E-Achse
Der innovative Schaeffler E-Achsenkonfigurator
Thorsten Biermann
II. Basisidee Leichtbaudifferenzial
III. Baukasten für koaxiale Antriebe
IV. Baukasten für achsparallele Antriebe
Mit dem elektrisch angetriebenen Konzeptfahrzeug Active eDrive präsentierte Schaeffler bereits 2011 einen zukunftweisenden Antriebsstrang in einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug. Der Demonstrator auf Basis eines Škoda Oktavia Scout verfügte über zwei Achsantriebe, die nicht nur elektrisches Fahren, sondern zusätzlich eine intelligente elektromechanische Querverteilung der Momente sowohl innerhalb der Vorder- als auch der Hinterachse ermöglichten.
Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal der Achsantriebe war zum damaligen Zeitpunkt die koaxiale Anordnung des Motors zu einem Getriebe und einem Differenzial in Planetenbauweise. Der permanent-erregte Synchronmotor erlaubte zu diesem Zeitpunkt noch keinen Betrieb bei höheren Drehzahlen, sodass trotz zwei angetriebener Achsen die Höchstgeschwindigkeit auf zirka 150 km/h begrenzt wurde. Dennoch wurde die mögliche Dynamik elektrisch angetriebener Fahrzeuge mit zusätzlicher Torque Vectoring Funktionalität erstmalig „erfahrbar“.
Seither wurde der elektrische Achsantrieb sowohl hinsichtlich der elektrischen als auch der mechanischen Komponenten permanent weiterentwickelt. Entstanden ist eine Familie elektrischer Antriebsachsen, die eine optimale Lösung für die unterschiedlichsten Kundenanwendungen und Plattformen bietet. So eignet sich der Antriebsbaukasten nicht nur für den Einsatz in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, sondern auch für Hybrid-Anwendungen. Um das Leistungsspektrum von Voll- und Plug-in-Hybridfahrzeugen abzudecken, stehen schaltbare zweigängige P4-Lösungen mit hohen Übersetzungen und einer zusätzlichen Abschaltung zur Verfügung. Die Mechanik beziehungsweise das Getriebe ist dabei so gestaltet, dass auch in Verbindung mit einem Motor aus dem niedrigen Leistungssegment (48 Volt) ein vergleichsweise großes Drehmoment zur Verfügung gestellt werden kann. Damit wird die elektrische Achse nicht nur zum Mittel der Wahl, was die Reduzierung des CO₂-Ausstoßes betrifft, sondern erlaubt den zusätzlichen Allrad-Betrieb und sorgt damit auch bei schwierigen Straßenverhältnissen für eine optimale Traktion.
Für rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge bietet der Baukasten sowohl eingängige Lösungen als auch zweigängige lastschaltfähige Achsen, die durch eine intelligente Wahl der Übersetzung und der Gestaltung des Antriebsmotors eine optimale Leistungsdichte bezogen auf das geforderte Anfahrmoment und die Endgeschwindigkeit bereitstellen. Durch die wahlweise Gestaltung des Antriebsstranges in koaxialer oder auch achsparalleler Anordnung ist es ferner möglich, unterschiedlichste Plattformen vom reinen Sportwagen mit hohen Ansprüchen an die Leistungsdichte als auch SUVs mit erhöhten Anforderungen bezüglich der Auslenkung der Seitenwellen zu bedienen.
Zusätzlich ist es möglich, jede Antriebsachse unabhängig von der Anordnung des Antriebsstranges oder der Leistungsklasse mit zusätzlichen Funktionsmodulen auszustatten. Die Möglichkeit, Subsysteme wie ein Schaltungs- oder auch Torque Vectoring-Modul hinzuzufügen, gestattet es, die elektrische Antriebseinheit optimal auf Kundenanforderungen zuzuschneiden und dabei auf Wunsch ein Maximum an Funktionalität zu generieren. Die Mehrfachverwendung der mechanischen und elektrischen Subsysteme in unterschiedlichen Antriebssträngen hilft, sowohl die Entwicklungszeiten als auch die damit verbundenen Kosten deutlich zu reduzieren.
