story by paul van valkenburgh – photos as credited
Sometimes the simplest, most innocuous question requires a complex and demanding explanation. Oder auch nicht. Nehmen wir zum Beispiel an, ein 7-Jähriger fragt: „Papa, wo komme ich her?“ Und nach einer langen, anstrengenden Erklärung über die Vögel und die Bienen antwortet das Kind: „Nein, ich meine, aus welchem Land!“ Kürzlich führte die Frage eines Rennfahrers nach der Wahl der Getriebeübersetzung zu dieser Analyse der technischen Überlegungen. Die Antwort ist wirklich sehr unterschiedlich und hängt von den spezifischen Bedürfnissen und Ressourcen jedes Einzelnen ab, vom gelegentlichen Amateur-Autocrosser bis zum professionellen Straßenrennfahrer – oder von der serienmäßigen frontgetriebenen Limousine mit wenigen Getriebeoptionen bis zum V8-angetriebenen Rennwagen mit Schnellwechselgetriebe.
Wenn Sie oft auf derselben Strecke fahren und Ihr Auto so ist, wie Sie es gekauft haben, haben Sie wahrscheinlich festgestellt, dass die Gänge nicht gut zu den Kurvenausgängen oder den Geraden passen. Vielleicht ist der zweite Gang zu niedrig und Sie müssen sofort in den dritten schalten, oder dieser Gang ist zu hoch und Sie haben nicht genug Drehmoment. Oder vielleicht müssen Sie am Ende der Geraden entweder den Motor überdrehen oder kurz vor dem Bremsen hochschalten.
Sie haben drei Möglichkeiten, die Situation zu verbessern, obwohl Ihre Wege durch das Budget, die verfügbare Ausrüstung oder die von der Genehmigungsbehörde diktierten Regeln begrenzt sein können. Sie können den Reifendurchmesser ändern, aber das hat in der Regel eine geringe Auswirkung auf die Getriebeübersetzung und eine große Auswirkung auf das Fahrverhalten und die Fahrhöhe. (Vergessen Sie nicht, dass eine Erhöhung des Fahrzeugs auch die Aerodynamik beeinträchtigt.) Die zweite Möglichkeit besteht darin, Ihr Fahrzeug mit einem Schnellwechselgetriebe auszustatten, das viele Gänge in jedem Gang zur Verfügung stellt.
Als Bonus könnte dies dazu führen, dass Sie auf den meisten Strecken mit nur einer Differenzialübersetzung auskommen. Wenn es nur wenige oder gar keine Optionen für das Getriebe gibt, dann kann hoffentlich wenigstens der Endantrieb geändert werden, um für verschiedene Strecken geeignet zu sein. Dadurch ändert sich jedoch die Übersetzung in jedem Gang um das gleiche Vielfache, was Sie wahrscheinlich in einer anderen Kurve stören wird. Wie wir schon sagten, können die Gegebenheiten der Situation die Auswahlmöglichkeiten einschränken, die Sie treffen können. Vielen von uns bleibt vielleicht nur die Änderung des letzten Gangs oder vielleicht die Wahl zwischen ein paar verschiedenen Zahnrädern. Dennoch gibt es immer Hoffnung.
Sparsamkeit vs. Leistung
Das ideale Produktionsdifferential – die Gänge an den Antriebsrädern des Autos – für die Straße ist so hoch wie möglich, um Kraftstoff zu sparen, mit einer zunehmenden Anzahl von Getriebeübersetzungen, um eine gute Beschleunigung aus dem Stillstand zu erreichen. Aus diesem Grund gibt es mittlerweile Schaltgetriebe mit bis zu sechs Gängen, wobei der höchste Gang möglicherweise ein Overdrive ist. Aber egal, ob Sie Anfänger oder Profi sind, die optimale Lösung für den Wettbewerb ist immer dieselbe:
Erstens: Finden Sie die Gänge, die den maximalen Bereich unter der Drehmomentkurve Ihres Motors zwischen minimaler und maximaler Drehzahl in jedem Beschleunigungssegment oder auf jeder Geraden erzeugen; und zweitens: Reduzieren Sie die Schaltarbeit für den Fahrer. Die Getriebeübersetzung ist in der Regel der letzte Schritt bei der Abstimmung eines Rennwagens, da sie von den Kurvenausgangsgeschwindigkeiten und den Höchstgeschwindigkeiten auf der Geraden abhängt, die wiederum von der endgültigen Entwicklung der Kurvenleistung, den Bremsen und der Aerodynamik abhängen. Das Getriebe hat nicht nur einen geringen Einfluss auf diese Faktoren, sondern lässt sich auch relativ leicht in letzter Minute anpassen – bei Rennwagen, die über eine schnell zu wechselnde Übersetzung verfügen.
