Technik erklärt: 9-Gang-Automatik ZF 9HP

Als in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts die ersten automatischen Getriebe auf den Markt kamen, war das Fehlen des Kupplungspedals eine Sensation, denn das geräuschlose Bedienen eines Handschaltgetriebes erforderte viel Übung und Feingefühl. Pionier GM bot für das Modelljahr 1940 die sogenannte Hydra-Matic als Optionsausstattung für einige Oldsmobile- und Cadillac-Modelle an. Der Vierstufenautomat fand, trotz seiner teilweise etwas ruppigen Schaltvorgänge, schnell viele Fans.

Die vier Stufen und die ruppigen Schaltvorgänge gehören nun schon seit Längerem der Vergangenheit an. Fans des fehlenden Kupplungspedals gibt es weiterhin viele und auch in Europa werden es immer mehr. Das ist nicht nur dem Komfort eines Automaten geschuldet, sondern zu großen Teilen auch der mittlerweile hohen Effizienz. Ein Musterbeispiel eines Wandlerautomaten für den Einbau in Fahrzeuge mit Front-Quer-Anordnung und Front- oder Allradantrieb hat die ZF Friedrichshafen AG, der Getriebeprofi vom Bodensee präsentiert.

Jeep und Land Rover fahren mit dem ZF 9HP

Zu haben ist das Getriebe unter anderem im neuen Jeep Renegade, dem Cherokee oder auch im Range Rover Evoque. Das 9HP-Getriebe besitzt neun Vorwärtsgänge und bietet eine Spreizung von 9,81. Zur Veranschaulichung: Bei 1000/min "kriecht" das Fahrzeug mit etwa 7 km/h im ersten Gang oder aber es rollt bei 120 km/h mit lässigen 2000 Touren im neunten Gang über die Autobahn.

Nun kann man die Frage stellen: Wozu das Ganze? Aber auf diese Frage lässt sich eine ebenso einfache wie logische Antwort finden. Das Getriebe muss den Antrieb des Fahrzeugs über einen weiten Geschwindigkeitsbereich – vom Start bis zur Höchstgeschwindigkeit – gewährleisten, bekommt vom Motor allerdings nur ein begrenztes Drehzahlband (1000/min bis maximal 7000/min) zur Verfügung gestellt. Da der Verbrennungsmotor, gleich ob Otto- oder Dieselmotor, seinen höchsten Wirkungsgrad – wie ein Blick ins Muscheldiagramm zeigt – nur in einem kleinen Teil dieses Drehzahlbandes zur Verfügung stellen kann, ist man bestrebt, das Fahrzeug in diesem Bereich möglichst oft zu betreiben. Denn je öfter ein Motor in diesem Bereich fährt, desto sparsamer und schadstoffärmer ist das Fahrzeug, heutzutage eines der wichtigsten Merkmale.

Sparpotenzial und kräftige Beschleunigung

Allerdings bietet das Getriebe neben seinem Potenzial zum Sparen auch für die Freunde der kräftigen Beschleunigung Vorteile. Durch die engere Abstufung der einzelnen Gänge wird zum Beispiel bei Volllast öfters der Bereich der maximalen Leistung des Motors angefahren, wodurch sich die Beschleunigung verbessert. Der Vergleich im folgenden Bild zeigt deutlich die Drehzahlsenkung bei der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit im Vergleich zum "alten" Sechsgangautomaten.

Neun Gänge und wenig Platz

Eine große Herausforderung für die Entwickler war der begrenzte Raum. Denn in der Front-Quer-Anordnung muss das Getriebe ja bekanntlich neben dem Motor seinen Platz finden. Wer sich einmal genauer ein Fahrzeug mit dieser Anordnung und der bisweilen viel verbauten Sechsgangautomatik angesehen hat, fragt sich, wo der Platz für drei weitere Gänge stecken soll. Diese Frage forderte sicher auch von den ZF-Ingenieuren viel Hirnschmalz. Um die neun Gänge zu realisieren, sind vier klassische Planetenradsätze erforderlich. Da mit drei Radsätzen allerdings schon der zur Verfügung stehende Bauraum ausgenutzt ist, fiel die Lösung auf ein übereinandergeschachteltes Radsatzpaar. Dieses ist im Durchmesser zwar größer, dafür aber längenneutral. Durch diesen Clou ist es möglich, den Neungangautomaten mit sehr geringen Abmessungen herzustellen und somit auch für Fahrzeuge der Klein- und Kompaktklasse anzubieten.

