Wie funktioniert ein Schaltgetriebe? Selbst schalten

Was das Modell zeigt

Ein Schaltgetriebe lässt den Fahrer zwischen mehreren Übersetzungen zwischen Motor und Rädern wählen. Wer mit einem Schaltwagen durch die Stadt fährt, wechselt in einer Stunde vielleicht einige hundert Mal den Gang. Der Motor ändert dabei nie seine Meinung darüber, wie schnell er am liebsten dreht, und doch kann das Auto über einen Parkplatz kriechen oder auf der Autobahn dahingleiten. Möglich macht das der Kasten zwischen Kupplung und Kardanwelle, und dieses Exponat schneidet ihn auf.

Das Modell ist ein Fünfganggetriebe für ein Auto mit Frontmotor und Hinterradantrieb. Das Gehäuse ist zur Hälfte aufgeschnitten. Links sitzt die Kupplung, dort, wo der Motor angeflanscht wäre, rechts verlässt die Ausgangswelle das Gehäuse. Gewechselt wird der Gang mit dem Schalthebel in der Ecke der 3D-Ansicht. Der Ablauf wird langsam abgespielt, sodass Sie sehen, wie die Kupplung öffnet, die Muffe gleitet, der Synchronring aus Messing seine Arbeit tut und die Zähne einrasten. Das Feld zeigt die Drehzahl jeder Welle und die dazugehörige Geschwindigkeit. Mit „Ohne Kupplung schalten“ probieren Sie das eine aus, wovor jeder Fahrlehrer warnt.

Warum ein Motor mehr als eine Übersetzung braucht

Ein Benzinmotor liefert nutzbare Leistung in einem Bereich von vielleicht 1500 bis 6000 U/min. Darunter würgt er ab oder quält sich, darüber geht ihm die Luft aus. Ein Auto dagegen muss von Schrittgeschwindigkeit bis weit über 100 km/h kommen. Wäre der Motor über eine einzige feste Übersetzung mit den Rädern verbunden, könnte man eine Übersetzung für zügiges Anfahren wählen oder eine für leises Reisen, aber nicht beides.

Deshalb bietet das Getriebe mehrere Übersetzungen an. Im ersten Gang dreht der Motor für jede Radumdrehung viele Male, das vervielfacht das Drehmoment und lässt das Auto auch am Berg anfahren. Im fünften Gang dreht der Motor weniger oft als die Kardanwelle, und das Auto legt Strecke bei entspannter Drehzahl zurück. Der Fahrer wählt die Übersetzung, bei der der Motor für die jeweilige Geschwindigkeit in seinem angenehmen Bereich bleibt.

Wie die Kraft über drei Wellen läuft

Folgen Sie dem Antrieb vom Motor bis zur Kardanwelle.

1. Kupplung. Das Schwungrad ist an die Kurbelwelle des Motors geschraubt. Die Kupplungsscheibe wird von einer Tellerfeder zwischen Schwungrad und Druckplatte gepresst und ist mit der Eingangswelle über eine Steckverzahnung verbunden.
2. Eingangswelle. Sie trägt ein Zahnrad mit 23 Zähnen, das ständig im Eingriff mit einem Zahnrad mit 33 Zähnen auf der Vorgelegewelle steht.
3. Vorgelegewelle. Eine einzige Stahlwelle mit sechs eingeschnittenen Zahnrädern. Sie dreht gegen die Eingangswelle, mit 23 ÷ 33 von deren Drehzahl.
4. Zahnräder auf der Ausgangswelle. Jedes Zahnrad der Vorgelegewelle steht im Eingriff mit einem Partner auf der Ausgangswelle. Diese Partner sind nicht fest mit der Ausgangswelle verbunden. Sie laufen auf Nadellagern, jedes mit seiner eigenen Drehzahl.
5. Muffen. Drei verschiebbare Muffen sitzen auf Naben, die auf die Ausgangswelle gesteckt sind. Gleitet eine Muffe zur Seite über die Klauen eines Zahnrads, ist dieses Zahnrad mit der Welle verbunden, und der Antrieb läuft durch es hindurch.
6. Ausgangswelle. Sie liegt in einer Linie mit der Eingangswelle und führt den Antrieb zurück zur Kardanwelle und zur Hinterachse.

Der vierte Gang ist ein Sonderfall. Die Muffe des 3. und 4. Gangs kann das Eingangsrad selbst mit der Ausgangswelle verbinden, sodass beide Wellen zusammen drehen und die Vorgelegewelle umgangen wird. Das nennt man direkten Gang, und die Übersetzung ist genau 1.

