrangmodifikation mglichst frh in der
Konzeptphase bercksichtigt werden. Ein ZMS knnte bei entsprechender
Reduzierung der Antriebsstrangsteifigkeit auch fr aufgeladene
3-Zylindermotoren bezglich Drehschwingungen am Getriebe die erste
Wahl bleiben. Hingegen
kann das Potenzial eines EMS durch eine Erh-hung der
Antriebsstrangsteifigkeit signifikant ge-steigert werden.
Fr den Fall, dass eine Anpassung des Antriebs-strangs nicht
mglich ist und mit konventi oneller Dmpfertechnologie kein
befriedigendes Ergebnis erreichbar ist, muss frhzeiti g ber
alternati ve Konzepte nachgedacht werden. Auch hier kann das
Potenzial der von LuK entwickelten Technologie des FKP genutzt
werden. In Anbetracht der Ge-samtsituati on knnen sowohl Pendel in
Kombinati -on mit ZMS als auch mit EMS interessante Lsun-gen
darstellen.
Im Falle eines EMS hat sich gezeigt, dass die dop-pelte
Haupterregerordnung nicht vernachlssigbar
ist. Die gnsti gsten Ergebnisse werden erreicht, wenn mit dem
FKP sowohl die einfache als auch die doppelte Haupterregerordnung
beti lgt werden.
Aus Sicht des Antriebsstrangs stellt das ZMS mit FKP die beste
Lsung dar. Ab einer Drehzahl von 1000 1/min werden hervorragende
Isolati onswer-te erreicht. Der Vorteil einer Lsung mit EMS
kommt insbesondere dem Nebenabtrieb zu Gute, da das FKP direkt
die Ungleichfrmigkeit des Mo-tors reduziert.
Welche Variante fr eine konkrete Anwendung die gnsti gste ist,
muss gesamthaft bewertet werden. Fr den Antriebsstrang kann auch
bei 3-Zylinder-motoren mit ZMS ein opti males Ergebnis erzielt
00
100100
150150
200200
20002000 30003000 400040001000100000
250250
5050
00
100100
150150
200200
250250
5050
20002000 30003000 400040001000100000
ZZwweimassenscheimassenschwungrwungradad
EinmassenschEinmassenschwungrwungradad
Dr
Dre
hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
nk
an
kun
gu
ng
in1
/min
in1
/min
MotMotorordrdrehzehzahlahl nnMotMot in 1/minin 1/min
MotMotor 3-Zor 3-Zylinderylinder GeGetriebe 3-Ztriebe
3-ZylinderylinderGeGetriebe 4-Ztriebe 4-Zylinderylinder
Dr
Dre
hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
nk
an
kun
gu
ng
in1
/min
in1
/min
MotMotorordrdrehzehzahlahl nnMotMot in 1/minin 1/min
MotMotor 4-Zor 4-Zylinderylinder
Bild 9 Steigende Anforderungen bei Reduzierung der Zylinderzahl
Beispiel 3 statt 4 Zylinder bei gleichem maximalen Motormoment
MotMotoror
DiffDiffererenzialenzial
SeitSeitenenwwellenellen
MotMotoror
GeGetriebetriebe
FFahrzahrzeugeug
DiffDiffererenzialenzial
SeitSeitenenwwellenellen
GeGetriebetriebe
Bild 10 Bercksichti gung Gesamtantriebsstrang zur Reduzierung
von Drehschwingungen
00
100100
150150
200200
20002000 30003000 400040001000100000
250250
5050
00
100100
150150
200200
250250
5050
20002000 30003000 400040001000100000
ZZwweimassenscheimassenschwungrwungradad
EinmassenschEinmassenschwungrwungradad
Dr
Dre
hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
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kun
gu
ng
in1
/min
in1
/min
MotMotorordrdrehzehzahlahl nnMotMot in 1/minin 1/min
Dr
Dre
hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
nk
an
kun
gu
ng
in1
/min
in1
/min
MotMotorordrdrehzehzahlahl nnMotMot in 1/minin 1/min
MotMotor wor weicher Aneicher Antriebtriebsssstrtrangang
GeGetriebetriebe wweicher Aneicher
AntriebtriebsssstrtrangangGeGetriebetriebe sstteifeifer Aner
AntriebtriebsssstrtrangangMotMotoror sstteifeifer Aner
Antriebtriebsssstrtrangang
Bild 11 Leistungsgrenzen von Drehschwingungsdmpfern im
Gesamtantriebsstrang
00
100100
150150
200200
20002000 30003000 400040001000100000
250250
5050
00
100100
150150
200200
250250
5050
20002000 30003000 400040001000100000
UngleichUngleichffrmigkrmigkeit Moteit Motoror
UngleichUngleichffrmigkrmigkeit Geeit Getriebetriebe
Dr
Dre
hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
nk
an
kun
gu
ng
in1
/min
in1
/min
MotMotorordrdrehzehzahlahl nnMotMot in 1/minin 1/min
Dr
Dre
hz
eh
zah
lsch
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lsch
wwa
nk
an
kun
gu
ng
in1
/min
in1
/min
MotMotorordrdrehzehzahlahl nnMotMot in 1/minin 1/min
EMS ohne FKPEMS ohne FKP ZMS ohne FKPZMS ohne FKPZMS mit FKPZMS
mit FKPEMS mit FKPEMS mit FKP
Bild 12 Isolati onspotenziale alternati ver Dmpfervarianten fr
3-Zylindermotoren
-
Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
18 Schae er KOLLOQUIUM 2010 19
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1werden. Fr eventuell kriti sche Schwingungen auf der
Nebenabtriebsseite hat LuK ebenfalls eine L-sung entwickelt, die im
folgenden Abschnitt erlu-tert wird.