Hinsichtlich seines Bauraumbedarfs bietet das Schaeffler Leichtbaudifferenzial jedoch deutliche Vorteile zum klassischen Kegelraddifferenzial. Letzteres ist zwar ohne Antriebsrad durch einen radial kompakten Bauraum gekennzeichnet, benötigt allerdings axial deutlich mehr Platz als das Leichtbaudifferenzial mit gleicher Drehmomentkapazität.
Bild 1 Leichtbaudifferenzials in Planetenbauweise mit Lagerung in O-Anordnung für achsparallele Antriebsachsen
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.
Der Aufbau der Getriebe im koaxialen Antriebsstrang ist so gestaltet, dass ein oder mehrere Planetenradgetriebe mit einem Ausgleichsgetriebe gekoppelt werden. Dabei entfällt der Final Drive des Differenzials und das Ausgleichsgetriebe wird direkt über das Gehäuse angetrieben. Eine Abtriebswelle des Differenzials wird durch den Rotor des Antriebsmotors hindurch zum Rad geführt, was bedeutet, dass die Rotorwelle als Hohlwelle ausgeführt werden muss. Gerade bei einer koaxialen Anordnung des Antriebsstranges liegt ein Hauptaugenmerk darauf, das Antriebssystem axial möglichst kurz zu gestalten, um den Seitenwellen möglichst viel Bauraum einräumen zu können. Zu kurze Seitenwellen führen zu einer Überschreitung der technisch realisierbaren Auslenkungswinkel an den Gleichlaufgelenken. Bei einem gegebenen Bauraum gilt es daher, das Getriebe axial möglichst kompakt zu gestalten, um dem Antriebsmotor entsprechend länger dimensionieren zu können und so eine höhere Leistung beziehungsweise ein Mehr an Drehmoment bereitzustellen.
Gerade in koaxial angeordneten Antriebsachsen bietet daher das Stirnraddifferenzial durch seine schmale Bauweise deutliche Vorteile gegenüber dem Kegelraddifferenzial mit seinem kugelförmigen Differenzialkorb. Die Ausgleichsverzahnung des beschriebenen Leichtbaudifferenzials ist zudem gut geeignet, um mit einer weiteren Planetenradstufe gekoppelt zu werden. So ermöglicht die konstruktive Gestaltung des Stirnraddifferenzials die gleichzeitige Nutzung des Differenzialgehäuses als Planetenradsteg für die Verzahnung der Getriebeübersetzung. Die Verzahnung des Differenzialausgleichs ist dabei in einem Gehäuse mit einem Planetenradgetriebe untergebracht. In Abhängigkeit von der Standübersetzung des Umlaufrädergetriebes i0 wird das Moment am Differenzialkorb bei dieser Bauweise um den Faktor (i0 - 1) erhöht. I0 ist dabei gleich -ZHohlrad / ZSonne. Das „Z“ steht an dieser Stelle für die Zähnezahl. Die Standübersetzung hat ein negatives Vorzeichen, da im beschriebenen Beispiel die Zähnezahl des Hohlrades definitionsgemäß ein negatives Vorzeichen aufweist. Die Getriebegesamtübersetzung wird folgend unabhängig von der Getriebebauart als positiver Wert ausgegeben.
In einem konkreten Anwendungsfall führte allerdings die alleinige Verwendung der Stirnausgleichsverzahnung in Kombination mit einem zweistufigen Planetenradgetriebes nicht zum erwünschten Erfolg. Der Motor war immer noch zu lang, um im axial zur Verfügung stehenden Bauraum untergebracht zu werden. Eine Lösung bot die Verwendung eines sogenannten gestuften Planetenradsatzes.
Bei einem gestuften Planetenradsatz ist der Planet mit einem Stufensprung versehen und besitzt zwei Verzahnungsebenen, Bild 2. Die Verwendung eines gestuften Planetenradsatzes ermöglicht Übersetzungen von mehr als 10, die sonst lediglich mit zwei gekoppelten Planetenradgetrieben darstellbar sind. Auf den zweiten Blick wird allerdings ein weiterer Vorteil deutlich, der bei einem nicht gestuften Planetenradsatz so nicht umsetzbar ist.
