Der Ursprung der Variomatic
I
Im Jahr 1897 wurde der amerikanische H.C. Spaulding ist ein stufenlos verstellbarer Antrieb, bestehend aus einem Riemen und zwei Kegelscheiben, der zum Antrieb eines Autos bestimmt ist.
Mittels eines vom Fahrer betätigten Hebelsystems wurde ein Flachriemen auf beiden Riemenscheiben von einem größeren Durchmesser auf einen kleineren Durchmesser gezwungen und umgekehrt, um als Geschwindigkeitsvariator zu dienen.
Soweit bekannt, wurde dieses System nie in Produktion genommen. Dabei kam eine Erfindung des Franzosen Fouillaron zum Einsatz, der zwei Flaschenzugpaare verwendete. Jedes Rollenpaar bestand aus zwei konischen Speichenscheiben, deren Speichen wie gespreizte Finger gefalteter Hände ineinandergreifen. Legen Sie nun die Discs mittels ein Durch das Auseinander- oder Zusammenziehen eines Hebels entstand eine V-förmige Nut, deren Durchmesser kleiner oder größer wurde. In diese Rille wurde ein trapezförmiger Gürtel gelegt, der aus dicken Lederscheiben bestand, die wie Perlen auf einer Metallschnur aufgereiht waren. Sie erwiesen sich als sehr langlebig, was 1900 zur Serienproduktion des Fouillaron-Antriebs und zum Einbau in Dutzende Autos führte.
Die damaligen Materialien und Produktionstechniken, aber auch die Tatsache, dass der Mechanismus von Hand bedient werden musste, führten dazu, dass diese Form der Geschwindigkeitsregelung nicht mehr genutzt wurde. Zumindest für Autos, denn dieses System nutzten Lang und Flender lange Zeit für den Antrieb und die Drehzahlregelung der Hauptspindel ihrer Drehmaschinen.
Zusätzlich zu den üblicherweise verwendeten herkömmlichen Schaltgetrieben wurde 1925 erstmals ernsthaft versucht, den Gangwechsel mittels einer hydraulischen Kupplung und eines hydraulisch geschalteten Getriebes zu automatisieren. Auch wenn sich dieser Getriebetyp bewährt hat, muss man es bei einem hydraulisch geschalteten Getriebe immer noch mit einem „gestuften“ System zu tun haben.
Daher steht, genau wie beim Schaltgetriebe, nur eine begrenzte Anzahl fester Übersetzungsverhältnisse zur Verfügung. DAF-Gründer Hub H.J. van Doorne holte die Erfindung von Herrn Spaulding aus der Vergessenheit zurück, in der Überzeugung, dass ein stufenloses Getriebe eine grundsätzlich bessere Lösung im Vergleich zu herkömmlichen manuellen oder automatischen Getrieben sei.
Basierend auf Spauldings Idee wurde ein vollautomatisches Getriebesystem entwickelt, das 1958 unter der Bezeichnung Variomatic im Pkw Daf 600 eingeführt wurde. In den folgenden Jahren stellte sich heraus, dass diese Variomatik, wie sie später von Volvo unter dem Namen CVT produziert und eingesetzt wurde, die ideale Möglichkeit ist, ein Auto sowohl im Stadtverkehr als auch auf der Autobahn anzutreiben.
Grundlegende Theorie Variomatic
Jeder Antriebsstrang hat die Aufgabe, die vom Motor abgegebene Leistung an die Fahrbedingungen anzupassen und so auf die Antriebsräder zu übertragen, dass das Auto bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten seine maximale Leistung entfalten kann, mit den beiden Extremen maximale Zugkraft oder maximales Drehmoment . Höchstgeschwindigkeit. Abbildung 1 zeigt, wie dieses Ziel durch feste Reduzierungen erreicht wird. Beim Beschleunigen ist darauf zu achten, dass durch die Wahl der richtigen Übersetzung (dem „Gang“) die Drehzahl des Motors zwischen den oben genannten Werten bleibt (siehe Abbildung 2).
