Antriebsstrang - Auch Lastschaltgetriebe entwickeln sich weiter

Stufenlosgetriebe sind bei Traktoren weiterhin auf dem Vormarsch. Nichtsdestotrotz können sich auch lastschaltbare Stufengetriebe behaupten, nicht zuletzt wegen ihrer hohen Volllastwirkungsgrade und ihrer Langlebigkeit. Bei den jüngsten Entwicklungen paaren die Hersteller feine Gangabstufungen mit hohem Fahrkomfort. eilbote-Fachautor Roger Stirnimann gibt einen technischen Überblick.

Antriebsstrang: Auch Lastschaltgetriebe entwickeln sich weiter

Lastschaltgetriebe, hier der Case IH Maxxum als Beispiel, bieten heute fast den Fahrkomfort von Stufenlosgetrieben.

Hauptaufgabe von Fahrzeuggetrieben ist die Anpassung der Fahrgeschwindigkeiten an die jeweiligen Fahr-/Einsatzbedingungen sowie die Umkehr der Fahrtrichtung. In kleinen Gängen liegt ein großes Übersetzungsverhältnis vor, wodurch die Drehzahl zwischen Motorschwungrad und Radnaben reduziert und das Drehmoment entsprechend erhöht wird. Hiermit können hohe Zugkräfte bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten dargestellt werden, was beispielsweise beim Pflügen erforderlich ist. In großen Gängen ist es umgekehrt: Das Übersetzungsverhältnis ist hier klein, was zu höheren Fahrgeschwindigkeiten bei geringeren Zugkräften führt, eine typische Situation bei Transportarbeiten. Getriebe werden deshalb auch als Drehmoment-/Drehzahlwandler bezeichnet.

Teuerste Baugruppe bei Traktoren

Bei Traktoren kommen aber noch weitere Aufgaben dazu: Die Antriebe von Heckzapfwelle, Allrad und Hydraulikpumpe(n) sowie in vielen Fällen der „Haushalt“ für das Hydrauliköl. Vorderachsträger, Motor, Getriebe und Hinterachse bilden bei Standardtraktoren zudem oft die tragende Struktur (Blockbauweise), womit dem Getriebegehäuse auch eine Chassis-Funktion zukommt. Getriebe und Hinterachse weisen überdies zahlreiche funktionale Besonderheiten auf, was diese „Transaxle“ genannte Einheit zur teuersten Traktorbaugruppe machen. Die Gegenüberstellung von Merkmalen typischer Traktor- und Lkw-Getriebe in Tabelle 1 soll dies verdeutlichen.

Der Lastschaltung kommt bei Traktoren seit Jahrzehnten eine besondere Bedeutung zu, weil mit diesen oft schwere Zugarbeiten bei geringen Fahrgeschwindigkeiten ausgeführt werden. Wenn Schaltvorgänge hier mit einer Unterbrechung des Leistungsflusses erfolgen, führt dies zu einem sofortigen Stillstand und erfordert ein Wiederanfahren. Das führt zu Zeit- und Komforteinbußen und erhöht den Verschleiß. Bei Lastschaltgetrieben erfolgt der Gangwechsel sehr schnell und ohne Leistungsunterbrechung, weshalb sie auch als Power-Shift-Getriebe bezeichnet werden. Bei Lastwagen treten die genannten Probleme weniger stark auf, weil die Schaltvorgänge in der Regel bei höheren Fahrgeschwindigkeiten stattfinden, wo genügend Bewegungsenergie zur Überbrückung von Leistungsunterbrüchen vorhanden ist.

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Große Vielfalt bei Teillastschaltgetrieben

Während in Europa in den 1980er-Jahren praktisch nur 2-fach-Lastschaltungen angeboten wurden, gab es in den 1990er-Jahren einen Trend zu Teillastschaltgetrieben (auch Semi-Powershift-Getriebe genannt) mit drei und vier Lastschaltstufen. Als Beispiele mit vier Stufen können genannt werden: Case IH Maxxum-Powershift, Fendt Turboshift, Ford ElectroShift, John Deere PowrQuad und Massey Ferguson Dynashift). In den letzten 20 Jahren wurde die Anzahl an Lastschaltstufen laufend erhöht und die aktuellsten Entwicklungen kommen mit sieben und acht daher.

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Parallel dazu gab es bei Großtraktoren aus den USA immer auch Volllastschaltgetriebe (Full-Powershift-Getriebe), bei welchen alle Vorwärts- und Rückwärtsgänge ohne Kupplungsbetätigung und Leistungsunterbrechung geschaltet werden können. Eine europäische Sonderstellung nahm Same mit dem 1990 vorgestellten 9-fach-Lastschaltgetriebe für das Traktormodell Titan 160 ein, das 2012 durch das SMARTronic mit zwölf Lastschaltstufen abgelöst wurde. Dieses Getriebe wird heute aber nicht mehr angeboten. Tabelle 2 enthält eine Übersicht über aktuelle Teil- und Volllastschaltgetriebe.