Die Frage nach dem optimalen Getriebe für die jeweilige Rennstrecke lässt sich durch Raten und Testen lösen – es sei denn, die Strecke ist neu oder kann nicht im Voraus gefahren werden, wie beim Autocross, das wir in einem separaten Abschnitt behandeln. Aber angesichts der vielen Übersetzungen, die in einigen der Renngetriebe verfügbar sind, die in die großen Autos mit Frontmotor und Heckantrieb eingebaut werden können, ist es angesichts der Anzahl der Auswahlmöglichkeiten und der Kosten für die Streckenzeit wichtig, eine rationale Methode anzuwenden. Schauen wir uns zunächst den professionellen Ansatz an und reduzieren ihn dann auf eine praktische Ebene.
Professioneller Ansatz
Abbildung 1
Die ideale Ausgangsinformation wäre eine Aufzeichnung der Geschwindigkeiten rund um jede spezifische Strecke für ein ähnliches Fahrzeug. Daraus lassen sich alle minimalen Kurvengeschwindigkeiten und maximalen Geschwindigkeiten auf den Geraden ermitteln. Dies ist eine der wertvollsten Rechtfertigungen für elektronische Datenerfassungssysteme – selbst für die einfachsten mit nur wenigen Kanälen.
Ansonsten muss der Fahrer all diese Geradeaus-Drehzahlpunkte beobachten, möglicherweise mit einem Sprach- oder Videorecorder. Die Minimal- und Maximalbereiche der Beschleunigung für jede Gerade können dann als Balkendiagramm aufgezeichnet werden, wie unten in Abbildung 1 dargestellt. Wenn man davon ausgeht, dass es keine stehenden Starts gibt, lässt sich anhand dieser Balken der gesamte Drehzahlbereich des Motors berechnen, der berücksichtigt werden muss. Manchmal gibt es nur zwei Optionen, wobei die Auswahl auf ein Getriebe mit enger oder weiter Übersetzung beschränkt ist.
Der grundlegende Unterschied bei den Anwendungen besteht zwischen Drag Racing mit seinen stehenden Starts und Straßenrennen, bei denen die Mindestgeschwindigkeiten möglicherweise bei etwa 40 mph liegen. Für gute Dragstarts braucht man oft eine möglichst niedrige erste Übersetzung und von dort aus sorgfältig abgestufte Gänge. Bei Straßenrennen jedoch, bei denen es keine stehenden Starts oder Boxenstopps gibt, kann man sich weniger um einen niedrigen ersten Gang kümmern und ihn stattdessen höher und möglicherweise auf der Strecke nutzbar machen. Daher sollten die Gänge von der langsamsten Kurve bis zur Höchstgeschwindigkeit auf der Geraden gestuft werden. In jedem Fall hat das Werk diese Übersetzungen aufgrund seiner Kenntnis der Drehmomentkurve des Motors wahrscheinlich bereits festgelegt. Wenn jedoch Übersetzungen gewählt werden müssen, um das Drehmoment eines modifizierten Motors oder die Anforderungen einer bestimmten Straßenrennstrecke an die Kurvengeschwindigkeiten zu erfüllen, dann ist es hilfreich, eine größere Auswahl zu haben.
Zum Beispiel wurde das bekannte BorgWarner T10 Vierganggetriebe von Richmond Gear aufgekauft und ist über (http://www.texracing.com/) erhältlich. Es hat acht mögliche Übersetzungskombinationen. (http://www.richmondgear.com/) hat auch die Rechte an den alten Fünf- und Sechsgang-Getrieben von Doug Nash erworben, die in jedem Gang mindestens acht Übersetzungsmöglichkeiten für eine fast unbegrenzte Anzahl von Kombinationen bieten.
