Antriebssysteme der Zukunft

24 25 Antriebssysteme der Zukunft Motor-, Getriebe- und Dämpfersysteme für Downspeeding, Downsizing und Zylinderabschaltung NODH I O E A SM I OUENL...
Author: Harald Schubert
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Antriebssysteme der Zukunft Motor-, Getriebe- und Dämpfersysteme für Downspeeding, Downsizing und Zylinderabschaltung

NODH I O E A SM I OUENL O ANG AD F J G I O J E RU I NKOP J EWL S PNZ AD F T O I E OHO I OO ANG AD F J G I O J E RU I NKOPO ANG AD F J G I O J E R O I E U G I A F E D O N G I U AMU H I O G DN O I E R N GMD S A U K Z Q I N K J S L O G DWO I A D U I G I R Z H I O G DN O I E R N GMD S A U K NMH I O G DN O I E R N G HBN ZWE D C V BNH Z U I O P L K UH G F T S A C V B O F E T Z HN A X C F T J K J ZMH Z DHNB P D R D D L R A E F B A F V NK F NK R EWS P D L RN E F B A F V NK F N UDMP B D BHMG R X B D P B D L D B E U R L F V NK F NK R EWS P L O C Y Q DMF E F B S A T B G P D B D D L R B E Z B A F V R K F NK R EWS P Z L R B E O B A F V NK F N A A T R U R O L L I E R E N D N H I F G D N E S E R N G M J B N D S A U K Z Q I N K J S L W O I E P Dr.-Ing. 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Antriebssysteme

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Einleitung Um die verkehrsbedingten CO2-Emissionen zu reduzieren, sind neben der Hybridisierung des Antriebsstrangs, die insbesondere im Stadtverkehr vorteilhaft ist, Anstrengungen zur Verbesserung des Nutzungswirkungsgrades konventioneller Antriebsstränge nötig. Hierbei sind zunächst Maßnahmen zur direkten Reduzierung von Reibungsverlusten in den Systemen Verbrennungsmotor, Getriebe und Fahrwerk gefragt. Dies sind beispielsweise reibungsoptimierte Lagerungen und Dichtungen sowie reibbeiwertmindernde Beschichtungen. Weiterhin sind die Schlupfverluste in den Anfahrelementen zu verringern. Hier sind hydrodynamische Drehmomentwandler mit Überbrückungskupplungen zu nennen, die mit Hilfe optimierter Dämpfer bereits bei sehr DCT

AT

CVT

Mit weiterentwickelten Dämpfersystemen werden gleichzeitig Downsizingkonzepte mit verringerter Zylinderzahl und damit verringerter innerer Motorreibung bei massiv erhöhter Drehschwingungsanregung ermöglicht. Abschließend wird eine rollierende Zylinderabschaltung vorgestellt, die den Betrieb von Dreizylindermotoren im 1,5-Zylinderbetrieb ermöglicht. Es wird ausführlich dargestellt, mit welchen Maßnahmen sich dabei das Auftreten von zu starken Drehschwingungen im gesamten Antriebsstrang verhindern lässt.

Verbrauchsminderung durch Maßnahmen im Getriebe

Bild 1

Produktportfolio-Beispiele aus dem Unternehmensbereich Getriebesysteme von Schaeffler zur Verringerung von Verlusten und zur Optimierung von Komfort und NVH-Verhalten

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weil bei diesen Optimierungen teilweise geringere Mehrkosten bezogen auf den Effizienzgewinn entstehen. Aufgrund gesetzgeberischer Regelungen, die beispielsweise in der EU ab 2020/2021 oberhalb einer CO2-Emissionsgrenze von 95 g/km gestufte Strafzahlungen von bis zu 95 Euro pro g CO2/km Überschreitung vorsehen, sind nun klare Zielwerte bezüglich des akzeptablen Mehraufwandes für Effizienzsteigerungen ableitbar. In den Beiträgen des 10. Schaeffler Kolloquiums 2014 werden viele Lösungen zur Verringerung der CO2-Emissionen im Detail vorgestellt. Einen Überblick über das Produktportfolio gibt Bild 1. In Planetenautomatgetrieben werden zunehmend Gleitlagerungen durch Wälzlagerungen ersetzt. Dabei kommen sehr häufig Nadellager zum Einsatz, die im Falle der Planetenradlagerung einer Zentripetalbeschleunigung ausgesetzt sind. In den neuesten Neungang-Automatgetrieben, sowohl für Längs- als auch für Front-QuerAnordnung, mussten hier Werte bis zu 7.200 g berücksichtigt und durch entsprechende Gestaltung ertragbar gemacht werden (Bild 2).