Lsung fr den NebenabtriebBei den oben gezeigten Mglichkeiten zur
Schwingungsreduzierung bei aufgeladenen 3-Zy-lindermotoren bieten
auch Varianten mit ZMS das hchste Potenzial. Insbesondere
kombiniert mit einem FKP knnen theoretisch beste
Isolati-onsergebnisse schon ab niedriger Motordreh-zahl erreicht
werden. Ein Nachteil gegenber Varianten mit EMS sind die greren
Schwingun-gen auf der Nebenabtriebsseite. Auch hierfr hat LuK eine
Lsung, mit der die Schwingungen auf ein geringes Niveau gebracht
werden kn-nen. Das Vorbild ist das bewhrte Prinzip des ZMS. Mit
dieser Technologie, in entsprechend kleinerer Ausfhrung, kann auch
fr den Neben-abtrieb ein berkritischer Betrieb ermglicht werden.
Bild 13 zeigt eine Konstruktion fr einen LuK
Riemenscheibenentkoppler (RSE) [8]. Der RSE ist dabei direkt auf
dem freien Kurbelwelle-
nende angeordnet. Dadurch profitiert der ge-samte Riementrieb
vom Isolationspotenzial. Der RSE ist natrlich nicht nur den
3-Zylindermoto-ren vorbehalten, sondern kann bei allen Anwen-dungen
eingesetzt werden, wo Wechselmomen-te mglichst effektiv vom
Nebenabtrieb isoliert werden sollen.
In Bild 14 sind Vergleichsmessungen mit einem konventionellen
Lichtmaschinenfreilauf an ei-nem 4-Zylinderdieselmotor mit 240 Nm
darge-stellt. Das Schwingungsniveau an der Lichtma-schine ist mit
dem RSE signifikant geringer. Ein weiterer Vorteil ist, dass die
dynamischen Mo-mente gleich zwischen Kurbelwelle und Riemen-scheibe
isoliert werden. Dadurch muss der Riemen nur noch geringe
Wechselmomente bertragen und die Riemenvorspannung kann
entsprechend geringer ausfallen. Eine geringere Riemenvorspannung
wiederum bedeutet gerin-gere Reibung, wodurch letztendlich die
Verluste im Riementrieb reduziert werden knnen [8]. Der RSE
ermglicht somit neben einem beruhig-ten Nebenabtrieb ebenfalls
einen weiteren Bei-trag zur Reduktion von Verbrauch und
CO2-Aus-sto.
Stopp-Start System, der Einsti eg in die
HybridisierungVerbrauchsvorteil durch Stopp-Start SystemBereits
heute haben es viele Fahrzeuge an Bord, ein Stopp-Start System als
Einstieg in die Hybri-
disierung. Eine Prognose [9] geht davon aus, dass bereits 2012
jedes zweite Neufahrzeug mit einem solchen System ausgerstet sein
wird. Die Verbrauchsvorteile sind erheblich. Im NEFZ betrgt die
Stopp-Zeit in Summe 240 s, das sind 20 % des gesamten Zyklus. Der
dafr bentigte Kraftstoffanteil betrgt bis zu 5 %, beziehungs-weise
im reinen Stadtzyklus sogar bis zu 8 %. Konkret knnen fr das oben
betrachtete Fahr-zeug mit einem Leerlaufverbrauch von etwa 0,6 L/h
(Bild 5) im Gesamtzyklus 4,5 % einge-spart werden.
33 4 Nm/4 Nm/
cca.a. 100 Nm100 Nm
Verdrehwinkel in
Mo
me
nt
inN
mM
Bild 13 LuK Riemenscheibenentkoppler (RSE) das ZMS fr den
Nebenabtrieb
150150
0000
5050
100100
20002000 3000300010001000
00 0,0750,075 0,1000,1000,0250,025 0,0500,05000 0,0750,075
0,1000,100800800
900900
10001000
11001100
12001200
0,0250,025 0,0500,050800800
900900
10001000
11001100
12001200
150150
0000
5050
100100
20002000 3000300010001000
ZZeiteit in sin stt
Dr
Dre
hz
eh
zah
la
hl
in1
/min
in1
/min
nn
ZZeiteit in sin stt
MotMotorordrdrehzehzahlahl ininnnMotMot 1/min1/min
Dr
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hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
nk
an
kun
gin
un
gin
1/m
in1
/min
Dr
Dr e
hz
eh
zah
lsch
ah
lsch
wwa
nk
an
kun
gin
un
gin
1/m
in1
/min
Dr
Dre
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eh
zah
la
hl
in1
/min
in1
/min
nn
MotMotorordrdrehzehzahlahl ininnnMotMot 1/min1/min
SchSchwungrwungradad RiemenscheibeRiemenscheibe
LichLichtmaschinetmaschine
Bild 14 LuK Riemenscheibenentkoppler (rechts) Vergleich mit
konventi onellem Lichtmaschinenfreilauf (links)
00
6060
4040
2020
200200 25025000
150150
100100
5050
00 12001200200200 400400 600600 800800 10001000 400400300300
350350
Ge
sch
Ge
sch
win
dig
kw
ind
igke
ite
itinin
vvFzFz
ggkm
/hkm
/h
ZZeiteit in sin stt ZZeiteit in sin stt
Ge
sch
Ge
sch
win
dig
kw
ind
igke
ite
itinin
vvFzFz
ggkm
/hkm
/h
NEFNEFZZ GesamGesamtztzyklusyklus(0 km/h-Ra(0 km/h-Ratte = 20
%)e = 20 %) (0 km/h-Ra(0 km/h-Rattee = 30 %)= 30 %)
NEFNEFZZ StStadtzadtzyklusyklus
Bild 15 Verbrauchsreduzierungspotenzial Stopp-Start System im
NEFZ
-
Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
20 Schae er KOLLOQUIUM 2010 21
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1
Notwendigkeit und Opti on in Verbindung mit Stopp-Start
SystemDie grundstzlichen Anforderungen an ein Kupp-lungs- und
Dmpfersystem fr Anwendungen mit Stopp-Start Funkti on ndern sich
nur geringfgig. Im Falle eines ZMS mssen mehr Stopp- und
Start-vorgnge ertragen werden knnen. Eventuell muss der
Anlasserzahnkranz etwas verschleifester aus-gefhrt werden.
