Gangwechsel für die E-Mobilität

ELEKTRO-INTEGRATION Für die Zulieferbranche ist die IAA Frankfurt nach wie vor ein Höhepunkt. Der deutsche Getriebehersteller ZF jedenfalls wartet auf der grossen Messe unter anderem mit zwei wichtigen Innovationen auf.

Zur Kernkompetenz des riesigen deutschen Zulieferunternehmens ZF Friedrichshafen gehören Getriebe aller Art. Für Automobile entstehen verschiedenste Produkte vom Handschaltgetriebe für kleinere Fahr-zeuge bis hin zu Wandler- und Hybridautomaten für grosse Limousinen und Sportwagen. Daneben sind jedoch auch viele andere Fahrzeuge – wie Lastwagen und Busse, Bau- und Landmaschinen, Boote, Schienenfahrzeuge und sogar Helikopter mit ZF-Getrieben ausgestattet. Selbst für Windräder fertigen die Deutschen Kraftübertragungs-komponenten.
Besonders grosse Verbreitung im Automobilsektor hat das Front-Längs-Getriebe 8HP erreicht, das mittlerweile in vierter Generation gebaut wird. Erst kürzlich hat die Fiat Chrysler Automobiles (FCA) ZF als weltweiten Lieferanten von Automatikgetrieben für Personenwagen mit Hinterrad- und Allradantrieb nominiert. Die jüngste Weiterentwicklung ist technisch auf die Integration von Elektroantrieben und Hybridvarianten optimiert. Für die aktuellsten Versionen des Achtgang-Automatikgetriebes wurde ein Baukastensystem entwickelt, das es ermöglicht, sowohl für 48-Volt-Mild-hybride als auch für Plug-in-Hybridmodelle Leistungen von 24 bis 160 kW zu übertragen. Die integrierte Leistungselektronik lässt dabei Spielraum für ein Maximum an Flexibilität bei der Fertigung. Bei ZF rechnet man damit, dass auch im Jahr 2030 noch mindestens 70 Prozent aller Neuwagen mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet sein werden. Kombiniert mit einem Plug-in-Hybridsystem wird dieser jedoch einen deutlich niedrigeren CO2-Ausstoss erzeugen. Die neue Plug-in-Variante des Achtgang-Automatikgetriebes enthält einen Elektromotor, der im Maximum 160 kW und auf Dauer 80 kW leistet. Sein höchstes Drehmoment beträgt 450 Nm und ist ohne Zu-schalten des Verbrenners zu erreichen. Weil ZF eine neue, kompaktere E-Motoren-Generation einsetzt, bleibt die Länge des Hybridgetriebes praktisch unverändert. Anstelle von aufgewickeltem Kupferdraht kommen verschweisste Kupferstäbe zum Einsatz. Dieses sogenannte Hairpin-Verfahren erlaubt einen vergrösserten Kupferfüllgrad, mit dem sich eine höhere Leistungsdichte realisieren lässt (s. Box rechte Seite).

Vollintegrierte Lösung
In der vierten Getriebegeneration ist die komplette Leistungselektronik nun erstmals ins Getriebegehäuse integriert. Das vereinfacht die Montage beim Autobauer und hat zudem den Sicherheitsvorteil, dass weniger Hochvoltleitungen verlegt werden müssen. Die von den Leistungshalbleitern erzeugte Wärme wird via Kältemittelkreislauf der Klimaanlage abgeführt. Ein beträchtlicher Vorteil der neuen Lösung ist auch die volle Integration der hydraulischen Steuerung. Benötigte diese bisher noch ein Volumen von 3.1 Litern, beansprucht sie in der neusten Generation dank der viel kompakteren Direktschaltventile nur noch 1.8 Liter. Ebenfalls neu gestaltet wurde der Ölkreislauf. Die bisher eingesetzten zwei Ölpumpen werden jetzt durch eine einzige leistungsverzweigte Pumpe ersetzt. Der mechanische Teil besteht im Wesentlichen unverändert aus vier Planetenradsätzen und fünf Schaltelementen. So wird mit den acht Gängen eine Spreizung von 8.6 erreicht. Die Produktion der neuen Achtgang-Automatik startet 2022 im Werk Saarbrücken (D). Schon kurz danach soll die Markteinführung in China und in den USA erfolgen.

