Astronomie

19.08.2011 12:02 Uhr

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Planetengetriebe von Toyota/Lexus

Der in Hybrid-Pkw von Toyota und Lexus verbaute Antriebsstrang ist eine Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid. Das Planetengetriebe macht die Vorteile beider Varianten nutzbar.

Als ob die komplexen Funktionen der Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid, wie in den diesbezüglichen Fahrzeugen von Toyota und Lexus verbaut, nicht schwer genug verständlich wären, hat der japanische Hersteller die Komponenten des Hybridantriebs über ein so genanntes Planetengetriebe verbunden. Das Getriebe trägt diesen ungewöhnlichen Namen, weil in ihm, vergleichbar mit einem „echten“ Planeten- oder Sonnensystem des Uni-versums, „Planeten“-Räder ein „Sonnen“-Rad umkreisen (vgl. Bild oben).

Das Schaltgetriebe, auch mit automa-tisierter Betätigung, der Stufenautomat, auch mit Wandlerüberbrückungskupplung, ja selbst die stufenlose Automatik und das Doppelkupplungsgetriebe lassen sich gegenüber dem Planetengetriebe mit Leichtigkeit erklären. Warum ist das so? Vermutlich weil beim Planetengetriebe die Kraftein- und -ausleitung ungewohnt er- scheinen, hierzu auch mehrere Möglichkeiten existieren, jede Menge wechselnde Drehrichtungen im Spiel sind und bei der Frage, wer Getriebelehre als seine große Stärke empfindet, selbst die Hände von Werkstattprofis oft unten bleiben. Auch deshalb im ersten Schritt der Erklärung des Planetengetriebes die Erinnerung an Aufbau und Funktion des Hybridantriebs von Toyota/Lexus am Beispiel des Prius.

Aus welchen Komponenten ein solcher Hybridantrieb besteht, kann dem Infokas-ten auf Seite 15 entnommen werden. Zur Funktion: Gestartet wird der Prius nicht mit einem Zündschlüssel, sondern per „Power“-Taste. Zum Einlegen und Wechseln der Fahrstufe dient ein Hebel, ähnlich einem Joystick. Das Anfahren erfolgt na- hezu lautlos, weil elektromotorisch. Erst bei mittlerem Leistungsbedarf schaltet sich der Verbrennungsmotor, gestartet vom Motor-Generator 1, zu. Die Leistung des Verbrennungsmotors wird zum gleich-zeitigen Fahrzeug- und Generatorantrieb (Motor-Generator 1) verzweigt. Wird be- sonders hohe Leistung abgefordert, das heißt stark beschleunigt, unterstützt der Motor-Generator 2 den Verbrennungs-motor, was allgemein als Booster-Betrieb bezeichnet wird. Der Status des Motor-Generator 2 wurde übrigens mit dem Er- scheinen des Prius II aufgewertet. Seither dient er häufiger als Hauptantriebsquelle und lässt sich mit der EV-Taste auch willkürlich zur alleinigen Antriebsquelle be- stimmen. Zusammenfassend sind diese Betriebszustände eines Toyota/Lexus-Hybridantriebsstrangs möglich:

Anfahren und Fahren mit geringer Geschwindigkeit mit dem Motor-Ge-nerator 2

Nutzung des Verbrennungsmotors bei mittlerem Leistungsbedarf

Unterstützung des Verbrennungsmotors durch den Motor-Generator 2 beim Beschleunigen (Booster)

Akkuladung bei gleichmäßiger Fahrt durch Antrieb des Motor-Generators 1 über den Verbrennungsmotor

Schiebebetrieb mit, je nach Stellung des Wählhebels, unterschiedlich intensiver Rekuperationswirkung

Im Schiebebetrieb mit Wählhebel in Position D wird der Verbrennungsmotor zur Erhöhung der Rekuperationswirkung automatisch abgestellt und vom Antriebs-strang getrennt, so dass der Motor-Generator 1 so viel wie möglich kinetische in elektrische Energie verwandeln kann. Bei Wählhebelstellung B verbleibt der Ver-brennungsmotor am Antriebsstrang, was seine Bremswirkung nutzbar macht.

