Nachbericht zum 8. Internationalen CTI Symposium USA – Automotive Transmissions, HEV and EV Drives, 14.-15. Mai 2014, Rochester (Michigan)

Nachbericht zum 8. Internationalen CTI Symposium USA – Automotive Transmissions, HEV and EV Drives, 14.-15. Mai 2014, Rochester (Michigan)

Autor: Gernot Goppelt, Technikjournalist, Deutschland

Gemeinsam auf dem Weg zu 54.5 mpg

2011 verkündete der US-amerikanische Präsident Barack Obama, dass der US-Flottenverbrauch bis 2025 auf 54.5 mpg gesenkt werden soll. Das entspricht einem Verbrauch von 4,31 Liter auf 100 Kilometer. Was Getriebetechnik dazu beitragen kann, wurde auf dem 8. Internationalen CTI Symposium am 14. und 15. Mai 2014 in Rochester diskutiert. Dabei ging es auch um die Erwartungen amerikanischer Autofahrer und veränderte gesellschaftliche Rahmenbedingungen, die möglicherweise neue Denkansätze erfordern. Verfechter des reinen Elektroautos fanden sich in diesem Jahr nur wenige, bessere Chancen wurden Mildhybriden eingeräumt, sowie längerfristig Plug-in-Hybriden für urbane Szenarien. Während der Dieselmotor für Pkw keine großes Thema war, werden Ottomotoren noch sehr große Sparpotenziale zugebilligt. Bei der Getriebeentwicklung herrschte trotz unterschiedlicher Ansätze Einigkeit: Die Anforderungen an Effizienz und Flexibilität der Getriebe steigen weiter, doch der Komfort darf darunter nicht leiden.

Als Chairman des Symposiums begrüßte Ernie J. DeVincent, Vice President Product Devlopment bei Getrag, rund 420 internationale Teilnehmer – eine Steigerung um 50 gegenüber 2013. 72 Prozent waren aus Nordamerika angereist, 21 Prozent von Europa und sieben Prozent kamen aus dem Raum Asien/Pazifik. Die Plenarvorträge am ersten und zweiten Tag standen im Zeichen des Strebens nach 54.5 mpg und beleuchteten das Thema aus unterschiedlichen Perspektiven – von den Regulierungsbehörden über Automobilverbände bis hin zu Vertretern von OEMs, Zulieferern und Entwicklungsdienstleistern sowie Marktforschern. Ein interessanter Ansatz war auch die Betrachtung des Kaufverhaltens aus psychologischer und soziologischer Sicht. Die vielfältige interdisziplinäre Diskussion zeigte, mit welch komplexen Herausforderungen Getriebeentwickler heute konfrontiert sind.

54.5 mpg – eine Herausforderung für die Automobilindustrie

Wie steinig die „Road to 54.5 mpg“ sein kann, beleuchtete Chris Nevers aus Sicht der amerikanischen Alliance of Automotive Manufacturers. Vorsorglich erinnerte er daran, dass die Gesetzgebung für Phase 2 der US-Abgasgesetzgebung noch nicht vollständig festgeschrieben ist. Hintergrund: Die EPA und die NHTSA haben die Entwicklung des CO2-Ausstoßes von 2017 bis 2025 zwar bereits 2012 definiert. NHTSA, EPA sowie das California Air Resources Board werden aber bis 2017 eine „Midterm Evaluation“ für die Phase von 2022 bis 2025 vornehmen. Die Herstellerallianz ist laut Nevers besorgt, ob die jährliche CO2-Absenkung um fünf  Prozent technisch umsetzbar ist, verweist dabei auch auf das Verhalten der Autofahrer: „Die Amerikaner kaufen immer mehr SUVs und „der Kraftstoffverbrauch kommt bei ihren Prioritäten erst auf Platz 12“. Ebenfalls Sorge bereitet Nevers, dass eine zu aggressive Motorkalibrierung oder sparsame DKGs und CVTs den Spaß am Autofahren verderben könnten.

