"Das Doppelkupplungs- <br /> Getriebe ist ein ideales Konzept"

In letzter Zeit hat die Getriebeentwicklung, die lange Zeit der Motorenentwicklung hinterherhinkte, vor allem im Bereich der Automatikgetriebe beachtliche Fortschritte erzielt. all4engineers sprach mit Dr. Frank Günter, Director Program Management bei BorgWarner Transmission Systems, über das gemeinsam mit Volkswagen entwickelte Direktschaltgetriebe, das automatische Gangwechsel ohne spürbare Zugkraftunterbrechung ermöglicht.

Herr Dr. Günter, wie würden Sie Ihre subjektiven Fahreindrücke des neuen Direktschaltgetriebes DSG in Worte fassen?
Die subjektiven Fahreindrücke in Worte zu fassen, ist sehr schwierig. Es ist ein phantastisches Getriebe, das die Sportlichkeit, Spontaneität und Agilität von modernen Motoren mit dem Komfortanspruch verbindet, der an heutige Automatikgetriebe gestellt wird.

Wie funktioniert das Prinzip des DSG, das von der Volkswagen Gruppe gemeinsam mit BorgWarner entwickelt wurde?
Das Doppelkupplungsprinzip ist ein sehr altes Prinzip. Bereits 1940 gab es erste Patente zu diesem System. Das Grundprinzip ist sehr einfach, wenn man sich ein traditionelles Handschaltgetriebe vorstellt, das in zwei identische Teilgetriebe geteilt wird. Das eine hat die geraden Gänge und das andere die ungeraden. Beide gehen auf den gleichen Abtrieb, beide besitzen jedoch getrennte Kupplungen. Befinden Sie sich also im normalen Fahrbetrieb, beispielsweise im zweiten Gang, liegt in diesem Gang ein Kraftschluss auf die Antriebsräder vor. Parallel dazu kann der dritte Gang im zweiten Teilgetriebe vorsynchronisiert werden. Während der eigentlichen Schaltung, hier beim Hochschalten in den dritten Gang, wird dann lediglich die eine Kupplung geöffnet und die andere simultan geschlossen. Damit liegt ein nahtloser Kraftfluss von der einen Kupplung zur anderen im zweiten Teilgetriebe vor, wobei die Antriebskraft auf der Antriebswelle nicht unterbrochen wird.

Bereits in den 70er-Jahren hat Porsche das erste Doppelkupplungsgetriebe für seinen Gruppe-C-Porsche 962 entwickelt. Mit welcher Zielsetzung hat die Volkswagen-Entwicklung vor über fünf Jahren diese Idee wieder aufgegriffen und wie kam BorgWarner ins Boot?
Die Zielsetzung von Porsche war zunächst, höhere Fahrleistung und höhere Beschleunigungswerte im Hinblick auf den Rennsport zu realisieren. Porsche wollte ein Getriebe entwickeln, das ohne Zugkraftunterbrechung schalten kann. Auch für VW war das mit Blick auf sportives Fahren ein sehr interessanter Aspekt. Auf der anderen Seite sind die Anforderungen an Kraftstoffersparnis und Emissionsreduzierung in den letzten Jahren drastisch gestiegen. Daher war ganz klar, dass es hier ein neues Getriebe geben muss, das automatisiert ist, um geringere Kraftstoffverbräuche zu realisieren. Gleichzeitig musste aber auch sein Gesamt-Getriebewirkungsgrad besser sein als der existierender Stufenautomatikgetriebe. Ausserdem sollte es Komfort und Fahrspaß vermitteln. Dafür ist das Doppelkupplungsgetriebe ein ideales Konzept.
Als Lieferant von Teilen in Automatikgetrieben ist BorgWarner traditionell mit allen Fahrzeug- und Getriebeherstellern im Gespräch. An die Volkswagen AG liefern wir seit vielen Jahren die Reiblamellen für Automatikgetriebe. Darüber hinaus sind hydraulische Komponenten und Systeme ein Bereich, in dem BorgWarner ebenfalls sehr stark im Getriebemarkt vertreten ist. Module aus beiden Bereichen werden in diesem neuen Getriebe eingesetzt und da beides zur Kernkompetenz von BorgWarner gehört, lag es nahe, dass VW eine solche Entwicklung gemeinsam mit BorgWarner angeht.

