Doppelkupplung

Getriebe-Revolution aus Wolfsburg

18.09.2008 | Redakteur: Bernd Otterbach

Volkswagen hat mit der Einführung des Doppelkupplungsgetriebes (DKG) die Getriebewelt revolutioniert, nun folgen auch die anderen Automobilhersteller.

Es war ein Schock für die restliche Automobilwelt, als VW im Spätherbst des Jahres 2002 sein erstes Doppelkupplungsgetriebe (DKG) für die Großserie vorstellte. Zwar waren bei einigen Firmen Projekte begonnen worden, als Porsche und danach Audi DKG für den Rennsport entwickelt hatten, aber sie führten nicht zum Ziel. So hatte ZF 1990 ein Fünfgang DKG mit nassen Kupplungen für die Oberklasse vorgestellt, das Projekt aber zugunsten der Wandlerautomaten wieder aufgegeben.

Thomas Götze berichtet von einer Expertenbefragung aus dem Jahr 1998, bei der dem stufenlosen CVT-Getriebe, dem automatisierten Schaltgetriebe (ASG) und Hybridkonzepten für die nächsten zehn Jahre relativ viel Innovationspotenzial zugeschrieben wurden. Das DKG dagegen wurde nur am Rande erwähnt. Es hatte sich noch nicht herumgesprochen, dass VW bereits seit zwei Jahren ernsthaft daran arbeitete – und BorgWarner als Partner für ein „nasses“ DKG gewählt hatte, während Temic das „Gehirn“ dazu entwickelte.

Volkswagen hat die Nase vorn

Die Wolfsburger hatten es genau richtig gemacht, nämlich ihr DQ250 genanntes DKG zunächst mit dem potenten VR 6 verheiratet und den Golf R 32 sowie den Audi TT damit ausgerüstet. Zwei sportliche Autos also, die durch das DQ 250 noch sportlicher wurden und die Vorzüge des DKG in Windeseile verbreiteten. Der VW-Ingenieur Wolfgang Schreiber hatte die Idee zur Entwicklung des DKG und begann mit den Vorarbeiten bereits im Jahr 1996 – sieben Jahre vor Serienanlauf! Nichts davon drang nach außen, bis das DKG vorgestellt wurde. Wolfgang Schreiber hatte den Wettbewerb allerdings erheblich überschätzt, als er bei der Vorstellung meinte, dass VW wohl zwei Jahre Vorsprung vor den Wettbewerbern habe.

Daraus wurden fünf Jahre – und wieder war es VW, die das nächste DKG vorstellten, das DQ 200 mit „trockenen“ Kupplungen von LUK für schwächere Motoren. Wenig später meldet Audi das dritte DKG des Konzerns an, wieder ein „nasses“ für Drehmomente bis 550 Newtonmeter, mit Lamellenpaketen von BorgWarner und der Steuerung von Temic. Eigentlich ist es das vierte, denn 2004 hatte auch der Bugatti Veyron ein DKG mit „nassen“ Lamellenkupplungen erhalten. VW wird in naher Zukunft DKG für alle Baureihen des Konzerns anbieten. Selbst der Caddy kann mit einem DKG erworben werden. Lediglich die großmotorigen Wagen bleiben vorerst bei der Wandlerautomatik. Vom DQ250 hat VW bereits mehr als eine Million Stück gefertigt.

Die Vordenker: Rudolf Franke und Adolphe Kégresse

Das Doppelkupplungsgetriebe entstand aus dem Handschaltgetriebe, dem man statt einer nun zwei Kupplungen spendierte. Die eine Kupplung bedient die geraden Gänge, die zweite die ungeraden. Zweck der Übung ist, eine zugkraft- und unterbrechungsfreie Beschleunigung zu erhalten, ohne auf die Vorzüge des mechanischen Getriebes zu verzichten. DKG sind Automatikgetriebe ohne hydraulischen Drehmomentwandler, die blitzschnell und präzise schalten. Wird mit einem Gang gefahren, dann sortiert das „Gehirn“ hinter der jeweils offenen Kupplung den nächsten Gang, der sofort zur Verfügung steht, wenn die eine Kupplung öffnet und die andere schließt. Wie beim Wandlerautomaten bestimmt der Fahrer mit dem Gaspedal, wann der Gangwechsel erfolgen soll.

Als Erfinder wird der spätere Darmstädter Professor Rudolf Franke genannt, doch entdeckte Thomas Götze, der über DKG promovierte und nun eine Professur in Magdeburg hat, dass der französische Ingenieur Adolphe Kégresse 1939, ein Jahr vor Franke, ebenfalls ein DKG zum Patent anmeldete. Mit Sicherheit haben die beiden nichts voneinander gewusst. Nach dem Krieg war es Rudolf Franke, der die Idee des DKG weiter voran trieb und erste Voraussetzungen für die heutigen Lösungen schuf.

