Das neuartige Schaltgetriebe entspricht laut Faller der Logik des exponentiellen Zahlensystems. Mit einem geringen mechanischen Aufwand wird eine hohe Zahl an Gängen ermöglicht. Jetzt suchen die Erfinder für das Supergetriebe, das etwa 20 bis 25 Prozent an Kraftstoff sparen könnte, in der Autoindustrie nach Lizenznehmern. Den Spritverbrauch und die Emission des Motors zu senken, war laut Faller der Ausgangspunkt: „Die gewünschte Leistung des Fahrzeugs wird über die Drehzahl und damit über die Schaltung in den richtigen Gang abgerufen.

Herkömmliche Getriebe besitzen ein begrenztes Übersetzungsverhältnis und sind in der Regel in der Anzahl der möglichen Schaltstufen begrenzt, so dass oftmals große Drehzahlsprünge zwischen benachbarten Schaltstufen zu überwinden sind. Je mehr Gänge die Getriebe aufweisen, desto komplizierter sind sie aufgebaut. Die hohe Komplexität wird durch die zunehmende Anzahl von Schaltstufen, die vom Markt gefordert werden, als auch durch die hohen Drehmomente verursacht, welche mit dem Getriebe zu übertragen sind.

Hohe Drehzahl bedeutet dabei einen hohen Verbrauch.“ Das Getriebe sollte also immer in den (drehzahl-) optimalen Gang schalten. Der Clou liegt in der „intelligenten Kopplung“ der Zahnradebenen. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Gänge wächst mit dem Hinzufügen weiterer Zahnradebenen exponentiell. Deshalb wird das Getriebe in der Patentanmeldung auch als „Exponentialgetriebe“ bezeichnet.

Bei drei Getriebewellen mit jeweils fünf Zahnrädern lassen sich bereits 81 Gänge darstellen. Mit drei Getriebewellen mit jeweils zehn Zahnrädern ließe sich sogar ein Getriebe mit 19.683 Gängen erzeugen. „Letztendlich lassen sich unendlich viele Gänge bestimmen, um die optimale Drehzahl zu erzeugen“, so Alexander Faller. Die sehr hohe, mögliche Anzahl an Gängen erlaubt eine sehr feine Abstufung. Dies erhöhe die Flexibilität des Getriebes, auch bei gleichen Wellenabständen unterschiedliche Zahnradbestückungen zu wählen.

Das Deutsche Patent- und Markenamt (München) hat am 19. Mai 2017 das Patent für die Erfindung des Exponentialgetriebes erteilt. Mit der Patenterteilung hat die Rottaler Erfindergruppe das alleinige Nutzungsrecht für das Exponentialgetriebe in den nächsten 20 Jahren.

20 bis 25 Prozent Sprit sparen
Für den normalen Fahrbetrieb in einem Auto hält Faller ein Getriebe mit 81 Gängen (drei Getriebewellen mit jeweils fünf Zahnrädern) für ausreichend, um über die optimale Drehzahl etwa 20 bis 25 Prozent Sprit einzusparen. Dabei werden nicht alle Gänge ausgefahren: „Da jedes der Zahnräder über seine eigene Kupplung verfügt, die elektronisch den Gangwechsel vollzieht, können Gänge beliebig übersprungen werden.“ Auch eine Synchronisation entfalle, da sich alle Zahnräder ständig im Eingriff befinden. „Damit der Motor möglichst in jedem Gang das beste Drehmoment/Leistungsverhältnis erzeugt, muss er in seinem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden.“ Damit erreiche er auch den optimalen Spritverbrauch. Heutige Benzinmotoren arbeiten mit etwa 1.250 Umdrehungen pro Minute am sparsamsten, Dieselmotoren bei etwa 1.150 Umdrehungen.

Diese niedertourige Fahrweise des Motors bedeutet, ab einer Drehzahl von etwa 2000 Umdrehungen pro Minute in den nächsthöheren Gang zu schalten. Niedrigere Drehzahlen würden zudem den Motor schneller auf die notwendige Betriebstemperatur bringen und somit die Lebensdauer des Motors verlängern.

