Suchen

Zulieferer 50 Jahre Automatgetriebe von ZF

Redakteur: Claus-Peter Köth

1965 startete die ZF Friedrichshafen AG die Serienfertigung ihres ersten Pkw-Automatgetriebes mit der Bezeichnung 3HP12. Aktuell markieren die zweite Generation des 8-Gang-Automatgetriebes (8HP) und das 9HP für Pkw mit Front-Quer-Antrieb die Speerspitzen im Konzern – noch in diesem Jahr wird das neue 8-Gang-Plug-in-Hybridgetriebe in Serie gehen.

Firmen zum Thema

2015 feiert ZF nicht nur sein 100-jähriges Jubiläum, es jährt sich auch zum 50. Mal der Serienstart eines ZF-Automatgetriebes.
2015 feiert ZF nicht nur sein 100-jähriges Jubiläum, es jährt sich auch zum 50. Mal der Serienstart eines ZF-Automatgetriebes.
(Foto: ZF)

Es ist das schlichte Kürzel „HP“, mit dem ZF zum weltweit führenden Hersteller für Pkw-Automatgetriebe geworden ist. Es steht für die beiden Kernkomponenten, die diese Getriebebauform ausmachen: „H“ für den hydraulischen Drehmomentwandler als Anfahrelement, „P“ für die Planetenradsätze. Prinzipiell sind beide Komponenten trotz vielfacher Weiterentwicklung noch heute Kernelemente der meisten Automatgetriebe, mit zwei Einschränkungen: Der hydraulische Drehmomentwandler wird in den Antriebssträngen von Hybridfahrzeugen durch eine elektrische Maschine ersetzt. Außerdem ist die Steuerelektronik mit der zugehörigen Software in modernen Getrieben ein mindestens genauso wichtiges Element für die Gesamtfunktion wie Hydraulik und Mechanik.

1965: 3HP – 3-Gang-Premiere für drei Kunden

Ab 1940 entwickelten sich Getriebesysteme, die Fahrern das Schalten komplett abnehmen, vor allem in US-Fahrzeugen zu einem immer begehrteren Komfortmerkmal. Nach ausgiebigen Analysen stand für die ZF-Verantwortlichen Ende der fünfziger Jahre fest: Auch in Europa hat eine derartige Technologie großes Potenzial. Als Voraussetzung dafür galten jedoch maßgeschneiderte Produktneuentwicklungen: US-Automatgetriebe waren schlicht zu groß und für zu hohe Drehmomente ausgelegt, um sie einfach für die Anforderungen europäischer Autos adaptieren zu können.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 20 Bildern

Dass die ZF-Ingenieure das Thema Automatgetriebe im Automobil auf Anhieb beherrschten, hatten sie 1958 mit einem selbstkonstruierten 2-Gang-System – dieses blieb ein reiner Prototyp – bewiesen: In mehreren Erprobungsfahrzeugen verbaut, bewältigte es eine Fahrt von Friedrichshafen über das 2.700 Meter hoch gelegene Stilfser Joch nach Italien und zurück völlig problemlos. Was danach aber blieb, war der Wunsch nach mehr Gängen.

Diesen erfüllte das 3HP12 mit seinen drei Schaltstufen: 1965 kam es als das erste von ZF in Serie gefertigte Pkw-Stufenautomatgetriebe auf den Markt. Außerdem punktete es mit seiner kompakten Bauweise sowie mit Lamellenkupplungen. Letztere setzte ZF anstatt der vergleichsweise verschleißanfälligen Bremsbänder ein, die bei damaligen Wettbewerbskonstruktionen üblich waren. Seine Fahrzeugpremiere erlebte das 3HP12 noch im selben Jahr im Peugeot 504 und BMW 2000. Bald darauf hielt es auch bei Alfa Romeo Einzug.