Immun gegen Fahrerfüße

Gegenwärtig unterscheidet man „nasse“ und „trockene“ DKG. Die nassen arbeiten mit Lamellenkupplungen im Ölbad, die BorgWarner für das DQ250 ineinander schob und damit eine sehr kurze Bauweise erreichte. Da wie bei den meisten Motorradkupplungen mehrere Belagscheiben mit glatten Stahlscheiben kombiniert werden, können sie im Durchmesser trotz hoher Leistung sehr klein ausfallen. Trockene dagegen besitzen zwei etwa gleich große, hintereinander angeordnete Kupplungsscheiben, wie sie LuK für das „kleine“ DKG von VW entwickelte. Inzwischen entwarf BorgWarner eine dritte Lösung, von der gleich zu reden sein wird.

Das „große“ DKG von VW, DQ 250 liegt beim Kraftstoffverbrauch zwischen Wandlerautomat und Handschaltgetriebe, während das „kleine“ für einen Minderverbrauch gegenüber Handschaltung von mindestens 10 Prozent sorgen kann, weil bei ihm Schleppmoment und Hilfsenergiebedarf des „nassen“ DKG fehlen. „Nasse“ DKG bleiben hohen Drehmomenten vorbehalten, während „trockene“ sich für geringere Drehmomente bis etwa 300 Newtonmeter eignen. Da auch die beiden trockenen Kupplungsscheiben präzise automatisch betätigt werden, halten sie mindestens ein Motorleben lang, da sie nicht unsicheren Fahrerfüßen ausgesetzt sind. Aber auch diese Scheiben haben während der Entwicklung einen Reifeprozess durchlaufen, um allen Situationen gerecht zu werden.

Die Neuen rollen an

In diesem Jahr drängen mindestens drei neue DKG auf den Markt, wobei der Getriebehersteller Getrag besonders aktiv ist. Er gründete zusammen mit Ford ein Gemeinschaftsunternehmen, das ein DKG für Ford und Volvo entwickelte. Eine weitere Kooperation meldet Getrag mit Chrysler. Zusammen wollen sie in Tipton/Indiana (USA) eine Fabrik für 455 Millionen Dollar errichten, die vermutlich ab Ende 2009 rund 700.000 DK-Getriebe pro Jahr produzieren wird. BMW führte ein ebenfalls mit Getrag entwickeltes Getriebe ein, während das DKG von Porsche von ZF stammt. Lediglich der VW-Konzern baut seine Getriebe im Werk Kassel selbst, auch das neue Audi-Getriebe. Ford und Volvo erhalten Getriebe für Quereinbau, Audi, BMW und Porsche für Längseinbau. Zu nennen ist weiterhin Nissan, die mit Aisin zusammenarbeiten. Schließlich erhält auch der Rover-Nachbau „Roewe“ in China ein DKG.

Alle diese Getriebe nutzen die nassen Lamellenkupplungen von BorgWarner, trockene Lösungen sind noch nicht darunter. Mercedes verfügt über eigene Patente, doch wegen der eigenen Wandlerfertigung unterblieb bisher die Entwicklung eines DKG. Auch Bosch will mitmischen und natürlich LuK, die neben der trockenen auch nasse Lösungen anbieten. Ob das stufenlose Umschlingungsgetriebe CVT daneben noch eine Chance hat, muss man abwarten. Gegenwärtig jedenfalls ist das CVT gut im Rennen, zumal es für minimale Verbräuche sorgt. Schließlich berichten die Spezialisten von Renk, dass es bei schweren Nutzfahrzeugen noch keine Neigung zur Doppelkupplung gibt. Aber das kann sich ändern.

Getriebechaos bei Toyota

Während sich die meisten Automobilhersteller bemühen, eine Getriebebauart für viele Modelle anzubieten - ein ganz typisches Beispiel dafür ist der VW–Konzern - scheint bei Toyota eine Art Getriebechaos zu herrschen. Nahezu für jedes Modell wurde ein eigenes Getriebe entwickelt, eine Vereinheitlichung fand bisher nicht statt. Wir nehmen aber an, dass auch Toyota an DKG arbeitet, zumal Aisin die Toyota-Getriebe liefert. Interessant ist, dass Mitsubishi den 2,2 Liter Diesel (HDI) von Peugeot mit einem Doppelkupplungsgetriebe von Getrag verheiratet, während Peugeot derzeit noch kein DKG anbietet. Fiat entwickelt ein DKG mit „trockenen“ Kupplungen. Damit sollen Drehmomente bis 350 Nm übertragen werden. Bliebe noch Renault, dort ist die Neigung zur Entwicklung von DKG gegenwärtig wohl nicht sehr groß.