Eine Analyse der Energieverluste in der Kette vom Kraftstoff bis zur Leistung am Rad zeigt zwar, dass der größte Teil der Energieverluste bei der Umwandlung von im Kraftstoff gebundener chemischer Energie in mechanische Leistung an der Kurbelwelle entsteht. Ursachen sind die großen thermodynamischen und Reibungsverluste in der Verbrennungskraftmaschine. Demgegenüber liegen die Wirkungsmax. grade in der Kraftmax. 7.200 g max. 6.000 g übertragung je max. 4.700 g nach Getriebesys3.500 g tem und Betriebszustand bei mehr als 90 %. Dennoch sind auch Anstren6-Gang 9-Gang gungen zur Reduzierung dieser eher Bild 2 Zentripetalbeschleunigungswerte in der Planetenlagerung von geringen VerlustAutomatgetrieben und neuartige Axialnadellagerung für Planeten mit anteile wertvoll, hoher Relativdrehzahl Zentripetalbeschleunigungen

MT

niedrigen Motordrehzahlen überbrückt werden. Auch neue Doppelkupplungssysteme mit verringerten Schleppverlusten der passiven Kupplung in nasslaufender oder noch besser mit trockenlaufender Ausführung leisten hierzu Beiträge. In diesem Beitrag wird außerdem über Verbesserungen im Gesamtsystem berichtet, indem durch Maßnahmen auf der Getriebeseite der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht wird. Dies sind zum Beispiel Getriebe mit vergrößerter Übersetzungsspreizung, die zu verringerten Motordrehzahlen auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten führen [1]. Optimierte Dämpfersysteme dienen dazu, die Torsionsschwingungsanregungen, die die zyklische Verbrennung im Motor in den gesamten Triebstrang einbringt, noch besser zu reduzieren bzw. zu isolieren, und dadurch das verbrauchsmindernde Downspeeding der Antriebe zu unterstützen.

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Antriebssysteme

Beim CVT werden die Vorteile der LuK-Kette mit reibungsarmen Wiegegelenken im Vergleich zu anderen CVT-Umschlingungsmitteln [2, 3] mit Kraftstoffverbrauchsvorteilen bis zu 4  % zunehmend im Markt realisiert. Ausgehend von den Hochdrehmomentanwendungen mit 400  Nm kommen inzwischen auch Ketten mit kleineren Teilungslängen zum Einsatz. Neben den in Großserie produzierten Kettentypen 08 und 07 werden kleinere Typen 06 und 05 für die Nutzung der Robustheits- und Effizienzvorteile auch im unteren Drehmoment- und Fahrzeugklassenbereich entwickelt.

Anfahrelemente Unter der Schaeffler-Marke LuK wird ein breites Portfolio an Anfahrelementen produziert, von der Trockenkupplung für Handschaltgetriebe über Drehmomentwandler bis hin zu Doppelkupplungen in trockenund nasslaufender Ausführung.

Hydrodynamische Drehmomentwandler Für Automatgetriebe werden hydrodynamische Drehmomentwandler geliefert, bei denen neben der Optimierung des hydrodynamischen Kreises für geringe Verluste auch im offenen Wandlerbetrieb folgende Entwicklungsschwerpunkte berücksichtigt sind: – leistungsfähige Torsionsdämpfer einschließlich im Öl laufender Fliehkraftpendel zur Ermöglichung früher Überbrückung bereits bei niedrigen Motordrehzahlen und – die Verringerung der zu beschleunigenden Drehmassen. Große Fortschritte werden erzielt mit der Innovation in Form des iTC (integrierter Drehmomentwandler), bei dem als Neuheit die Überbrückungskupplung in das Turbinenrad integriert wird [4] (Bild 3).

Doppelkupplungssysteme und deren Aktuatorik Für die immer größere Marktbedeutung erlangenden Doppelkupplungsgetriebe [5, 6] liefert

Überbrückungskupplung in Turbine integriert

Bild 3

Neuartiger iTC mit Integration der LockUp-Kupplung in das Turbinenrad

180 Nm „trocken“

2

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370 Nm „nass“

Lieferumfang Schaeffler

Bild 4

Trocken- und nasslaufende Doppelkupplungssysteme einschließlich elektrisch betriebener Kupplungs- und Getriebeaktuatoren von Schaeffler für Hybridgetriebe

die Schaeffler-Marke LuK seit Ende 2007 trockene Doppelkupplungssysteme. Diese haben gegenüber nassen Doppelkupplungen den Vorteil, keine fluidbedingten Schleppverluste in der jeweils offenen Kupplung zu verursachen. Damit sind etwa 2 % Verbrauchsund CO2-Emissionsvorteile im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) verbunden. Inzwischen werden trockene Doppelkupplungen an fünf internationale OEMs und Getriebehersteller in Großserie geliefert, auch für hybridisierte Versionen (Bild 4). Das Anwendungsspektrum der trockenlaufenden Doppelkupplung umfasst derzeit Motordrehmomente bis circa 250 Nm. Die aktuelle Entwicklung zielt insbesondere darauf, die Komforteigenschaften weiter zu optimieren, um die steigenden Ansprüche und weit gespreizten Nutzungsprofile – auch in Verbindung mit hybridisierten Antriebssträngen – zu bedienen. Nachdem Schaeffler bereits an den ersten Grundlagenentwicklungen von nasslaufenden Lamellenkupplungen im 300-Nm-Bereich beteiligt war, wurde 2013 die Serienfertigung der ersten nasslaufenden Doppelkupplungen der Schaeffler-Marke LuK gestartet, rechts in Bild 4.

