Warum steigt die Anzahl der Gänge immer weiter?

Die erhöhte Gangzahl bei On verbessert durch Halten des Motors in seinem effizientesten Drehzahlbereich sowohl das Drehmoment als auch den Kraftstoffverbrauch.
Die erhöhte Gangzahl bei On verbessert durch Halten des Motors in seinem effizientesten Drehzahlbereich sowohl das Drehmoment als auch den Kraftstoffverbrauch.

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Die Ganganzahl steigt, damit der Motor in dem engen Drehzahlbereich gehalten werden kann, in dem er seine Leistung und sein Drehmoment am effizientesten erzeugt: Die zum ersten Gang hin kürzer werdenden Übersetzungen vervielfachen das Drehmoment beim Anfahren, während die zu den oberen Gängen hin länger werdenden Übersetzungen bei Autobahngeschwindigkeit die Motordrehzahl und den Kraftstoffverbrauch senken. Während typische Autos in den 1990er Jahren mit 3-5 Vorwärtsgängen ausgestattet waren, erreichte diese Zahl in den letzten zwei Modelljahren mindestens 6, bei manchen Modellen sogar 10.

Highlights

  • Das ZF 8-Gang-Automatikgetriebe bietet eine um 21-24 % bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit als das 3-Gang-Automatikgetriebe.
  • Beim Ford F-150 von 2017 verkürzte der Wechsel von 6 auf 10 Gänge die 0-60-mph-Zeit um 0,2 Sekunden.
  • Ab dem Modelljahr 2016 übertrafen Automatikgetriebe die manuellen Getriebe in Bezug auf die Kraftstoffeffizienz.
  • Ford- und GM-Ingenieure geben zu, dass 10 Gänge die sinnvolle Obergrenze sind.

Warum steigt die Gangzahl? Der effiziente Drehzahlbereich des Motors

Şanzımanın tek görevi, motoru hem en güçlü hem en az yakıt tükettiği o dar devir aralığında tutmak; vites sayısı arttıkça motor bu ideal bölgede daha çok vakit geçirir.

Betrachten Sie das Kennfeld eines Verbrennungsmotors. Ob Benziner oder Diesel: Der Motor hat einen relativ engen Drehzahlbereich (RPM), in dem er bei maximaler Leistung und maximalem Drehmoment den wenigsten Kraftstoff verbraucht. Genau das ist die Aufgabe des Getriebes: Die an das Rad gehende Drehzahl in diesem idealen Bereich des Motors zu halten. Je größer die Gangzahl, desto häufiger arbeitet der Motor in diesem Optimalbereich; jeder Gang bietet eine feiner abgestimmte Übersetzung, um die Motordrehzahl zu halten.

Bei einem Fahrzeug mit wenigen Gängen muss sich der Motor dagegen mit dem Gang zufrieden geben, der der aktuellen Geschwindigkeit am nächsten kommt. Das Ergebnis ist ein Betrieb bei höheren Drehzahlen als eigentlich benötigt. Hohe Drehzahl bedeutet mehr Kraftstoff pro Zeiteinheit und ermüdet zudem den Motor stärker. Bauen wir eine grobe Logikkette auf: Mehr Drehzahl bedeutet mehr Motorarbeit, mehr Kraftstoff, mehr Belastung und Verschleiß. Die Umkehrung dieser Kette ist der eigentliche Antrieb des Gang-Wettrennens.

Die Rollen der niedrigen Gänge und der oberen Gänge sind völlig unterschiedlich. Ein kurzer erster Gang vervielfacht das Drehmoment am Rad und ermöglicht so das Anfahren und die Bergauffahrt. Lang übersetzte Overdrive-Gänge senken dagegen bei Autobahngeschwindigkeit die Motordrehzahl, wodurch sowohl der Verbrauch sinkt als auch das im Innenraum wahrnehmbare Geräusch leiser wird. Das Problem ist: Je mehr Zwischenübersetzungen Sie zwischen diese beiden Enden einfügen, desto weniger sinkt die Motordrehzahl und desto effizienter bleibt der Motor.

