Die Reduzierung des axialen Bauraums ist die wesentliche Motivation für den Einsatz der neuartigen Ausgleichsverzahnung in den koaxialen elektrischen Antriebssystemen, da sie es ermöglicht, deutlich mehr axialen Bauraum für den Antriebsmotor bereitzustellen, als dies mit einem klassischen Kegelraddifferenzial möglich wäre.

Zusätzlich weist das Leichtbaudifferenzial, wie der Name vermuten lässt, im Vergleich zum Kegelraddifferenzial ein zirka 30 % geringeres Gewicht auf, was in drehmomentstarken Antriebssträngen zu einem Gewichtsvorteil von bis zu 3 kg führen kann. Dieser Gewichtsvorteil ist der wesentliche Grund für den Einsatz in den achsparallelen elektrischen Antriebsachsen von Schaeffler.

Während bei klassischen Planetenradgetrieben die Ausgleichsverzahnung des Differenzials axial neben der Planetenradstufe angeordnet wird, erlaubt die Verwendung des gestuften Planetenradsatzes, die Stirnverzahnung des Differenzials anteilig im Bauraum des Planetenradgetriebes anzuordnen. Dadurch entsteht ein hoch integriertes und extrem kurz bauendes Getriebekonzept, Bild 3.

Die Integration des Differenzials ist möglich, weil ein gestufter Planetenradsatz über einige konstruktive Besonderheiten verfügt, die in Standard- Planentenradsätzen so nicht vorhanden sind. Dazu gehört, dass das Sonnenrad nur teilweise in den Bauraum des Planetenradsatzes hineinragt und lediglich mit dem großen Planetenrad kämmt. Weil das Differenzialgehäuse und der Planetenträger in einem Bauteil vereint sind, ist es so möglich, das Sonnenrad des Differenzials radial innerhalb der kleinen Planetenräder zu platzieren. In einem weiteren Schritt werden die Differenzialausgleichsräder teilweise zwischen den kleinen Planetenrädern des gestuften Planetenradsatzes eingebettet, was erlaubt, dass der gestufte Planetenradsatz sich in etwa mit der Hälfte des Differenzials überlappt, ohne dass sich die Zahnräder berühren. Das Planetenradgetriebe und die Verzahnung des Differenzials werden prinzipiell ineinander verschachtelt.

Im konkreten Anwendungsfall konnte auf diese Weise ein Getriebe bereitgestellt werden, das in einem axialen Bauraum von 150 mm verbleibt und am Differenzialkorb über ein nominales Ausgangsmoment von etwa 4.000 Nm verfügt. Durch die kompakte Bauweise besteht die Option, auch längere leistungsstarke Motoren in den Antriebsachsen zu integrieren, ohne die Bauraumvorgaben im Fahrzeug zu verletzten.

Aktuell befindet sich ein permanent-erregter Synchronmotor in der Entwicklung, der bei einer maximalen Leistung von 190 kW ein Drehmoment von bis zu 440 Nm bereitstellt. Das nominale Moment liegt dabei immer noch bei 250 Nm bei einer Nennleistung von 100kW. Dieser Motor in Kombination mit dem sehr kompakt bauenden Getriebe wird zeitnah als leistungsstarker elektrischer Antrieb zur Verfügung stehen. Bauartbedingt weist dieser Antrieb vergleichsweise hohe Wirkungsgrade auf, wie in Bild 4 ersichtlich wird.

Der Antrieb ist mit Wirkungsgraden größer 95 % in den für den WLTC relevanten Betriebsbereichen zwischen 2.500/min und 7.500/min, was einer Fahrzeuggeschwindigkeit von etwa 30 bis zu 90 km/h entspricht, extrem effizient. Lediglich bei hohen Stellmomenten und Geschwindigkeiten sinkt der Wirkungsgrad auf weniger als 95 %. Diese Betriebszustände sind im WLTC allerdings stark unterrepräsentiert. Die PSM kann mit Drehzahlen von bis zu 18.000/min betrieben werden, was es ermöglicht, das Fahrzeug mit einer Höchstgeschwindigkeit von über 200 km/h zu betreiben.

Bild 5 zeigt eine schematische Übersicht über die elektrischen Achsantriebe für den koaxialen Einbau. Dargestellt ist an dieser Stelle jeweils nur der Planetenradsatz im Halbschnitt ohne das Differenzial, das mit dem Planetenträger verbunden ist. Ganz links findet sich der gestufte Radsatz in der Kombination mit einem leistungsstarken Antriebsmotor, wie der beschriebenen PSM mit einer kurzzeitigen Leistung von 190 kW und einem maximalen Moment von 440 Nm.

Aktuell in der Entwicklung befinden sich gestufte Radsätze, die Getriebeübersetzungen von bis zu 12 erlauben und hinsichtlich der Verzahnungskontakte in Richtung einer hohen Profil- und Sprungüberdeckungen optimiert wurden.