Die Variomatik hat eine völlig andere Schaltcharakteristik (Bild 3). Das bedeutet, dass jede Übersetzung zwischen einer Ober- und einer Untergrenze automatisch in Abhängigkeit von der gewählten Motorleistung und den auftretenden Fahrwiderständen eingestellt wird. Zum besseren Verständnis dieser Eigenschaft unterscheiden wir zwei verschiedene Fahrweisen:
1: Aus dem Stand mit Vollgas losfahren; Sie versuchen, so schnell wie möglich die Höchstgeschwindigkeit zu erreichen. Dies erfordert eine größtmögliche Beschleunigung (bzw. Antriebskraft auf die Räder) bei maximaler Motorleistung. Die Variomatic erfüllt diese Anforderung in hohem Maße. Der erste Teil der Kurve wird wie mit einem Schaltgetriebe mit Vollgas durchfahren. Die automatische Kupplung greift ein und Geschwindigkeit und Drehzahl erhöhen sich entsprechend der größten Übersetzung (imax-Linie). Wenn die maximale Leistung fast erreicht ist, bleibt die Motordrehzahl annähernd konstant und jede Gangstufe wird automatisch eingelegt, bis die kleinste Gangstufe (Imin-Linie) erreicht ist (Abbildung 3, Linie A).
2: Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, bei dem vom Motor keine maximale Leistung benötigt wird, sondern nur das, was notwendig ist, um unter den aktuellen Fahrbedingungen (Teillast) mit der gleichen Geschwindigkeit weiterzufahren. Der Motor muss möglichst sparsam sein, keinen Lärm machen und möglichst saubere Abgase produzieren. Diese Anforderungen können am besten erfüllt werden, wenn die Motordrehzahl niedrig bleibt. Die bei Teillastfahrt (bestimmte Stellung des Fahrpedals) erzielten Punkte liegen also auf der eingezeichneten Kurve, der sogenannten Teillastkurve (Bild 3, Linie B). Alle Reduktionseinstellungen innerhalb der oben genannten Extreme sind möglich (Teillastbereich). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dank der Variomatik eine ideale Abstimmung zwischen der verfügbaren Leistung einerseits und der angeforderten Leistung andererseits erreicht wird, wobei die Anpassung zudem vollautomatisch erfolgt. Eine automatische Kupplung sorgt in Verbindung mit einer stoßdämpfenden Antriebswelle somit für eine reibungslose Übertragung der Antriebskräfte.
Prinzip der Variomatic
Die Kraft des Motors (1) wird über eine automatische Kupplung (2) und eine Primärantriebswelle (3) auf das erste bzw. Primärgetriebe der Variomatik übertragen (siehe Abbildung 4).
Dieser Primärteil besteht aus einem Verteilerkasten, in dem sich ein Schaltmechanismus befindet. Auf der Abtriebswelle des Primärgetriebes befinden sich 2 Scheibenpaare (4), die zusammen mit 2 Scheibenpaaren am Zweit- bzw. Sekundärgetriebe (6) und den dazwischen verbauten Keilriemen (5) das Getriebe bilden sind der wesentliche Teil der Variomatik. Zusammen sorgen sie für ein stufenloses Übersetzungsverhältnis.
Die linken und rechten Rollenpaare des Primärschranks bestehen jeweils aus einer festen und einer beweglichen Rolle; Die äußere Scheibe kann auf der Welle, auf der sie montiert ist, gleiten. Dies kann zu einer Variation des Riemenlaufdurchmessers führen; Bei einem kleinen Riemenumlaufdurchmesser sind die Scheiben auseinander, bei einem großen Riemenumlaufdurchmesser sind die Scheiben zueinander ausgerichtet. Die Scheibenpaare des Nebenschranks sind ebenfalls jeweils mit einer festen und einer beweglichen Scheibe versehen. Im primären Fall ist die äußere Scheibe die bewegliche Scheibe, während im sekundären Fall die innere Scheibe die bewegliche Scheibe ist.
Dies ist wichtig, um sicherzustellen, dass bei einer Änderung des Riemenlaufdurchmessers der Riemen immer gerade zwischen den Riemenscheiben läuft.
Der Mittenabstand zwischen Primär- und Sekundärscheibe wurde so gewählt, dass es je nach den Umständen zwei Extrempositionen gibt: Primär auf dem kleinsten Durchmesser, wo die Riemen sekundär auf dem größten Durchmesser laufen, oder umgekehrt, mit einem Zwischen diesen beiden Extremen gibt es unendlich viele Zwischenstellungen, die somit möglichst viele Übersetzungsverhältnisse zwischen Primär- und Sekundärteil der Variomatik ergeben.