Spreizung der Übersetzungen: Die Konstruktionslogik des 10-Gang-Getriebes

Mit steigender Gangzahl nehmen nicht nur die Zwischenstufen zu; auch der gesamte Übersetzungsbereich, also das sogenannte Ratio Spread, kann sich erweitern. Bei modernen 10-Gang-Getrieben hat der erste Gang für ein aggressives Anfahren eine deutlich kürzere Übersetzung, während der höchste Gang für niedertouriges Fahren deutlich länger ist als früher. Die dazwischenliegenden Stufen bleiben dagegen klein. Hohe numerische Übersetzung beim Anfahren, langer oberster Gang beim Fahren: Sowohl Leistung als auch Effizienz aus demselben Getriebe zu verlangen ist heute kein Widerspruch mehr, sondern ein Konstruktionsziel.

Die kürzeren Stufen haben noch einen zweiten Vorteil: Die Unruhe bei den Gangwechseln nimmt ab. Wenn die Motordrehzahl zwischen zwei Gängen zu stark abfällt, ist der Übergang spürbar und die Beschleunigung wird unterbrochen. Je enger die Gangabstufungen werden, desto weicher und schneller wird dieser Übergang; moderne 8-10-Gang-Automatikgetriebe können dank schneller Kupplungswechsel und intelligenter Steuerungssoftware mehrere Gänge auf einmal überspringen. Die Steuerelektronik des von Ford und GM gemeinsam entwickelten 10-Gang-Getriebes enthält beispielsweise mit über 1 Million Codezeilen mehr als das Doppelte des früheren 6-Gang-Getriebes und kann je nach Gaspedalbewegung spontan herunterschalten.

Was haben die Zahlen verändert?

Konkrete Beispiele machen die Wirkung der Gangzahl messbar. Der Ford F-150 Modelljahr 2017 erzielte mit dem 10-Gang-Getriebe im Stadtverkehr und auf der Autobahn jeweils 1 mpg bessere Kraftstoffwirtschaft als die Version mit 6-Gang-Getriebe des Vorjahres, bei der 4x4-Version sogar 2 mpg mehr; die 0-60-mph-Zeit verkürzte sich um 0,2 Sekunden. Bei den Zugversionen desselben Modelljahres wurden mit 375 hp Leistung und 470 lb-ft Drehmoment eine Zugkapazität von 12.200 Pfund erreicht. Ein ähnliches Bild zeigt sich bei den Limousinen: Der Wechsel vom 8-Gang- zum 9-Gang-Getriebe im Chevrolet Malibu von 2017 steigerte die Kraftstoffeffizienz um etwa 3 %.

Von ZF im Jahr 2012 veröffentlichte Daten zeigen, wie dramatisch das Verhältnis zwischen Gangzahl und Verbrauch sein kann: Eine 8-Gang-Automatik verspricht gegenüber einer 3-Gang-Automatik eine Verbesserung von 21-24 %; gegenüber dem 6-Gang-Getriebe beträgt die Einsparung etwa 11 %, gegenüber dem 5-Gang-Getriebe 14 %. Das 9-Gang-Getriebe von ZF zielt auf eine Verbesserung von bis zu 16 % gegenüber dem 6-Gang-Getriebe. Die Werte aus den technischen Datenblättern des ZF 8HP weisen in dieselbe Richtung: 12 % weniger Verbrauch als beim 6-Gang-6HP, 14 % weniger als beim 5-Gang-Getriebe. Aus Ingenieurssicht sind diese Zahlen kein Zufall, sondern die direkte Mathematik der Gangabstufungen.

