Antriebstechnik von Automobilen

In Folgendem wird die Antriebstechnik von Automobilen beschrieben, insbesondere zwischen Motor und Getriebe mit den notwendigen Kraft-Übertragungselementen

Schaltgetriebe

Das Schaltgetriebe hat die Aufgabe die vom Antriebsmotor erzeugte Drehzahl und das eingehende Drehmoment an der Eingangswelle des Getriebes an die jeweiligen Fahrverhältnisse bezüglich Geschwindigkeit und Gelände anzupassen. Dieses Prinzip ist jedem bekannt bei der Fahrradgangschaltung. Hier werden im Prinzip auch je nach Belastungsfall für den Radfahrer verschiedene Zahnräder miteinander in Eingriff gebracht. Der Zahnradeingriff geschieht hier allerdings nicht direkt, sondern wird über eine Kette übertragen.

Ein Antriebsaggregat arbeitet bei vielen Fahrzeugen in einem Drehzahlbereich von ca. 800 U/min, der Leerlaufdrehzahl, bis zur maximalen Drehzahl, die je nach Motor Typ ca. 8500 U/min liegen kann.

Dieser extreme Drehzahlunterschied kann zum direkten Antrieb der Antriebsräder nicht genutzt werden. Deshalb verwendet man ein dem Motor nachgeschaltetes Zahnradgetriebe. Im Inneren dieses Getriebes befinden sich unterschiedlich große Zahnräder, die über einen schaltbaren Mechanismus miteinander in Eingriff gebracht werden können.

Durch die Kombination verschiedener Zahnradgrößen erreicht man eine Drehzahl-Übersetzung der eingehenden Motordrehzahl, die dann an der Ausgangswelle des Getriebes mit einer geänderten Drehzahl zur Verfügung steht. Über Antriebswellen wird diese erzeugte neue Drehzahl dann an die Antriebsräder weiter gegeben.

Weiterhin stellt der Motor während des Betriebes über seinen gesamten Drehzahlbereich ein sich ständig änderndes Antriebsdrehmoment zur Verfügung. Auch dieses Antriebsdrehmoment wird durch das nachgeschaltete Getriebe den jeweiligen Fahrverhältnissen angepasst.

Verbrennungsmotoren arbeiten in einem bestimmten Drehzahlbereich mit einem größtmöglichen Wirkungsgrad. Er entsteht dadurch, dass die mechanischen und thermischen Abläufe bei dieser Drehzahl optimal sind und hier auch der Kraftstoffverbrauch am geringsten ist. Diese Drehzahl liegt bei vielen Motoren im Bereich von 1800 U/min bis 2800 U/min.

Durch das Getriebe ist es nun möglich das Fahrzeug in diesem Drehzahlbereich zu bewegen und dadurch einen günstigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen.

Das Schaltgetriebe ist vereinfacht wie folgt aufgebaut:

In einem stabilen Gehäuse, vielfach aus Aluminiumguss hergestellt, liegen zwei Wellen nebeneinander, auf denen sich verschiedene in Ihrem Durchmesser unterschiedliche Zahnräder befinden und längs über die Welle bewegt werden können. Eine dieser Wellen ist direkt mit dem Antriebsmotor über eine noch zwischengebaute Trennvorrichtung, der Kupplung, verbunden. Die andere Welle ist mit den Antriebswellen zu den Antriebsrädern verbunden. Die beweglichen Zahnräder sind über Verbindungselemente mit der Welle kraft-und formschlüssig verbunden und drehen diese dadurch zwangsläufig mit.

Die noch zwischengeschaltete Trennkupplung zwischen Motor und Getriebe,

hat die Aufgabe, beim Gangwechsel, also bei einer neuen Paarung von Zahnrädern, die Verbindung vom Antrieb zu trennen. Hierdurch kann dass Inneingriff bringen der beiden neu gewählten Zahnräder problemlos durchgeführt werden.

Bei der Paarung von in ihrem Durchmesser unterschiedlich großen Zahnrädern, werden durch die Wirksamkeit des Hebelgesetzes übertragbare Drehmomente sowie auch die Drehzahl geändert. Die Zahnradgrößen in einem Getriebe sind nun so ausgelegt, dass sie je nach Stärke und Drehzahlbereich des Motors und der Größe des Fahrzeugs eine optimale Kraftübertragung gewährleisten können.

Durch eine sogenannte Schaltgabel, die im Getriebe eingebaut ist, lassen sich diese Zahnräder unterschiedlichen Durchmessers auf der Welle in Längsrichtung verschieben und in bestimmten Kombinationen miteinander in Eingriff bringen. Man spricht hier auch von „Gang einlegen“. Die Schaltgabel wird vom Fahrer im Fahrgastraum über mechanische Übertragungselemente, dem sogenannten Schalthebel bewegt.

