Wie CVTs funktionieren

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Foto mit freundlicher Genehmigung von Nissan Global
Nissan HR15DE Motor mit Xtronic CVT. Weitere Übertragungsbilder anzeigen.

Einige sagen, man kann einem alten Hund keine neuen Tricks beibringen. Aber das stufenlose Getriebe (CVT), das Leonardo da Vinci vor mehr als 500 Jahren konzipiert hat und jetzt in einigen Automobilen Planetenautomatikgetriebe ersetzt, ist ein alter Hund, der definitiv einige neue Tricks gelernt hat. Seit der Einreichung des ersten torusförmigen CVT-Patents im Jahr 1886 wurde die Technologie verfeinert und verbessert. Heute entwickeln mehrere Autohersteller, darunter General Motors, Audi, Honda und Nissan, ihre Antriebe rund um CVTs.

In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie ein CVT in einem typischen Auto mit Hinterradantrieb funktioniert, und dabei verschiedene Fragen beantworten:

  • Wie verhält sich ein CVT zu einem herkömmlichen Planetenautomatikgetriebe??
  • Welche Teile hat es und wie funktionieren diese Teile??
  • Welche Vorteile bieten CVTs gegenüber herkömmlichen Automatikgetrieben? Was ist mit Nachteilen??
  • Wie ist das Fahrerlebnis in einem Auto mit CVT??
  • Welche Marken und Modelle enthalten CVTs??
  • Gibt es andere Anwendungen für CVTs als Automobile??

Zunächst sehen wir uns an, wie ein CVT mit einem herkömmlichen Automatikgetriebe verglichen wird.

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Keine Zahnräder mehr
Eine Zeitleiste der CVT-Innovation
  • 1490 - da Vinci skizziert ein stufenloses stufenloses Getriebe
  • 1886 - erstes toroidales CVT-Patent angemeldet
  • 1935 - Adiel Dodge erhält US-Patent für toroidales CVT
  • 1939 - Vollautomatisches Getriebe basierend auf dem eingeführten Planetengetriebe
  • 1958 - Daf (aus den Niederlanden) produziert ein CVT in einem Auto
  • 1989 - Subaru Justy GL ist das erste in den USA verkaufte Serienauto, das ein CVT anbietet
  • 2002 - Saturn Vue mit einem CVT-Debüt; erster Saturn, der CVT-Technologie anbietet
  • 2004 - Ford bietet ein CVT an

-Wenn Sie in Funktionsweise von Automatikgetrieben über den Aufbau und die Funktion von Automatikgetrieben gelesen haben, wissen Sie, dass es die Aufgabe des Getriebes ist, das Drehzahlverhältnis zwischen Motor und Rädern eines Automobils zu ändern. Mit anderen Worten, ohne Getriebe hätten Autos nur einen Gang - den Gang, mit dem das Auto mit der gewünschten Höchstgeschwindigkeit fahren könnte. Stellen Sie sich für einen Moment vor, Sie fahren ein Auto, das nur den ersten Gang hat, oder ein Auto, das nur den dritten Gang hat. Das frühere Auto würde von einem vollständigen Stopp aus gut beschleunigen und einen steilen Hügel erklimmen können, aber seine Höchstgeschwindigkeit wäre auf nur wenige Meilen pro Stunde begrenzt. Das letztere Auto hingegen würde mit 80 Meilen pro Stunde die Autobahn hinunter fliegen, aber es würde beim Start fast keine Beschleunigung haben und nicht in der Lage sein, Hügel zu besteigen.

Das Getriebe verwendet daher eine Reihe von Gängen - von niedrig bis hoch -, um das Drehmoment des Motors bei sich ändernden Fahrbedingungen effektiver zu nutzen. Die Gänge können manuell oder automatisch eingelegt werden.


Foto mit freundlicher Genehmigung von DaimlerChrysler
Mercedes-Benz CLK Automatikgetriebe.


In einem herkömmlichen Automatikgetriebe sind die Zahnräder buchstäblich Zahnräder - ineinandergreifende Zahnräder, die dabei helfen, Drehbewegungen und Drehmomente zu übertragen und zu modifizieren. Eine Kombination von Planetenrädern erzeugt alle unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse, die das Getriebe erzeugen kann, typischerweise vier Vorwärtsgänge und einen Rückwärtsgang. Wenn diese Art von Getriebe durch seine Gänge schaltet, kann der Fahrer beim Einlegen jedes Gangs Stöße spüren.