In vielen Fällen liefert LuK nicht nur die Doppelkupplung, sondern das System einschließlich der hilfsenergieoptimierten Kupplungsaktuierung. So folgt der Hebelaktor dem Power-onDemand-Prinzip, weshalb die Aktuierung mit kleinen bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLCD) erfolgen kann und die elektrische Leistungsaufnahme im praxisnahen Fahrbetrieb einschließlich elektromechanischer Gangbetätigung unter 20 W beträgt [7]. Darüber hinaus ist ein neuer elektrisch betriebener hydrostatischer Kupplungsaktuator (HCA, Hydrostatic Clutch Actuator) in Serie gegangen. Der HCA wurde zur Betätigung sowohl der trockenen als auch der nasslaufenden Doppelkupplungen in Verbindung mit Einrücklagern modular entwickelt. Gleichzeitig begann die Serienfertigung eines neuartigen Schaltaktuators, der das Active-Interlock-Konzept nutzt, um mit Hilfe von zwei E-Motoren alle Gänge des hybridisierten Doppelkupplungsgetriebes zu betätigen. Auch dieser Aktuator wurde dahingehend modular entwickelt, dass er sowohl im trockenen als auch im nassen Doppelkupplungsgetriebe Einsatz findet, links und rechts in Bild 4.

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Antriebssysteme

300

Volllastkennlinie 2014

Moment in Nm

weniger Zylinder

Moment in Nm

Die Trends in der Motorenentwicklung stellen hohe Anforderungen an die Dämpfersysteme: – Downsizing zur Verringerung der inneren Motorverluste mit der Folge höherer Drehschwingungsanregungen durch geringere Zylinderzahlen mit gleichzeitig niedrigeren Anregungsfrequenzen; – höhere Aufladung mit entsprechender Drehmomentsteigerung und höheren Spitzendrücken, was zu erhöhten Anregungsamplituden führt; – Downspeeding mit hohen Momenten bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen durch weiter optimierte Aufladungskonzepte, was zu nochmals niedrigeren Anregungsfrequenzen bei gleichzeitig sehr hohen Amplituden führt.

Die Entwicklungshistorie der Dämpfersysteme umfasst den Übergang von der torsionsgedämpften Kupplungsscheibe über das Zweimassenschwungrad mit extrem tief abgestimmter erster Eigenfrequenz und entsprechender Isolation aller höheren Anregungsfrequenzen bis zur Einführung des Fliehkaftpendels (Bild 5). Das Fliehkraftpendel stellt einen Schwingungstilger dar, dessen Frequenz der Motordrehzahl aufgrund der Fliehkraftwirkung exakt nachgeführt wird, so dass für alle Drehzahlen entsprechend der Hauptmotorordnung der Tilgereffekt genutzt wird. Aufgrund der Positionierung des Fliehkraftpendels (FKP oder CPA, Centrifugal Pendulum Absorber) auf der Sekundärseite des Zweimassenschwungrades (ZMS) konnte hier mit kleinem Masseneinsatz eine große Wirkung zur weiteren Reduzierung der bereits durch das ZMS isolierten Motoranregung am Getriebeeingang erreicht werden. Dies wird sowohl für Handschaltgetriebe (MT) als auch für Doppelkupp-

Downspeeding

300

größerere Sensitivität

Torsionsdämpfer

1990 100

100

0

0 1.000 4.000 Drehzahl in min-1

1.000 4.000 Drehzahl in min-1

Zweimassen1985 schwungrad

ZMS + Fliehkraft2008 pendel

Bild 5

Entwicklungshistorie der Dämpfersysteme

Fahrzeug Prim. Sek. Getriebe

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FKP in ZMS lungsgetriebe FKP in Wandler für MT & DCT für AT (DCT) genutzt. Bei trockenen Doppelk u p p l u n g s s y s te men ist der Einsatz bisher nicht notwendig, weil allein aufgrund der erforderlichen thermiFliehkraftpendel schen Massen der Druckplatten eine hinreichende Isolation der Drehschwingungen mit dem konventionelMT DCT AT len Zweimassenschwungrad er40 40 40 reicht wird. Es ist gelungen, das Flieh20 20 20 kraftpendel auch im Dämpfer von Drehmomentwand0 0 0 lern (AT) anzuwen1.000 1.500 2.000 1.000 1.500 2.000 1.000 1.500 2.000 den (Bild 6). Drehzahl in min-1 Bei der AnwenStandard dung im Drehmomit FKP mentwandler war zu berücksichtigen, Bild 6 Anwendung und Wirkung des Fliehkraftpendels im Zweimassendass das Fliehschwungrad für Handschalt- und Doppelkupplungsgetriebe sowie kraftpendel hier im im Drehmomentwandler Öl liegt, so dass entsprechende Anpassungen der KennliDämpfersysteme für niencharakteristik durch Simulationen Zylinderabschaltung und Messungen am Komponentenprüfstand und im Fahrzeug zu erarbeiten waZur Verringerung von Kraftstoffverbrauch ren, um zu einem optimalen Ergebnis im und CO2-Emissionen wird zunehmend die Betrieb zu kommen. Durch Einsatz des Abschaltung einiger Zylinder der Verbrennungsmotoren im Teillastbetrieb eingeführt. Fliehkraftpendels kann zum einen die Dies führt zu der Anforderung an das Überbrückungskupplung früher geschlosDämpfersystem, sowohl den Motorvoll- als sen werden – das ist bis zu Drehzahlen auch den Teilbetrieb mit guter NVH-Qualität unter 1.000 min-1 möglich – und zum anzu ermöglichen. Noch am einfachsten zu deren auf verlustbehafteten akustischen beherrschen ist der V8-Motor im VierzylinMikroschlupf verzichtet werden. Neben der-Betrieb. Hier kann je nach Anwendung der Verbrauchseinsparung wurde dader konventionelle Dämpfer auf den Vollmodurch auch eine stärkere Anbindung im torbetrieb und das zusätzliche Fliehkraftgesamten Triebstrang mit besserem Dypendel allein auf den Zylinderabschaltbenamikempfinden erreicht. DrehzahlAmplitude in min-1