Automatikgetriebe: Antriebstechnik von Automobilen

Automatikgetriebe sind Fahrzeuggetriebe, die im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges direkt hinter dem Motor eingebaut werden. Die Antriebswelle des Motors treibt über eine zwischengeschaltete hydraulische Kupplung das Getriebe direkt an.

Eine hydraulische Kupplung arbeitet nach folgendem Prinzip: In einem ölgefüllten geschlossenen Gehäuse drehen sich zwei direkt hintereinander liegende Turbinenräder. Das erste Turbinenrad ist mit der Antriebswelle des Motors verbunden, das zweite Turbinenrad ist mit der Getriebe-Eingangswelle verbunden. Dreht sich nun das durch den Motor angetriebene Turbinenrad, wird durch die sehr starke entstehende Öl-Rotation auch das zweite Turbinenrad angetrieben. Die Kraftübertragung durch eine hydraulische Kupplung ist sehr dämpfend und erhöht den Fahrkomfort.

Im Gegensatz zum manuellen Schaltgetriebe wird bei einem Automatikgetriebe der Gangwechsel automatisch ausgeführt. Es ist kein Entkuppeln mehr zwischen Motor und Getriebe für einen Gangwechsel erforderlich. Diese Arbeiten übernehmen Aktoren, die über eine Elektronik gesteuert, den Gangwechsel automatisch durchführen. In diesem Elektronik-Programm sind die entsprechenden Parameter hinterlegt, die je nach Fahrsituation des Fahrzeugs dafür sorgen, dass zu jeder Zeit immer die richtige Zahnradpaarung im Getriebe zur Verfügung steht und im Eingriff ist. Automatikgetriebe arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad, weil sie permanent zu jeder Fahrsituation und Belastung des Fahrzeugs passend den richtigen Getriebegang zur Verfügung stellen. Dadurch wird es auch ermöglicht den Antriebsmotor immer in seinem Wirkungsgrad günstigsten Drehzahlbereich zu betreiben, was wiederum zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch führt. Der Fahrer kann allerding auch manuell einen Gang vorwählen, am sogenannten Wahlschalter, der in der Mittelkonsole im Fahrzeug installiert ist.

Hier kann auch der Rückwärtsgang vorgewählt werden. Ein Nachteil des Automatikgetriebes liegt jedoch darin, dass relativ lange Schaltzeiten beim automatischen Gangwechsel entstehen. Dadurch ergeben sich sogenannte Zugkraftunterbrechungen, die beim Hochbeschleunigen des Fahrzeugs spürbar sind und sich negativ auf den Fahrkomfort auswirken können.

Dem entgegen wirkt ein sogenanntes Doppelkupplungsgetriebe.

Es besteht, wie der Name schon sagt, aus zwei parallel zueinander arbeitenden Trennkupplungen.

Der maßgebliche Vorteil einer solchen Kupplung liegt darin, dass während des Hochbeschleunigens in einem Gang durch die Doppelkupplung der nächste erforderliche Gang bereits eingelegt wird.

Es muss dann nur noch auf den zweiten Antriebsstrang mit der bereits bestehenden weiteren Zahnradpaarung umgeschaltet werden. Dies geschieht sehr schnell. Eine Zugkraftunterbrechung ist nicht mehr spürbar. Das Fahrzeug kann hierdurch „ruckfrei“ und gleichmäßig hochbeschleunigt werden. Der Fahrkomfort wird hierdurch erheblich gesteigert.

Doppelkupplungs-Automatikgetriebe werden zum Beispiel im Antriebstrang von Rennsportfahrzeugen, in der Formel 1 eingebaut. Hier kommt es ja sehr darauf an, den nächsten Gang möglichst schnell einzulegen, damit kein Zugkraftverlust beim Hochbeschleunigen entsteht. 

Antriebswelle: Antriebstechnik von Automobilen

Als Antriebswellen bezeichnet man die Bauteile, die das durch den Motor erzeugte Antriebs-Drehmoment an die Antriebsräder weiterleiten. Sie werden sehr stark auf  die Belastungsart „Verdrehen“ beansprucht und sind dementsprechend aus hochfesten Materialien hergestellt.

Es gibt mehrere Varianten, die Antriebswellen am Ausgang des Getriebes oder am Anschluss des Rades auszuführen. Die Verbindung muss kraft-und formschlüssig sein. Das bedeutet, dass an der Verbindungsstelle keine Relativbewegung zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen von Welle und Getriebe in Drehrichtung stattfinden darf. Das erreicht man zum Beispiel durch eine Verzahnung an den Enden der Antriebswellen. Hier greifen dann beim Zusammenbau Verzahnungen ineinander, die eine kraft-und formschlüssige Verbindung herstellen. Eine weit verbreitete Art der  Antriebswelle ist die sogenannte Kardanwelle.

