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Das Getriebe ist ein wesentliches Element im Antriebsstrang eines Verbrennungsmotors und damit ausschlaggebend für die Effizienz, den Komfort und den Fahrspass, die ein Fahrzeug erzeugt. «Ein Verbrennungsmotor muss immer eine Anfahrvorrichtung haben, die das Fahrzeug nach dem Start in Schwung bringt», erklärt Frederic Vizzini, Expert Project Manager bei AW Europe/Aisin. Und das aus gutem Grund: Ein Verbrennungsmotor läuft nicht unter 600 Umdrehungen pro Minute. Er muss also zwangsläufig mit einer Kupplung oder einer entsprechenden Vorrichtung, zum Beispiel einer Viskokupplung, kombiniert werden, um das Anfahren des Fahrzeugs zu ermöglichen. Dies ist der Hauptgrund für die Existenz von Getrieben, aber es ist nicht der einzige Grund, wie Vizzini ausführt: «Wenn eine Drehzahl von 800 U/min einer Geschwindigkeit von 5 km/h entspricht, müsste der Motor bei einer Geschwindigkeit von 200 km/h mit 32 000 U/min drehen. Das ist jedoch nicht machbar.» Deshalb kann ein Verbrennungsmotor seine Leistung nur in Verbindung mit einem mehrgängigen Getriebe entfalten.
Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor erreicht eine elektrische Maschine wesentlich höhere Drehzahlen. Ausserdem kann ein elektrisches Aggregat sein volles Drehmoment aus dem Stand abgeben, wie Frederic Vizzini erläutert: «Da eine elektrische Maschine keine Anfahrvorrichtung wie einen Drehmomentwandler oder eine Kupplung benötigt und Drehzahlen bis zu 20 000 U/min möglich sind, benötigen Elektrofahrzeuge nicht unbedingt ein Mehrganggetriebe.» Das erklärt, warum sich die allermeisten aktuellen Elektrofahrzeuge mit einem Einganggetriebe begnügen. Zu den wenigen Ausnahmen zählen der Porsche Taycan und sein Plattformzwilling Audi E-Tron GT.
Wofür zwei Gänge?
Die beiden Modelle auf der gemeinsam von Porsche und Audi entwickelten J1-Plattform besitzen ein Zweiganggetriebe an der Hinterachse. Ein technischer Kniff, der mehrere Gründe hat, so Frederic Vizzini: «Auch elektrische Maschinen besitzen einen bestimmten Drehzahlbereich, in dem sie effizienter als in anderen arbeiten, wenngleich dieser viel weniger ausgeprägt ist als beim Verbrennungsmotor. Mit einem Zweiganggetriebe kann man somit eine höhere Reichweite erzielen, da der Motor in seinem effizienten Drehzahlband gehalten werden kann.»
Auch der deutsche Zulieferer ZF, der ebenfalls an einem Zweiganggetriebe für Elektroautos arbeitet, sieht das so. «Für Elektrofahrzeuge im Alltagseinsatz ist es wichtig, möglichst viel Reichweite aus jeder Batterieladung herauszuholen», erklärt Bert Hellwig, Leiter der Abteilung E-Mobilität bei ZF. «So werden Fahrzeuge, die mit dem künftigen ZF-Zweiganggetriebe ausgestattet sind, bis zu fünf Prozent mehr Reichweite haben als mit einem Einganggetriebe», verspricht Stephan Demmerer, Leiter des Bereichs Vorentwicklung E-Antriebe bei ZF.
Aber die Effizienz ist nicht der einzige Grund, der für ein Mehrganggetriebe spricht, so Frederic Vizzini: «Im Gegensatz zu Elektrofahrzeugen mit zwei Gängen muss man bei Einganggetrieben einen Kompromiss zwischen Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit eingehen. Möchte ein Hersteller beispielsweise ein Elektrofahrzeug auf den Markt bringen, das bis zu 300 km/h schnell sein soll, muss er zwangsläufig die Getriebeübersetzung anpassen, damit ein solcher Wert erreicht werden kann. Im Gegenzug wird das Fahrzeug weniger stark beschleunigen.» Stephan Demmerer bestätigt das: «Ein Zweiganggetriebe bietet die Möglichkeit, eine hervorragende Beschleunigung mit einer hohen Endgeschwindigkeit zu kombinieren.»
