Der Schaltvorgang im Automatikgetriebe

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Posting im Forum von Rainer 200E vom 26.05.2005 Link zum Posting

Einleitung

Im Gegensatz zu vielen einfach aufgebauten Automatikgetrieben (z.B. 3-Gang) der Vor-Elektronik-Zeit mit weichen Wandlern mußte man sich einige Kunstgriffe einfallen lassen, um trotz einer steifen Wandlerkennung (sehr angenehm, geeignet auch für schwache Motoren) einen guten Schaltkomfort zu erzielen. Was heute per Software einfach zu optimieren ist, war damals sicherlich ein aufwendiges Unterfangen beim Anpassen an alle Motorvarianten. In jedem Fall sind unsere Automaten ein mechanisches Wunderwerk und äußerst raffiniert aufgebaut. Deshalb waren sie auch so geschätzt und vielen anderen Getrieben in ihrer Funktion ganz klar überlegen. Das stimmt natürlich nur, wenn alles perfekt eingestellt ist.


Ich habe versucht, das Getriebe theoretisch zu verstehen, bin natürlich nicht vollständig durchgestiegen (kostet zu viel Zeit); aber ich denke, wenn man ein paar Hintergründe weiß, ist das für die Bedienung und für das richtige Einschätzen des Automaten von Vorteil. Ich versuche jetzt, den Schaltvorgang und dessen Beurteilung möglichst einfach und auch stark vereinfacht darzustellen.


Klar ist, das nicht elektronisch beeinflußte Getriebe hat ein Eigenleben (abhängig von Öl- und Außentemperatur, Ölzustand und -Viskosität, Zustand der Reibbeläge, sonstige Alterung, Serienschwankungen, Leistungsentwicklung und Zustand des Motors, oder ob gar der Gas-Umlenkhebel ausgeschlagen ist usw.). Unsere Autos haben eben Charakter, sind Persönlichkeiten - heute fahren sie traumhaft, morgen dann vielleicht einmal nicht ganz so gut. Unter optimalen Bedingungen sollte das Getriebe jedoch fast butterweich schalten. Also, was passiert eigentlich beim Schaltvorgang?


Druckarten im Getriebe

Da gibt es zunächst den Arbeitsdruck. Er wird von einer vom Motor angetriebenen Pumpe im Getriebe erzeugt und wirkt in den entsprechenden Bremsbändern oder Lamellenkupplungen. Um nicht unnötig Energie zu vergeuden und für einen guten Schaltkomfort, wird dieser Druck moduliert. In den unteren beiden Gängen und im Rückwärtsgang ist er stärker (höheres Moment wird übertragen), bei hoher Last ist er höher als bei niedriger, im Wandlerbereich (Drehmomentverstärkung) wird er erhöht. Die Kupplungen und Bremsen werden also permanent je nach Situation stärker oder weniger stark angepreßt (also auch, wenn kein Schaltvorgang ansteht). Das Getriebe hat dafür einen Anschluß zur Ansaugbrücke. Folgender Zusammenhang gilt:


Hoher Unterdruck = wenig Last = niedriger Arbeitsdruck

Niedriger Unterdruck = viel Last = hoher Arbeitsdruck


Damit das Getriebe immer sicher greift, ist der Arbeitsdruck höher als es für das zu übertragende Moment notwendig wäre.


Beim Dieselmotor wird die Motorlast von einer Unterdruckpumpe simuliert. Stimmen die Anschlüsse nicht, schaltet das Getriebe hart und der Verbrauch steigt theoretisch (permanent hoher Arbeitsdruck - Wirkungsgrad sinkt).


Ist das Getriebe schon stark verschlissen (kurze Drehzahlerhöhung beim Hochschalten in allen Gängen), kann der Unterdruck an einem kleinen Rädchen am Getriebe um bis zu 0,2 bar erniedrigt werden (es gibt verschiedene Ausführungen).


Alle anderen Drücke werden vom Arbeitsdruck abgeleitet:


Da gibt es den Schaltdruck: der Arbeitsdruck wird abhängig von der Motorlast (Unterdruck) noch einmal zusätzlich reduziert. Der Schaltdruck ist also grundsätzlich niedriger als der Arbeitsdruck. Er bestimmt den Schaltkomfort über die sogenannten Aufnehmersysteme (siehe unten).


