Wie funktioniert ein CVT-Getriebe?

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Je nach Hersteller heißen sie Ecotronic, Multitronic, Autotronic, Variomatic oder Multidrive. Gemeint sind natürlich stufenlose Automatik-Getriebe, wie man sie mittlerweile immer häufiger in modernen Pkw findet. Häufig spricht man von CVT-Getrieben, kurz für Continuously Variable Transmission, denn die englische Bezeichnung hat sich auch im Deutschen durchgesetzt. Im Gegensatz zu anderen Getrieben erfolgt die Übersetzung zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle nicht durch verschiedene Zahnradpaarungen, sondern durch ein Schubgliederband, einen Keilriemen, eine Laschenkette oder eine Lamellenkette. Bevor wir jedoch auf die Technik sowie ihre Vor- und Nachteile eingehen, ist ein kurzer Exkurs angebracht, warum überhaupt eine Übersetzung notwendig ist.

Aufgabe eines Getriebes

Jeder Verbrennungsmotor wird durch seine Mindestdrehzahl und seine Höchstdrehzahl bestimmt. In diesem Bereich steht auch jeweils nur ein begrenztes Drehmoment zur Verfügung. Um diese mechanische Einschränkung zu umgehen, werden Drehmoment und Drehzahl durch das Getriebe gewandelt. Die Räder drehen sich bei hohen Geschwindigkeiten schließlich deutlich schneller als die Kurbelwelle. Andererseits wird beim Beschleunigen vor allem hohes Drehmoment benötigt. Den Drehzahlbereich zwischen dem maximalen Drehmoment des Motors und seiner maximalen Leistung bezeichnet man als elastischen Bereich und er liegt bei normalen Pkw zwischen ca. 2.000 und 4.500 U/min. Die Wandlung durch das Getriebe erlaubt also dem Motor, im elastischen Bereich zu arbeiten, während die Getriebeübersetzung die gewünschten Antriebsdrehzahlen und Drehmomente passend zur Fahrsituation erzeugt. Das Getriebe kann auch die Drehrichtung umkehren und damit das Rückwärtsfahren ermöglichen.

Aufbau eines CVT-Getriebes

Während in manuellen Schaltgetrieben und gestuften Automatikgetrieben Zahnradpaarungen bzw. Planetenradsätze für die Kraftübertragung und Übersetzung sorgen - große Zahnräder mit vielen Zähnen bedeuten großes Drehmoment und kleine Drehzahl - unterscheidet sich das Innenleben eines CVT-Getriebe deutlich. Auf der Antriebswelle, die entweder durch einen Drehmomentwandler oder eine Kupplung mit dem Motor verbunden ist, findet man stattdessen die primäre Kegelscheibenpaarung. Die sich gegenüberliegenden Kreiskegel sind an der Welle näher beisammen und verjüngen sich mit zunehmendem Abstand. Der Riemen, das Schubgliederband bzw. die Kette liegt in der Ausgangsstellung zwischen beiden Kegelscheiben ganz unten. Durch Öldruck kann jedoch eine Kegelscheibe an die andere feststehende Kegelscheibe gepresst werden, wodurch der Triebriemen an den Wänden der beiden Kegelscheiben nach außen gedrückt wird. Der Umlaufradius und damit das Übersetzungsverhältnis ändert sich. Dieses Prinzip gilt analog in umgekehrter Richtung für die Abtriebswelle. Man nennt die beiden Kegelscheibenpaare auch Variatoren.

Die axiale Verschiebung der beiden Scheibenhälften erfolgt elektro-hydraulisch, wobei natürlich der bewegliche Teil des Sekundärvariators der beweglichen Kegelscheibe auf der Antriebswelle diagonal gegenüber liegt. Wäre dies nicht der Fall, könnte die Kette bzw. das Band nicht gerade laufen. Die Getriebesteuerung reguliert den Öldruck der beiden Variatoren unter Beachtung von Wählhebelstellung, Fahrprogramm, Fahrpedalstellung und natürlich der gefahrenen Geschwindigkeit. Dabei muss die Vergrößerung des Umlaufradius auf einer Welle stets der Umlaufveringerung auf der anderen Welle entsprechen, denn sonst reißt die Kette bzw. das Schubband.

Das Schubgliederband (Push-Belt) ist auf der rechten Seite dieses Toyota-Getriebes gut zu erkennen. Bild: Hatsukari715 @wikipedia.org

Vorteile eines CVT-Getriebes im Detail

Eine stufenlose Wandlung von Drehmoment und Drehzahl bietet viele Vorteile insbesondere im Hinblick auf Fahrkomfort und Effizienz. Der Motor kann schließlich stets im optimalen Bereich arbeiten. Über ein Fahrprogramm wie "Eco" oder "Sport" legt der Fahrer die maximale Motordrehzahl fest und den Rest erledigt das Getriebe. Das CVT-Getriebe ist damit theoretisch sowohl sportlicher als auch ökonomischer als jede Handschaltung. Es liegt schließlich kontinuierlich und ohne Zugkraftunterbrechung die optimale Übersetzung vor. Die fehlende Zugkraftunterbrechung erlaubt aber nicht nur dynamischen Fahrspaß, sondern vermeidet auch Ruckeln oder Hoppeln des Autos, wenn andere Automatikgetriebe kuppeln müssen. Zudem lässt sich durch das entsprechende Fahrprogramm auch die Geräuschentwicklung des Motors einschränken, da er nicht mehr über den vorgegebenen Wert touren kann. Schließlich ist ein CVT-Getriebe im prinzipiellen Aufbau relativ einfach und lässt sich preiswert und außerdem platzsparend realisieren. Es ist damit auch ideal für Kleinwagen geeignet.