Sie sind jedoch viel teurer und daher für alle außer professionellen Rennfahrern unerschwinglich. An diesem Punkt könnte der ernsthafte Rennfahrer seine Drehmomentkurve vom Prüfstand nehmen und sie mit einem Computer in Schubkraft an den Hinterrädern in jedem möglichen Übersetzungsverhältnis umrechnen und sie dann zusammen mit den Balkendiagrammen der Streckengeschwindigkeit gegen die Geschwindigkeit auftragen. Dies ist im oberen Teil von Abbildung 1 zu sehen. Die numerischen Bezeichnungen auf diesen Kurven zeigen das Differentialverhältnis multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis in jeder möglichen Übersetzungsauswahl. Man beginnt mit der Auswahl des niedrigsten brauchbaren Gangs, der nicht weit über die Grenze des Durchdrehens der Räder hinausgeht (wie es bei 6,87 offensichtlich der Fall ist), lässt ihn dann bis zu seiner Höchstdrehzahl in U/min laufen (oder bis zu dem Punkt, an dem seine Schubkraft die nächste Übersetzungskurve schneidet), und schaltet dann in einen anderen höheren Gang zurück.
Wenn Sie ein Getriebe mit fünf Gängen haben, sollten Sie die fünf Gänge auswählen, die die größte Fläche unter ihren Kurven im schattierten Bereich ergeben. Wäre es möglich, eine unbegrenzte Anzahl von Gängen oder ein stufenloses Getriebe zu haben, dann könnte die Drehzahl auf dem Spitzendrehmoment bleiben und die verfügbare Schubkraft wäre eine einzige glatte Kurve. Diese Kurven verdeutlichen auch, warum es so wichtig ist, eine relativ flache Motordrehmomentkurve über einen möglichst breiten Drehzahlbereich zu haben. Wenn das Motordrehmoment stark abfällt oder aufgrund der Wahl der Nockenwelle, der Ansaugstößelabstimmung oder der Auspuffabstimmung merkliche Einbrüche aufweist, wird es schwieriger, Einbrüche in der Schubkurve durch die Wahl der Übersetzung zu vermeiden. Dieser Prozess zeigt auch, dass die übliche Praxis, Motoren nach der Spitzenleistung zu bewerten, relativ unwichtig ist.
Eine einfachere Methode
Aber es gibt einen billigeren und einfacheren Weg, um Übersetzungen auszuwählen: durch Erfahrung und Experimentieren, wie in unserem Diagramm zur einfacheren Methode gezeigt. In unserem Beispiel werden nur drei Getriebeoptionen berücksichtigt, und wir gehen davon aus, dass die Strecke nur vier Hauptgeraden hat. Obwohl es sich um eine begrenzte Übung handelt, können wir die Kompromisse ewig studieren, ohne die optimale Lösung zu finden, weshalb Profis ein schnell schaltbares Getriebe mit vielen Optionen in jedem Gang wollen.
Sie können sofort sehen, dass die Option mit der großen Übersetzung für die Höchstgeschwindigkeit dieser Strecke „überdreht“ ist und außerdem einen großen Drehzahlabfall zwischen dem zweiten und dritten Gang hat. (Je schneller man fährt, desto enger sollte das Übersetzungsverhältnis sein, aber das ist eine andere, komplexere Geschichte). Das 3,07:1-Differenzial mit dem eng gestuften Getriebe hebt den zweiten Gang so stark an, dass der Motor aus den langsamsten Kurven heraus „ins Stocken“ gerät – und Sie wollen nicht in den ersten Gang herunterschalten. Dies ist ein weiterer Grund, das Differentialverhältnis von 3,07:1 zu verringern. (Denken Sie daran, dass eine niedrigere Übersetzung eine höhere Zahl ergibt.)