Gruppenprinzip und Baukastensystem

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Hexashift-Getriebe von Claas: links die drei hintereinandergeschalteten Planetensätze für die sechs Lastschaltstufen (1), in der Mitte das Reversiergetriebe (2) und rechts das Gruppengetriebe (3).

Die Gänge von Stufengetrieben werden über Zahnradpaare oder Planetengetriebe mit unterschiedlichen Zähnezahlen dargestellt. Um Bauraumbedarf, Kosten und Gewicht möglichst gering zu halten, nutzen die Hersteller diese Elemente mehrfach. Beim Hexashift-Getriebe von Claas (Bild 1) werden beispielsweise vier synchronisierte Gruppengänge mit je sechs Lastschaltstufen kombiniert, woraus 24 Vorwärts- und 24 Rückwärtsgänge resultieren. Wird diese 4x6-Struktur mit einer Kriechgruppe ergänzt, verdoppelt sich die Gangzahl.

Dieses Gruppenprinzip wird von den Traktorenherstellern auch zur Darstellung von Getriebebaukästen benutzt, dank welchen weltweit unterschiedliche Marktbedürfnisse abgedeckt werden können. In Tabelle 3 ist als Beispiel der Getriebebaukasten von John Deere für die Baureihen 5M/5R dargestellt. Durch die Kombination von verschiedenen Modulen lassen sich hiermit fünf unterschiedliche Getriebe realisieren, vom einfachen 16/16-Synchrongetriebe bis zum 8-fach-Teillastschaltgetriebe mit 32/16 Gängen.

Zwei unterschiedliche Bauweisen

Lastschaltgetriebe können in Vorgelege- oder Planetenbauweise ausgeführt sein, oft werden diese auch kombiniert, wie beispielsweise beim vorgenannten Hexashift-Getriebe. Die erstgenannte Bauweise basiert auf gegenüberliegenden Wellen, die mit Zahnrädern unterschiedlicher Größe bestückt sind. Über Lamellenkupplungen können die jeweiligen Wellen und Zahnräder „unter Last“ miteinander verbunden werden. Bei der Planetenbauweise wird die Lastschaltung über Lamellenkupplungen und -bremsen in den Planetengetrieben dargestellt. Sonnen- und Hohlrad sowie der Planetenträger sind hier mit ein- oder ausgangsseitigen Wellen verbunden. Werden zwei dieser Wellen über die Kupplung miteinander verbunden, führt das zu einem Blockumlauf mit 1:1 Durchtrieb.

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Mit der Lamellenbremse lässt sich hingegen eine der Wellen mit dem Getriebegehäuse verbinden, woraus Übersetzungen ins Langsame (Übersetzungsverhältnis i > 1) oder ins Schnelle (i < 1) resultieren. Die Lamellenkupplungen und -bremsen laufen bei Lastschaltgetrieben im Öl und werden deshalb als „nass“ bezeichnet. Das hat den Vorteil, dass sie laufend gekühlt werden und nur geringen Verschleiß aufweisen.

Doppelkupplungsgetriebe: Mehr Lastschaltstufen mit weniger Kupplungen

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8-fach-Lastschaltgetriebe mit Doppelkupplungstechnik von CNH: Mit nur zwei Lamellenkupplungen lassen sich acht Lastschaltstufen schalten.

Eine besondere Vorgelegebauart sind die Doppelkupplungsgetriebe. Das Prinzip ist seit Jahrzehnten bekannt und wurde beispielsweise schon in den 1990er-Jahren von Renault und Landini zur Darstellung von 3-fach-Lastschaltgetrieben mit lastschaltbarer Reversierung verwendet (Tracto-Shift resp. Deltasix). Breite Anwendung bei Traktoren fand das Doppelkupplungsprinzip aber erst mit Getrieben von CNH und John Deere. CNH nutzt dieses seit 2009 für den Fahrbereichswechsel bei den kleineren/mittleren Stufenlosgetrieben und seit 2017 auch für die 8-fach-Lastschaltung bei den Getrieben Case IH Active Control 8 / New Holland DynamicCommand / Steyr S-Control 8. John Deere stellt damit beim DirectDrive-Getriebe ebenfalls acht Lastschaltstufen dar, führte das Prinzip aber bereits 2012 mit der Baureihe 6R ein. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass mit nur zwei Lamellenkupplungen mehrere Lastschaltstufen realisiert werden können. Im entsprechenden Getriebeteil ist somit immer nur eine offene Kupplung mit Leerlaufverlusten vorhanden, was gute Wirkungsgrade verspricht. Tabelle 4 beinhaltet eine Gegenüberstellung von Getrieben mit sechs, sieben und acht Lastschaltstufen mit den jeweiligen Lastschaltelementen. Die Beispiele 1 bis 5 basieren auf klassischer Vorgelege- beziehungsweise Planetenbauweise, die Beispiele 6 und 7 hingegen auf Vorgelegebauweise mit Doppelkupplungstechnik.