Mindestens ebenso richtunggebend wie das neue Produkt war die am Jahresende 1965 gefällte ZF-Vorstandsentscheidung, mit einer Investition von zehn Millionen D-Mark dauerhaft in das Geschäft mit Pkw-Automatgetrieben einzusteigen: Sie sollte sich als eine der wichtigsten Weichenstellungen in der Nachkriegsgeschichte von ZF erweisen. Dem raschen Leistungszuwachs der Fahrzeuge geschuldet, präsentierte ZF nur zwei Jahre nach seinem ersten Automatgetriebe das weiterentwickelte 3HP20: Anstatt wie bisher maximal 166 Nm Eingangsdrehmoment bewältigte dieses nun bis zu 235 Nm – und empfahl sich daher besonders für die leistungsstarken BMW-Modelle 2500 und 2800. Mit dem 1975 vorgestellten 3HP22, nun konzipiert für Motoren mit bis zu 320 Nm, verdoppelte ZF kurzerhand die Kundenzahl: Auch Citroën, Maserati und Opel zeigten sich ob der hohen Schaltqualität überzeugt.

1982: 4HP – Effizienz wird immer wichtiger

Schon die Entwicklung des 4-Gang-Automatgetriebes (4HP22) Ende der siebziger Jahre war wesentlich durch die zu erzielende Verbrauchseinsparung motiviert. Der vierte Gang konnte länger übersetzt werden, ohne dass das Fahrzeug an Beschleunigungsvermögen verlor. Ein wesentlicher Teil des geringeren Verbrauchs war auch auf die Einführung einer Wandler-Überbrückungskupplung zurückzuführen. Zugleich läutete ZF mit dem zwischen 1982 und 1990 gebauten 4-Gang-Automatgetriebe einen Paradigmenwechsel bei der Getriebesteuerung ein: Erstmals ersetzten Ingenieure die mechanisch-hydraulischen Aktuatoren durch ein elektrohydraulisches Steuerungssystem. Dies war mit entscheidend, um die Schaltzeiten signifikant zu verkürzen – und hob Automatgetriebe auch unter fahrdynamischen Aspekten auf eine neue Ebene. Zudem senkte die neue Steuerung den Kraftstoffverbrauch der Fahrzeuge gegenüber dem 3HP um etwa vier Prozent.

Der Serienanlauf des 4HP22 erfolgte 1982 bei BMW, zunächst mit hydraulischer Steuerung. Ein Jahr später musste sich die elektronische Variante in Serie bewähren. In der Folge wurden Varianten des Getriebes bei rund einem Dutzend OEMs A wie Audi bis V wie Volvo eingesetzt. War die für Front-Quer-Einbau entwickelte Variante des 3HP noch vor allem bei Herstellern mit geringen Stückzahlen im Einsatz, wurde dieses Segment mit 4HP14 und 4HP18 kommerziell äußerst erfolgreich bedient. Erstmals entstand für Audi ein Allrad-Getriebe mit integriertem Verteilergetriebe und Frontabtrieb. Das damit ausgerüstete Modell, der Audi V8, begründete den Einstieg von Audi in die automobile Oberklasse. Eine weitere Besonderheit stellte das 4HP22HL dar, das zunächst exklusiv für den Porsche 964 entwickelt wurde. Eine „Tiptronic“ gab dem sportlichen Fahrer die Möglichkeit, die Gänge per Tastendruck selbst zu wählen, obwohl die Schaltung selbst vollkommen automatisch erfolgte. Das 4HP war das letzte Automatgetriebe von ZF, das sich für den Längseinbau in Fahrzeugen mit Heckantrieb und für den Front-Quer-Einbau eignete.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 20 Bildern

1990: 5HP – Getriebe werden intelligent

Schon in den achtziger Jahren zeigte sich, dass künftige Getriebe nur noch elektronisch zu steuern sind. Folgerichtig wurde das erste 5-Gang-Automatgetriebe, das 1990 in Serie ging, von Anfang an so konzipiert, dass die Möglichkeiten der Elektronik genutzt werden konnten. Ein Beispiel dafür ist die reduzierte Anzahl der Freiläufe: Waren beim 4HP noch drei Freiläufe im Einsatz, um Schaltvorgänge zu erleichtern, kam das 5HP mit einem einzigen für den Übergang vom ersten in den zweiten Gang aus. Alle anderen Schaltungen wurden durch die elektronische Regelung so überwacht, dass ein übermäßiger Schaltruck auszuschließen war. Zudem verzichtete man beim 5HP19 wieder auf den Torsionsschwingungsdämpfer, weil die Wandler-Überbrückungskupplung elektronisch so geregelt werden konnte, dass gezielt erzeugter Schlupf unerwünschte Drehschwingungen kompensierte.