CVT-Grundlagen
Im Gegensatz zu herkömmlichen Automatikgetrieben haben stufenlose Getriebe kein Getriebe mit einer festgelegten Anzahl von Gängen, was bedeutet, dass sie keine ineinandergreifenden Zahnräder haben. Die häufigste Art von CVT arbeitet mit einem genialen Riemenscheibensystem Dies ermöglicht eine unendliche Variabilität zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Gang ohne diskrete Schritte oder Schaltvorgänge.


Foto mit freundlicher Genehmigung der Ford Motor Company
Ford Freestyle Duratec Motor mit CVT


Wenn Sie sich fragen, warum das Wort "Zahnrad" in der Erklärung eines CVT immer noch vorkommt, denken Sie daran, dass sich ein Zahnrad im Großen und Ganzen auf a bezieht Verhältnis von Motorwellendrehzahl zu Antriebswellendrehzahl. Obwohl CVTs dieses Verhältnis ändern, ohne einen Satz Planetenräder zu verwenden, werden sie aus Gründen der Konvention immer noch als niedrige und hohe "Zahnräder" beschrieben.

Als nächstes werden wir uns die verschiedenen Arten von CVTs ansehen: riemenscheibenbasiert, torusförmig und hydrostatisch.


Foto mit freundlicher Genehmigung von Nissan Global
CVT auf Riemenscheibenbasis
Wenn Sie in ein planetarisches Automatikgetriebe blicken, sehen Sie eine komplexe Welt aus Gängen, Bremsen, Kupplungen und Steuergeräten. Im Vergleich dazu ist ein stufenloses Getriebe eine Studie zur Einfachheit. Die meisten CVTs bestehen nur aus drei Grundkomponenten:
  • Ein Hochleistungsgürtel aus Metall oder Gummi
  • Eine "Antriebsscheibe" mit variablem Eingang
  • Eine "angetriebene" Abtriebsscheibe
CVTs haben auch verschiedene Mikroprozessoren und Sensoren, aber die drei oben beschriebenen Komponenten sind die Schlüsselelemente, die das Funktionieren der Technologie ermöglichen.


Die Riemenscheiben mit variablem Durchmesser sind das Herzstück eines CVT. Jede Riemenscheibe besteht aus zwei sich gegenüberliegenden 20-Grad-Kegeln. In der Nut zwischen den beiden Kegeln reitet ein Riemen. Keilriemen sind bevorzugt, wenn der Riemen aus Gummi besteht. Keilriemen haben ihren Namen von der Tatsache, dass die Riemen einen V-förmigen Querschnitt haben, der den Reibungsgriff des Riemens erhöht.

Wenn die beiden Kegel der Riemenscheibe weit voneinander entfernt sind (wenn der Durchmesser zunimmt), läuft der Riemen tiefer in der Nut und der Radius der Riemenschlaufe, die um die Riemenscheibe verläuft, wird kleiner. Wenn die Kegel nahe beieinander liegen (wenn der Durchmesser abnimmt), läuft der Riemen höher in der Nut und der Radius der Riemenschlaufe, die um die Riemenscheibe verläuft, wird größer. CVTs können Hydraulikdruck, Zentrifugalkraft oder Federspannung verwenden, um die zum Einstellen der Riemenscheibenhälften erforderliche Kraft zu erzeugen.

Riemenscheiben mit variablem Durchmesser müssen immer paarweise geliefert werden. Eine der Riemenscheiben, bekannt als die Antriebsscheibe (oder Antriebsscheibe) ist mit der Kurbelwelle des Motors verbunden. Die Antriebsscheibe wird auch als bezeichnet Eingangsscheibe weil hier die Energie des Motors in das Getriebe gelangt. Die zweite Riemenscheibe heißt angetriebene Riemenscheibe weil die erste Riemenscheibe sie dreht. Als Abtriebsscheibe, Die angetriebene Riemenscheibe überträgt Energie auf die Antriebswelle.