Dämpfersysteme zur Torsionsschwingungsisolation

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Antriebssysteme

4-Zylinder-FKP 8-Zylinder-FKP

Bild 7

Fliehkraftpendel-Kombination mit zwei verschiedenen Abstimmungen für den Vollmotorbetrieb und für den Zylinderabschaltbetrieb

trieb ausgelegt werden, so dass in beiden Fällen ein gutes Drehschwingungsverhalten dargestellt werden kann. Bei einem Vierzylindermotor mit Zylinderabschaltung der beiden mittleren Zylinder konnte aufgrund des eingeschränkten Drehmomentbereiches für den Zweizylinder-Betrieb bereits durch Optimierung einer zweistufigen Kenn-

linie des Zweimassenschwungrades eine adäquate Dämpferlösung realisiert werden. Neue Anwendungen mit sehr hohen Nennmomenten sowohl in V8- als auch in Vierzylindermotoren stellen jedoch erhöhte Anforderungen sowohl für den Voll- als auch für den Teilmotorbetrieb. Hier wird an Lösungen gearbeitet, die sogar zwei verschiedene Fliehkraftpendelsysteme enthalten, um beide Betriebsarten unabhängiger voneinander optimieren zu können (Bild 7). Dabei wird ein Pendelpaar auf den Voll- und eines auf den Teilmotorbetrieb mit halbierter Haupterregerordnung abgestimmt.

Neuartige rollierende Zylinderabschaltung für den „1,5-Zylindermotor“

Ampiltude in min-1

Ampiltude in min-1

Soll auch beim Dreizylindermotor eine weitere CO2-Einsparung durch Zylinderabschaltung erreicht werden, stellt sich die Frage, ob dies durch einfache statische Abschaltung eines Zylinders erreicht Motor werden kann. Die Si200 Fahrbereich CDA 2/3 ZMS, DCT, ohne FKP mulation der DrehCDA 2/3 160 schwingungen zeigt 120 jedoch große Anre80 gungsamplituden 40 auf (Bild 8). 0 Die OrdnungsGetriebe analyse zeigt darüber 200 Fahrbereich CDA 2/3 hinaus, dass die An160 regung hauptsäch120 lich von einer sehr 80 niedrigen 0,5ten 40 Grundordnung ge0 prägt ist (Bild  9). 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200 3.600 4.000 -1 Diese ist mit heutigen Drehzahl in min Dreizylinder Dämpferkonzepten CDA 2/3 kaum auf ein für den Bild 8 Drehschwingungsanregung bei konventioneller statischer ZylinderdeaktiTriebstrang akzeptables Torsionsschwinvierung mit zwei aktiven von drei Zylindern (Cylinder Deactivation, CDA 2/3)

Motor gungsniveau zu be200 Fahrbereich CDA 2/3 ZMS, DCT, ohne FKP kommen. CDA 2/3 160 Weiterführende 120 Überlegungen zu 80 den physikalischen 40 und mathemati0 schen HintergrünGetriebe den der Entstehung 200 Fahrbereich CDA 2/3 der Erregerordnun160 gen münden in den 120 Vorschlag, beim 80 Dreizylindermotor 40 eine rollierende Zy0 linderabschaltung 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200 3.600 4.000 durchzuführen, Drehzahl in min-1 was letztlich einen 1,0. Ordnung 0,5. Ordnung „1,5 -Zy l i n d e r-B e 1,5. Ordnung 2,0. Ordnung trieb“ nach sich zieht (Bild 10). Der Bild 9 Ordnungsanalyse bei konventioneller statischer ZylinderdeaktivieGrundgedanke rung CDA 2/3 hierbei ist, dass folgende Zylinderarbeitsspiele ergibt, und sich bei einem alternierenden Wechsel von deren höheren Harmonischen. Die periodiaktivem und nicht aktivem Zylinder das Zeitsche Wiederholung fällt bereits nach 2/3 signal der Anregung bereits nach zwei einer Nockenwellenumdrehung an und durchlaufenen Zylinderarbeitsspielen perionicht erst nach einer kompletten Umdredisch wiederholt. Das Frequenzspektrum hung der Nockenwelle, wie es beim statider Anregung wird damit bestimmt aus eischen Abschalten eines festen Zylinders ner Grundfrequenz, die sich aus dem Kehrder Fall wäre. wert der Zeitdauer für nur zwei aufeinanderAmpiltude in min-1

