Ein stufenloses Getriebe ist ein Rotation übertragendes Getriebe, bei dem die Übersetzung stufenlos einstellbar ist. Es wird häufig in Werkzeugmaschinen und als Fahrzeuggetriebe verwendet.
Zur Bezeichnung derartiger Getriebe werden oft Abkürzungen aus dem Englischen übernommen: CVT steht für Continuously Variable Transmission, also ein stufenloses Getriebe, das einen begrenzten Regelbereich hat. Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und CVT benötigt eine Anfahrkupplung.
ECVT oder eCVT steht für Electronically-Controlled Continuously Variable Transmission.
IVT steht für Infinitely Variable Transmission, also ein stufenloses Getriebe, das zwischen einem festen Übersetzungswert in einer Übertragungsrichtung beliebig ins Langsame („unendlich“, ∞) oder auch in die Gegenrichtung (negativ) untersetzen kann, so dass sich die angetriebene Welle dreht, während die abgetriebene Welle steht. Dadurch kann im Fahrzeug die Anfahrkupplung entfallen. Derartige Getriebe werden mit zusätzlichen Planetenradsätzen verwirklicht.
Der Begriff Regelbereich entspricht der Spreizung beim Stufengetriebe, also dem Verhältnis von größter zu kleinster Übersetzung. Bei CVTs mit Laschenkette liegt der Faktor meist zwischen 5 und 6Nach Harald Naunheimer, Bernd Bertsche, Gisbert Lechner "Fahrzeuggetriebe – Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion", Kapitel 4.4 "Übersetzungen und ihre Änderung bei Stufenlosgetrieben", 2. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York 2007, ISBN 978-3-540-30625-2 (im Automobilbau bis zu 8), mit Schubgliederband etwas tiefer und mit Kunststoffkeilriemen (zum Beispiel in Motorrollern) bei etwa 3. Keilriemengetriebe mit Ketten unterliegen dem Polygoneffekt, das heißt die Übersetzung ist nicht konstant, ihr sind Schwingungen überlagert, deren Frequenz von der Kettenteilung abhängt. Dies macht sich durch ein pfeifendes Betriebsgeräusch bemerkbar. Bei der Audi Multitronic ist die Teilung der Wiegegelenkkette variabel, die unterschiedlichen Längen der Glieder sind zufällig in der Kette verteilt, um das Pfeifen zu unterdrücken.
Stufenlose Getriebe werden in Straßenfahrzeugen meist als mechanische Getriebe gebaut. In langsamfahrenden Baumaschinen mit hydraulischen Nebenantrieben gibt es auch hydrostatische Getriebe für den Fahrantrieb, bei denen ein Strömungsmedium die Leistung überträgt. Eine weitere Form der stufenlosen Getriebe sind elektrische Getriebe (Motor/Generator), beispielsweise bei dieselelektrischen Antrieben von Lokomotiven.
Grundlagen mini|Ausführungen mit veränderlichen Übersetzungen mini|Nissan Extroid CVT mini|Kegelrollentrieb: Der Riemen wird im Betrieb durch eine Gabel verschoben Bei stufenlosen Getrieben kann das Verhältnis der Drehzahlen der treibenden und der getriebenen Wellen, die Übersetzung, in einem bestimmten Bereich stufenlos geändert werden. Das kann auch den Stillstand (IVT) oder die Drehrichtungsumkehr einer Welle bedeuten.
Die Drehmomentübertragung in einem stufenlosen mechanischen Getriebe ist in der Regel reibschlüssig. Ausnahme ist das formschlüssig arbeitende Kettengetriebe nach Abott, bekannt unter dem Markennamen PIV-Getriebe, die Kraft überträgt eine Kette mit quer angeordneten, seitlich verschiebbaren Blechlamellen, die im ständigen Eingriff mit zwei radial genuteten Kegelscheiben steht. Die Nuten werden gegen das Zentrum der Kegelscheiben stetig enger. Die Teilung der von den dünnen Lamellen gebildeten Zähne passt sich den schrägen Flanken der Zähne auf den Kegelscheiben an. Bei Überlastung können sich die Blechlamellen verschieben und die Kette rutscht durch.
Es gibt verschiedene Bauarten von Getrieben mit Reibschluss: Keilriemengetriebe und Wälzkörpergetriebe, das sind Reibradgetriebe mit verschiebbaren Rädern, bei denen im einfachsten Fall die Kontaktfläche längs des Radius des einen Rades verschoben werden kann. Bei den Toroidialgetrieben sind die Reibflächen Teil der Oberfläche eines Hohltorus. An- und Abtriebsrad stehen einander gegenüber und sind über Planetenrollen miteinander verbunden. Um das Übersetzungsverhältnis zu ändern, werden die Rollen geschwenkt, sodass sie auf der schnellen Seite weiter innen und auf der langsamen weiter außen laufen.