Übersetzungen und Geschwindigkeit bei 3000 U/min

Die Zahlen im Modell sind Modellwerte, gewählt, damit sie wie ein typisches Fünfganggetriebe aussehen, und nicht von einem bestimmten Auto abgeschrieben. Jedes Vorwärtspaar hat zusammen 56 Zähne, sodass alle auf denselben Achsabstand passen. Die Übersetzung jedes Gangs ist die Übersetzung des Konstantpaares mal der Übersetzung des eigenen Paares:

Übersetzung = (33 ÷ 23) × (Zahnrad der Ausgangswelle ÷ Zahnrad der Vorgelegewelle)

Um aus der Motordrehzahl eine Geschwindigkeit zu machen, braucht man noch zwei Zahlen. Die Achsübersetzung im Hinterachsgetriebe beträgt 43 : 11, also 3,909. Die Reifen sind 205/55 R16, das heißt: eine Felge mit 16 Zoll (406,4 mm) plus zwei Flanken, jede 55 % von 205 mm hoch. Damit ist der Reifen 631,9 mm hoch und hat einen Umfang von 1,985 m. Im dritten Gang rechnet man:

Raddrehzahl = 3000 ÷ (1,435 × 3,909) = 534,9 U/min

Geschwindigkeit = 534,9 × 1,985 m × 60 ÷ 1000 = 63,7 km/h

Die anderen Zeilen folgen denselben Schritten. Von Gang zu Gang sinkt die Übersetzung um den Faktor 1,77, 1,55, 1,44 und 1,26. Die Stufen werden nach oben kleiner, wie üblich: Bei hoher Geschwindigkeit steigt der Luftwiderstand steil, und ein kleiner Abstand zwischen viertem und fünftem Gang hält den Motor beim Hochschalten nahe an seiner besten Drehzahl. Die Spreizung vom ersten zum fünften Gang beträgt 4,92.

Was die Übersetzungen mit Drehmoment und Kraft an den Rädern machen

Das Modell simuliert kein Motordrehmoment, deshalb leiht sich dieses Beispiel eine Zahl. Angenommen, der Motor liefert bei 3000 U/min 150 N·m. Das ist ein angenommener Wert für einen kleinen Benzinmotor, keine Messung. Bei dieser Drehzahl leistet er 150 × 2π × 3000 ÷ 60 = 47,1 kW, und ein Getriebe kann daran nichts hinzufügen. Es tauscht Geschwindigkeit gegen Kraft. Das Raddrehmoment ist das Motordrehmoment mal der Gesamtübersetzung, und der Vortrieb an der Straße ist dieses Drehmoment geteilt durch den Rollradius des Reifens, 0,316 m für den Reifen 205/55 R16 im Modell.

Zwei Proben zeigen, dass die Tabelle stimmig ist. Im ersten Gang sind 7278 N bei 23,3 km/h (6,47 m/s) genau 47,1 kW, die Leistung des Motors. Im fünften Gang sind 1479 N bei 31,9 m/s ebenfalls 47,1 kW. Die Kraft sinkt auf ein Fünftel, während die Geschwindigkeit um denselben Faktor steigt. Die Spalte mit 4 % beruht auf dem Bericht der National Academies zur Kraftstoffspar-Technik, der den Verlust eines Schaltgetriebes mit etwa 4 % der Bruttoleistung des Motors angibt, gegenüber etwa 13 % bei einem herkömmlichen Automatikgetriebe. Bei einem Auto von 1200 kg würden 7278 N im ersten Gang eine Beschleunigung von 6,1 m/s² bedeuten, wenn die Reifen sie halten könnten, was sie meist nicht können. Die Grenze beim Anfahren setzt der Grip, nicht das Getriebe.

Die Übersetzungen entscheiden auch, wie weit die Motordrehzahl beim Hochschalten fällt. Bei 3000 U/min würde der Motor nach dem Schalten vom 1. in den 2. Gang auf 1696 U/min fallen, nach 2. zu 3. auf 1941 U/min, nach 3. zu 4. auf 2091 U/min und nach 4. zu 5. auf 2391 U/min. Das sind dieselben Zahlen, die der Synchronring erreichen muss, nur in der anderen Richtung. Der erste Abstand ist groß, weil der erste Gang ein kurzer Gang zum Anfahren ist, der letzte klein, weil der fünfte lang ist. Noch eine Zahl hilft beim Planen einer Fahrt: Im fünften Gang legt das Modellauto 38,2 km/h je 1000 U/min zurück, im vierten 30,5 km/h und im ersten 7,8 km/h.

Warum die Zahnräder nie außer Eingriff kommen

Im Modell dreht sich jedes Zahnrad ständig, auch die, die gerade keinen Antrieb übertragen. Im dritten Gang zum Beispiel dreht das freie fünfte Zahnrad auf der Ausgangswelle mit 3764 U/min, während die Welle darunter mit 2091 U/min läuft. Das wirkt verschwenderisch, löst aber ein altes Problem. In frühen „Crash“-Getrieben rutschten die Zahnräder selbst zur Seite in den Eingriff, und ihre Zähne mussten Kante auf Kante zusammentreffen. Bei einem Getriebe mit ständigem Eingriff bleiben die Zähne jedes Paares ein Leben lang im Eingriff, und nur die kleinen Klauen an der Seite eines Zahnrads müssen ihren Weg finden.