Bild 2 Gestufter Planetenradsatz mit integrierter Differenzialausgleichsverzahnung
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.
Bild 3 Getriebe mit hoch integriertem gestuften Planetenradsatz
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.
Bild 4 Wirkungsgrad der Antriebsachse mit 440 Nm PSM und Leistungselektronik
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.
Bild 5 Schematische Darstellung des koaxialen Antriebsbaukastens
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.
Bild 6 Schematische Darstellung des koaxialen Antriebsbaukastens
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.
Bild 7 Schematische Darstellung des koaxialen Antriebsbaukastens
Bei schwereren Fahrzeugplattformen, zum Beispiel einem rein elektrisch angetriebenem SUV, besteht die Möglichkeit, zwei Antriebsachsen einzusetzen. In diesem Fall ist die Gestaltung der Antriebsachse mit einer niedrigeren Getriebeübersetzung von beispielsweise 11 sinnvoll, da über die Erhöhung der Dauerleistung auf 160 kW trotz der größeren Fahrwiderstände eine höhere Endgeschwindigkeit im Bereich von 200 km/h leicht realisiert werden kann. Das niedrigere Achsmoment von 2.750 Nm wird durch den gleichzeitigen Antrieb der Vorder- und auch Hinterachse mehr als kompensiert.
Schaltbare Systeme in koaxialen Antrieben
Eingängige E-Achsen sind grundsätzlich so auszulegen, dass sowohl das Anfahrmoment als auch die Fahrzeug-Endgeschwindigkeit innerhalb der festgelegten Übersetzung sicher erreicht werden. Eine eingängige Achse mit einer Übersetzung von 19 weist den Nachteil auf, dass aufgrund der Drehzahlbegrenzung der PSM auf etwa 18.200/min lediglich eine Höchstgeschwindigkeit von zirka 120 km/h darstellbar ist. Wird die Lösung allerdings mit einem Schaltsystem ausgestattet, so wird der Antrieb zu einer interessanten Lösung für leistungsstarke Plug-in-Hybride.
Durch die Integration des Schaltsystems wird der Antrieb durch eine Neutralgangposition und einen zweiten Gang mit einer Übersetzung von 6,4 deutlich aufgewertet. Die Neutralgangposition erlaubt die Abschaltung des Antriebs, der zweite Gang den Betrieb auch bei hohen Geschwindigkeiten von mehr als 120 km/h. Im zweiten Gang wird die erste Planetenradstufe überbrückt, die Übersetzung von 6,4 wird allein durch den gestuften Radsatz bereitgestellt. Die Zugkraftunterbrechung beim Gangwechsel verhindert den Einsatz dieses Systems in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
In hybriden Antriebssträngen kann der kurzzeitige Verlust der Zugkraft durch eine geeignete Betriebsstrategie des konventionellen Antriebsstranges kompensiert werden. Dies erlaubt die Nutzung einer konventionellen Schaltung mit elektrischem Aktuator. Ein Antriebsmotor, der ein Spitzenmoment von 150 Nm aufweist, ist dabei ausreichend, um über die zweite Achse im ersten Gang ein zusätzliches Moment von bis zu 2.850 Nm bereitzustellen. Der Hilfsantrieb bietet dabei die Möglichkeit, über elektrisches Boosten den Beschleunigungsvorgang und die Traktion zu optimieren. Im Stadtverkehr kann die Achse bis zu einer Geschwindigkeit von 120 km/h auch als alleiniger elektrischer Antrieb genutzt werden, sofern beispielsweise der Gesetzgeber einen Betrieb des konventionellen Verbrennungsmotors verbietet.