Worin lag die größte technische Herausforderung bei der Konzeption des Sechsgang-DSG?
Zunächst war es wichtig, die Reibmaterialien ständig weiterzuentwickeln, um die thermischen Belastungen, die etwa bei Hochenergie-Anfahrten oder sehr schnellen sportlichen Schaltungen auftreten, mit diesem Reibsystem dauerhaft aufzunehmen. Es muss also stabil bleiben. Die wesentliche Herausforderung liegt jedoch darin, auch das Gesamtsystem robust und stabil sowie von der Qualität der Regelbarkeit her präzise zu gestalten. Denn nur wenn es präzise regelbar ist, lassen sich Schaltqualitäten realisieren, die genau so gut oder besser sind als die eines modernen Stufenautomaten.

Was sind die Hauptunterschiede zwischen einer trocken- und einer nasslaufenden Doppelkupplung, besonders im Hinblick auf übertragbare Drehmomente und die generelle Eignung, den Bauraum sowie Verschleißeigenschaften und die thermische Belastbarkeit?
Ein wesentlicher Unterschied zwischen trockenen und nasslaufenden Kupplungssystemen liegt sicherlich in der thermischen Belastbarkeit. Das trockene Doppelkupplungssystem muss die Wärmeenergie, die bei der Reibung, bei der schlupfenden Kupplung, entsteht, in der thermischen Masse des Kupplungssystems aufnehmen. Bei der nassen Kupplung kann die Wärme aktiv über eine Ölkühlung gezielt und gesteuert abgeführt werden, wodurch ein insgesamt stabiler Wärmehaushalt im System entsteht.
Bei einer isolierten Betrachtung der übertragbaren statischen Drehmomente gibt es keinen sehr großen Unterschied zwischen beiden Konzepten. Von großer Bedeutung neben der Wärmeaufnahme ist, dass diese Drehmomente dauerhaft übertragen werden müssen und die Reibcharakteristik stabil bleibt. Während die Reibbeläge in trockenlaufenden Systemen mit der Zeit verschleißen, sind die nasslaufenden Reibbeläge verschleißfrei. Beim Bauraum sehen wir Vorteile in der nassen Kupplung, da aufgrund der geringen Hysterese des gesamten Systems auch Mehrlamellensysteme realisiert werden können, was einen kleineren radialen Bauraum erlaubt. Der andere Punkt, der sich bei der nasslaufenden Kupplung positiv auf den Bauraum auswirkt, ist, dass die entstehende Wärme nicht in einer Stahlmasse zwischengespeichert werden muss, sondern über den Kühlölstrom aktiv abgeführt wird.
In der Frage nach der generellen Eignung sehen wir natürlich auch einen Markt für trockene Kupplungssysteme, vor allem im Bereich kleinerer bis mittlerer Fahrzeuge bis zu einem bestimmten Drehmoment. Die thermischen Belastungen und gleichermaßen die Ansprüche an die thermische Robustheit sind natürlich um so höher, je höher die Fahrzeugbeladung ist. Diesen Ansprüchen kann die Trockenkupplung nicht so gut gerecht werden, aber bei kleineren Fahrzeugen ist diese Technologie, weil sie letztendlich auch etwas einfacher ist, durchaus marktfähig.

Was genau bedeutet "nasslaufend"?
"Nass" heißt nicht, dass die Kupplung komplett im Ölbad läuft. Das würde sich über Probleme bei den Schaltungen hinaus absolut schlecht auf den Wirkungsgrad auswirken. Es bedeutet vielmehr, dass das Kupplungssystem in dem Moment, in dem Wärme anfällt – beim Anfahren und bei Schaltungen – aktiv über den Ölstrom gekühlt wird. Sobald aber die Kupplung geschlossen ist, während der Konstantfahrt, wird dieser Kühlölstrom abgeschaltet und es befindet sich im Kupplungsraum lediglich ein Ölnebel. Hierbei sind die auftretenden Schleppverluste praktisch nicht höher als bei einer Trockenkupplung.

