Bewährt in der Serie Spezialisiert für den Rennsport

Mit dem 8P45R bietet ZF ein Motorsportprodukt an, das wesentliche Vorteile eines 8-Gang-Automatgetriebes für Serien-Pkw auf Rennsportanwendungen überträgt. Modifikationen machen das Getriebesystem für die Rennstrecke noch schneller, leichter und belastbarer.

Es sprechen gute Gründe für die Idee, das 8-Gang-Automatgetriebe von ZF aus der Serie für den Motorsport zu adaptieren: Allen voran ermöglicht ein elektronisch gesteuertes Planetengetriebe, anders als eine konventionelle Handschaltbox samt Kupplungssystem, Lastschaltungen ohne Zugraftunterbrechungen. Das fördert die Dynamik und Leistungsfähigkeit von Rennfahrzeugen. Während bei Stirnradgetrieben die Übersetzungsänderung jeweils nur an einem Radpaar erfolgt, wird bei einem Planetengetriebe die Mehrfachnutzung von Planetenradsätzen und Schaltelementen genutzt, um es äußerst kompakt zu gestalten. Dadurch kann ein Planetengetriebe bei gleicher Leistung ein geringeres Gewicht aufweisen als andere Getriebebauarten.

Darüber hinaus vereinfacht die elektronische Steuerung die Fahrbarkeit und steigert die Sicherheit für die Piloten, zu denen gerade in den anvisierten Breitensportklassen häufig Einsteiger und Amateure zählen. Motorschädigende Gangsprünge, das heißt ein „Überdrehen“ des Verbrennungsmotors, verhindert ein automatisches Getriebesystem ebenfalls. Zudem kann der Fahrer seine Hände stets am Steuer behalten, weil ein Planetengetriebe zusammen mit einem entsprechenden Schaltsystem schnelle Gangwechsel per Schalter (Paddles) am Lenkrad ermöglicht. Nicht zuletzt verspricht ein Getriebe, das sich aus einem millionenfach bewährten Serienprodukt ableitet, eine grundsätzlich hohe Zuverlässigkeit.

Von der Idee auf den Kurs

Das erste Applikationsfahrzeug war dieser BMW M-Performance.

Im Jahr 2014 absolvierte zunächst ein ausschließlich softwareseitig modifiziertes 8HP45-Getriebe seine Premierensaison im Motorsport. Eingesetzt wurde es im BMW M235i Racing Cup für Privatteams sowie in einem BMW-eigenen Nachwuchsprogramm.

Die Seriengetriebebasis, ausgelegt auf bis zu 450 Nm, eine Maximaldrehzahl von 7200/min sowie auf eine Lebensdauer im Rennbetrieb von 30.000 km, erwies sich dabei als leistungsfähig und belastbar genug, um allen längs- und querdynamischen Anforderungen im Renneinsatz standzuhalten. Verbaut in insgesamt 16 Fahrzeugen hatte schon dieses Getriebe den Motorsportbetrieb – darunter insgesamt 22.000 km auf der Nürburgring-Nordschleife – gänzlich ohne Getriebeausfall bewältigt. Unter anderem deshalb fiel bereits 2014 die Entscheidung, die ZF-Automatgetriebe-Technologie auf Basis der fundierten Serienerfahrung für den neuen Einsatzbereich Motorsport konsequent weiterzuentwickeln.

Das Ziel war ein ausgewiesenes, auch in puncto Mechanik verändertes Rennsportgetriebe namens 8P45R, welches zunächst als Prototyp realisiert wurde. Als Entwicklungsziele standen dabei Gewichtsreduktion, Schaltzeitverkürzung und eine geänderte, für den Einsatz im Rennsport optimierte Spreizung und Übersetzung im Lastenheft. „Zehn Monate nach dem Projektstart und nach nur neunmonatiger Entwicklungszeit – einschließlich Detailkonstruktion, Teilebeschaffung, Montage und Applikation – wurde im Oktober 2015 der erste 8P45R-Prototyp bei einem Lauf zur VLN-Langstreckenmeisterschaft auf dem Nürburgring erfolgreich eingesetzt“, blickt Marc Seeberger, Projektleiter „Vorentwicklung Antriebsstrang“ in der ZF-Zentrale in Friedrichshafen, voller Stolz auf die erfolgreiche Entwicklung dieses Rennsport-Automatgetriebes.

In dieses Fahrzeug wurde das 8P45R verbaut und kam im Rahmen der Langstreckenmeisterschaft VLN am Nürburgring zum Einsatz.

Entwicklung Getriebe und Applikation

Eine der wesentlichsten Änderungen des Rennsportgetriebes gegenüber dem Serientyp: Das Getriebe 8P45R kommt ohne hydraulischen Drehmomentwandler und die dazugehörige Überbrückungskupplung aus. Diese Maßnahme hat das Systemgewicht im Vergleich zum Serienpendant um circa 12 % auf rund 60 kg gesenkt und damit zudem die Massenträgheit signifikant reduziert.