Weil die Zahnräder nie in den Eingriff gleiten müssen, können sie schrägverzahnt sein, mit Zähnen, die schräg zur Welle geschnitten sind. Im Modell beträgt der Winkel 25°. Ein schräger Zahn berührt nach und nach über seine Breite statt auf einmal, deshalb ist das Getriebe viel leiser als eines mit geraden Zähnen. Der Preis ist ein seitlicher Schub: Bei einer Schräge von 25° beträgt die Kraft entlang der Welle tan 25° = 0,47 mal die Kraft, die das Zahnrad dreht. Getriebe nehmen sie mit Kegelrollenlagern oder Kugellagern auf. Die Zähne der Vorgelegewelle sind gegenläufig zu ihren Partnern geschnitten, wie es sein muss, damit zwei parallele schrägverzahnte Zahnräder kämmen.

Was der Synchronring beim Schalten tut

Hier liegt die Schwierigkeit. Wenn Sie bei 41 km/h vom zweiten in den dritten Gang schalten, dreht sich die Ausgangswelle mit 1353 U/min weiter, weil das Auto noch rollt. Bei getretener Kupplung bilden Eingangswelle, Kupplungsscheibe, Vorgelegewelle und alle freien Zahnräder einen losen Verband, der vom Moment zuvor noch mit etwa 3000 U/min dreht. Das dritte Zahnrad auf der Ausgangswelle gehört zu diesem Verband. Um es ohne Knirschen mit der Welle zu verbinden, muss die Eingangsseite auf 3000 × 1,435 ÷ 2,217 = 1941 U/min langsamer werden.

Diese Aufgabe übernimmt der Synchronring. Es ist ein Messingring mit kegeliger Innenseite, der zwischen Nabe und Zahnrad sitzt. Das Zahnrad hat einen passenden Stahlkonus. Beginnt sich der Hebel zu bewegen, drückt die Muffe den Ring auf den Konus, und die Reibung zwischen beiden zieht das Zahnrad und mit ihm den ganzen losen Verband auf die Drehzahl der Welle zu. Im Modell fällt der Balken des Drehzahlunterschieds von einigen hundert U/min auf null.

Solange noch ein Drehzahlunterschied besteht, dreht die Reibung den Ring ein Stück gegen seine Mitnehmer in der Nabe. In dieser Stellung stehen die Sperrzähne rund um den Ring vor den Zähnen der Muffe und halten sie auf. Deshalb fühlt sich ein hastiges Schalten hakelig an: Man drückt gegen einen Ring, der noch nicht fertig ist. Stimmen die Drehzahlen, lässt die Reibung los, der Ring dreht um einen halben Zahn zurück, und die Fasen an den Zähnen führen die Muffe hindurch. Einen Moment später gleitet sie über die Klauen des Zahnrads, und das Zahnrad ist mit der Welle verbunden. In einem echten Auto dauert der ganze Ablauf den Bruchteil einer Sekunde.

Die Zahlen hinter einem Synchronschaltvorgang

Konstrukteure behandeln einen Schaltvorgang nicht als ein einziges Ereignis. Eine Arbeit von S. Razzacki von DaimlerChrysler, vorgestellt 2004 auf dem SAE World Congress, zerlegt einen Synchronschaltvorgang in sechs Ereignisse. Das erste ist, dass die Strebe, ein kleiner federbelasteter Mitnehmer, den Sperrring berührt. Das dritte ist, dass die Spitze eines Muffenzahns auf die Spitze eines Ringzahns trifft und den Ring („Clocking“) um das kleine Spiel dreht, das er in der Nabe hat. Spätere Ereignisse betreffen die Fase der Muffe, die durch die Fase des Rings läuft, und den Muffenzahn, der die eigene Kupplungsverzahnung des Zahnrads erreicht. Die Arbeit bemisst jedes Teil so, dass diese Ereignisse in der richtigen Reihenfolge ablaufen, und zeichnet eine Zone des Krachens gegen eine Zone des schweren Schaltens. Leistet der Konus zu wenig, hört der Fahrer ein Krachen. Sperrt der Ring zu fest, fühlt sich der Hebel festgeklemmt an.

Zwei Drehmomente entscheiden, wo ein Entwurf landet. Das Synchronisierungsmoment ist das, was der Konus durch Reibung erzeugt. Das Indexmoment ist das Moment, das den Ring in seine Sperrstellung dreht, und es hängt vom Winkel der Ringzähne ab (dem „Anspitzwinkel“). Eine SAE-Arbeit von Razzacki und J. Hottenstein aus dem Jahr 2007 über Synchronisierungen für Doppelkupplungsgetriebe nennt die Regel klar: Das Synchronisierungsmoment muss an jedem Punkt des Schaltvorgangs größer als das Indexmoment bleiben, um Krachen oder Kratzgeräusche zu vermeiden, während das Indexmoment größer als der gesamte Schleppwiderstand des Getriebes sein muss, damit der Ring auch in einem kalten Getriebe mit zähem Öl noch sperrt. Ein steilerer Anspitzwinkel senkt das Indexmoment; wer ihn steiler macht, um Kraft zu sparen, braucht daher womöglich mehr Konusreibung, damit die erste Bedingung weiter gilt.