Je nach DAF- oder Volvo-Typ beträgt das Gesamtübersetzungsverhältnis zwischen Motor und Hinterrädern mindestens 3,60:1 und maximal 28,83:1.
Dank der Idee der Variomatik ist jede Übersetzung zwischen diesen Grenzen möglich, wobei für jeden Betriebszustand automatisch die günstigste Übersetzung gewählt wird.
Faktoren, die die Reduzierungseinstellung beeinflussen
Zentrifugalkraft
In Abbildung 5a ist die Position der Riemenscheiben und des Riemens im größten Übersetzungsverhältnis dargestellt. Dies ist die Position, in der Sie aus dem Stillstand anfahren müssen. Wenn die Scheiben hauptsächlich aufeinander zu bewegt werden, wird der Riemen auf einen großen Durchmesser gezwungen (Abbildung 5b). Da die Länge des Riemens eine feste Größe hat, wird der Riemen an den Sekundärscheiben eingezogen. Die Primärscheiben schwimmen also durch der Riemen auf die Sekundärscheiben, wobei kein Schlupf auftreten darf. Dazu muss der Riemen kräftig zwischen den Scheiben eingeklemmt werden. Auf der Sekundärseite wird diese Klemmkraft durch eine Schraubenfeder und einen Satz Tellerfedern bereitgestellt; auf der Primärseite durch einige Regelelemente, von denen die Zentrifugal- und Vakuumkräfte die wichtigsten sind. Beim Hochschalten muss daher die Druckkraft auf die Primärscheiben größer sein als die Druckkraft auf die Sekundärscheiben, während umgekehrt beim Herunterschalten die Druckkraft auf die Sekundärscheiben am größten sein sollte.
Die trommelförmigen beweglichen Scheiben des Primärkastens enthalten zwei Paar Fliehgewichte (Abbildung 6). Diese Fliehgewichte sind am Antriebsgehäuse angelenkt, das wiederum an der Verteilerwelle befestigt ist.
Bei steigender (Motor-)Drehzahl schwingen die Fliehgewichte um ihre Drehpunkte nach außen. Die dabei auftretenden Zentrifugalkräfte werden auf die bewegliche Scheibe in eine Axialkraft umgewandelt. Wenn diese primäre Quetschkraft die sekundäre Quetschkraft übersteigt, wird die bewegliche Riemenscheibe in Richtung der festen Riemenscheibe bewegt, wodurch der Riemen in den primären Riemenscheiben auf einen größeren Riemenlaufdurchmesser gezwungen wird.
Da sich die Riemenlänge nicht ändert, wird der Riemen in den Sekundärscheiben auf einen kleineren Durchmesser gezwungen, was eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses bedeutet: Die Variomatik schaltet hoch.
Bleibt die Klemmkraft in den Primärlamellen größer als die Klemmkraft in den Sekundärlamellen, schaltet die Variomatik weiter hoch, bis die kleinstmögliche Übersetzung erreicht ist (Bild 7).
Sobald sich ein Kräftegleichgewicht in der Primär- und Sekundärscheibe einstellt, schaltet die Variomatik nicht mehr weiter und das dann erreichte Übersetzungsverhältnis bleibt erhalten (Bild 8).
Wenn die Motordrehzahl abnimmt (bis das Auto fast zum Stillstand kommt), wird die Gleichgewichtssituation gestört. Aufgrund der nun größeren Klemmkraft auf die Sekundärscheiben bewegen sich diese aufeinander zu und die Primärscheiben werden auseinandergezogen (Abbildung 9).
Die Variomatik schaltet solange herunter, bis die maximale Übersetzung nahe dem Stillstand erreicht ist. Denn im Stand müssen die Primärscheiben „offen“ sein, damit das Auto (wieder) reibungslos anfahren kann.
