Wie funktioniert ein DSG-Getriebe? - Fahrzeugelektronik Blog | Volkswagen
DSG-Getriebe, die gelungene Kombination von Automatikgetriebe und automatisierter Mechatronik
Allgemeines über das Direktschaltgetriebe (DSG-Getriebe)
Beim Direktschaltgetriebe werden keine Zahnräder geschaltet. Sämtliche Zahnradpaare, die miteinander kämmen, befinden sich ständig im Eingriff. Das zu übertragende Drehmoment des Motors kann wahlweise entweder auf eine Zentralwelle oder auf eine auf der Zentralwelle gelagerten Hohlwelle übertragen werden. Diese wahlweise Drehmomentübertragung geschieht durch zwei Kupplungen, wobei die eine mit der Zentralwelle, die andere mit der koaxial auf der Zentralwelle laufenden Hohlwelle verbunden ist. Die eine Kupplung auf der Zentralwelle ist im Durchmesser größer als die andere, sodass beide Kupplungen aus Gründen der Platzeinspaarung geometrisch auf gleicher Ebene angeordnet werden können. Dabei muss jedoch die im Durchmesser kleinere Kupplung dicker ausgeführt sein als die größere, um sicherzustellen, dass beide Kupplungen auch Drehmomente von gleicher Größenordnung übertragen können. Die Aufteilung des Direktschaltgetriebes in die verschiedenen Gänge ist so angeordnet, dass die Gänge mit der ungeraden Zahl das Drehmoment über die Zentralwelle übertragen. Die Gänge mit der geraden Zahl übertragen das Drehmoment auf die Hohlwelle, die koaxial auf der Zentralwelle läuft. Auf diese Weise wird erreicht, dass sowohl beim Hochschalten als auch beim Zurückschalten das Drehmoment immer abwechselnd auf die Zentralwelle oder auf die Hohlwelle übertragen wird.
Geometrische Gestaltung der beiden Kupplungen
Für die Höhe des übertragbaren Drehmomentes der Kupplungselemente sind zwei geometrische Größen von entscheidender Bedeutung. Dies ist einmal der mittlere Kupplungsradius der reibenden Kupplungsfläche und die Größe der Reibungsfläche selber. Das zu übertragende Drehmoment ergibt sich durch das Produkt aus Reibungskraft mal mittlerem Kupplungsradius. Die kleinere Kupplung mit ihrem kleineren Radius muss das gleiche Drehmoment übertragen können, wie das Kupplungselement mit dem größeren Radius. Daher muss das kleinere Kupplungselement eine größere Reibungsfläche erhalten. Dies wird dadurch erreicht, dass man das kleinere Kupplungselement dicker ausführt. Dadurch können mehr Kupplungslamellen angeordnet werden, sodass sich damit auch die zur Verfügung stehende Reibungsfläche erhöht. Die vergrößerte Reibungsfläche gleicht so den kleineren Kupplungsradius wieder aus.