Das Modell lässt die Streben weg, aber man kann trotzdem abschätzen, was der Konus leisten muss. Nehmen wir den Schaltvorgang vom 2. in den 3. Gang. Die Eingangsseite muss von 3000 auf 1941 U/min langsamer werden, das sind 110,9 rad/s. Angenommen, als Beispiel, Kupplungsscheibe, Eingangswelle, Vorgelegewelle und freie Zahnräder haben zusammen ein Trägheitsmoment von 0,05 kg·m². Die abzubauende Energie beträgt ½ × 0,05 × (314,2² − 203,3²) = 1,43 kJ. Dauert der Schaltvorgang 0,1 s, muss der Konus an diesem Verband ein mittleres Moment von 0,05 × 110,9 ÷ 0,1 = 55 N·m aufbringen und für eine Zehntelsekunde 14 kW als Wärme abführen. Das hält ein Messingring nicht lange aus, weshalb die niedrigen Gänge mit den größten Drehzahlunterschieden in vielen Serien-Getrieben Mehrkonus-Synchronisierungen bekommen.

Warum Schalten ohne Kupplung kratzt

Schalten Sie nun „Ohne Kupplung schalten“ ein und versuchen Sie, vom dritten in den vierten Gang zu wechseln. Bei eingerückter Kupplung ist die Eingangswelle praktisch noch an einen laufenden Motor geschraubt. Der Motor dreht mit 3000 U/min, also dreht auch das Eingangsrad, das Zahnrad für den vierten Gang, mit 3000 U/min. Die Ausgangswelle dreht mit 2091 U/min. Der Synchronring müsste den ganzen Motor samt Schwungrad um 909 U/min bremsen, gegen den Widerstand des Motors, über einen Konus von wenigen cm Durchmesser. Das schafft er nicht.

Der Ring bleibt also in seiner Sperrstellung, und wenn der Fahrer kräftig genug drückt, erreichen die Zähne der Muffe die Klauen, solange diese noch aneinander vorbeigleiten. Bei einem Radius von 30 mm bedeutet ein Drehzahlunterschied von 909 U/min, dass die Flächen mit 2,9 m/s aneinander vorbeilaufen und pro Sekunde 424 Klauen vorbeikommen. Jede trifft auf die Fasen der Muffe und schlägt sie zurück. Dieses Klappern ist das Kratzgeräusch, und jede Runde davon rundet die Kanten ab, die die Muffe führen sollen.

Dieselbe Rechnung erklärt, warum Fahrer alter Crash-Getriebe zwischenkuppelten. Kupplung treten, Hebel in den Leerlauf, Kupplung loslassen, mit Zwischengas oder Warten die Eingangsseite mithilfe des Motors auf die richtige Drehzahl bringen, wieder kuppeln und erst dann den Gang wählen. Der Fahrer tat nach Gehör, was der Synchronring heute durch Reibung erledigt.

Rückwärtsgang und Zwischenrad

Zwei kämmende Zahnräder drehen gegenläufig. Die Vorgelegewelle dreht schon gegen die Eingangswelle, und jedes Vorwärtspaar kehrt sie erneut um, sodass die Ausgangswelle in dieselbe Richtung wie der Motor dreht. Damit das Auto rückwärts fährt, kommt ein weiteres Zahnrad in den Weg. Im Modell treibt das Zahnrad mit 13 Zähnen auf der Vorgelegewelle ein Zwischenrad mit 17 Zähnen an, und das treibt ein Rückwärtsrad mit 38 Zähnen auf der Ausgangswelle an. Das Zwischenrad ändert nicht die Übersetzung, nur die Richtung.

Die Rückwärtsräder im Modell sind geradverzahnt. Das ist die übliche Praxis, und deshalb heult ein Auto im Rückwärtsgang, was man in den Vorwärtsgängen nie hört. Viele Getriebe legen den Rückwärtsgang ein, indem sie das Zwischenrad in den Eingriff schieben, was nur bei stehenden Zahnrädern klappt; deshalb sollten Sie zuerst anhalten. Im Modell bringen die Muffe des 5. und Rückwärtsgangs und ihre Synchronisierung die Eingangsseite zum Stillstand, bevor der Rückwärtsgang eingelegt wird.

