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Hebel zur Vorwahl der Übersetzungsstufen an Getrieben Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Wählhebel[1] (oder der Verwendungshäufigkeit nach [absteigend, laut DWDS[2] ]: Schalthebel, Schaltknüppel, Schaltknauf, Ganghebel, Gangwahlhebel, Handschalthebel[1], Gangwahlschalter oder Fußschalthebel) im Sinne der Kraftfahrzeugtechnik erlaubt die Auswahl der Übersetzungsstufe des Fahrzeuggetriebes, evtl. die Trennung des Kraftflusses zwischen Motor und angetriebenen Rädern (Kupplungssteuerung) und, wenn das Getriebe über eine Drehrichtungsumkehr verfügt (Rückwärtsgang, selten bei Motorrädern), auch die Steuerung der Fahrtrichtung.
In Fachkreisen gilt dieser Wählhebel, zu dem beispielsweise der Hebel und die Schaltkulisse (siehe Bild Kulissenschaltung Audi R8) gehören, als Schaltungssystem und wird zusammen mit der Verbindung zum Getriebe (besteht beispielsweise aus Gestänge, Seilzug) als „äußeres Schaltelement“[3], „externe Schaltung“[4] oder „Schaltbetätigung“[4] eingeordnet. Im begrifflichen Gegensatz dazu stehen die „inneren Schaltelemente“, wie beispielsweise Schaltmuffen, Synchronringe. Funktional steuert der Fahrer über den Wählhebel das Getriebe.
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Die ersten Gangwahlhebel an Kraftwagen waren einfache Stangen, die aus dem Getriebe herausragten und so die Wahl des Ganges ermöglichten. Das Getriebe lag in der Nähe des Fahrerplatzes und konnte direkt geschaltet werden.
Eine Kulissenschaltung, bei der der Schalthebel in Gleitbahnen geführt wird, wurde erstmals 1899 im Packard Modell A verwendet und von James Ward Packard patentiert[5], setzte sich aber erst später allgemein durch. Bei den meisten frühen Fahrzeugen war der Hebel seitlich außen an der Karosserie angebracht, wo auch der Handbremshebel saß. Im Laufe der Fahrzeugentwicklung führten verschiedene Konzepte (Frontantrieb mit Quereinbau des Getriebes, Heckmotor, Transaxle) dazu, dass das Getriebe vom Fahrersitz wegverlegt wurde, was eine räumliche Trennung der Bedienung vom eigentlichen Getriebe erforderte.
Zunächst wurden dafür rein mechanische Lösungen entwickelt. Alternativ dazu entwickelten sich gemischte elektrisch/mechanische und rein elektrisch angebundene Wählhebel (shift-by-wire).
In Nutzfahrzeugen wird auch hydraulisch geschaltet, wobei der Fahrer über den Wählhebel einen Geberzylinder betätigt, der dann auf Arbeitszylinder im oder am Getriebe wirkt[6]. Wegen der Druckluftversorgung für die Bremsanlage bieten sich ebenfalls elektrisch/pneumatische Schaltungen an, siehe Elektropneumatische Schaltung, EPS.
Unterscheidungsmerkmal für Schaltungssysteme in aktuellen Pkw ist die Art der Anbindung an das Getriebe:
Darüber hinaus gibt es Mischformen, bei denen einige Funktionen über mechanische Verbindungselemente und andere über elektrische Verbindungen erfolgen. Die Auswahl im Einzelfall hängt von der Schnittstelle ab, die das Getriebe dem Wählhebel anbietet.
Bei automatischen Getrieben werden vom Wählhebel verschiedene Funktionen gefordert:
Insbesondere bei Handschaltgetrieben wird auch der Rückfahrscheinwerfer über den Wählhebel geschaltet.
Da die Mechanik viel früher als die Elektronik beherrschbar war, besitzen die meisten Fahrzeuge noch eine mechanische Verbindung. Schalthebel werden beispielsweise über ein Gestänge, eine mehrgelenkige kinematische Kette oder auch über Seilzüge an das Getriebe angekoppelt.
Auch heute ist die mechanische Verbindung noch häufig anzutreffen, selbst wenn das Getriebe intern über eine elektronische Steuerung verfügt. Grund ist meist, dass man bei bewährten und zuverlässigen Getrieben Veränderungen zum rein elektronisch gesteuerten Getriebe mit elektronischem Wählhebel aus Kostengründen möglichst hinausschiebt und sie über verschiedene Fahrzeugplattformen und -generationen möglichst wenig ändert.