Dann der Reglerdruck. Der Regler hat Fliehgewichte (wie bei der Dampfmaschine). Er wird vom Abtrieb angetrieben. Geschwindigkeitsabhängig wird ein Druck erzeugt (nicht linear sondern in 3 Stufen degressiv - für uns nicht so wichtig).


Und schließlich der Steuerdruck, vom berühmten Steuerdruckzug (entspricht Gaspedalstellung) geregelt. Über einen Kniehebel (siehe E-Programm) wird ein Schieber verstellt. Mehr Gas bedeutet mehr Steuerdruck.


(Einen Schmierdruck gibt es auch noch - unwichtig.)


Einleiten eines Schaltvorganges

Für jeden Schaltvorgang existiert ein Kommandoschieber (schöner Name - nicht wahr?). Vereinfacht gesagt liegt auf der einen Seite des Schiebers der Reglerdruck an, auf der anderen der Steuerdruck. Wird der Reglerdruck mit zunehmender Geschwindigkeit höher als der Steuerdruck (entspricht Gaspedalstellung) ist die Schaltdrehzahl erreicht, der Schieber schnappt um und es wird ein Hochschaltvorgang eingeleitet. Rückschaltungen funktionieren umgekehrt.


D.h., der Arbeitsdruck wird dann zu einer Kupplung oder Bremse geleitet, oder der Abfluß wird ermöglicht.


Der Schaltvorgang

Betrachten wir zunächst das Hochschalten. Der Motor muß unter Last auf eine niedrigere Drehzahl gebracht werden.


Dazu muß z.B. ein Bremsband öffnen und gleichzeitig eine Lamellenkupplung schließen. Würde man das einfach mit dem modulierten Arbeitsdruck ausführen, würde das Getriebe stoßen (aber weniger verschleißen).


Nach dem Umschnappen des Kommandoschiebers wird zum Lösen das Abfließen aus einer Kupplung oder Bremse ermöglicht, wobei Drosseln den Druckaufbau verlangsamen. Gleichzeitig wird für den nächsten Gang der modulierte Arbeitsdruck zur betreffenden Kupplung oder Bremse geleitet.


Für einen guten Schaltkomfort ist ein sogenanntes Aufnehmersystem zwischengeschaltet. Es bewirkt einen zeitlich genau definierten, verzögerten Druckaufbau in der betreffenden Kupplung oder Bremse (sprechen wir jetzt zur Vereinfachung nur noch von einer Kupplung), der Schaltvorgang wird sanft, er wird zeitlich verzögert. Dieses System verhindert auch den Einschaltruck beim Wechsel von P oder N auf eine Fahrstufe.


So, jetzt wird es etwas kompliziert.


Das Aufnehmersystem besteht neben Drosseln, Rückschlagventiel und Sperrschiebern (ignorieren wir alles) zunächst mal aus einem Regelschieber. Er läßt den Arbeitsdruck zur Kupplung fast ungehindert durchströmen oder kann diesen drosseln. Auf dem Weg zur Kupplung zweigt ein Zylinderraum ab mit einem Kolben, dem sogenannten Aufnehmer.


Auf der einen Seite (sagen wir links) des Kolbens wird er vom herrschenden Arbeitsdruck nach dem Schieber beaufschlagt, auf der anderen Seite (rechts) liegt der Schaltdruck an (niedriger als der volle, modulierte Arbeitsdruck). Der Schaltdruck drückt zunächst den Kolben auf Anschlag nach links. Wenn sich der Arbeitsdruck im System aufbaut, legt sich zunächst die Kupplung etwas an. Sobald aber die Höhe des Steuerdruckes überschritten wird, wird der Kolben langsam nach rechts gedrückt (der Aufnehmer beginnt zu "laufen"). Dadurch wird das Öl des Schaltdruckes auf der anderen Kolbenseite verdrängt. Es muß aber zum Entweichen durch eine Drossel strömen, kommt also nicht so schnell weg. Das bestimmt die Geschwindigkeit des Kolbens und damit auf der einen Seite die Geschwindigkeit des Druckaufbaus bis zur Kupplung und auf der anderen Seite die Höhe des Schaltdruckes im Aufnehmersystem bis zur Drossel. Außerdem hat der Schaltdruck vor der Drossel noch einen Anschluß am Regelschieber. Wenn der Schaltdruck im Aufnehmersystem steigt, wird der Schieber etwas verschoben und reduziert dadurch zusätzlich den Zufluß des Arbeitsdruckes (ob man das verstehen kann?).