Bild 9 Schematische Darstellung des achsparallelen Antriebsbaukastens
Beim Aufbau des achsparallelen Baukastens wurde großes Augenmerk auf die Wiederverwendung von Radsatzkomponenten und Subsystemen aus dem koaxialen Baukastensystem gelegt. Die für den koaxialen Einbau entwickelten Komponenten können teilweise in nahezu identischer Gestaltung auch für die achsparallelen Antriebe verwendet werden. Ein Vorteil der Wiederverwendung besteht in der schon bestehenden Erprobungstiefe. Planetenradsätze zu nutzen, die bereits auf dem Prüfstand validiert wurden oder sich im Serieneinsatz bewährt haben, verringert den Entwicklungsaufwand für die neuen Antriebe erheblich. Diese Praxis reduziert Entwicklungszeit und -kosten und erhöht gleichzeitig die Produktsicherheit und Qualität.
Schaltbare Systeme in achsparallelen Antrieben
Wie bereits im Kapitel „Schaltbare Systeme für koaxiale Antriebssysteme“ beschrieben, können mit einem schaltbaren Zweiganggetriebe erhebliche Vorteile für Hybridfahrzeuge erzielt werden. So kann der Hybridantrieb so gestaltet werden, dass ein hohes Ausgangs-Drehmoment auch mit relativ geringer elektrischer Leistung erreicht wird. Um einen komfortablen Betrieb des Hybridfahrzeugs zu gewährleisten, besteht neben der bereits beschriebenen Betriebsstrategie der Zugkraftauffüllung durch den Verbrennungsmotor eine weitere Möglichkeit darin, den Effekt der Zugkraftunterbrechung durch eine modifizierte Gestaltung des Antriebsstranges zu mindern.
Dies gelingt dadurch, dass der Schaltvorgang in einen Geschwindigkeitsbereich verlegt wird, in dem die Leistung des elektrischen Antriebs bereits deutlich verringert ist. Dort spielt die zur Verfügung gestellte Zugkraft, verglichen mit der Fähigkeit, Bremsenergie zu rekuperieren, eine untergeordnete Rolle.
Bild 10 zeigt eine zweigängige Lösung für den achsparallelen Einbau. Die Kombination von Planeten- und Stirnradgetriebe erlaubt eine sehr kompakte Bauweise. Der Achsabstand der Rotorwelle von den Differenzialausgangswellen beträgt lediglich 127,5 mm. Das Getriebe weist eine Übersetzung von 15 im ersten und eine Übersetzung von 5 im zweiten Gang auf.
Bild 10 Zweigängiger elektrischer Achsantrieb in achsparalleler Anordnung
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.
Bild 8 Zweigängiger elektrischer Achsantrieb für leistungsstarke PHEVs
Mit Hilfe der Funktion des „Torque Vectoring“ besteht die Möglichkeit, das Drehmoment einer Antriebsachse radselektiv zu verteilen. Um zu verstehen, wie ein Torque Vectoring-Modul funktioniert, ist es zunächst notwendig, sich die Funktion des mechanischen Differenzials im Detail zu veranschaulichen: Lässt man den Sperrwert und die innere Reibung außer Acht, verteilt das Differenzial das Eingangsdrehmoment zu gleichen Teilen auf die beiden Räder einer Achse. Die Drehzahl an den Rädern ändert sich dabei mit dem Kurvenradius. Das kurveninnere Rad dreht langsamer als das kurvenäußere Rad, das einen größeren Weg zurücklegen muss. Berücksichtigt man nun den Sperrwert des Differenzials, so ergibt sich das folgende Bild: Ein höherer Sperrwert sorgt üblicherweise für ein schlechteres Einlenkverhalten des Fahrzeugs. Dies ist dadurch begründet, dass das kurvenäußere Rad durch die innere Reibung im Differenzial gegenüber dem Differenzialgehäuse leicht abgebremst und das kurveninnere Rad entsprechend beschleunigt wird. Dadurch bedingt liegt ein etwas höheres Moment am kurveninneren Rad an.
