Light4Speed – Ressourceneffiziente Zahnräder für moderne Höchstdrehzahl-Antriebskonzepte

Forschungsthema

Kurztitel Light4Speed
Projektbeginn Q3/2021
Förderung BMWK 03LB3014A
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, BMWK
Webseite https://light4speed.de/
Projektpartner

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien, IWT

Volkswagen AG

ALD Vacuum Technologies GmbH

HEESS GmbH & Co. KG

OSK-Kiefer GmbH Oberflächen- & Strahltechnik

Kontakt Dr.-Ing. T. Tobie

Projektbeschreibung

Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs reduziert die Anzahl getriebetechnischer Bauteile in Fahrzeugen maßgeblich. Dennoch werden derzeit auch im Bereich von Elektrofahrzeugen und deren Antriebsstrang erhebliche Anstrengungen unternommen, um Leichtbaupotenziale zu erkennen und umzusetzen. Ein entscheidender Gewichtstreiber im Elektrofahrzeug ist neben dem Energiespeicher derzeit der E-Motor, der aufgrund der im Bereich niedriger Drehzahlen abgeforderten hohen Drehmomente in seinen Dimensionen groß ausgelegt werden muss. Um diesen Nachteil zu umgehen, werden neue Konzepte auf Basis kleinerer Elektromotoren angestrebt, die durch Höchstdrehzahl und entsprechend reduziertem Drehmoment die geforderte Leistung zur Verfügung stellen. Die sehr hohen Drehzahlen des Motors müssen dann durch ein Untersetzungsgetriebe mit dem Abtriebsstrang harmonisiert werden. Das Untersetzungsgetriebe ist an dieser Stelle als maßgebliche Enabler-Technologie zu betrachten, um bei reduziertem Gewicht und hohem Komfort sowie klassischem Fahrverhalten in Zukunft Fahrzeuge mit hoher Akzeptanz im Markt zu bauen. Zudem werden auch im Hinblick auf den Elektromotor weniger Ressourcen, wie z. B. Kupfer oder seltene Erden, benötigt.

Analog zu den Bemühungen der vergangenen Jahre den Antriebsstrang von Verbrennungskraftmaschinen bezüglich seines Gewichts zu optimieren, ist die Einsparung von Energie in Elektrofahrzeugen ebenfalls von erheblicher Bedeutung. Zum einen führt ein reduziertes Fahrzeuggewicht zu einem geringeren Energieverbrauch und damit zu weniger CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung. Zum anderen wird das sekundäre Leichtbaupotenzial angesprochen, welches durch die reduzierte Fahrzeugmasse skaliert werden kann. Als wichtiger Nebenaspekt der Energieeinsparung ergibt sich die Ausnutzung gesteigerter Reichweiten bei gleichen Energiespeichern, was die Akzeptanz der Elektrofahrzeuge im Markt deutlich positiv beeinflusst, wie eine Verbraucherumfrage zur Elektromobilität eindeutig belegt [BON20].

In aktuell am Markt erhältlichen Elektroautos sind Eingangsdrehzahlen am Getriebe von 12.000 bis 18.000 U/min üblich (siehe [OER19, TES20, VWe20, EVD20]). Konzeptstudien und Forschungs-arbeiten beschäftigten bzw. beschäftigen sich derzeit meist mit Drehzahlen bis zu 30.000 U/min, wie z. B. in [AVL20, SPE17, EFF15]. Zur weiteren Steigerung der Effizienz sollen zukünftig Drehzahl-konzepte mit bis zu 50.000 U/min zum Einsatz kommen, welche z. B. derzeit bereits im Forschungs-projekt Speed4E [SPE20] an der FZG der TU München entwickelt und untersucht werden. In Folge der Höchstdrehzahlen spielen Fliehkräfte eine zunehmende Rolle bei der Zahnradbeanspruchung. Diese sind in der Berechnung der Zahnfuß-Belastung eines Zahnrads nach genormten bzw. standardisierten Berechnungsverfahren (wie DIN 3990 [DIN87b]/ ISO 6336 [ISO19]) bisher nicht enthalten, so dass dieser Einfluss nur über höherwertige, aber entsprechend aufwändige Berechnungsverfahren, wie z. B. FEM, abgebildet werden kann.

 

Literatur

[DIN87a] DIN 3990-5: Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern; Dauerfestigkeitswerte und Werkstoffqualitäten (1987)

[ISO19]: ISO 6336 Part 1-6:2019-11: Calculation of load capacity of spur and helical gears (2019).

[SPE20] Speed4E - Hyper-Hochdrehzahl für den elektrifizierten automobilen Antriebs-strang zur Erzielung maximaler Reichweiten. URL: http://www.speed4e.de/. Abrufdatum 07.04.2020.

[BON20] Elektromobilität | Boniversum | Verbraucherumfrage. URL: https://www.boniversum.de/studien/verbraucherumfragen/elektromobilitaet/. Abrufdatum 30.04.2020.

[OER19] DIESEL international: Oerlikon Graziano showed its hybrid and electric technologies at Cti Berlin. URL: https://www.diesel-international.com/alternatives/oerlikon-graziano-hyb-rid-electric/. Abrufdatum 30.04.2020

[TES20] Electric Vehicle News: Tesla Model S drive unit. URL: http://www.electric-vehic-lenews.com/2014/08/teslamodel-s-drive-unit-now-has.html. Abrufdatum 30.04.2020.

[VWe20] Volkswagen Newsroom: e-Motor / 1-Gang-Getriebe. URL: https://www.volkswagen-newsroom.com/de/internationale-fahrvorstellung-des-neuen-e-golf-2858/e-motor-strich-1-gang-getriebe-2864. Abrufdatum 30.04.2020.

[EVD20] ZF Friedrichshafen AG: Elektrischer Achsantrieb. URL: https://www.zf.com/pro-ducts/de/cars/products_29296.html. Abrufdatum 30.04.2020.

[AVL20] AVL List GmbH: AVL Electric drives for future E-Mobility development. URL: https://www.avl.com/documents/10138/12918365/n45518_ss_Transmis-sion_Electric+Drive_E_web.pdf/0f6759c5-26b4-7db1-318a-fc7f823623d8?t=1561380367073&download=true. Abrufdatum 30.04.2020.

[SPE17] FZG & Konsortioalpartner: Speed2E - Innovatives Super-Hochdrehzahl-Mehrgang-Konzept für den elektrifizierten automobile Antriebsstrang für höchste Effizienz und höchsten Komfort. URL: http://www.speed2e.de/download.html. Abrufdatum 30.04.2020.

[EFF15] wbk Institut für Produktionstechnik (KIT): EFFECT 360°. URL: http://www.wbk.kit.edu/wbkintern/Forschung/Projekte/EFFECT360/. Abrufdatum30.04.2020.