Der Abstand zwischen der Mitte der Riemenscheiben und dem Kontakt des Riemens in der Nut wird als Teilungsradius bezeichnet. Wenn die Riemenscheiben weit voneinander entfernt sind, fährt der Riemen tiefer und der Teilungsradius nimmt ab. Wenn die Riemenscheiben nahe beieinander liegen, fährt der Riemen höher und der Teilungsradius nimmt zu. Das Verhältnis des Steigungsradius an der Antriebsscheibe zum Steigungsradius an der angetriebenen Riemenscheibe bestimmt das Zahnrad.

Wenn eine Riemenscheibe ihren Radius vergrößert, verringert die andere ihren Radius, um den Riemen dicht zu halten. Wenn die beiden Riemenscheiben ihre Radien relativ zueinander ändern, erzeugen sie eine unendliche Anzahl von Übersetzungsverhältnissen - von niedrig nach hoch und alles dazwischen. Wenn beispielsweise der Teilungsradius an der Antriebsscheibe klein und an der angetriebenen Rolle groß ist, nimmt die Drehzahl der angetriebenen Rolle ab, was zu einem niedrigeren "Zahnrad" führt. Wenn der Teilungsradius an der Antriebsscheibe groß und an der angetriebenen Rolle klein ist, erhöht sich die Drehzahl der angetriebenen Rolle, was zu einem höheren "Zahnrad" führt. Theoretisch hat ein CVT also eine unendliche Anzahl von "Gängen", die es jederzeit, bei jeder Motor- oder Fahrzeuggeschwindigkeit durchlaufen kann.

Die Einfachheit und Stufenlosigkeit von CVTs machen sie zu einem idealen Getriebe für eine Vielzahl von Maschinen und Geräten, nicht nur für Autos. CVTs werden seit Jahren in Elektrowerkzeugen und Bohrmaschinen eingesetzt. Sie wurden auch in einer Vielzahl von Fahrzeugen eingesetzt, darunter Traktoren, Schneemobile und Motorroller. Bei all diesen Anwendungen stützten sich die Getriebe auf hochdichte Gummibänder, die rutschen und sich dehnen können, wodurch ihre Effizienz verringert wird.

Die Einführung neuer Materialien macht CVTs noch zuverlässiger und effizienter. Einer der wichtigsten Fortschritte war das Design und die Entwicklung von Metallbändern zur Verbindung der Riemenscheiben. Diese flexiblen Riemen bestehen aus mehreren (typischerweise neun oder 12) dünnen Stahlbändern, die hochfeste, flugzeugförmige Metallteile zusammenhalten.


Metallgürtel Design

Metallgürtel rutschen nicht und sind hoch dauerhaft, CVTs können mehr Motordrehmoment bewältigen. Sie sind auch leiser als gummibandgetriebene CVTs.

Eine andere Version des CVT - das torusförmige CVT-System - ersetzt die Riemen und Riemenscheiben durch Scheiben und Kraftwalzen.


Foto mit freundlicher Genehmigung von Nissan Global
Nissan Extroid toroidales CVT

Obwohl ein solches System drastisch anders zu sein scheint, sind alle Komponenten analog zu einem Riemen-Riemenscheiben-System und führen zu den gleichen Ergebnissen - einem stufenlosen Getriebe. So funktioniert das:

  • Eine Scheibe ist mit dem Motor verbunden. Dies entspricht der Antriebsscheibe.
  • Eine weitere Scheibe ist mit der Antriebswelle verbunden. Dies entspricht der angetriebenen Riemenscheibe.
  • Rollen oder Räder, die sich zwischen den Scheiben befinden, wirken wie der Riemen und übertragen Kraft von einer Scheibe zur anderen.


Die Räder können sich entlang zweier Achsen drehen. Sie drehen sich um die horizontale Achse und neigen sich um die vertikale Achse hinein oder heraus, wodurch die Räder die Scheiben in verschiedenen Bereichen berühren können. Wenn die Räder in der Nähe der Mitte Kontakt mit der Antriebsscheibe haben, müssen sie die angetriebene Scheibe in der Nähe der Felge berühren, was zu einer Verringerung der Geschwindigkeit und einer Erhöhung des Drehmoments (d. H. Niedriger Gang) führt. Wenn die Räder die Antriebsscheibe nahe der Felge berühren, müssen sie die angetriebene Scheibe nahe der Mitte berühren, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit und einer Verringerung des Drehmoments (d. H. Overdrive-Zahnrad) führt. Ein einfaches Kippen der Räder ändert dann schrittweise das Übersetzungsverhältnis und sorgt für gleichmäßige, nahezu sofortige Änderungen des Übersetzungsverhältnisses.