Das zur Zeit stärkste DKG arbeitet im Bugatti Veyron mit seinen 1001 PS (736 kW) und 1250 Nm. Die beiden Lamellenpakete gleicher Größe haben einen Durchmesser von 264 Millimeter, sind aber zusammen nur 153 Millimeter lang. Im Nissan GT-R mit seinen 353 kW (480 PS) und einem Drehmoment von 588 Nm haben die Lamellenpakete einen Durchmesser von 189 Millimeter und eine Länge von 130 Millimeter. Diese Daten sollen nur zeigen, welche Kräfte derartig kleine „nasse“ Lamellenkupplungen übertragen können.

Feucht statt nass

Nasse Lamellenkupplungen baden im Öl und haben deshalb Schleppverluste, die bei hoher Motorleistung weniger ins Gewicht fallen als bei niedriger. Bernd Matthes, heute Präsident der BorgWarner-Getriebesparte berichtet von einer weiteren Variante, die nicht mehr „nass“, sondern nur noch „feucht“ arbeitet – nicht mehr baden, sondern duschen - und folglich mit geringeren Verlusten aufwartet. Zudem ist man bei den Lamellenbelägen – abschätzig „Papier“ genannt - weiter gekommen. Man entwickelte neue Reibwerkstoffe, die einen bestimmten Anteil an Keramikpartikeln enthalten. Sie helfen mit, den Verschleiß zu reduzieren und sind hochtemperaturbeständig. Das erinnert uns an die Bremsbelagentwicklung von TMD-Textar, die für bestimmte Anwendungen ebenfalls Keramikbestandteile enthalten werden. Kupplungen für die Formel 1 sowie Rennsportwagen wie die von Porsche, für den Audi R10 und für die DTM-Autos von Audi und Mercedes wären ohne Keramikscheiben nicht fahrbar. Diese sehr kleinen Kupplungen entwickelt ZF Sachs.

DK-Getriebe für Kleinwagen

Noch interessanter ist jedoch der Prototyp eines DK-Getriebes für sehr preiswerte, kleine Wagen, das BorgWarner entwickelte. Auch hier werden Lamellenkupplungen „so klein wie Motorradkupplungen“ verwendet, die nicht mehr ineinander sondern nebeneinander montiert werden. Sie werden von der Kurbelwelle durch eine Kette angetrieben und sitzen jeweils auf einer Getriebewelle. Die Aufteilung ändert sich nicht, eine Kupplung bedient die geraden, die andere die ungeraden Gänge. Dieses Getriebe ist für Quereinbau gedacht und beansprucht sehr wenig Platz. „Wir haben hier etwa 30 Prozent der Kosten herausgenommen“ berichtet Bernd Matthes, der sich gute Chancen für eine Serieneinführung ausrechnet. Ob das Getriebe auch von europäischen Herstellern verwendet wird, steht derzeit noch nicht fest. Aber warum nicht? Autos wie der „Up“ von VW bieten sich dafür geradezu an. Auf jeden Fall wird das DQ 200 von VW nicht das kleinste Doppelkupplungsgetriebe bleiben.

Drei verschieden Varianten stehen zur Wahl. Die einfachste und preisgünstigste bedient ein Vierganggetriebe für Drehmomente bis 100 Nm. Die zweite eignet sich für fünf bis sechs Getriebegänge und maximal 170 Nm, während die dritte mit sechs Gängen 250 Nm übertragen kann, bei Verwendung eines Diesels bis 300 Nm. Natürlich gehört dazu noch der Steuerungsteil, deshalb sind DKG immer teurer als Handschaltgetriebe. VW berechnet dafür den Preis von Wandlerautomat-Getrieben, doch ist darin noch Luft zur Preissenkung, wenn die Wettbewerber einen Preiskampf lostreten. Und der kommt so sicher wie das Amen in der Kirche.

Die „Trockenzeit“ beginnt erst

Läuft ein Leithammel vorneweg, folgt die Herde. Das ist in der Technik wie bei Mensch und Tier. VW hat die Tür zum DKG weit aufgestoßen, das hat dem gesamten Getriebebereich gewaltigen Auftrieb verschafft. So sind seither die Wandlerautomaten immer besser geworden. ZF bietet nun solche Getriebe mit acht Gangstufen an, die Überbrückung erfolgt bereits im ersten Gang, die hydraulischen Verluste sinken stetig.

