Table Of ContentNutzfahrzeugtechnik lernen
Michael Hilgers
Getriebe und
Antriebsstrang-
auslegung
Michael Hilgers
Getriebe und
Antriebsstrangauslegung
MichaelHilgers
Weinstadt,Deutschland
Nutzfahrzeugtechniklernen
ISBN978-3-658-12758-9
DOI10.1007/978-3-658-12759-6
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©SpringerFachmedienWiesbaden 2016
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus-
drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Das
giltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEin-
speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk be-
rechtigtauch ohnebesondere Kennzeichnung nicht zuderAnnahme, dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung alsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenin
diesemWerkzumZeitpunkt derVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnoch
die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit,Gewähr für den Inhalt des
Werkes,etwaigeFehleroderÄußerungen.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
SpringerViewegistTeilvonSpringerNature
DieeingetrageneGesellschaftistSpringerFachmedienWiesbadenGmbH
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 GetriebeundAntriebsstrangauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 AuslegungdesTriebstrangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Fahrwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Getriebe und Achsgetriebe sind Drehmoment- und Drehzahl-
wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 RealerMotorunddieÜbersetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4 Traktionsgrenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.5 TriebstrangauslegungbeimBremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Hauptgetriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.1 InnereSchaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.2 Rückwärtsgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3 Räderschema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.4 BauformendesStirnradgetriebes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.5 Übersetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.6 VerlusteimGetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Splitgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 Planetengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4 Bereichsgruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Gruppengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 ÄußereSchaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6.1 AutomatisierteGetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Automatgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.8 Nebenabtriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9 Verteilergetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
III
IV Inhaltsverzeichnis
4 Kupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 Reibkupplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 HydrodynamischeKupplungenundWandler . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 KupplungskonzeptefürSchwertransporte . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Gelenkwelle(n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6 Retarder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.1 HydrodynamischeRetarder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.1.1 Wasserretarder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2 InduktiveRetarder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2.1 RetardermitPermanentmagneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2.2 RetardermitElektromagneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Verständnisfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
AbkürzungenundSymbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Vorwort 1
FürmeineKinderPaul,DavidundJulia,
dieebensowieichvielFreudeanLastwagenhaben
undfürmeineFrauSimoneHilgers-Bach,
dievielVerständnisfürunshat.
SeitvielenJahrenarbeiteichinderNutzfahrzeugbranche.Immerwiederhöreichsinnge-
mäß:„SieentwickelnLastwagen?–DasistjaeinJungentraum!“
InderTat,dasistes!
Aus dieser Begeisterung heraus, habe ich versucht, mir ein möglichst vollständiges
BildderLkw-Technikzumachen.Dabeihabeichfestgestellt,dassmanSachverhalteerst
dannwirklichdurchdrungenhat,wennmansieschlüssigerklärenkann.Oderumesgriffig
zuformulieren:„Umwirklichzulernen,mussmanlehren“.DaherhabeichimLaufeder
Zeitbegonnen,möglichstvieletechnischeAspektederNutzfahrzeugtechnikmiteigenen
Wortenniederzuschreiben.
Das vorliegende Heft behandelt das Getriebe und die Auslegung von Getriebe und
ÜbersetzungenimAntriebsstrang.DerFokusdesTextesliegtdarauf,dieinEuropaübli-
chentechnischenLösungenzumZeitpunktdesDrucksgutverständlichdarzustellen.Die
lernenden Leser (Studierende, Techniker) werden in diesem Text einen guten Einstieg
findenundmögensich durchdieses Heftangesprochenfühlen,dieNutzfahrzeugtechnik
alsspannendesBetätigungsfeldzuentdecken.Ichbindarüberhinausüberzeugt,dassdas
vorliegende Heft auch dem Technikfachmann aus benachbarten Disziplinen von Mehr-
wert sein wird, der über den Tellerrand schauen möchte und einen kompakten und gut
verständlichenAbrisssucht.
Das wichtigste Ziel dieses Textes ist es, dem Leser die Faszination der Lastwagen-
techniknahezubringenundbeimLesenFreudezubereiten.IndiesemSinnewünscheich
Ihnen,liebeLeser,vielSpaßbeimLesen,QuerlesenundSchmökern.
AndieserStellebedankeichmichbeimeinenVorgesetztenundzahlreichenKollegen
inderLkw-SpartederDaimlerAG,diemichbeiderRealisierungdieserSerieunterstützt
©SpringerFachmedienWiesbaden 2016 1
M.Hilgers,GetriebeundAntriebsstrangauslegung,Nutzfahrzeugtechniklernen,
DOI10.1007/978-3-658-12759-6_1
2 1 Vorwort
haben. Für wertvolle Hinweise bedanke ich mich besonders bei Herrn Stefan Schwarz,
der den Text zur Korrektur gelesen hat. Beim Springer Verlag bedanke ich mich für die
freundlicheZusammenarbeit,diezudemvorliegendenErgebnisgeführthat.
