Wie Automatikgetriebe funktionieren: Drehmomentumwandler, Gänge und Schaltvorgänge erklärt

Fahrer, die noch nie ein Kupplungspedal betätigt haben, sind trotzdem auf eine Kette mechanischer und hydraulischer Teile angewiesen, die jedes Mal in Aktion treten, wenn das Auto anfährt oder die Geschwindigkeit ändert. Im Kern jedes Automatikgetriebes gibt es zwei Aufgaben: dem Motor ermöglichen, im Leerlauf zu laufen, ohne dass das Auto abwürgt, und das Verhältnis zwischen Motordrehzahl und Raddrehzahl zu ändern, ohne dass der Fahrer einen Gang wählt.

Der Drehmomentumwandler ersetzt die Kupplung

Bei der häufigsten Art von Automatikgetrieben wird die mechanische Kupplung durch ein versiegeltes, flüssigkeitsgefülltes Gehäuse ersetzt, das Drehmomentumwandler genannt wird. Laut der Referenzseite für Autormechanik How a Car Works enthält es drei Hauptteile: einen mit dem Schwungrad des Motors verbundenen Antriebsrad, eine mit der Getriebeeingangsschacht verbundene Turbine und einen zentralen Reaktor, der mit einer Freilaufkupplung ausgestattet ist.

Während sich das Antriebsrad mit dem Motor dreht, schleudert es Getriebeöl nach außen in die Turbine, die den Getriebeeingangsschaft dreht. Bei niedriger Motordrehzahl bleibt der Reaktor stehen und lenkt das Öl zurück zum Antriebsrad, was das Drehmoment erhöht und dem Auto hilft, vom Stillstand anzufahren. Sobald die Motordrehzahl steigt, dreht sich der Reaktor frei und der Umwandler wirkt einfach als Flüssigkeitsschwungrad, wie How a Car Works erklärt.

Das australische Medienunternehmen CarsGuide berichtet, dass diese Flüssigkeitsverbindung der Grund dafür ist, dass Automatikgetriebe mit Drehmomentumwandler glatt laufen und bei niedriger Drehzahl eine starke Zugkraft liefern. Der Nachteil war historisch eine geringere Effizienz als eine direkte mechanische Verbindung. Aus diesem Grund fügen die meisten modernen Drehmomentumwandler-Getriebeeinheiten eine 'Lock-up'-Funktion hinzu, sobald das Auto auf Geschwindigkeit ist, die den Antriebsrad und die Turbine mechanisch verbindet, um Leistungsverluste zu reduzieren, laut CarsGuide.

Planetengetriebe ändern das Übersetzungsverhältnis ohne Gangwechsel

Sobald die Leistung das Getriebe erreicht, verläuft sie durch ein oder mehrere Planetengetriebe (Umlaufgetriebe). How a Car Works beschreibt diese als Zentral-Sonnenrad, ein äußeres Zahnkranzrad mit inneren Zähnen und einen Satz kleinerer Planetengetriebe, die mit beiden kämmen. Alle drei Teile sind ständig in Kontakt, daher muss das Getriebe nie ein Zahnradpaar physisch ein- oder ausrücken, wie es bei einem Schaltgetriebe der Fall ist.

Stattdessen halten hydraulisch betätigte Bremsriemen und Mehrscheiben-Kupplungen verschiedene Teile des Radsatzes still oder lassen sie frei drehen. How a Car Works listet die grundlegenden Kombinationen auf: Das Sperren des Sonnenrads bei Antrieb der Planetengetriebe ergibt eine Drehzahlerhöhung; das Sperren des Zahnkranzes und Antrieb des Sonnenrads ergibt eine Drehzahlreduzierung; die Energieübertragung zum Sonnenrad bei Bremsung des Planetenträgers ergibt Rückwärtsgang; und das Sperren des Sonnenrads und des Zahnkranzes zusammen ergibt direkten Antrieb, ein Verhältnis von 1:1.

Ein einzelner Radsatz, der auf diese Weise verwendet wird, kann bereits mehrere Übersetzungen bereitstellen. Die Kombination von zwei Umlaufgetrieben, das einfachste klassische Layout, kann drei Vorwärtsgänge liefern, wie How a Car Works anmerkt; Hersteller ketten mehr Getriebe und Kupplungen zusammen, um die fünf-, sechs-, acht-, neun- und zehnstufigen Getriebe zu erreichen, die heute in Autos üblich sind.