Riemenzug
Es gibt noch einen zweiten sehr wichtigen Faktor, der die Untersetzungseinstellung beeinflusst, nämlich die Riemenzugkraft, die abhängt von:
- der Fahrwiderstand
- das Motordrehmoment
- das Übersetzungsverhältnis der Variomatik
Zum Fahrwiderstand lässt sich folgendes sagen: Solange das Auto mit konstanter Geschwindigkeit auf ebener Straße fährt, beschränkt sich die Spannung der Riemen darauf, den Hinterrädern den nötigen Schub zu „liefern“, der dazu notwendig ist Halten Sie das Fahrzeug mit der unter diesen Umständen gewählten Geschwindigkeit.
Steigt jedoch der Fahrwiderstand, zum Beispiel beim Bergauffahren, bei wechselndem Fahrbahnbelag oder bei zunehmendem Gegenwind, wird zur Aufrechterhaltung der gewählten Geschwindigkeit ein größerer Schub an den Hinterrädern und damit eine größere Zugkraft im Fahrzeug benötigt Gürtel werden benötigt.
Als Beispiel ist die Zugkraft in einem Riemen in Abbildung 10 schematisch dargestellt.
Unter der Annahme, dass die Primärscheiben den Riemen antreiben und dass der Riemen die Sekundärscheiben antreibt, wird dieser Riemenzug den Riemen zwischen den Primärscheiben auf einen kleineren Durchmesser ziehen, während der Riemen zwischen den Sekundärscheiben dann auf einem größeren Durchmesser läuft (siehe Abbildung). 11).
Die Spannung in den Riemen ist daher selten konstant und hängt neben den oben genannten Bedingungen auch von der Beschleunigung oder Verzögerung ab. Darüber hinaus wird die Spannung der Gurte durch den Luftwiderstand (Dachgepäckträger), den Anhängerbetrieb und die Beladung des Autos beeinflusst. Die Situationen, in denen das Kräftespiel zwischen den Riemenzugkräften und der Fliehkraft stattfindet, können anhand der folgenden Beispiele näher erläutert werden:
1. Bei konstanter Fahrgeschwindigkeit ist eine bestimmte Untersetzungsstufe erreicht, bei der sich der Einfluss der Fliehkraft der Gewichte und der Spannung der Riemen ausgleicht.
2. Mit zunehmendem Fahrwiderstand, aber gleicher Motorleistung, nimmt die Geschwindigkeit des Autos ab und die Spannung der Riemen nimmt zu. Dadurch wird das Gleichgewicht zwischen Zentrifugal- und Zugkraft gestört, was zur Folge hat, dass die Riemen in den Primärscheiben auf einen kleineren Riemenlaufdurchmesser wandern; die Variomatik schaltet herunter.
3. Um bei zunehmendem Fahrwiderstand die erreichte Geschwindigkeit zu halten, muss der Motor durch das „Herunterschalten“ mehr Umdrehungen machen. Der Fahrer muss also lediglich etwas weiter aufs Gaspedal treten, damit die Geschwindigkeit des Autos gehalten wird.
4. Beim Übergang von einer Steigung zu einem ebenen Straßenabschnitt verhält es sich umgekehrt wie unter b. wurde beschrieben; die Geschwindigkeit steigt, die Spannung der Riemen nimmt ab und die Variomatik „schaltet hoch“. Um nun die gewählte Geschwindigkeit beizubehalten, muss das Gaspedal losgelassen werden, bis sich die Motordrehzahl an die geänderte Untersetzungsstufe angepasst hat.
5. Wenn Sie die Geschwindigkeit plötzlich erhöhen möchten, reicht es aus, das Gaspedal vollständig durchzutreten. Dadurch erhöhen sich die Motordrehzahl und die Riemenspannung, was zu mehr Schub an den Hinterrädern führt. Wie bereits erläutert, schaltet die Variomatik unter diesen Bedingungen stark zurück und ermöglicht so eine starke Beschleunigung. Wir nennen dieses Phänomen den „Kick-Down“-Effekt. Wird das Gaspedal dann wieder so weit losgelassen, dass die durch die Beschleunigung erhöhte Geschwindigkeit konstant bleibt, geschieht das Gegenteil: Motorleistung, Riemenzug und Schub nehmen ab, so dass automatisch in eine kleinere Übersetzung geschaltet wird. Wir nennen dies den „Overdrive“-Effekt.