FKP für 8- und 4-Zylinderbetrieb

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Ampiltude in min-1

FKP für 4-Zylinderbetrieb

2

I

II

III

I

II

III

I

II

Vollmotorbetrieb R3

fR3 = 1/TR3 ~ 1,5. Ordnung

TR3

Statische Zylinderabschaltung CDA 2/3 fCDA = 1/TCDA ~ 0,5. Ordnung

TCDA

Rollierende Zylinderabschaltung RCD 1.5 fRCD = 1/TRCD ~ 0,75. Ordnung

TRCD

Bild 10 Prinzip der rollierenden Zylinderabschaltung „RCD 1.5“ mit 1,5 aktiven von drei Zylindern

III

34

Antriebssysteme

Zündende Zylinder

Nicht zündende Zylinder

Reibungsverluste ist. Außerdem ist die Drehschwingungsanregung in der 0,75ten Ordnung aufgrund der großen anregenden Zylinderdrücke nicht akzeptabel. Variante 2, Frischluft im Zylinder: Nachteilig sind hierbei die Verluste aufgrund der Arbeitsdrücke. Außerdem wird hierbei die 0,75te Grundordnung immer noch anteilig durch die zusätzliche zweite „Dummy“-Verdichtung in nichtsynchroner Phasenlage zu der ausgefallenen Zündung angeregt. Variante 3, fast kein Gas im Zylinder: Nach dem Ausschieben des letzten Verbrennungsgases des vorherigen Taktes bleiben die Ein- und Auslassventile geschlossen, so dass zweimal gegen Unterdruck angesaugt und anschließend unter Zurückgewinnung eines Großteils der Druckenergie verdichtet wird. Beim übernächsten Kolben-OT werden dann die Einlassventile wieder geöffnet, so dass wieder normal angesaugt, verdichtet, gezündet und gearbeitet wird.





Drehmoment in Nm

Frischluft im deaktivierten Zylinder eingeschlossen, verdichtet und ohne Verbrennung passiv expandiert. Grundsätzlich stehen aber auch die Varianten „Abgas im Zylinder“ oder „fast kein Gas im Zylinder“ zu belassen zur Diskussion. Ein deaktivierter Zylinder verdichtet und expandiert während einer Nockenwellenumdrehung zweimal ohne Zündung und Verbrennung, während ein aktiver Zylinder im Viertakt-Betrieb nur eine Verdichtung und Expansion hat und die zweite Hälfte einer Nockenwellenumdrehung für den Gaswechsel verwendet wird. Die aus einem deaktivierten Zylinder kommende Anregung erfolgt somit zweimal pro Nockenwellenumdrehung, die eines aktiven Zylinders nur einmal. Werden die drei Varianten der möglichen Zylinderfüllung betrachtet, dann ergibt sich für RCD 1.5 folgendes Ergebnis: – Variante 1, Abgas im Zylinder belassen: Hierbei treten entsprechend dem Restgasdruck vergleichsweise hohe Arbeitsdrücke auf, was nachteilig für die thermodynamischen Prozess- und

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Phasen Zylinder I

Drehmoment in Nm

Ampiltude in min-1

Ampiltude in min-1

Die Grundfrequenz Motor 200 Fahrbereich RCD 1.5 ZMS, DCT, ohne FKP der AnregungsRCD 1.5 160 funktion ist 3/2 bzw. 120 das 1,5-fache der 80 Nockenwellendreh40 zahl und damit die 0 0,75te Ordnung der KurbelwellendrehGetriebe 200 Fahrbereich RCD 1.5 frequenz (Bild  11). 160 Es ist plausibel, 120 dass der alternie80 rende Betrieb von 40 aktiven und nicht aktiven Zylindern 0 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200 3.600 4.000 beim DreizylinderDrehzahl in min-1 motor einen 1,5-Zy0,75. Ordnung 1,5. Ordnung linderbetrieb ergibt, 2,25. Ordnung 3,0. Ordnung der beim Viertaktarbeitsprinzip eine 0,75te GrundordBild 11 Ordnungsanalyse bei RCD 1.5-Betrieb mit 0,75. Grundordnung ohne nung erzeugt. Fliehkraftpendel Die hier vorge– Dadurch auch kein Auskühlen der deschlagene rollierende Zylinderabschaltung aktivierten Zylinder, womit eine Verrin„RCD 1.5“ (Rolling Cylinder Deactivation) mit gerung der thermisch bedingten Zylin1,5 rollierend aktiven von drei Zylindern biederverzüge im Abschaltbetrieb erreicht tet damit im Vergleich zur statischen Zylinwird. derdeaktivierung mit zwei festen aktiven – Da es bei dem RCD  1.5-Konzept keivon drei Zylindern (CDA 2/3) folgende Banen längerfristig deaktivierten Zylinder sisvorteile: – Grundanregungsfrequenz 0,75ter Ordgibt, sind weniger Warmlaufmaßnung anstelle praktisch nicht beherrschbanahmen als beim Konzept der statirer niederfrequenter 0,5ter Ordnung, alle schen Zylinderabschaltung nötig. Es Anregungsfrequenzen liegen um 50 % hökann daher bereits ab Kaltstart mit her – das Hauptziel dieser Entwicklung; RCD  1.5-Funktionalität gefahren wer– nochmals höhere Verbrauchseinspaden, was eine weitere Verbesserung rung durch 1,5 anstelle von zwei aktiven des Kraftstoffverbrauchs im Vergleich Zylindern. zur statischen Zylinderdeaktivierung Als Ergebnis weiterer Untersuchungen könnach sich zieht. nen darüber hinaus folgende zusätzliche Vorteile im Vergleich zu einer statischen Zylinderabschaltung angegeben werden: Optimierung der Zylinderfüllung im – Kein Ölansaugen durch Unterdruck, weil Abschaltbetrieb jeder deaktivierte Zylinder bei der nächsten Nockenwellenumdrehung wieder akEs stellt sich nun die Frage, wie und mit weltiv befeuert ist und damit nicht über einen chen Füllungen die deaktivierten Zylinder längeren Zeitraum hinweg Unterdruckbetrieben werden sollten. Bei heutigen phasen im Zylinder herrschen. Zylinderabschaltungen wird üblicherweise