Für den Fahrer viel offensichtlicher wurde der Einsatz der Elektronik durch die Einführung der ersten adaptiven Getriebeschaltung. So erkannte die Elektronik beispielsweise anhand der Fahrwiderstände, wenn die Fahrt bergauf oder bergab führte. An Steigungen oder bei Anhängerbetrieb wurden die Schaltpunkte zu höheren Drehzahlen verschoben.

Serienreife ab dem Jahr 1996

Seine Premiere im Fahrzeug erlebte der 5-Stufen-Automat in der Ausführung 5HP18 bei BMW, ein Jahr später folgte das 5HP30. Die Variante 5HP19FL war für Frontantriebsfahrzeuge mit längs eingebautem Motor gedacht. Der Serienanlauf erfolgte 1996, fast zeitgleich für die Kunden Audi und Porsche – wobei es sich beim Porsche Boxster um ein Mittelmotor-Fahrzeug handelte. Das Segment der in den neunziger Jahren stark wachsenden Allrad-Straßenfahrzeuge wurde mit der Variante 5HP19FLA bedient, die ab 1996 in den Vierradversionen des VW Passat und der Audi-Baureihen A4 und A6 zum Einsatz kam. Das 5HP19 war so kompakt, dass es als Sonderkonstruktion ab 1999, wenn auch nur für wenige Jahre, in einigen Versionen des Porsche 911 verbaut wurde. Mit dem 5HP18 erreichte ZF eine weitere Effizienzsteigerung von bis zu fünf Prozent. Die großen Fortschritte in puncto Leistung, Komfort, Effizienz und Fahrdynamik konnten jedoch über eine Tatsache nicht hinwegtäuschen: Bislang hatte jede neue Automatgetriebegeneration auch zu mehr Bauelementen – vornehmlich Kupplungen, Bremsen, Radsätze und Freiläufe – und folglich zu höherem Gewicht geführt. So wog das 5HP24 Mitte der neunziger Jahre fast doppelt so viel wie das 3HP12 von 1965. Vor diesem Hintergrund kam eine evolutionäre Weiterentwicklung für ZF nicht länger in Frage.

2001: 6HP – von Grund auf neu

Mit dem 6HP26 – dem weltweit ersten Pkw-Automatgetriebe mit sechs Gängen – leitete ZF im Jahr 2001 eine radikale Trendwende ein: Es war um 15 Prozent und damit fast 13 Kilogramm leichter, bis zu sieben Prozent sparsamer und wesentlich leiser als der Vorgänger mit fünf Gängen. Zudem lieferte es bessere Beschleunigungswerte. Technisch hatten die ZF-Ingenieure dafür in nur vier Jahren Entwicklungszeit keinen Baustein auf dem anderen gelassen. Das 6HP verfügte über ein neues Radsatzkonzept auf Lepelletier-Basis, das sich mit bis zu 30 Prozent weniger Bauteilen begnügte. Dieses Konzept ermöglichte es, Radsatz-Baugruppen mehrfach zu nutzen. Aber auch alternative Materialien trugen zur hohen Gewichtsersparnis bei: etwa Aluminium anstelle von Grauguss beim Getriebegehäuse oder Kunststoff statt Metall für die Ölwanne. Premiere feierte das 6HP auf der IAA 2001 im neuen 7er BMW.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 20 Bildern

Die Nachfrage stieg schnell: Das 6HP gewann immer mehr Kunden und eroberte neue Fahrzeugsegmente. Das galt nicht nur für die erste Generation, sondern auch für die 2006 präsentierte Weiterentwicklung: Sie überzeugte unter anderem durch Reaktionszeiten unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle sowie ein weiteres Kraftstoff-Sparpotenzial von drei bis sechs Prozent. Um das breite Einsatzspektrum bei insgesamt 16 OEMs abzudecken, stand das 6HP in insgesamt elf Varianten zur Verfügung. Die sehr erfolgreiche Ära seiner 6-Gang-Automatgetriebe beendete ZF im März 2014 nach exakt 7.050.232 Einheiten; zumindest am Standort Saarbrücken, denn im ZF-Getriebewerk in Shanghai rollt das 6HP für den chinesischen Markt weiterhin vom Band.

