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Doppelkupplungsgetriebe 8DCL900 von Magna für Supersportanwendungen wie dem Ferrari SF 90 Stradale

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  • Doppelkupplungsgetriebe 8DCL900 von Magna für Supersportanwendungen wie dem Ferrari SF 90 Stradale

    Das Doppelkupplungsgetriebe 8DCL900 von Magna für Supersportanwendungen setzt neue Maßstäbe für Eigenschaften wie Drehmomentdichte, Effizienz und Leistung. Der geringe Abstand von der Kurbelwellenachse zur Unterkante des Getriebes und das neue Hydraulikkonzept ermöglichen Sportwagen wie dem Ferrari SF 90 Stradale einen extrem niedrigen Schwerpunkt. Eine Reihe technischer Lösungen wird auch Großprodukten zugute kommen.


    Komplette Sanierung nach zehn Jahren

    Seit über zehn Jahren hat sich das Doppelkupplungsgetriebe 7DCL750 in mehreren Sportwagen verschiedener Hersteller bewährt [1]. Die Motivation für den Start einer neuen Entwicklung bestand darin, den Fahrspaß und die Fahrleistung weiter zu steigern und die zukünftigen Anforderungen an einen geringeren Kraftstoffverbrauch und geringere CO 2 -Emissionen zu erfüllen .

    Das neue Doppelkupplungsgetriebe 8DCL900 mit acht Vorwärtsgängen ist ein Doppelwellengetriebe für den Längseinbau in Verbindung mit Front- oder Zentralmotoren. Es ist für ein Eingangsdrehmoment von 900 Nm und Motordrehzahlen von bis zu 10.000 U / min ausgelegt. Der Abstand von der Kurbelwellenachse zur Unterkante des Getriebes beträgt nur 100 mm. Dies und das neue Hydraulikkonzept ermöglichen einen extrem niedrigen Schwerpunkt.

    Weitere Entwicklungsziele waren eine höhere Drehmomentdichte, sehr kurze Schaltreaktionszeiten, eine größtmögliche Reduzierung der Leistungsverluste und der konsequente Einsatz moderner Mehrkernprozessorarchitekturen und -software. Das Übertragungskonzept wurde dazu komplett überarbeitet. Die erste Anwendung für den 8DCL900 ist der neue Ferrari SF 90 Stradale.


    Getriebe und Differentialgehäuse

    Das Getriebegehäuse aus Aluminiumdruckguss des 8DCL900 besteht aus fünf Teilen: Differentialgehäuse, Zwischengehäuse, hintere und seitliche Abdeckungen und je nach Einbaulage das Anschlussgehäuse für den vorderen oder zentralen Verbrennungsmotor. Für maximale Festigkeit und vereinfachte Produktion sind keine Hydraulikanschlüsse im Gehäusematerial verlegt.

    Eine völlig neue Lösung ist die Wabenstruktur aller flachen Teile des Gehäuses ( Abbildung 1) . Diese Struktur - mit durchschnittlichen Wandstärken von 2,5 mm und 3,3 mm dicken Rippen - ermöglicht eine Gewichtsreduzierung von 0,5 kg. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Herstellungsprozess: Da die Fließgeschwindigkeit des Aluminiums beim Einspritzen in das Druckgusswerkzeug leicht verringert wird, sind Turbulenzen im Gießprozess leichter zu kontrollieren. Dies verringert das Risiko von Lunkern. Dieses Verfahren wird auch bei der Herstellung von Großseriengetrieben von Magna verwendet.
    Abbildung 1 Wabenstruktur der Gehäusewand (blau) und konische Position der Differentialgehäuseseitenabdeckung (rot) (© Magna)

    Abbildung 1
    Wabenstruktur der Gehäusewand (blau) und konische Position der Differentialgehäuseseitenabdeckung (rot) (© Magna)


    Alle Gehäuseflanschdichtungen bestehen aus beschichtetem Metall anstelle der üblichen Flüssigdichtungen. Dies dient auch zur Verbesserung der technischen Sauberkeit bei Montage und Wartung.

    Aufgrund der zeitweise hohen Drehmomentanforderungen, einschließlich extremer Situationen wie dem Leistungsstart, gibt es spezielle Steifigkeitsanforderungen für das Differentialgehäuse. Die Seitenabdeckung des Differentialgehäuses ist daher nicht zylindrisch, sondern konisch. Beim Anschrauben an das Gehäuse ergibt sich eine hochstabile, reibschlüssige Verbindung ( Abbildung 1) .