Die für Fahrzeuge entwickelten stufenlosen Getriebe sind überwiegend über reibschlüssige Kopplungen realisiert, die durch so genannten Schlupf gekennzeichnet sind. Für diesen Schlupf gibt es im Wesentlichen zwei Ursachen:
Prinzipbedingt gibt es bei allen Konstruktionen eine Druckfläche, über die die mechanische Leistung übertragen wird, zum Beispiel die Anlagefläche des Keilriemens bei der DAF Variomatic. Geometrisch bewegen sich die Anlageflächen gegeneinander, weil sie quer zur Bewegungsrichtung leicht unterschiedliche Geschwindigkeiten haben. Bei der Variomatic gibt es nur eine Stellung (Übersetzung), in der eine Riemenscheibe in allen Punkten der Auflagefläche genauso schnell ist wie der Riemen. Hier schneiden sich die Verlängerungen aller Kegelflächen in einem Punkt. In allen anderen Stellungen der Kegelscheibe entsteht Bohrschlupf oder Bohrreibung, die sich durch eine möglichst schmale Kontaktfläche des Riemens reduzieren lässt. Durch die elastische Dehnung entsteht Dehnschlupf (siehe auch Riemenantriebe) an der Kontaktfläche, der von der Elastizität/Steifigkeit der Reibungspartner und den übertragenen Kräften abhängt.
Der Einsatz von reibschlüssigen stufenlosen Getrieben ist durch mehrere Faktoren limitiert: Maximal mögliche Hertzsche Pressung zwischen den koppelnden Kontaktflächen, um Eingrabungen oder Grübchenbildung zu vermeiden Zulässige Erwärmung aufgrund der Reibverluste Eigener Energieverbrauch, beispielsweise um Kegelscheiben zusammenzupressen
Außer mechanischen stufenlosen Getrieben gibt es weitere Lösungen: Hydrostatisches Getriebe: Die Leistung wird über Verschieben eines unter Druck stehenden Fluids zwischen einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor übertragen. Die mechanische wird somit durch eine hydraulische Kopplung ersetzt. Hydrodynamische Drehmomentwandler: Die Leistung wird durch eine strömende Bewegung eines Fluids bei geringem Druck übertragen. Hydrodynamische Drehmomentwandler sind üblicherweise vollständig selbstregelnd, die Übersetzung kann von außen nur eingeschränkt beeinflusst werden. Dazu werden verstellbare Leitschaufeln verwendet, oder Schöpfrohre, mit denen der Wandler zum Teil oder ganz entleert werden kann. Elektrisches Getriebe: Die Leistung wird als steuerbare elektrische Energie zwischen einem Generator und einem Elektromotor übertragen.
Beschreibung Bei mechanischen stufenlosen Getrieben sind mehrere Bauarten bekannt: Umschlingungsgetriebe, welche die Kraft entweder über Zugmittel übertragen (breite Keilriemen, Lamellenketten); sie werden üblicherweise als CVT gebaut. Schubgliederbänder, die Druckkräfte übertragen. Wälzkörpergetriebe (Kegelringgetriebe, Toroidgetriebe wie das Extroid CVT) können auch als IVT gebaut werden.
Zentrales Element für die Kraftübertragung bei einem Zugmittel-Getriebe ist der Variator. Er besteht aus zwei axial verschiebbaren Kegelscheibenpaaren und einem dazwischen laufenden Zugmittel.
Ausführungen mini|Keilriemenvariator eines Mähdreschers. Durch hydraulisches Zusammenpressen oder Auseinanderdrücken der Kegelscheiben kann die Fahrgeschwindigkeit stufenlos eingestellt werden mini|140px|Stufenloses Getriebe mit annähernd formschlüssiger Lamellenkette und radial genuteten Kegelscheiben mini|Das Prinzip
Das Umschlingungsmittel der Kegelscheibenpaare besteht wahlweise aus: einem Schubgliederband einem Keilriemen (siehe auch Riemengetriebe) einer Laschenkette (siehe auch Multitronic) einer Lamellenkette (siehe auch formschlüssige Kettengetriebe)
Hauptunterschied der Ausführungen ist: Das Schubgliederband überträgt in den meisten Betriebszuständen das Drehmoment durch Druckkräfte, das heißt, die Leistung wird von den Schubgliedern übertragen, die das flexible Band nur zusammenhält. Der Keilriemen arbeitet kraftschlüssig und hat Schlupf. Je breiter der Keilriemen, desto größer kann die Getriebespreizung sein. Das Betriebsgeräusch des Keilriemens ist geringer und er kann ohne Schmierung laufen. Das maximal übertragbare Drehmoment ist relativ gering. Die Laschenkette arbeitet kraftschlüssig. Das maximal übertragbare Drehmoment beträgt bis zu 400 Nm. Die Änderung des Übersetzungsverhältnisses ist bei CVT-Getrieben in Automobilen im Verhältnis 1:7 bis 1:8 möglich. Die Lamellenkette arbeitet formschlüssig und damit schlupffrei.