Hinsichtlich des Komforts ist si-cherlich das Stopp- und
Startverhalten kriti scher zu betrachten. Da der Fahrer nicht, wie
gewohnt, den Motor akti v aus- und einschaltet, ist aus dieser
Sicht mit hheren Anforderungen zu rechnen.
Deutlichere Konsequenzen ergeben sich fr
Aus-rcksystemkomponenten, da Stopp-Start Systeme
Informati onen bezglich der Kupplungspositi on benti gen. Die
Positi onserfassung bei Kupplungs-systemen an sich ist nicht neu;
es gibt eine Vielzahl von Systemen, die diese Informati on benti
gen:
Stopp-Start System Geschwindigkeitsregelanlage (Tempomat)
Start-Lock Kupplungen bei Hybridanwendungen Elektrische Parkbremse
Berganfahrhilfe (Hill-Holder) Eingangssignal fr automati sierte
Handschalt-
und Doppelkupplungsgetriebe
Aufgrund des Trends zu vermehrter Elektrifi zie-rung, beim
Handschaltgetriebe stark getrieben
durch Stopp-Start Anwendungen, nimmt die An-zahl der Projekte
bei Ausrckzylindern mit Weg-messtechnik in starkem Mae zu. Bei LuK
fi nden hierzu intensive Entwicklungen statt , um aus Sicht von
Bauraum, Leistung und Kosten das beste Mes-sprinzip zu fi nden
[10].
Ein Szenario, welches in Verbindung mit Stopp-Start Systemen
diskuti ert wird, ist das Systemverhalten bei einem sogenannten
change-of-mind. Hierbei hat das System aufgrund der Fahrsituati on
entschie-den, den Motor abzustellen. Allerdings mchte der Fahrer
nun doch weiterfahren, ehe der Stoppvor-gang komplett abgeschlossen
ist. Ein Wiederstart ist aber in der Auslaufphase des Motors nicht
mglich. Es muss abgewartet werden, bis der Motor zum vl-ligen Sti
llstand gekommen ist, ehe der Starter einge-spurt werden kann. In
dieser Situati on kann es zu einer Verzgerung von einigen
Zehntelsekunden kommen, die subjekti v nachteilig bewertet
werden.
Um eine mgliche Verzgerung bei einem change-of-mind zu
eliminieren, gibt es Entwicklungen, bei denen das Starterritzel im
stndigen Eingri mit dem Anlasserzahnkranz steht. Der Starter bleibt
dadurch immer eingespurt. Um dies zu ermgli-chen, ist ein
zustzlicher Freilauf zwischen Anlas-serzahnkranz und Kurbelwelle
notwendig, welcher den Anlasser bei niedrigen Drehzahlen ankoppelt
und bei berschreiten einer Drehzahl abkoppelt (n
A in Bild 17). Dadurch kann der Motor auch in der Auslaufphase
sofort und ohne Verzgerung gestar-tet werden. Untersuchungen haben
bereits ge-zeigt, dass eine solche Strategie zu nennenswerten
Vorteilen bei der subjekti ven Bewertung fhrt.
Rechts in Bild 17 ist ein Wiederstart vor dem vlli-gen Sti
llstand des Motors dargestellt. In dem kon-kreten Beispiel betrgt
der Zeitvorteil 0,2 Sekun-den gegenber Lsungen ohne permanent
eingespurten Starter.
LuK Lsung fr einen permanent eingespurten Starter (PES)Die
Herausforderung fr ein Stopp-Start System mit PES liegt in der
Konstrukti on des Freilaufes. Bei einer Konstrukti on mit konventi
onellem Frei-lauf ist der Anlasserzahnkranz ber ein Wlzlager auf
dem Abtrieb der Kurbelwelle gelagert. Bei niedriger Drehzahl
(Anlasserdrehzahl) ist der An-lasserzahnkranz ber den blockierten
Freilauf mit der Kurbelwelle verbunden, bei hherer Drehzahl
Nehmerzylinder Geberzylinder
Sensor
Bild 16 Wegsensoren im Ausrcksystem nicht nur fr Stopp-Start
Systeme
nnAA nnAA
KKurbelwurbelwelleelleAnlasser
ZZeiteit
Dr
Dre
hz
eh
zah
la
hl
ZZeiteit
Dr
Dre
hz
eh
zah
la
hl
ZZeitveitvortorteileil
NormalerNormaler StStartvartvororggangang changchangee of mindof
mind
Bild 17 Normalstart und Wiederstart des noch drehenden Motors
(change-of-mind)
Anlasserzahnkranz
Kurbelgehuse
Freilauf
Wlzlager
Kurbelwelle
Bild 18 Konventi onelle Freilaufanordnung fr ein Stopp-Start
System mit PES
nn >> nnAA
nn
-
Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
22 Schae er KOLLOQUIUM 2010 23
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1berholt die Kurbelwelle den Anlasser, womit er abgekoppelt
wird. Bei einer solchen Anordnung wird das Wlzlager whrend des
gesamten Betrie-bes beansprucht und zwar mit der Motordreh-zahl.