Konzentrierten sich die VW-Wettbewerber bisher auf „nasse“ DKG, so geriet das „trockene“ DKG immer stärker ins Blickfeld der Entwickler, seit ruchbar wurde, dass VW auch ein solches Getriebe ins Programm aufnehmen würde. Bei LuK ist die Arbeit natürlich nicht auf dem Stand des VW-Getriebes stehen geblieben. Auch in Bühl arbeitete man daran, den Wirkungsgrad noch weiter zu verbessern. Als sich VW für die LuK-Lösung entschied, waren in Bühl die Arbeiten für die elektromechanische Aktuatorik noch nicht abgeschlossen. VW entschied sich darum für eine hydraulische Betätigung, die etwas höhere Verluste ergibt.

Inzwischen ist die LuK-Lösung serienreif. Sie befreit das Getriebe von hydraulischen Antrieben, die Elektromechanik übernimmt alle Betätigungen. Damit entspricht ein solches Getriebe beim Leistungsbedarf dem Handschaltgetriebe und kann für Verbrauchsreduzierung bis 15 Prozent sorgen. Wenn das nächste „trockene“ DKG auf dem Markt erscheint, wird es mit dieser Lösung ausgestattet sein, die sich natürlich auch für „nasse“ DKG eignet. Der Bedarf an elektrischer Energie für die kleinen Schaltmotoren ist gering, zumal sie nur dann benötigt wird, wenn der Fahrer Schaltung wünscht.

„Trockenes“ DKG beim verbrauch unschlagbar

Zusatzenergie für die Hydraulik oder für die elektrische Betätigung sowie Reibung, Schlupf- und Schleppverluste setzen den Wirkungsgrad eines Getriebes herab. Als Anhalt kann dienen, dass konventionelle Wandler-Automatikgetriebe, wie sie etwa in den USA üblich sind, mindestens 20 Prozent höhere Verluste haben als ein „trockenes“ DKG mit elektromechanischer Betätigung. Beim CVT muss man mit etwa 17 Prozent Verlusten rechnen, bei europäischen Wandlerautomaten nur noch mit etwa 10 Prozent. „Nasse“ DKG mit hydraulischer Betätigung sind etwa 5 Prozent schlechter, „nasse“ DKG mit elektromechanischer Betätigung etwa 2 Prozent. Entsprechend verhalten sich auch die Verbrauchswerte, da ist das „trockene“ DKG mit elektromechanischer Betätigung unschlagbar. Nun sind wir gespannt, wer nach VW als nächster Hersteller ein „trockenes“ DKG vorstellen wird. Wir tippen auf Fiat.

Die elektromechanische Betätigung ist damit die Voraussetzung für noch kleinere DKG und bietet gegenüber der BorgWarner-Entwicklung beim Wirkungsgrad Vorteile. LuK geht davon aus, dass „trockene“ DKG auch höhere Drehmomente übertragen können, wenn Platz für größere Kupplungsscheiben vorhanden ist. Bei Sportwagen bietet die Hydraulik Vorteile, weil Lamellenpakete sehr klein ausfallen und das Öl die entstehende Wärme besser abführt. „Trockene“ Scheiben sind auf Luftkühlung angewiesen. Dass sie damit zurecht kommen, beweisen unzählige „trockene“ Einfachkupplungen in unseren Autos. Sie werden stärker strapaziert als in DKG.

Typisch europäische Lösung

Wolfgang Schreiber und VW haben tatsächlich für eine Getrieberevolution gesorgt, der sich heute kein Automobilhersteller mehr entziehen kann. Inzwischen hat VW derartig viel Wissen und Erfahrung mit dem DKG gesammelt, dass aus Wolfsburg weitere interessante Lösungen kommen werden. Schon heute lässt sich feststellen, dass das DKG durch seine blitzschnellen, ruckfreien Schaltvorgänge in Europa die Aversion gegen automatische Getriebe überwunden hat. Es ist eine typisch europäische Lösung, die auch die USA, Japan und China erobern wird. Nicht zuletzt deshalb, weil das DKG den Kraftstoffverbrauch im Vergleich mit dem Wandlerautomaten deutlich senkt und gegenwärtig dabei ist, selbst gegenüber dem Handschaltgetriebe merkbare Verbrauchsvorteile auszuspielen. DKG sind aber auch für die Verwendung in Hybridantrieben geeignet. Hier hat vor allem LuK Pionierarbeit geleistet, um die Voraussetzungen für preiswerte Lösungen zu schaffen.

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