Gerade diese stufenlos veränderbare Kraft spielt bei der Einstellung einer bestimmten Übersetzung eine so wichtige Rolle. Auf diese Weise entsteht vollautomatisch eine Übersetzung, die sich kontinuierlich an die sich ständig ändernden Fahrbedingungen anpasst.
Unter Druck
Ein dritter Faktor, der die Untersetzungseinstellung der Variomatik beeinflusst, ist der Unterdruck, der bei laufendem Motor im Ansaugrohr herrscht. Die beweglichen Scheiben des Primärteils der Variomatik werden jeweils durch eine auf der Verteilerwelle montierte Membran in zwei Hälften geteilt (Abbildung 12). Die beiden Hälften werden als „Kammern“ bezeichnet; wir sprechen von einer äußeren und einer inneren Kammer.
Ausgangspunkt ist, dass in beiden Kammern Atmosphärendruck herrscht. Indem Sie in einem dieser Räume zum richtigen Zeitpunkt Unterdruck erzeugen, erhalten Sie Unterdruckunterstützung, um die oben genannten „Kick-Down“- und „Overdrive“-Effekte zu verstärken. Durch die Erzeugung eines Unterdrucks in der Außenkammer (Abbildung 13a) möchte sich die bewegliche Scheibe in Richtung der festen Scheibe bewegen. Dadurch wird der Riemen gezwungen, auf einem größeren Riemenlaufdurchmesser zu laufen; die Variomatik schaltet also hoch. Umgekehrt wird durch die Erzeugung eines Unterdrucks in der Innenkammer die bewegliche Riemenscheibe nach außen gedrückt (Abbildung 13b), also von der festen Riemenscheibe weg, wodurch der Riemen mit einem kleineren Durchmesser läuft und die Variomatik herunterschaltet (beschleunigt).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es drei Faktoren sind, die den Wechsel der Variomatic ausmachen:
1. Die Zentrifugalkraft (abhängig von der Motordrehzahl)
2. Der Riemenzug (der hauptsächlich vom Fahrzeugwiderstand beeinflusst wird)
3. Der Unterdruck, der das Schalten der Variomatik unterstützt.
Betriebsbedingungen Variomatic
In der Praxis werden die oben genannten drei Faktoren nie alleine auftreten. Im Folgenden werden wir näher auf die Einflüsse eingehen, die diese Faktoren aufeinander haben.
1. Beschleunigen
Beim Anfahren aus dem Stand mit Vollgas auf beispielsweise 80 km/h geschieht Folgendes (Abbildung 14): Durch die Erhöhung der Motordrehzahl schwingen die Fliehgewichte in den Scheiben des Primärteils der Variomatik nach außen und bewirken die Die bewegliche Scheibe wird auf die Festplatte gedruckt. Allerdings ist der zu überwindende Fahrzeugwiderstand groß; Die gesamte Masse des Autos muss aus dem Stand in Bewegung gesetzt werden, damit die Spannung in den Riemen groß ist. Da der Einfluss dieser Zugkraft dem der Fliehkraft entgegengesetzt ist, wird das Getriebe daher in einer etwas zurückgeschalteten Position gehalten. Obwohl in dieser Stellung die Außenkammern der Primärvariomatik mit dem Saugrohr verbunden sind, findet keine nennenswerte Unterdruckunterstützung statt, da in dieser Stellung der Drosselklappe (Beschleunigung) praktisch kein Unterdruck im Saugrohr herrscht.
2. Overdrive-Position
Wenn das Auto nun eine Geschwindigkeit von 80 km/h erreicht hat, möchte man diese Geschwindigkeit beibehalten. Dann lässt man das Gaspedal leicht nach oben und da die Geschwindigkeit und damit die Leistung nicht weiter erhöht wird, nimmt die Riemenzugkraft ab. Die Fliehgewichte haben nun die Möglichkeit, weiter auszuschwenken: Die Variomatik schaltet hoch (Abbildung 15).
Um diesen Effekt zu verstärken, wird nun gleichzeitig ein Unterdruck in der Außenkammer der beweglichen Scheibe erzeugt, der das Hochschalten der Variomatik deutlich unterstützt. Wir nennen dies die Overdrive-Position.