Dieser Effekt wird auch von Torque Vectoring-Systemen genutzt, die mindestens eines der beiden Räder gezielt beschleunigen oder abbremsen. In den Achsantrieben von Schaeffler wird dies optional durch den Einsatz eines elektromechanisch angetriebenen, dreistufigen Planetenradgetriebes, des sogenannten Überlagerungsgetriebes, realisiert. Mit Hilfe dieses Getriebes und eines zusätzlichen Traktionsmotors wird ein gezieltes „dynamisches Verspannmoment“ zwischen den Abtriebsachsen erzeugt. Das Rad, das dann über dem normalen Einstellbereich des mechanischen Differenzials hinaus beschleunigt wird, überträgt ein höheres Moment und erzeugt so entsprechend mehr Zugkraft. Diese Zugkraft sorgt dann für ein entsprechendes Giermoment um die Hochachse des Fahrzeugs. Das Torque Vectoring-Modul von Schaeffler kann mit jeder Antriebsachse kombiniert werden. In Bild 11 ist die Kombination mit dem koaxialen Baukasten dargestellt.
Bild 11 Koaxialer Antriebsbaukasten mit zusätzlichem Torque Vectoring-Modul
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.
Aktuell befindet sich die Antriebstechnologie für Fahrzeuge in einem Umbruch. Die Umstellung des konventionellen Antriebsstranges auf hybride und auch rein elektrisch angetriebene Lösungen stellt sich auch aufgrund der kurzen, zur Verfügung stehenden Entwicklungszeiten als Kraftakt für alle Beteiligten dar. Auf Seite der Zulieferer als auch der OEMs besteht daher ein dringendes Interesse, übergreifende Standards und auch Lösungen zu generieren, die über die einzelnen Plattformen hinaus Synergien aufweisen.
Schaeffler stellt daher einen Achsbaukasten zur Diskussion, der sowohl die Erfordernisse hybrider als auch rein elektrischer Fahrzeugantriebe berücksichtigt. Die konsequente Modularität dient dazu, Aufwände insoweit zu reduzieren, dass sie zum einen beherrschbar werden, zum andern auch zu attraktiveren Entwicklungszeiten und Kosten führen. Dabei begnügen sich die technischen Lösungen nicht damit, den Stand der Technik abzubilden, sondern ein Mehr an Leistungsdichte und auch Funktionalität zu bieten.
Schaeffler vollzieht dabei den Schritt vom reinen E-Achsenbaukasten zu einen flexiblen E-Achsenkonfigurator, der die variierenden Anforderungen an Funktion, Höchstgeschwindigkeit und Fahrdynamik mit anpassungsfähigen Systemen erfüllt und dabei gleichzeitig ein Optimum hinsichtlich Kosten, Gewicht und Bauraumbedarf erzielt. Ein weitgehend modularer Ansatz ermöglicht es, einzelne Komponenten und Module unabhängig von der Einbaulage und der Funktionalität des Antriebs zu verwenden. Zukünftig ermöglicht der E-Achsenkonfigurator, nach Kundenwunsch extrem kompakte und hochintegrierte Systeme mit hoher Leistungsdichte und Performance in kurzen Entwicklungszyklen zusammenzustellen.
Quellenangaben
[4] Pfund, Th.: Die Schaeffler eDrive Plattform –Modular und hochintegriert. 11. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2018
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Ein wesentliches Merkmal der elektrischen Achsen von Schaeffler ist die Integration eines Differenzials in Planetenbauweise als Alternative zum Kegelraddifferenzial [1]. Das Differenzial weist hinsichtlich seiner Funktionalität keinerlei Unterschiede zum klassischen Kegelraddifferenzial auf und dient zur gleichmäßigen Verteilung der Radmomente und zum Drehzahlausgleich bei Kurvenfahrt.
Hinsichtlich seines Bauraumbedarfs bietet das Schaeffler Leichtbaudifferenzial jedoch deutliche Vorteile zum klassischen Kegelraddifferenzial. Letzteres ist zwar ohne Antriebsrad durch einen radial kompakten Bauraum gekennzeichnet, benötigt allerdings axial deutlich mehr Platz als das Leichtbaudifferenzial mit gleicher Drehmomentkapazität.