Schaltvorgang beim Direktschaltgetriebe
Die eigentlichen Schaltvorgänge während der Fahrt sind automatisiert. Der Fahrer muss zu Beginn der Fahrt lediglich wie bei einem gewöhnlichen Automatikgetriebe die gewünschte Fahrgruppe vorwählen. Jeder Schaltvorgang wird dadurch eingeleitet, dass zunächst ein bestimmtes Zahnradpaar für den zu schaltenden Gang vorgewählt wird. Der eigentliche Schaltvorgang ist aber erst dann abgeschlossen, wenn die Welle eingekuppelt ist, auf welcher sich das teibende Zahnrad des vorgewählten Zahnradpaares befindet. Betätigt der Fahrer bei stehendem Fahrzeug das Gaspedal, sorgen aufeinander abgestimmte, elektronische Bauteile dafür, dass die eine der beiden Kupplungen, die mit der Zentralwelle verbunden ist, geschlossen wird. Der Motor überträgt sein Drehmoment über die Zentralwelle und dem Zahnradpaar für den 1. Gang zum Getriebeausgang. Mit steigender Motordrehzahl und weiterhin betätigtem Gaspedal erfolgt von der Elektronik ein Ausrückbefehl für Zentralwellenkupplung und nur Sekundenbruchteile später ein Einrückbefehl für die Hohlwellenkupplung. Die Drehmomentübertragung des Motors wird jetzt über die Hohlwelle, die koaxial auf der Zentralwelle läuft, über das Zahnradpaar des 2. Ganges zum Getriebeausgang geleitet. Wenn eine weitere Beschleunigung des Fahrzeugs gewünscht ist, d. h. bei betätigtem Gaspedal und steigender Motordrehzahl steuert die Elektronik wieder in umgekehrter Weise durch Ausrück- und Einrückbefehl die beiden Kupplungen an. Der Motor überträgt jetzt sein Drehmoment wieder über die Zentralwelle und dem Zahnradpaar für den 3. Gang zum Getriebeausgang. Mit jedem automatisierten Schaltvorgang wird so abwechselnd das Motordrehmoment einmal über die Zentralwelle und einmal über die Hohlwelle zum Getriebeausgang übertragen. Es entstehen keine Schaltpausen wie bei einem Handschaltgetriebe. Damit ist zugleich sichergestellt, dass die Drehmomentübertragung auch bei den automatisierten Schaltvorgängen kontinuierlich und ohne Unterbrechung verläuft. Das Zurückschalten der Gänge erfolgt in umgekehrter Reihenfolge bei Betätigen des Bremspedals.
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ReparaturformularFunktionsweise der beiden Kupplungen
Das Direktschaltgetriebe besteht aus zwei Teilgetrieben, die bei jedem Schaltvorgang abwechselnd angesteuert werden. Bei den ungeraden Gängen wird das eine Teilgetriebe auf Drehmomentdurchgang geschaltet, für die geraden Gänge ist das andere Teilgetriebe zuständig. Die beiden Teilgetriebe benötigen logischerweise auch zwei Kupplungen, um überhaupt eine wahlweise Trennung vom Motor oder eine Durchschaltung des Drehmomentes zu ermöglichen. Beide Kupplungen werden von Solenoiden angesteuert und betätigt. Es handelt sich hierbei um elektromagnetische Spulen, die bei Bedarf von der Transmission Control Unit (TCU) elektronische Impulse erhält. Diese Impulse, von der TCU genau zum richtigen Zeitpunkt gegeben, bewirken in abwechselnder Reihenfolge ein Öffnen bzw. Schließen der beiden Kupplungen. Je nach gewünschter Fahrweise, ob Beschleunigen oder Verzögern, wird so immer der richtige Gang durchgeschaltet, der eine optimale Geschwindigkeitsänderung bewirken kann.
Die TCU das zentrale Steuerorgan des Direktschaltgetriebes
Die Transmission Control Unit ist die elektronische Steuerzentrale des DSG-Getriebes. Ihre elektronischen Bauelemente versetzen die TCU in die Lage, Fahrzeugparameter und andere Sensorwerte innerhalb von Sekundenbruchteilen auszuwerten. Aus diesen ausgewerteten Daten zieht die TCU die richtigen Schlüsse und setzt diese in Entscheidungen um, die dann an andere mechanische Bauteile, wie beispielsweise die beiden Kupplungen, weitergegeben werden. Die Ansteuerung der Kupplungen erfolgt durch Aktuatoren, jenen besonderen elektronischen Bauteilen der TCU, die sowohl die Schaltsoleonide der Kupplungen als auch die der Zahnradpaare öffnen und schließen. Das Zusammenwirken der elektronischen Bauteile der TCU und der anderen mechanischen Teile des Direktschaltgetriebes stellt ein charakteristisches Musterbeispiel dar für einen Vorgang, der sich unter dem Sammelbegriff Mechatronik in der Technik etabliert hat.