Warum fiel die Entscheidung zu Gunsten des nasslaufenden Systems, das aufgrund der etwas höheren Schleppverluste im Vergleich zur trockenlaufenden Doppelkupplung nur etwa halb so viel Energie gegenüber dem herkömmlichen Handschaltgetriebe einspart?
Es mag zunächst so erscheinen, als habe die Nasskupplung wesentlich höhere Schleppverluste als das trockene Kupplungssystem. Aber da die Kupplung hier eben nicht komplett im Ölbad läuft, sind die Verluste in der Kupplung selbst nur marginal größer als beim Trockenkupplungssystem. Das Bewerkstelligen der Schaltungen ist in beiden Konzepten identisch – auch die Betätigung der Kupplung könnte in beiden Fällen identisch sein. Es ist im Wesentlichen die Frage, ob ein "normally open"- oder ein "normally closed"-System gewählt wird. Diese Entscheidung ist aber in erster Linie von Sicherheitsfragen getrieben. Wir vertreten den Standpunkt, dass bei einem Doppelkupplungssystem mindestens eine, idealerweise beide Teilkupplungen als "normally open"-Systeme ausgeführt sind.
Eine Gesamtbetrachtung macht demnach deutlich, dass die Unterschiede zwischen dem nassen und dem trockenen Doppelkupplungssystem im Hinblick auf Verbrauch und Schleppverluste nur sehr gering sind. Andererseits sehen wir sehr große Perfomance-Vorteile mit der nassen Kupplung aufgrund der besseren thermischen Beherrschbarkeit, ihrer größeren Haltbarkeit über die Lebensdauer – im Gegensatz zum trockenen ist das nasse System verschleißfrei – und der besseren Regelbarkeit. Aufgrund dieser Vorteile hat das nasse Kupplungssystem ein wesentlich breiteres Anwendungsfeld und den damit verbundenen größeren Marktanteil. Es ist für eine größere Fahrzeugpalette relevant – angefangen bei kleineren Fahrzeugen über Mittelklasse- und Sportfahrzeuge bis hin zu SUVs und der Luxusklasse. Damit lassen sich natürlich die hohen Stückzahlen realisieren, die sich positiv auf die Produktionskosten auswirken.

Das DSG soll in der Lage sein, Drehmomente von bis zu 1.250 Newtonmetern, zum Beispiel beim Einsatz im Bugatti Veyron, zu übertragen. Soll das DSG nun reinrassigen Sportwagen vorbehalten bleiben oder ist ein späterer Einsatz auch im Volumenmarkt geplant? Ein hohes Sparpotenzial ginge etwa auch von Verbindungen mit kleinen Dieselmotoren aus.
Die Tatsache, dass der Volkswagen Konzern mit dem Bugatti ein solches Doppelkupplungssystem mit 1.250 Newtonmetern auf den Markt bringt, zeugt von der fast unbegrenzten Möglichkeit, unsere Kupplungsmodule zum Einsatz zu bringen. Nach der Serieneinführung im Golf R32 und im Audi TT mit dem 3,2-l-V6-Motor werden mittlerweile auch der VW Touran, der Golf und auch der Audi A3 mit unterschiedlichen Motorisierungen in Kombination mit den BorgWarner DualTronic Modulen angeboten. Das heißt, dass auch die kleineren Fahrzeuge mit Dieselmotoren, bei denen es primär zum einen auf Kraftstoffersparnis aber auch sehr stark auf Fahrkomfort ankommt, nun mit solchen Getrieben bedient werden.

Welche Anforderungen werden beim DSG an die Elektronik gestellt und welche Aufgaben muss die Getriebesteuerung, die mit der Motorsteuerung eng verknüpft ist, erfüllen?
Ganz klar, die Elektronik, die für das DSG von der Firma Temic entwickelt wurde, muss schnell und leistungsfähig sein, was heute auch gegeben ist. Sehr wesentlich ist die Präzision des Gesamtsystems. Die Messsignale müssen genau sein und die Ausgänge müssen exakt geregelt werden können. Denn nur wenn das Gesamtsystem mit einer sehr geringen Streuung realisiert werden kann, ist eine dynamische, genaue Regelung und damit auch eine hohe Schaltqualität darstellbar. Die Herausforderungen an die Elektronik sind also generell Robustheit, Präzision und Dynamik sowie die Umgebungsbedingungen, unter der die voll integrierte Getriebesteuerung betrieben wird.