Das Sägezahndiagramm lesen

In jedem Gang ist die Motordrehzahl durch eine Gerade an die Geschwindigkeit gebunden: Motordrehzahl gleich Geschwindigkeit geteilt durch Reifenumfang, mal Gangübersetzung, mal Achsübersetzung. Das Diagramm „Geschwindigkeit und Drehzahl“ unter „Steuerung“ zeichnet für jeden Gang eine Linie. Wählen Sie eine Schaltdrehzahl, und der Weg steigt auf einer Linie bis zu dieser Drehzahl und fällt dann bei gleicher Geschwindigkeit senkrecht auf die nächste Linie. Die Abfälle ergeben die Sägezähne.

Die Größe jedes Abfalls lässt sich leicht berechnen. Nach dem Hochschalten läuft der Motor mit der Schaltdrehzahl mal dem Verhältnis des neuen zum alten Gang, der Abfall ist also die Schaltdrehzahl mal eins minus diesem Verhältnis. Beim Honda Civic Type R ist der 2. Gang 2,115 und der 1. 3,625, der Motor behält also 0,5834 seiner Drehzahl. Schaltet man bei 7000 U/min, landet er bei 4084 U/min. In den höheren Gängen liegen die Übersetzungen enger beieinander, die Zähne werden also kleiner: Im Modellgetriebe betragen die Abfälle bei 6500 U/min 2826, 2293, 1970 und 1320 U/min.

Achsübersetzung und Reifengröße dehnen das Diagramm in die Breite, ändern aber die Abfälle nicht. Deshalb kann der Katalog die Übersetzungssätze des Tremec TR-6060, die ohne Achse und Reifen kommen, im selben Diagramm zeigen: Die Geschwindigkeiten verwenden dann die Modell-Achsübersetzung 3,909 und den Reifen 205/55 R16 und sind als Modellwerte gekennzeichnet, während die Drehzahlabfälle exakt sind.

Kraft an den Rädern in jedem Gang

Die Kraft, die das Auto vorwärtsschiebt, ist das Motordrehmoment mal der Gesamtübersetzung mal dem Wirkungsgrad der Zahnräder, geteilt durch den Reifenradius. Das Diagramm „Kraft an den Rädern“ zeichnet sie für jeden Gang über der Geschwindigkeit, neben einer gestrichelten Linie für das, womit Straße und Luft zurückdrücken. Der Abstand zwischen der Kurve eines Gangs und der gestrichelten Linie bleibt zum Beschleunigen des Autos übrig; die Tabelle unter dem Diagramm rechnet ihn in m/s² um.

Hersteller veröffentlichen zwei Punkte der Drehmomentkurve, nicht die ganze Kurve: das maximale Drehmoment und den Drehzahlbereich, in dem es anliegt, sowie die maximale Leistung und ihre Drehzahl. Das Diagramm verbindet diese Punkte mit geraden Strecken und hält die Leistung bis zum roten Bereich nahezu flach. Das ist eine Näherung, und der Bildschirm sagt es auch. Der Fahrwiderstand ist für jeden Eintrag ein Modellauto: 1400 kg, ein Rollwiderstandsbeiwert von 0,012 und eine Luftwiderstandsfläche von 0,65 m².

Zwei Dinge fallen sofort auf. Erstens ist bei 100 km/h der stärkste Gang im Civic Type R der 2. Gang bei 6719 U/min, mit etwa 7,6 kN an den Rädern, etwa dem 1,5-Fachen dessen, was der 4. Gang liefert. Zweitens steigt die Kurve des nächsten Gangs vor dem roten Bereich fast nie über die des aktuellen. Für die schnellste Beschleunigung hält man jeden Gang bis zum roten Bereich. Eine Ausnahme ist ein Auto, dessen Leistung über einen Drehzahlbereich flach bleibt: Beim GR Supra treffen sich die Kurven des 4. und 5. Gangs bei etwa 5900 U/min.

Zwischengas und Zwischenkuppeln

Beim Herunterschalten muss der Motor schneller drehen. Bei 80 km/h dreht der Modellmotor im 4. Gang mit 2625 U/min und braucht im 3. Gang 3768 U/min. Kommt die Kupplung, während der Motor noch langsamer ist, muss die Kupplung den Motor allein hochziehen, und das Auto wird einen Moment zurückgerissen. Ein kurzer Tritt aufs Gas bei getretener Kupplung, ein Gasstoß, bringt den Motor vorher hoch; das ist das Zwischengas. Im Labor „Zwischengas“ unter „Steuerung“ führen Sie die Schritte aus und sehen, wie weit Sie daneben lagen, wie viel Wärme die Kupplung abbekam und wie groß der Ruck war. Bei einer Motorträgheit von 0,15 kg·m² (ein Modellwert) gehen schon 1,1 kJ in die Kupplung, wenn man um volle 1142 U/min danebenliegt.

