Die Automatik - ein hochwertiges Stück Feinmechanik erledigt den komfortablen
Gangwechsel
Keine Frage, ein Automatikgetriebe ist eine feine Sache. Kupplungsfuß und Schaltarm haben
Pause – die Technik kümmert sich um den komfortablen Gangwechsel. Damit das reibungslos und
dauerhaft funktioniert, steckt das unscheinbare Leichtmetallgehäuse der Automatik bis zum Rand
voller hochpräziser Feinmechanik.
Kernstück ist das Planetengetriebe – ein großes Zahnrad mit Innenverzahnung (Hohlrad), das
mit einem zentrisch angeordneten (Sonnenrad) und darum kreisenden drei bis fünf Zahnrädern
(Planetenräder) ineinander greift. Der Trick: Je nachdem, welches dieser fünf Zahnräder gerade
angetrieben oder abgebremst wird, lassen sich mit einem Planetensatz bis zu drei Gänge realisieren.
Was bedeutet, dass eine Vierstufen Automatik mindestens zwei Planetensätze benötigt. Weil es dabei
Überschneidungen in den Übersetzungen gibt, werden für fünf Gänge aber schon drei Planetensätze
benötigt, für sechs Gänge gar vier. Geschaltet werden die Planetengetriebe mit Lamellenkupplungen
und -bremsen. Diese bestehen aus Stapeln von Lamellen, die wechselweise Innen- und Außenverzahnung
besitzen und im Ölbad des Getriebes laufen Die eine Sorte Lamellen meistens die mit der
Innenverzahnung – ist mit Reibbelägen beschichtet. Werden die Lamellenpakete zusammengedrückt,
können sie Kräfte übertragen. Dies geschieht über ein Hydrauliksystem, dessen Druck von einer
Ölpumpe erzeugt wird. Die sitzt ganz vorn am Getriebe, wird vom Pumpenrad des Drehmomentwandlers
mit angetrieben – läuft also ständig mit Motordrehzahl.
Das eigentliche Gehirn der Automatik aber ist der Schaltschieberkasten. In dessen Kanalsystem
– das tatsächlich an Gehirnwindungen erinnert – ist festgelegt, wie Lamellenkupplungen und -bremsen
betätigt und somit die Gänge geschaltet werden. Dies funktioniert bei der Automatik unter Last,
also ohne Zugkraftunterbrechung durch Auskuppeln. Denn die gut geölten Lamellenkupplungen können
kurzzeitig auch unter Schlupf arbeiten. Der Übergang von der offenen zur geschlossenen Kupplung
vollzieht sich fließend, während die andere im selben Moment öffnet. Früher arbeitete die Steuerung
rein hydraulisch, seit etwa 20 Jahren spielen auch elektronisch gesteuerte Ventile und Regler mit.
So ist eine präzisere Abstimmung auf Fahrertemperamente einerseits und niedrigen Verbrauch
andererseits machbar. Trotzdem liegt der Wirkungsgrad einer Automatik niedriger als beim
Schaltgetriebe. Was moderne Automatiken aber zum Teil durch geschickte Schaltstrategie ausgleichen:
Sie fahren auch in der Stadt im höchsten Gang, lassen den Motor in niedrigen Drehzahlen ziehen und
nutzen die Kraftverstärkung des Drehmomentwandlers.
Das Differenzial - Scharfe Kurven verlangen nach einem
Trick, damit es im Antrieb nicht klemmt
In den ganz frühen Kindertagen des Automobils wurde bei einigen Fahrzeugen nur ein Rad
angetrieben. Ob nun links oder rechts, spielte dabei keine Rolle – diese Maßnahme sparte ein
schweres, teures und kompliziertes Bauteil ein: das Differenzial.
Denn solange die Straße geradeaus führt, ist es kein Problem, beide Räder anzutreiben. Die
Schwierigkeiten beginnen in der Kurve. Dann muss das äußere Rad einen längeren Weg zurücklegen als
das innere, sich folglich auch häufiger drehen. Mal angenommen, ein Fahrzeug hat eine Spurweite von
1,50 Metern und fährt einen Vollkreis, so rollt das äußere Rad rund 9,50 Meter weiter als das
innere, macht etwa fünf Umdrehungen mehr (Abrollumfang knapp zwei Meter). Diesen Drehzahlausgleich
besorgt das Ausgleichsgetriebe, kurz Differenzial genannt.