Der einströmende Arbeitsdruck muß also einerseits einen Zylinderraum füllen, andererseits wird seine Zufuhr, abhängig von der Kolbengeschwindigkeit, reduziert. Dadurch steigt der Druck nur langsam in der Kupplung bis der Aufnehmer schließlich in seine Endlage gerät. Dann baut sich der erhöhte Schaltdruck wieder ab, der Regelschieber geht in Ausgangsstellung und der Druck in der Kupplung steigt bis zum vollen, modulierten Arbeitsdruck. Der Schaltvorgang ist beendet.


Dies also bewirkt den Schaltkomfort beim Hochschalten (in Wirklichkeit ist es noch etwas komplizierter - aber sonst liest ja gar keiner mehr weiter).


Der gestörte Schaltkomfort

Das Aufnehmersystem ist genau abgestimmt auf die Zuordnung Motormoment zu Schaltdrehzahl.


Arbeitsdruck und Schaltdruck sind unterdruckabhängig geregelt - siehe oben. Und jetzt ein ganz wichtiger Zusammenhang: bei einer definierten Drosselklappenöffnung steigt der Unterdruck mit zunehmender Drehzahl, weil die Ventile im Motor öfter auf- und zugehen, bzw. sinkt bei niedrigerer Drehzahl - obwohl man die Gaspedalstellung nicht verändert; dabei verändert sich das abgegebene Moment zumindest in engen Drehzahlgrenzen kaum (nur die Leistung).


Wenn der Steuerdruckzug zu niedertourig eingestellt ist, passiert folgendes:


Der Unterdruck ist zu niedrig für die passende Schaltdrehzahl, folglich sind Arbeits- und Steuerdruck zu hoch, der Schaltvorgang erfolgt energischer, mit mehr Druck. Der Vorgang ist gegenüber dem tatsächlichen Motormoment zu mächtig, der Motor wird stark abgebremst bevor das Aufnehmersystem abgelaufen ist - das Getriebe stößt.


Typisches Anzeichen dafür ist, wenn man kurz vor dem Schaltvorgang das Gaspedal etwas lupft und dann das Getriebe sanfter schaltet. Denn jetzt paßt ja der Unterdruck besser zur Schaltdrehzahl.


Bei zu hochtourig eingestelltem Steuerdruckzug hat der Motor zuviel Moment (bzw., das Getriebe denkt es liegt weniger Moment an). Dh., wenn der Aufnehmer anfängt zu laufen, wird der Motor zunächst gar nicht richtig abgebremst - er hat zuviel Kraft. Der Motor verharrt in der Drehzahl während des Schaltvorganges irgendwie komisch um dann kurz danach abzusacken (Arbeitsdruck liegt vollständig an). Das ist nicht so sehr unkomfortabel, das Auto wird vom Motor nur so ein bißchen angestubst.


Beim Hochschalten von Hand ohne Gas ist der Schaltdruck zwar ganz niedrig, aber das Aufnehmersystem ist ohne Chance, da der Motor ohne Gas ja zusätzlich abbremst. Deshalb wird der Gang härter eingelegt. Wenn man dabei ein wenig Gas gibt, stimmt der Unterdruck besser zur Schaltdrehzahl, der Schaltvorgang ist verzögert und weich.


Der modulierte Arbeitsdruck kann nicht beliebig weit heruntergeregelt werden, sondern nur soweit, daß auch das Motormoment im Schiebebetrieb noch sicher übertragen wird (Grunddruck). Deshalb funktioniert das Aufnehmersystem unter Umständen bei ganz, ganz wenig Gas nicht befriedigend. Es kann sein, daß das Getriebe stößt.