2



360°

720°

1.080°

1.440°

1.800°

2.160°

2.520°

Winkel in °KW Ansaugen Kompression ~ Zündung & Expansion Ausschieben

RCD abwärts (Saugen) RCD aufwärts (Kompression)

Zylinder I Zylinder II Zylinder III

Bild 12 Entstehung hoher Wechselmomente beim Zylinderabschaltbetrieb des Dreizylindermotors bei der Variante mit vergleichsweise hohem Abgasdruck im Zylinder

36

Antriebssysteme

Die Simulation der Drehschwingungsanregung aufgrund der Zylinderdruckverläufe zeigt keine störende niederfrequente 0,5te Ordnung, sondern die niedrigste auftretende Ordnung ist wie erwartet die 0,75te. Die Anregungsamplitude ist kleiner als bei den ersten beiden Varianten der Zylinderfüllung und ergibt sich im Wesentlichen aus der fehlenden Zündung und zusätzlichen kleineren Anteilen aus den Dummytakten mit Ansaugen gegen Unterdruck und anschließender Rückverdichtung. Vorteilhaft ist, dass mit vergleichsweise geringen Drücken gearbeitet wird, so dass die Reibungsverluste in den deaktivierten Zylindern klein sind und somit eine große Kraftstoffverbrauchseinsparung erreicht wird. Da bei der nächsten Nockenwellenumdrehung der deaktivierte Zylinder wieder normal befeuert wird, tritt trotz der Unterdruckphasen kein Ölansaugen auf.

Umsetzung des RCD-Konzeptes für verschiedene Zylinderzahlen Als Ergebnis bleibt festzuhalten, dass mit dem Konzept der RCD  1.5 in Verbindung mit nahezu keiner Zylinderfüllung die besten

Ergebnisse erzielt werden, sowohl bezüglich der Verbrauchseinsparung, als auch hinsichtlich der Drehschwingungsanregung. Praktisch wird hier mit einem Dreizylindermotor ein 1,5-Zylinder-Betrieb realisiert. Die Abläufe der einzelnen Takte und die darin enthaltenen RCD-Hübe sind in Bild 13 dargestellt. Gemäß derselben Prinzipien kann ein Fünfzylindermotor als RCD 2.5 im Zylinderabschaltbetrieb effektiv als 2,5-Zylindermotor betrieben werden. Die Grundanregung erfolgt dann in einer 1,25ten Ordnung, die mittels entsprechender Dämpferkonzepte beherrschbar ist. Auch bei Motoren mit gerader Zylinderanzahl kann die rollierende Zylinderabschaltung umgesetzt werden. Damit kann beispielsweise ein Vierzylindermotor je nach Leistungsanforderung wahlweise als RCD 1.33 oder als RCD 2.66 neben der normalen statischen Zylinderabschaltung CDA 2/4 betrieben werden. Wegen der Grundperiodendauer gemäß der Abfolge von drei der vier Zylinder bis zur periodischen Wiederholung der Folge tritt allerdings in den beiden ersten Fällen eine schwer beherrschbare 0,66te Grundordnung auf.

Die für den RCD-Betrieb erforderliche Ventilansteuerung, das heißt die Deaktivierung von Ein- und Auslassventilen des jeweils abzuschaltenden Zylinders für eine Nockenwellenumdrehung, kann völlig variabel mit dem Schaeffler UniAir-System zur elektrohydraulischen Ventilbetätigung realisiert werden [8]. Grundsätzlich ist die Deaktivierung der Ein- und Auslassventile auch mit Umschaltmechanismen möglich [9]. Hierzu zählen schaltbare Tassenstößel, Schlepphebel und Abstützelemente, mit Einschränkungen auch das Prinzip der Nockenverschiebung. Derartige Elemente finden heute bereits Verwendung für Ventilumschaltungen und sind in der Lage, innerhalb von Teilen einer Nockenwellenumdrehung umzuschalten. Für den Einsatz mit RCD  1.5 sind diese im Hinblick auf eine wesentlich größere Schaltzyklenanzahl weiterzuentwickeln, weil hier nach jeweils einer Nockenwellenumdrehung eine Umschaltung erfolgen muss.