Die EPA setzt auf hocheffiziente Getriebekonzepte

Michael Olechiw, Direktor der US Environmental Protection Agency EPA, beschrieb die Problematik aus Sicht einer Regulierungsbehörde und lieferte eine Reihe technischer Vorschläge. Bei Ottomotoren nannte er im Hinblick auf einen weiter optimierten Gaswechsel verbesserte Ventiltriebe, strahlgeführte Direkteinspritzung und Turboaufladung sowie Downsizing. Dazu kommen die Hybridisierung sowie Maßnahmen wie elektromechanische Lenkungen und verbesserte Klimaanlagen. Bei den Getrieben setzt die EPA auf längere Endübersetzungen sowie Doppelkupplungsgetriebe und CVTs. Das größte Potenzial zur CO2-Reduzierung bieten laut Olechiw eine aggressive Schaltstrategie (fünf bis sieben Prozent), ein verbesserter mechanischer Wirkungsgrad (circa fünf Prozent) und Getriebe mit gutem Wirkungsgrad wie DKGs mit Trockenkupplungen. Olechiw stellte das „Omega“-Rechenmodell vor (Optimization Model for Reducing Emissions of Greenhouse Gases from Automobiles), welches die Marktpenetration von Getriebetypen abhängig von der Regulierung betrachtet. Olechiw: „Bei starker Regulierung wird der Anteil von Doppelkupplungsgetrieben mit sieben oder acht Gängen bis 2025 auf 56 Prozent steigen“. Diese Einschätzung ließ selbst Verfechter des DKGs aufhorchen.

Welche Getriebe setzen sich in Nordamerika durch?

David Petrovski vom Marktforschungsunternehmen IHS präsentierte signifikant andere Ergebnisse. IHS stützt seine Voraussagen vor allem auf statistische Methoden und Planungsdaten der OEMs sowie die semantische Analyse von Presseberichten und sozialen Netzwerken. Demnach werde der Anteil von DKGs im US-Markt bis 2021 zurückgehen und nur im kleinen einstelligen Prozentbereich liegen. Ein Grund für diese Voraussage ist, dass die US-Hersteller laut IHS größtenteils auf Wandlerautomaten mit acht bis zehn Gängen setzen, nur vereinzelt auf CVTs. So entwickelt GM ein stufenloses CVT für hohe Drehmomente, das 2017 marktreif ist. Vielfältiger ist das Portfolio bei den internationalen Herstellern, von denen zumindest Honda, Mercedes und Volkswagen DCTs mit sieben und acht Gängen anbieten werden. Das „TC-DCT“ von Honda ist dabei ein Sonderfall, weil es das einzige Doppelkupplungsgetriebe mit Drehmomentwandler ist. Petrovski glaubt allerdings, dass diese Kombination allein schon wegen geringer Stückzahlen ein Exot bleiben wird. „How does the DCT respond or reinvent itself?“, fragte David Petrovski angesichts der gezeigten Zahlen, eine Frage, auf die direkt im Anschluss Bernd Eckl, Executive Vice President Sales, Marketing & Business Development bei Getrag, einging.

Eckl trug vor, wie Kunden-Rückmeldungen in die Entwicklung von Doppelkupplungsgetrieben einfließen. Vor allem beim Anfahrverhalten von DKGs mit Trockenkupplungen habe es negative Rückmeldungen von US-Kunden gegeben. Das ist auch darauf zurückzuführen, dass US-Kunden die Verbindung aus „Smoothness“ und Drehmomentüberhöhung gewohnt seien, die für Drehmomentwandler charakteristisch ist. Interessanterweise gab es derartige Kritik aus Europa und Asien kaum. Schon in der aktuellen Getriebegeneration mit trockenen Kupplungen habe Getrag reagiert, etwa mit verbesserter Software, neuen Kupplungsmaterialien und dem vermehrten Einsatz von Zweimassenschwungrädern. Für die nächste Generation kündigte Eckl die Einführung nasser Kupplungen an. Möglich wird das dank einer elektrohydraulischen, bedarfsgeregelten „Smart Actuation“, die eine sehr effiziente Betätigung der nassen Kupplungen erlaubt. In Verbindung mit einem siebten Gang und einer Spreizung von bis zu 8,5 soll der Kraftstoffverbrauch gegenüber dem aktuellen, trockenen DKG nochmals um zwei bis vier Prozent sinken. Dank kürzerer und enger gestufter Gänge 1 und 2 stehen künftig mehr Anfahrdrehmoment und -komfort zur Verfügung, die nassen Kupplungen haben zudem weniger Massenträgheit und bieten mehr Freiheiten bei ihrer Auslegung. Bernd Eckls klare Ansage: „Wir hören auf unsere Kunden und setzen ihre Anforderungen in Technologie um“.