Einstellen des Steuerdruckzuges

Der Steuerdruckzug muß also genau stimmen, damit die Schaltdrehzahl stimmt.


Leider gibt es beim 4-Zylinder und 6-Zylinder andere Systeme, beim Diesel ist es wieder anders. Am einfachsten geht es beim 4-Zylinder-Benziner. Leider gibt es da eine frühe und eine späte Version (andere Anordnung). Ich beschreibe letztere (so ab '89??). Am Rändelrad des Steuerdruckzuges sieht man eine kleine Rille in der Mitte und einen kleinen, drehbaren Bügel mit einem eingeprägten Pfeil (späte Version). Das ist die Einstellhilfe. Man muß nur (ohne Gas zu geben) das Rändelrad so verdrehen, daß der Pfeil genau auf die Rille weist (kinderleicht).


Jetzt kann man aber noch Feintuning betreiben, da eben nicht alle Fahrzeuge gleich sind:


Zuerst fährt man das Getriebe warm, dann sucht man sich eine starke Gefällestrecke. Man hält an. Anschließend läßt man das Auto rollen und merkt sich die Hochschaltpunkte ohne Last (bei meinem 200E von 2 auf 3 bei ca. 28 km/h und von 3 auf 4 bei 42 km/h).


Jetzt fährt man auf einen ebenen, großen Parkplatz am Sonntag (o.ä.). Man hält an. Dann pegelt man soviel Gas ein, daß das Auto gerade so beschleunigt (entspricht Grunddruck). Bei den oben ermittelten, minimalen Hochschaltpunkten müssen die Schaltvorgänge eingeleitet (nicht beendet) werden. Liegen sie zu hoch, Rändelmutter ganz wenig nach rechts drehen (man steht vor dem Auto - bei früher Version ggf. umgekehrt?). Wieder probieren, usw..


Stimmen die Schaltpunkte, dann ein klein wenig mehr Gas geben, so daß man schon spürbar beschleunigt. Jetzt muß das Getriebe den Schaltpunkt ein bißchen hochziehen (bei meinem Auto von 2 auf 3 statt bei 2.000/min bei 2.200, max. bei 2.500/min). Wenn nicht, Steuerdruckzug ganz wenig nach links drehen. Und wieder probieren.


Wenn es dann paßt, viel Spaß beim Automatikfahren - ich verspreche für Leute mit entsprechendem Gespür einen Hochgenuß - die hohe Schule des unnachahmbaren Mercedes-Gleitens.


Besonderheit beim Rückschalten

Das Zurückschalten funktioniert im Prinzip umgekehrt, aber mit einer interessanten Zusatzfunktion:


Zunächst vorab, Kupplungen verblocken Planeten-Getriebeteile untereinander, Bremsen stützen Getriebeteile gegen die Gehäusewand ab (Momentenabstützung). Im 4. Gang sind 2 Kupplungen geschlossen (direkter Durchtrieb). Beim Rückschalten bis Stufe 2 wird dann immer eine Kupplung gelöst und ein Bremsband zugeschaltet. Ich habe früher schon einmal dargestellt, daß es im Planetengetriebe eine Zwischenwelle mit einem Freilauf gibt (Rückrollen am Berg - da gehe ich nicht mehr drauf ein). Durch Reaktionskräfte in den Planetenradsätzen dreht sich diese Welle manchmal vorwärts oder will sich in der nächsten Gangstufe rückwärts drehen. Dieser Drehrichtungswechsel wird für ein sanftes Zurückschalten ausgenützt.


Die Kupplung wird beim Rückschalten gedrosselt entleert. Gleichzeitig wird das Bremsband, über die Aufnehmersysteme gesteuert, nur langsam angezogen. In diesem Zustand kann der Motor unter Last hochdrehen. D.h., im Gegensatz zum Hochschalten beschleunigt der Motor freiwillig zur passenden Drehzahl. Das Bremsband erhält durch den Anlegedruck eine Krafteinwirkung in Drehrichtung. Durch das Hochdrehen des Motors verlangsamt sich die Welle und will schließlich bei genau passender Drehzahl durch die Eigenart des Planetengetriebes anfangen, rückwärts zu drehen. Das Bremsband wird dann andersrum mit Kraft beaufschlagt. Das wird durch eine spezielle Vorrichtung hydraulisch abgetastet. Das Getriebe weiß, die Drehzahl stimmt um dann genau in diesem Moment den vollen Arbeitsdruck anzulegen. Der kleinere Gang wird stoßfrei (besser stoßarm) bei genau richtiger Drehzahl eingelegt.