Die ECU (Electronic Control Unit) als wichtiger Impulsgeber für die TCU
Dieses elektronische Steuergerät ECU liefert Daten über die momentane Motordrehzahl, Stellung von Gas- und Bremspedal an die TCU. Diese wichtigen Daten sind notwendig, um die einzelnen Schaltimpulse für die Kupplungen und die Mechanik so zu steuern, dass die Beschleunigungsvorgänge immer im günstigen Drehzahlbereich des Motors erfolgen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei Bedarf auch das maximale Drehmoment des Motors zur Verfügung steht und zum Getriebeausgang durchgeschaltet wird. Die Arbeitsweise des ECU-Steuergrätes beruht auf dem EVA-Prinzip, Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe. Die Daten für die Eingabe liefern Sensoren, welche physikalische Größen, wie z. B. Motordrehzahl, Druck oder Temperatur erfassen und weitergeben.
Ansteuerung der Zahnradpaare für die einzelnen Gänge
Auch die einzelnen Zahnradpaare, die sich ständig miteinander im Eingriff befinden und jeweils eine bestimmte Gangübersetzung bewirken, werden bei Bedarf durch Solenoide angesteuert. Es darf immer nur ein Zahnradpaar von seiner jeweiligen elektromagnetischen Spule auf Drehmomentdurchleitung geschaltet sein. Alle anderen Zahnradpaare laufen dann leer mit. Bereits im Stillstand des Fahrzeugs leitet die Mechatronik des DSG-Getriebes durch gewisse vorbereitende Maßnahmen das Anfahren ein. Das Zahnradpaar für den 1. Gang wird schon durch seine Magnetspule auf Drehmomentübertragung geschaltet, während die beiden Kupplungen durch ihre Soleonide noch in einer Neutralstellung verharren. Erst die Betätigung des Gaspedals leitet die Drehmomentübertragung von Motor durch Kupplungselement 1, welches mit der Zentralwelle verbunden ist, über das Zahnradpaar für den 1. Gang zum Getriebeausgang.
Zusammenwirken der Kupplungen 1 und 2 und der Mechatronik
Damit das Fahren auch bei den Schaltvorgängen möglichst ruckfrei erfolgt, ist eine genaue Abstimmung sowohl der Impulse auf die beiden Kupplungen als auch mit der gesamten Mechatronik erforderlich. Von den beiden Kupplungen ist immer eine auf Drehmomentdurchgang geschaltet, während die andere ausgekuppelt ist. Bei einem anstehenden Schaltvorgang wird zunächst ein Zahnradpaar auf der gerade ausgekuppelten Welle für den nächsten Gang vorgewählt und auf Drehmomentdurchleitung geschaltet Der eigentliche Schaltvorgang für den nächsten Gang erfolgt durch einen Schaltwechsel der beiden Kupplungen, wobei die eine ausgekuppelt und nur Sekundenbruchteile später die andere eingekuppelt wird. Erst jetzt erfolgt die Drehmomentübertragung über das vorher vorgewählte Zahnradpaar. Die Schaltimpulse von der TCU müssen immer genau zum richtigen Zeitpunkt kommen, um eine optimale Abstimmung von momentaner Motordrehzahl zum richtigen Schaltzeitpunkt für die einzelnen Gänge zu gewährleisten.