Shinji Morihiro, Vice President bei Jatco, glaubt ähnlich wie David Petrovski von IHS, dass der Anteil von CVTs in Nordamerika wachsen wird. Bei ihnen liegt eine große Herausforderung darin, die reibschlüssige Verbindung möglichst effizient zu gestalten. Beim mechanischen Wirkungsgrad sieht Morihiro ein Potenzial von über 90 Prozent, wesentlich besser schätzt er bei den konkurrierenden Getriebekonzepten nur trockene Doppelkupplungsgetriebe ein. Verantwortlich für Wirkungsgradverbesserungen seien vor allem Maßnahmen zur Verringerung von Planschverlusten, ein neues Riemen- bzw. Kettenlayout und höher effiziente Ölpumpen.

Getriebe als Partner neuer Motorkonzepte

Getriebe und Motoren müssen sich optimal ergänzen. Dr. Günter Fraidl von AVL List zeigte, welches Sparpotenzial noch in Verbrennungsmotoren steckt und was dies für das Zusammenspiel bedeutet. Heute werden Saugmotoren in Japan mit CVTs kombiniert, weil dort Leistung über hohe Drehzahlen von den Autofahrern akzeptiert wird. In Europa dagegen setzt man eher auf aufgeladene Downsizing-Motoren und Lastpunktverschiebung per Downspeeding. Im weltweiten Maßstab sieht Fraidl einen Trend zu aufgeladenen Ottomotoren mit Direkteinspritzung. Hier gebe es noch großes Entwicklungspotenzial, sei es durch zweistufige Aufladung, elektrische Lader, extern gekühlte AGR oder variable Ventilsteuerung – bis hin zum Einsatz des Miller-Cycle und einer variablen Kompression. Wenn alle Möglichkeiten ausgereizt sind, hält Fraidl Verbräuche auf Dieselniveau für möglich. 2020 könne ein Verbrauch von 200 g/kWh erreicht werden. Interessant ist auch sein Abgleich zwischen Verbrauchsmesszyklen und der Motorentechnik: Demnach begünstigen NEFZ und FTP75 eher einen niedrigen Verbrauch bei geringen Leistungen, während der WLTP und erst recht der US06 und geplante Realverbrauchsmessungen (RDE) hohe Leistungen abfordern. Um künftigen Anforderungen zu genügen, muss deshalb das Verbrauchskennfeld gleichmäßiger ausgelegt werden. Das könnte wiederum zur Folge haben, dass künftig weniger Gänge genügen, weil ein breiteres Plateau hohen effektiven Mitteldrucks zur Verfügung steht. Grundsätzlich ist aber in jedem Fall eine hohe Flexibilität gefragt, damit die Wirkungsgradpotenziale optimal genutzt werden können.