Vorteile:
Die mechanische Verbindung zwischen Wählhebel und Getriebe besitzt gegenüber anderen Schaltungssystemen aus heutiger Sicht verschiedene Nachteile, denn die Verlegung muss verschiedene Punkte berücksichtigen, die die freie Positionierung im Innenraum einschränken.
Nachteile:
Dazu kann bei einigen Fahrzeugen der Verschleiß im Getriebe zunehmen, wenn beispielsweise der Fahrer dauerhaft seine Hand auf dem Schaltknauf ruhen lässt.[7]
Auch wenn durch den Einstieg der Schwellenländer in den Individualverkehr die Nachfrage nach den robusten und günstigen Handschaltgetrieben steigen wird[8], dürften bei Neuentwicklungen in den höheren Fahrzeugsegmenten immer seltener mechanische Schaltungen zum Einsatz kommen, so dass die elektronischen Schaltungssysteme größere Verbreitung finden werden.
Shift-by-wire-Systeme (als Teil von Drive-by-Wire) haben nur eine elektrische Verbindung zum Getriebe. Dazu ist im Getriebe eine Aktuatorik notwendig, die elektrische Signale in Gang- oder Fahrstufenwechsel umsetzt. Der Anschluss des Wählhebels erfolgt über elektronische Schnittstellen, die neben der Gangwahl auch die Beleuchtung im Wählhebel steuern können. Für das Interieur-Design und die Fahrzeugproduktion stellt in der Praxis der Fahrzeugbus (meist CAN) eine einfache und flexible Möglichkeit dar, den Wählhebel mit dem Getriebe zu verbinden. Eine weitere Möglichkeit bietet die Kommunikation über Pulsweitenmodulation mit festgelegten Tastverhältnissen. Übernimmt das Getriebesteuergerät die entsprechenden Aufgaben, können Shift-by-wire-Systeme ohne Mikrocontroller mit Software am Wählhebel auskommen. Bei Shift-by-Wire-Systemen hat der Wählhebel häufig ein eigenes Steuergerät. Dieses leistet die Erfassung der Wählhebelposition, das mechanische Sperren unzulässiger Positionen, (sofern vorgesehen) die Beleuchtung der eingelegten Fahrstufe und die Kommunikation auf dem Fahrzeugbus über die Wahlhebelposition. Die Entscheidung, ob und ab welcher Geschwindigkeit eine bestimmte Fahrstufe geschaltet werden darf (z. B. Rückwärtsgang bei hoher Geschwindigkeit), wird üblicherweise vom Getriebesteuergerät getroffen.
Vorteile von Shift-by-Wire:
Nachteile von Shift-by-Wire:
Die Art der Bedienung hängt vom Getriebe ab. Handschaltgetriebe haben üblicherweise eine Auslegung als H-Schaltung (4-Gang) oder entsprechende Erweiterungen.
Bei automatisierten und automatischen Getrieben haben sich in Anlehnung an gesetzliche Vorgaben[9] vier Bezeichnungen international eingebürgert, von denen nur selten abgewichen wird:
Darüber hinaus gibt es gesetzliche Anforderungen, dass unterhalb von 40 km/h eine höhere Bremswirkung vorhanden sein muss.[10] Dadurch kann die Motorbremswirkung in Gefällestrecken besser ausgenutzt werden und die Gefahr, dass die Bremsen überhitzen, ist geringer.
Diese Funktion wird vom Getriebe dadurch umgesetzt, dass die höheren Gänge gesperrt werden und am Wählhebel auf verschiedene Arten angeboten:
Diese Fahrstufen reihen sich üblicherweise hinter D ein, bekannte Schemata sind P-R-N-D-S-L oder P-R-N-D-3-2-1.
Weitere, regelmäßig anzutreffende Bezeichnungen am Wählhebel sind:
Gelegentlich werden solche Optionen über weitere Schalter für das Fahrprogramm am Wählhebel realisiert. Bei Allradfahrzeugen werden auch Steuerungselemente des Allradantriebes in der Nähe des Gangwahlhebels platziert, sofern Differentialsperren geschaltet werden können.
Die Position P muss eine zusätzliche Sicherung des Fahrzeugs gegen Wegrollen bewirken, diese Funktion wird häufig durch eine mechanische Sperre im Getriebe realisiert.