Getriebe Vergleich Verbesserung der Kraftstoffwirtschaft
ZF 8-Gang gegenüber 3-Gang 21-24 %
ZF 8-Gang gegenüber 5-Gang 14 %
ZF 8-Gang gegenüber 6-Gang 11 %
ZF 9-Gang gegenüber 6-Gang bis zu 16 %
GM 9-Gang gegenüber dem vorherigen 8-Gang-Getriebe (Malibu) 3 %

Der Preis für viele Gänge: Komplexität, Gewicht und Kosten

Jeder zusätzliche Gang bedeutet zusätzliche Kupplungselemente, komplexere Ventilkörperkomponenten und mehr Computersteuerung. Mehr bewegliche Teile bringen zwangsläufig ein größeres Potenzial für mechanische Probleme und eine teurere Getriebeeinheit mit sich. GM investierte 323 Millionen Dollar in sein Getriebewerk für Getriebe mit hoher Gangzahl in Romulus, Michigan; diese Summe zeigt, welches gewichtige industrielle Investitionsvolumen mehrgängige Automatikgetriebe erfordern.

Auch das Gewicht steht im Zentrum der Debatte. Die kritische Sichtweise lautet: Gewicht ist der Feind der Performance; statt mehr Gänge hinzuzufügen sollten die Hersteller nach Wegen suchen, die Fahrzeuge leichter zu machen. Diese Kritik ist nicht unberechtigt, denn jeder Gewinn wird mit mechanischer Komplexität erkauft. Andererseits sind abnehmende Grenzerträge unvermeidlich: Während jenseits von 8 und 9 Gängen noch Nutzen erkennbar ist, treten beim Übergang zu 11-12 Gängen abnehmende Grenzerträge auf, die zu architektonischen Problemen führen. Die Ingenieursteams von Ford und GM sehen die 10-Gang-Stufe als den Sweet Spot dieser Nutzenkurve.

Dazu kommt noch das Problem der Kontinuität. 10 Gänge sind nicht für jedes Fahrzeug die optimale Lösung; man geht davon aus, dass 6-Gang-Getriebe je nach regionalen Märkten noch lange im Einsatz bleiben werden. GM rechnet auf seiner Seite damit, dass sein 9-Gang-Getriebe für Frontantriebsmodelle den Premium-Markt mit hohen Gangstufen gemeinsam abdecken kann, und betont, dass beide Getriebe als lebensdichtende, wartungsfreie Einheiten konstruiert wurden.

8 Gänge oder 10 Gänge? Der alternative Ansatz der Spreizung der Übersetzungen

Die 10-Gang-Stufe ist keine unumstrittene Sichtweise. Die ZF-Schule setzt auf 8-Gang-Getriebe mit breiterer Übersetzungsspreizung statt auf enge Stufenschritte, und die 8HP wird weithin als eine Einheit anerkannt, die schnell und kultiviert genug ist, um sowohl Sportwagen als auch Luxuslimousinen zu dienen. Ein praktischer Vergleich bestätigt das: Bei einem Vergleich der 8-Gang- und 10-Gang-Versionen des Chevrolet Silverado Z71 aus dem Modelljahr 2020 konnte gegenüber dem 8-Gang-Getriebe kein deutlicher Vorteil des 10-Gang-Getriebes festgestellt werden; die breite Übersetzungsspreizung von ZF erfüllte ihren Zweck.

Die Lehre daraus ist, dass weniger die Anzahl der Gänge selbst wichtig ist, sondern die Übersetzungsspreizung und die Enge der Stufenschritte. 10 Gänge erweisen sich insbesondere in Zug- und Schwerlastszenarien als eine starke Wahl; für leichte Fahrzeuge und den Alltag ist ein gut abgestimmtes 6-8-Gang-Getriebe meist ausreichend. Die Formel "je mehr Gänge, desto besser" funktioniert in der Ingenieurwelt selten richtig.

CVT und DCT: Alternativen zur Ganganzahl

Stufenlose Automatikgetriebe sind nicht der einzige Weg. Ein CVT kann dank Riemen- und Riemenscheibensystem unendlich viele Übersetzungen bereitstellen und den Motor ohne Gangwechsel vollständig an seinem Wirkungssweet Spot halten; in den meisten Fällen erreicht es eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit als ein herkömmliches Automatikgetriebe. Dafür gefällt der durch die Riemen-Riemenscheiben-Konstruktion geprägte Fahrcharakter nicht jedem, und bei Anwendungen mit hohem Drehmoment stellt sich die Frage nach der Haltbarkeit. Doppelkupplungsgetriebe (DCT) bieten nicht nur für leistungsorientierte Fahrzeuge, sondern auch für Modelle, die Leistung und Effizienz in Einklang bringen wollen, einen gangbaren Weg.

