Das neueste Mitglied der PREX-Getriebefamilie von FEV

Vollhybrid-Planetengetriebe mit bedarfsgerechter Aktuierung

27. November 2017 | Engineering Service

Die moderne, automatisierte Radsatzsynthese für Planetenstrukturen bietet Lösungen, mit denen große Fortschritte hinsichtlich des Ausnutzungsgrads bei der Radsatzverwendung erzielt werden können. Zukünftige dedizierte Hybrid-Antriebsstränge (DHT – Dedicated Hybrid Transmission) realisieren idealerweise alle Hybridfunktionen innerhalb einer kompakten Getriebestruktur. FEV hat seine Planeten-Radsatzsynthese auf mehrere Eingänge am Planetengetriebe erweitert, unter Berücksichtigung anderer Randbedingungen, wie der Priorisierung bedarfsgerechter, aktuierungsfreundlicher Strukturen. Diese Designphilosophie wurde durch FEVs bekannte ePGS-Konzept zum effizienten Anfahren mit einem einzelnen Elektromotor weiter verfeinert.

>> MEHR ALS 80 % DER DERZEITIGEN VERLUSTE BEI AUTOMATIKGETRIEBEN STAMMEN AUS DREI QUELLEN: ÖL- ZUFUHR, SCHLEPPMOMENT UND ENERGIEVERLUST BEIM KRIECHEN / ANFAHREN

Durch die Berücksichtigung der Anforderungen an das gesamte System in der ersten Phase der Radsatzsynthese können neue Planetenstrukturen gefunden werden, die alle wesentlichen Energieverluste bei einem modernen Automatikgetriebe (Kupplungs- verluste, Aktuierungsverluste, Kriechfunktion und Anfahren) reduzieren.
Das PREX3-Konzept ist ein Beispiel für eine solche Lösung und setzt neue Maßstäbe hinsichtlich Energieverbrauch und Radsatzverwendung. Zudem integriert es verschiedene Elektrifizierungskonzepte, unter anderem einen 48V-Hybrid oder optional eine Hochvolt-Hybridlösung, im selben Getriebe.

Beeindruckende Erfolgsbilanz

Im Jahr 2003 stellte FEV das weltweit erste Hybrid-Dieselfahrzeug vor. Dieses Fahrzeug verfügte bereits über eine hochintegrierte, ölgekühlte Elektromaschine im Getriebe und verwendete das ePGS-Konzept als Anfahreinrichtung. In den nächsten Jahren folgten zahlreiche ähnliche Demonstrator-Projekte und im Jahr 2016 wurde mit dem Chery Arrizo7e die erste Serienanwendung des ePGS-Konzepts vorgestellt. Bereits im Jahr 2010 stellte FEV außerdem ein 7-Gang-Planeten-Hybridgetriebe mit elektromechanischer, bedarfsgerechter Aktuierung vor.

Radsatzsynthese

Analysen von aktuellen, modernen Getrieben zeigen, dass mehr als 80% der derzeitigen Verluste bei Automatikgetrieben aus drei Quellen stammen: Hydraulik, Schleppmoment und Kriechmoment. Bei der Entwicklung des PREX3-Konzeptes widmeten sich die FEV-Experten daher insbesondere diesen drei Verlustquellen.
Traditionell erfolgte die Entwicklung der Planeten-Radsatzstruktur durch Abstrahierung des Planetenradsatzes auf ein Hebeldiagramm und anschließend die Variation der Verschaltung dieser Hebel. Hierbei handelt es sich um eine weitestgehend grafische Methode, die ein hohes Maß an Expertenwissen erfordert. Gute Lösungen müssen dann unter Verwendung einer Strichdarstellung zur Analyse der konstruktiven Umsetzbarkeit detailliert werden. Neuere Methoden verwenden CAE-Programme, die im Wesentlichen den gesamten theoretischen/mathematischen Lösungsraum scannen und dabei Milliarden von Lösungen analysieren. Dies erfordert intelligente Methoden zur Filterung von Lösungen, was das Risiko beinhaltet, dass die optimale Lösung mathematisch gefunden, aber durch die automatische Analyse aussortiert wird. Diese Programme wurden für einen Eingang und einen Ausgang verwendet.


FEV hat diese Methoden mittels eines grafischen Screenings kombiniert, um die Lösungsmenge früh sinnvoll einzugrenzen. Hierauf folgt dann eine automatische Vorauslegung und Berechnung. Im grafischen Teil wurden auch weitere Funktionen, wie die Berücksichtigung von zwei Eingängen oder das Aussortieren von nicht realisierungsfreundlichen Strukturen, implementiert. FEV außerdem besondere Analysemethoden entwickelt, um sicherzustellen, dass der gefundene Radsatz bedarfsgerecht aktuiert werden. Dies ist normalerweise erst auf der Ebene der Strichdarstellung sichtbar und wurde jetzt auch für die Hebel-Darstellung umgesetzt.

Der PREX3-Radsatz

Die Strukturen des PREX3 wurden besonders für milde Hybridlösungen optimiert: Durch Verwendung von drei Planetenradsätzen und sechs Schaltelementen werden insgesamt sechs Vorwärtsgänge für den Verbrennungsmotor und drei Gänge für den Elektromotor sowie zusätzlich ein mechanischer Rückwärtsgang und der ePGS-Anfahrmodus realisiert. Nur bei vier der Schaltelemente handelt es sich um Rutschkupplungen/Bremsen. Aufgrund dieser geringen Anzahl von Rutschkupplungen und ihrer spezifischen Positionen im Radsatz kann die gesamte Einheit bedarfsgerecht aktuiert werden.