Es verteilt die Antriebskraft gleichmäßig auf beide Antriebsräder. Das ist allerdings nicht
seine einzige Aufgabe. Außerdem sorgt es noch für eine Untersetzung der Drehzahl. Denn die
Kardanwelle rotiert relativ flott, treibt so das kleine Antriebsritzel im Differenzial an. Dieses
setzt das große Tellerrad in Bewegung, das über drei- bis viermal so viele Zähne verfügt –
entsprechend fällt die Untersetzung aus. Das Tellerrad ist mit dem Differenzialkorb verschraubt,
darin befindet sich das eigentliche Ausgleichsgetriebe. Es besteht in seiner einfachsten Ausführung
aus vier kegelförmigen Zahnrädern, die wie die Seiten eines Rechtecks ineinandergreifen. Zwei
einander gegenüberliegende, Antriebskegelräder sind über die Achswellen mit den Rädern verbunden;
die beiden Ausgleichskegelräder sind drehbar im Korb gelagert. Sie übertragen die Kraft vom Korb
auf die Antriebskegelräder. Aber bei Geradeausfahrt drehen sie sich selbst nicht, sondern dienen
nur als Mitnehmer. Erst in der Kurve beginnen sie, sich auch um ihre Radachse zu drehen. Konstante
Fahrgeschwindigkeit vorausgesetzt, bleibt die Drehzahl des Differenzialkorbs gleich, aber die
Antriebskegelräder und damit die Räder des Fahrzeugs können nun mit unterschiedlicher Drehzahl
rotieren. In der Praxis kann das durchaus zu Problemen führen. Wenn beim Anfahren der Untergrund
rutschig ist, kann ein Rad mit der doppelten Drehzahl durchdrehen, während das andere auf der
Stelle steht. Ein Effekt, der bei kräftigen Fahrzeugen auch bei griffiger Straße auftreten kann.
Weshalb sportliche Autos bis vor einigen Jahren oft ein Sperrdifferenzial besaßen, das je nach
Sperrwirkung immer ein Mindestmaß an Kraft zum sicher greifenden Rad leiteten. Heute ist das Sache
der Elektronik, durchdrehende Räder werden einfach durch Betätigen der entsprechenden Bremse
festgehalten, das Differenzial leitet dann die Kraft an das andere Rad mit der besseren
Bodenhaftung um. Übrigens benötigen Fahrzeuge mit permanentem Allradantrieb zusätzlich ein
Differenzial zwischen Vorderund Hinterachse – auch diese legen in der Kurve unterschiedliche Wege
zurück, der Unterschied muss ebenfalls ausgeglichen werden.
Der Drehmomentwandler - der Name täuscht, denn im Grunde
ist er ein Drehmomentverstärker und sorgt für den nötigen Schwung
Das Auffälligste bei Fahrzeugen mit Automatikgetriebe: Sie haben kein Kupplungspedal.
Logisch, schließlich besitzen sie auch keine mechanisch betätigte Reibungskupplung wie Modelle mit
Handschaltung, sondern eine hydraulische. Einfaches Gasgeben genügt, und mit steigender Drehzahl
fährt das Auto los.
Die Technik hinter dieser einfachen Beschreibung ist allerdings so kompliziert wie ihr Name:
hydrodynamischer Drehmomentwandler. Der sitzt anstelle der Kupplung (und meist auch des
Schwungrades) zwischen Motor und Automatikgetriebe und sieht aus wie eine Käseglocke aus Metall. Im
Inneren befinden sich Öl und drei Schaufelräder: das vom Motor angetriebene Pumpenrad, das mit dem
Getriebe verbundene Turbinenrad und dazwischen das im Durchmesser kleinere Leitrad.Bei laufendem
Motor, aber stehendem Fahrzeug, dreht sich nur das Pumpenrad. Das Öl zwischen seinen Schaufeln wird
mitgenommen und strömt durch die Fliehkraft während der Drehbewegung zum Außendurchmesser. Dort,
getrennt nur durch einen haarfeinen Spalt, schließt das Turbinenrad an. Die Bewegungsenergie des
anströmenden Öls versetzt es in Drehung, sobald der Fahrer die Bremse löst. Allerdings erreicht es
nie die Drehzahl des Pumpenrades. Das bedeutet für das Öl, dass es entgegen der nach außen
Gerichteten Fliehkraft zum Innenrand des Turbinenrades steigen kann. Dort trifft es auf das fest
stehende Leitrad, dessen Schaufeln das Öl so umlenken, dass es im optimalen Winkel wieder ins
Pumpenrad eintritt. Dieser Trick ermöglicht es, das Drehmoment des Motors – die Zugkraft – um das
Zweieinhalbfache zu steigern. Oder anders ausgedrückt: zu wandeln. Daher der Name Wandler.
