Wählhebel

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:

• Kostengünstiger, einfacher und robuster Aufbau.
• Meist mit einfachen Mitteln zu reparieren, vorteilhaft für die Wartung in Schwellen- und Entwicklungsländern.
• Stromloses Schalten möglich, insbesondere um die kraftschlüssige Verbindung im Getriebe zu öffnen, wenn das Fahrzeug bei Ausfall geschoben werden muss.
• Auch im Notfall individuelle Steuerung bei rein mechanischen Getrieben (z. B. Motorbremse mit Überdrehen des Motors bei Bremsversagen im Gefälle), wo elektronische Steuerungen die Betätigung verhindern würden.

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:

• Übertragung von Körperschall in den Innenraum, weswegen beispielsweise Schwingungstilger eingesetzt werden.
• Notwendigkeit der Entkopplung der Bewegung des Getriebes in seiner Lagerung, beispielsweise bei Lastwechsel, so dass am Wählhebel keine Rückwirkung erkennbar ist
• Reibung der Mechanik (Schaltkomfort)
• Wärmeabstrahlung in der Nähe der Abgasanlage
• Abdichtungs- und Geräuschprobleme (NVH) bei den benötigten Durchgangsöffnungen zum Innenraum
• Crashverhalten der gesamten äußeren Schaltung
• Gefahr für andere Fahrzeugkomponenten durch Missbrauch und Fehlbedienung, zum Beispiel Überdrehen des Motors beim Verschalten oder Beschädigung der Synchronringe durch unvollständig getrennte Kupplung („Gruß vom Getriebe“)
• Eingeschränkte Verlegung, z. B. durch minimale Biegeradien der Seilzüge oder gerade Abschnitte in der Gestängeführung.

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.

Vor- und Nachteile

Vorteile von Shift-by-Wire:

• Bei der Anbindung über den CAN-Bus reichen zwei Leitungen für den Bus plus Stromversorgung (insbesondere Zündungsplus, Dauerplus und Masse) aus, um alle Informationen mit dem Getriebe und anderen Steuergeräten (z. B. Kombiinstrument) auszutauschen.
• Der Wählhebel kann frei im Arbeitsbereich des Fahrers platziert werden, die Anbindung erfolgt über frei verlegbare elektrische Verbindungen.
• Bei geeigneter Auslegung kann der Wählhebel einfach für den Einbau in mehreren Plattformen und Baureihen unverändert übernommen oder durch Konfiguration der Software angepasst werden.
• Schnelle Montage bei der Fahrzeug-Produktion, während mechanische Verbindungen zusätzliche Installations- und Einstellarbeiten beim Einbau erfordern können.
• Freie Wahl bei der Art der Betätigung, Betätigungskräften und -wegen, Betätigungssperren
• Zusatzfunktionen wie Force-Feedback, automatisches Ein- und Ausfahren des Wählhebels
• Durch die fehlende mechanische Verbindung gelangen weniger Störgeräusche vom Getriebe in die Fahrgastzelle

Nachteile von Shift-by-Wire:

• Im Gegensatz zu mechanischen Verbindungen ist kein stromloses Schalten möglich.
• Es gibt keine erzwungene Verbindung von Fahrstufe und Wählhebelstellung, so dass das Getriebe eine zeitliche Verzögerung gegenüber der Wählhebelstellung hat.
• Wenn die Aufgaben nicht mehr vom Steuergerät des Getriebes übernommen werden, benötigt der Wählhebel ein eigenes Steuergerät (Embedded System) mit eigener Software und einem Mikrocontroller.
• Wegen der Entkoppelung von Getriebestellung und Wählhebelstellung werden bei Shift-by-Wire-Schaltungen häufig nur Tippschaltungen angeboten. Dabei erlaubt die Wählhebelstellung keinen Rückschluss auf die eingelegte Fahrstufe. Die im Getriebe eingelegte Fahrstufe wird je nach System dem Fahrer durch Anzeigen im Kombiinstrument oder am Wählhebel selbst signalisiert, diese Anzeigen sind mit dem Getriebe und nicht mit der Wählhebelposition synchronisiert.

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:

1. Wenn der Zündschlüssel unabhängig von der Wählhebelstellung abgezogen werden kann (überwiegend in Europa), sind in der Regel Sperren vorhanden, die einen Wechsel von D nach N oder von R nach N oder P verhindern, bis der Fahrer auch das Bremspedal tritt.
2. Bei Ländern, in denen der Zündschlüssel nur in der Position P den Motor ausschalten kann und abgezogen werden darf (USA, Kanada), fehlen solche Sperren üblicherweise.