Im Achtgang-Automatikgetriebe für Plug-in-Hybride kommt ein Elektromotor mit gesteigerter Leistungsdichte zum Einsatz.

Neuer elektrischer Zweigang-Antrieb für Personenwagen.

Zwei statt acht Gänge für mehr Reichweite oder mehr Leistung
Neben dem neuen Achtgang-Hybridgetriebe präsentiert ZF zwischen 12. und 22. September an der Frankfurter Messe als Weltpremiere einen elektrischen Zweigang-Antrieb für Personenwagen. Mit diesem integrierten System sollen sich der Wirkungsgrad und somit auch die Reichweite künftiger Elektroautos weiter steigern lassen. Zum Zwei-stufen-Elektroantrieb gehören eine neu entwickelte Elektromaschine, ein Schaltelement sowie die Leistungselektronik. Weil das neue Antriebssystem nur wenig Bauraum beansprucht, ist es zwar be-sonders für Autos der Kompaktklasse interessant, doch aufgrund des modularen Designs kann es leicht auch auf Leistung getrimmt werden und bietet sich deshalb für den Einsatz in sportlichen Fahrzeugen ebenso an. «Für den Alltagsnutzen von E-Autos ist es wichtig, so viel Reichweite wie möglich aus einer Batterieladung zu gewinnen», sagt Bert Hellwig, Leiter E-Mobility bei ZF. «Jedes Prozent Effizienz im Wirkungsgrad mündet in zwei Prozent mehr Reichweite.» Um mit dem neu-en Antrieb einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, entwickelte ZF eine E-Maschine mit 140 kW Maximalleistung, die perfekt mit dem zweistufigen Schaltelement zusammenwirkt. Damit ausgestattete Autos verbrauchen weniger Energie, weshalb sie im Vergleich mit Eingang-Systemen eine um bis zu fünf Prozent grössere Reich-weite erzielen. Alternativ kann der Hersteller den verbesserten Wirkungsgrad auch nutzen, um bei unveränderter Reichweite mit einer kleineren – und damit kostengünstigeren – Batterie auszukommen.

Aufgrund der Anbindung an die CAN-Kommunikation des Fahrzeugs können ganz unter-schiedliche Schaltstrategien eingeführt werden. Angeknüpft an ein digitales Kartenmaterial und GPS, kann das Auto beispielsweise anhand der im Navi programmierten Route erkennen, wie weit die nächste Ladestation entfernt ist, und falls nötig vorausschauend in den Eco-Modus wechseln. Herstellern von sportlicheren Elektroautos wird mit dem neuen Zweigang-Antrieb die Möglichkeit geboten, noch bessere Fahrleistungen zu erzielen. «Bislang mussten sich Fahrzeughersteller bei elektrischen Antrieben zwischen einem hohen Anfahrdrehmoment und einer höheren Endgeschwindigkeit entscheiden», erklärt Hellwig. «Die-sen Zielkonflikt lösen wir nun auf, denn der neue Antrieb wird auch für leistungsfähige und schwerere Fahrzeuge kompatibel sein – zum Beispiel für Fahrzeuge, die einen Anhänger ziehen.» Das Zweigang-Getriebe soll sich gemäss Entwicklern mit Elektromotoren mit Leistungen von bis zu 250 kW kombinieren lassen.

Das neue Antriebskonzept als kompakte Elektrolösung mit Schaltelement und Leistungselektronik.

Leistungsgewinn mit Haarnadeltechnik

Zu den vielversprechenden Innovationen bei Elektromotoren für Automobile zählt die Verwendung von Statoren mit Formstabwicklung (Hair pin, engl. Haarnadel). Durch das Einschieben von vorgebogenen Kupferdrähten mit rechteckigem Querschnitt anstatt von Runddrahtwicklungen resultieren ein deutlich höherer Kupferfüllgrad, ein besseres thermisches Wärmetransportverhalten und damit auch eine Verbesserung von Effizienz und Leistungsdichte. Ausserdem ermöglicht die Formstabtech-nologie eine vollständige Automatisierung der Produktion. Da rechteckige Kupferdrähte für eine Vollautomatisierung bei hohen Stückzahlen besonders gut geeignet sind, ergibt sich in der Serienproduktion auch ein Kostenreduktionspotenzial. Erstmals in Serie eingeführt wurde die Hairpin-Technik bei GM und Toyota.

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