Zeroshift schaltet einen Gang höher... mit Datenerfassung von HBM

Das britische Untenehmen Zeroshift Ltd. hat eine wegweisende neue Getriebetechnologie entwickelt, die einen sofortigen Gangwechsel ohne Unterbrechung der Drehmomentübertragung auf die Antriebsräder ermöglicht. Zeroshift hat das System mit Hilfe des Daten-Loggers des Systems MGCplus von HBM entwickelt, das in den Entwicklungsfahrzeugen mit der Software catman®Easy als Datenanalysetool eingesetzt wurde.

Um das System für sein breites Anwendungsspektrum auszulegen, müssen eine Vielzahl von Kraftübertragungsvariablen während des Gangwechsel genau überwacht werden. Dies sind zum Beispiel die Motordrehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit, Kraftübertragungsdrehmomente, Stellung des Betätigungselements sowie die Stellungen von Kupplungs- und Gaspedal usw.

Daher kommt die Mehrkanalfähigkeit des MGCplus-Systems den Anforderungen von Zeroshift sehr entgegen.  Durch die Zusammenarbeit mit Erstausrüstern und Lieferanten der Ebene 1 hat Zeroshift Zugang zu den CAN- (Controller Area Network) Daten der Fahrzeuge, weswegen die Fähigkeit, die CAN-Kanäle direkt in das Datenerfassungssystem einlesen zu können, einen großen Vorteil darstellt. 

Adam Huckstep, Chefingenieur von Zeroshift, erläutert: „Zeroshift hat, wie der Name nahelegt, die Fähigkeit, den Gang sofort zu wechseln. Deshalb muss unser Daten-Logger in der Lage sein, Daten extrem schnell zu erfassen, damit die Änderung von Motor- und Getriebedrehzahl und das Drehmoment während eines Gangwechsels aufgenommen und die Stellung des Betätigungssystems verfolgt werden können. Bei einem Gangwechsel, der in wenigen Millisekunden vorbei ist, brauchen wir für alle unsere erfassten Kanäle Protokollierungsgeschwindigkeiten im Kilohertzbereich, um wirklich zu sehen, was vorgeht.“

Ray Heath, Business Development Manager, erklärt, dass auch die Datenprotokollierungsfunktion der PC-Card intensiv genutzt wird.
„Unsere Testfahrzeuge werden regelmäßig von Kunden und Interessenten gefahren, die bei ihrer Testfahrt keine Datenerfassungsgeräte ein- und ausschalten wollen. Allerdings sind die Daten von unterschiedlichen Fahrern und Fahrstilen für unsere Ingenieure sehr nützlich, und deshalb ermöglicht uns die Datenspeicherungsfunktion der PC-Card, die Datenprotokollierung zum Beispiel beim Drehen des Zündschlüssels oder beim Überschreiten einer Motordrehzahlschwelle auszulösen und alle Daten der Fahrt zu erfassen."

Die Zukunft der Getriebetechnologie

Das Zeroshift-Prinzip beruht auf einem relativ einfachen Konzept: Der neue Gang wird eingelegt, während der vorherige noch den Antrieb fortsetzt. Dadurch wird die Drehmomentunterbrechung (das „Nicken“) bei herkömmlichen Schalt- und automatisierten Schaltgetrieben bei einem Gangwechsel vermieden. Wenn der neue Gang den Antrieb übernimmt, wird der vorhergehende Gang automatisch herausgenommen, und das Fahrzeug fährt mit dem neuen Gang weiter.

 
Abbildung 1 veranschaulicht die Anordnung von Schaltkeilen, Mitnehmern und Zahnrädern. Die blauen und roten Schaltkeile sehen auf den ersten Blick gleich aus, ihre Schrägen und Eingriffsflächen zeigen jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Sie bieten dadurch eine Keilfläche auf jeder Seite des Mitnehmerzahns und übertragen so das Drehmoment vom Zahnradeingriff auf die Nabe entweder jeweils über die angetriebenen oder die frei laufenden Schaltkeile.

Abfolge des Schaltvorgangs

Abbildung 2 zeigt, wie ein „Zeroshift“ (d.h. ein Gangwechsel ohne Verzögerung des auf die angetriebenen Räder übertragenen Drehmoments) ausgeführt wird. Ein Heraufschalten vom ersten auf das zweite Zahnrad wird unten ausführlich beschrieben und macht deutlich, wie die Geometrie jedes Schaltkeilsatzes einen nahtlosen Gangwechsel möglich macht.