Um die ideale Auswahl zu finden, multiplizieren Sie die Achsübersetzung mit der Höchstgeschwindigkeit im vierten Gang (152 mph) und dividieren Sie das durch die Höchstgeschwindigkeit auf der Strecke (140 mph). Daraus ergibt sich ein theoretischer Wert von 3,33, der nahe genug an der nächstmöglichen Achsübersetzung von 3,36:1 liegt. Kombiniert man diese 3,36:1-Endübersetzung mit dem eng abgestuften Getriebe, ergibt sich nur ein Schaltpunkt auf den ersten drei Geraden und zwei auf der letzten und längsten Geraden. Es gibt einen noch einfacheren Weg, die richtigen Getriebeübersetzungen zu ermitteln: Basieren Sie Ihre Entscheidung ausschließlich auf dem Feedback des Fahrers. Nehmen wir an, dass Sie auf den meisten oder den wichtigsten Geraden dazu neigen, zu viel zu beschleunigen oder kurz vor dem Bremsen hochzuschalten. In diesem Fall könnten Sie ein etwas höheres Differentialverhältnis einbauen (oder eine niedrigere Zahl – siehe die Semantik-Seitenleiste).
Sie könnten sogar berechnen, wie viel Veränderung ideal wäre, wenn Sie wüssten, wie stark Sie überdrehen. Nehmen wir an, Sie fahren 500 U/min über der empfohlenen Grenze von 6000 U/min. Dann bräuchten Sie ein höheres Differentialverhältnis, das 6000 geteilt durch 6500, multipliziert mit Ihrem bestehenden Verhältnis, beträgt. Es spielt keine große Rolle, ob Sie ein höheres Differenzial oder ein niedrigeres Differenzial verwenden und dann früher hochschalten – es sei denn, Sie können Ihren höchsten Gang verwenden, der wahrscheinlich direkt (oder 1:1) ist und etwas weniger Leistungsverlust im Antriebsstrang hat. Es gibt eine Reihe von Gründen, die Notwendigkeit des Schaltens zu minimieren, unter anderem, um die Arbeitsbelastung des Fahrers zu verringern und die Möglichkeit zu minimieren, dass ein Schaltvorgang verpatzt wird (und damit einhergehend ein falscher Gang, Verschleiß von Teilen usw.).
Weniger Schalten vermeidet auch die Zehntelsekunde oder so an Beschleunigungsverlust durch die „Ausfallzeit“ zwischen den Gängen. Aber das sollte nicht den Beschleunigungswert von mehr Gängen aufwiegen, um den Motor in seiner Drehmomentspitze zu halten. Die einfache Antwort für die Auswahl der besten Getriebeübersetzungen besteht darin, diejenige zu finden, die den Fahrer glücklich macht, zum Teil durch Minimierung der Anzahl der Schaltvorgänge, aber vor allem durch Minimierung der Rundenzeiten.
Einfache Methodentabelle
Hier ist ein einfacher Weg, um das beste Getriebe für ein bestimmtes Auto aus drei Möglichkeiten auszuwählen: 3,07:1 Endantrieb mit einem weit übersetzten Getriebe, 3,07:1 Endantrieb mit einem eng übersetzten Getriebe und 3,36:1 Endantrieb mit einem eng übersetzten Getriebe. In unserem Beispiel gehen wir von einer Drehzahl von 6000 U/min und Reifen mit einem Durchmesser von 26 Zoll aus. Um mph in Gängen zu ermitteln, verwenden Sie diese Formel: (.003) x (U/min) x (Reifendurchmesser in Zoll)/(Differentialübersetzung) x (Übersetzungsverhältnis). Diese Rechnung ergibt die folgende Gleichung: 468/(Differenzialverhältnis) x (Übersetzungsverhältnis). (Die 0,003 konvertiert einfach Zoll und Minuten in mph.) Das Aufzeichnen von Geschwindigkeitsbalken an der roten Linie in allen vier Gängen für unsere verschiedenen Übersetzungen ergibt diese Spanne.
Getriebeauswahl: Synchronisatoren vs. „Dogs“
Alle Getriebepaare stehen immer im Eingriff, sind aber nur zeitweise mit ihren Wellen verbunden. Bei Pkw-Getrieben wird diese Verbindung durch Reibflächen hergestellt, die sich zuerst berühren, um die Drehzahlen besser aufeinander abzustimmen.
