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Neuauflage eines Klassikers

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Tags: NullEmissionen, Elektromobilität, Effizienz

Verbrennungsmotoren sind auch künftig weit verbreitet. Mit der vierten Generation seines 8-Gang-Automatgetriebes präsentiert ZF einen Antriebsstrang, der durch viele technische Neuerungen speziell in den unterschiedlichsten Hybridfahrzeugen punktet.
Johannes Winterhagen, 10. September 2019
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Johannes Winterhagen Wenn es richtig kompliziert wird, ist der Fachjournalist für Energie- und Mobilitätsthemen in seinem Element. Mit Ingenieuren trifft er sich am liebsten im Labor.
Es ist eine Bilderbuchkarriere. Das 8-Gang-Automatgetriebe von ZF für Personenwagen hat sich seit seiner Markteinführung im Jahr 2009 zum Millionen-Seller im höheren zweistelligen Bereich entwickelt. Seitdem haben die ZF-Ingenieure diesen von Autofahrern wie Motorjournalisten hochgelobten Wandler-Automaten für den Längseinbau zweimal überarbeitet. Jedes Mal wurde er noch komfortabler und gleichzeitig noch effizienter. Nun steht die vierte Generation des 8-Gängers in den Startlöchern.

Außergewöhnlich: Von Anfang an konzipiert als Hybridgetriebe

Außergewöhnlich: Von Anfang an konzipiert als Hybridgetriebe

Im Jahr 2022 läuft dessen Produktion an. Mit seinem Vorgänger hat der neue Antriebsstrang nur noch die acht Gänge gemeinsam, ansonsten bietet es viel Neues. „Zum ersten Mal haben wir ein Automatgetriebe für das Premiumsegment von Anfang an als Hybridgetriebe konzipiert“, sagt Stephan von Schuckmann und ergänzt: „Entstanden ist ein Baukastensystem aus Elektrik, Hydraulik und Mechanik, aus dem jeder Kunden sich den idealen Antrieb für ein Fahrzeug selbst zusammenstellen kann.“ Von Schuckmann leitet bei ZF die Division Pkw-Antriebstechnik.
Das neue 8-Gang-Automatgetriebe der 4. Generation eignet sich für jeden Hybrideinsatz.

Neues Getriebe als Antwort auf Anforderungen der Gesetzgeber

Neues Getriebe als Antwort auf Anforderungen der Gesetzgeber

Warum Baukastenprinzip? Der Grund liegt in den verschärften CO2-Grenzwerten der Gesetzgeber, die Automobilhersteller im kommenden Jahrzehnt einhalten müssen. Da aktuell nur die im Fahrzeug selbst entstehenden Emissionen berücksichtigt werden, nicht jedoch solche beispielsweise in der Produktion, versuchen nahezu alle Hersteller, den Absatz batterieelektrischer Fahrzeuge zu steigern. Doch nicht für alle Kunden und für jeden Einsatz sind reine E-Fahrzeuge geeignet. „Wir gehen daher davon aus, dass auch im Jahr 2030 noch rund 70 Prozent der Neuwagen einen Verbrennungsmotor an Bord haben“, sagt von Schuckmann. Um bei ihnen den Kraftstoffverbrauch zu senken – und damit auch die Emissionen – werden sich im kommenden Jahrzehnt unterschiedliche Arten der Hybridisierung durchsetzen.

Bestens gerüstet für jeden Hybrideinsatz

Bestens gerüstet für jeden Hybrideinsatz

Zu nennen sind hier zunächst die leistungsstarken Plug-in-Hybride. Sie fahren im Geschwindigkeitsbereich bis etwa 130 km/h rein elektrisch, und das mit Reichweiten von 80 bis 100 Kilometer. Dieser Antriebstyp heißt bei ZF auch EVplus: ein elektrischer Antrieb mit Unterstützung des Verbrennungsmotors.
Am anderen Ende des Leistungsspektrums stehen die Mildhybrid-Systeme auf 48-Volt-Basis. Bei ihnen dient der Elektromotor einerseits dazu, beim Anfahren oder beim Beschleunigen zusätzliche Leistung zu liefern, andererseits wandelt die E-Maschine beim Bremsen die Energie in Strom um, der in der Batterie gespeichert wird. Für all diese Hybridtypen eignet sich das neue 8-Gang-Automatgetriebe uneingeschränkt. Es deckt elektrische Spitzenleistungen zwischen 24 und 160 Kilowatt ab.
Das bisher Gesagte erklärt, warum bei dem neuen Getriebe mehr zu tun war als nur etwas technischer Feinschliff. Um die Anforderungen zu erfüllen, die ein Plug-in-Hybridfahrzeugs neuen Typs stellt, muss in den knappen Bauraum des Getriebegehäuses (Wandlerglocke) eine leistungsstarke elektrische Maschine integriert werden.
„Zum ersten Mal haben wir ein Automatgetriebe für das Premiumsegment von Anfang an als Hybridgetriebe konzipiert.“
— Stephan von Schuckmann, Leiter der ZF-Division Pkw-Antriebstechnik