    Zahnradsatz und Schaltsystem

    Die individuellen Übersetzungsverhältnisse des Doppelwellengetriebes können nach Bedarf ausgelegt werden. Das Zwischenrad und das feste Zahnrad sind jeweils zusammen auf einer Welle angeordnet. Der Rückwärtsgang ist in einer weiteren parallelen Linie angeordnet, ohne die Gesamtlänge zu beeinflussen. Dies ist vorteilhaft für Hybridantriebe, die je nach Ausführung keinen Rückwärtsgang benötigen. Für die höchstmögliche Schaltqualität werden für alle Zahnräder Dreikegelsynchronisatoren mit Kohlefaser-Reibbelägen verwendet. Durch die reduzierte Trägheit können die Zahnradsätze 20% schneller als beim Vorgänger vorausgewählt werden.

    Das Differential ist als Stirnradstufe ausgelegt; Der Kegelradantrieb hat eine spiralförmige Verzahnung und keinen axialen Versatz ( Abbildung 2) . Ein Hauptvorteil der Lösung gegenüber einem Hypoid-Kegelantrieb besteht darin, dass kein spezielles Getriebeöl erforderlich ist und daher die Ölkammer mit dem Rest des Getriebes geteilt werden kann. Das Übersetzungsverhältnis der Stirnradstufe kann für verschiedene endgültige Übersetzungsverhältnisse angepasst werden. Magna optimierte die Zahnradmikrogeometrie sowohl des Stirnradgetriebes als auch des Kegelradantriebs, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Zahnradwurzelspannung, Abriebfestigkeit und NVH-Verhalten zu erreichen. Als Differentialsperre dient eine elektrohydraulisch betätigte Sperrkupplung (E-Differential).
    Frontalansicht: Doppelwellenradsatz (blau und rot) mit Stirnradstufe zum Kegelantrieb (grün) (© Magna)

    Frontalansicht: Doppelwellenradsatz (blau und rot) mit Stirnradstufe zum Kegelantrieb (grün) (© Magna)

    Das Schalten erfolgt hydraulisch über ein System von Schaltgabeln und -stangen, Abbildung 3 . Da das Modul mit den Hydraulikzylindern ungefähr in der Mitte des Getriebes positioniert ist, können die Schaltstangen als sehr kurz und daher leicht ausgelegt werden. Das elektromagnetisch betätigte Parkschloss ist als sogenanntes "Normalstreben" -System ausgelegt. Dies bedeutet, dass es im Falle eines Stromausfalls in der aktuellen Situation stabil bleibt, aber von außen über eine Klappe manuell aktiviert werden kann.
    Schaltsystem mit Hydraulikmodul und Schaltgabeln (© Magna)

    Schaltsystem mit Hydraulikmodul und Schaltgabeln (© Magna)


    Die nasse Mehrscheiben-Doppelkupplung besteht aus zwei umgekehrten identischen Kupplungen, die hintereinander angeordnet sind. Kupplungsscheiben, Hydraulikkolben, Federbaugruppen und dergleichen könnten daher als identische Teile ausgeführt werden. Die neuen Kupplungsbeläge ermöglichen ein Schaltmoment von bis zu 1200 Nm. Neu sind auch die Wellenfedern zum Trennen der Kupplungsscheiben, die neben dem niedrigviskosen Öl auch die Widerstandsverluste minimieren. Gegenüber dem bisherigen Getriebe konnte das Gewicht um 2,5 kg reduziert werden.


    Direkte hydraulische Betätigung

    Die mechatronischen Betätigungsmodule zum Schalten und Koppeln sind über dem Zahnradsatz angeordnet. Das Schaltbetätigungsmodul (SAM) enthält die Ventile zur Auswahl der Schaltzylinder, zur Schaltkraft und zur Betätigung der Parksperre. Das Kupplungssteuermodul (CCM) umfasst alle Funktionen zur Steuerung des Systemdrucks, zur Betätigung der Doppelkupplung und der E-Differentialkupplung sowie zur Steuerung der Kühlung und des Ölflusses ( Abbildung 4) . Die elektrisch betätigten Ventile von SAM und CCM sind direkt betätigte Steuerventile, die jeweils in Aluminiumhülsen geführt werden, die in das Druckgussgehäuse eingebettet sind. Direkte Steuerung und hochpräzise Führung der Ventile gewährleisten eine hohe Zuverlässigkeit und Effizienz.
    Mechatronische Betätigungsmodule zum Schalten (SAM, rot) und Kupplung (CCM, blau) (© Magna)