Im Renneinsatz verschleißen diese Synchronisierungen schnell oder sind anfällig für schnellere Ausfälle. Bei reinen Rennsportgetrieben sind die Gänge abwechselnd mit der Hauptwelle durch gestufte Zahnräder, auch „Dogs“ genannt, verbunden, die so konstruiert sind, dass sie sehr schnell und fest in den nächsten Gang eingreifen, was für den Alltagsbetrieb zu hart ist. Der Unterschneidungswinkel und die Kurvenradien dieser Mitnehmer sind sorgfältig so ausgelegt, dass sie ohne Verschleiß einrasten und fest zusammensitzen, solange das Drehmoment übertragen wird.
Viele Fahrer, die solche Getriebe haben, schalten entweder mit Kraft, ohne vom Gas zu gehen, oder benutzen die Kupplung nur beim Anfahren aus dem Stand. Und wenn sie nicht sehr gut darin sind, werden die Hunde rund geschliffen, und als Folge davon gehen sie entweder nicht in den Gang oder bleiben in diesem.
Beide Arten der Synchronisation werden sehr unterstützt, wenn der Fahrer lernt, die Geschwindigkeiten zwischen den Gängen durch Modulation des Gaspedals anzupassen – durch einen Bruchteil einer Sekunde Nachlassen beim Hochschalten oder einen leichten Ruck beim Herunterschalten. Andernfalls können die Synchronisatoren oder Nasen schnell verschlissen oder gebrochen sein, so dass der Fahrer die Gänge noch besser aufeinander abstimmen muss – oder vielleicht sogar den Schalthebel im Gang halten muss.
Getriebeverzahnung
Bei Pkw-Getrieben wird zur Geräuschreduzierung eine winkel- oder schrägverzahnte Getriebeverzahnung verwendet, während Differentialgetriebe eine hypoidverzahnte Verzahnung aufweisen. (Diese Arten von Zahnrädern werden auch verwendet, um die Mittellinie der Antriebswelle abzusenken.) Aus Gründen der Festigkeit und Effizienz verwenden Rennwagen jedoch nur geradverzahnte „Stirnräder“, die in erster Linie Rollkontakt auf ihren Flächen haben, anstatt Gleitkontakt.
Getriebe für Autocross
Die Auswahl der Getriebeübersetzung ist viel einfacher, wenn der Geschwindigkeitsbereich viel enger und niedriger ist. Die minimale Kurvengeschwindigkeit für einen Autocrosser ist hier wahrscheinlich kein relevantes Auswahlkriterium, denn mit viel überschüssiger Leistung bei niedrigeren Geschwindigkeiten kann man die volle Leistung für einen Großteil der Kurve nicht nutzen, und daher ist die Übersetzung relativ unwichtig.
Wenn Sie ein Datenerfassungssystem haben, um Ihre Geschwindigkeit aufzuzeichnen, dann ist es auch nützlich, die Drosselklappenstellung aufzuzeichnen. Oder, wenn Sie nur einen einzigen Datenkanal haben, zeichnen Sie einfach Ihre Geschwindigkeit auf, während Sie die Drosselklappe voll aufgedreht haben. Das Geschwindigkeitssignal könnte über einen einfachen Ein/Aus-Schalter an der Drosselklappe geleitet werden. Nehmen wir an, Ihr gesamter Geschwindigkeitsbereich bei Vollgas liegt zwischen 35 und 60 mph – typische Werte für ein durchschnittliches Autocross, egal wo es stattfindet. Dann ist es möglich, dass Sie eine Differenzialübersetzung wählen, die eine einzige Getriebeübersetzung – egal welche – zur Abdeckung dieses Bereichs vorsieht. Das Ergebnis ist, dass Sie keinen Schaltpunkt mitten auf einer Geraden haben werden.