Dadurch sind die Anforderungen an das La-ger extrem hoch, da es auf
die maximale Motordrehzahl und die vollen Motorbetriebs-stunden
ausgelegt werden muss. Ebenfalls luft der Freilauf immer mit
Motordrehzahl um. Da-durch erzeugen beide Komponenten, Lager und
Freilauf, whrend des gesamten Motorbetriebs ein Schleppmoment und
damit zustzliche Ver-lustleistung.
Fr die LuK Lsung kann einfache Wlzlagertech-nik eingesetzt
werden, da die Belastung um ein Vielfaches geringer ausfllt, als
bei einer konven-ti onellen Freilaufanordnung. Hierbei wird der
An-lasserzahnkranz nicht mehr auf dem drehenden Abtrieb der
Kurbelwelle gelagert, sondern auf dem stehenden Kurbelgehuse (Bild
19). Der Frei-lauf ist als Fliehkraft kupplung ausgefhrt und mit
der Kurbelwelle verschraubt. Bei berschreiten des
Anlasserdrehzahlbereiches (nA in Bild 17) -net die Fliehkraft
kupplung und koppelt dadurch den Anlasserzahnkranz von der
Kurbelwelle ab. Bei dieser Anordnung muss das Wlzlager ledig-lich
auf die Anlasserdrehzahl und auf die Dauer der Stopp- und
Startvorgnge ausgelegt werden. Nach dem Motorstart erzeugt diese
Anordnung kein zustzliches Schleppmoment und damit kei-ne
Verlustleistung. Der LuK Freilauf fr ein PES ist dadurch uerst
robust und ohne Nachteile fr den Gesamtwirkungsgrad.
Hhere Anforde-rungen an das KupplungssystemOpti mierungen
bezglich Verbrauch und Dreh-schwingungen bei modernen
Antriebsstrngen mit Verbrennungsmotor betre en prakti sch
aus-schlielich das Fahren bei geschlossener Kupplung. Die Schnitt
stelle zwischen Motor und Getriebe ist dabei durch den
Drehschwingungsdmpfer ma-geblich geprgt. Die Verhltnisse ndern sich
kom-plett fr Betriebszustnde mit schlupfender bezie-hungsweise
betti gter Kupplung. Bei einem idealen Reibwertverhalten der
Kupplung wrden, bei aus-reichend hoher Schlupfdrehzahl, theoreti
sch keine Wechselmomente mehr direkt vom Motor auf das Getriebe
bertragen werden. Ein E ekt, der bei schlupfgeregelten Systemen zur
Drehschwingungs-isolati on genutzt wird.
Dennoch gibt es bekanntermaen eine Reihe von Komfort- und
NVH-Problemen, fr die das Kupp-lungssystem beziehungsweise das
gesamte Fahr-zeug ausgelegt werden mssen. In den vergangenen Jahren
war dies ebenfalls stark getrieben durch die Evoluti on bei den
Dieselmotoren. Die signifi kant ge-sti egenen Motormomente durch
Turboaufl adung fhrten bei Handschaltgetrieben zu hheren Betti
-gungskrft en [1], die vergleichsweise geringen ver-fgbaren
Motormomente im unteren Drehzahlbe-reich in einigen Fllen zu
Anfahrschwchen.
Letzteres ist einerseits ein Komfortt hema, jedoch wird dadurch
auch die Situati on bezglich Anfahr-energie kriti scher. Dies kann
zu einer reduzierten Lebensdauer, insbesondere aber auch zu hohen
Temperaturen der Kupplung beim Anfahren am Berg mit Hnger fhren.
Hier ist auch vermehrt mit Defi ziten bei aufgeladenen
kleinvolumigen Benzin-motoren zu rechnen. Motorseiti g knnen e ekti
ve Gegenmanahmen ergri en werden. Spezielle Mo-torkennfelder mit
fallenden Teillastkennlinien sowie eine mglichst hohe Dynamik
whrend der Anfahr-phase stabilisieren den Anfahrvorgang. Dies ist
glei-chermaen positi v fr die Anfahrenergie als auch fr den
Anfahrkomfort.
Ein Beispiel zeigt Bild 20. Zusammen mit einem
Au-tomobilhersteller wurde das motorseiti ge Opti
mie-rungspotenzial hinsichtlich Anfahrqualitt fr ei-nen
kleinvolumigen, aufgeladenen Dieselmotor untersucht. Die Modifi
kati on betraf in erster Linie den Verlauf der stati schen
Teillastkennlinien (Lini-en Motormoment ber Motordrehzahl fr
kons-tante Lastpedalstellung). Im Vergleich zur Basis (Serienstand,
grau in Bild 20) konnte das Niveau der Anfahrenergie deutlich
abgesenkt werden. Ins-besondere kriti sche Anfahrvorgnge mit hohen
Energieeintrgen knnen durch die Manahme weitgehend vermieden
werden. Bei der subjekti -ven Bewertung war der Unterschied
ebenfalls er-
heblich. Im Mitt el wurden Verbesserungen von 1,5 Noten
erreicht.