Harmonische Abstufung

Neben der großen Spreizung ist für guten Komfort sowie niedrigen Verbrauch eine "harmonische" Abstufung der Gänge notwendig, was eine möglichst kleine Abstufung mit geringen Drehzahlunterschieden bedeutet. In der letzten Spalte der folgenden Tabelle fällt auf, dass die Gangsprünge in den oberen Gängen geringer ausfallen und damit den Weg für einen guten Schaltkomfort ebnen.

Der größere Sprung zwischen dem ersten und dem zweiten Gang erklärt sich aus der zusätzlichen Momentverstärkung des Wandlers während der Anfahrphase. Um die Abstufung der Gänge des geschachtelten Radsatzes zu realisieren, ist es notwendig, das Hohlrad des inneren Planetensatzes mit dem Sonnenrad des äußeren zu verbinden.

Revolution der Schaltelemente

Um die neun Gänge aus den vier Radsätzen schalten zu können, werden sechs Schaltelemente benötigt. Von diesen Schaltelementen sind jeweils zwei als klassische Lamellenkupplung beziehungsweise Lamellenbremse ausgeführt, die anderen beiden als Klauenkupplung, eine im modernen Getriebebau exklusive Konstruktion.

Der Vorteil von Klauenkupplungen besteht in ihrem geringen Platzbedarf. Und da sie hydraulisch betätigt werden, haben sie nahezu keinen Einfluss auf die Getriebelänge und im Gegensatz zu Lamellenschaltelementen verursachen sie keine Schleppverluste – gerade im geöffneten Zustand. Dies steigert den Wirkungsgrad des Getriebes, was gerade bei einer hohen Zahl von Gängen wichtig ist. Denn was nützt die Einsparung durch viele Gänge und eine große Spreizung, wenn diese Einsparung durch hohen mechanischen Aufwand wieder zunichtegemacht wird. Allerdings: Wo es Licht gibt, ist auch Schatten. Die Klauenkupplung bietet keine einfache Möglichkeit zur Synchronisation. Daher haben sich die ZF-Entwickler entschlossen, die Klauenkupplungen zum (Hoch-) Schaltzeitpunkt zu öffnen und dadurch die Gänge zu schalten. Die Lamellenkupplungen leiten klassisch das Antriebsmoment in das Planetengetriebe ein. Die Lamellenbremsen stützen das Drehmoment gegen das Getriebegehäuse ab.

Schaltschema

Betrachten wir nun das Schaltschema im Bild "Schaltschema und symbolische Darstellung des Getriebeaufbaus im 9HP" einmal genauer. Der erste Gang ist durch das Schließen der Bremse D eingelegt, die Klauen F und A sind vorerst geschlossen. Geht die Fahrt weiter, folgt der zweite Gang durch Öffnen der Bremse D und Schließen der Bremse C. Der dritte Gang wird durch Öffnen der Bremse C und Schließen der Kupplung B geschaltet. Für Gang vier öffnet Kupplung B, E schließt, für Gang fünf wird jetzt die Klaue F geöffnet, während Kupplung E geschlossen bleibt und B zusätzlich geschlossen wird. Gang sechs lässt sich durch Öffnen von Kupplung B und Schließen von Bremse C schalten, während Klaue F offen und Kupplung E geschlossen bleiben. Der siebte Gang wird durch das Öffnen von Bremse C und Schließen von Bremse D geschaltet, die Kupplung E bleibt geschlossen. Gang Nummer acht wird nun durch Öffnen von Klaue A und Schließen von Bremse C geschaltet, während Bremse D und Kupplung E geschlossen bleiben. Der letzte Gang schließlich, die Nummer neun, wird durch Öffnen der Bremse C und Schließen von Kupplung B aktiviert. Durch das Schaltschema lässt sich erkennen, dass Schalten des nächst- oder übernächsthöheren oder -tieferen Gangs durch Betätigen von maximal zwei Schaltelementen möglich ist. Dies sorgt für flinke Schaltvorgänge innerhalb von 450 Millisekunden unterhalb der Wahrnehmungsschwelle und damit für mehr Komfort.