Beim Rückschalten kann man während des Hochdrehens des Motors eine leichte Zugkraftunterbrechung spüren. Das ist normal.


Beim Rückschalten von Hand ohne Gas kommt der Motor ja freiwillig nicht auf ein höheres Drehzahlniveau. Deshalb muß hierbei das Aufnehmersystem umgangen werden (zusätzliche Ventile im Aufnehmersystem). Dabei wird sofort der modulierte Arbeitsdruck voll angelegt. Das führt zu hartem Rückschalten. Wenn man dabei etwas Gas gibt, stimmt der Unterdruck besser zu Drehzahl und Moment, der Motor kann freiwillig hochdrehen und der Schaltvorgang ist verzögert und weich, das Aufnehmersystem arbeitet.


Der erfahrene Automatikfahrer kennt ungefähr seine Gaspedal-abhängigen Rückschaltpunkte. Der Vorgang läuft dann am schönsten ab, wenn man zunächst nur soviel Gas gibt, wie es für den Rückschaltvorgang notwendig ist - kurz warten, Gangwechsel ist beendet - erst dann mehr Gas geben - wirkt viel professioneller.


Im untersten Geschwindigkeitsbereich deutet hartes Rückschalten von 4 auf 3 (im Bereich minimalem Rückschaltpunkt) trotz wenig Gas auf einen zu niedertourig eingestellten Steuerdruckzug.


Der Programmwählschalter

Hinter dem E-Programm steckt eigentlich etwas banales. Der Steuerdruckzug greift am Kniehebel an und betätigt den Steuerdruck-Regelschieber - aber nicht ganz direkt. Es gibt einen 2. Hebel. Der ist über eine Feder mit dem Kniehebel verbunden. Dann ist da eine Unterdruckdose, die läßt einen Stift ausfahren. Schaltet man auf "E", fährt der Stift aus. Dadurch kann sich der Kniehebel nur ein Stück bewegen und schlägt an. Das entspricht der Schaltdrehzahl des E-Programmes. Gibt man mehr Gas, wird einfach die Feder gedehnt - der Steuerdruck weiß nichts von mehr Gas.


Daraus ergeben sich folgende Schlußfolgerungen:


Bei wenig Gas schaltet das Getriebe im E- und S-Programm genau gleich.

Der Schaltkomfort im E-Programm ist bei viel Gas schlechter - Motormoment stimmt nicht zu Schaltdrehzahl - siehe oben.

Das Gaspedal geht ab einer bestimmten Stellung im E-Programm schwerer - wegen der Feder (kann man bei meinem Auto genau spüren).


Kick-down nimmt einfach den Unterdruck weg. Dadurch springt der Kniehebel auf Vollgasstellung. Wenn das Kick-down-Signal wieder weg ist, will der Stift ausfahren, er kann aber erst, wenn man das Gas entsprechend zurücknimmt. Das kann man beim fahren ausnützen. Ich fahre gern im E-Programm, da man ohne Schaltvorgang mit viel Gas aus der Ortschaft herausbeschleunigen kann. Wenn man jetzt überholen muß, braucht man keineswegs auf "S" zu schalten. Es genügt ein kurzes Antupfen des Kick-down-Schalters (Gas gleich wieder etwas wegnehmen) und man ist im S-Programm ohne daß der Kick-down-Befehl ausgeführt wurde. Hat man überholt und nimmt Gas zurück, ist man automatisch wieder im E-Programm. Zumindest bei meinem Auto funktioniert das mit etwas Übung perfekt. Geht auch, wenn man zum eiligen Starten kurz den 1. Gang holen muß.


