Getriebeherstellung

Andrea Gillhuber,

Getriebebau für Elektrofahrzeuge

Mit der Elektromobilität sehen sich Automobilhersteller mit einem strukturellen Wandel konfrontiert. Sie müssen ihre Produktionslinien auf überwiegend EV-Modell umstellen. Doch die Getriebesysteme für Elektrofahrzeuge bringen ihre ganz eigenen Anforderungen mit und erfordern neue Werkzeuge. Von Alexander Spatzig

Getriebesysteme für Elektrofahrzeuge bringen ihre ganz eigenen Anforderungen mit und erfordern neue Werkzeuge. © asharkyu/Shutterstock.com

Elektrofahrzeuge stehen an einem Wendepunkt: In den nächsten zehn Jahren werden sie sich voraussichtlich zum Mainstream entwickeln. In diesem Zeitraum wird erwartet, dass der Großteil der Produktion und des Verkaufs im Automobilsektor von Benzin- und Dieselfahrzeugen auf mehrheitlich batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) und hybride Elektrofahrzeuge (HEVs) übergeht.

Um diesen bedeutenden Wandel zu meistern, muss die Branche einige wesentliche Herausforderungen bewältigen. Die beiden größten Hindernisse für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen sind ihr hoher Preis im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE)  – aufgrund der relativ hohen Produktionskosten  – und ihre Reichweite. Um die „Reichweitenangst“, also die Angst davor, ohne Ladung gestrandet zu sein, zu lindern, werden Schnellladeinfrastruktur (EV-Tankstellen), verbesserte Batterien und der Einsatz von Turboladertechnologien wichtige Schwerpunkte sein. Fahr-erlebnisprobleme wie Geräusche, Vibrationen und Rauhigkeit (NVH) stellen eine weitere Herausforderung für Automobilhersteller dar, wenn es darum geht, Produktionslinien auf überwiegend EV-Modelle umzustellen.

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Den nächsten Gang einlegen

Neben verbesserter Batterietechnologie und neuen Ladelösungen entwickeln Automobilhersteller auch neue Getriebe- systeme, um die Reichweite zu erhöhen. Elektrofahrzeuge haben derzeit in der Regel ein Einstufengetriebe, welches bereits in einem einfachen elektrischen Antriebsstrang weitaus effizienter ist als in einem Benzin- oder Dieselfahrzeug.

ICEs haben einen sehr engen Drehzahlbereich, in dem sie ein brauchbares Drehmoment und eine brauchbare Leistung erzeugen. Komplexe Übersetzungsverhältnisse halten den Motor beim Beschleunigen des Fahrzeugs in diesem engen Bereich.

Elektromotoren haben dieses Problem jedoch nicht: Sie haben eine hohe Drehzahl und bleiben über einen weiten Drehzahlbereich effizient. OEMs und Zulieferer von Antriebssträngen schlagen jetzt aber auch Zwei-Stufen-Getriebesysteme vor, um die Reichweite zu verbessern, insbesondere für Fahrten außerhalb der Stadt und auf Autobahnen.

Mehr Zahnräder bergen aber die Gefahr von Geräuschen und Vibrationen, die aufgrund von Verzerrungen der Oberflächenqualität des Zahnrads auftreten können. Die Oberflächenqualität wirkt sich auch auf die Leistung des Getriebes aus. Unabhängig davon, ob es sich um ein einstufiges oder das vorgeschlagene neue Zwei-Stufen-Getriebe handelt, Antriebsstränge werden höchstwahrscheinlich auf Planetengetriebesystemen als Schlüsselkomponente für die Umwandlung von Drehzahl in Drehmoment basieren. Diese Systeme werden auch in Automatikgetrieben von Verbrennungsmotoren verwendet. Das Fehlen von Motorgeräuschen in einem Elektrofahrzeug kann jedoch dazu führen, dass Geräusch-, Vibrations- und Rauhigkeitsprobleme (NVH) des Getriebes stärker in den Vordergrund treten, wenn die Einzelkomponenten im Inneren nicht die erforderliche Qualität aufweisen.

Die richtige Kombination von Härte- und Feinbearbeitungsprozessen spielt daher eine Schlüsselrolle für ein strukturstabiles und geometrisch hervorragendes Bauteil. Dies gilt insbesondere für Hohlräder. Während der Herstellungsprozess von Außenverzahnungen in der Produktion seit vielen Jahren optimiert wurde, werden Innenzahnkränze bisher mit relativ kostengünstigen Techniken hergestellt, die keine Endbearbeitungsprozesse wie das Verzahnungsschleifen beinhalten. Dies führt im Vergleich zu einer niedrigeren Qualität der Hohlräder.