    Mechatronische Betätigungsmodule zum Schalten (SAM, rot) und Kupplung (CCM, blau) (© Magna)

    Die Hauptdruckpumpe, die für die Trockensumpfschmierung erforderliche Spülpumpe (als Bilgenpumpe) und eine elektrische Pumpe sind in einem Modul zusammengefasst. Die Hauptdruckpumpe ist eine Doppelströmungsschaufelpumpe, die den Systemdruck und den Ölfluss für die Kupplungskühlung liefert. Die Spülpumpe in Gerotorkonstruktion liefert den Jet-Flow-Baum für die Einspritzschmierung der Zahnräder. Beide Pumpen werden mechanisch angetrieben. Bei hybridisierten Fahrzeugantrieben, bei denen ein vom Motor unabhängiger Ölstrom erforderlich ist, wird die elektrisch angetriebene Pumpe in den Systemdruckkreis eingespeist.

    Die Steuerelektronik ist auch in SAM und CCM integriert. Beide Module sind leicht zugänglich, können als Einheit getestet und ausgetauscht werden und erfordern keine frei verlegten elektrischen Anschlüsse im Getriebe.


    Hydraulik- und Schmierstoffmanagement

    Normalerweise befinden sich Getriebeölbehälter am Boden, wobei das Öl aufgrund der Schwerkraft nach unten läuft. Der 8DCL900 hingegen verfügt über eine Trockensumpfschmierung, während sich der Ölbehälter meist über dem Zahnradsatz befindet. Dies erleichtert zum einen die gewünschte niedrige Einbaulage für den niedrigstmöglichen Schwerpunkt des Sportfahrzeugs. Andererseits verhindert diese Schmierart in Verbindung mit einem aktiven Ölmanagement Aufwirbelverluste und ermöglicht die Gewährleistung aller Hydraulikfunktionen unabhängig von hohen Längs- und Querbeschleunigungen. Leitfähige Kunststoffelemente mit etwa der halben Öldichte unterstützen das aktive Ölmanagement.

    Die Betätigungsmodule zum Koppeln und Schalten machen einen wesentlichen Teil der Ölkammer aus, Abbildung 5 . Während des Betriebs nimmt das Öl den folgenden Weg: Es fließt durch die Kupplungen und tritt dann radial aus. Ein Ölfänger sammelt dann das Öl und die Kupplung selbst, die als Bilgenpumpe fungiert, führt es in die Saugkammer zurück. Ein weiterer Weg ist ein Behälter mit einer Rückschlagklappe. Es befindet sich in der CCM-Kammer und hat die Aufgabe, die Hydraulikventile zur Kühlung permanent unter Öl zu halten und Druckschwankungen zu vermeiden.
    Abbildung 5 Eine gemeinsame Ölkammer (goldfarben) für Betätigung, Kupplung und Differential mit kleinem Trockensumpf (© Magna)

    Abbildung 5
    Eine gemeinsame Ölkammer (goldfarben) für Betätigung, Kupplung und Differential mit kleinem Trockensumpf (© Magna)


    Die aktive Schmierung des Zahnradsatzes erfolgt durch einen Jet-Flow-Baum aus spritzgegossenem Kunststoff. Eine Saugstrahlpumpe, die ebenfalls durch Kunststoffspritzguss hergestellt wird, transportiert das in den Zahnradsatz fließende Öl zurück in die Ölkammer. Der Strahlvolumenstrom wird von der Hauptdruckpumpe erzeugt. Ein am Gehäuse montierter Öl-Wasser-Wärmetauscher überträgt die Wärmeverluste, hauptsächlich die des Getriebes, auf den Wasserkühlkreislauf des Fahrzeugs.


    Getriebesteuerung

    Ähnlich wie SAM und CCM ist die Transmission Control Unit (TCU) modular aufgebaut. Ferrari nutzt eine Eigenentwicklung. Durch die moderne Architektur kann das Potenzial der Übertragungshardware konsequent genutzt werden. Die Mehrkern-Prozessorarchitektur ermöglicht es beispielsweise, die elektrohydraulischen Reaktionszeiten auf 10 ms zu reduzieren und die Regelfrequenz der Ventile für die Kupplungsbetätigung auf 2000 Hz zu erhöhen. Dies ermöglicht ein extrem schnelles Befüllen der Kupplungshydraulik innerhalb von 40 ms und eine präzise und dynamische Steuerung des Anpressdruckdrehmoments. Gleiches gilt für die getrennte Steuerung der Schaltaktoren.