Ein interessanter Wendepunkt ist der historische Vorsprung der Automatikgetriebe gegenüber Schaltgetrieben: Ab dem Modelljahr 2016 haben Automatikgetriebe Schaltgetriebe bei der Kraftstoffeffizienz überholt oder zumindest gleichgezogen. Während bis vor einem Jahrzehnt die Annahme "der Schalter verbraucht weniger" in fast jeder Klasse galt, haben die engen Übersetzungen der stufigen Automatikgetriebe diese Gleichung umgekehrt. Das eigentliche Ziel des Gangwettrennens war nicht die Performance, sondern die Kraftstoffeffizienz; offensichtlich waren die CAFE-Standards (Corporate Average Fuel Economy) in den USA die treibende Kraft hinter diesem Trend. Der Leistungszuwachs dagegen ergibt sich als Nebenprodukt eines kurzen ersten Gangs und schneller Schaltvorgänge.

Warum zählen Elektrofahrzeuge keine Gänge?

Elektromotoren besitzen eine Eigenschaft, die diese gesamte Debatte hinfällig macht: Sie liefern von null bis zur Höchstdrehzahl nahezu konstant Drehmoment. Es ist nicht nötig, nach einem engen Bereich namens effizientem Drehzahlband zu suchen; der Motor zeigt nahezu überall denselben Charakter. Deshalb genügen Elektrofahrzeuge einem Einganggetriebe. Die steigende Gangzahl war eine Lösung für das enge effiziente Arbeitsgebiet des Verbrennungsmotors; fällt das enge Arbeitsgebiet weg, entfällt auch die Notwendigkeit der Übersetzungsstaffelung. Auch der Hebelvergleich ist aufschlussreich: Bei Fahrrädern mit Tretkurbel wird die menschliche Kraft nur in einem sehr engen Kraftbereich erzeugt, daher sind 18 oder mehr Gänge nötig; auch bei Lkw finden sich aufgrund schwerer Lasten 18 Vorwärtsgänge. Die Gangzahl überbrückt die Lücke zwischen dem Charakter des Motors und der Aufgabe des Fahrzeugs.

Wie viele Gänge sind ausreichend? Das Gesetz der abnehmenden Erträge

Aber was ist die ideale Zahl? Eine klare und messbare Antwort gibt es nicht, aber die Grenzen sind erkennbar. Bei schwach motorisierten und leichten Fahrzeugen können 5 Vorwärtsgänge sowohl hinsichtlich der Produktionskosten als auch des Leistungspotenzials des Fahrzeugs weiterhin ausreichend sein. Für schwere Lkw sind 18 Vorwärtsgänge sinnvoll, da der Übersetzungsbedarf zwischen beladenem und unbeladenem Zustand abgrtiefartig groß ist. Bei Pkw decken 6-8 Vorwärtsgänge die meisten Szenarien ab; 10 Gänge gewinnen Bedeutung bei Fahrzeugen mit großen Motoren, die gleichzeitiges Ziehen unter Volllast, schnelle Beschleunigung und niedrigen Verbrauch bei Reisegeschwindigkeit anstreben. Auf Herstellerseite betrachten Ford und GM 10 Gänge als den Sweet Spot, während die Gegenseite die Last aus Gewicht und Komplexität vieler Gänge für unnötig hält. Beide Seiten haben teilweise recht: Die richtige Antwort hängt von der Aufgabe des Fahrzeugs ab, und der Gewinn bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit muss die Kosten jedes zusätzlichen Gangs rechtfertigen. Andernfalls wird die Gangzahl zu einem Merkmal, das auf dem Papier schön aussieht, auf der Straße aber teuer zu stehen kommt.

Quellen