Gerade im Hinblick auf die Zielmärkte elektrischer Antriebssysteme ist die Bereitstellung einer hohen Endgeschwindigkeit mitunter allerdings nicht immer notwendig und sinnvoll, da der Gesetzgeber in vielen Regionen Höchstgeschwindigkeiten von deutlich unter 200 km/h vorgibt.

Ein mögliches Unterscheidungskriterium ist allerdings das dynamische Fahrverhalten im unteren und mittleren Geschwindigkeitsbereich. Bei geringeren Höchstgeschwindigkeiten ist es sinnvoll die Getriebeübersetzung weiter anzuheben. Dies wird durch die Kopplung mit einem weiteren Planetenradsatz erzielt. So wird auf Basis des Drehzahlspektrums des Antriebsmotors die Übersetzung des Getriebes definiert angehoben und gleichzeitig das Drehmoment des Motors herabgesetzt. Mit dieser Maßnahme werden das Gewicht und der Bauraum des Antriebsmotors reduziert, was sich unter anderem auch positiv auf die Herstellkosten auswirkt.

Im Zielkonflikt zwischen der erforderlichen Dauerleistung, der Höchstgeschwindigkeit, der gewünschten Beschleunigung im unteren Geschwindigkeitsbereich und der Spannungslage bietet die Anpassung der Getriebeübersetzung auf diese Weise die Möglichkeit, ein kosteneffizientes Gesamtsystem zu gestalten. Der Zusammenhang zwischen der Gesamtübersetzung des Getriebes und der Größe des elektrischen Motors ist in Bild 5 schematisch dargestellt und stark vereinfacht. In der Praxis dürfen die Akustik, die Kühlung der Aggregate und auch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems nicht vernachlässigt werden.

Bild 6 zeigt die konkrete konstruktive Umsetzung des Baukastens, bei dem permanent-erregte Synchronmotoren mit Dauerleistungen von bis zu 80 kW und maximalen Motorenmomenten von 250 Nm mit unterschiedlichen Radsätzen kombiniert werden. Durch Variationen der Getriebestufen werden die Antriebssysteme auf unterschiedliche Endgeschwindigkeiten und Fahrmomente sowie Raddurchmesser und Fahrzeuggewichte angepasst.

Die beschriebenen Lösungen bedienen sowohl Fahrzeuge mit hohen Endgeschwindigkeiten als auch Fahrzeuge mit einem hohen Antriebsmoment. Bei den dargestellten Antriebsachsen sind die Schnittstellen zwischen Elektromotor und Getriebe und der erste Planetenradsatz identisch ausgeführt. Weiterhin besitzen alle Radsätze die gleiche Differenzialverzahnung. Lediglich die Laufverzahnung der zweiten Planetenradstufe weist Unterschiede auf. So unterscheiden sich die Varianten mit einer Gesamtübersetzung von 15 und 19 hinsichtlich der Sonne und des großen Planeten, die Hohlräder und das Differenzialgehäuse sind identisch ausgeführt. Beide Varianten verfügen über einen gestuften Radsatz, der sich mit der Differenzialverzahnung überschneidet.

Die Antriebsachse mit einer Gesamtübersetzung von 11 verzichtet auf den gestuften Radsatz, behält allerdings die Verzahnung des kleinen Planeten und das entsprechende Hohlrad, das auch bei den anderen beiden Varianten Verwendung findet, bei. Die Differenzialverzahnung ist bei der Variante mit niedriger Übersetzung axial im Gehäuse neben der Differenzialausgleichsverzahnung angeordnet und ist nicht mit dieser verschachtelt. Das Getriebelayout entspricht dem mittleren Schema in Bild 5. Die Getriebestufe mit einer hohen Gesamtübersetzung von 19 ist als eingängiges System aufgrund der niedrigen Abtriebsdrehzahl lediglich für den Stadtverkehr geeignet, dient allerdings als Absprungbasis für mehrgängige Systeme, auf die an anderer Stelle noch genauer eingegangen wird.

In Bild 7 sind die Leistungsdaten der Antriebsachse mit einer Gesamtgetriebeübersetzung von 15 im Detail aufgeführt. Die Achse verfügt über einen Permanentmagnet-Synchronmotor, der über ein maximales Drehmoment von 250 Nm bei einer Dauerleistung von zirka 80 kW verfügt. Die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt bei einer Getriebeübersetzung von 15 in etwa 150 km/h. Daraus resultiert ein maximal an der Achse vorhandenes Moment von 3.750 Nm und immerhin noch ein Dauermoment von 2.250 Nm. Ein Fahrzeug im C-Segment kann so dynamisch sowohl in als auch außerhalb der Stadt bewegt werden. Trotz dieser ambitionierten Leistungsdaten weist das elektrische Antriebssystem inklusive der integrierten Leistungselektronik lediglich ein Gesamtgewicht von 75 kg auf.

