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Das stufenlose Automatikgetriebe konnte sich in Europa nie wirklich durchsetzen. Aller Verbesserungen zum Trotz, die die Hersteller in den vergangenen Jahrzehnten vornahmen, konnte das CVT (Continuously Variable Transmission) nie seinen schlechten Ruf vom Gummibandeffekt ablegen, sodass es bei den Herstellern immer ein Schattendasein fristete. Nicht so aber in den USA und vor allem in Japan, wo es bei Unternehmen wie Ford, Toyota, Honda oder Nissan weitverbreitet ist.
Dieser Erfolg erklärt sich durch die drei wichtigsten Eigenschaften dieses Getriebetyps: Es verursacht keine ruckartigen Schaltvorgänge wie herkömmliche Automatikgetriebe und bietet aufgrund seiner Bauart einen ausgezeichneten Bedienkomfort (s. Box). Ausserdem ermöglicht es, den Motor mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben, was – theoretisch – zu einem geringeren Treibstoffverbrauch führt. Ausserdem sind die Produktions- und Wartungskosten niedrig, was ein bedeutender Vorteil bei Kleinwagen ist, bei denen der finanzielle Aspekt eine grosse Rolle spielt.
Ausgerechnet mit dem prognostizierten Ende des Verbrennungsmotors in Europa könnte jetzt das CVT eine Renaissance erleben. Geht es nach dem deutschen Zulieferer Bosch, sollen nämlich in Zukunft stufenlose Getriebe bei Elektroautos Anwendung finden. An einem solchen Konzept arbeitet zurzeit Bosch Transmission Technology, eine niederländische Tochtergesellschaft von Bosch. Das Unternehmen mit Sitz in Tilburg hat sich auf die Entwicklung und Serienproduktion von Riemen und Ketten spezialisiert, die in CVT-Getrieben verwendet werden.
Die Funktionsweise des CVT
Ein stufenloses Automatikgetriebe (kurz CVT, für Continuously Variable Transmission) besteht aus drei mechanischen Hauptkomponenten: zwei variablen Kegelrädern und einem Keilriemen aus Gummi (bei Traktoren oder Zweirädern) beziehungsweise aus Metall (bei Autos und Nutzfahrzeugen). Beide Kegelräder besitzen eine kegelförmige bewegliche Seite. Je nach gewünschter Übersetzung kann dieser Kegel auf die Gegenseite zu- oder von ihr wegbewegt werden, um die Lage des Riemens zu verändern. Je nach Abstand der Kegelradwände bewegt sich der Riemen auf die Mittelachse zu oder von ihr weg und verändert so das Übersetzungsverhältnis des Getriebes. Der Keilriemen besitzt einen V-förmigen Querschnitt, damit er sich der Form der Kegelräder anpasst und so eine maximale Haftung ermöglicht. Die sogenannte Antriebsscheibe ist am Motor befestigt. Das Gegenstück auf der Abtriebsseite geht auf die Räder.
Wird eine grosse Untersetzung gewünscht, beispielsweise beim Anfahren aus dem Stand oder wenn man mit geringer Geschwindigkeit bergauf fährt, so wird antriebsseitig der kleinste Durchmesser gewählt, während abtriebsseitig ein grosser Durchmesser verwendet wird. Dies ist vergleichbar mit der Zahnradpaarung in einem Schaltgetriebe, wo ein kleines Zahnrad auf ein grosses wirkt. Umgekehrt geht es, wenn eine Übersetzung ins Schnelle gewünscht ist, beispielsweise bei hoher Geschwindigkeit auf der Autobahn ohne grosse Last. Dann wird antriebsseitig ein grosser Durchmesser gewählt, abtriebsseitig ein kleiner. Alle Übersetzungen dazwischen sind stufenlos variierbar. Das erklärt, warum man von einem stufenlosen Getriebe beziehungsweise von einer unendlichen Anzahl von Gängen spricht.
Wozu ein CVT?