2

37

Torsionsschwingungsdämpferentwicklung für RCD 1.5 Die beim RCD  1.5-Betrieb in Erscheinung tretende 0,75te Grundordnung stellt hohe Ansprüche an das Torsionsdämpfersystem. Als Ergebnis der Optimierungen von ZMS und einem auf die 0,75te Ordnung ausgelegten Fliehkraftpendel zeigt Bild  14 eine konstruktive Lösung in Verbindung mit trockenlaufender Doppelkupplung. Aufgrund des Baulängenvorteils des Dreizylindermotors gegenüber den in den gleichen Fahrzeugen eingesetzten Vierzylindermotoren konnte hier eine Ausführung gewählt werden, bei der der Bogenfederdämpfer und die Fliehkraftpendelmassen axial hintereinander und damit beide auf großen wirksamen Radien angeordnet sind.

3-Zylinder-Modus I II III 0°

240°

480°

720°

960°

1.200°

1.440°

1.680°

1.200°

1.440°

1.680°

Winkel in °KW 1,5-Zylinder-Modus (RCD) I II III 0°

240°

480°

720°

960°

Winkel in °KW Ansaugen Kompression

Zündung & Expansion Ausschieben

RCD abwärts (Saugen) RCD aufwärts (Kompression)

Bild 13 Vergleich der Taktabläufe im Dreizylinder-Vollmotorbetrieb und im RCD 1.5-Betrieb

Bild 14 Konstruktion des ZMS mit Fliehkraftpendel für die 0,75te Ordnung für die rollierende Zylinderabschaltung RCD 1.5 des Dreizylindermotors

38

Antriebssysteme

Ampiltude in min-1

Ampiltude in min-1

39

Motor Ampiltude in min-1

Damit wurde das Ziel erreicht, einen Zylinderabschaltbetrieb beim Dreizylindermotor mit akzeptablem Drehschwingungsverhalten im Triebstrang sowohl mit trockenlaufender Doppelkupplung als auch mit Handschaltgetriebe zu ermöglichen. Beim RCD 1.5-Betrieb gelingt dies mit praktisch nur 1,5 aktiven Zylindern zur Reduzierung von Verbrauch und CO2 Emissionen.

200

Ampiltude in min-1

Ampiltude in min-1

Ampiltude in min-1

Die OrdnungsMotor 200 Fahrbereich RCD 1.5 ZMS, DCT, FKP 0.75 analyse als ErgebRCD 1.5 160 nis der Simulation 120 zeigt, wie die ange80 regte 0,75te Ordnung durch das 40 entsprechend ab0 gestimmte FliehGetriebe 200 kraftpendel auf sehr Fahrbereich RCD 1.5 160 niedrige Amplituden 120 am Getriebeeingang reduziert wird 80 (Bild 15). 40 Bild 16 zeigt den 0 Vergleich des Ver800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200 3.600 4.000 haltens für den Drehzahl in min-1 Dreiz ylinder-Voll0,75. Ordnung 1,5. Ordnung 2,25. Ordnung 3,0. Ordnung motorbetrieb unter Volllast und im ZylinderabschaltbeBild 15 Ordnungsanalyse des RCD 1.5-Betriebes mit Fliehkraftpendel trieb nach dem RCD 1.5-Betrieb unter diesen Bedingungen RCD  1.5-Prinzip bei dessen höchster Beam Getriebeeingang praktisch die gleiche triebslast, die mit 70 % des theoretisch maDrehzahlamplitude wie im Vollmotorbetrieb ximal erzeugbaren Halbmotormomentes auftritt. Mittel dazu ist das auf die hierbei angesetzt ist. Es ist ersichtlich, dass im auftretende 0,75te Ordnung optimierte Motor ZMS, DCT, FKP 0.75 200 Fliehkraf tpendel Fahrbereich RCD 1.5 RCD 1.5 160 mit einer Masse von insgesamt circa 120 1 kg. 80 Ergänzend wur40 de für ein Hand0 schaltgetriebe, bei Getriebe 200 dem das sekundäre Fahrbereich RCD 1.5 160 Massenträgheitsmoment kleiner ist 120 als bei der trocke80 nen Doppelkupp40 lung mit ihrer hier 0 praktisch doppelt 800 1.200 1.600 2.000 2.400 2.800 3.200 3.600 4.000 genutzten thermiDrehzahl in min-1 Dreizylinder schen Masse, ein 1,5-Zylinder um insgesamt circa 800 g vergrößertes Bild 16 Vergleich der Torsionsschwingungen im Triebstrang bei DreizylinderFliehkraf tpendel Vollmotorbetrieb und bei rollierender Zylinderabschaltung im RCD ausgelegt (Bild 17). 1.5-Betrieb mit trockenlaufender Doppelkupplung