    Im Allgemeinen erweitern die schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten die Möglichkeiten, sowohl das Fahrvergnügen als auch das Schalten zu steigern und die Schaltstrategien im Hinblick auf eine möglichst geringe Betätigungsleistung zu optimieren. Die TCU-Prozessoren und Softwarestrategien tragen somit gleichermaßen wesentlich zur Steigerung von Leistung, Effizienz und Komfort bei.


    Effizienzmaßnahmen

    "Interne Effizienz" ist neben der Auslegung des Übersetzungsverhältnisses und der Schaltstrategie ein entscheidendes Kriterium für einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Magna hat in fast allen Bereichen große Fortschritte gemacht. Beispiele hierfür sind die optimierte Zahnradgeometrie im Zahnradsatz und im Ausgang, die Ritzellager ohne Vorspannung und das gleichmäßige niedrigviskose Öl für Zahnradsatz, Kupplung und Kegelantrieb. Die Laufräder sind so angeordnet, dass möglichst geringe Widerstandsmomente erzeugt werden. Die Widerstandsdrehmomentwerte innerhalb der Nadellager wurden durch seitliche Ölzufuhr, Eintauchen der Ölmenge und Wälzlagerverluste erheblich reduziert. Alle Lager haben kleinstmögliche geometrische Abmessungen. Wellenfedern sorgen für eine optimale Trennung der Reibbeläge in den Kupplungen. Im Gegensatz zur vorherigen Übertragung, Für die Hydraulik wird anstelle einer zuvor angegebenen Gerotorpumpe eine effizienzoptimierte Flügelzellenpumpe verwendet. Der Unterschied zwischen Systemdruck und Arbeitsdruck wurde durch andere Verbesserungen weiter verringert.

    Der interne Verlust des 8DCL900 konnte im Vergleich zum Vorgänger des 7DCL750 um 31% reduziert werden. Der Effekt der verschiedenen Effizienzverbesserungen in Form eines geringeren Kraftstoffverbrauchs hängt auch von der Gesamtkonstruktion ab - also vom fahrzeugspezifischen Verhältnis und der Schaltstrategie. Für den Ferrari SF90 Stradale ergibt sich im WLTC eine Verbrauchsreduzierung von 8% gegenüber dem Vorgänger [2].



    Zusammenfassung und Ausblick

    Das neue Doppelkupplungsgetriebe 8DCL900 von Magna setzt Maßstäbe für Doppelkupplungsgetriebe im Supersportwagenbereich. Das Drehmoment-Gewichts-Verhältnis von 6,4 Nm / kg macht es in diesem Segment führend. Viele der Erkenntnisse aus der Entwicklung kommen nicht nur Premium- und Supersportfahrzeugen zugute. Verbesserungen wie die Wabenstruktur des Gehäuses, optimierte Zahnradgeometrien, im Allgemeinen geringere Reibung, effizientes Ölmanagement, höhere Integration von Funktionsmodulen, fortschrittliche Schaltstrategien und dergleichen können ebenfalls zu einer höheren Effizienz auf dem großen Produktionsmarkt beitragen.

    Die gesteigerte Leistungsfähigkeit moderner Multi-Core-Prozessorarchitekturen für die TCU ermöglicht es, das Potenzial der Hardware voll auszuschöpfen, sei es für eine bessere Schaltleistung und Präzision oder für intelligente, effiziente Schaltstrategien. Auch im Sportwagenbereich werden die Anforderungen an geringere CO 2 -Emissionen und damit Hybridisierung steigen. Die elektrohydraulische Schaltbarkeit ist im 8DCL900 vorhanden und die Grundarchitektur des Doppelkupplungsgetriebes ermöglicht verschiedene Optionen für die Elektrifizierung.



    Verweise
    [1] Gindele, J.; Novak, W.; Fietkau, P.; Neuwirth, P.; Leitermann, W.: Der Transaxle-Antriebsstrang von Mercedes AMG Sportwagen. 15 th Internationalen VDI - Kongress Antrieb für Fahrzeuge, Friedrichshafen, 16-17 Juni 2015

    [2] Gindele, J.; Rühle, G.; Strati, F.; Prina, B.: Das brandneue Ferrari 8DCL900 High-End-Doppelkupplungsgetriebe von Magna. 18 th CTI Symposium Automobil- Antriebe - Intelligent - Electrified, Berlin, Dezember 09-12, 2019

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