antriebstechnik 6/2016

Herausforderungen der systematischen
Getriebesynthese von mehrgängigen
Hybrid- und Automatikgetrieben
Michael Stangl
Bei der Suche nach neuartigen Getriebekonzepten
finden heute verstärkt Programme Anwendung,
welche mögliche Varianten erzeugen, prüfen, nach
Tauglichkeit bewerten und auswählen. Je nach
Anforderung können dies unter Umständen sehr
viele Getriebevarianten sein. Wie lange man genau
bei einer solchen Suche warten muss, bis alle
Möglichkeiten vom Programm erstellt und
verglichen wurden, war bisher nicht abschätzbar.
Neue Hybridgetriebe, Stufenautomaten oder Torque Vectoring
Einheiten bedürfen immer der intelligenten Vernetzung mehrerer
Antriebe und Abtriebe. Ein guter Vergleich mehrerer Konzepte
gelingt nur mit der Erzeugung möglichst vieler Lösungen (wenn
möglich sogar aller möglichen) mit einer folgenden Auswahl der
günstigsten für den jeweiligen Einsatzzweck. Diese programmunterstützte
Vorgehensweise mit „Erstellung, Vergleich und Auswahl“
verschiedener Getriebekonzepte bezeichnet man als “Getriebesynthese”.
Diese Art der Bestimmung von neuartigen Getrieben befindet
sich bereits seit mehreren Jahren im Interesse der Konstrukteure
und Entwickler. [1], [3], [5], [6], [7].
Ingenieure für Getriebeauslegung beschäftigen sich normalerweise
einen Großteil ihrer Zeit mit der konkreten Umsetzung von
einigen wenigen vielversprechenden Getriebekonzepten, welche
sich am Ende normalerweise zu einem einzigen verdichten. Getriebesynthese
hat die Findung dieser bestmöglichen Konzepte zum
Ziel. Dies wird jedoch in vielen Fällen nicht sehr lange betrieben, da
Neukonstruktionen meistens auf Erfahrungswerten oder bestehenden
Getrieben aufsetzen und enge Zeitrahmen vorgegeben werden.
In manchen Fällen ist so ein Vorgehen jedoch nicht möglich. Es sollen
vielmehr möglichst schnell verschiedene neue Konzepte entwickelt
werden. Dies wird mittlerweile häufig durch die sog. „rechnergestützte
Getriebesynthese“ umgesetzt.
Dr. Michael Stangl ehemals ZG GmbH,
seit Oktober 2015 Angestellter der KISSsoft AG
Erzeugung von Mehrgang-Getrieben
Die Herausforderung bei der Getriebe-Synthese besteht im sprunghaften
Anstieg der Verbindungsmöglichkeiten der beteiligten Elemente.
Jede Getriebelösung für eine größere Anzahl von Gängen
besteht aus der Vernetzung von mehreren Elementargetrieben.
Das 8HP von ZF enthält z. B. vier klassische Minusgetriebe, jeweils
bestehend aus Sonne, Steg mit Planeten und Hohlrad. Die Findung
einer guten Lösung besteht im Wesentlichen in der Wahl einer
Vernetzung der Einzelelemente. Um diese direkter zu visualisieren,
beginnt man am besten mit einer abstrakten Darstellung, dem
Graphen des Getriebes.
Betrachtet man nun das 8HP im Schema (Bild 01), kann man
recht leicht auch einen Graphen [4] ableiten, der aus der Verknüpfung
der Graphen von vier elementaren Minusgetrieben aufgebaut
ist. Eine Möglichkeit dieses Schema in einen Graphen zu zeichnen,
zeigt das Bild 02. Dabei sind die fixen Verbindungen (durch Wellen)
und Stufen als durchgezogene Linien und die möglichen Verbindungen
(durch Kupplungen und Bremsen) gestrichelt dargestellt.
Eine Gleichung für die Anzahl der Möglichkeiten
Um nun generelle Aussagen über die Anzahl von überhaupt möglichen
Getriebelösungen bei gegebenen Grundstrukturen zu
machen, empfiehlt sich zuerst eine alleinige Betrachtung der Vernetzungen
von Knoten. Damit erreicht man eine Abzählmöglichkeit
aller möglichen Lösungen und eine Aussage über die Mächtigkeit
dieser Menge. Darüber lässt sich z. B. klären, wie viele
Vernetzungsmöglich keiten durch vier Minusgetriebe entstehen,
bzw. wie stark man durch Festlegung einzelner Bereiche die Anzahl
der zu untersuchenden Möglichkeiten reduzieren kann.
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