Ein Getriebe ohne Synchronisierung, eine Crash-Box, hat ein zweites Problem. Die Eingangswelle muss die richtige Drehzahl haben, bevor der Gang überhaupt hineingeht, und bei getretener Kupplung bremst sie nichts außer Reibung. Fahrer alter Lastwagen und früher Autos traten die Kupplung deshalb zweimal: Kupplung treten und Gang raus, Kupplung im Leerlauf loslassen, damit der Motor die Eingangswelle antreibt, ein Gasstoß auf die neue Drehzahl, wieder Kupplung treten und Gang rein. Im Labor nimmt die Crash-Box den Gang nur an, wenn die Welle höchstens 150 U/min (ein Modellwert) von der nötigen Drehzahl entfernt ist; sonst kratzt sie.

Anfahren: wohin die Schlupfwärme geht

Aus dem Stand muss die Kupplung schleifen, weil der Motor dreht und die Räder nicht. Bis die Kupplung schließt, wird das Kupplungsmoment mal dem Drehzahlunterschied zu Wärme. Im Labor „Anfahren“ wählen Sie die Motordrehzahl, die Sie halten, und das Moment, das die Kupplung überträgt; dann fährt das Modellauto im 1. Gang Millisekunde für Millisekunde los.

Darin steckt ein hübsches Ergebnis. Wird der Motor bei schleifender Kupplung auf einer Drehzahl gehalten, setzt die Kupplung etwa so viel Energie in Wärme um, wie das Auto an Bewegung gewinnt. Aus 3000 U/min mit 200 N·m nimmt die Kupplung etwa 32,5 kJ auf, während das Auto etwa 29,3 kJ gewinnt; der Rest geht in den Fahrwiderstand. Fährt man stattdessen aus 2000 U/min mit 180 N·m an, sinkt die Wärme auf etwa 14,5 kJ. Verlangt man von der Kupplung mehr Drehmoment, als der Motor bei dieser Drehzahl liefert, wird der Motor langsamer, und unter 650 U/min (der Grenze im Modell) würgt er ab. Ein guter Start liegt dazwischen: genug Drehzahl, damit der Motor weiterläuft, nicht so viel, dass die Kupplung verkocht.

Echte Getriebe im Katalog

Der Katalog enthält 31 Einträge. 18 sind Autos mit ihren veröffentlichten Übersetzungen: der Honda Civic Type R und Civic Si, der Acura Integra Type S und Integra 6MT, der Toyota GR86, GR Corolla und GR Supra 3.0, der Mazda MX-5, der Nissan Z, der Subaru WRX, zwei Ford Mustang und sechs Autos mit dem Tremec TR-6060. Zwölf sind Getriebe-Übersetzungssätze von Tremec, und der letzte ist das Modell auf dieser Seite. Die Zahlen stammen aus dem Pressematerial, der Broschüre oder dem Datenblatt des Herstellers; der Link zur Quelle steht unter jedem Eintrag.

Einiges fällt auf. Civic Type R und Integra Type S teilen alle Übersetzungen und die Achsübersetzung 3,842. Der GR Corolla hat zwei Achsübersetzungen, 4,058 für den 1. bis 4. Gang und 3,450 für den 5., 6. und Rückwärtsgang. Der MX-5 hat einen direkten 6. Gang (1,000) und der Nissan Z einen direkten 5. Gang, wie der 4. Gang im Modell. Der Camaro SS hat einen sechsten Gang mit 0,50, sodass der Motor bei Reisegeschwindigkeit halb so schnell dreht wie die Kardanwelle. Tremec gibt dem TR-6060 einen Achsabstand von 85 mm und Doppel- und Dreifachkonus-Synchronisierungen an jedem Gang, wo das Modell einen Konus je Gang hat.

Wo das Modell einfacher ist als ein echtes Getriebe

• Die Übersetzungen sind Modellwerte, und jedes Paar hat genau 56 Zähne. Echte Getriebe stimmen die Zähnezahlen ab und verwenden je Paar leicht andere Schrägungswinkel und Module.
• Echte Synchronisierungen haben in den unteren Gängen oft zwei oder drei Konen, weil dort die größten Drehzahlunterschiede auftreten. Das Modell hat einen Konus je Gang.
• Die Mitnehmer, Federn und Rastkugeln, die die Muffen in der Leerlaufstellung halten und verhindern, dass sich zwei Schienen gleichzeitig bewegen (die Sperre), fehlen.
• Lager, Wellendichtringe und das Öl selbst fehlen. In einem echten Getriebe tauchen die unteren Zahnräder ins Öl und schleudern es überallhin.
• Der Kupplungsspalt ist etwa doppelt so groß gezeichnet wie in Wirklichkeit, damit man ihn sich öffnen sieht. Der Motor fällt auf 900 U/min, wenn Sie das Pedal gedrückt halten, als hätte Ihr rechter Fuß das Gas losgelassen.
• Die Geschwindigkeiten verwenden die Nennreifengröße und ignorieren den Reifenschlupf. Ein belasteter Reifen rollt einige Prozent kleiner als seine Nenngröße.