Wirkungsweise Multiplexer, Demultiplexer
Das erfolgreiche Zusammenarbeiten von Elektronik und Mechanik zur optimalen Getriebeschaltung erfordert oft eine Selektierung von einzelnen Signalen aus einer Vielzahl von eingehenden Impulsen. Ein Bauteil, das derartige Anforderungen umsetzen kann, ist der Muliplexer. Umgekehrt kann es ebenso notwendig werden, ein bereits selektiertes Signal wieder aufzusplitten und an mehrere Ausgänge weiterzuleiten. Für solche Aufgaben ist der Demultiplexer geeignet. Multiplexer sind elektronische Bauteile, die Selektionsschaltungen beinhalten. Multiplexer können aus einer Vielzahl von Eingangssignalen gezielt ein ganz bestimmtes auswählen und dieses selektiv weiterleiten. Man kann Multiplexer mit Drehschaltern vergleichen, mit dem Unterschied, dass die Verstellung nicht von Hand, sondern durch elektronische Signale erfolgt. Multiplexer können außerdem parallele Datenströme in serielle umwandeln, was insbesondere bei zyklischen Durchläufen wichtig und notwendig ist. Es gibt außerdem die Möglichkeit analoge Multiplexer zu verwenden, welche eine bidirektionale Arbeitsweise ermöglichen. Diese besondere Eigenschaft befähigt diese Bauteile zum Einsatz sowohl als Multiplexer als auch als Demultiplexer. Sowohl Multiplexer als auch Demultiplexer oder auch analoge Multiplexer als Kombination von beiden erfüllen eine Schlüsselfunktion in der Verarbeitung und Weiterleitung der verschiedensten Signale. Die selektierenden und verteilenden Eigenschaften dieser elektronischen Bauteile tragen damit maßgeblich zum reibungslosen und störungsfreien Arbeiten des Direktschaltgetriebes bei.
Herausforderung Zusammenwirkung des Gesamtsystems Fehler- und Störungsanalyse
Wenn die empfindlichen Elektronikbauteile nicht mehr richtig und zuverlässig funktionieren, ist eine genaue Fehleranalyse, am besten nach einem Online-Reparaturformular, erforderlich. Defekte Elektronikbauteile werden komplett ausgetauscht. Dabei ist eine transportsichere Verpackung der defekten Teile besonders wichtig. Reparaturangebote, welche die Autoelektronik betreffen, werden mit Gewährleistung angeboten. Durch eine wirklichkeitsgetreue Testanordnung in einer Werkstatt kann die volle Funktionsfähigkeit eines Direktschaltgetriebes wiederhergestellt werden.
Fazit
Jeder Verbrennungsmotor braucht ein Getriebe. Dies ergibt sich durch den verhältnismäßig kleinen Drehzahlbereich, in welchem der Motor sein maximales Drehmoment abgeben kann. Dieser Drehzahlbereich bewegt sich bei mittleren Drehzahlen des Motors von etwa 3000 bis 4000 min.-1. Für eine zügige Beschleunigung braucht es aber ein hohes Drehmoment. Daher ist die Entwicklung des DSG-Getriebes eine gute Lösung, die einerseits bei Bedarf eine gute und zügige Beschleunigung ermöglicht, andererseits durch wirtschaftliche Fahrweise einen günstigen Energieverbrauch gewährleistet. Alleine der Wegfall der Schaltspannen ist für das Direktschaltgetriebe ein großer Pluspunkt gegenüber jedem Handschaltgetriebe. Bei objektiver Betrachtungsweise des Direkschaltgetriebes mit all seinen elektronischen Bauteilen, Sensoren und Schaltelementen, wird jedem Außenstehenden schnell klar, dass zur Beherrschung dieser sorgfältig ausgeklügelten Technik ein großes Know-how und viel Einfühlvermögen notwendig ist. Wir haben uns durch unsere langjährige Erfahrung auf diesem speziellen Gebiet und durch viele Versuchsreihen dieses umfangreiche Wissen erworben und können daher jeden autretenden Defekt gezielt lokalisieren und durch eine Reparatur auch beheben. Wir haben eine komplette Überholungslösung für die TCU entwickelt, mit deren Hilfe wir die TCU wieder soweit instandsetzen können, dass sie qualitätsmäßig dem Originalteil in nichts nachsteht. Zögern Sie daher nicht, unsere Dienste in Anspruch zu nehmen. Je besser und detaillierter Sie unser Online-Fehleranalyse-Protokoll ausfüllen, umso eher und schneller sind wir in der Lage, die Reparatur erfolgreich einzuleiten und den Defekt zu beheben.