Gänzlich andere Technik

Zurück zum Thema Planetengetriebe und zu dessen Erklärung. Zur Steigerung der ohnehin bestehenden technischen Verwirrung bezeichnet man bei Toyota/Lexus das Planetengetriebe als E-CVT. Ohne das führende E steht dieses Kürzel für continuously variable transmission, heißt kontinuierlich variable Übersetzung und bezeichnend für die in aller Regel in Klein- und Kompaktwagen anzutreffen-den Getriebe mit über Kegelscheiben laufenden Antriebsriemen. Doch sieht man von der namentlichen Verwandtschaft, der ähnlichen Wirkung im Fahr-betrieb und der möglicherweise vergleichbaren Empfindung des Autofahrers ab, bestehen zwischen den beiden Getriebearten keine Gemeinsamkeiten. Die Techni-ken sind gänzlich unterschiedlich. „Lexus lässt keine Antriebsriemen über Kegelscheiben laufen“, so die unmissverständliche Aussage im kürzlich erschienenen Lexus-Newsletter, Ausgabe 2/2001.

Das Planetengetriebe in den Fahrzeugen von Toyota und Lexus mit Hybridantrieb ist ein elektronisch gesteuertes Zahnrad-Ensemble, das es erlaubt, Verbrennungsmotor, Motor-Generator 1 und Motor-Generator 2 unabhängig von ihren jeweiligen Drehzahlen miteinander zu koppeln und dabei sämtliche genannten Aggregate einzeln zu- oder abzuschalten, und das in quasi jeder Betriebssituation.

Getriebe ermöglicht Kombination

Das Planetengetriebe ist die Basis dafür, den Hybridantrieb von Toyota/Lexus als Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid einzustufen. Mit anderen Worten: Erst das Planetengetriebe macht es mög-lich, die Vorteile beider Hybridantrieb-Bauarten zu kombinieren und zu nutzen.

Bei seriellem Betrieb läuft der Verbrennungsmotor konstant im Bereich seines so genannten Bestpunkts, also im Bereich des höchsten Wirkungsgrads, und erzeugt während der Fahrt über den Motor-Ge-nerator 1 elektrische Energie zum Laden der Hybridbatterie (Hochvoltbatterie).

Der Betrieb als Parallelhybrid erlaubt hingegen andere sinnvolle Betriebsarten: Im Stadtverkehr sorgt der stärkere Motor-Generator 2 allein für Vortrieb (EV-Mo-dus), und das ohne dortige Abgasemission. Und während Autobahnfahrten unterstützt ebenfalls Motor-Generator 2 den Verbrennungsmotor – Stichwort Booster. Die elektronische Steuerung erlaubt es, alle diese Antriebskomponenten nahezu un- merklich zu- und wieder abzuschalten.

Nicht zu vergessen: Das Planetengetriebe ersetzt nicht nur ein sonst verbautes konventionelles Getriebe, sondern auch andere Bauteile, beispielsweise die Kupplung mitsamt mechanischer oder elektrisch- bzw. hydraulisch-mechanischer Betätigung sowie den Starter.

Die folgende Beschreibung stammt nicht von asp, sondern aus dem bereits erwähnten Lexus-Newsletter, Ausgabe 2/2001. Wir übernehmen sie in vollem Wortlaut, weil wir die verschiedenen Betriebsmodi des Planetengetriebes auch nicht besser hätten beschreiben können.

„Um zu verstehen, wie die Anpassung der Übersetzung und das nahtlose Zu- und Abschalten des Verbrennungsmotors und der beiden Motor-Generatoren funktionieren, empfiehlt sich zunächst ein Blick auf den Aufbau und die grundsätzliche Arbeitsweise des Planetengetriebes.

Das Planetengetriebe überträgt die Antriebskraft mittels Zahnräder, die sich ständig im Eingriff befinden. Um das innere Zahnrad, das so genannte Sonnenrad, drehen sich die über einen Träger miteinander verbundenen Planetenräder. Die Kreisbahn der Planetenräder um- schließt ein äußerer Zahnkranz, das so genannte Hohlrad. Sonnenrad, Planetenradträger und Hohlrad sind im E-CVT System mit jeweils einem der drei Aggregate des Hybridsystems verbunden: das Sonnenrad mit dem Motor-Generator 1, der ‚hauptberuflich‘ während der Fahrt Strom zum Aufladen der Hybridbatterie produziert und außerdem als ‚Start-Stopp-System‘ für den Verbrennungsmotor fungiert. Der Planetenradträger wird mit dem Benzintriebwerk gekoppelt. Das Hohlrad schließlich ist mit dem hauptsächlich für den Elektroantrieb zuständigen Motor-Generator 2 und dem Achsantrieb verbunden.