Hybridisierung ist notwendig – und erfordert viel Entwicklungsdisziplin

Neben den rein verbrennungsmotorischen Maßnahmen nannte Fraidl auch die Hybridsierung als sinnvolle Ergänzung, zumal der Elektromotor dabei unterstützen kann, den „Sweet Spot“ des Verbrennungsmotors optimal zu nutzen. Sein AVL-Kollege Jerry Klarr befasste sich mit den Trends bei der Elektrifizierung und ihren Folgen für die Getriebeentwicklung. Er erwartet bis 2020 einen Anstieg von heute zwei auf sechs Millionen elektrifizierte Fahrzeuge. Ein Mindestmaß von Hybridisierung – Start-Stopp und riemengetriebener oder integrierter Startergenerator bis hin zum Mildhybrid – werde in allen Fahrzeugsegmenten Standard. Laut Klarr erfordert die Hybridentwicklung ein besonders hohes Maß an Disziplin beim Systems Engineering, um das komplexe Zusammenspiel im Fahrzeug zu beherrschen. Er erläuterte dies am Beispiel des eAxle-Projekts, bei dem ein Through-the-Road-Hybrid mithilfe eines elektrischen Hinterachsmoduls aufgebaut wurde. Die Entwicklungsziele lauteten verringerter Kraftstoffverbrauch, Allradbetrieb und Torque Vectoring sowie ein preisgünstiges modulares Design – und eine Implementierung vom Design bis zum Demonstrationsfahrzeug innerhalb von 18 Monaten. AVL sei es gelungen, fast 80 Prozent der Funktionalitäten auf Modellebene zu entwickeln, bis hin zur Feinkalibrierung.

Was Autofahrer von Getrieben erwarten

Neben der technischen Betrachtung ging es in Rochester auch um psychologische und gesellschaftliche Aspekte der Getriebeentwicklung. So setzte sich Alexander Edwards von Strategic Vision damit auseinander, was Psychologie mit Getrieben zu tun hat. Er stellte zunächst ein Modell vor, nach dem Kunden ihre Entscheidungen treffen. Erste Grundvoraussetzung ist das Gefühl von Sicherheit, gefolgt von Freiheit, Wertschätzung, Ausgewogenheit und „Liebe“ oder Begeisterung für eine Sache. Auf Getriebe übertragen: „Sie müssen zuallererst perfekt funktionieren“. Und umgekehrt: Wenn sich ein Getriebe als unzuverlässig und damit unsicher erweist, ist für Begeisterung nicht mehr viel Raum. Edwards zeigte auch auf, welche Produkteigenschaften Kunden wichtig finden. So sind Komfort, Handling oder Agilität wichtige Kriterien, auch der Kraftstoffverbrauch liegt im vorderen Drittel der Kriterien. Ein Kriterium wie „umweltfreundlich“ kommt dagegen auf einen hinteren Platz. Interessant ist auch, dass Kundenbewertungen stark vom Kontext abhängen: Spitzenreiter bei einer Befragung nach der „Transmission Smoothness“ war der Porsche Boxster, dessen Getriebe 95 Prozent der Befragten „lieben“. Auf Platz zwei folgt das Elektroauto Honda Fit EV, danach Porsche Cayman und Audi RS8. Wie diese illustre Hitliste zeigt, sind selbst scheinbar eindeutige Begriffe wie „Komfort“ sehr abhängig vom Ausgangspunkt der Betrachtung.

Mobilitätsforschung als gesellschaftliche Aufgabe

Das Argonne National Laboratory orientiert sich dagegen nicht an individuellen, sondern explizit an nationalen Interessen: Argonne ist ein multidisziplinäres Forschungszentrum für Wissenschaft und Technik, in dem Experten zusammenarbeiten, um Herausforderungen in den Bereichen Clean Energy, Umwelt, Technologie und nationaler Sicherheit zu begegnen. Als eine Art Leitlinie seines Vortrags brachte Argonne-Direktor Don Hillebrand „Jevons Paradoxon“ ins Spiel, dem die Annahme zugrunde liegt, dass technologischer Fortschritt und höhere Effizienz nicht etwa zu Einsparung, sondern sogar zu mehr Verschwendung führe. Und er plädierte dafür, auch unerwartete Entwicklungen einzukalkulieren. Beispiel Elektroautos: Zwar werde sich die Energiedichte von Batterien derzeit jährlich um gut fünf Prozent verbessern, dennoch kaufe noch immer kaum jemand ein Elektroauto. Sie sind zu teuer, die Reichweiten sinken bei Kälte drastisch und Kalifornien mit seiner rigiden Emissionsgesetzgebung „ist toll, aber da leben die meisten von uns nicht“. Mit anderen Worten: Ohne Druck nimmt niemand Mehrkosten in Kauf. Den Toyota Prius andererseits hält Hillebrand technisch für wenig sinnvoll, aber „er funktioniert einfach“. Er sieht auch reine Elektromobilität skeptisch, hält mehr von verbesserten Verbrennungsmotoren und Plug-in-Hybriden, sofern sie ähnlich preiswert sind wie ein konventionelles Auto. Auch beim autonomen Fahren hat er Fragen: „Sind die Systeme angreifbar? Wie viel Privatsphäre geht verloren? Wird das Fahren langweilig?“ Der Grundtenor von Don Hillebrand: Wir müssen in alle Richtungen forschen und sollten uns nicht auf unsere Voraussagen verlassen.