Zwei Gänge für Geländefahrzeuge
Auch in Geländefahrzeugen sind Mehrganggetriebe sinnvoll, wo sie die Rolle des aktuellen Verteilergetriebes (mit langen beziehungsweise kurzen Übersetzungen) übernehmen werden. Eine solches Einsatzgebiet ist derzeit noch Zukunftsmusik, denn noch werden keine echten E-Geländefahrzeuge in Serie gebaut. Daniel Lindvai-Soos, Senior Manager in der Abteilung E-Drive Systems & E Drive Transmissions Global bei Magna Powertrain sagt: «Bei elektrischen Geländewagen gibt es eine hohe Nachfrage nach Zweiganggetrieben. Das gleiche gilt für Lastwagen, allerdings mit noch mehr Gängen.» Darüber hinaus gebe es vermutlich auch ein Marketingargument für Zweiganggetriebe, da die Hersteller sich dank dieser technischen Besonderheit von der Konkurrenz abheben könnten.
Daniel Lindvai-Soos ist allerdings skeptisch, dass Zweiganggetriebe auch auf Fahrzeuge im unteren Preissegment ausgeweitet werden: «Meiner Meinung nach besteht auf dem Markt für Elektrofahrzeuge kein Bedarf für ein Getriebe mit mehr als einer Übersetzung.» Stephan Demmerer von ZF ist nicht ganz so skeptisch: «Man muss sich klar machen, dass die Automobilindustrie auch künftig im Bereich der Technik ein breites Spektrum unterschiedlicher Lösungen anbieten wird.» Frederic Vizzini vertritt die Meinung, dass «die Elektromobilität noch in den Kinderschuhen» stecke: «Bei elektrischen Maschinen gibt es noch viel Raum für Verbesserungen. In Zukunft wird sich nicht nur ihr Leistungsspektrum erweitern, sondern sie werden auch schneller drehen. Im Prototypenbau geht das schon heute bis zu 30 000 U/min. An technischen Hochschulen wird an experimentellen Motoren mit bis zu 50 000 U/min gearbeitet.»
Dies könnte dem generellen Einsatz von einstufigen Getrieben Vorschub leisten, die zudem einfacher und kostengünstiger in der Fertigung sind. Es sei denn, der niedrige Wirkungsgrad, der mit den hohen Drehzahlen der E-Maschinen einhergeht, mischt die Karten neu. «Da man mit Getrieben die Drehzahl der E-Maschine senken kann, ergibt sich eine günstigere Gesamtenergiebilanz des Antriebsstrangs. Je höher die Drehzahl umso grösser die Reibungsverluste», erklärt Stephan Demmerer von ZF.
Getriebe – eine falsche Bezeichnung?
All dies beantwortet aber nicht die Frage, ob man wirklich von Getriebe sprechen kann, wenn dieses nur eine Übersetzung hat. Laut Frederic Vizzini ist die Antwort Ja: «Es wird immer ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem Rad und dem Motor geben, weil es unsinnig wäre, beide Komponenten mit der gleichen Geschwindigkeit drehen zu lassen.» Stephan Demmerer von ZF stimmt dem ebenfalls zu: «Es wird immer ein Getriebe geben, weil ein Elektromotor rund zehnmal schneller dreht als das Rad. Mit anderen Worten: Der Antriebsstrang wird immer eine Getriebeübersetzung benötigen, um sein Drehmoment und seine Leistung zu übertragen.» Eine Untersetzung von 10:1 ist nur mit «verschiedenen Untersetzungen, also einer Reihe von Zahnrädern, die verschiedene Wellen antreiben, oder mit einen Planetengetriebe wie im herkömmlichen Automatikgetriebe möglich», erklärt Frederic Vizzini.