 

Vom Leerlauf aus zeigt Abbildung 2(a) beide Schaltkeilsätze (blau und rot), die in der Mittelstellung zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad stehen. Das vom Motor erzeugte Drehmoment wird über den Mitnehmerzahn auf die Abtriebswelle des Getriebes übertragen. Da keiner der Schaltkeilsätze mit einem Zahnrad verriegelt ist, befindet sich das Fahrzeug im Leerlauf.

Um den ersten Gang einzulegen, werden beide Schaltkeilsätze über ein Betätigungselement auf die Mitnehmerzähne des ersten Zahnrads geschoben. Abbildung 2(b) zeigt, wie die blauen Schaltkeile in das erste Zahnrad eingreifen, dessen Antrieb im Uhrzeigersinn erfolgt.

Die roten Schaltkeile verriegeln mit dem Mitnehmerzahn auf der Freilaufseite des ersten Zahnrads (Abbildung 2c). Falls der Fahrer bremst, wird die Richtung des Drehmoments umgekehrt und ist stattdessen in den Gegenuhrzeigersinn gerichtet. In diesem Fall übernehmen die roten Schaltkeile den Antrieb und verlangsamen das Fahrzeug.

Unter der Annahme, dass der Fahrer beschleunigt und vom 1. Gang in den 2. Gang wechseln möchte, können sich die unbelasteten (in diesem Fall die roten Schaltkeile) frei bewegen. Die belasteten Schaltkeile (blau) sind mit dem ersten Zahnrad verriegelt, da die Haltekraft (aufgrund des auf den Haltewinkel wirkenden Drehmoments) zwischen der Schaltkeilfläche und dem Mitnehmerzahn größer ist als die vom Betätigungselement erzeugte Kraft, wie in Abbildung 2(d) dargestellt.

Zahnrad 2 dreht sich mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit als Zahnrad 1 (beide im Uhrzeigersinn). Wenn die roten Schaltkeile in die Mitnehmerzähne eingreifen, schiebt der an ihrer Schaltkeilfläche übernommene Antrieb die Nabe (Abbildung 1) mit der neuen Geschwindigkeit.  Es ist zu beachten, dass sich in Abbildung 2(e) sowohl der rote als auch der blaue Schaltkeil gleichzeitig im Eingriff befinden. Dies wird als Zeroshift-Punkt bezeichnet.

Nun bewegt sich die Nabe mit einer durch Zahnrad 2 vorgegebenen Geschwindigkeit. Die blauen Schaltkeile werden übergangen und lösen sich von den Mitnehmerzähnen von Zahnrad 1 (Abbildung 2(f))

Nun können sich die blauen Schaltkeile frei bewegen. Abbildung 2(g) zeigt einen Mitnehmerzahn auf Zahnrad 1, der den Kontakt mit der Schrägfläche der blauen Schaltkeile herstellt und sie so in die gewünschte Position bringt, damit sie als Freilaufvorrichtung auf Zahnrad 2 wirken (Abbildung 2(h)). Obwohl sich Zahnrad 1 und Zahnrad 2 beide im Uhrzeigersinn drehen, läuft Zahnrad 1 bezogen auf einen Punkt auf Zahnrad 2 langsamer.

Es ist zu beachten, dass die roten Schaltkeile nun die angetriebenen Schaltkeile (davor waren sie die Freilaufschaltkeile) und die blauen Schaltkeiledie Freilaufschaltkeile sind (davor die angetriebenen Schaltkeile).

Nahtloser Gangwechsel

Die Abbildungen 3 und 4 sind mit Hilfe der HBM-Datenprotokolliersysteme bzw. durch Simulation ermittelte Kurven. Die mit dem Zeroshift-Getriebe erzielte bruchlose Geschwindigkeitskurve ist offensichtlich. Ein ununterbrochenes Drehmoment auf die angetriebenen Räder ermöglicht eine positive Beschleunigung durch die Gangwechsel. Die Simulationsergebnisse in Abbildung 4 vergleichen die Geschwindigkeitsdaten identischer Fahrzeuge. Das Fahrzeug mit automatisiertem Schaltgetriebe („AMT“) erfordert einen Bruch des auf seine angetriebenen Räder übertragenen Drehmoments und verliert somit positive Beschleunigung während des Gangwechsels.

 

 

Weitere Informationen über Zeroshift: www.zeroshift.com

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