3. Kick-down-Position
Wenn man dann die Geschwindigkeit weiter von 80 auf 110 km/h erhöht, passiert Folgendes (Abbildung 16): Um die Masse des Autos wieder zu beschleunigen, ist eine größere Riemenzugkraft erforderlich. Daher ist das Gaspedal vollständig durchgetreten. Aufgrund der nun zunehmenden Spannung des Riemens schaltet die Variomatik leicht zurück. Um diesen Effekt zu verstärken, wird die Unterdruckunterstützung der Außenkammer abgeschaltet und durch vollständiges Durchtreten des Fahrpedals auch die Außenkammer in offene Verbindung mit der Außenluft gebracht. Die Außenkammer wird „belüftet“. Wir nennen dies den Kick-Down-Effekt. Wird bei 110 km/h der Gashebel leicht zurückgenommen, wodurch die Zugkraft in den Riemen abnimmt und zudem ein Unterdruck in der Außenkammer entsteht, schaltet die Variomatik wieder hoch in die Overdrive-Stellung.
4. Bremsen mit der Fußbremse
Bei einer starken Verzögerung von 110 km/h bis zum Stillstand benötigen die Fliehgewichte und Riemen (Abbildung 17), die eine gewisse Trägheit aufweisen, einige Zeit, um in die Stillstandsposition zurückzukehren. Der Riemenzug, wie bereits beim Beschleunigen besprochen, funktioniert jetzt umgekehrt: Die sekundären Riemenscheiben (Hinterräder) treiben nun die primären Riemenscheiben an. Durch den Riemenzug möchte der Riemen auf den Primärscheiben auf einem größeren Durchmesser und auf den Sekundärscheiben auf einem kleineren Durchmesser laufen. Die beiden oben genannten Gründe werden die Variomatik sicherlich nicht dazu bringen, das Herunterschalten zu beschleunigen. Um zu verhindern, dass sich die Variomatik beim Stillstand des Fahrzeugs in einer leicht hochgeschalteten Position befindet, wird beim Bremsen ein Unterdruck in der Innenkammer erzeugt. Dieser Unterdruck erzeugt eine Axialkraft, die die bewegliche Scheibe von der festen Scheibe drückt (Abbildung 17).
Der Abstand zwischen den primären Riemenscheiben vergrößert sich und die Klemmkraft in den sekundären Riemenscheiben zieht den Riemen tiefer zwischen den beiden primären Riemenscheiben, wodurch die Variomatik in die vollständige Herunterschaltposition beschleunigt wird. Dieses schnelle Herunterschalten führt auch zu einem Anstieg der Motordrehzahl, was zu einer starken Motorbremsung führt.
5. Motorbremsung
Sowohl beim Bergauffahren als auch beim Bergabfahren ist eine möglichst große Übersetzung wünschenswert. Beim Bergauffahren ist der Riemenzug so groß, dass die Variomatik in der heruntergeschalteten Stellung gehalten wird. Beim Abstieg ist dies jedoch nicht der Fall; Bei komplett ausgenommenem Gaspedal und Bergabfahrt treiben die Hinterräder (Sekundärscheiben) die Primärscheiben an und die Variomatik tendiert dazu, wie in der Stellung „Bremsen“ nach oben zu schalten. Indem nun in der Innenkammer ein Unterdruck entsteht, entsteht in der beweglichen Scheibe eine Axialkraft, die dem Einfluss der Zentrifugalkraft entgegenwirkt und die bewegliche Scheibe von der festen Scheibe wegdrückt (Abbildung 18). Dadurch läuft der Riemen „primär“ auf einem kleineren Durchmesser und wird dann auf dem kleinstmöglichen Durchmesser gehalten. Dadurch bleibt die Motordrehzahl hoch und eine starke Motorbremsung ist möglich.
Abschluss
Drei Kräfte, die Zentrifugalkraft, der Bandzug und die Kraft zugunsten des Unterdrucks, sorgen für die Untersetzungseinstellung. Diese Kräfte werden durch eine einfache Bewegung des Gaspedals reguliert und gesteuert, was die Variomatik zu einem vollautomatischen Getriebe macht, das dafür sorgt, dass den Hinterrädern unter allen Fahrbedingungen die richtige Schubkraft zur Verfügung steht.