Der Grund dafür, in Elektroautos auf ein CVT zurückzugreifen, mag nicht auf den ersten Blick ersichtlich sein, schliesslich hat der Elektromotor bereits das ideale Kennfeld aus maximalem Drehmoment und Höchstleistung. Genau deshalb kommen sie ja auch mit einem festen Übersetzungsverhältnis aus – so die landläufige Meinung. Aber das stimmt eben doch nicht ganz. Es ist zwar richtig, dass elektrische Maschinen über einen sehr grossen Teil ihres Betriebsbereichs ein maximales Drehmoment erzeugen, aber bei hohen Drehzahlen nimmt es letztlich auch ab. Ausserdem steht die volle Leistung einer elektrischen Maschine nicht immer schon in den unteren Drehzahlbereichen zur Verfügung. Der Rotor muss gegebenenfalls erst mit einer bestimmten Geschwindigkeit drehen, um die volle Leistung des Motors nutzen zu können. Was die Effizienz von Elektromotoren betrifft, so ist sie zwar über einen breiten Drehzahlbereich sehr gut, aber eben auch nicht völlig konstant.
Und Effizienz bedeutet letztlich auch: Reichweite. Da genau diese heute einer der wichtigsten Kennwerte bei der Diskussion über E-Autos ist, sind die Hersteller besonders darauf bedacht, die Reichweite so gut wie möglich zu vergrössern, ohne grosse und potenziell umweltbelastende Batterien verbauen zu müssen. Und ohne bei den Fahrleistungen zurückzurudern, was auch erklärt, warum ein Unternehmen wie der Volkswagen-Konzern für seinen Audi E-Tron GT und den Porsche Taycan ein Zweiganggetriebe entwickelt hat. Doch diese Lösung sei nicht optimal, ist Gert-Jan van Spijk, Leiter der CVT-Entwicklung bei Bosch, überzeugt: «Zweiganggetriebe optimieren zwar Drehmoment, Leistung und Motoreffizienz, aber die Zugkraftunterbrechung beim Schaltvorgang führt zu Verlusten bei Drehmoment, Beschleunigung und Komfort», erklärte er gegenüber der Fachzeitschrift «SAE International». Gerade bei Elektroautos sind das äusserst unerwünschte Eigenschaften. Für Gert-Jan van Spijk ist das CVT deshalb eine logische Entwicklung, da es nicht nur den Wirkungsgrad des Elektromotors verbessert, sondern auch die für Elektromaschinen typische flüssige Beschleunigung aufweist. So kann das CVT bei niedrigen Geschwindigkeiten das Drehmoment des Elektromotors verstärken, was in einer ganzen Reihe von Situationen vorteilhaft sein kann. Bei einem Sportwagen wird die Beschleunigung verbessert, bei einem Geländewagen die Steigfähigkeit oder bei einem Zugfahrzeug die mögliche Anhängelast. Gleichzeitig kann bei höheren Geschwindigkeiten die Effizienz gesteigert und ausserdem eine höhere Endgeschwindigkeit ermöglicht werden.
Erhebliche Verbesserungen
Zum Beweis hat Bosch seine CVT-Lösung in einem Volkswagen Golf der siebten Generation mit einer Leistung von 150 kW (201 PS) verbaut. Die ersten Ergebnisse haben offenbar gezeigt, dass sich das CVT verglichen mit einem einstufigen Reduktionsgetriebe nicht negativ auf das Fahrempfinden auswirkt. Da es zu geringeren Drehmoment- und Drehzahlanforderungen für die elektrische Maschine führt, würde der Komfort weiter verbessert, wie die Versuche von Bosch ergaben. Konkret heisst das: Die Beschleunigung von 0 auf 100 km/h konnte um drei Prozent verbessert werden, der Durchzug von 80 auf 120 km/h sogar um 13 Prozent. Gleichzeitig wurde die Höchstgeschwindigkeit um elf Prozent angehoben. Zur Reichweite des modifizierten Golf kann Bosch keine Angaben machen. Bei einem grösseren Fahrzeug im D-Segment soll man aber von einer Verbesserung des Wirkungsgrads um bis zu vier Prozent ausgehen können.