Bei schwereren Fahrzeugplattformen, zum Beispiel einem rein elektrisch angetriebenem SUV, besteht die Möglichkeit, zwei Antriebsachsen einzusetzen. In diesem Fall ist die Gestaltung der Antriebsachse mit einer niedrigeren Getriebeübersetzung von beispielsweise 11 sinnvoll, da über die Erhöhung der Dauerleistung auf 160 kW trotz der größeren Fahrwiderstände eine höhere Endgeschwindigkeit im Bereich von 200 km/h leicht realisiert werden kann. Das niedrigere Achsmoment von 2.750 Nm wird durch den gleichzeitigen Antrieb der Vorder- und auch Hinterachse mehr als kompensiert.
Schaltbare Systeme in koaxialen Antrieben
Eingängige E-Achsen sind grundsätzlich so auszulegen, dass sowohl das Anfahrmoment als auch die Fahrzeug-Endgeschwindigkeit innerhalb der festgelegten Übersetzung sicher erreicht werden. Eine eingängige Achse mit einer Übersetzung von 19 weist den Nachteil auf, dass aufgrund der Drehzahlbegrenzung der PSM auf etwa 18.200/min lediglich eine Höchstgeschwindigkeit von zirka 120 km/h darstellbar ist. Wird die Lösung allerdings mit einem Schaltsystem ausgestattet, so wird der Antrieb zu einer interessanten Lösung für leistungsstarke Plug-in-Hybride.
Durch die Integration des Schaltsystems wird der Antrieb durch eine Neutralgangposition und einen zweiten Gang mit einer Übersetzung von 6,4 deutlich aufgewertet. Die Neutralgangposition erlaubt die Abschaltung des Antriebs, der zweite Gang den Betrieb auch bei hohen Geschwindigkeiten von mehr als 120 km/h. Im zweiten Gang wird die erste Planetenradstufe überbrückt, die Übersetzung von 6,4 wird allein durch den gestuften Radsatz bereitgestellt. Die Zugkraftunterbrechung beim Gangwechsel verhindert den Einsatz dieses Systems in rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
In hybriden Antriebssträngen kann der kurzzeitige Verlust der Zugkraft durch eine geeignete Betriebsstrategie des konventionellen Antriebsstranges kompensiert werden. Dies erlaubt die Nutzung einer konventionellen Schaltung mit elektrischem Aktuator. Ein Antriebsmotor, der ein Spitzenmoment von 150 Nm aufweist, ist dabei ausreichend, um über die zweite Achse im ersten Gang ein zusätzliches Moment von bis zu 2.850 Nm bereitzustellen. Der Hilfsantrieb bietet dabei die Möglichkeit, über elektrisches Boosten den Beschleunigungsvorgang und die Traktion zu optimieren. Im Stadtverkehr kann die Achse bis zu einer Geschwindigkeit von 120 km/h auch als alleiniger elektrischer Antrieb genutzt werden, sofern beispielsweise der Gesetzgeber einen Betrieb des konventionellen Verbrennungsmotors verbietet.
Die Reichweite hängt dabei von der Batteriekapazität ab. Bei schwierigen Straßenverhältnissen steht ein vollwertiger elektrischer Allradantrieb zur Verfügung. In der Hauptsache dient der Antrieb jedoch dazu, den CO₂-Ausstoß gegenüber einem konventionellen Antriebsstrang zu verringern. Hierzu steht neben dem beschriebenen Hochvolt- auch ein leistungsschwächerer 48-Volt- Antrieb zur Verfügung. Im Rahmen des Vortrags zu den 48-Volt-Systemen wird im Detail auf mögliche CO₂-Reduzierungen durch entsprechende P4-Lösungen eingegangen [2].
[1] Biermann, Th.: Leicht, kompakt, effizient: Schaeffler Differenzialsysteme setzen Maßstäbe. 10. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2014
[2] Eckenfels, Th.; Kolb, F.: 48-Volt-Hybridisierung – Eine intelligente Aufwertung des Antriebsstrangs. 11. Schaeffler Kolloquium, Baden-Baden, 2018
[3] Daniel, B.; Biermann, Th.: eAxle Family in Coaxial und Offset Arrangements. 16. Internationales CTI-Symposium Automotive Transmissions, HV and EV Drives, 2017