Continuously variable transmission

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Die Continuously variable transmission (CVT, zu deutsch kontinuierlich verstellbare (Kraft-)Übertragung) ist eine Form von Getriebe, die bei Werkzeugmaschinen und Fahrzeugen zum Einsatz kommt.

[Bearbeiten] Andere Benennung

CVT-Getriebe werden auch Variator-Getriebe genannt. Sie ermöglichen eine stufenlose Einstellung der Übersetzung.

[Bearbeiten] Beschreibung

Bei CVT-Getrieben wird die Kraft über Zugmittel, entweder breite Keilriemen, Lamellenketten oder Schubgliederbänder übertragen. Daneben gibt es CVT als Wälzkörpergetriebe (Kegelringgetriebe und Extroid CVT).

Zentrales Element für die Kraftübertragung bei einem CVT ist der Variator. Er besteht aus zwei axial verschiebbaren Kegelscheibenpaaren und einem dazwischen laufenden Zugmittel.

[Bearbeiten] Ausführungen

Ein CVT-Getriebe mit Lamellenkette

Das Umschlingungsmittel kann wahlweise aus

einem Schubgliederband, das zwischen zwei Kegelscheibenpaaren läuft
einem breiten Keilriemen, der zwischen zwei glatten Kegelscheibenpaaren läuft (siehe auch: Riemengetriebe)
einer Laschenkette die zwischen zwei glatten Kegelscheibenpaaren läuft (siehe auch: Multitronic) oder
einer Kette mit seitlich verschieblichen Blechlamellen die zwischen zwei gezahnten Kegelscheibenpaaren läuft (siehe auch: Kettengetriebe)

bestehen.

Hauptunterschied der Ausführungen ist:

Das Schubgliederband überträgt in den meisten Betriebszuständen das Drehmoment durch Schubkräfte.
Der Keilriemen arbeitet kraftschlüssig und weist Schlupf aus. Dafür ist das Betriebsgeräusch des Keilriemens geringer und kann ohne Schmierung laufen. Das maximal übertragbare Drehmoment ist relativ gering.
Die Laschenkette arbeitet kraftschlüssig. Der Schlupf wird durch einen hohen, hydraulisch erzeugten Anpressdruck überwunden. Das maximal übertragbare Drehmoment beträgt zwischenzeitlich bis zu 380 Nm (im Modell Audi A 6 2.7 TDI Multitronic).
Die Lamellenkette arbeitet formschlüssig und damit schlupffrei.

[Bearbeiten] Funktion

Das eine Kegelscheibenpaar ist mit dem Antrieb verbunden, das andere mit dem Abtrieb. Jeweils eine diagonal gegenüberliegende Hälfte der Kegelscheibenpaare ist auf den Wellen fixiert, während die jeweils andere Scheibe auf der Welle axial geführt, gesteuert verschoben werden kann.

Wenn die Kegelscheiben weit voneinander entfernt sind, dann beschreibt das Zugmittel einen kleinen Radius auf der Kegelfläche. Sind die Kegelscheiben dagegen nah beieinander, dann folgt das Zugmittel einem großen Radius auf der Kegelfläche.

Die Bewegungen beider Kegelscheibenpaare erfolgt dabei gegenläufig, damit bei gleich bleibender Zugmittellänge und Achsabstand das Zugmittel vorgespannt bleibt.

Ein kleiner Zugmittel-Radius entspricht einem kleinen Gang eines konventionellen Getriebes, ein großer Radius einem großen Gang.

Sind die Kegelscheiben weit voneinander entfernt und werden die Kegelscheiben zusammengedrückt, dann vergrößert sich der Zugmittel-Radius und damit das Übersetzungsverhältnis von klein auf groß. Da dieser Vorgang stufenlos erfolgt, verändert sich das Übersetzungsverhältnis ebenfalls stufenlos.

[Bearbeiten] Sonderformen

Eine Sonderform des CVT stellt die Kraftweiche (Power Split Device) im Hybridfahrzeug Toyota Prius dar. Dort wird die stufenlose Schaltung virtuell erzeugt, indem ein Generator eine elektronisch gesteuerte Last am Sonnenrad eines Planetengetriebes darstellt. In Abhängigkeit von dieser Last verändert sich das Übersetzungsverhältnis zwischen dem vom Verbrennungsmotor angetriebenen Planetenradträger und dem als Abtrieb dienenden Zahnkranz. Das System wird von Toyota unter dem Namen Hybrid Synergy Drive vermarktet.