Effiziente Elektromaschine neuen Typs im Einsatz

Effiziente Elektromaschine neuen Typs im Einsatz

Diese in einem innovativen Verfahren hergestellte E-Maschine liefert die ZF-Division E-Mobility. Die Leistung eines E-Motors hängt vom „Kupferfüllgrad“ des Rotors ab, also vom Verhältnis des stromleitenden Materials zum Gesamtvolumen. Um dies zu maximieren, setzen die ZF-Ingenieure bei den leistungsstarken Varianten nicht mehr auf Wicklungen mit Kupferdraht, sondern nutzen Stäbe aus Kupfer, die gesteckt und miteinander verschweißt werden.

Leistungselektronik – jetzt im Getriebegehäuse integriert

Leistungselektronik – jetzt im Getriebegehäuse integriert

Ebenfalls neu ist die Unterbringung der Leistungselektronik.
Bislang befindet sie sich bei allen Serien-Hybridfahrzeugen in einer separaten Box irgendwo im Fahrzeug, da Platz im Motorraum absolute Mangelware ist. Die Folge davon sind bisher oft meterlange Kabel von der Leistungselektronik zum Getriebe. Mit dem neuen Getriebe ist das nicht mehr nötig, da die komplette Leistungselektronik in das Getriebegehäuse integriert ist. Ein Kraftakt für das Entwicklerteam um Dr. Michael Ebenhoch. „Einerseits hatten wir im Gehäuse selbst Platz zu schaffen, andererseits mussten wir die Leistungselektronik so klein wie möglich gestalten“, erklärt der Entwicklungsleiter der Division Pkw-Antriebstechnik. Der Miniaturisierung sind jedoch Grenzen gesetzt.

Neue Wege bei Kühlung, Schaltung und Ölkreislauf

Neue Wege bei Kühlung, Schaltung und Ölkreislauf

Zwar sind die Leistungshalbleiter an sich nicht groß, doch schalten sie hohe Ströme. Dabei entwickeln die Halbleiter mehrere Kilowatt Wärmeleistung, die abgeführt werden muss. Dafür wird die Leistungselektronik nicht vom Getriebeöl gekühlt, sondern ist an den Kältemittel-Kreislauf der Fahrzeugklimaanlage angeschlossen. Auf der Suche nach genügend Raum für die Leistungselektronik im Getriebegehäuse, analysierten das Ingenieurteam von Ebenhoch alle Bauteile bei den Hydraulikaktuatoren, die die Schaltvorgänge vornehmen. Nun erledigen elektromagnetische Direktschaltventile diese Arbeit. Anders als die bislang verwendeten elektrischen Drucksteller benötigen sie keine zusätzlichen Kolben und Buchsen. Auf diese Weise schrumpfte der benötigte Bauraum für die Hydrauliksteuerung von ehemals 3,1 Liter auf ein Volumen von 1,8 Liter.
Auch alle anderen Bausteine des neuen Getriebebaukastens sind konsequent für den Hybridbetrieb ausgelegt. Beim Ölkreislauf zeigt sich das besonders deutlich. Bislang waren zwei Ölpumpen im Einsatz: eine direkt vom Verbrennungsmotor angetriebene, sehr effizient arbeitende Flügelzellenpumpe und eine zweite elektrische Pumpe oder ein Impulsspeicher für den elektrischen Fahrbetrieb. Im neuen 8-Gang-Automatgetriebe arbeitet eine einzige, leistungsverzweigte Pumpe. Bei abgestelltem Verbrennungsmotor treibt sie ein kleiner Elektromotor an.

Nochmals verbesserte Mechanik für mehr Effizienz

Nochmals verbesserte Mechanik für mehr Effizienz

Der mechanische Teil des Getriebes hat sich auf den ersten Blick in der vierten Generation nicht verändert: Zwei Bremsen und drei Kupplungen schalten auch weiterhin die die vier Planetenradsätze. „Wir haben jedoch jedes Detail geprüft und vor allem die Reibleistungen deutlich verringert“, erzählt Ebenhoch. Lohn der Mühen: Pro Kilometer sinkt die CO2-Emission im verbrennungsmotorischen Betrieb allein durch die optimierte Mechanik um ein Gramm.
Inzwischen ist die Arbeit an der vierten Generation des 8-Gang-Automatgetriebes weit gediehen. BMW und Fiat Chrysler haben sich bereits dafür entschieden. Noch in diesem Jahr erfolgen die ersten Fahrzeugerprobungen, gleichzeitig bereitet sich das ZF-Getriebewerk in Saarbrücken bereits auf die Industrialisierung vor.

#MobilityLifeBalance

Mit einer Initiative stellt ZF den Menschen in den Mittelpunkt von Mobilitätsangeboten und zeigt Lösungen, wo und wie dies am besten gelingt.

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