Das Schaltungsmodul inklusive dem Aktuator ist dabei identisch zu der bereits beschriebenen Lösung im koaxialen Antriebsstrang gestaltet. Im aktuellen Entwicklungsstand ist das beschriebene System mit einen Hochvolt-Synchronmotor ausgestattet, der über eine Maximalleistung von 100 kW und eine Dauerleistung von etwa 60 kW verfügt.

Der erste Gang deckt den Geschwindigkeitsbereich bis 120 km/h ab, während der zweite Gang ausschließlich für den Überlandverkehr mit höheren Geschwindigkeiten gedacht ist. Dabei dient er hauptsächlich zur Rekuperation elektrischer Energie in Verzögerungsphasen sowie für eine elektrische Segelfunktion (aktives Segeln). Die mechanische Entkopplung des Systems erfolgt über den Neutralgang und verbessert die Effizienz während des passiven Segelns sowie im rein verbrennungsmotorischen Betrieb.

Durch die hohe Gesamtübersetzung im ersten Gang stellt der Antrieb bei niedrigen Drehzahlen ein maximales Drehmoment am Ausgang von etwa 3.000 Nm zur Verfügung. Dadurch erreicht ein mit diesem Antrieb ausgestattetes Fahrzeug auch bei einem rein elektrischen Betrieb in der Stadt sehr gute Fahrdynamikwerte. Die Aktivteile des Motors können auch in der zweigängigen koaxialen elektrischen Achse eingesetzt werden. Gleichzeitig kann der achsparallele Antrieb auch mit dem schwächeren Antriebsmotor der beschriebenen koaxialen Variante ausgestattet werden, Bild 8.

Das Überlagerungsgetriebe des Torque Vectoring-Moduls besteht grundsätzlich aus zwei identischen Planetenradgetrieben. Diese beiden baugleichen Planetenradstufen teilen sich einen gemeinsamen Steg; der Abtrieb erfolgt über zwei identische Hohlräder, die über eine weitere Planetenradstufe mit einer Abtriebswelle und dem Gehäuse des Differenzials verbunden sind. Die Sonne des einen Planetenradgetriebes ist gehäusefest, die andere über eine Stirnradstufe mit dem parallel angeordneten Stellmotor verbunden.

Bei Geradeausfahrt wälzt weder das Differenzial noch das Überlagerungsgetriebe oder der Rotor des Stellmotors ab, wodurch etwaige Verluste minimiert werden. Ohne Aktivierung des Stellmotors wird kein Differenzmoment aufgebracht. Die Radmomente sind identisch und der Stellmotor wird mit keinem Moment beaufschlagt. Aufgrund der Massenträgheit des Überlagerungsgetriebes und des Stellmotors verhält sich das aktiv steuerbare Differenzial im deaktivierten Zustand wie ein konventionelles Differenzial mit einem erhöhten Sperrwert.

Verdreht der Stellmotor die mit ihm verbundene Sonne des Überlagerungsgetriebes, so wird eine Relativdrehzahl zwischen den Hohlrädern und den Abtriebswellen des Differenzials erzwungen. Diese wiederum erzeugen eine Drehzahldifferenz an den Rädern. Das Überlagerungsgetriebe ermöglicht eine Übersetzung vom Stellmotor zum Rad von etwa 40. Wird bei dieser Getriebeübersetzung am Stellmotor ein Moment von etwa 30 Nm erzeugt, so entsteht ein Differenzmoment von 1.200 Nm zwischen den Rädern. Diese Größenordnung ist notwendig, um eine adäquate Funktionalität des Systems über nahezu den gesamten Geschwindigkeitsbereich sicher zu stellen. Für eine Querverteilung der Drehmomente ist bei einem derartigen System deutlich weniger elektrische Systemleistung erforderlich als bei Antrieben mit je einem elektrischen Antrieb pro Radseite. Für den Einsatz im Fahrzeug ist eine maximale Leistung von 6 bis 7 kW für den Stellmotor daher völlig ausreichend.

Zudem weist eine Systemarchitektur gekennzeichnet durch die Kombination eines Traktionsantriebs mit einem zusätzlichen Torque-Vectoring-Modul deutlich günstigere akustische Eigenschaften auf wie Systeme, die über zwei Hauptantriebsmotoren mit den jeweiligen Getriebestufen verfügen. Eine Ursache hierfür ist, dass sich zwei identische Systeme innerhalb einer Achsaufhängung akustisch überlagern, was durch aufwendige Sekundärmaßnahmen im Fahrzeug abgemildert werden muss.

Das elektromechanische Torque Vectoring-System kann optional mit dem beschriebenen koaxialen und auch achsparallelen Antriebsbaukasten kombiniert werden. So wird aus dem rein elektrischen Achsantrieb der „Active eDrive“, der auf der Basis der jetzigen Fahrerprobungen und Versuche einen Meilenstein hinsichtlich seiner Funktionalität und Dynamik darstellt. Das System vereint dabei den elektrischen Achsantrieb mit einer intelligenten Querverteilung der Momente, die als Lenkunterstützung, Traktionshilfe oder zur Stabilisierung des Fahrzeugs im Grenzbereich eingesetzt werden kann.