Allerdings nur beim Anfahren, wenn das Turbinenrad noch steht. Mit zunehmender Drehzahl des
Turbinenrades nimmt der Verstärkungseffekt ab. Wenn Pumpen- und Turbinenrad annähernd gleiche
Drehzahl erreicht haben, wird nur noch das effektive Motormoment übertragen. In diesem Bereich –
der Kupplungsphase – wird auch das Leitrad auf seinem Freilauf gelöst und dreht leer mit.
Allerdings kommt das Turbinenrad nie auf die gleiche Drehzahl wie das Pumpenrad. Geht auch gar
nicht, denn dann würde die Ölströmung im Wandler unterbrochen werden und damit die
Kraftübertragung. Zwei bis fünf Prozent Drehzahlunterschied lassen sich nicht vermeiden – der
Wandlerschlupf. Er ist verantwortlich für den schlechten Ruf von Automatikfahrzeugen in Sachen
Spritverbrauch. Weshalb sich die Entwickler beeilten, mit Einführung des elektronisch gesteuerten
Automatikgetriebes auch die Wandlerüberbrückungs- Kupplung einzuführen. Diese Lamellenkupplung
befindet sich innerhalb des Wandlergehäuses an der Rückseite des Turbinenrades, verbindet
dieses bei Bedarf mit dem Pumpenrad und sorgt so für starren Durchtrieb, wenn der Wandler nicht
benötigt wird. Also immer, wenn das Fahrzeugnichtgeradeaus dem Stand beschleunigt oder die
Automatik Gänge wechselt. Die Verbrauchsreduzierung beträgt so drei bis sechs Prozent. Was den
Verzicht aufs Kupplungspedal reizvoll erscheinen lässt – vom Komfortgewinn ganz zu schweigen.
Die Kupplung - der linke Fuß ist für sie zuständig – und
bedient ein feines Stück Technik
Autos mit Verbrennungsmotor haben ein Problem: Ihr Triebwerk kann nicht aus dem Stand anlaufen
wie eine Dampflok oder ein Elektromotor. Beim Anfahren läuft der Motor bereits, die Räder stehen
aber still. Deshalb benötigt der Antrieb eine Nahtstelle – die Kupplung.
Sie sitzt zwischen Motor und Getriebe und wird in den meisten Fällen mit dem Fuß betätigt –
mal ausgenommen automatisierte Schaltgetriebe wie im Smart. Verwirrend: Die am häufigsten
verwendete und hier gezeigte Bauart heißt Einscheiben- Trockenkupplung. Dabei besteht sie
eigentlich aus drei Scheiben: dem Schwungrad des Motors, der mit dem Getriebe verbundenen
Mitnehmerscheibe (Kupplungsscheibe) und der Druckplatte.
Beim Tritt aufs Kupplungspedal wird die Kupplung ausgerückt, dabei passiert Folgendes: Die
Pedalkraft wird entweder über einen Seilzug oder ein Hydrauliksystem auf das Ausrücklager
übertragen. Das drückt auf die Membran oder Tellerfeder. Deren Zentrum wird nach innen gedrückt,
wobei der Außenrand um den Kippring nach außen klappt. Folge: Die Anpresskraft der Druckplatte wird
aufgehoben, Blattfedern sorgen für ihr vollständiges Abheben, die Mitnehmerscheibe ist gegenüber
dem Motor nun frei beweglich. Jetzt kann im Getriebe der Gang eingelegt werden. Anschließend wird
die Kupplung zum Anfahren eingerückt. Dabei liegt es im Fuß des Fahrers, wie hoch der Verschleiß
für die Kupplungsbeläge ausfällt. Denn die miteinander verschraubten Teile Schwungrad und
Kupplungsdeckel samt Druckplatte drehen sich mit Kurbelwellendrehzahl, die Mitnehmerscheibe aber
steht. Beim Einrücken nimmt die Membranfeder wieder ihre alte Lage ein, die Druckplatte presst
allmählich gegen die auf der Getriebewelle leicht verschiebbare Mitnehmerscheibe, drückt diese
gegen das Schwungrad. Dabei wird sie mitgenommen, beginnt sich zu drehen – das Auto rollt an. Zu
diesem Zeitpunkt sind die Beläge hoher Reibung ausgesetzt, erwärmen sich stark. Profis warten daher
mit dem kräftigen Gasgeben, bis die Kupplung völlig eingerückt ist und der Fuß vom Pedal genommen
werden kann. Auch in kritischen Situationen, etwa beim Anfahren am Berg mit Anhänger, sollte die
Zeit des Kupplungsschleifens so kurz wie möglich bleiben. Denn das hält Erwärmung und Verschleiß im
Rahmen. Problematisch bei der Trockenkupplung ist die unerwünschte Übertragung störender
Motorvibrationen aufs Getriebe, die im Innenraum als Brummen oder Dröhnen hörbar werden. Deshalb
ist die Mitnehmerscheibe ein recht elastisches Gebilde, bei dem die Beläge auf flexible Belagfedern
genietet sind und so Schwingungen absorbieren sollen. Außerdem steckt zwischen Belägen und Nabe
noch ein Torsions-Schwingungsdämpfer mit mehreren Federn, der Vibrationen beim Einkuppeln und
Schläge beim plötzlichen Gasgeben oder -wegnehmen vom restlichen Antriebsstrang fernhält.
