Getriebe mit Elektromotoren: Konstruktions-, Auswahl- und Wartungsleitfaden

Was ein Elektromotor-Getriebe tatsächlich vereint

Ein Getriebe mit Elektromotor integriert drei Funktionen, die früher separate Komponenten erforderten, in einem einzigen Gehäuse: den elektrischen Antriebsmotor, das Untersetzungsgetriebe und das Differential, das die Kraft zwischen den beiden Antriebsrädern aufteilt. In einem herkömmlichen Benzinfahrzeug sind Motor, Getriebe und Achsdifferenzial typischerweise separate Baugruppen, die durch Antriebswellen verbunden sind. In einem Elektrofahrzeug mit Transaxle-Antrieb ist all dies in einer kompakten Einheit untergebracht, die direkt an der Achse montiert ist. Aus diesem Grund ist das Design zur Standardarchitektur für die meisten Elektroautos, viele Hybridfahrzeuge und eine wachsende Zahl elektrischer Golfwagen, Gabelstapler und leichter Nutzfahrzeuge geworden.

Diese Konsolidierung ist wichtig, da sich Elektromotoren ganz anders verhalten als Verbrennungsmotoren. Ein Elektromotor erzeugt aus dem Stillstand fast augenblicklich das volle Drehmoment und kann sicher mit viel höheren Drehzahlen drehen als ein Kolbenmotor, was bedeutet, dass das Getriebe, das erforderlich ist, um die Motorleistung in nutzbare Radgeschwindigkeit und Drehmoment umzuwandeln, völlig anders aussieht als ein herkömmliches Mehrganggetriebe. Die meisten elektrischen Getriebe verwenden ein einziges festes Übersetzungsverhältnis anstelle mehrerer wählbarer Gänge, da das breite Drehmomentband des Motors ein Schalten im Alltagsverkehr weitgehend überflüssig macht.

Kernkomponenten im Gehäuse

Wenn man ein typisches elektrisches Getriebe öffnet, sieht man einen recht kompakten Satz von Teilen, die in einem gemeinsamen Gehäuse zusammenarbeiten. An einem Ende sitzt der Elektromotor, normalerweise ein Permanentmagnet-Synchronmotor oder ein Induktionsmotor, abhängig von den Konstruktionsprioritäten des Herstellers hinsichtlich Effizienz, Kosten und Hochgeschwindigkeitsleistung. An der Abtriebswelle des Motors ist ein Untersetzungsgetriebesatz angebracht, meist ein zwei- oder dreistufiges Schrägstirnradgetriebe. Einige Konstruktionen verwenden jedoch Planetengetriebesätze für eine kompaktere Stellfläche.

Vom Untersetzungsgetriebe fließt die Kraft in ein offenes oder Sperrdifferenzial, das es den beiden Antriebsrädern ermöglicht, sich bei Kurvenfahrten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu drehen, während sie weiterhin Kraft vom einzelnen Motor erhalten. All dies ist von einem Schmiersystem umgeben, in der Regel ein von einer Spritz- oder Niederdruckpumpe gespeistes System, das eine spezielle Getriebeflüssigkeit verwendet, die sowohl für die Getriebeschmierung als auch, bei vielen Konstruktionen, auch für eine gewisse Motorkühlung ausgelegt ist.

Wichtigste Subsysteme, die Sie kennen sollten

• Elektrischer Antriebsmotor, entweder Permanentmagnet- oder Induktionsmotor
• Untersetzungsgetriebe mit festem Übersetzungsverhältnis, typischerweise schrägverzahnt oder planetarisch
• Offene oder Sperrdifferenzialeinheit
• Integrierter Schmier- und Kühlkreislauf
• Abgedichtete Lagersätze zur Unterstützung der Motor- und Abtriebswellen

Single-Speed-Design und warum mehrere Gänge selten benötigt werden

Eine der häufigsten Fragen von Menschen, die von Verbrennungsfahrzeugen umsteigen, ist, warum elektrische Getriebe fast nie über ein Mehrganggetriebe verfügen. Die Antwort liegt in der Form der Drehmoment- und Leistungskurven eines Elektromotors. Ein Benzinmotor erzeugt nur innerhalb eines schmalen Drehzahlbereichs ein starkes Drehmoment, weshalb mehrere Gänge vorhanden sind, um den Motor über einen weiten Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeiten in der Nähe dieses optimalen Drehzahlbereichs zu halten. Im Gegensatz dazu liefern Elektromotoren bereits ab null U/min ein nahezu maximales Drehmoment und behalten die nutzbare Leistung über einen viel breiteren Drehzahlbereich bei, bei einigen Konstruktionen oft bis zu 15.000 oder sogar 20.000 U/min.