Andere Getriebe, die auf denselben Ideen beruhen

Das Model T. Fords Wagen nutzte von 1908 bis 1927 ein Planetengetriebe mit zwei Gängen. Das Henry Ford Museum vermerkt, dass seine Zahnräder ständig im Eingriff standen, was das Schalten leichter machte als bei den unsynchronisierten Schieberadgetrieben der Zeit. Das ist dasselbe Argument, das beim Schaltgetriebe zum ständigen Eingriff führte, auf anderem Weg erreicht.

Motorräder. Ein Studententeam in Princeton, das eine Triumph Tiger Cub von 1963 wieder aufgebaut hat, beschreibt denselben Aufbau wie im Modell: eine Hauptwelle und eine Vorgelegewelle, mit Schaltgabeln, die Zahnräder entlang der Wellen schieben. Der Unterschied liegt im Schaltmechanismus. In diesem Motor bewegt ein fußbetätigter Schaltsektor eine Schaltplatte, die die Gabeln auseinanderzieht oder zusammenschiebt. Spätere Motorräder verwenden üblicherweise eine Trommel mit Nuten, so wie Honda in seinen Rennsportgetrieben mit der Schaltwalze. Bei beiden Bauarten schaltet der Fahrer immer nur einen Gang hoch oder runter, und das macht ein Getriebe sequentiell. Der Fahrer gibt die freie Gangwahl auf und bekommt dafür ein Getriebe ohne Schaltgasse, in dem ein einziges bewegtes Teil alle Gabeln betätigt.

Rennwagen. Hondas Ingenieure schrieben, die Getriebe der Formel 1 verwendeten seit den frühen 1990er-Jahren eine Klauenkupplung und eine Schaltwalze, dasselbe Prinzip wie bei einem Motorrad. Einen Synchronring gibt es nicht. Die Regeln der Zeit, wie Honda sie zusammenfasste, verlangten vier bis sieben Vorwärtsgänge und verboten ein CVT. Das Problem bei einem Klauengetriebe ist der Kante-auf-Kante-Aufprall einer Klaue auf die andere, der Zahnräder beschädigte. Hondas Team entwickelte deshalb eine Schaltung, bei der das Motordrehmoment auch während des Wechsels weiterfließt, und eine Steuerung, die die Walze auf die Lücke zwischen den Klauen abstimmt. Bis 2008, berichtete Honda, hatten alle Teams ein Getriebe, das ohne Unterbrechung des Drehmoments schaltet. Ein kommerzielles F1-Getriebe von Xtrac, das P1044, wird mit sieben Gängen, sequentieller Schaltung ohne Zugkraftunterbrechung und 340 N·m Dauer-Eingangsmoment angegeben.

Automatikgetriebe. Eine herkömmliche Automatik ersetzt Vorgelegewelle und Muffen durch Planetensätze, die mit Kupplungen und Bremsen geschaltet werden, und ersetzt die Reibkupplung durch einen Drehmomentwandler. ZF sagt, seine Achtgang-Automatik 8HP komme mit nur fünf Schaltelementen für vier Radsätze aus und habe eine Gesamtspreizung von 7,0. Die Spreizung des Fünfganggetriebes im Modell beträgt 4,92, die Automatik deckt also mit mehr Stufen einen größeren Bereich ab. Der Preis ist der Wirkungsgrad: Der Bericht der National Academies gibt für herkömmliche Automatiken 86 bis 94 % Wirkungsgrad an, den Verlust bei einem Schaltgetriebe mit etwa 4 % der Motorleistung.

Doppelkupplung. Ein Doppelkupplungsgetriebe behält die Anordnung des Schaltgetriebes bei, nutzt aber zwei Kupplungen auf zwei Eingangswellen, eine für die ungeraden und eine für die geraden Gänge. Hondas Seite zu seinem Motorrad-DCT, eingeführt 2010, beschreibt genau das: eine Kupplung für den 1., 3. und 5. Gang, die andere für den 2., 4. und 6. Gang. Während ein Gang antreibt, ist der nächste auf der anderen Welle schon gewählt, und der Schaltvorgang ist eine Übergabe zwischen den Kupplungen. Derselbe Bericht der National Academies nennt für ein Sechsgang-DCT mit nasser Kupplung bis zu 4,1 % weniger Kraftstoffverbrauch gegenüber einer Sechsgang-Automatik, merkt aber an, dass Ausführungen mit trockener Kupplung Probleme mit der Fahrbarkeit hatten und die Weichheit beim Anfahren schwer zu erreichen ist.

CVT. Ein stufenloses Getriebe hat überhaupt keine Stufen. Hondas Einheit im CITY des Modelljahrs 2020 nutzt ein metallenes Schubgliederband zwischen zwei Kegelscheiben, und die Übersetzung ändert sich fortlaufend, während sich die wirksamen Durchmesser der Scheiben ändern. Ohne Zahnräder gibt es nichts zu synchronisieren, und der Motor kann auf einer Drehzahl bleiben, während das Auto beschleunigt. Die Formel 1 verbot es, wie die oben zitierten Regeln zeigen.