Die Erfindergruppe ist zuversichtlich, einen Lizenznehmer für das Super-Getriebe zu finden. Erste Gespräche mit großen Automobilherstellern haben bereits stattgefunden. Die Automobilbranche (weltweit rund 100 Mio. Neufahrzeuge jährlich) hätte die größten Vorteile durch das neue Getriebe-Konzept. Die konkrete Auslegung für das konkrete Fahrzeug liege in der Hand des Lizenznehmers. Das Exponentialgetriebe sei aber nicht nur für Autos, sondern auch für alle Maschinen interessant, die mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden müssen. In einer einfachen Bauart mit „nur“ 27 oder 32 Gängen sei es auch für Fahrräder interessant.

Hintergrund: Logisches Zahlensystem
In Anlehnung an die Welt der Zahlensysteme gingen die Erfinder zunächst von einem dualen Zahlensystem (0/1) bei der Gestaltung des Getriebes aus. Ein normales Schaltgetriebe hat dabei mehrere Zahnradebenen auf einer Primärwelle und einer Sekundärwelle mit jeweils zwei Schaltstellungen unterschiedlicher Übersetzungsverhältnisse. Die Abtriebsseite einer Zahnradebene entspricht dabei der Antriebsseite der nächsten Zahnradebene. Der Clou an der neuen Erfindung, so erläutert der Wirtschaftsingenieur, dass statt zwei Getriebewellen (Binärgetriebe) jede Zahnradebene x-beliebige Wellen und damit x-mögliche Schaltstellungen aufweisen kann.

Erfinden liegt im Blut
Innovationsfreude und Ideenreichtum zeichnen seit jeher das Schaffen der Familie Faller aus. Davon zeugen zahlreiche Erfindungen und Patente, die weit über das übliche Betätigungsfeld hinausgehen. Das Erfinden liegt bei der technikbegeisterten Familie im Blut: Seniorchef Alexander Faller (63) ist Wirtschaftsingenieur (FH). Tochter Johanna (27) studiert das Fach Wirtschaftsingenieurwesen an der Hochschule Landshut. Sohn Alexander Faller jun. (25) hat die HTL Innsbruck besucht und studiert an der TH Deggendorf „Betriebliches Management“. Alexander jun. ist Geschäftsführer des Familienunternehmens ALFA-Maschinen GmbH (Rottenburg an der Laaber), das sich auf Mühlen für die Landwirtschaft spezialisiert hat. Bereits 2014 haben die Erfinder ein europäisches Patent über ein sogenanntes Planetengetriebe erhalten, das auf engstem Bauraum sehr hohe Untersetzungen ermöglicht.

Das Erfinden liegt im Blut der Familie: Alex Faller, Vater des jetzigen Seniorchefs, hat 1989 den Antrieb für einen Reaktionshubschrauber erfunden, der ohne Hauptgetriebe und ohne Heckrotor auskommt. Dies spart rund 40 Prozent der Energie üblicher Systeme. Alex Faller erhielt dafür 1991 den Philip Morris-Preis und die Rudolf-Diesel-Medaille in Gold. Sogar der damalige US-Verteidigungsminister Richard Cheney ließ sich das Modell im Pentagon vorführen. Die amerikanische Weltraumbehörde NASA machte mit diesem Konzept erfolgreiche Flugversuche. Zu den Erfindungen der Familie gehört u. a. auch eine extrem flache, schienenlose Hubschrauber-Landeplattform.



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Bildtext 1: 16 oder 81 Gänge lassen sich beim Exponentialgetriebe mit zwei oder drei Getriebewellen und jeweils fünf Zahnräder darstellen.

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Bildtext 2: Beispiel für den Kraftfluss an schematischer Getriebedarstellung mit drei Wellen.



[Früherer Pressetext als PDF] [Foto der Erfinder] [Grafik Übersetzung] [Grafik Exponentialgetriebe]

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Den Spritverbrauch und die Emission des Motors zu senken, war laut Faller der Ausgangspunkt: „Die gewünschte Leistung des Fahrzeugs wird über die Drehzahl und damit über die Schaltung in den richtigen Gang abgerufen. Hohe Drehzahl bedeutet dabei hoher Verbrauch.“ Das Getriebe sollte also immer in den (dreh- zahl-) optimalen Gang schalten. Der Clou liegt in der „intelligenten Kopplung“ der Zahnradebenen. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Gänge wächst mit dem Hinzufügen weiterer Zahnradebenen exponentiell. Deshalb wird das Getriebe in der Patentanmeldung auch als „Exponentialgetriebe“ bezeichnet. Bei drei Getriebewellen mit jeweils fünf Zahnrädern lassen sich 81 Gänge darstellen. Mit drei Getriebewellen und jeweils zehn Zahnrädern lässt sich ein Getriebe mit 19.683 Gängen erzeugen. Das Gegenteil von exponentiell wäre eine lineare „gleichbleibende“ Zunahme.