Zu guter Letzt noch eine Bitte in eigener Sache. Es ist mein Wunsch, diesen Text
kontinuierlich weiterzuentwickeln. Dazu ist mir Ihre Hilfe, lieber Leser, hochwillkom-
men.FachlicheAnmerkungenundVerbesserungsvorschlägebitteichanfolgendeE-Mail-
Adressezusenden:[email protected],umso
leichterwerdeichsienachvollziehenundgegebenenfallsinzukünftigeAuflagenintegrie-
ren können. Sollten Sie inhaltliche Ungereimtheiten oder gar Fehler entdecken, so bitte
ichSie,mirdieseaufdemgleichenWegemitzuteilen.
UndjetztvielSpaßmitdemGetriebewünschtIhnen
August2016
Weinstadt-Beutelsbach
Stuttgart-Untertürkheim
Aachen
MichaelHilgers
Getriebe und Antriebsstrangauslegung 2
Getriebe,KupplungundGelenkwellehabendieAufgabe,diemechanischeBewegungdes
MotorszurAchseundzudenRädernzubringen.DarüberhinauserfüllendieseBauteile
weitere Funktionen, die unverzichtbar sind. Die Bewegung des Motors muss gewandelt
werden:DiemomentaneDrehzahldesVerbrennungsmotorsentsprichtinderRegelnicht
der am Rad gewünschten Drehzahl und das Motormoment muss gewandelt werden, um
die am Rad erforderliche Vortriebskraft zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe der
Drehzahl-undDrehmomentwandlungerfülltdasGetriebe.
Des Weiteren erlaubt das Getriebe es, die Drehrichtung der Räder umzukehren, das
heißt,durchdasGetriebewirddasFahrzeugbefähigt,vorwärtsundrückwärtszufahren.
AußerdemgreifenNebenabtriebeundverschleißfreieDauerbremsen–sogenannteRe-
tarder – häufig am Getriebe an,um Antriebskraftabzugreifen(beim Nebenabtrieb)oder
BremskraftandieRäderzugeben(beimRetarder).
Das Getriebe verfügt außerdem über eine Neutralstellung, in der der Motor und der
TriebstranghinterdemGetriebemechanischentkoppeltsind.
Zwischen Motor und Getriebe sitzt die Kupplung. Die Kupplung trennt beziehungs-
weise verbindet (kuppelt) Motor und Getriebe. Diese Trennung ist erforderlich für den
StartdesMotors,denAnhaltevorgangundfürdenGangwechselimGetriebe.BeimStart-
vorgangdesVerbrennungsmotorshatderMotorseineliebeMühesich selbstamLaufen
zuhalten,daherwerdenalleWiderständediederMotordrehungentgegenstehendurchdie
Kupplungabgekoppelt.HältdasFahrzeugan,soläuftderMotormitderLeerlaufdrehzahl
weiter.UmalsodasFahrzeugtatsächlichzumStillstandzubringen,mussderMotordurch
dieKupplungabgetrenntwerden.AuchfürdenWechseldesFahrgangsimkonventionel-
len Schaltgetriebe benötigt man die Kupplung. Denn der Wechsel des Getriebeganges
während der Fahrt erfordert, dass das Getriebe lastfrei ist. Das Motormoment muss ab-
gekoppeltsein,damitsichdieZahnrädervoneinanderlösenkönnen:diesgeschiehtdurch
ÖffnenderKupplung.
©SpringerFachmedienWiesbaden 2016 3
M.Hilgers,GetriebeundAntriebsstrangauslegung,Nutzfahrzeugtechniklernen,
DOI10.1007/978-3-658-12759-6_2
4 2 GetriebeundAntriebsstrangauslegung
Am Getriebeausgang ist die Gelenkwelle angeflanscht. Sie überträgt die Drehbewe-
gung zur Achse. Außerdem ermöglicht sie, dass sich die Motor-Getriebe-Einheit relativ
zur Achse bewegt. Motor, Getriebe und Kupplungsind in der Regel ein festverschraub-
terBlock,derindenFahrzeugrahmenhineingehängtist. Wennmanvoneinemgeringen
Spielabsieht,dasdieElastomerlagerderMotor-bzw.Getriebelagerungermöglichen,sind
MotorundGetrieberelativzumRahmenortsfest.DieAchsebewegtsichaberbeimEinfe-
dervorgangrelativzumFahrzeugrahmendeutlich.DamitergibtsicheineRelativbewegung
zwischenAchseundGetriebe,diedurchdieGelenkwelleausgeglichenwird.