Der Kick-down-Befehl

Beim Steuerdruck (wirkt in den Kommandoschiebern in Konkurrenz zum Reglerdruck - bestimmt den Schaltpunkt) gibt es in Wirklichkeit 3 verschiedene Drücke. Der lastabhängig geregelte ist bereits beschrieben. Dann gibt es noch den Vollast-Steuerdruck und den Kick-down-Steuerdruck. Beide sind höher als der lastabhängig geregelte Druck (siehe Steuerdruckzug) und werden nicht geregelt sondern liegen fest, sind annähernd konstant und stehen stets abrufbereit zur Verfügung.


Sobald in den Kommandoschiebern der Kick-down-Druck anliegt, wird je nach Reglerdruck (Fahrgeschwindigkeit) ein Rückschaltvorgang bzw. das maximale Ausdrehen des Motors eingeleitet. Dabei darf sich der Druck in den Kommandoschiebern nicht allmählich, langsam und gemütlich einstellen, sondern man erwartet eine schnelle Reaktion. Und dafür gibt es eine spezielle (kompliziert aufgebaute) Vorrichtung: der lastabhängige Steuerdruck wird weggenommen und der höhere Kick-down-Druck liegt schnellstmöglich an. Ausgelöst wird das ganze durch ein elektrisch betätigtes Magnetventil. Das Signal kommt vom Kick-down-Schalter am Gaspedal.


Einerseits will man die Höchstdrehzahl möglichst voll ausnützen, andererseits wäre der vom Kommandoschieber bestimmte Schaltpunkt abhängig von Ölviskosität und vielen anderen Einflußfaktoren - man bräuchte also viel Sicherheitsreserven zur Höchstdrehzahl. Deshalb folgender Trick: Der Kick-down-Steuerdruck ist überhöht, er ist zwar den maximalen Rückschaltpunkten (die müssen ja nicht ganz so genau stimmen) zugeordnet, aber der Motor würde vor dem Hochschalten total überdrehen. Um das zu vermeiden, gibt es die Kick-down-Abschaltung. Die maximale Höchstdrehzahl beim Hochschalten wird elektrisch exakt kontrolliert durch ein Signal vom Kraftstoff-Pumpenrelais - 200/min vor dem Abschalten der Kraftstoffzufuhr (Drehzahlbegrenzer). Dabei wird der Kick-down-Befehl einfach abgeschaltet und es stellt sich der niedrigere Vollast-Steuerdruck im Kommandoschieber ein. Der Reglerdruck überwiegt jetzt und der Hochschaltvorgang wird ausgelöst.


Wenn der Kick-down-Befehl nicht mehr funktioniert, kann das neben dem Kick-down-Schalter und dem Magnetventil auch am Kraftstoff-Pumpenrelais liegen.


Beim Dieselmotor wird die Drehzahl am Anlasserkranz (vermutlich) induktiv erfaßt. Das Signal kommt entweder (falls vorhanden) von der elektronischen Leerlaufdrehzahlregelung oder es gibt ein eigenes Steuergerät.


Ende

Den unter Punkt 7 erwähnten Freilauf kann man "erfahren". Dazu braucht man eine ganz leichte Gefällestrecke. Anhalten, auf Fahrstellung 2 schalten, 1. Gang ist eingelegt. In Stellung 2 wird zum Ausnutzen der Motorbremswirkung der Freilauf blockiert (über ein Bremsband). Wenn man von der Bremse geht, fährt das Auto ganz langsam - vom Motor kontrolliert. Wieder anhalten, auf "D" schalten, 1. Gang bleibt eingelegt, jedoch ist jetzt der Freilauf freigegeben. Bremse lösen, das Auto rollt schneller, der Freilauf wird "überholt" bis das Getriebe schließlich in den 2. Gang schaltet. Bei einer Geschwindigkeit größer 12 km/h. Denn erst ab da entsteht Reglerdruck (Gewichte heben ab), und ohne Reglerdruck gibt es kein Hochschalten (siehe Punkt 3).


Bilder dazu kann man auf der WIS-CD anschauen.


So halbwegs müßte meine Beschreibung stimmen. Über Kritik und Korrekturen würde ich mich freuen. Und hoffentlich kann man es wenigstens ein bißchen verstehen was ich da verzapft habe, aber in Wirklichkeit ist es halt alles noch komplexer.


Gruß


Rainer