Insgesamt fhren verschrft e Randbedingungen von Motor und
Getriebe zu hheren Anforderungen an das Kupplungssystem (Bild 21).
Die motorseiti ge Anre-gung sowie die Sensiti vitt des Getriebes
beziehungs-weise des gesamten Antriebsstrangs nehmen zu.
Ins-besondere ist ein Trend zu grerer Vielfalt von Vibrati ons- und
Geruschphnomenen in der Schlupf-phase festzustellen. Eine Reihe von
Problemen kn-nen durch axiale Schwingungen der Kurbelwelle
ver-ursacht werden. Einige wichti ge Beispiele hierfr sind:
Pedalvibrati onen
Betti gungsgerusche
Rupfen (Modulati onsanregung)
Antriebsstranggerusche (Rasseln, Ratt ern, Whoop)
Diese zwangs- oder impulserregten Phnomene knnen mit einem
deckelfesten Ausrcksystem (DFA) [10] besonderst e ekti v gelst
werden, da der Anregungsmechanismus kompensiert wird. Der DFA ist
seit 2009 in einer Hybridanwendung in Serie, fr Handschaltgetriebe
bei einigen Auto-mobilherstellern aus unterschiedlichen
Problem-stellungen in der Konzeptphase.
00
1010
2020
4040
5050
3030
11
77
1010
7.27.2
6.16.16.86.8
8.98.9
7.37.38.08.0
44
50
-59
50
-59
60
-69
60
-69
70
-79
70
-79
80
-89
80
-89
90
-99
90
-99
10
0-1
09
10
0-1
09
11
0-1
19
11
0-1
19
12
0-1
29
12
0-1
29
13
0-1
39
13
0-1
39
14
0-1
49
14
0-1
49MotMotorordrdrehzehzahlahl
Mo
tM
oto
rmo
me
no
rmo
me
ntt
MotMotorkorkennennffeldeld
wwaagaagererechechttee
TTeillaseillastktkennlinienennlinienffallendeallende
TTeillaseillastktkennlinienennlinien
RRe
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%e
itin
%
Ebe
ne
Ebe
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ln
orm
al
Ebe
ne
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ne
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12
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2%
StSte
igu
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un
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n
gm
itH
n
ger
er
Sub
jek
Sub
jekt
iv tivee
No
tN
otee
VVerterteilungeilung AnAnffahrahrenerenergiegie(12 % St(12 %
Steigung mit Hngeigung mit Hnger)er)
SubjekSubjektivtivee BeBewwertungertung
AnAnffahrahrenerenergiegie in kJin kJ
AnAnffahrahrsituasituationtion
MotMotorkorkennennffeldeld
Bild 20 Einfl uss Motorkennfeld auf Anfahrstabilitt Fahrversuch
mit 10 Testpersonen
JahrJahr
MotMotorordrdrehzehzahlahl
MotMotorordrdrehzehzahlahl
JahrJahr
RandbedingungRandbedingungenen
Dr
Dre
hz
eh
zah
la
hl
ZZeiteit
Dr
Dre
hz
eh
zah
la
hl
ZZeiteit
VVe
re
rsch
lei
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hle
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TTemperemperaaturtur
KKrraa
ft/
Mo
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/M
om
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PPedalwedalwegeg
MP
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ZZeiteit
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ZZeiteitMo
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tten
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ffak
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r
ZZeiteit
Be
sch
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igu
ng
ZZeiteit
Drehzahl
Drehzahl
ZeitZeit
Fr
Fre
qu
en
ze
qu
en
z
ZZeiteit
SpeSpezifischeszifischesMotMotormomenormomentt
VVolllasolllasttCharCharakaktteriseristiktik
DoDownspeedingwnspeeding
WWenigenigererZZylinderylinder
HherHhereeSensitivitSensitivittt AbAbsenksenkungung
LeerlaufLeerlaufdrdrehzehzahlahlKKurbelwurbelwellenellen
AxialschAxialschwingungwingungenen
ZunahmeZunahmeZusaZusatztzvverbrerbraucheraucher
EEffffekektivtivesesFFahrzahrzeugeugggeewichwichtt
Mo
torm
om
en
t
Mo
torm
om
en
t Mo
torm
om
en
t
eeffff
. Fz
. Fzg
-Ge
g-G
ew
ich
wic
htt
IsolaIsolationtion ImpactsImpactsMechan.Mechan.
BelasBelastungtungAnAnffahr-ahr-qualitqualitttGerGeruscheusche
StStart-art-vverhalterhaltenen
WWrme-rme-haushalthaushalt
PPedal-edal-vibrvibraationentionen
PPedalkredalkraaftftModulaModulationtion
RupRupffenenBelag-Belag-vvererschleischlei
AnAnffororderungderungenen
Bild 21 Verschrft e Randbedingungen und Anforderungen fr ein
Kupplungssystem
-
Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
24 Schae er KOLLOQUIUM 2010 25
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1
Bild 22 zeigt ein Beispiel fr ein Geruschproblem (Rasseln) in
der Schlupfphase, welches durch Kr-perschallspitzen am Getriebe im
zeitlichen Abstand der 0,5-ten Motorordnung charakterisiert ist.
Die Ausgangssituati on mit konventi onellem Ausrck-system ist mit
einer subjekti ven Note von 4 gewer-
tet. Mit DFA wird die Note 10 erreicht, die Spitzen im
Krperschallsignal whrend der Einkuppelphase sind komplett
eliminiert.