Auffallend bei den Doppelkupplungsgetrieben ist die geringe Anzahl an Lamellenkupplungen für die Lastschaltstufen. Kehrseite der Medaille ist aber die relativ hohe Anzahl an Zahnrädern, die sich systembedingt aus den beiden Doppelkupplungswellen und der gemeinsamen Zwischenwelle ergibt. In Bild 2 ist das 8-fach-Lastschaltgetriebe von CNH dargestellt (Betrachtung von hinten nach vorne und unten nach oben). Sehr gut zu erkennen ist die Getriebeeingangswelle links unten, das Zwischenrad für den Fahrtrichtungswechsel (Bildmitte links), die Welle mit den Lamellenkupplungen für die Rückwärtsfahrt und die ungeraden Lastschaltgänge (oben), die Zwischenwelle (Bildmitte), der Gruppengetriebeteil mit der Kegelradwelle (rechts unten) sowie die Lamellenkupplungen für die Vorwärtsfahrt und die geraden Lastschaltgänge (Bildmitte unten).

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Da Aufbau, Funktion und Leistungsflüsse von Getrieben in 3D-Illustrationen nicht immer ganz einfach nachvollziehbar sind, werden diese nachstehend anhand von Getriebeplänen erklärt (Bilder 3 und 4). Das Getriebe besteht aus einem Reversiergetriebeteil (Vorgelege links mit Lamellenkupplungen KV/KR), einem Lastschaltgetriebeteil (Lamellenkupplungen K1/K2 und synchronisierte Gänge 1 bis 8, Mitte oben) und einem Gruppengetriebeteil (synchronisierte Gruppen A, B und C, rechts unten). Die ungeraden Gänge sind zusammen mit der Rückwärtskupplung KR und der „Doppelkupplung“ K1 auf der oberen Schaltwelle angeordnet, die geraden Gänge zusammen mit der Vorwärtskupplung KV und der „Doppelkupplung“ K2 auf der unteren. Die synchronisierten Schaltmuffen werden beim Durchschalten der acht Lastschaltstufen jeweils elektro-hydraulisch vorgewählt, danach die entsprechenden Doppelkupplungswellen über die Kupplungen K1 und K2 wechselweise kraftschlüssig geschaltet. Der Gruppenwechsel erfolgt ebenfalls über synchronisierte Schaltmuffen, allerdings nicht unter Last und somit mit einer kurzen Leistungsunterbrechung.

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Neue Traktorbaureihe, neue Lastschaltgetriebe: Massey Ferguson 8S.

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Volllastschaltgetriebe Dyna-E-Power von Massey Ferguson mit einem Teil der Hinterachse.

Massey Ferguson stellte 2020 mit der Traktor-Baureihe 8S (Bild 5) die neuen Teil- und Volllastschaltgetriebe Dyna-7 resp. Dyna-E-Power vor. Beide basieren auf dem bekannten Dyna-6-Getriebe (baugleich mit Hexashift von Claas), bei dem sechs Lastschaltstufen mit drei hintereinander angeordneten Planetensätzen realisiert werden. Von den acht theoretisch möglichen Schaltkombinationen (23) werden neu sieben genutzt (mit leicht angepassten Zähnezahlen). Beim Dyna-7 ergibt sich in Kombination mit vier synchronisierten Gruppengängen ein 7-fach-Teillastschaltgetriebe mit 28/28 Gängen (V/R). Das Dyna E-Power weist eine ähnliche Grundstruktur wie das Dyna-7 auf, der Gruppenwechsel erfolgt hier aber über Doppelkupplungen unter Last, woraus ein 28/28-Volllastschaltgetriebe resultiert.

Das Dyna-E-Power ist in Bild 6 in dreidimensionaler Form dargestellt. Rechts oben ist der Planetengetriebeteil mit der 7-fach-Lastschaltung zu erkennen, links davon das Reversiergetriebe mit den beiden Lamellenkupplungen für die Vor- und Rückwärtsfahrt. Daran schließt das Gruppengetriebe mit den Doppelkupplungen an und ganz links unten ist schließlich noch das Differenzialgetriebe mit Kegel- und Tellerrad und ein Teil der Hinterachse zu sehen.