Nachteile eines CVT-Getriebes im Detail

Ein Blick auf die Nachteile von CVT-Getrieben offenbart die Schwachstellen der Konstruktion. Die gesamte Kraftübertragung erfolgt bei Pkws häufig über ein Schubgliederband. Es besteht aus den Schubgliedern und Stahlbändern, welche die Schubglieder zusammenhalten und flexibel machen. Diese Stahlbänder bzw. Stahlbandpakete können reißen, wenn das Drehmoment zu hoch wird. Sie werden durch den Umlauf im Getriebe auch ständig gebogen, was zu Materialermüdung führen kann und ebenfalls im Reißen des Schubgliederbandes endet. Laschenketten wie bei der Multitronic von Audi hingegen können Drehmomente bis zu 400 Nm übertragen, haben aber mit Pfeifgeräuschen zu kämpfen, die sich durch die Schwingung der Kette ergeben. Durch unterschiedliche Längen der Kettenglieder lässt sich das Problem unterdrücken. Die axial beweglichen Kegelscheiben müssen sich zum einen leichtgängig verschieben lassen, aber zum anderen drehfest mit der Welle verbunden werden. Dies stellt eine konstruktive Herausforderung dar, wie unter anderem Nissan-Fahrer in den letzten Jahren festgestellt haben werden. Die Rollenlager drücken gegen die Führung der Welle, welche verschleißt und irgendwann zulässt, dass die Kegelscheibe sich verdreht. Dadurch kann sie nicht mehr axial bewegt werden und im schlimmsten Fall reißt das Schubgliederband.

Auch regelmäßige Getriebeölwechsel wie sie z.B. Mercedes-Benz vorschreibt, sollte man ernst nehmen, denn das Getriebeöl ist für den Druckaufbau und die Schmierung verantwortlich. In der Regel wird es gefiltert und durch einen Heizungskühler auf die richtige Temperatur gebracht. Wer die vorgeschriebenen Wechselintervalle missachtet, riskiert, dass es zu Rucklern und schließlich zum Reißen des Schubgliederbandes kommt. Der Motor dreht hoch, doch Vortrieb ist nicht zu spüren. Schließlich kann das Fehlen von Schubunterbrechung und Drehzahlveränderung ein ungewohntes Fahrgefühl nach sich ziehen, das teilweise als unangenehm empfunden wird.

Durch die axiale Verschiebung einer Kegelscheibe wandert der Riemen nach außen oder innen. Bild: Thomas Ihle @wikipedia.org (CC BY-SA 3.0)

Aktuelle Entwicklungen bei CVT-Getrieben

Das Hauptaugenmerk der aktuellen Entwicklung liegt auf der Zuverlässigkeit der Aggregate und ihren Wartungsintervallen. Schließlich ist ein Getriebeölwechsel nicht gerade günstig. Gleichzeitig werden die Nachteile über verschiedene Entwicklungen angegangen. Toyota z.B. hat unter anderem CVT-Getriebe im Angebot, die Zahnradpaarungen und stufenlose Übersetzung kombinieren. So erfolgt die Kraftübertragung beim Anfahren formschlüssig, eh das Schubgliederband übernimmt. Auch das Fahrgefühl einer normalen Schaltung lässt sich simulieren, indem die Elektronik vorgegebenen Übersetzungsverhältnissen folgt. Dadurch gibt man zwar die Vorteile des stufenlosen Getriebes ein Stück weit auf, doch der Mensch ist halt ein Gewohnheitstier.

Hinweise zum Fahren mit CVT-Getriebe

Neben dem Einhalten der vorgeschriebenen Getriebeölwechsel sollte man auch beim Fahren selbst einiges beachten. Unter keinen Umständen darf beim Fahren der Wahlhebel in P(arken) oder sogar den R(ückwärtsgang) gestellt werden. Schäden am Getriebe und ggf. dem restlichen Antrieb wären die Folge. In den meisten Fällen ist dies durch eine elektronische Überwachung auch gar nicht möglich. Das sogenannte Revving bzw. Hochtouren des Motors bei getretener Bremse sollte man ebenfalls tunlichst unterlassen. Noch gefährlicher ist das Hochtouren in der Stellung N(eutral), um dann in den Vorwärtsgang D(rive) zu schalten. Das Getriebe ist für solche Belastungen nicht ausgelegt. Halten Sie das Fahrzeug am Berg mit der Bremse und nicht mit dem Vorwärtsmoment, um eine eventuelle Kupplung nicht unnötig zu verschleißen. Es gibt in aller Regel auch keinen Grund, an der Ampel in Neutral zu wechseln. Das Getriebe ist in der Lage, die kontinuierliche Motordrehzahl durch unterschiedlichste Systeme auszugleichen - z.B. entweder als IVT (infinitely variable transmission) mit zusätzlichen Planetenradsätzen oder über den Drehmomentwandler. Wer an der Ampel wirklich Kraftstoff sparen möchte, der schaltet den Motor lieber ganz aus.