Mögliche Strichdarstellung der PREX3-Basisstruktur


Optimierte Strichdarstellung mit vier Reibungskupplungen


In der Radsatzsynthese-Phase wurden Beschränkungen eingeführt, um sicherzustellen, dass sich nur maximal eine Kupplung zwischen den Planetenradsätzen (CL3) befindet. Diese Kupplung kann durch das Zentrum des Radsatzes von einen Zugaktor betätigt werden. Des Weiteren werden zwei der Schaltelemente niemals zur gleichen Zeit verwendet UND zwischen ihnen gibt es einen Gang, in dem beide frei sind (B1 und B2). Dies ermöglicht eine Reduzierung der Reibschaltelement, indem zwei Bremsen durch eine Bremse und eine Umschaltung per Klauenkupplung ersetzt werden. Eine weitere Vereinfachung ist für das Schaltelement B3 möglich: Die Bremse B3 wird nur im ersten und den Rückwärtsgängen verwendet. In diesen Gängen ist nur eine begrenzte Schubfähigkeit erforderlich, da auch ein Wandlerautomat in diesem Betriebsbereich den Wandler nicht überbrückt und das resultierende Verhalten akzeptiert ist. Daher kann dieses aktive Element durch einen passiven Freilauf (one-way clutch – OWC) ersetzt werden. Mit einer optimierten Kupplungsanordnung lässt sich die Zahl der Reibschaltelemente auf nur noch vier Elemente minimieren. Die Schubfunktion ist nun auf das Elektromotor-Drehmoment begrenzt, was in diesen niedrigen Gängen mehr als ausreichend ist.

Sequenzielle und multiple Schaltmöglichkeiten mit dem PREX3-Radsatz

Kupplungsverluste im PREX3

Wie zuvor angedeutet sind die wesentlichen Energieverluste in einem Automatikgetriebe Schleppverluste, die durch offene Schaltelemente hervorgerufen werden. Während die PREX3-Struktur von vorneherein für Hybridanwendungen ausgelegt wurde, erhöht sich bei den meisten konventionellen Radsatzstrukturen deren Komplexität durch die Hybridisierung zusätzlich. Mit der optimierten Kupplungsanordnung, wie oben beschrieben, wird die Anzahl der offenen Reibschaltelemente beim PREX3 im Vergleich zum heutigen Stand der Technik dramatisch auf die Hälfte reduziert.


Bedarfsgerechte Aktuierung

Die zweite wesentliche Quelle von Energieverlusten ist bei konventionellen Automatikgetrieben die Hydraulik für die Kupplungs- und Bremsbetätigung. Das PREX3-Konzept verfügt über nur fünf Schaltelemente, die kontrolliert werden müssen. Zwei davon sind Bremsen am Ende des Radsatzes, die mit bestehenden elektrohydraulischen oder elektromechanischen Systemen weitgehend verlustfrei aktuiert werden können. Zwei weitere Elemente sind Kupplungen, die am Verbrennungsmotor-Eingang angeordnet sind. Hier kann ebenfalls bedarfsgerechte Aktuierungstechnologie, wie bei Doppelkupplungsgetrieben in Serie, eingesetzt werden. Die einzige verbleibende Kupplung im Radsatz wird mittels eines Einrücklagers und einer Zugstange durch die Zentralwelle von einem Aktuator im hinteren Teil des Getriebegehäuses betätigt. Bei diesem Aufbau können alle Schaltelemente mittels eines leckagefreien, bedarfsgerechten Systems aktuiert werden. Zur Schmierung und Kühlung des Elektromotors wird eine kleine Zentrifugalpumpe verwendet, die durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor angetrieben wird und auch bedarfsgerecht gesteuert werden kann.

Relative Delta-Geschwindigkeit der offenen Reibungselemente pro Umdrehung


ePGS als Anfahreinrichtung

Der letzte große Energieverlust in einem automatischen Getriebe ist das Anfahrelement. Darin wird Energie in Form von Wärme über die Kupplung oder den Drehmomentwandler abgeleitet. PREX3 verwendet hier das bekannte FEV ePGS-Prinzip, wodurch beim Anfahren keine Energieverluste anfallen. Während der ersten Phase des Anfahrens ist der Elektromotor im Generatormodus und lädt so die Batterie, anstatt den Kupplungsschlupf in Wärme abzuleiten. In der zweiten Phase des Anfahrens wird die erzeugte Energie im Boost-Modus zurück in das System geleitet, wodurch eine wandlerähnliche Dremomentverstärkung bis zu einem Synchronpunkt dargestellt wird, an dem das System zum konventionellen Parallelmodus übergeht. Mit dem gewählten Hebelverhältnis ist die in der ersten Phase des Anfahrens erzeugte Energie etwas höher als die Energie, die für den Boost in der zweiten Phase des Anfahrens benötigt wird. Dies führt zu einer positiven Ladebilanz nach Anfahren des Fahrzeugs.

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