Nach zahlreichen Unfällen mit „Selbstläufern“ wurde es üblich, dass die Position P nur verlassen werden kann, wenn der Fahrer die Betriebsbremse betätigt. Bei den Selbstläufern hatten die Fahrer angegeben, dass ihr Fahrzeug beschleunigt habe, obwohl sie auf die Bremse getreten haben. Viele dieser Unfälle wurden auf eine Verwechslung von Brems- und Gaspedal zurückgeführt, aufgrund der öffentlichen Aufmerksamkeit erlitten die betroffenen Fahrzeughersteller dennoch Umsatzrückgänge. Das Prinzip, dass bei betätigter Bremse die Motorsteuerung das Gaspedal ignoriert, hat sich inzwischen weit verbreitet und wird nach der Berichterstattung 2009 über angebliche Selbstläufer von Toyota[12] immer mehr bei Handschaltgetrieben angewendet.
In manchen Ländern ist darüber hinaus eine Sperre des Zündschlosses vorgeschrieben (Parksperre, Keylock, Interlock)[13], so dass der Zündschlüssel nur dann abgezogen werden kann, wenn Gangwahlhebel und Getriebe auf P stehen. Umgekehrt darf sich der Wählhebel nicht aus P verschieben lassen, wenn die Zündung nicht über den Zündschlüssel eingeschaltet wurde. Durch diese Regelung ergeben sich global etwas unterschiedliche Bedienkonzepte hinsichtlich der Sperren im Wählhebel:
Durch die jeweiligen Konzepte wird sichergestellt, dass der Fahrer auch bei einem technischen Problem die Kraftübertragung im Antriebsstrang in jedem Fall unterbrechen kann, entweder durch Ausschalten der Zündung (Konzept 1) oder durch Schalten in N (Konzept 2).
Einige Bedienkonzepte haben in Verbindung mit Shift-by-Wire eine Auto-P-Funktion. Dabei wird vom Getriebe automatisch P eingelegt, wenn eine (je nach Hersteller unterschiedlich berücksichtigte) Kombination der folgenden Umstände eintritt: Fahrzeug steht, Fahrersitz nicht (mehr) belegt, Zündschlüssel abgezogen oder Türe wird geöffnet.
Abweichend zu manchen nationalen Gesetzen gibt es für bestimmte seriennahe Sonderfahrzeuge eine Motorweiterlaufschaltung, bei der der Motor in P trotz abgezogenem Zündschlüssel weiterlaufen kann.
Die ersten Wahlhebel für Automatikgetriebe waren multistabil, d. h. der Wählhebel ordnete jeder möglichen Position eine stabile Stellung des Wählhebels zu. Diese Eigenschaft ergab sich aus der rein mechanischen Verbindung zwischen Wählhebel und Getriebe.
Seit den ersten manuellen Schaltgassen (Tiptronic-Gasse) ist nicht mehr jede Position stabil. Steht der Wählhebel in der manuellen Gasse (M), dann können + und - nur mit Tippen geschaltet werden. Nachdem der Fahrer loslässt, kehrt der Wählhebel in die M-Position zurück.
Neuere Konzepte sind vollständig monostabil, d. h. alle Positionen können durch Tippen geschaltet werden. Bei diesem Konzept kann, ähnlich der sequenziellen Schaltung eines Motorrades, der Gang nicht mehr an der Wählhebelstellung erkannt werden, sondern der Fahrer braucht eine zusätzliche Ganganzeige.
Wählhebel können je nach Ausführung mechanische oder elektrische Tasten für die folgenden Funktionen besitzen:
Bei den meisten Getrieben ist eine Sperre für den Rückwärtsgang vorgesehen. Während Schaltgetriebe meist eine mehrachsige Bewegung erfordern (drücken/ziehen in einer Richtung und Schieben des Wählhebels quer dazu) besitzen automatische Getriebe oft weitere Sperren, die das freie Verschieben des Wählhebels nur unter bestimmten Bedingungen zulassen. Meist betrifft dies R und D, die erst nach Betätigung der Bremse und eventuell anderen Bedingungen (z. B. nur bei laufendem Motor) betätigt werden können. Um diese Funktionen bereitzustellen, werden elektrisch gesteuerte Magnete oder Sperrklinken verwendet.
Gelegentlich ist auch eine „Schaukelfunktion“ für niedrige Geschwindigkeiten vorgesehen, bei der ein schneller Wechsel (innerhalb von 1 bis 2 Sekunden) zwischen R – N – D und zurück ohne Betätigung der Bremse möglich ist, da sich bei festgefahrenen Fahrzeugen diese Methode zum „Freischaukeln“ bewährt hat. Das ist in der Regel keine Funktion des Wählhebels, sondern des Getriebesteuergerätes, da üblicherweise dieses die Betätigung des Bremspedals überwacht.