2009: 8HP – mehr als nur mehr Gänge

Schon 2009, fünf Jahre vor dem 6HP-Auslauf, war ZF mit dem 8HP in den Markt gestartet. Es handelte sich dabei um die Weltpremiere eines 8-Gang-Automatgetriebes für Pkw. Die ZF-Entwickler untersuchen dafür Millionen von möglichen Kombinationen. Dass es acht Gänge würden, stand nicht von vorne herein fest, auch Sieben-, Neun- und Zehngänger wurden untersucht. Am Ende zeigte sich: Unter Kosten-Nutzen-Aspekten sind für den Längseinbau acht Gänge das Optimum. Diese wurden mit vier Radsätzen und fünf Schaltelementen realisiert. Tatsächlich stieg nicht einmal die Gesamtzahl der Bauteile und – für den raschen Erfolg am Markt nicht unerheblich – auch die Einbaumaße nicht.

Das mit dem 6HP begonnene Baukastensystem war auch beim 8HP die Maßgabe für die Konstruktion aller Bauteile. Die insgesamt vier Baugrößen deckten ein Drehmomentspektrum von 300 bis 1.000 Nm ab. Mindestens 50 Prozent der Bauteile waren für alle Getriebevarianten identisch. Auf Basis des flexiblen Baukastensystems machte es auch Hybrid- und Allradvarianten möglich, sparte Gewicht, war als erstes seiner Art Start-Stopp-fähig und erlaubte eine neuerliche Verbrauchseinsparung um bis zu elf Prozent gegenüber dem 6HP der zweiten Generation. Die 8HP-Vollhybrid-Variante, unter anderem im BMW ActiveHybrid 3 und im Audi Q5 hybrid quattro, steigerte die Effizienz sogar um bis zu 25 Prozent. Die Absatzzahlen verdeutlichen den Erfolg des 8HP: Das 6-Gang-Automatgetriebe wurde über einen Zeitraum von zwölf Jahren – bis zum Auslaufen der Produktion in Europa – insgesamt mehr als sieben Millionen Mal produziert. Das 8-Gang-Getriebe kam hingegen bereits in den ersten fünf Jahren auf eine Stückzahl von fünf Millionen Einheiten. Heute fertigt ZF pro Jahr mehr als 2,6 Millionen 8-Gang-Automatgetriebe.

Zweite 8HP-Generation bringt weiteres Einsparpotenzial

Seit Anfang 2014 produziert ZF die zweite 8HP-Generation, die sich erstmals im neuen BMW 520d erfahren ließ. Es wurden alle bisherigen Stärken abermals optimiert und neue Eigenschaften hinzugefügt: Es bietet nun geringere Schleppmomente sowie eine höhere Spreizung von 7,8. Dank der verbesserten Drehschwingungstilgung spielt es besonders gut mit Downsizing- und Downspeeding-Konzepten zusammen. Das bedarfsgerechte, kraftstoffsparende Abkoppeln des Getriebes in Verbindung mit einer temporären Motorabschaltung – die Segelfunktion – ist mit dem 8HP der zweiten Generation bis zu einer Geschwindigkeit von 160 km/h möglich. Die optionale Start-Stopp-Funktionalität schaltet den Motor nach dem Anhalten ohne merkliche Verzögerung ab. Und obwohl es den Pkw-Kraftstoffverbrauch im Vergleich zum Vorgänger erneut um drei Prozent reduziert, kommt die Sportlichkeit nicht zu kurz: Die neue elektronische Getriebesteuerung ermöglicht unter anderem verschachtelte Mehrfachrückschaltungen, wodurch das 8HP der zweiten Generation bei Bedarf noch spontaner und dynamischer reagiert.

