Automatgetriebe Effiziente Prozesskette der Getriebefertigung

Hohe Leistungsdichte, geringere Geräuschentwicklung und minimierter Verbrauch sind Standardforderungen für die Entwicklung von Automatgetrieben. Ziele der Produktion sind vor allem hohe Qualität und Prozesssicherheit – bei kurzen Taktzeiten und niedrigen Gesamtkosten je Bauteil.

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ZF Friedrichshafen AG

Bei der Entwicklung und Produktion von neuen Pkw-Automatgetrieben sind vielfältige Vorgaben zu berücksichtigen. „Wesentliche Forderungen, die eine neue Getriebegeneration erfüllen muss, sind Verbrauchs- und Emissionsreduzierung sowie hohe Leistungsdichte und hoher Wirkungsgrad“, konkretisiert Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Leiter der Entwicklung Geschäftsfeld Automatgetriebe der ZF Friedrichshafen AG. Mittlerweile liege auch die Messlatte für funktionale Anforderungen wie Schaltzeiten, Schaltkomfort, Spontaneität und Sonderfunktionen ganz weit oben.

Die Entwicklung eines Getriebes ist Teamarbeit. Bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt beteiligen ZF-Entwicklungsingenieure nicht nur Kunden an der Konzeption eines neuen Getriebes, sondern auch Fertigungsplaner, Werkzeugmaschinenhersteller, Werkzeughersteller und externe Dienstleister. Gemeinsam werden Daten, Charakteristika und Funktionen des neuen Getriebes erarbeitet, Konzepte entwickelt und mit Kunden diskutiert.

Der zeitlich parallele Ablauf von Produktentwicklung und Produktfertigung ist ein wesentlicher Aspekt des Simultaneous Engineerings. „Durch den frühzeitigen Abgleich innerhalb des Teams können wechselseitige Anforderungen, Möglichkeiten und Restriktionen der beteiligten Bereiche aufeinander abgestimmt werden, um beispielsweise ungeplante Kosten zu vermeiden, die sonst durch späte konstruktive Änderungen verursacht werden“, erläutert Naunheimer.

Simulationssoftware beschleunigt Entwicklung

Zu einem frühen Zeitpunkt nutzen Entwicklungsingenieure auch eine ganze Palette von Simulationssoftware: Verbrauch und Wirkungsgrad des Getriebes werden am Rechner ebenso optimiert wie das Beschleunigungsverhalten und die Geräuschemission, beispielsweise von Zahnrädern. Beim Auslegen von Lamellenkupplungen geht es um optimale Schaltabläufe und Schaltarbeit, die wiederum in die Verbrauchssimulation einfließen.

Bei der Auslegung der einzelnen Getriebeteile spielt die FEM-Simulation eine große Rolle. Letztlich dreht sich alles darum, Geräuschentwicklung, Getriebefunktionen und dynamisches Verhalten des Getriebes an das Optimum heranzuführen, bevor Prototypen hergestellt werden und zeigen können, inwieweit die errechneten Daten mit denen des realen Getriebes übereinstimmen.

Entwicklung profitiert vom Know-how der Produktion

Damit das Entwicklungsteam bereits von Beginn an auf fertigungstechnisches Know-how der Produktionswerke zurückgreifen kann, hat sich ZF eine effiziente Lösung einfallen lassen, wie sich am Beispiel des Getriebe-Werkes in Saarbrücken zeigt. Dort wird unter anderen das neue 6-Gang-Automatgetriebe hergestellt, das seit September letzten Jahres im neuen 3er Coupé und X3 von BMW für Fahrspaß sorgt.

„Gemeinsam mit der Entwicklungsabteilung haben wir unser fertigungstechnisches Know-how in Bauteil- und Konstruktionskatalogen dokumentiert. Darin sind bauteilbezogen bestimmte Konstruktions- und Fertigungsprinzipien festgelegt“, erklärt Joachim Eisenhut, Leiter Fertigungsplanung Pkw-Automatgetriebe in Saarbrücken, und detailliert: „Die Kataloge sind vergleichbar mit Werksnormen, die beispielsweise für die Fertigung einer Getriebewelle festlegen, wie Einstiche gefertigt werden, welche Oberflächengüten unter welchen Bedingungen prozesssicher realisiert und gemessen werden können oder wie wir eine Nut, eine Dichtung oder Schräge prozesssicher fertigen können.“

Aus diesem Fundus an Konstruktionselementen schöpfen Konstrukteure das fertigungstechnische Know-how und setzen die Bauteile entsprechend zusammen – im ersten Schritt ohne Abstimmung mit der Fertigung, aber mit der Gewissheit, dass das Bauteil prozesssicher hergestellt werden kann und funktioniert. „Alles, was im Katalog definiert ist, kann unbesehen in neue Getriebe einfließen, weil es in der Serienproduktion bereits bewährt ist“, bekräftigt Eisenhut. Nur Abweichungen sind innerhalb des Teams abzustimmen.