Übersetzung und Spreizung
Die sehr hohe, mögliche Anzahl an Gängen erlaubt laut Faller theoretisch Spreizungen bis 1:50 und höher. Gleichzeitig ermöglicht das Super-Getriebe aber auch eine sehr feine Abstufung. Dies erhöhe die Flexibilität des Getriebes, auch bei gleichen Wellenabständen unterschiedliche Zahnradbestückungen zu wählen. Die Spreizung eines Getriebes gibt das Verhältnis zwischen größter und kleinster Übersetzung an. Ein Getriebe mit einer Übersetzung im ersten Gang von 1:4 ins Langsame und von 1:0,8 im höchsten Gang hat eine Spreizung von 5, da 4:0,8 = 5 (Beispiel lt Wikipedia).

20 bis 25 Prozent Sprit sparen
„Alle Motoren brauchen ein Getriebe, um die Leistung in Vortrieb zu verwandeln“, erläutert Alexander Faller. Für den normalen Fahrbetrieb in einem Auto hält er ein Getriebe mit 81 Gängen (drei Getriebewellen mit jeweils fünf Zahnrädern) für ausreichend, um über die optimale Drehzahl etwa 20 bis 25 Prozent Sprit einzusparen. Dabei müssen nicht alle Gänge ausgefahren werden: „Da jedes der Zahnräder über seine eigene Kupplung verfügt, die elektronisch den Gangwechsel vollzieht, können Gänge beliebig übersprungen werden.“ Auch eine Synchronisation entfalle, da sich alle Zahnräder ständig im Eingriff befinden.

Je nach Fahrsituation oder Fahrweise können die unterschiedlichsten Fahrprogramme eingestellt werden, schlägt Faller vor, um das Fahrzeug mal langsam oder mal schneller zu beschleunigen. „Damit der Motor möglichst in jedem Gang das beste Drehmoment/Leistungsverhältnis erzeugt, muss er in seinem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden.“ Damit erreiche er auch den optimalen Spritverbrauch. Heutige Benzinmotoren arbeiten mit etwa 1.250 Umdrehungen pro Minute am sparsamsten, Dieselmotoren bei etwa 1.150 Umdrehungen.

Diese niedertourige Fahrweise des Motors bedeutet, ab einer Drehzahl von 2000 bis 2.500 Umdrehungen pro Minute in den nächsthöheren Gang zu schalten. Es klingt paradox: „Bei gleicher Geschwindigkeit“, erklärt der Erfinder, „ist mehr Gas im hohen Gang effizienter als das Fahren mit weniger Gas im kleineren Gang.“ Niedrigere Drehzahlen würden zudem den Motor schneller auf die notwendige Betriebstemperatur bringen und somit die Lebensdauer des Motors verlängern.

Die Erfindergruppe ist zuversichtlich, einen Lizenznehmer für das Super-Getriebe zu finden. Erste Gespräche werden laut Faller bereits geführt. Die Automobilbranche (weltweit rund 100 Mio. Neufahrzeuge jährlich) hätte die größten Vorteile durch das neue Getriebe-Konzept. Die konkrete Umsetzung in der Praxis liege in der Hand des Lizenznehmers. Das Exponentialgetriebe sei aber nicht nur für Autos, sondern auch für Maschinen aller Art interessant, die mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden müssen. In einer einfachen Bauart mit „nur“ 27 oder 32 Gängen sei es auch für Fahrräder interessant.