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:

• P-Taste: Bei monostabilen Wählhebeln kommt die Fahrstufe P üblicherweise nicht im Schaltschema vor. P kann zwar durch die Bewegung des Wählhebels verlassen werden, es ist aber nicht möglich, durch eine Bewegung des Wählhebels in P zurückzukehren. Die Fahrstufe P wird in diesen Fällen über eine eigene Taste eingelegt.
• Unlock-Taste: Sie ist bei vielen Wählhebeln vorhanden und muss betätigt werden, um den Wählhebel von einer Fahrstufe zur nächsten zu bewegen. Dadurch wird ein versehentliches Betätigen des Wählhebels vermieden. Als Alternative zur Unlock-Taste besitzen manche Automatik-Wählhebel eine Wurm- oder Labyrinth-Gasse.
• M-Taste: Wenn am Wählhebel die Tippgasse fehlt und stattdessen Paddles am Lenkrad für die manuelle Gangwahl vorgesehen sind, kann mit der M-Taste die manuelle Fahrstufe (M) gewählt und die Steuerung auf die Paddles gelegt werden.

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.

Push Button Selector (Tastenschaltung) für das Packard-Automatikgetriebe Twin Ultramatic, hier in einem Executive Serie 5670

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.

Drehschalter PSA

Als weitere Alternative für Automatikgetriebe sind Drehschalter schon seit längerem bekannt[17]. Sie sind jedoch nur in wenigen Fahrzeugen zu finden:

• Range Rover Evoque[18]
• Beim Jaguar XF fährt der Drehschalter erst bei Betätigen des Start-Buttons aus[19]
• Chrysler 200

Da Drehschalter für die manuelle Schaltung (M) des Getriebes nicht den üblichen Betätigungsgewohnheiten entsprechen, wird manuelle Schaltung durch Lenkradtasten oder -wippen bereitgestellt.

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.

Im Aufbau wenig unterschiedlich ist die Cockpitschaltung (auch Armaturenbrettschaltung, Dashboard-Schaltung), bei der sich die Schalteinrichtung am Armaturenbrett befindet. Dieser Ort wird beispielsweise gewählt, um einen freien Durchstieg zwischen Fahrer- und Beifahrersitz zu ermöglichen.

Als Bedienelement wird an dieser Position meist ein Schaltknüppel, selten auch ein Drehschalter eingesetzt.

Lenkradschaltung der Borgward Isabella (4-Gang-Handschaltgetriebe).

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.

Tastenschaltung (Automatik) im Lenkrad des Edsel.

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.

• Der Tatra 603 wurde mit Heckmotor, aber mit Lenkradschaltung produziert, d. h., das Schaltgestänge musste auf umständliche Weise von der Lenksäule zum hinten liegenden Getriebe geführt werden.
• Bei den DKW-Modellen der 1950er-Jahre, die mit Vierganggetriebe ausgestattet waren, lagen die Gänge umgekehrt zum üblichen Schaltschema: Der erste und dritte Gang lagen unten, zweiter und vierter Gang oben.
• Der Opel Rekord C hatte am Ende des Schalthebels einen Knopf, der gedrückt werden musste, damit der Rückwärtsgang eingelegt werden konnte.
• Der Trabant hat zwar den Ganghebel gemeinsam mit der Lenksäule verbaut, jedoch nicht die für Lenkradschaltungen übliche Mechanik, bei der der Ganghebel gegen die Lenksäule bewegt wird, sondern Mechanik und Schaltschema einer Krückstockschaltung.
• Während die übliche Stellung des Rückwärtsganges in der H-Schaltung hinten ist, liegt sie bei den meisten Volkswagen-Pkw vorne.
• Beim Goggomobil beschrieb die Schaltkulisse ein liegendes H, kein (wie sonst) stehendes, also 1. Gang vorne links, 2. Gang vorne rechts, 3. Gang (eckig zu schalten und heranziehen) hinten links usw.

In Rechtslenkerfahrzeugen ist die Anordnung der Gänge bei der Lenkradschaltung spiegelbildlich.

Revolverschalthebel in einem Renault 4

Weiterführung des Schaltgestänges im Motorraum des R4

Prinzipskizze einer Revolverschaltung für Frontantrieb mit Getriebe vor dem Motor

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.