Das Anfahren übernimmt – in Verbindung mit einer angepassten Ansteuerung der weiteren Getriebekupplungen – ein als Lamellenbremse ausgeführtes Schaltelement. Dabei handelt es sich um ein internes, in einem Ölbad laufendes und damit thermisch hochbelastbares, integriertes Anfahrelement (IAE). Diese Kupplung schließt jetzt spürbar härter und lässt die Drehzahl beim Gangwechsel nur minimal abfallen. Ohne mechanische Veränderungen im Vergleich zur Serie erfüllt das integrierte Anfahrelement anspruchsvolle, explizit rennspezi-fische Anfahrkriterien wie so genannte fliegende Starts nach einer Safety-Car-Phase oder Boxenstopps einschließlich des Rangierens. Diese vorteilhaften Eigenschaften sind zudem eng mit Softwaremaßnahmen verbunden.

Zentrale Modifikationen und Merkmale des des neuen Getriebes 8P45R

Rennoptimale Gesamtabstufung

Nach dem Anfahren schaltet das auf ein höheres Eingangsdrehmoment von 500 Nm ausgelegte Getriebe 8P45R die Gänge ebenso unter Last wie das Seriengetriebe. Allerdings sind die Gangsprünge komplett neu auf den leistungsoptimalen Bereich des Motors abgestimmt. Die oberen beiden Gänge (siebter und achter Gang) waren zuvor im softwareoptimierten Renngetriebe aufgrund ihrer seriennahen, vergleichsweise langen Übersetzung größtenteils ungenutzt – im achten Gang hätte die Endgeschwindigkeit rein rechnerisch 425 km/h betragen.

Das Getriebe 8P45R hat demnach kleinere Gangsprünge. Diese sind das Ergebnis einer insgesamt deutlich engeren Abstufung, konkret einer von 7,1 auf 4,2 verringerten Spreizung. Dafür wurden drei der insgesamt vier Planetenradsätze neu ausgelegt. Im Zusammenspiel mit dem ebenfalls adaptierten Hinterachsgetriebe fällt die Gesamtübersetzung entsprechend kürzer aus. Diese generelle Entwicklung trifft dennoch nicht auf jeden Gang gleichermaßen zu: Der erste Gang deckt sogar ein breiteres Geschwindigkeitsspektrum als bisher ab – er reicht jetzt bis 80 km/h anstatt wie zuvor bis 60 km/h. Allerdings liegen die restlichen sieben Vorwärtsgänge beim neuen Getriebe zugunsten besserer Beschleunigung und kräftigerem Durchzug enger beisammen, was die (in der höchsten Schaltstufe erreichbare) Spitzengeschwindigkeit in der derzeitigen Applikation auf realistische 320 km/h limitiert.

Trotz signifikanter Neuerungen und vielfältiger Anpassungen (gelb) haben das Renngetriebe und die Serienversion 85 % aller Komponenten gemeinsam.

„Zu einer weiteren signifikanten Performancesteigerung führen die in allen Gängen wesentlich verkürzten Schaltzeiten“, sagt Peter Leipold, Projektleiter Entwicklung Antriebsstrang der ZF Race Engineering in Schweinfurt. „Dies gilt sowohl für den Wechsel in höhere als auch in niedrigere Übersetzungen. Damit unterbietet das Renngetriebe 8P45R sehr sportliche Seriengetriebe und nähert sich gleichzeitig dem Niveau sequenzieller Renngetriebe an“, kündigt Leipold an.

Aufgrund der deutlich geringeren Schaltzeiten, der kleineren Belastungsfaktoren und der vom Reglement vorgeschriebenen sequentiellen Schaltung ist die Belastung der Schaltelemente massiv gesunken. Dadurch ist trotz Einsatz von Serienkomponenten die Lebensdauer und Standfestigkeit gegeben. Hinzu kommen Softwaremaßnahmen, welche die Schaltungen ebenfalls beschleunigen und ein höheres Leistungspotenzial abrufbar machen.

Ausblick

Das unkonventionelle Projekt, erstmals ein fortschrittliches und bewährtes Serienautomatgetriebe mit möglichst geringem Aufwand für eine reine Motorsportanwendung zu adaptieren, erweist sich als großer Erfolg: Nach nur neun Monaten Entwicklungszeit erfüllt das Renngetriebe 8P45R sämtliche kundenseitigen ebenso wie die ZF-eigenen Zielanforderungen. „Aufgrund des starken Interesses am neuen Renngetriebe könnte es sich schon bald in weiteren Rennfahrzeugen wiederfinden“, prophezeit mit gewissem Stolz Norbert Odendahl, Geschäftsführer der ZF Race Engineering GmbH.

Fotos: ZF

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