Derzeit sind die Saarbrücker Fertigungsspezialisten dabei, die Bauteile für ein neues Automatgetriebe fertigungstechnisch zu planen. „Dabei haben wir schon in einem sehr frühen Stadium für jedes Bauteil einen Fertigungsexperten als Prozessplaner benannt, der dieses Bauteil über den gesamten Lebenszyklus betreut“, erklärt Eisenhut. Aufgabe dieses Teams für die Fertigungsprozessplanung ist es auch, festzulegen, zu welchem Zeitpunkt Werkzeugmaschinenhersteller, Werkzeuglieferanten oder externe Dienstleistungsunternehmen ins Boot geholt werden, um gemeinsam eine Lösung für die prozesssichere und wirtschaftliche Fertigung der Bauteile in der geforderten Qualität zu erarbeiten.

Partnerschaften treiben die Entwicklung voran

Beispiel für die erfolgreiche Zusammenarbeit mit Maschinen- und Werkzeugherstellern bei der Optimierung des Fertigungsprozesses von Bauteilen ist der multifunktionale Lamellenträger für das 6-Gang-Automatgetriebe. Dieser wurde vorher in einem dreistufigen Prozess (1. Ziehen, 2. Verzahnungsrollen, 3. Kalibrieren und Einbringen der Durchbrüche) umgeformt und wird nun in zwei Stufen (1. Ziehen, 2. Ziehen der Verzahnung, Kalibrieren und Einbringen der Durchbrüche) herstellt, weil das Verzahnungsrollen in die Stufenpresse integriert wurde. Ein weiteres Beispiel betrifft die Zahnradfertigung.

Gemeinsam mit dem Coburger Verzahnmaschinenspezialisten Kapp wurde das Coronieren, eine Weiterentwicklung des bekannten Zahnradhonens, serienfähig gemacht. Im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren ist das Coronieren schneller, bei gleicher Oberflächengüte, und die Werkzeuge brauchen nicht abgerichtet zu werden. „Diese Beispiele zeigen, dass für eine erfolgreiche Weiterentwicklung von Fertigungsprozessen das Knowhow von Maschinen- und Werkzeugherstellern unverzichtbar ist“, so Eisenhut.

Auch bezüglich der Verfahrenskombination in einer Maschine, beispielsweise Hartdrehen, Schleifen und Finishen, ist eine Symbiose von Anwender und Maschinenhersteller unabdingbar. Denn das bringt Herausforderungen mit sich, die ohne Maschinen- und Werkzeughersteller nicht bewältigt werden können. „Wenn es um die Verfahrenskombination für die Komplettbearbeitung geht, muss man abwägen, inwieweit die Komplexität einer Werkzeugmaschine erhöht werden kann, ohne die Verfügbarkeit gravierend herabzusetzen“, relativiert Eisenhut die Vorteile der Kombimaschinen. Er fügt hinzu: „Wir nutzen sie dort, wo es die Bauteilqualität erfordert, alles in einer Aufspannung machen zu müssen, weil Folgemaße aufeinander aufbauen und wir Umspannfehler nicht in Kauf nehmen; in allen anderen Fällen kommen die unterschiedlichen Fertigungsverfahren nacheinander zum Zuge.“

Skepsis gegenüber dem Hartdrehen

Auch dem Trend Hartdrehen statt Schleifen folgen die Saarbrücker mit Bedacht, steht doch die Prozesssicherheit im Vordergrund, wie Dr. Hermann Becker, Fertigungsleiter im Werk Saarbrücken, bekennt: „Bevor das Hartdrehen das Schleifen ersetzen kann, muss es über sehr intensive Bauteilversuche abgesichert werden. Beim Schleifen wissen wir, was es zu leisten vermag, und wir wissen auch, dass geschliffene Bauteile in unseren Getrieben problemlos über die Getriebelebensdauer funktionieren. Bei hartgedrehten Bauteilen muss das erst noch verifiziert werden.“

Die Zahnradbearbeitung in den Hallen 5 und 6 im Saarbrücker Werk läuft denn auch sequenziell ab und umfasst die standardmäßigen kleinen Zahnräder, Planeten- und Sonnenzahnräder sowie die primär- und sekundärgestirnten Zahnräder, die nicht nur in üblicher Schrägverzahnung sondern auch mit Ravigneaux-Verzahnung gefertigt werden. Organisatorisch ist die Zahnradbearbeitung ein Modullieferant für die Getriebemontage. Sie liefert einbaufertige Planetenzahnradsätze und Stirntriebe an die Montage.