Vom Wälzstoßen und Räumen zum Super Skiving

Mechanismus existierender Wälzschälprozesse. © Mitsubishi Heavy Industries

Höhere Anforderungen an das Bauteilspektrum von Planetengetriebesystemen hat Hersteller dazu veranlasst, die herkömmlichen Hohlrad-Herstellungstechniken des Stoßens und Räumens teilweise durch das alternative Verfahren des Wälzschälens zu ersetzen. Dieser Prozess, bei dem Material vom Zahnrad zur Herstellung seiner Zähne kontinuierlich abgetrennt wird, ermöglicht eine höhere Produktivität und Flexibilität (Bild 1). Aufgrund der Intensität des Prozesses wird seine Industrialisierung im großen Maßstab bisher jedoch durch eine verkürzte Werkzeuglebensdauer für einen typischen Wälzschälfräser (PSC) behindert.

Den Wälzschälprozess verbessern

Darstellung eines herkömmlichen Wälzschälfräsers (Pinion Skiving Cuttter; PSC; links im Bild) und des Super-Skiving-Werkzeugs. © Mitsubishi Heavy Industries

Das neue Super-Skiving-Werkzeug (SSC), das von Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool (MAT) entwickelt wurde, zielt darauf ab, die Schnittbedingungen zu verbessern und gleichzeitig die Werkzeuglebensdauer zu erhöhen.

Schneidmesserquerschnitt und Nutzung im Schälprozess. Pinion Skiving Process ist links, Super Skiving Process rechts dargestellt. © Mitsubishi Heavy Industries

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Wälzschälfräser besteht das SSC-Werkzeug aus mehreren Schneidebenen (Bild 2 und 3). Jede Schneidebene repräsentiert einen eigenen Fräser mit einer bestimmten Anzahl von Schneidzähnen. Das Schnittvolumen kann somit breiter verteilt und die Schnittlast pro Zahn reduziert werden – dadurch reduziert sich der Verschleiß.

Ein Vergleichstest des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen zwischen dem Super-Skiving-Cutter und einem konventionellen Schälwerkzeug ergab, dass die Super-Skiving-Technik das Schneiden von härteren Materialien verbessern konnte, welches für Hohlräder eingesetzt wird. Es wurde auch gezeigt, dass das Schneidwerkzeug selbst eine längere Lebensdauer hat, wodurch der Schälprozess kostengünstiger wird. Außerdem wurde demonstriert, dass bei der Wahl der richtigen Kombination aus Werkstoffen, Werkzeugen und Bearbeitungsparametern auch bei härteren Werkstücken über HRC 35 sich eine verbesserte Standzeit des Super-Skiving-Werkstücks gegenüber dem einstufigen Schälwerkzeugs einstellen kann. Das Verfahren reduziert auch die Eigenspannungen, die bei der abschließenden Wärmebehandlung von Hohlrädern zu Verzerrungen führen kann.

Kontinuierliches Innenverzahnungsschleifverfahren (unten) und Vergleich zwischen Prozessen, Qualität und Kosten. © Mitsubishi Heavy Industries

Nach dieser Wärmebehandlung werden die Zahnräder durch einen Schleifprozess fertiggestellt, der wie das Wälzschälen bis vor kurzem für die Massenproduktion schwierig zu skalieren war. Durch das Schleifen der Zahnräder werden diese verfeinert und der bei der Wärmebehandlung auftretende Verzug erheblich reduziert. Um den Schleifprozess effizienter und besser für die Großserie geeignet zu machen, hat MAT eine Zahnradschleifmaschine entwickelt, die über das weltweit erste kontinuierliche Innenverzahnungsschleifverfahren verfügt (Bild 4).

Nächste Schritte

Wenn die Herausforderung der letzten zehn Jahre darin bestand, Fahrzeuge effizienter zu machen und weniger fossile Brennstoffe zu verbrauchen, besteht die Herausforderung für das nächste Jahrzehnt darin, ähnliche Fortschritte für Elektrofahrzeuge zu erzielen.

Getriebe sind nur ein kleiner Teil eines viel größeren Umfelds, das die Branche erforschen und in das sie investieren muss, um die Qualität und Effizienz zu erreichen, die für die erwartete breite Einführung von Elektrofahrzeugen erforderlich sind. Automobilhersteller und ihre Lieferketten müssen innovativ sein, wenn es darum geht, jede einzelne Komponente eines Elektrofahrzeugs zu konstruieren und herzustellen, damit die Fahrzeuge und ihre Produktion die Reichweite und den Preis erreichen, die zur Förderung der Massenakzeptanz erforderlich sind.

Alexander Spatzig, Head of Machine Tool Business Development Europe, Mitsubishi Heavy Industries Europe / ag

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