Funktion Ein Kegelscheibenpaar ist mit dem Antrieb verbunden, das andere mit dem Abtrieb. Jeweils eine diagonal gegenüberliegende Hälfte der Kegelscheibenpaare ist auf den Wellen fixiert, während die jeweils andere Scheibe auf der Welle axial geführt, gesteuert verschoben werden kann.
Wenn die Kegelscheiben weit voneinander entfernt sind, beschreibt das Zugmittel einen kleinen Radius auf der Kegelfläche. Sind die Kegelscheiben dagegen nah beieinander, folgt das Zugmittel einem großen Radius auf der Kegelfläche.
Die Kegelscheibenpaare bewegen sich dabei gegenläufig, damit bei gleich bleibender Zugmittellänge und Achsabstand das Zugmittel vorgespannt bleibt.
Ein kleiner Zugmittel-Radius im Antriebs-Kegelscheibenpaar entspricht einem kleinen Gang eines konventionellen Getriebes, ein großer Radius einem großen Gang.
Sind die Kegelscheiben weit voneinander entfernt und werden die Kegelscheiben zusammengedrückt, vergrößert sich der Zugmittel-Radius und damit das Übersetzungsverhältnis von klein auf groß. Da dieser Vorgang stufenlos ist, verändert sich das Übersetzungsverhältnis ebenfalls stufenlos.
Infinitely Variable Transmission (IVT) mini|Prinzipskizze für unendlich variables Getriebe Bestimmte stufenlose Getriebe, wie das Toroidgetriebe, hydraulische Getriebe, oder die Kombination eines oder mehrerer Planetengetriebe mit einem stufenlosen Getriebe können einen „unendlichen“ Übersetzungsbereich abdecken. So kommt das Fahrzeug bei Übersetzung „unendlich“ im Stand, bei laufendem Motor, ohne zusätzliche Trennkupplung aus.
Ein Beispiel sind moderne stufenlose Getriebe in Traktoren, etwa das Vario-Getriebe des Traktorenherstellers Fendt. Ein Planetengetriebe dient als Kraftweiche und teilt die Kraft des Antriebsmotors in den Antrieb der Räder und den einer stufenlos verstellbaren Hydropumpe auf. Im hydrostatischen Teil der Kraftübertragung wird die Energie der Hydraulikflüssigkeit zwei ebenfalls stufenlos verstellbaren Hydromotoren zugeführt und steht dem Antrieb der Räder wieder zur Verfügung. Das Übersetzungsverhältnis wird über den hydrostatischen Zweig geregelt. Durch die Leistungsverzweigung ergibt sich ein weiterer Vorteil: Der Leistungsanteil des stufenlosen (hydrostatischen) Leistungszweiges kann in den meisten Betriebspunkten gering gehalten werden, wodurch dessen schlechterer Wirkungsgrad nicht so sehr ins Gewicht fällt.
Das Getriebe (Power Split Device) des Hybridfahrzeugs Toyota Prius ist vergleichbar aufgebaut, wobei hier der stufenlose Teil aus einem elektrischen Getriebe (Generator und Elektromotor) besteht. Das System wird von Toyota unter dem Namen Hybrid Synergy Drive vermarktet.
Sonderformen NuVinci-Getriebe mini|Kugelmechanismus einer NuVinci-Nabenschaltung Sein Grundprinzip wurde bereits von Leonardo da Vinci beschrieben. Der Name NuVinci (new, engl. neu) ist davon abgeleitet. Es ist ein stufenloses Planetengetriebe mit Reibschluss zwischen Kugeln und Kegelflächen. Durch Kippen der durch die Kugeln führenden, im Getriebegestell gelagerten Achsen rollen diese mit unterschiedlich großen Radien auf den Rändern der seitlich angeordneten Scheiben, was ein unterschiedlich großes Übersetzungsverhältnis ergibt.Fahrradgetriebenabe NuVinci der Firma Fallbrook, Hub-Diagramm
X-CONI-Getriebe mini|links|Ausführung als QuattroCONI-Getriebe mit vier Kegeln