Während die meisten Bedienelemente eine Fortentwicklung der mechanischen Wählhebel sind, erlauben Shift-by-Wire-Schaltungen ganz andere Betätigungskonzepte, beispielsweise die Auslagerung von Funktionen aus dem Wählhebel in Lenkradschalter.
Prinzipiell lässt sich die Schaltfunktion bei automatischen Getrieben nicht nur durch Hebel, sondern ebenso durch Schalter realisieren.
Ein Beispiel für eine Drucktastenschaltung findet sich bei Chrysler in Verbindung mit dem TorqueFlite-Automatikgetriebe[14] das ab ca. 1956 als „Push-Button Drive“ beworben[15] wurde.
Die N-Position betätigte bei eingeschalteter Zündung gleichzeitig den Anlasser. Zunächst fehlte noch die P-Position mit der Getriebeverriegelung, die es erst in späteren Modellen gab. Aus rechtlicher Sicht war das damals kein Problem, denn die ersten US-Gesetze (FMVSS), die bestimmte Anforderungen an den Wählhebel stellten, wurden erst Ende der 1960er Jahre erlassen.
Das bekannteste Fahrzeug mit dem „Push-Button Drive“ dürfte der Plymouth Fury sein, der als Hauptdarsteller in dem Horror-Film Christine verwendet wurde, allerdings wird er in der Romanvorlage fehlerhaft beschrieben.
Bei Ford-Edsel-Modellen wurden die Tastenschaltungen in die Mitte des Lenkrades eingebaut und als Teletouch bezeichnet. Die Touchbutton-Ultramatic-Getriebe von Packard wurden ebenfalls über eine Tastenschaltung bedient.
Während der Chrysler Push-Button Drive rein mechanisch mit dem Getriebe verbunden war, wurde das Getriebe bei Packard und beim Edsel elektrisch gesteuert, was in beiden Fällen zunächst weniger zuverlässig als bei Chrysler gelang.
Renault bot ab 1963 für die Typen Renault Dauphine, 8 und 10 ein halbautomatisches Getriebe mit Magnetpulverkupplung und Drucktastenschaltung an.
Auch in aktuellen Nutzfahrzeugen sind Tastenschaltungen zu finden[16]. Für aktuelle Fahrzeuge mit rein elektrischem Wahlhebel werden vereinzelt passende Tastaturen von Drittanbietern gefertigt.
Als weitere Alternative für Automatikgetriebe sind Drehschalter schon seit längerem bekannt[17]. Sie sind jedoch nur in wenigen Fahrzeugen zu finden:
Da Drehschalter für die manuelle Schaltung (M) des Getriebes nicht den üblichen Betätigungsgewohnheiten entsprechen, wird manuelle Schaltung durch Lenkradtasten oder -wippen bereitgestellt.
Bei manchen Gangwahlhebeln hängen Aufbau, Richtung der Betätigung und die Reihenfolge der Automatik-Positionen davon ab, ob das Fahrzeug als Rechtslenker oder als Linkslenker gebaut wurde.
Meist findet man die Schalteinrichtung bei Pkw in der Mitte, etwas vor den Frontsitzen (Mittelschaltung oder Mittelkonsolenschaltung). Bei Automatikgetrieben wird gelegentlich eine Wurm- oder Labyrinth-Gasse verwendet. Dadurch reduziert sich die Gefahr einer versehentlichen Betätigung, weil der Wählhebel nacheinander in zwei Richtungen bewegt werden muss, um eine andere Fahrstufe einzulegen.
Ein Nachteil der Mittelschaltung ist, dass sie die Beinfreiheit einschränkt und den Durchstieg zwischen Fahrer- und Beifahrersitz nahezu unmöglich macht, beziehungsweise die Mitnahme einer dritten Person auf den Vordersitzen nicht möglich ist. Dies ist vor allem bei Nutzkraftwagen häufig aber wichtig, weshalb hier häufig eine sogenannte Cockpitschaltung (auch Armaturenbrettschaltung, Dashboard-Schaltung) eingebaut wird, bei der sich die Schalteinrichtung am Armaturenbrett befindet.
Als Bedienelement der Mittelschaltung wird meist ein Schaltknüppel verwendet, weshalb sie üblicherweise Knüppelschaltung genannt wird. Selten gibt es aber auch Kombinationen einer Mittelschaltung mit einem Drehschalter oder Tasten/Knöpfen.
Die Lenkradschaltung war von den 1940er- bis Ende der 1970er-Jahre eine verbreitete Art der Getriebebetätigung, bei der der Schalthebel an der Lenksäule angebracht ist, jeweils auf der Innenseite, d. h. rechts, und bei Wagen mit Rechtssteuerung links an der Lenkradsäule.