Hydraulik und Elektronik entscheiden, wann geschaltet wird

Die Sperrsequenz im Getriebe wird durch Hydraulikdruck ausgelöst, der auf die Bremsriemen und Kupplungen wirkt und durch eine, wie How a Car Works nennt, komplexe Anordnung von Hydraulikventilen geleitet wird. In älteren Konstruktionen reagieren diese Ventile mechanisch auf Motorlast, Straßengeschwindigkeit und Drosselstellung; ein 'Kickdown'-Mechanismus erzwingt einen Herunterschalten für zusätzliche Beschleunigung, wenn das Gaspedal vollständig durchgedrückt wird. In modernen Autos führen elektronische Sensoren und ein Steuercomputer die gleiche Aufgabe durch und öffnen und schließen Magnetventile, um jeden Schaltvorgang zu zeitlich steuern.

Drei verschiedene Wege zum Bau eines Automatikgetriebes

Nicht jedes selbstschaltendes Getriebe funktioniert gleich. CarsGuide unterteilt moderne Automatikgetriebe in drei Hauptfamilien, plus einen älteren, größtenteils eingestellten vierten Typ.

• Automatikgetriebe mit Drehmomentumwandler — verwendet die oben beschriebene Flüssigkeitskupplung; starkes Niedergangdrehmoment und sanfte Schaltungen, in Marken wie Mazda und Lexus zu finden, laut CarsGuide.
• Doppelkupplungsgetriebe (DCT) — praktisch zwei Schaltgetriebe, die ein Gehäuse teilen, jedes mit seiner eigenen Kupplung; ein Gang wird vorgewählt, während der andere eingerückt ist, daher tauscht das System die Kupplungen aus, um den Gang in Millisekunden mit minimalem Drehmoment Verlust zu wechseln. CarsGuide nennt das Volkswagen DSG, Nissan GT-R, Ferrari 488 GTB und McLaren 650S als Beispiele.
• Stufenloses Getriebe (CVT) — hat überhaupt keine festen Gänge; ein Riemen oder eine Kette verläuft zwischen zwei Riemenscheiben, deren effektiver Durchmesser sich ändert, was nach CarsGuides Worten eine Aktion 'wie ein Gummiband auf einem Verkehrskegel' ergibt und theoretisch unbegrenzte Übersetzungsverhältnisse für maximale Kraftstoffeffizienz ermöglicht.
• Einkupplungs-Automatikschaltgetriebe — ein älteres Design, bei dem ein Computer eine Kupplung bei einem herkömmlichen Schaltgetriebe betätigt; CarsGuide beschreibt seine Schaltungen als ruckartig und verzögert und sagt, dass dieser Typ jetzt größtenteils veraltet ist.

Zum Vergleich: CarsGuide bemerkt, dass herkömmliche Schaltgetriebe in der Regel sechs Vorwärtsgänge haben, wobei einige Sportwagen wie der Porsche 911 sieben bieten.

Warum es für das tägliche Fahren wichtig ist

Die Art des Automatikgetriebes unter dem Auto beeinflusst, wie sich ein Auto anfühlt, und nicht nur, ob es ein Kupplungspedal hat. Die Flüssigkeitskupplung eines Automatikgetriebes mit Drehmomentumwandler ist das, was es einem Auto ermöglicht, im Leerlauf vorwärts zu kriechen, ohne dass der Motor abwürgt, ein Merkmal, das How a Car Works direkt auf die Konstruktion des Drehmomentumwandlers zurückführt. Die zwei Kupplungen eines Doppelkupplungsgetriebes sind das, was es Leistungsautos ermöglicht, ohne die momentane Leistungslücke zu wechseln, die in älteren Automatikgetrieben zu spüren ist, laut CarsGuide. Das Fehlen fester Übersetzungen bei einem CVT ist das, was dem Motor ermöglicht, unabhängig von der Straßengeschwindigkeit nahe seiner effizientesten Drehzahl zu bleiben, die CarsGuide als seinen Hauptvorteil auflistet, ausgeglichen durch ein ständiges, nicht-traditionelles Motor-Dröhnen, das einige Fahrer bemerken.