Ohne Saft keine Kraft

Der Saft des Wandlergetriebes ist bekanntermaßen das ATF (Automatic Transmission Fluid), welches von der Ölpumpe durch das Getriebe gelangt.

Die als Doppelflügelzellen-Pumpe ausgeführte Ölpumpe liefert das benötigte Druck- und Schmieröl (5,5 bis 17,5 bar) für das Automatikgetriebe – mit den üblichen Aufgaben: Schmierung, Steuerung der Schaltelemente, Drehmomentübertragung im Anfahrmoment und Kühlung. Der Antrieb erfolgt über eine Rollenzahnkette via Wandlerhals und somit vom Motor. Durch die Kennfeldregelung der Ölpumpe über ein Magnetventil kann der Öldruck in jedem Betriebspunkt situationsgerecht eingestellt werden und somit einen Teil zur Gesamteffizienz beitragen. Die entstehende Wärme kann je nach Wunsch des OEM durch einen am Getriebegehäuse angebrachten Kühler oder durch Rohrleitungen zum Fahrzeug abgeführt werden.

Der Drehmomentwandler

Warum sind Getriebe mit Wandler überhaupt noch gefragt, da es doch hervorragende Doppelkupplungsgetriebe gibt? Drehmomentwandler haben einen großen Vorteil: Sie arbeiten verschleiß- und vor allem ruckfrei, also komfortabel. Gerade in Märkten wie Asien oder den USA, in denen der Fokus durch häufigen Stop-and-go-Betrieb auf dem Anfahrkomfort liegt, sind Wandlergetriebe gefragt. Der Drehmomentwandler übernimmt die Aufgabe des Kuppelns.

Weil hierbei die Kraft vom Motor zum Getriebe via Flüssigkeit (ATF) übertragen wird, kann der Wandler ausschließlich als Anfahrkupplung genutzt werden, nicht jedoch als Schaltkupplung. Diese Aufgabe übernehmen Planetenradsätze, die sich ohne Kraftflussunterbrechung schalten lassen. Die Flügel des fest mit dem Gehäuse und dem Motor verbundenen Pumpenrades schleudern über die Fliehkraft das Öl nach außen (siehe Bild "Drehmomentwandler...", oben).

Der Ölstrom trifft auf das Turbinenrad und wird dort in Strömungsrichtung umgelenkt. Das Leitrad lenkt die Ölströmung erneut so um, dass sie in Drehrichtung zurück ins Pumpenrad gelangt (ohne Leitrad würde sie im falschen Anströmwinkel gegen das Pumpenrad laufen!). Diese Umkehr erhöht das Drehmoment des Turbinenrades. Beim Anfahren dreht sich das vom Motor angetriebene Pumpenrad schneller als das Turbinenrad. Dieser Drehzahlunterschied wird "Schlupf" genannt. Das bedeutet, dass eine Übersetzung ins Langsame stattfindet. Eine Übersetzung ins Langsame bewirkt gleichzeitig eine Erhöhung des Drehmoments. So lässt sich der Wandler als hydraulisches Getriebe mit variabler Übersetzung betrachten. Je größer der Drehzahlunterschied ist, desto größer ist die Drehmomenterhöhung. Das ist beim Anfahren sehr vorteilhaft, weil Verbrennungsmotoren bei Anfahrdrehzahl noch nicht ihr maximales Drehmoment bereitstellen. Mit zunehmender Drehzahl schwindet die Momenterhöhung. Im Kupplungspunkt, hier erreicht die Turbinenraddrehzahl etwa 85 Prozent der Pumpendrehzahl, entspricht das Turbinenmoment etwa dem Pumpenmoment (ohne den Schlupf würde die Ölströmung zum Erliegen kommen). Das Leitrad, das sich bis dahin am Freilauf abstützte, läuft jetzt frei mit.