Sie kommt bei Fahrzeugen zum Einsatz, die einen Frontmotor-Einbau und eine angetriebene Hinterachse haben. Der Weg von vorne nach hinten ist dann relativ lang. Mit der Kardanwelle werden das Motordrehmoment und die Drehzahl auf die Hinterachse übertragen. Da sich die Hinterachse aber durch die eingebauten Federn und die bewegliche Aufhängung am Fahrzeug relativ zum Fahrzeug und Motor bewegen kann, muss die Konstruktion der Kardanwelle dementsprechend ausgeführt sein. Das erreicht man durch ein sogenanntes Kardangelenk oder auch Kreuzgelenk genannt. Das Kardangelenk ist folgendermaßen aufgebaut: Zwei um 90 Grad hintereinander angeordnete Drehgelenke an den beiden Enden der Kardanwelle ermöglichen es, eine Winkeländerung zuzulassen. Die nachfolgende Welle kann hierdurch  eine andere Richtung in Längsrichtung haben. Durch diese Konstruktion können Drehzahl und Antriebsdrehmoment sicher übertragen werden. Bei einer sich ständig relativ zur Karosserie bewegenden Hinterachse können diese Relativbewegungen durch das Kardangelenk ausgeglichen werden.  

Bei angetriebenen Vorderrädern werden die Antriebswellen an beiden Enden radseitig mit sogenannten Gleichlaufgelenken ausgeführt. Durch die beweglichen Federn und der über Gelenke gelagerte Radaufhängung hat das anzutreibende Rad hier eine Relativ-Bewegung gegenüber zum eingebauten Frontmotor, die über die sogenannten Gelenkwellen ausgeglichen werden müssen. Da die Vorderräder aber auch noch lenkbar sind, muss das Gleichlauf-Gelenk an den Antriebswellen hier einen wesentlich größeren Winkel beim Lenkeinschlag ausgleichen können. Allerdings sind auch Grenzen in der Konstruktion dieser Gelenke gesetzt.

Ab einem gewissen Winkeleinschlag kann das Gleichlauf-Gelenk keine Drehmomente mehr übertragen. Der maximal mögliche Lenkeinschlag wird deshalb mechanisch mit einem Anschlag begrenzt. Weiterhin entsteht bei der Bewegung des Rades auch eine Längsbewegung gegenüber dem Getriebe. Auch diese Relativbewegung muss von den Antriebswellen ausgeglichen werden können. Hier wird in den meisten Fällen das Prinzip einer Längsverzahnung angewendet. Die Antriebswelle hat auf ihrem Umfang am Ende eine Längsverzahnung und getriebeseitig ist eine dementsprechende Hülse mit einer Innenverzahnung montiert. Die Antriebswelle kann durch dieses Prinzip der kraft-und formschlüssigen Verzahnung weiterhin das Antriebsdrehmoment übertragen und lässt sich zur gleichen Zeit aber auch längs in der Hülse verschieben. Die Gelenke im Antriebsstrang sind in der Regel wartungsfrei ausgeführt und werden durch sogenannte Faltenbälge ( Manschette ) aus Gummi gegen Verschmutzung und Beschädigung geschützt. Da die Antriebswellen sicherheitsrelevante Bauteile sind, sind sie in den vorgeschriebenen Wartungsintervallen regelmäßig auf Beschädigung zu überprüfen. Durch die kugelgelagerte und dadurch schwenkbare Antriebswelle, kann sie Drehmomente auch bei Winkeländerungen übertragen.

Der Antriebsmotor ist im Fahrzeug auf sogenannten Gummilagern befestigt. Sie sind deshalb notwendig, weil der Motor im Betrieb eine sehr hohe Schwingungs-Eigenfrequenz hat. Durch diese Gummilager-Elemente, die an den Auflagepunkten zwischen Motor und Karosserie eingebaut sind, werden die hochfrequenten Schwingungen größtenteils absorbiert.

Im Fahrzeug sind dadurch kaum noch wahrnehmbare Bewegungen des Motors spürbar.

Alle Antriebselemente, einschließlich dem Antriebsmotor sind zueinander beweglich gelagert. Diese Relativbewegungen müssen ständig mit den oben beschriebenen beweglichen Gelenken zueinander ausgeglichen werden.

Durch entsprechende Gummielemente an den Auflagepunkten der Achs-Federn an der Karosserie, den eingebauten Schwingungsdämpfern ( Stoßdämpfer ) und den bereits erwähnten Gummilagern des Motors werden die meisten durch Straßenunebenheiten und den betriebsbedingt entstehenden Stoßbelastungen weitestgehend absorbiert. Das trägt erheblich zum Fahrtkomfort des Fahrzeugs bei.