X-CONI Getriebe

Ausführung als QuattroCONI Getriebe mit 4 Kegeln

Die sogenannten X-CONI Getriebe lehnen sich vom Funktionsprinzip her an die Kegelringgetriebe an, bieten aber die Möglichkeit deutlich mehr Drehmoment zu übertragen. Sie sind in der Regel gleichachsig und funktionsbedingt leistungsverzweigt ausgeführt und für den Einsatz in Heckgetriebenen Fahrzeugen sehr gut geeignet. Grundprinzip ist eine konzentrische Anordnung nahezu aller Bauteile im Getriebe. Getriebeeingangsseitig erfolgt der Kraftfluss nach dem Anfahrelement (Kupplung, Drehmomentwandler etc.) auf den Planetenträger. Ein Teil geht auf die Abtriebswelle mit Sonnenrad der andere Teil auf ein Hohlrad mit Innen- und Außenverzahnung. Das Hohlrad treibt die als äußere Planeten orientierten Kegel an. Diese sind um den halben Kegelwinkel geneigt und bilden dadurch einen „Zylinder“ in dem der CENTERDRIVE das Übertragungsrad translatorisch auf der Abtriebswelle über eine Verschiebeeinheit bewegt werden kann. Die für die toroidische Übertragung notwendige Anpresskraft wird von den Kegeln selbst erzeugt. Grundsätzlich lässt sich auch eine Trennung zwischen Traktionsbereich und Schmierbereich realisieren um hohe Dremomentübertragung zu gewährleisten.

Heckansicht auf ein HexaCONI Getriebe

Ausführung als Doppeltes QuattroCONI Getriebe mit insgesamt 8 Kegeln

Die Ausführungen als QuattroCONI (4 Kegel) oder HexaCONI (6 Kegel) sind sinnvoll aber auch eine andere Anzahl Kegel ab zwei aufwärts ist denkbar z.B. als Modulbauweise für verschiedene Leistungen.

Wenn höchste Drehmomentübertragung gefordert ist z.B. für Nutzfahrzeuge bietet sich die Ausführung aus Duo-X-CONI an, in der ein zweiter Satz Kegel nachgeschaltet ist.

[Bearbeiten] Anwendungen

Im Maschinenbau, vor allem in Werkzeugmaschinen, war vor der breiten Einführung elektronisch regelbarer Motore das CVT-Getriebe (ein Markenname: "P.I.V.") für schlupffreie und stufenlos stellbare Antriebe weit verbreitet.

Motorroller-CVT

Weitläufig bekannt wurden das CVT-Getriebe als so genannte Variomatic in einem Fahrzeug von DAF, das theoretisch vorwärts wie rückwärts gleich schnell fahren konnte. Seit den 1980er Jahren wurden Kleinkrafträder (Mofa/Moped) in Großserie von Honda (z.B. im Mofa Honda Camino) und dem italienischen Hersteller Piaggio (z.B. im Hexagon) mit einem Keilriemen CVT in Verbindung mit einer Fliehkraftkupplung gefertigt. 1987 brachte der Automobilhersteller Subaru den Kleinwagen Justy mit einem elektronisch gesteuerten, ECVT genannten CVT Getriebe auf den Markt.

Heute finden sich CVT-Getriebe z.B. in Antrieben von Motorrollern, bei landwirtschaftlichen Geräten, bei Baumaschinen und zunehmend wieder in Pkw bis 191 kW (260 PS) (z. B. Audi-Multitronic) für Kettenanwendungen und bis 350 Nm für Schubgliederapplikationen. Eine Elektronik regelt das CVT so, dass sich der Motor stets, für die vorgewählte Fahrweise, im optimalen Drehzahlbereich befindet. Dies bedeutet je nach Fahrsituation, dass der Motor in einem Drehzahlbereich mit geringstmöglichem Kraftstoffverbrauch (meist ECONOMY genannt, beim Beschleunigen bleibt der Motor im Drehzahlbereich des maximalen Drehmoments) oder höchstmöglicher Leistung (z.B. zum Überholen, meist POWER genannt, im Drehzahlbereich der maximalen Leistungsabgabe) läuft. Während des Beschleunigens kann der Motor bei konstanter Drehzahl seine maximale Leistung abgeben, während die Geschwindigkeitszunahme über das stufenlose Getriebe ausgeglichen wird. Dies hat den anfangs irritierenden Effekt, dass bei gleich bleibendem Motorgeräusch die Geschwindigkeit stetig zunimmt ("Gummiband-Effekt").

Eine Variante des CVT als Reibradgetriebe mit winkelveränderlichen Rollen stellt das 1999 vorgestellte (Nissan Extroid CVT)-Getriebe dar. Dieses Getriebe ist wegen einer überdimensionierten Hydraulik sowie einem ungünstigen Wirkungsgrad in kleinen Kraftfahrzeugen noch zu schwer und zu teuer. Allerdings wird das technische Potenzial der rollreibenden und damit extrem leisen, komfortablen stufenlosen Kraftübertragung erkennbar. Eine moderne Variante mit Rollreibungsübertragung ist das Kegelringgetriebe.

Die Serie A und B von Mercedes-Benz des Daimler-Chrysler-Konzerns werden mit einem CVT-Automatikgetriebe mit virtuellen Gängen ausgestattet, die auch wahlweise per Hand geschaltet werden können. Auch der Honda Jazz (ab 1.4l) und der Ford Focus (nur 1,6l Diesel) sind optional mit einem CVT-Getriebe erhältlich.