Häufige Missverständnisse

„Ein niedrigerer Gang gibt dem Motor mehr Leistung.“ Das stimmt nicht. Die Leistung an den Rädern ist die Motorleistung minus Verluste. Ein niedrigerer Gang gibt bei niedriger Geschwindigkeit mehr Kraft, wie die Tabelle zeigt, und lässt den Motor außerdem schneller drehen, wo er meist mehr Leistung abgibt.

„Ein höherer Gang spart immer Kraftstoff.“ Nur solange sich der Motor nicht quält. Ein hoher Gang bei niedriger Geschwindigkeit lässt den Motor mit hoher Last und niedriger Drehzahl arbeiten, was mehr Kraftstoff kosten kann als der nächstniedrigere Gang, und den Antriebsstrang zum Rütteln bringen kann.

„Der Synchronring erledigt die ganze Arbeit.“ Er gleicht nur die Drehzahl von Zahnrad und Welle an. Das Kupplungspedal wird weiter gebraucht, um den Motor abzutrennen, weshalb die Einstellung „Ohne Kupplung schalten“ im Modell scheitert.

„Im Getriebe ist jedes Zahnrad mit der Welle verbunden.“ Nur eines ist es. Im dritten Gang im Modell drehen die freien Zahnräder auf der Ausgangswelle auf Nadellagern mit Drehzahlen von etwa 770 U/min (erster Gang) bis 3760 U/min (fünfter Gang), keines mit etwas verbunden.

„Der vierte Gang ist am effizientesten, weil nichts kämmt.“ Die Zahnräder der Vorgelegewelle kämmen und drehen weiter im Öl, sie verursachen also immer noch etwas Schleppverlust. Der direkte Gang ist etwas besser, aber nicht verlustfrei.

„Zwischenkuppeln ist bloß altmodisch.“ Es ist dieselbe Arbeit von Hand. Fahrer von Getrieben ohne Synchronisierung tun es noch immer, und ein Klauen-Rennsportgetriebe macht dasselbe mit Sensoren und einer Steuerung.

Auf dem Bildschirm ausprobieren

1. Stellen Sie Gang auf den 2. und dann auf den 3. Gang und beobachten Sie das Feld. Die Eingangswelle sollte von etwa 3000 auf 1941 U/min fallen. Verlangsamen Sie mit Zeitlupe, um zu sehen, wie sich der Balken des Drehzahlunterschieds schließt, bevor der Ring die Muffe durchlässt.
2. Schalten Sie Kupplung gedrückt halten ein und wechseln Sie dann den Gang. Der Motor fällt im Modell auf 900 U/min, aber Scheibe und Eingangswelle drehen mit dem Auto weiter, sodass der Synchronring nur den losen Verband abbremsen muss.
3. Schalten Sie Ohne Kupplung schalten ein und gehen Sie vom 3. in den 4. Gang. Die Zeile des Drehzahlunterschieds sollte die 909 U/min aus dem Text zeigen, und die Meldung besagt, dass der Motor noch gekoppelt ist. Vergleichen Sie das dann mit einem normalen Schaltvorgang vom 3. in den 4. Gang.
4. Schieben Sie Zerlegen auf 1 und schalten Sie Hineinsehen und Bauteilnamen ein. Suchen Sie die drei Muffen auf der Ausgangswelle. Sie bedienen den 1. und 2., den 3. und 4. sowie den 5. und Rückwärtsgang.
5. Stellen Sie Gang aus dem Leerlauf auf Rückwärts und beachten Sie, dass die Ausgangswelle in die andere Richtung dreht. Das Feld zeigt ihre Drehzahl als negativ. Zählen Sie das zusätzliche Zahnrad im Weg.

Ein kurzer Rückblick

Die ersten Autos mit mehreren Gängen hatten Schieberadgetriebe, deren Zahnräder in den Eingriff rutschten, während der Fahrer den Moment abpassen musste. Das waren die „Crash-Boxen“, treffend benannt. Getriebe mit ständigem Eingriff und Klauenkupplungen erleichterten den Gangwechsel, doch die Drehzahlen musste der Fahrer weiter selbst angleichen.

Earl A. Thompson, ein Ingenieur aus Oregon, meldete im März 1918 ein Patent auf einen Schaltmechanismus an (erteilt 1922) und versuchte jahrelang, die Autohersteller in Detroit dafür zu gewinnen. Seine Synchronisierung ging 1928 im Cadillac in Serie, und Cadillac machte ihn 1929 zum stellvertretenden Chefingenieur. Das Synchronisierungsprinzip wird heute in nahezu jedem Schaltgetriebe verwendet.