Sowohl das Riemenscheiben- und Keilriemen-CVT als auch das Toroid-CVT sind Beispiele für Reibungs-CVTs, bei denen der Radius des Kontaktpunkts zwischen zwei rotierenden Objekten variiert wird. Es gibt eine andere Art von CVT, die als hydrostatisches CVT bekannt ist Verstellpumpen den Flüssigkeitsstrom in hydrostatische Motoren zu variieren. Bei dieser Art von Getriebe treibt die Drehbewegung des Motors eine hydrostatische Pumpe auf der Antriebsseite an. Die Pumpe wandelt die Drehbewegung in einen Flüssigkeitsstrom um. Dann wird mit einem hydrostatischen Motor auf der angetriebenen Seite der Fluidstrom wieder in eine Drehbewegung umgewandelt.


Oft wird ein hydrostatisches Getriebe mit a kombiniert Planetenradsatz und Kupplungen ein Hybridsystem zu schaffen, das als bekannt ist hydromechanische Übertragung. Hydromechanische Getriebe übertragen die Kraft in drei verschiedenen Modi vom Motor auf die Räder. Bei einer niedrigen Geschwindigkeit wird die Kraft hydraulisch übertragen, und bei einer hohen Geschwindigkeit wird die Kraft mechanisch übertragen. Zwischen diesen Extremen verwendet das Getriebe sowohl hydraulische als auch mechanische Mittel, um Kraft zu übertragen. Hydromechanische Getriebe sind ideal für schwere Anwendungen, weshalb sie in landwirtschaftlichen Traktoren und Geländefahrzeugen üblich sind.

CVT-Vorteile

Stufenlose Getriebe werden aus gutem Grund immer beliebter. Sie bieten mehrere Vorteile, die sie sowohl für Fahrer als auch für Umweltschützer attraktiv machen. In der folgenden Tabelle werden einige der wichtigsten Funktionen und Vorteile von CVTs beschrieben.

Vorteile von CVTs
Feature Vorteil
Konstante, stufenlose Beschleunigung vom vollständigen Stopp bis zur Reisegeschwindigkeit Beseitigt "Schaltschock" - sorgt für eine ruhigere Fahrt
Funktioniert, um das Auto in seinem optimalen Leistungsbereich zu halten, unabhängig davon, wie schnell das Auto fährt Verbesserte Kraftstoffeffizienz
Reagiert besser auf sich ändernde Bedingungen wie Änderungen von Gas und Geschwindigkeit Beseitigt die Jagd nach Ausrüstung, wenn ein Auto langsamer wird, insbesondere wenn es bergauf geht
Weniger Leistungsverlust in einem CVT als bei einem typischen Automatikgetriebe Bessere Beschleunigung
Bessere Kontrolle über den Drehzahlbereich eines Benzinmotors Bessere Kontrolle über Emissionen
Kann automatisierte Versionen mechanischer Kupplungen enthalten Ersetzen Sie ineffiziente Fluid-Drehmomentwandler

Im nächsten Abschnitt werden wir uns ansehen, wie es ist, ein CVT-basiertes Auto zu fahren.

Autos mit CVT sind in Europa seit Jahren üblich. Es hat jedoch eine Weile gedauert, bis die Technologie in den USA Fuß gefasst hat. Das erste Serienauto, das in den USA ein CVT anbot, war der Subaru Justy.


Foto mit freundlicher Genehmigung von Subaru France
Subaru Justy

Der zwischen 1989 und 1993 verkaufte Justy erregte nie die Aufmerksamkeit amerikanischer Fahrer. Was ist also anders an neueren CVT-basierten Autos - Autos wie dem Saturn Vue, dem Audi A4 und A6, dem Nissan Murano und dem Honda Insight? Die beste Möglichkeit, diese Frage zu beantworten, besteht darin, eines dieser Autos für eine "Probefahrt" zu nehmen. Die folgende Animation, in der die Beschleunigung eines Autos mit einem CVT mit einer ohne verglichen wird, gibt Ihnen ein gutes Gefühl für das Erlebnis.