Gegen den Schlupf: Wandlerüberbrückung

Ärgerlich ist der Schlupf im Kupplungsmoment dennoch. Bewirkt er doch bei höherer Fahrgeschwindigkeit unerwünschten Mehrverbrauch. Dieses Problem wird mithilfe der Wandlerüberbrückungskupplung gelöst. Sie verhindert Schlupf. Hierzu wird das mit dem Wandlergehäuse starr verbundene Pumpenrad (PR) fest mit dem Turbinenrad (TR) auf der Getriebeantriebswelle gekoppelt.

Schwingung dämpfen – je nach Kundenwunsch

Es handelt sich hier um einen weiterentwickelten Dreileitungswandler, bei dem die Überbrückungskupplung über eine eigene Ölleitung versorgt wird. So kann die geschlossene Wandlerkupplung besser durchströmt und gekühlt werden. Zudem ist eine bessere Ansteuerung in allen Betriebsphasen möglich. Eine Leitung dient dem Ölzulauf, die andere dem Rücklauf und die dritte der Druckölversorgung der Wandlerkupplung. Die Entkoppelung von Drehschwingungen geschieht über den Drehschwingungsdämpfer. Dieser lässt sich je nach Motor, also nach Wunsch des OEM, als konventioneller Torsionsdämpfer, Turbinen-Torsionsdämpfer oder Zweidämpfersystem (ZDW) auslegen. Beim klassischen Torsionsdämpfer lässt sich die Primärseite (Motorseite) via Kupplung mit dem Turbinenrad des Wandlers verbinden. Die erhöhte Schwungmasse verbessert gleichzeitig die Dämpfung. Bei geöffneter Kupplung (Wandlerbetrieb) geht der Kraftfluss nicht wie üblich direkt vom Turbinenrad auf die Getriebeantriebswelle. Das Turbinenrad überträgt die Kraft zunächst auf die Primärseite des Torsionsdämpfers. Die Sekundärseite des Turbinen-Torsionsdämpfers ist mit der Getriebeantriebswelle verbunden. Da im Wandlerbetrieb keine Schwingungen übertragen werden, muss der Dämpfer in dieser Phase keine Arbeit leisten. Bei geschlossener Wandlerkupplung gelangt die Kraft auch auf die Primärseite des Drehschwingungsdämpfers (DS). Aufgrund der nun starren Verbindung erhöht sich die Schwungmasse auf der Primärseite, die Kraft wird über den Dämpfer auf die Getriebeantriebswelle geleitet. Die Drehschwingungen werden so ausgefiltert und die Kupplung kann hierdurch früher ohne Komfortminderung schließen. Erfolgte bisher das Öffnen und das Schließen der Wandlerüberbrückungskupplung durch Strömungsrichtungsänderung des ATF im Wandler, so ist nun eine unabhängige Ansteuerung (via Dreileitungssystem) möglich – und damit kraftstoffsparend erweiterte (Schließ-)Betriebsbereiche. Zudem kann die Wandlerdurchströmung gezielter (z. B. durch Kühlung)den Betriebsphasenangepasst werden. Im geöffneten Zustand ist die Kupplung nahezu drucklos.

Geteiltes Hirn

Die Steuerungseinheit des 9HP ist zweigeteilt. Sie besteht aus der elektronischen Steuereinheit (TCU) und der hydraulischen Steuerung. Diese sind aus Platz- und Kostengründen nicht zu einer Mechatronik zusammengefasst, sondern separat an das Getriebegehäuse montiert.