Technisch besteht die Lösung von Bosch aus dem sogenannten CVT4EV-Modul, einem Umrichter, einer E-Maschine und einer Antriebsachse mit fahrzeugspezifischer Übersetzung. Das Konzept eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen von Mittelklassewagen über Sportwagen bis hin zu leichten Nutzfahrzeugen. Das CVT4EV-Modul kann so programmiert werden, dass es in verschiedenen Fahrmodi für unterschiedliche Fahrzeugtypen arbeitet, was es den Herstellern ermöglichen soll, sich durch ein bestimmtes Fahrverhalten von der Konkurrenz abzuheben. Auch in Fahrzeugen mit Allradantrieb soll das CVT4EV zur Anwendung kommen können.
Auf dem Papier hätte das von Bosch entwickelte CVT für Elektroantriebe also alle Voraussetzungen, um für die Hersteller interessant zu sein. In der Praxis ist diese Art von Getriebe jedoch mit einem grossen Problem behaftet, wie Frederic Vizzini, Expert Project Manager bei AW Europe/Aisin, einer auf die Entwicklung von Getrieben spezialisierten Tochtergesellschaft der Toyota-Gruppe, überzeugt ist: «Es stimmt zwar, dass ein CVT dazu führt, dass die elektrische Maschine jederzeit mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet. Aber das CVT als solches vernichtet viel mehr Energie als ein einfaches Einstufengetriebe», erklärt er der AUTOMOBIL REVUE. Der Hauptvorteil des CVT, der verbesserte Wirkungsgrad des Motors, wird also durch den schlechten Wirkungsgrad des Getriebes zunichtegemacht, vor allem durch eine kompliziertere Konstruktion, bei der das Getriebe aus einem Riemen (oder einer Kette), mehreren Aktuatoren und einem Hydrauliksystem besteht.
Die kompliziertere Konstruktion bringt zudem ein anderes grosses Problem des CVT mit sich: hohe Kosten. Der Preis eines CVT ist zwar günstiger als der einer Achtgang-Wandlerautomatik, aber immer noch massiv höher als der eines Einganggetriebes, wie Frederic Vizzini erklärt: «Das widerspricht der Philosophie von Elektroautos. Einer der Hauptvorteile der Elektrifizierung besteht darin, dass sie die Dinge vereinfacht und damit die Produktionskosten senkt. Das ist wichtig, denn bei einem Elektroauto kostet bereits die Batterie viel Geld. Und es ist wichtig, dies durch einen vereinfachten Antriebsstrang auszugleichen. Anders gesagt, der Effizienzgewinn müsste schon beträchtlich sein. Aber ich glaube nicht, dass das bei einem CVT der Fall ist. Stufenlose Getriebe waren in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor sinnvoll, da der maximale Wirkungsgradbereich des Motors sehr klein war. Bei einer elektrischen Maschine, bei der dieser Bereich viel grösser ist, macht das CVT jedoch viel weniger Sinn, da die potenziellen Effizienzgewinne deutlich geringer sind.»
Auch ZF ist skeptisch
Zum gleichen Schluss kam auch der deutsche Automobilzulieferer ZF. «Nach Untersuchungen und Marktrecherchen zur Entwicklung eines CVT-Getriebes für Elektrofahrzeuge sind wir zu dem Schluss gekommen, dass eine solche Lösung nur in wenigen Einzelfällen zum Einsatz kommt und wir deshalb kein solches CVT-Getriebe entwickeln», erklärt Michael Ebenhoch, Senior Vice President Electrified Powertrain Technology und Head of Engineering bei ZF. Die Gründe sind die bereits genannten: ein breiteres Spektrum des maximalen Wirkungsgrades bei elektrischen Maschinen und eine komplexere Konstruktion. Es wurde erwartet, dass die Elektrifizierung zu einer gewissen Vereinheitlichung des Automobilmarktes führen würde. Doch die Meinungsverschiedenheiten zwischen den Branchengrössen, dem deutschen Riesen Bosch auf der einen Seite und renommierten Firmen wie ZF und Aisin auf der anderen Seite, werden letztlich vielleicht doch zu unterschiedlichen Lösungen führen. Solche technischen Alleinstellungsmerkale würden der Branche auch im Elektrozeitalter guttun.