Wenn Sie mit einem stufenlosen Getriebe auf das Gaspedal eines Autos treten, bemerken Sie den Unterschied sofort. Der Motor dreht auf die Drehzahl, bei der er die meiste Leistung erzeugt, und bleibt dann dort. Aber das Auto reagiert nicht sofort. Dann, einen Moment später, schaltet sich das Getriebe ein und beschleunigt das Auto langsam, stetig und ohne Schaltvorgänge. Theoretisch sollte ein Auto mit einem CVT 100 km / h 25 Prozent schneller erreichen als dasselbe Auto mit demselben Motor und manuellem Getriebe [Ref]. Das liegt daran, dass das CVT jeden Punkt auf der Betriebskurve des Motors in einen entsprechenden Punkt auf seiner eigenen Betriebskurve umwandelt.

Wenn Sie sich die Leistungskurve für das Auto ohne CVT ansehen, können Sie sehen, dass dies wahr ist. Beachten Sie, dass der Drehzahlmesser in dieser Situation anzeigt, wie sich der Motor bei jedem Gangwechsel auf und ab dreht, was als Spitze in der Leistungskurve aufgezeichnet wird (und was der Fahrer als Ruck empfindet)..

CVTs sind auf Hügeln gleichermaßen effizient. Es gibt keine "Gangjagd", da das CVT stufenlos auf ein für die Fahrbedingungen geeignetes Übersetzungsverhältnis herunterfährt. Ein herkömmliches Automatikgetriebe schaltet hin und her, um den richtigen Gang zu finden, der weitaus weniger effizient ist.

Mit all ihren Vorteilen weisen CVTs einige Mängel auf. In den Vereinigten Staaten versuchen sie immer noch, ein Imageproblem zu überwinden. Der Subaru Justy zum Beispiel war als gutless Mikroauto bekannt. Traditionell waren CVTs mit Riemenantrieb in ihrem Drehmoment begrenzt und größer und schwerer als ihre automatischen und manuellen Gegenstücke. Der technologische Fortschritt hat CVTs in den Bereich ihrer Konkurrenz gebracht - das CVT des Nissan Murano kann mit seinem 3,5-Liter-V6-Motor mit 245 PS umgehen - aber erste Eindrücke sind schwer zu überwinden.

Weitere Informationen zu stufenlosen Getrieben und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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  • Funktionsweise von Drehmomentwandlern

Weitere großartige Links

  • InsightCentral.net: CVT-Übertragung
  • Automotive Engineering International Online: Audi nimmt CVT vom 15. bis 21. Jahrhundert
  • Edmunds.com: CVT tritt in den Mainstream ein
  • MSN Autos: Entwicklung neuer Getriebe
  • Nissan USA: Xtronic CVT

Quellen

  • Birke, Stuart. 2000. Audi nimmt CVT vom 15. bis 21. Jahrhundert. Fahrzeugtechnik International Online. Januar.
  • Carney, Dan. 2002. Kleine SUVs stehen sich gegenüber. Populärwissenschaften. 18. Februar.
  • Cars.com Glossar. Stufenloses Getriebe (CVT).
  • CVT: Stufenloses Getriebe.
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "automatische Übertragung." CD-ROM, 2005.
  • Gizmology.net. Hinweise zu stufenlosen Getrieben.
  • Job, Ann. Entwicklung neuer Getriebe. MSN Autos. Zugriff am 20. März 2005.
  • InsightCentral.net. CVT-Übertragung.
  • Kluger, Michael A. 2000. Vorbereitung auf CVTs. Technologie heute. Sommerausgabe.
  • Lienert, Dan. 2003. Cool. Wo kann ich einen bekommen? Populärwissenschaften. 16. Januar.
  • Lienert, Dan. 2003. Strom auf den Bürgersteig bringen. Populärwissenschaften. 13. August.
  • Memmer, Scott. CVT tritt in den Mainstream ein. Edmunds.com. Zugriff am 20. März 2005.
  • Nissan USA. Xtronic CVT.



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