Ein weiteres Beispiel fr die Wirksamkeit des DFA zeigt Bild 23.
Bei der Rupfb ewertung kann in die-
sem Fahrzeug mit ei-nem DFA ebenfalls die Note 10 erreicht
wer-den. Die Anregung ist nachweislich durch
Kurbelwellenschwin-gungen verursacht.
Wie stark sich eine An-regung auf die subjekti -ve Note
auswirkt, hngt mageblich von der Schwingungsfhig-keit des Systems
ab, welches angeregt wird. Die gleiche Anregung kann dadurch in dem
einen Fahrzeug zu ei-ner guten und in einem anderen Fahrzeug zu
einer schlechten Bewertung fhren. Beispielsweise zei-gen bezglich
der Rupfempfi ndlichkeit verschiede-ne Fahrzeuge gravierende
Unterschiede, wie der Vergleich von etwa 40 Fahrzeugen in Bild 24
zeigt.
Der Fahrzeugfaktor auf der x-Achse reprsenti ert das e ekti ve
Fahrzeuggewicht beziehungsweise die Fahrzeuggre. Die Rupfempfi
ndlichkeit ist eine Fahrzeugkonstante. Sie ist der Faktor zwischen
Ursache (Anregung) und Wirkung (Fahrzeugvibrati -on) und gilt fr
eine harmonische Anregung in Rup requenz, wobei kleine Werte gnsti
g sind.
Die Limousinen A und B sind in der gleichen Fahr-zeugklasse und
hnlich motorisiert. Die Rupfemp-fi ndlichkeit von Limousine B ist
mehr als doppelt so hoch wie bei Limousine A. Konkret bedeutet
dies, dass bei gleicher Rupfanregung mehr als die dop-pelten
Fahrzeugvibrati onen zu erwarten sind. Das gleiche gilt fr das
Beispiel der beiden Kleinwagen. Allgemein sind die kleineren
Fahrzeuge empfi ndli-cher als die greren, da weniger Masse
beschleu-nigt werden muss. Allerdings kompensiert sich dies
teilweise, da die Motoren kleiner und die Momen-tenkapazitten der
Kupplungen geringer sind.
Die Unterschiede der Empfi ndlichkeiten ergeben sich im
Wesentlichen aus den Wechselwirkungen des Antriebsstrangs mit den
Eigenmoden des Mo-torblocks (Rotati on, Translati on) und der
Radauf-hngung (Translati on).
Fahrzeuge mit hoher Rupfempfi ndlichkeit sind mit dem Stand der
Technik nur schwer zu beherrschen. Spezielle Manahmen knnen
notwendig werden, um Beanstandungen zu vermeiden. Neben Bau-
teilopti mierung kann je nach Anregungstyp ein de-ckelfestes
Ausrcksystem (Bild 23) oder ein Schlag-ausgleichslager (Bild 26)
helfen. Eine weitere Lsung bietet ein Rupft ilger [11] mit dem
Vorteil, unabhngig vom Anregungstyp Rupfen e zient zu reduzieren
beziehungsweise zu vermeiden.
Die mglichen Probleme sind vielschichti g und werden oft erst in
der Fahrzeugerprobung und da-mit spt im Entwicklungsprozess identi
fi ziert. Bei LuK werden intensiv Mess- und Simulati onsmetho-den
entwickelt, um die verschiedenen Phnomene auf Gesamtsystem- und
Komponentenebene nach-zubilden. Ziele sind eine mglichst frhe
Erken-nung potenzieller Probleme sowie die Entwicklung von robusten
Konstrukti onen und Abhilfemanah-men. Beispielsweise ist das
sogenannte Eek-Noise, eine Instabilitt von Eigenmoden der
Getriebeein-gangswelle, virtuell abgebildet worden. Erst da-durch
war es mglich, stabilisierende Manahmen abzuleiten. Konkret wurden
hierfr kipp- und radi-alweiche Kupplungsscheiben entwickelt, die
die Wahrscheinlichkeit eines instabilen Systemverhal-tens deutlich
reduzieren [11].
Im Zusammenhang mit Pedalvibrati onen kann mit Hilfe von
fundierten Simulati onsmodellen das ge-samte System vom Schwungrad
bis zum Pedal ana-lysiert und opti miert werden [12]. Diese
Mglich-keit wird im Entwicklungsprozess intensiv genutzt, um
Hydraulikleitungen und -dmpfer genau abzu-sti mmen [10]. Auch
vermeintlich kleine Details werden exakt modelliert und untersucht.