Ein ausgeklügeltes Stück Technik, so eine Kupplung. Und alles nur, weil Verbrennungsmotoren
nicht aus dem Stand anlaufen können.
Das Schaltgetriebe - Kleines Technikwunder: Eine Kiste voller
Zahnräder sorgt für Kraftübertragung
Verbrennungsmotoren haben die Eigenschaft, nur in bestimmten Drehzahlbereichen ihre optimale
Zugkraft und Leistung zu entfalten. Die von ihnen angetriebenen Autos sollen aber einerseits steile
Berge überwinden, andererseits Autobahnetappen schnell bewältigen. Deshalb benötigen sie ein
Getriebe. Es ermöglicht, die Untersetzungsverhältnisse zwischen Motor- und Räder-Drehzahlen in
gewissen Abstufungen zu ändern.
Die meisten Schaltgetriebe arbeiten heute mit fünf Gängen. Der erste ist kurz untersetzt. Was
bedeutet, dass das Fahrzeug trotz hoher Drehzahl nur geringe Geschwindigkeit erreicht. Gleichzeitig
steht im ersten Gang aber die höchste Zugkraft an den Antriebsrädern zur Verfügung. Im fünften oder
– sofern vorhanden – sechsten Gang ist es umgekehrt. Jetzt legt das Fahrzeug pro
Kurbelwellenumdrehung eine rund fünfmal längere Strecke als im ersten zurück. Wer ein Fahrrad mit
Gangschaltung hat, kennt das aus Erfahrung: Die Zugkraft nimmt im gleichen Verhältnis wie die
Pedaldrehzahl ab. Irgendwann sind die Fahrwiderstände größer als die Zugkraft an den Antriebsrädern
– das Tempo fällt rapide. Dann muss der Fahrer herunterschalten, den nächst kleineren Gang
einlegen. Damit beginnt ein komplizierter Ablauf im Getriebe, schließlich müssen Drehzahlen
angeglichen und Schaltmuffen bewegt werden. Denn beim Schalten werden nicht die Zahnräder im
Getriebe hin und her geschoben, sondern die Schaltmuffen. Die Zahnräder – für jeden Gang ein Paar,
plus eins für den Rückwärtsgang – sind dauernd miteinander im Eingriff. Aber erst die Muffen
koppeln sie mit den Getriebewellen, sodass ein Kraftfluss vom Motor zu den Rädern möglich wird.
Heikel ist der Vorgang des Herunterschaltens. Weil im kleineren Gang der Motor schneller dreht,
deshalb auch die Kupplung und damit die Getriebeeingangswelle auf die höhere Drehzahl beschleunigt
werden muss – andernfalls kommt der &dbquo;Gruß aus dem Getriebe”. In der Pionierzeit des Autos war dafür
der Fahrer zuständig, er musste dosiert Zwischengas geben, um die Getriebeeingangswelle auf die zum
geräuschlosen Schalten nötige Drehzahl zu bringen. Seit mehr als 50 Jahren erledigen das die
Synchroneinrichtungen in den Schaltmuffen des Getriebes. Heute arbeiten die meisten mit
Sperrsynchronisation: Der Gang kann erst eingelegt werden, wenn der Synchronisationsvorgang
abgeschlossen ist. Schalten wird damit zum Kinderspiel. Doch noch besser ist, gar nicht schalten zu
müssen – wie bei einer Automatik. Doch der hat das manuelle Schaltgetriebe den besseren
Wirkungsgrad voraus: 99 Prozent. Nur ein Prozent der Motorleistung geht auf dem Weg durch die
Zahnräder verloren.
