Mithilfe von Simulationsmethoden zur Vorhersage von Getriebeverlusten ist es möglich, bei der Neugestaltung von Getrieben verlässliche Aussagen hinsichtlich des wirkungsgradoptimalen Layouts und der relevanten Konstruktionsparameter zu treffen.
Die Autoren: Dr. Josef Girstmair, Gruppenleiter, und Thomas Schaffner, Senior Researcher, Powertrain Dynamics & Acoustics, sowie Dr. Anton Fuchs, Bereichsleiter NVH & Friction, Virtual Vehicle, Graz, Österreich
Der Fahrzeugantrieb beeinflusst wesentliche kundenrelevante Fahrzeugeigenschaften und ist maßgeblich für den CO2-Ausstoß und den Energieverbrauch verantwortlich. Vor allem im letzten Jahrzehnt wurden große Anstrengungen hinsichtlich Effizienzsteigerung der Verbrennungskraftmaschine unternommen und eine Vielzahl von Innovationen umgesetzt. Vor dem Hintergrund deutlich verschärfter gesetzlicher CO2-Anforderungen bis zum Jahr 2020 rückt in diesem Zusammenhang nun auch das Getriebe immer stärker in den Fokus der Fahrzeugentwickler. Simulationsmethoden zur zuverlässigen Vorhersage von Getriebeverlusten unterstützen dabei den Konstruktionsingenieur bei der Entwicklung zukünftiger ressourcenschonender und nachhaltiger Antriebssysteme.
Das entwickelte Getriebemodell
Im Rahmen von Forschungsarbeiten wurde am Virtual Vehicle ein umfangreiches Getriebemodell entwickelt, das Detailuntersuchungen von Maßnahmen und deren Auswirkungen auf die Effizienz ermöglicht. Einflussgrößen wie das Lagerkonzept, Getriebe-Strukturdesign oder Oberflächenrauigkeiten auf den Getriebewirkungsgrad können mit der entwickelten Simulationsmethodik effizient und zuverlässig vorhergesagt werden.
Im Getriebegesamtmodell werden alle relevanten Verluste der Einzelkomponenten abgebildet – beim untersuchten 6-Gang-Handschaltgetriebe für den Längseinbau sind dies folgende Einzelverluste:
- Gleit- und Rollreibverluste in der Verzahnung und in den Wälzlagern
- Plansch-, Ausquetsch- und Ventilationsverluste der Verzahnungen
- Ventilationsverluste der Synchronisierung
- Verluste der Wellen- und Lagerdichtungen
- hydraulische Lagerverluste
- Ventilationsverluste der trockenen Kupplung und
- Verluste von Nebenaggregaten
Diese Einzelverluste der unterschiedlichen Getriebekomponenten werden dabei mithilfe empirischer Gleichungen abgebildet, die im interessanten Bereich parametriert und verifiziert wurden.
Parametrierung und Validierung
Die unbekannten Modellparameter wurden durch Versuche an speziellen Prüfaufbauten bzw. durch Versuche am – auf die jeweilige Komponente reduzierten – Getriebe durchgeführt. Im realen Getriebe generieren alle Komponenten gleichzeitig Verluste und eine gegenseitige Beeinflussung ist nicht ausgeschlossen. Um die Gültigkeit der Einzelverlustmodelle in der globalen Berechnung überprüfen zu können, wurden zahlreiche Messungen mit unterschiedlichen Konfigurationen am Prüfstand durchgeführt.
Die messtechnische Bestimmung von Getriebewirkungsgraden stellt nach wie vor eine Herausforderung dar: Zahnradgetriebe haben prinzipiell nur geringe Verluste, die zudem noch nicht direkt gemessen werden können, sondern als Differenz zwischen Ein- und Ausgang bestimmt werden. Dazu wird am Getriebeein- und -ausgang die übertragene Leistung in Form von Drehmoment und Drehzahl gemessen. Die Drehzahlmessung stellt dabei kaum ein Problem dar.
Herausfordernd hingegen ist die Messung der Drehmomente, da deren Messfehler direkt in den Messfehler des Verlustes eingehen und dessen Größe bei weitem überragen können. Um aussagekräftige Messdaten zu erhalten wurde eine Vorgehensweise am Prüfstand erarbeitet und diese in der Folge automatisiert. Eine optimale Nutzung von Prüfstandszeiten und eine Unabhängigkeit von Einflüssen durch Prüfstandfahrer sind Ergebnisse dieser Automatisierung.
Ergebnisse der Versuche
Wesentlichen Einfluss auf die Verluste und den Getriebewirkungsgrad haben die Viskosität des Öls und damit die Temperatur im Getriebe. Zur Modellentwicklung und -verifikation und auch für die eigentliche Messung des Wirkungsgrads sind genau definierte Temperaturbedingungen notwendig. Dazu wurde um das Getriebe herum eine Konditionierzelle aufgebaut, die mittels Heizung bzw. Kühlung das Getriebe auf vorgegebene Temperaturniveaus konvektiv temperiert.
Das unten stehende Diagramm zeigt Ergebnisse, die für das untersuchte Handschaltgetriebe bestimmt wurden. Die entwickelte Berechnungsmethode erlaubt es, die Verluste im Getriebe sehr gut abzubilden, ohne auf deren Kopplung eingehen zu müssen.
Auffallend für das untersuchte Getriebe sind beispielsweise die recht hohen Kegellagerverluste, diese wurden in der Folge durch den Einsatz anderer Lagertypen zuerst simulatorisch reduziert und dann der Effekt im Versuch am Prüfstand nachgewiesen.
Für eine umfassende Optimierung des Getriebes reichen Untersuchungen in Einzelbetriebspunkten nicht aus, sondern erfordern die Betrachtung im Fahrzyklus bzw. auf ausgewählten Kursen. Daher wurde die Berechnungsmethode zur Abbildung der Getriebeverluste in ein Gesamtfahrzeugmodell integriert. Damit können die Auswirkungen von Änderungen auf den Zyklusverbrauch oder Streckenverbrauch beurteilt werden.
Verlässliche Aussagen treffen
Mithilfe der entwickelten Getriebeverlustmodelle ist es möglich, bei der Neugestaltung von Getrieben verlässliche Aussagen hinsichtlich des wirkungsgradoptimalen Layouts und der relevanten Konstruktionsparameter zu treffen. Die zuverlässige Bestimmung von Verlustanteilen einzelner Komponenten unter Zuhilfenahme der Systemsimulation ist dabei ein besonders erwähnenswerter Vorteil.
Das Ziel der weiteren Entwicklung ist eine Vereinfachung der Methodik zur Erfassung der Eingabeparameter für die Simulation und die Übertragbarkeit der Berechnungsansätze auf andere Getriebetypen.
Virtual Vehicle, Kompetenzzentrum – Das Virtuelle Fahrzeug Forschungs- gesellschaft mbH, Tel.: +43 316 873-4015, josef.girstmair@v2c2.at
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