Ein weiterer Vorteil in der Praxis ist die einfache und "günstigere" Reparatur, falls eines der Bauteile einen Defekt erleidet. Die Steuerung kann je nach OEM-Wunsch sowohl für eine reine Shift-by-Wire-Betätigung (E-Schaltung) als auch für eine Shift-by-Wire/Park-by-Cable-Betätigung (E/M-Schaltung) ausgelegt werden. Die Schaltstrategie des Getriebes mit den eingangs erwähnten Mehrfachschaltungen lässt sich je nach Maßgabe des OEM von "komfortabel" bis "sehr sportlich" steuern. Auch hat der Fahrer die Möglichkeit, zwischen verschiedenen vorgegebenen Modi (z. B. Eco, Comfort und Sport) zu wechseln. Das 9HP-Getriebe bietet die Möglichkeit einer Start-Stopp-Funktion. Da zum Wiederstart nur ein Reibschaltelement geschlossen werden muss, ist diese Funktion ohne einen hydraulischen Impulsspeicher (HIS) wie zum Beispiel im ZF-8HP-Getriebe möglich. Das senkt die Kosten und den Platzbedarf.

Minimale hydraulische Verluste

Die hydraulische Steuerung des 9HP-Automatgetriebes besteht aus zwei Aluminium-Druckgussgehäusen, die die entsprechenden Schieberventile zur Ansteuerung der Schaltelemente und zur Kühlung bzw. Schmierung des Radsatzsystems enthalten. Das sogenannte Ventilgehäuse beinhaltet inklusive der Parksperrenbetätigung neun Ventilschieber, sechs Druckregler (elektronische Drucksteller, EDS), drei On/Off-Magnetventile und einen Verriegelungsmagneten für die Parksperrenbetätigung. Um den gestiegenen Anforderungen an die Effizienz des Antriebsstranges gerecht zu werden, haben die Ingenieure auch die hydraulische Steuereinheit auf minimale hydraulische Verluste konzipiert und konstruiert. Die Leckageverluste in der Steuerung konnten durch spaltoptimierte Ventilkonstruktionen auf ein Minimum reduziert werden. Wie bereits beschrieben, kommen in einem Automatgetriebe für Pkws erstmalig Klauenschaltungen zur Anwendung. Die Ansteuerung dieser Schaltelemente erfolgt in der 9HP-Steuerung durch sogenannte On/Off-Magnetschalter, sodass hier auf teurere elektronische Drucksteller verzichtet werden konnte. Der Schaltungszustand des Schaltelements kann auch ohne Druckversorgung beibehalten werden. Dies ist notwendig, um die Anforderungen an die Start-Stopp-Funktion hinsichtlich der Kraftschlussaufbauzeit auch ohne Verwendung eines HIS erfüllen zu können. Das 9HP-Automatgetriebe verfügt über keinen direkten Notlauf. Beim geschalteten Notlauf wird der Kraftschluss unterbrochen. Somit ist vorerst keine Weiterfahrt möglich.

Je nach ausgewähltem Bedienkonzept ist es möglich, nach einem erneuten Motorstart einen Notgang und den Rückwärtsgang anzusteuern, sodass eine Weiterfahrt auch im sogenannten hydraulischen Notlauf möglich ist. Die elektronische Steuereinheit erhält die benötigten Informationen von einer im Getriebe integrierten Sensoreinheit.

Möglichkeit eines Hybrids

Die folgenden Sensoren werden dabei verwendet: zwei Drehzahlsensoren für die Erfassung der Ein- und der Ausgangsdrehzahl des Getriebes, ein Sensor für die Erfassung des Fahrerwunsches (mechanische Wählhebelanbindung über Bowdenzug), ein Öltemperatur- sowie ein Drucksensor. Die einzelnen Komponenten und die Aktoren werden über einen Kabelbaum miteinander verbunden. Die elektrische Steuerung (TCU), im Übrigen erstmals von ZF selbst gefertigt, befindet sich in einem Aluminiumgehäuse mit Kunststoffdeckel. Die TCU ist für einen Temperaturbereich von bis zu 130° C ausgelegt und wird über das Getriebegehäuse gekühlt. Optional ist die Integration eines Elektromotors anstatt des Drehmomentwandlers möglich, wodurch aus dem Automatikgetriebe ein Hybrid wird.