2

200

Fahrbereich RCD 1.5

160

ZMS, MT, FKP 0,75 (1,8 kg) RCD 1.5

120 80 40 0 Getriebe Fahrbereich RCD 1.5

160 120 80 40 0 800

1.200

1.600

Dreizylinder 1,5-Zylinder

2.000

2.400

2.800

3.200

3.600 4.000

Drehzahl in min-1

Bild 17 Vergleich der Torsionsschwingungen im Triebstrang bei DreizylinderVollmotorbetrieb und bei rollierender Zylinderabschaltung im RCD 1.5-Betrieb mit Einfachkupplung für Handschaltgetriebe mit vergrößertem Fliehkraftpendel

Zusammenfassung Dieser Beitrag zeigt Maßnahmen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emission im Kraftfahrzeug auf, soweit sie vorrangig die Getriebesysteme betreffen: – direkte Reibungsverminderung im Getriebe durch optimierte Lagerungen; – schleppmomentreduzierte nass- und trockenlaufende Doppelkupplungen; – Getriebekonzepte mit großer Spreizung der Übersetzung; – optimierte Dämpfertechnologie zur Realisierung von Downsizing und Hochaufladung sowie Downspeeding zur Reduzierung der Verlustleistungen im Verbrennungsmotor. Diese Antriebstrends sind mit einer Erhöhung der Drehschwingungsanregung vom Verbrennungsmotor in den Triebstrang verbunden. Abschließend wird ein neuer

Ansatz zur Realisierung einer rollierenden Zylinderabschaltung RCD  1.5 für Dreizylindermotoren zur Erreichung eines 1,5-Zylinder-Betriebes vorgestellt. Die wesentlichen Merkmale sind: – rollierende Zylinderabschaltung, um die Grundfrequenz des Anregungsspektrums von der 0,5ten bei statischer auf die wesentlich besser beherrschbare 0,75te Ordnung bei rollierender Zylinderabschaltung anzuheben; – optimierte Einstellung der Zylinderfüllung zur Verringerung der Anregungsamplitude. Die daraus resultierende Drehschwingungsanregung wird mit den von Schaeffler entwickelten innovativen Dämpfertechnologien beherrscht. Dies sind Zweimassenschwungrad mit optimierter Kennlinie, Einsatz von Fliehkraftpendeln auf der Sekundärmasse des ZMS, abgestimmt auf die hier auftretende 0,75te Haupterregerordnung, und gegebenenfalls zusätzlich gedämpfte Kupplungsscheibe. Analog

40

kann ein für den Fünfzylindermotor vorteilhafter RCD 2.5-Betrieb dargestellt werden. Dieser Ansatz ist umsetzbar für Anwendungen mit Handschaltgetriebe (MT), automatisiertem Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT) mit trockener oder nasser Doppelkupplung und ebenfalls bei Automatgetrieben in Planetenbauweise oder CVT mit Wandler, deren Dämpfer zusätzlich mit Fliehkraftpendeln ausgestattet sind.

Literatur [1] Faust, H.: Requirements for Transmission Benchmarking. (FWD Automatic Transmissions). GETRAG Drivetrain Forum, 2012 [2] Nowatschin, K.; Fleischmann, H.-P.; Gleich, T.; Franzen, P.; Hommes, G.; Faust, H.; Friedmann, O.; Wild, H.: multitronic®- Das neue Automatikgetriebe von Audi. Teil 1: ATZ 102, 2000, Nr. 7/8, S. 548-553. Teil 2: ATZ 102, 2000, Nr. 9, S. 746-753

Antriebssysteme

[3] Teubert, A.: CVT – Das Getriebekonzept mit Zukunft. 10. Schaeffler Kolloquium, 2014 [4] Lindemann, P.: iTC – Innovative Wandlerlösungen ebnen den Weg in die Zukunft. 10. Schaeffler Kolloquium, 2014 [5] Faust, H.; Steinberg, I.: Die neuen GETRAG PowerShift-Getriebe 6DCT450 & 6DCT470. VDI-Berichte Nr. 2029. Düsseldorf: VDI-Verlag, 2008, S. 69-90. VDI-Tagung Getriebe in Fahrzeugen, 2008 [6] Faust, H.; Rühle, G.; Herdle, L.: Optimization of Driving Fun and Reduction of CO2 Emissions with the New GETRAG PowerShift Transmissions. 3rd International CTI Symposium Automotive Transmissions. 2009, Session A2, S. 1-20 [7] Faust, H.; Bünder, C.; DeVincent, E.: Doppelkupplungsgetriebe mit trockener Kupplung und elektromechanischer Aktuatorik. ATZ 112, 2010, Nr. 4, S. 270-275. [8] Scheidt, M.: Effizienz pur - Die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors aus Sicht eines Zulieferers. 10. Schaeffler Kolloquium, 2014 [9] Ihlemann, A.: Zylinderabschaltung: Eine Technik mit Zukunft oder ein Fall für die Nische? 10. Schaeffler Kolloquium, 2014

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