Hintergrund: Logisches Zahlensystem
In Anlehnung an die Welt der Zahlensysteme gingen die Erfinder zunächst von einem dualen Zahlensystem (0/1) bei der Gestaltung des Getriebes aus. Ein Schaltgetriebe hat dabei mehrere Zahnradebenen auf einer Primärantriebswelle und einer weiteren Sekundärwelle mit jeweils zwei Schaltstellungen unterschiedlicher Übertragungsverhältnisse. Die Abtriebsseite der einen Zahnradebene entspricht dabei der Antriebsseite einer anderen Zahnradebene. Der Clou an der Sache, so erläutert der Wirtschaftsingenieur: Ein solches Schaltgetriebe mit n-Zahnradebenen weist 2(n-1)-Gänge auf. Entsprechend dem binären Aufbau mit zwei Schaltstellungen je Zahnradebenen kann ein solches Getriebe auch als Binärgetriebe bezeichnet werden, da es dem dualen (binären) Zahlensystem entspricht. Es geht aber noch eine Stufe höher: Jede Zahnradebene kann X-Wellen (= mögliche Schaltstellungen) aufweisen. Wenn jede Zahnradebene mehr Schaltstellungen aufweist, kann ein solches Schaltgetriebe mit n-Zahnradebenen insgesamt eine Anzahl von mindestens X(n-1) -Gängen aufweisen. D. h. mit einer weiteren Zahnradwelle (Tertiärwelle) ergeben sich bereits 3(n-1)-Gänge usw..

Erfinden liegt im Blut
Innovationsfreude und Ideenreichtum zeichnen seit jeher das Schaffen der Familie Faller aus. Davon zeugen zahlreiche Erfindungen und Patente, die weit über das übliche Betätigungsfeld hinausgehen. Das Erfinden liegt bei der technikbegeisterten Familie im Blut: Seniorchef Alexander Faller (63) ist gelernter Wirtschaftsingenieur (FH). Tochter Johanna (27) studiert das Fach Wirtschaftsingenieurwesen an der Hochschule Landshut. Sohn Alexander Faller jun. (25) hat die HTL Innsbruck besucht und studiert an der TH Deggendorf „Betriebliches Management“. Alexander jun. ist Geschäftsführer des Familienunternehmens ALFA-Maschinen GmbH (Rottenburg an der Laaber), das sich auf Mühlen für die Landwirtschaft spezialisiert hat. Bereits 2014 haben die Erfinder ein europäisches Patent über ein sogenanntes Planetengetriebe erhalten. Es sorgt auf engstem Bauraum für eine sehr hohe Untersetzung des Motors.

Das Erfinden liegt im Blut der Familie: Alex Faller, Vater des jetzigen Seniorchefs, hat 1989 den Antrieb für einen Reaktionshubschrauber erfunden, der ohne Hauptgetriebe und ohne Heckrotor auskommt. Dies spart rund 40 Prozent der Energie üblicher Systeme. Alex Faller erhielt dafür 1991 den Philip Morris-Preis und die Rudolf-Diesel-Medaille in Gold. Sogar der damalige US-Verteidigungsminister Richard Cheney ließ sich das Modell im Pentagon vorführen. Die amerikanische Weltraumbehörde NASA machte mit diesem Konzept erfolgreiche Flugversuche. Zu den Erfindungen der Familie gehört u. a. auch eine extrem flache, schienenlose Hubschrauber-Landeplattform.


Bildtexte

Weltweit Patent angemeldet: Das Exponentialgetriebe soll 20 bis 25 Prozent Treibstoff einsparen
Bild: (Auto)
Revolution im Motorraum: Die Rottaler Erfinderfamilie (v. l.) Alexander jun., Johanna und Alexander sen. Faller aus Pfarrkirchen hat ein Super-Getriebe mit bis zu 20.000 Gängen auf engstem Raum erfunden. (Foto: Josef König/Abdruck honorarfrei)

Grafik 1: Das Supergetriebe erlaubt unterschiedliche Spreizungen und Abstufungen für verschiedene, willkürlich gewählte Zahnradbestückungen, die auch bei gleichen Wellenabständen möglich sind.

Grafik 2: Schematischer Schnitt durch das Exponentialgetriebe: Dem Getriebe liegt ein einfacher Aufbau nach dem Zahlenschema zugrunde. In der Mitte liegt die Hauptachse, oben und unten jeweils die Nebenachsen. Hell- und Dunkelblau sind die Zahnräder angedeutet, Schwarz ist der Kraftfluss eingezeichnet. Anhand von 5 Beispielen erklärt sich der logische Aufbau. Eine -0- bedeutet, die Kupplung der jeweiligen Position der Hauptachse (Welle -0-) ist geschlossen, die -1- bedeutet, dass die jeweilige Kupplung der Welle -1- ist geschlossen, -2- bedeutet, die jeweilige Kupplung der Welle -2- ist geschlossen.

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