Ein Bei-spiel hierfr ist die Schnitt stelle zwischen
Tellerfe-derzungen und Ausrcklager. Je nach Gestaltung von
Zungenform und Reibwert in der Kontaktzone,
00 22 3311
00 22 3311
20002000
40004000
30003000
-600-600
600600
00
20002000
40004000
30003000
00 22 3311
00 22 3311-600-600
600600
00
AusrckAusrckssyyssttemem
deckdeckelfelfesesttAusrckAusrckssyyssttemem
kkononvvenentionelltionellsubjeksubjektivtivee NotNote 10e
10subjeksubjektivtivee NotNote 4e 4
ZZeiteit tt in sin s
ZZeiteit tt in sin sD
rD
reh
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hza
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1/m
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1/m
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ZZeiteit tt in sin s
ZZeiteit tt in sin s
KK
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inP
inP
aa
GetriebeMotor
Bild 22 Rasselgerusch in der Schlupfphase Wirksamkeit
deckelfestes Ausrcksystem (DFA)
22
00
11
00 22 3311
500500
15001500
10001000
00 88 10102200
6644
500500
15001500
10001000
00 88 10102200
6644
22
00
11
00 22 3311
AusrckAusrckssyyssttemem
deckdeckelfelfesesttAusrckAusrckssyyssttemem
kkononvvenentionelltionellsubjeksubjektivtivee NotNote 10e
10subjeksubjektivtivee NotNote 6,5e 6,5
ZZeiteit tt in sin s
ZZeiteit tt in sin s
ZZeiteit tt in sin s
ZZeiteit tt in sin s
Dr
Dre
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/in
m/ss
22
Dr
Dre
hz
eh
zah
la
hlnn
in1
/min
in1
/min
Be
sch
leu
nig
un
gB
esc
hle
un
igu
ng
aaFz
Fzgg
inm
/in
m/ss
22
GetriebeMotor
Bild 23 Kurbelwellenerregtes Rupfen Wirksamkeit deckelfestes
Ausrcksystem (DFA)
55
0,00,0
0,50,5
1,01,0
1,51,5
0,000,00 0,020,02 0,040,04 0,060,06
2020
4040
1010
kk ==FzFzgg mFzg
iAchseiGang
rdyn
(1,44 kgm(1,44 kgm ))--11
(( kgmkgm ))--11
0,700,70(0,60 kgm(0,60 kgm ))
--11
(0,26 kgm(0,26 kgm ))--11
FFahrzahrzeugfeugfakakttoror kkFzFzgg in 1/kgmin 1/kgm
Ru
pR
up
ffem
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fin
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hk
fin
dlic
hke
ite
itin
1/k
gmin
1/k
gm
VVererssttrkrkungung
LimousineLimousine AA
LimousineLimousine BBKleinKleinwwagagenen AA
KleinKleinwwagagenen BB
Bild 24 Benchmark Rupfempfi ndlichkeit von Personenkraft wagen
im 1. Gang
-
Schae er KOLLOQUIUM 2010
1 Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
26 Schae er KOLLOQUIUM 2010 27
1Kupplungssysteme und Torsionsdmpfer
1sind auch an dieser Stelle je nach Aus-gangslage nennenswer-te
Verbesserungen mglich (Bild 25). Posi-ti v ist ein mglichst
ge-ringer Reibwert, der zuverlssig durch eine zustzliche
Kontakt-scheibe am Ausrckla-ger realisiert werden kann [10].
Um mgliche Proble-me frhzeiti g zu identi -fi zieren, ist eine
inten-sive Zusammenarbeit von Automobilherstel-ler und Lieferant
auf-grund verschrft er Randbedingungen noch wichti ger geworden.
Nur so kann ein Handlungs-bedarf mglichst frh erkannt und die aus
techni-scher und kommerzieller Sicht beste Lsung ge-meinsam
entwickelt werden. Einige bekannte, aber auch neue Beispiele fr
problem- und kom-fortorienti erte Systemlsungen sind in Bild 26
dargestellt.
ZusammenfassungIm Wett lauf mit Hybridisierung und letztendlich
Elektrifi zierung der Antriebsstrnge wird der Ver-brennungsmotor
noch geraume Zeit die Fhrungs-rolle beanspruchen.
Motorseiti ge Opti mierungen sowie die Auswahl ei-nes geeigneten
Getriebekonzeptes zur Ausschp-fung der Verbauchsredukti
onspotenziale werden hier aus dem bisherigen Zielkonfl ikt Fahrspa
oder E zienz das Ziel Fahrspa und E zienz machen.
Ein wesentliches Schlsselelement fr solche An-triebsstrnge
werden die Dmpfer- und Kupplungs-systeme darstellen. Ihnen wird die
Herkulesaufgabe zukommen, bei steigenden Ungleichfrmigkeiten,
zunehmenden Komfortansprchen und reibungsop-ti mierten
Antriebsstrngen opti male Isolati onsgra-de zu bieten.
Schaltempfehlungen, Stopp-Start Systeme sowie eben je nach
Fahrzeugklasse die Automati sierung von Getrieben werden in
absehbarer Zeit eine Selbstver-stndlichkeit sein und nicht mehr um
die Akzeptanz der Fahrzeugkufer werben mssen. Das Gros dieser
technischen Lsungen lsst sich durch intelligente Weiterentwicklung
bestehender Komponenten wie ZMS, Kupplung und Ausrcksystem
darstellen.
Mehr denn je wird eine enge Zusammenarbeit zwi-schen
Automobilhersteller und Lieferant notwen-dig sein: zum einen bei
der Konzeptauswahl bezie-hungsweise sogar bei der
Antriebsstrangdefi niti on, zum anderen bei der
Serienentwicklung.
