Eine Methode zur Auswahl von Standgetrieben für Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen mit Zentralantrieb = A method for choosing fixed-axis gears for powertrains of electric vehicles with central drive
Creators: name: Reichert, Uwe
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: Die Entwicklung neuer Fahrzeugmodelle beschränkte sich in den letzten Jahrzehnten überwiegend auf Fahrzeuge mit einem verbrennungsmotorischen Antriebsstrang. Dabei wurde häufig das Grundprinzip des Antriebsstrangs, bestehend aus Verbrennungsmotor, Kupplung und Getriebe beibehalten und lediglich die Karosserieform und die Fahrzeugausstattung erweitert oder angepasst. Aufgrund von neuen Gesetzgebungen, die den Ausstoß von CO2 begrenzen oder gar komplett verbieten, ist eine gleichbleibende Entwicklung basierend auf dem Verbrennungsmotor weiterhin nicht mehr möglich. Die Elektromobilität bietet die Möglichkeit lokal emissionsfrei zu fahren und somit die Gesetzgebungen und Grenzwerte zu erfüllen. Das bedeutet jedoch für die Entwicklung neuer Fahrzeuge, dass der Übernahmeanteil der Vorgängergeneration deutlich kleiner wird. Der Antriebsstrang aus Verbrennungsmotor, Kupplung und dem bis zu achtgängigen Getriebe wird durch einen Antriebsstrang bestehend aus Leistungselektronik, Elektromotor und Getriebe ersetzt. Dabei steht der Produktentwickler vor der Frage, wie ein elektrischer Antriebsstrang für ein Fahrzeug effizient und für die entsprechenden Fahrzeuganforderungen entwickelt werden kann? Der elektrische Antriebsstrang sollte eine größtmögliche Effizienz bei einer möglichst hohen Leistungsdichte aufweisen. Bisher werden hierfür in den meisten Fällen Hightorque-Elektromotoren mit einem eingängigen Getriebe eingesetzt. Ein Ansatz zur Verbesserung der Effizienz und Leistungsdichte ist die Erhöhung der maximalen Drehzahl des Elektromotors. Das Anheben der maximalen Drehzahl führt zu einer Verkleinerung des maximalen Drehmoments aufgrund des begrenzten Rotordurchmessers bei hohen Drehzahlen und dem begrenzten Strom der Leistungselektronik. Um die Leistungsanforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen, ist daher ein mehrgängiges Getriebe erforderlich. Dieses bietet die Möglichkeit, die Effizienz des gesamten Antriebsstrangs zu verbessern, indem durch eine Verschiebung der Betriebspunkte in Bereiche mit einem besseren Wirkungsgrad die Verluste reduziert werden. Die zentrale Fragestellung bei der Entwicklung von elektrischen Antriebssträngen für Fahrzeuge ist, wie geeignete Kombinationen aus Leistungselektronik, Elektromotor und Getriebe unter Berücksichtigung der verschiedenen Fahrzeuganforderungen und Klassen, sowie den Wechselwirkungen der einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs, identifiziert werden können. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode erarbeitet, mit der aus unterschiedlichen Elektromotoren und Getrieben ein wirkungsgrad- und bauraumoptimaler Antriebsstrang entwickelt werden kann. Hierfür werden unter Berücksichtigung der Fahrzeugklasse und den Antriebsstrangkomponenten die Ganganzahl und die Übersetzungen der einzelnen Gänge definiert. Mitberücksichtigt werden dabei die Performanceanforderungen, die Energieeffizienz sowie die Schaltstrategie. Auf Basis der Definition der Ganganzahl und der Übersetzungen erfolgt eine Getriebedimensionierung zur Ermittlung des Bauraums und der Masse der unterschiedlichen Antriebsstränge. Eine Effizienzbewertung der unterschiedlichen Antriebsstränge vervollständigt die Methode zur Entwicklung von wirkungsgrad- und bauraumoptimalen Antriebssträngen.