DerzweiteFlansch derGelenkwelleist beimkonventionellenFahrzeug(ohneVertei-
lergetriebe)amEingangdesAchsgetriebesangebracht.DasAchsgetriebehatdieAufgabe,
dieDrehachsederrotierendenTeileum90°abzuwinkeln:BeimLkwdrehensichdieKur-
belwelledesMotors,dieWellendesGetriebesunddieGelenkwelleumDrehachsen,diein
ersterNäherunginFahrzeuglängsrichtungverlaufen–dieFahrzeuglängsachsewirdinder
Regelalsx-Achsebezeichnet.DieRäderhingegendrehensichumeineAchsesenkrecht
zur Fahrtrichtung,diein der Industrieals diey-Achsebezeichnetwird. Die detaillierten
FunktionenderAchseunddasDifferentialwerdenin[3]beschrieben.
ZumTriebstranggehörenjenachFahrzeugausführungnochweitereElementewiedas
Verteilergetriebe,diedurchdasVerteilergetriebeerforderlichenweiterenAntriebswellen,
NebenabtriebeunddieverschleißfreienBremselemente.
2.1 AuslegungdesTriebstrangs
Bei der Konfiguration des Triebstrangs werden verschiedenste Anforderungen berück-
sichtigt, wie Lebensdauer, Gewicht etc. Aber zunächst einmal muss der Triebstrang so
ausgelegt sein, dass er die Basis-Anforderung erfüllt, nämlich das Fahrzeug gegen den
Fahrwiderstandzubewegen.
2.1.1 Fahrwiderstand
DieKraft,dieerforderlichist,denGesamtfahrwiderstandzuüberwindenist:
F DF CF CF (2.1)
Fahrwiderstand Luft Roll Berg
Der Fahrwiderstand setzt sich zusammen aus einem gewichtsabhängigen Anteil, der
erforderlichistdieSteigungzuüberwinden,demgewichtsabhängigenRollwiderstandund
demgeschwindigkeitsabhängigenLuftwiderstand.
2.1 AuslegungdesTriebstrangs 5
40000
8% Steigung
N
n 30000 Zugkrafthyperbel 350 kW
d i 6% Steigung
n
a
st
r
de 20000 4% Steigung
wi
r
h
a
F
2% Steigung
10000
Zugkrafthyperbel 240 kW
0% Steigung
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Geschwindigkeit in km/h
Abb.2.1 FahrwiderstandeinesmodernenSattelzugs,derauf40TonnenGesamtgewichtausgeladen
ist.A(cid:2)cW isthiermit10m2(cid:2)0;5D5m2angenommenundderRollwiderstandbeiwertcRollmiteinem
Wertvon0,005angesetztworden.DietheoretischmaximalandenRädernzurVerfügungstehende
Kraft(Zugkrafthyperbel)istfüreinFahrzeugmit 240kW(327PS)maximaler Motorleistungund
füreinFahrzeugmit350kW(476PS)eingezeichnet
Setzt man die entsprechenden Terme ein, erhält man für den Fahrwiderstand die fol-
gendeFormel:
FFahrwiderstand D1=2(cid:2)(cid:2)(cid:2)v2(cid:2)A(cid:2)cW
Cm (cid:2)g(cid:2)c (cid:2)cos.˛/
Gesamt Roll
Cm (cid:2)g(cid:2)sin.˛/ (2.2)
Gesamt
In Abb. 2.1 ist der Fahrwiderstand eines 40 Tonnen schweren Sattelzugs mit einem
A(cid:2)cW-Wertvon5m2dargestelltinAbhängigkeitvonderGeschwindigkeitdesFahrzeugs
und für verschiedene Steigungen. Der Anstieg des Fahrwiderstandes mit steigender Ge-
schwindigkeitistsichtbar.EinendeutlichgrößerenEinflussaufdenFahrwiderstandaber
hatbeischwerenNutzfahrzeugendieSteigung,diedasFahrzeugerklimmenmuss.
DietheoretischmaximaleKraftFmax;theoretisch,mitderdasFahrzeugdenFahrwiderstand
überwindenkann,ergibtsichausdermaximalenMotorleistungP .DiemaximaleKraft
max
istabhängigvonderGeschwindigkeit:
Fmax;theoretisch DPmax;Motor=v (2.3)
DiemaximaleKraftFmax;theoretisch nimmtmitniedrigenGeschwindigkeitenzu.