Literatur[1] Zink, M.; Hausner, M.; Welter, R.; Shead, R.:
Kupplung und Ausrcksystem So macht Kuppeln Spa! 8. LuK
Kolloquium 2006
[2] Shell Pkw-Szenarien bis 2030 Fakten, Trends und
Handlungsopti onen fr nach-halti ge Auto-Mobilitt. htt
p://www.shell.de/pkwszenarien
[3] Mller, B.: LuK-Drehmomentwandler Strategiefhige Wandler fr
neue Automa-ti kgetriebe. VDI-Bericht Nr. 2029, Dssel-dorf 2008
[4] Zink, M.; Hausner, M.: Das Fliehkraft pendel Anwendung,
Leistung und Grenzen dreh-zahladapti ver Tilger. ATZ, Heft 07/08
2009
[5] Kroll, J.; Kooy, A.; Seebacher, R.: Land in Sicht? -
Torsionsschwingungsdmpfung fr zuknft ige Motoren. 9. LuK Kolloquium
2010
[6] Reik, W.: Torsionsschwingungsisolati on im Antriebsstrang
Ein Wertungsversuch. 4. LuK Kolloquium 1990
[7] Kooy, A.; Gillmann, A.; Jckle, J.; Bosse, M.: ZMS Nichts
Neues? 7. LuK Kolloquium 2002
[8] Sti ef, H.; Pfl ug, R.; Schmidt, T.; Fechler, C.:
Riementriebsysteme CO2-Reduzierungs-potenziale und wie sie erreicht
werden. 9. LuK Kolloquium 2010
[9] Bosch: Presseinformati on PI6753 August 2009
[10] Welter, R.; Lang, V.; Wolf, B.: Kupplungsbe-tti gung mit
Kpfchen. 9. LuK Kolloquium 2010
[11] Freitag, J.; Gerhardt, F.; Hausner, M.; Witt -mann, C.: Das
Kupplungssystem der Zu-kunft mehr als Trennen und Verbinden. 9. LuK
Kolloquium 2010
[12] Fidlin, A.; Ineichen, L.; Kremer, E.; Klnder, D.;
Tikhomolov, A.: Schwingungen im Kupplungssystem: Von der
Kurbelwelle bis zum Pedal. VDI-Bericht Nr. 2077, Dssel-dorf
2009
DeckDeckelfelfesestteses AusrckAusrckssyyssttememEliminierung
vEliminierung von NVH-Pron NVH-Problemenoblemenaufaufgrund vgrund
von Kon Kurbelwurbelwellen-ellen-AxialschAxialschwingungwingungen
[10]en [10]
SchlagSchlagausgleichslagausgleichslagererRReduzierung
veduzierung von gon geomeeometrischertrischerRupRupffanranregung
[10]egung [10]
KKribbelfiltribbelfiltererRReduzierung veduzierung von Pon
Pedalvibredalvibraationentionen(insbesonder(insbesondere niederfre
niederfrequenequenttes Pulsen)[10]es Pulsen)[10]
AusrcklagAusrcklagerer mit Kmit
Kunsunstststtoffoffscheibescheibeggeringeringerere Re Reibung im
Beeibung im Betttigungsstigungssyyssttem,em,RReduzierung
veduzierung von Druckon Druckschschwingungwingungen [10]en [10]
HyHydrdraulischeraulischer TilgTilgererRReduzierung veduzierung
von Druckon Druckschschwingungwingungenenim Ausrckim
Ausrckssyyssttemem(Fr(Frequenzberequenzbereich ~ 100eich ~ 100
500Hz) [10]500Hz) [10]
KKupplungspedalupplungspedal mitmit
FFederederspeicherspeicherRReduzierung der Beeduzierung der
Betttigungskrtigungskrftfte,e,OpOptimierung Betimierung
Betttigungskrtigungskraaftvftverlauf [10]erlauf [10]
VVolumensolumenstrtromgomgereregegeltelterer PPTLTL
Schutz fr ZMS und AnSchutz fr ZMS und Antriebtriebsssstrtrang
vang vororSpitzSpitzenmomenenmomentten, gen, geringeringe Dre
Drosselvosselverluserlustteebei normaler Bebei normaler
Betttigungsgtigungsgescheschwindigkwindigkeiteit
SerServvounounttererssttzttzungungggeringeringe Bee
Betttigungskrtigungskrftfte unde
undBeBetttigungshtigungshyyssttererese,ese,opoptimaler Ktimaler
Krraaftvftverlauf [1]erlauf [1]
RupRupftilgftilgerer
RReduzierung aller zeduzierung aller
zwwangsangangsangereregegtten Rupen
Rupffschschwingungwingungen,en,VVermeidung vermeidung von Selbon
Selbssttanranregung (Belagrupegung (Belagrupffen)[11]en)[11]
AbkAbkopplungs-Mitnehmeropplungs-MitnehmerscheibescheibeRReduzierung
veduzierung von Geron Geruschen in deruschen in
derSchlupSchlupfphase auffphase aufgrund insgrund
insttabilerabilerGeGetriebeeingtriebeeingangsangswwellen-Moden
[11]ellen-Moden [11]
Bild 26 Beispiele fr e ziente Produkte zur Opti mierung des
Systemverhaltens in der Schlupfphase
a)a)
b)b)
-0,5-0,5
0,00,0
0,50,5
-0,5-0,5
0,00,0
0,50,5
-0,5-0,5
0,00,0
0,50,5
-0,5-0,5
0,00,0
0,50,5
AxialeAxiale AnrAnregungegung
AxialschAxialschwingungwingung
TTellerfellerfederzederzungungee
RadialschRadialschwingungwingung
TTellerfellerfederzederzungungee
ggeringeringe Zunge Zungenhheenhheniedrigniedriger Rer
Reibeibwwertert
PPed
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leu
nig
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s
hohe Zunghohe Zungenhheenhhehoher Rhoher Reibeibwwertert
PPed
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nig
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g(E(E
ffffekek
tiv
tivww
ert)
inm
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t)in
m/s
s
MessungMessungSimulaSimulationtionVVarianarianttee
Bild 25 Pedalvibrati onen Detailopti mierung an der
Kontaktstelle Tellerfederzungen zu Ausrcklager