Daniel Lindvai-Soos beschreibt das von Magna entwickelte Getriebe dagegen so: «Grob gesagt funktioniert unser Getriebe wie ein robotisiertes Schaltgetriebe. Etwas vereinfacht könnte man es mit einem Mehrganggetriebe vergleichen, das durch Aktuatoren geschaltet wird anstatt manuell durch den Fahrer.»
Obwohl Magna bisher noch kein elektrisches Doppelkupplungsgetriebe anbietet, räumt Daniel Lindvai-Soos ein, dass dem Unternehmen entsprechende Konzepte bereits vorliegen: «Wir verfügen über solche Konzepte, weil mit solchen Getrieben Seamless Shift möglich ist.» Damit würde ein Gangwechsel, der wie in heutigen Doppelkupplungsgetrieben ohne Zugkraftunterbrechung abläuft, auch mit einem Elektroantrieb möglich. Da bei diesem die Motordrehzahl für die Insassen ohnehin kaum wahrnehmbar ist, werden sie von den Gangwechseln kaum mehr etwas spüren.
Diese Technologie könnte für das kanadische Unternehmen durchaus entscheidend sein, denn bei Elektrofahrzeugen kommt es mehr noch als bei Verbrennungsmotoren darauf an, dass die Gangwechsel im Getriebe unterbrechungsfrei erfolgen. Es gibt verschiedene Gründe dafür. «Jeder weiss heute, dass Elektrofahrzeuge linear beschleunigen. Fahrzeuge, die nicht unterbrechungsfrei beschleunigen, wie das noch bei robotisierten Einkupplungs-Getrieben der Fall war, hätten auf dem Markt keine Chance mehr. Ausserdem ist das Drehmoment elektrischer Maschinen grösser als dasjenige von Verbrennungsmotoren, sodass sich eine Unterbrechung des Kraftschlusses bei ihnen umso stärker bemerkbar machen würde», erklärt Frederic Vizzini. Diese mögliche Unterbrechung des Drehmoments spricht in der Tat eher für das Einganggetriebe.
Was wird die Zukunft bringen?
Ein weiteres Thema ist die Positionierung des Getriebes im Fahrzeug im Verhältnis zur elektrischen Maschine und zur Radachse. Dies hat vor allem mit der Positionierung des Elektromotors im Fahrzeug zu tun. So können Elektromotor, Getriebe und Radnabe koaxial, also in einer Linie, angeordnet sein. Werden sie hingegen off-axis angeordnet, sind Elektromaschine und Radnabe parallel zu einander verbaut und das Getriebe liegt dazwischen.
Stephan Demmerer ist bezüglich der Entwicklung der Getriebe kategorisch: «Effizienz ist zur obersten Priorität der Ingenieure geworden, Reibungsverluste sind ihr grösster Feind.» Das ist verständlich, wenn man bedenkt, dass das Argument der Reichweite von Elektroautos in aller Munde ist. Bei diesem Streben nach Effizienz haben die Getriebe von Elektroautos einen grossen Vorteil, weil sie mit sehr wenigen rotierenden Bauteilen auskommen, wie Daniel Lindvai-Soos erklärt: «Ob mit nur einem oder zwei Gängen, Getriebe für Elektrofahrzeuge kommen mit wesentlich weniger beweglichen Teilen aus als ihre Pendants in Verbrennungsfahrzeugen, die sechs, sieben, acht, neun oder gar zehn Gängen benötigen.»
Darüber hinaus «arbeiten die Ingenieure auch an neuen Ölen und am Thermomanagement der Getriebe», so Stephan Demmerer weiter. Das hat seine Gründe, wie Frederic Vizzini bestätigt: «Die sehr hohen Drehzahlen der Getriebeeingangswellen bei Elektroautos stellen neue Herausforderungen bei der mechanischen Belastung und der Schmierung dar.» Doch die Spezialisten der Branche wie AW Europe, ZF und Magna werden auch diese Herausforderungen meistern. So wie sie es immer tun.