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In Bild 7 ist das gleiche Getriebe wiederum in Form eines Getriebeplanes dargestellt. Die drei Planetengetriebe mit ihren jeweiligen Lamellenkupplungen (K1 bis K3) und Lamellenbremsen (B1 bis B3) für die 7-fach-Lastschaltung sind darin links oben eingezeichnet, das Reversiergetriebe mit den Lamellenkupplungen KR und KV oben in der Mitte und das Gruppengetriebe mit den Gängen A, B, C und D sowie den Doppelkupplungen K4 und K5 rechts unten.

Durch das versetzte „Übereinanderlegen“ der Nennfahrgeschwindigkeiten in den Gruppen B und C können die bereits relativ kleinen Stufensprünge der 7-fach-Lastschaltung von rund 1,18 im Geschwindigkeitsbereich von 7 bis 22 km/h durchgängig auf etwa 1,085 halbiert werden. Diese sehr feinen Stufensprünge werden durch das Hin- und Herschalten zwischen den Gruppen B und C erreicht (siehe rote Pfeile im Geschwindigkeitsdiagramm). Genutzt wird diese Schaltabfolge aber nur im Automatikmodus, im manuellen Modus wird die Gruppe B (mit Ausnahme von Gang B1) ausgelassen, um ein zügiges Hoch- und Herunterschalten mit weniger Schalteingriffen zu ermöglichen. Entsprechend stehen hier „nur“ 22 Gänge zur Verfügung.

Gangabstufung bewerten

Wer vor einer Kaufentscheidung für einen Traktor mit Lastschaltgetriebe steht, sollte sich unbedingt die Stufungs-und Überlappungsqualität anschauen. Hilfreich hierfür sind Geschwindigkeitsdiagramme, aus welchen unter anderem entnommen werden kann, wo Gruppenwechsel anstehen, wie viele Gänge im Hauptarbeitsbereich zur Verfügung stehen und wie diese verteilt sind. In Bild 8 sind die Nennfahrgeschwindigkeiten (Fahrgeschwindigkeit bei Nenndrehzahl des Motors) der 28 Vorwärtsgänge des Dyna-7-Getriebes auf einer logarithmischen Skala aufgetragen. Diese Darstellungsart hat den Vorteil, dass gleiche Abstände im Diagramm gleiche Stufensprünge bedeuten.

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    Die Stufungs- und Überlappungsqualität des Dyna-7 kann folgendermaßen beurteilt werden:

    • Die Fahrgeschwindigkeiten innerhalb der Gruppen A, B, C und D sind sehr gleichmäßig verteilt und die Stufensprünge mit 1.18 relativ fein (übliche Stufensprünge liegen zwischen 1.2 bis 1.22)
    • Die Gruppenüberlappungen sind gut gewählt, sodass die Nennfahrgeschwindigkeiten jeweils zwischen denjenigen der Nachbargruppen liegen. Das Getriebe weist damit nicht nur 28 Gänge auf, sondern auch 28 unterschiedliche Nennfahrgeschwindigkeiten
    • Im Hauptarbeitsbereich von 4 bis 12 km/h stehen elf Nennfahrgeschwindigkeiten zur Verfügung, was ein sehr guter Wert ist (übliche Anzahl bei Teillastschaltgetrieben mit 24 Gängen: 8 bis 9)
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    Vorteilhaft ist auch, dass die Gruppe C mit einer Nennfahrgeschwindigkeit von unter 10 km/h beginnt, wodurch auch mit beladenen Transportanhängern gut angefahren und flott beschleunigt werden kann. Der Gruppenwechsel von C auf D erfolgt erst bei rund 25 km/h und somit einer Geschwindigkeit, bei welcher genügend Bewegungsenergie vorhanden ist, um den kurzen Leistungsunterbruch zu überbrücken. Gruppe D ist zudem genügend weit oben angesetzt, um maximale Fahrgeschwindigkeiten von 40 und 50 km/h (länderspezifisch) mit tiefen und somit treibstoffsparenden Motordrehzahlen darstellen zu können.

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    Das Volllastschaltgetriebe e23 von John Deere weist 23 Vorwärts- und 11 Rückwärtsgänge mit Stufensprüngen im Bereich von 1.15 auf.

    Den Trend zu feiner gestuften Lastschaltgetrieben läutete John Deere vor einigen Jahren mit der Einführung des Volllastschaltgetriebes e23 für die Großtraktoren-Baureihen 7R und 8R ein, das Stufensprünge im Bereich von 1.15 aufweist (Bild 9). Zusammen mit Komfortfunktionen, die bisher den stufenlosen Pendants vorbehalten waren – beispielsweise der Wechsel zwischen Fahrpedal- und Fahrhebel-Modus, das Anfahren und Anhalten über das Bremspedal ohne Kupplungspedalbetätigung oder das automatische Ansteuern der optimalen Motorbetriebspunkte bei Teillast – versuchen die Hersteller zunehmend die Vorteile von Stufengetrieben mit dem Bedienkomfort von Stufenlosgetrieben zu kombinieren.

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