Wie begegnen Sie der "Schwachstelle Elektronik", um die angesprochene Robustheit des Systems zu sichern?
Wenn Sie von der "Schwachstelle Elektronik" reden, zielen Sie bestimmt auf allgemeine Probleme bei Kontakten und Steckverbindungen ab, die oftmals Ursache von Ausfällen sind. Dem begegneten wir, indem es beim DSG keine getrennte Elektronik- und getrennte Hydraulikeinheit gibt. Wir haben eine so genannte Mechatronik. Die Elektronik von der Firma Temic wird in unserer Produktionsstätte in Frankreich mit der Hydraulik zusammengeführt. Damit gibt es nur eine Steckverbindung zur Außenwelt. Der Controller, alle Sensoren, alle Eingangstreiber und alle Ausgangstreiber sitzen voll integriert direkt auf der Hydraulikeinheit ohne unnötige Verkabelung. Die Gesamtmechatronik wird dann vorkalibriert. Im Anschluss werden die Kalibrierdaten auf der zugehörigen Elektronik gespeichert, so dass die Streuung des elektrohydraulischen Steuermoduls, sobald es an den Getriebehersteller ausgeliefert wird, auf ein Minimum reduziert ist.

Wie schätzen Sie die künftige Entwicklung des Direktschaltgetriebes im Wettstreit mit derzeit auf dem Markt befindlichen CVT-Getrieben ein, die zurzeit ebenfalls weiterentwickelt werden?
Wir betrachten die Marktchancen des Doppelkupplungsgetriebes als sehr gut. Es bietet ein sehr breites Anwendungsspektrum. Die Kupplung ist strategiefähig, das heißt, man kann die gleiche Hardware sowohl in Kombination mit einem drehmomentstarken Dieselmotor als auch zusammen mit einem hoch drehenden Ottomotor verwenden. Darüber hinaus liegt ein sehr günstiger Getriebewirkungsgrad vor. Im Vergleich dazu hat das CVT einen eher schlechten Getriebewirkungsgrad, der früher dadurch kompensiert wurde, dass der Motor immer im optimalen Betriebsbereich betrieben werden konnte. Mittlerweile sind die Betriebsbereiche, in denen der Motor verbrauchsoptimiert läuft, durch den Fortschritt in der Motorenentwicklung wesentlich breiter geworden. Diese günstigen Betriebsbereiche lassen sich heute auch durchaus mit einem modernen Sechs- oder Siebengang-Getriebe ausnutzen. Demzufolge sehen wir hier keine signifikanten Vorteile des CVT-Getriebes mehr. Darüber hinaus sind die Produktionskosten vor allem in Europa für ein Doppelkupplungsgetriebe, das auf einem traditionellen Handschaltgetriebe basiert, deutlich geringer als die eines CVTs. Aus diesen Gründen wird der Haupttrend bei der zunehmenden Automatisierung in Europa wohl auf Handschaltgetriebetechnologie basieren. Hier sehen wir das automatisierte Handschaltgetriebe, vor allem aber auch das Doppelkupplungsgetriebe.

Vielen Dank, Herr Dr. Günter, für das Gespräch.

Zur Person:
Nach seinem Studium des Maschinenbaus an der Universität Karlsruhe begann Dr.-Ing. Frank Günter seine Tätigkeit als wissenschaftlicher Angestellter in der Abteilung Kfz.-Bau am Institut für Maschinenkonstruktionslehre der Universität Karlsruhe. Im Anschluss an seine Promotion auf dem Themengebiet Verlustleistung von Pkw-Reifen arbeitete er im Rahmen des Projektmanagements an der Entwicklung intelligenter Materialinspektionsgeräte. Seit dem Jahr 1999 ist er bei BorgWarner tätig, zunächst als Projektkoordinator, dann als technischer Leiter und seit 2003 als Director Program Management.

Autor(en): Thomas Jungmann

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