Ein Fertigungsmodul von vielen in der Zahnradfertigung ist das Modul zur Getriebetyp-orientierten Bearbeitung der Seitenwellen für den Sekundärtrieb des 6-Gang-Getriebes mit den entsprechenden Werkzeugmaschinen: Wälzfräsmaschine, Außenrundschleifmaschine, Hart-End-Wälzschleifmaschine, Hart-End-Finishmaschine sowie eine Finish-Maschine für die Lagersitze. Die Seitenwellen werden von externen Dienstleistern weichgedreht angeliefert. Ein Mitarbeiter ist für das Fertigungsmodul verantwortlich und übernimmt auch die Endkontrolle der Teile, die Erstfreigabe, die Serienfreigabe und die Umrüstkontrollen.

Neue Entwicklung zum Entgraten

Bisher wurden die gefrästen Verzahnungen noch separat entgratet. Das ging zu Lasten von Durchlaufzeit und Kosten. „Gemeinsam mit dem Hersteller der Wälzfräsmaschine und einem Werkzeughersteller haben wir eine Lösung gefunden, künftig das Entgraten direkt in der Wälzfräsmaschine durchzuführen“, freut sich Becker. Diese Entwicklung bringe vor allem auch für das Entgraten von Ravigneaux-Verzahnungen Vorteile, das mit dem üblichen Entgraten von Hand oder mit einem Roboter schwierig sei.

Die gefrästen Zahnräder, abgelegt in Körben, werden per Kanban-Bus zu den in der Halle stehenden Niederdruck/Hochdruck-Härteöfen gefahren und nach dem Härten wieder zum Fertigungsmodul transportiert. Das Kanban-Bussystem ist eine pfiffige Lösung für den effizienten innerbetrieblichen Teilefluss in der Verzahnungsbearbeitung. Wie im öffentlichen Nahverkehr, so gibt es in den Hallen Haltestellen, die von den Kanban-Bussen auf festgelegten Routen und zu fixen Zeiten angefahren werden, um zu bearbeitende Teile zu bringen und fertige abzuholen.

Kanban-Busse versorgen die Montage mit Bauteilen

Ebenso materialflusstechnisch effizient organisiert wie die Zahnradfertigung sind die Abläufe der Weich- und Hartbearbeitung der Getriebewellenfertigung in Halle 4. Auf Standardmaschinen innerhalb der Fertigungsmodule, in denen auch das Härten integriert ist, werden die Wellen abgelängt, weichgedreht, tiefgebohrt, mit Sonderbohrungen versehen, entgratet, geschweißt, gehärtet, anschließend hartgedreht und außen geschliffen. Dann werden die Einstiche geschliffen und die Wellen erneut geschweißt. Die fertigen Wellen werden per Kanban-Bus zur Getriebemontage transportiert.

In der Montage fließen alle intern und extern gefertigten Bauteile und Komponenten zusammen. Auch das übernimmt das Kanban-Bussystem. Es versorgt die Vormontagestationen und die Endmontage aus Fertigteillagern, so genannten „Supermärkten der Fertigung“, mit Bauteilen. Alle Montageplätze mit ihren Ausrüstungen sind über eine zentrale Leittechnik miteinander verknüpft, die auch die Auftragslose zentral einsteuert.

Für eine gleichbleibend hohe Qualität in der Montage sorgen ausgeklügelte Prüfsysteme an den Montagearbeitsplätzen, wie Becker anhand einiger Beispiele aus der Vormontage erläutert: „Allen manuellen Arbeitsgängen haben wir automatisierte Qualitätsprüfungen nachgeschaltet. So prüft nach der manuellen Bestückung der Lamellenkupplungen ein Kamerasystem, ob die richtigen Lammellen eingelegt sind und die Reihenfolge stimmt.“ Auch Kleinteile oder Tätigkeiten, deren Fehlen nicht durch automatisierte Prüfstationen erfassbar ist, werden per Entnahmekontrolle durch Lichtschranken oder – wenn es ums Verschrauben geht – per Leittechnik kontrolliert, mit der alle Schrauber datentechnisch verknüpft sind. „Wurde beispielsweise das Anziehen einer Schraube vergessen, stoppt die Leitstelle den Weitertransport des Getriebes“, soBecker. MM

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