2013: 9HP – 9 Gänge für Front-Quer-Pkw

Bereits Ende 2013 erweiterte ZF sein Portfolio um das weltweit erste 9-Gang-Automatgetriebe (9HP) speziell für Automobile mit Front-Quer-Antrieb. Letztere machen rund drei Viertel des globalen Neufahrzeugmarkts aus – mit stark steigender Tendenz. Es bietet ein hohes CO2-Einsparpotenzial, da es den Kraftstoffverbrauch um bis zu 16 Prozent senkt – ausgehend von einer Konstantfahrt mit 120 km/h. Diese Effizienz verdankt das 9HP insbesondere seiner extrem hohen Gesamtspreizung von 9,81. Dank des Baukastenprinzips lassen sich auch verschiedene Anfahrelemente und Allrad-Anwendungen günstig umsetzen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 20 Bildern

Da die Gesamtlänge von Motor und Getriebe bei Front-Quer Pkw durch die Fahrzeugbreite limitiert ist, musste das 9HP trotz seiner neun Gänge sehr kompakt ausfallen. ZF verwirklichte diesen Anspruch mit vier Radsätzen und sechs Schaltelementen. Dieses revolutionäre Konzept ergänzen hydraulisch betätigte Klauenschaltelemente, die einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und die Getriebebaulänge nicht nennenswert beeinflussen. Sogar direkte, sportliche Mehrfachschaltungen wie beim 8HP lassen sich mit dem 9HP darstellen. Weitere Besonderheit: Die elektronische Getriebesteuerung hat ZF für das 9HP erstmals komplett in Eigenregie entwickelt. Aktuell zählen Land Rover und Honda zu den 9HP-Kunden. Fiat Chrysler Automobiles produziert dieses Getriebesystem in Lizenz selbst für diverse Modellreihen.

2015: Serienstart des 8-Gang-Plug-in-Hybridgetriebes

Der Einsatz des 8HP in Hybridfahrzeugen war von vorne herein vorgesehen. Das ZF-Konzept ist modular aufgebaut, sodass die OEMs die Hardware des Motors und des Grundgetriebes unverändert lassen können. Der Drehmomentwandler wird in diesem Fall durch eine elektrische Maschine ersetzt, die mit einer Trennkupplung vom Verbrennungsmotor abgekuppelt werden kann, um den Antrieb allein zu übernehmen. 8-Gang-Vollhybridgetriebe von ZF werden bereits seit einigen Jahren bei Audi und BMW verbaut. Noch 2015 wird das neue 8-Gang-Plug-in-Hybridgetriebe in Serie gehen.

Der Schwerpunkt bei der Entwicklung lag auf rein elektrischem Fahren. Hierzu muss das Schleppmoment der Trennkupplung zum Verbrennungsmotor so gering wie möglich ausfallen. Zusätzlich wurde dem Downsizing- und Downspeeding-Gedanken durch eine verbesserte Drehschwingungs-Entkopplung Rechnung getragen. Die Funktionalität des Anfahrelementes konnte optimiert und dessen Komfort erhöht werden: Um die Drehschwingungen des Verbrennungsmotors zu reduzieren, wurden zwei Dämpfer installiert, wobei einer als drehzahladaptiver Dämpfer ausgeführt ist. Damit lassen sich alle gängigen Verbrennungsmotoren bereits ab Leerlaufdrehzahl ohne lästige Geräusche und Vibrationen mit hoher Last fahren. Die E-Maschine, welche als permanent erregte Synchronmaschine ausgeführt wird, ist komplett in das Getriebegehäuse integriert und wird durch Öl-Nebel gekühlt. Die Spitzenleistung des E-Antriebs liegt bei 90 kW, die Dauerleistung bei 45 kW. Das integrierte Anfahrelement ist in der Lage, 550 Nm Anfahrmoment zu übertragen. Durch eine Vielzahl von Maßnahmen, die sich auf die Mechanik, Hydraulik, Funktionalität und Fertigung beziehen, wurden der Komfort und die Robustheit gegenüber der Vorgängergeneration gesteigert.

(ID:43369704)