Der umgangssprachliche Begriff „Lenkradschaltung“ hatte sich durchgesetzt, obwohl der Schalthebel nicht am Lenkrad, sondern am Lenkstock montiert ist. Vereinzelt wird der technisch genauere Begriff „Lenkstockschaltung“ oder „Lenksäulenschaltung“ verwendet.
In früheren Zeiten hatten PKW oft eine durchgehende vordere Sitzbank und keine Mittelkonsole, so dass bei größeren PKW zwei Passagiere neben dem Fahrer sitzen konnten, was bei Mittelschaltung unmöglich war. Bei Handschaltgetrieben an der Lenksäule war es teilweise schwieriger, den passenden Gang oder den Leerlauf zu finden, als bei einem H-Schema auf der Mittelkonsole - vor allem bei mehr als 3 Vorwärtsgängen. In Europa wurde daher die Handschaltung auf der Mittelkonsole zur Regelbauweise, und bei den relativ seltenen Automatik-Getrieben wurde dieselbe Position für die Wählhebelkulisse genutzt. Grundsätzlich kann durch den Wählhebel am Lenkrad aber schneller geschaltet werden, da die Hand am Lenkrad einen kürzeren Weg zum Schalthebel hat.
In den USA wurden Automatikgetriebe die Regel und der Automatik-Wählhebel blieb meist an der Lenksäule, gegenüber dem Blinkerwählhebel. Da nur selten zwischen Vorwärts, Rückwärts oder Parken zu wählen ist, ist dafür die Lenkradschaltung die kompaktere Bauweise, und die Mittelkonsole kann für andere Zwecke frei genutzt werden. Bei speziell konstruierten Elektroautos, wie etwa dem Tesla Model S oder dem BMW i3, sitzt der Wählhebel meist am Lenkrad, während die Elektrovarianten von Kolbenmotor-PKW die konventionelle Position am „Getriebetunnel“ nutzen.
In den 2010er-Jahren erlebte der Schalthebel an der Lenksäule eine Renaissance, zuerst bei Luxusfahrzeugen. Sowohl Mercedes-Benz als auch BMW ordnen die Wählhebel ihrer Automatikgetriebe wieder an der Lenksäule an. Vorteilhaft ist hier die Shift-by-Wire-Bauweise, die hinsichtlich Verstellbarkeit und Crash-Verhalten der Lenksäule kaum Einschränkungen erfordert.
Als Bedienelement werden an dieser Position meist ein Lenkstockhebel oder Schaltwippen eingesetzt. Beim Ford Edsel befand sich hier die Tastenschaltung.
In den 1960er- und 1970er-Jahren wurden die meisten Mittelklassewagen wahlweise mit Mittel- oder Lenkradschaltung ausgeliefert. Die Mittelschaltung galt als die sportliche, die Lenkradschaltung als die elegante Variante. Einige Modelle gab es ausschließlich mit Lenkradschaltung, so zum Beispiel von DKW, Saab und den Renault 16.
In Rechtslenkerfahrzeugen ist die Anordnung der Gänge bei der Lenkradschaltung spiegelbildlich.
Die Revolverschaltung oder Krückstockschaltung ist eine weitere Variante der mechanischen Schaltung. Den Namen erhielt sie durch die aus dem Armaturenbrett ragende abgeknickte Schaltstange, deren Form entfernt an eine Faustfeuerwaffe (Revolver) oder an die Krücke eines Krückstocks erinnert. Die Schaltgassen liegen bei längs eingebautem Motor längs, bei quer eingebautem Motor quer.
Die Gänge werden durch Herausziehen, Hineinschieben und Drehen der Schaltstange geschaltet. Bekannte Autos mit dieser Schaltung sind Citroën 2CV und Renault 4, bei denen die Schaltstange nach oben abgewinkelt ist. Beim Lloyd Alexander und beim Trabant zeigt das Ende der Schaltstange wie bei einer Lenkradschaltung zur Seite und beim Adler Trumpf Junior, den Dreiradlieferwagen von Tempo und den DKW-Fahrzeugen mit Quermotor nach unten.
Vorteile der Anordnung des Schalthebels im Armaturenbrett sind der bessere Durchstieg zwischen den Vordersitzen und die Möglichkeit, das Getriebe vor den Motor zu verlegen und es dennoch exakt ohne störanfällige Gelenke betätigen zu können.
Ein Nachteil der bekannten Konstruktionen liegt darin, dass der Schaltstock bei einem Verkehrsunfall zwischen den Passagieren ins Wageninnere eindringen und Verletzungen verursachen kann.
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