Praktische Übung
Zeit, die Rechenschieber wegzulegen und zu sehen, wie sich die Getriebeübersetzungen auf die Rundenzeiten auswirken. Unsere Probanden sind zwei Porsche GT3 Cup der Grand American Rolex-Klasse vom Team Sahlen, und bei der Übung werden wir zwei verschiedene Getriebe vergleichen, ein Getriebe mit breiter Übersetzung und ein Getriebe mit enger Übersetzung. Unser Klassenzimmer ist Watkins Glen International, und Teamfahrer Wayne Nonnamaker ist der heutige Dozent.
„Turn 5, die Mitte des Diagramms, repräsentiert das Verlassen der Schnürsenkel des Stiefels in Watkins Glen und das Ansteuern der Spitze des Stiefels“, erklärt unser Fahrer. Die oberen beiden Linien auf dem Ausdruck der Datenerfassung von Pi Research stellen die Drehzahlen der beiden Fahrzeuge dar. „Die schwarze Linie ist die Kurve des Autos mit dem engeren Getriebe und die rote Linie ist die des längeren Getriebes“, erklärt er. „Man sieht, dass das engere Getriebe auf der Geraden zwei Schaltvorgänge durchführen muss, während das längere Getriebe nur einen Schaltvorgang hat.“ Die beiden mittleren Linien stellen die Geschwindigkeit der beiden Autos in Meilen pro Stunde dar, wobei schwarz für das engere Getriebe und rosa für das längere Getriebe steht. „Die untere Linie ist der Abstand zwischen den beiden Autos“, erklärt Wayne. „Man kann auf der Geraden sehen, dass es ein paar Zehntelsekunden mehr sind, wenn man die Leistung abruft. Man kann auch sehen, dass das längere Getriebe dramatisch aufholt, wenn die andere Box geschaltet wird, aber der Gewinn reicht nicht aus, um den Verlust durch das Herausfahren aus dem Leistungsband auszugleichen.“ Auf dieser Strecke und bei dieser Anwendung dreht das Getriebe mit der engeren Übersetzung die schnelleren Runden, auch wenn etwas mehr Schaltarbeit erforderlich ist.
„Denken Sie auch daran, dass der Porsche GT3 Cup ein etwas spitz zulaufender Motor ist“, fügt Wayne hinzu. „Das bedeutet, dass es wichtig ist, ihn im Leistungsband zu halten. Wenn man ein breiteres Leistungsband hat, ist das nicht so wichtig. Wenn man sich also überlegt, wie eng man die Gänge übersetzt, ist die Breite des Leistungsbandes sehr wichtig.“ Die Getriebeübersetzungen sind zwar ein Teil der Geschichte, aber es muss auch berücksichtigt werden, wie viel Missbrauch diese Einheiten aushalten können. „Bei unseren Rolex-Autos kann das Getriebe so schnell geschaltet werden, wie es physisch möglich ist“, erklärt Wayne in Bezug auf ihre Porsche GT3 Cup-Autos. Ihre Grand-Am-Cup-Porsche 996 sind zwar äußerlich ähnlich, erfordern aber etwas mehr Fingerspitzengefühl. „Bei den Grand-Am-Cup-Autos muss man einen kurzen Moment warten, sonst schleift das Getriebe und reißt die Box auf.“ Wayne sagt, dass es wichtig ist, das jeweilige Auto zu betrachten, wenn es um die Getriebeübersetzung geht. „Wenn Sie also einen Ford Mustang mit einem breiten Leistungsband und einem Getriebe haben, das einen Moment zum Schalten braucht, lohnt es sich wahrscheinlich nicht, die Gänge zu verschärfen“, fügt er hinzu. „Wenn Sie jedoch einen Integra Type R fahren, bei dem das Getriebe recht schnell schaltet und das Leistungsband sehr spitz ist, dann lohnt es sich wahrscheinlich, die Übersetzungen zu verschärfen.“
Kommentare in den GRM-Foren anzeigen
7/16/18 1:16 p.m.
Großartiger Artikel!
1/4/21 9:53 a.m.
Wie wird die Wheelspin-Schubgrenze berechnet?
1/4/21 4:32 p.m.
Du kannst dir auch die Daten anschauen, du kannst dir auch die Beschleunigung Gs anschauen. Wenn die Beschleunigungs-Gs abfallen, musst du dein Getriebe anpassen.
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