Veränderte Anforderungen durch die Urbanisierung

Ebenfalls als Warner präsentierte sich Charles Chesbrough von IHS Automotive. Er erläuterte den Einfluss gesellschaftlicher Paradigmenwechsel auf die Zukunft der Automobilindustrie. Die zunehmende Urbanisierung könne dazu führen, dass sich das Wachstum der Individualmobilität abschwäche. Steigende Kosten, Staus und alternative Transportmöglichkeiten könnte das Interesse am Auto dämpfen: „Der motorisierte Verkehr in Städten kann sich selbst behindern“. Weltweit besitzen zudem immer weniger junge Menschen einen Führerschein. Besonders auffällig ist dies in Japan und Südkorea, die stark urbanisiert sind und wo mobile Kommunikation besonders stark ausgeprägt ist. Städte und Länder investieren vermehrt in öffentliche Verkehrsmittel und reglementieren den Autoverkehr. Bis 2035 wird laut Chesbrough der Anteil der Stadtbevölkerung von heute 50 auf dann 60 Prozent steigen. Dazu kommt: Der Anteil alter Menschen wächst, sie wollen vielleicht weniger selbst fahren. Und die Mittelklasse scheint an Kaufkraft zu verlieren. IHS kommt zu dem Ergebnis, dass 2025 statt wie erwartet 130 Millionen ebenso gut nur 100 Millionen neuer Light Vehicles produziert werden könnten. Automobilhersteller sollten deswegen ihre Kapazitätsplanung langfristig aufstellen. Auf technologischer Ebene wird man sich mit speziellen Stadtautos befassen müssen, mit Car-Sharing-Konzepten und den Anforderungen autonomer Fahrzeuge. Getriebe könnten durch die Elektrifizierung der Antriebe weniger Gänge benötigen, sie müssen eventuell auf einen längeren Betrieb ausgelegt werden und auf die Bedienung durch unterschiedliche Fahrer. Chesbrough schloss mit dem Appell: „Seien Sie offen für die Signale“.

Wachstum in persönlicher Atmosphäre

Ein Highlight jedes CTI-Symposiums ist die Podiumsdiskussion, die auch in Rochester von vielfältigen Meinungen geprägt war. Sie wurde von Larry T. Nitz moderiert, der für die weltweiten Getriebe- und Elektrifizierungsaktivitäten von GM verantwortlich ist. Die Diskussion gab vieles von dem enormen Spannungsfeld wieder, in dem Getriebeentwicklung stattfindet. Charakteristisch für die Tagung in Rochester war zudem das Resümee von Chairman Ernie DeVincent, Getrag, der es verstand, dem Abschluss eine fast schon familiäre Note zu geben, obwohl das Symposium 2014 in jeder Hinsicht zugelegt hat: 420 Teilnehmer sind ein neuer Rekord, die Fachvorträge liefen an beiden Tagen in vier statt bisher drei Sektionen. Es gab elf statt acht Plenarvorträge, 47 statt 38 Fachvorträge und die Zahl der Aussteller stieg von 26 auf 29. Die Zuhörer blieben bis ganz zum Schluss – und zeigten damit, dass trotz komplexer Anforderungen und ganz unterschiedlichen Antworten der Weg zu 54.5 mpg ein gemeinsamer ist.

Weitere Infos und Bildmaterial: www.transmission-symposium.com/usa

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