Die Drehbewegung des Hohlrads ent- spricht also der Drehung des Elektromotors 2 und steht in direkter Relation zur Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Das Planetengetriebe ermöglicht so auf ein-fache Weise einen rein elektrischen Fahrbetrieb. Das Benzintriebwerk bleibt in dieser Situation abgeschaltet, der Planetenradträger steht still. Das Hohlrad rollt über die auf der Stelle rotierenden Planetenräder ab. Der Motor-Generator 1 läuft über die Drehung des Sonnenrads ‚leer‘ mit. Sobald vom Fahrer mehr Leistung abgerufen wird, als über den elektrischen Antrieb verfügbar wäre, kommt automatisch der Verbrennungsmotor wieder zum Einsatz. Er wird über den Motor-Generator 1 gestartet. Dieser wird von der Hybridbatterie mit Strom beaufschlagt und abgebremst, was im Hybridgetriebe die Planetenräder dazu zwingt, um das Sonnenrad abzulaufen. Damit rotiert auch der Planetenradträger und mit ihm die Kurbelwelle des Benzinmotors: Der Verbrennungsmotor wird gestartet.

Vollständig variable Regelung

Der Schlüssel zur Effizienz des E-CVT-Systems ist die vollständig variable Regelung der Drehzahlen und des Kraftflusses zwischen dem Benziner und den Motor-Generatoren 1 und 2: Der Verbrennungsmotor kann gleichzeitig die Räder antreiben und über die E-Maschine 1 Ladestrom für die Hybridbatterie erzeugen. Beim Beschleunigen wird die dort gespeicherte Kraft abgerufen und zum Antrieb von Motor-Generator 2 eingesetzt. Umgekehrt kann der Benziner während der Fahrt über den Widerstand des Motor-Generator 1 praktisch jederzeit abgeschaltet oder wieder gestartet werden.

Anpassung der Achsübersetzung

Der Motor-Generator 1 fungiert somit nicht nur als ‚Ladegerät‘ für die Hybridbatterie, sondern auch als ‚Start-Stopp-System‘ für den Benzinmotor. Der im Atkinson-Viertaktzyklus arbeitende Ver-brennungsmotor wird mit reduzierter Verdichtung sanft und rucklos gestartet und rasch auf die optimale Drehzahl gebracht. Auch elektrisches Anfahren nach dem Kaltstart, während das Benzintriebwerk in der Manier eines Stationärmotors warmläuft und nur den Motor-Generator 1 antreibt, ist darstellbar. Eine weitere Besonderheit ist die stufenlos variable Anpassung der Antriebsübersetzung. Bei Beschleunigung läuft das Benzintriebwerk mit konstanter Drehzahl und voll geöffneten Drosselklappen in einem besonders effizienten Betriebszustand. Die Änderung der Übersetzung erfolgt über die Reduzierung der Drehzahl des Motor-Generators 1. Dieser zwingt so das mit der zweiten E-Maschine verbundene Hohlrad des Planetengetriebes zur schnelleren Drehung – mit entsprechender Konsequenz für die Antriebsachse.

Das Drehzahllimit des Motor-Generators 2 und dessen Übersetzung innerhalb des Hybridgetriebes bestimmen die er- reichbare Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Bei den Modellen Lexus CT 200h und RX 450h wird diese zugunsten eines hohen Drehmoments bei niedrigen Geschwindigkeiten elektronisch auf 180 bzw. 200 km/h limitiert. Bei den Hoch-leistungs-Hybriden GS 450h und LS 600h kommt hingegen eine zusätzliche zweistufige Untersetzung zwischen Motor-Generator 2 und Achsantrieb zum Einsatz. Diese halbiert bei höheren Geschwindigkeiten die Drehzahl des Motor-Generators und ermöglicht Endgeschwindigkeiten von 240 bzw. 250 km/h.“ In den Grafiken auf dieser Seite links sind die Betriebsmodi des Planetengetriebes dargestellt. pd

▶ Planetengetriebe: Planetenräder umkreisen ein Sonnenrad, deshalb der ungewöhnliche Name

Hybridantrieb

Die Fahrzeuge

Die folgenden Hybrid-Pkw und -SUV von Toyota und Lexus mit quer oder längs verbautem Antriebsstrang sowie Front-, Heck- oder Allradantrieb besitzen ein Planetengetriebe:

Toyota Auris Hybrid

Toyota Prius und Prius Plug-in*

Lexus CT 200h

Lexus RX 450h

Lexus GS 450h*

Lexus LS 600 h/hL*

* mit Untersetzung zur Drehzahlreduzierung bei höheren Geschwindigkeiten