Aus diesem Grund kann ein einzelnes, sorgfältig ausgewähltes Übersetzungsverhältnis eine akzeptable Leistung vom Anfahren bis hin zu Autobahngeschwindigkeiten abdecken, ohne dass zusätzliches Gewicht, Kosten und die mechanische Komplexität von Schaltmechanismen entstehen. Eine Handvoll leistungsstarker Elektrofahrzeuge verwenden Zweigang-Getriebe, um entweder die Beschleunigung im unteren Drehzahlbereich oder die Effizienz bei Höchstgeschwindigkeit zu verbessern. Dies bleibt jedoch auf dem breiteren Markt eher die Ausnahme als die Regel.

Auswahl des richtigen Getriebes für eine Fahrzeuganwendung

Bei der Auswahl eines Getriebes mit Elektromotor für ein neues Fahrzeugdesign oder ein Umbauprojekt müssen mehrere Spezifikationen auf den beabsichtigten Anwendungsfall abgestimmt werden, anstatt sich einfach für die leistungsstärkste verfügbare Option zu entscheiden. Für Daueranwendungen wie Autobahnfahrten oder Abschleppen ist die kontinuierliche Nennleistung wichtiger als die Spitzenleistung, da ein Getriebe, das seine Nennleistung nur einige Sekunden lang aufrechterhalten kann, bevor es zu einer thermischen Drosselung kommt, im realen Einsatz enttäuschen wird, selbst wenn seine Spitzenzahl auf dem Papier beeindruckend aussieht.

Die Auswahl des Übersetzungsverhältnisses sollte auf der angestrebten Höchstgeschwindigkeit und den gewünschten Beschleunigungseigenschaften basieren, da eine kürzere Achsübersetzung die Beschleunigung und die Steigfähigkeit verbessert, auf Kosten einer niedrigeren Höchstgeschwindigkeit und einer leicht verringerten Autobahneffizienz, während eine größere Übersetzung das Gegenteil bewirkt. Käufer sollten außerdem sicherstellen, dass der Differentialtyp für ihre Anwendung geeignet ist. Ein offenes Differenzial ist für den typischen Pkw-Einsatz in Ordnung, aber Hochleistungsfahrzeuge oder Offroad-Anwendungen profitieren von einem Sperrdifferenzial oder einem elektronisch gesteuerten Differenzial, das die Leistungsabgabe besser steuert, wenn ein Rad die Traktion verliert.

Wichtige Spezifikationen zum Vergleich

Kühlstrategien und ihre Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit

Das Wärmemanagement in einem Elektrogetriebe wirkt sich direkt auf die Leistungskonsistenz und die langfristige Zuverlässigkeit aus. Luftgekühlte Konstruktionen, die in Anwendungen mit geringerer Leistung wie Golfwagen und leichten Nutzfahrzeugen üblich sind, basieren auf einem Luftstrom durch gerippte Gehäuse und sind einfach und wartungsarm, können jedoch nur begrenzte Dauerleistung abgeben, bevor die Leistung nachlässt. Flüssigkeitsgekühlte Konstruktionen zirkulieren Kühlmittel durch Kanäle rund um den Motorstator und manchmal durch das Getriebegehäuse selbst und ermöglichen so einen dauerhaften Hochleistungsbetrieb ohne die thermische Drosselung, die bei luftgekühlten Einheiten unter hoher oder längerer Belastung auftritt.

Einige leistungsstärkere Getriebe verwenden eine ölbasierte Kühlung, die die gleiche Flüssigkeit, die zur Getriebeschmierung verwendet wird, direkt durch oder um die Motorwicklungen zirkulieren lässt. Dies bietet eine effiziente Wärmeübertragung, erfordert jedoch eine sorgfältige Auswahl der Flüssigkeit, da das Öl gleichzeitig sowohl die elektrischen Isolationsanforderungen des Motors als auch die extremen Druckschmierungsanforderungen des Getriebestrangs erfüllen muss. Käufer, die Getriebe für anspruchsvolle Anwendungen wie Nutzfahrzeuge oder Hochleistungsfahrzeuge evaluieren, sollten gezielt nach Dauerleistungswerten bei realistischen Betriebstemperaturen fragen, anstatt sich ausschließlich auf Kaltstart-Spitzenwerte aus einem Datenblatt zu verlassen.

Installationsüberlegungen für Umbauten und Neubauten

Für Ingenieure, die an der Umrüstung von Elektrofahrzeugen oder dem Bau kundenspezifischer Kleinserienfahrzeuge arbeiten, erfordert die Montage eines elektrischen Getriebes die Aufmerksamkeit auf mehrere Details, die über das bloße Anschrauben hinausgehen. Die Befestigungspunkte müssen so konstruiert sein, dass sie die sofortige Drehmomentabgabe eines Elektromotors bewältigen können, was zu einer höheren Spitzenbelastung der Lager führen kann als bei einem vergleichbaren Benzinmotor, der das Drehmoment langsamer aufbaut. Starre oder schlecht konstruierte Halterungen können übermäßige Vibrationen und Geräusche in den Innenraum übertragen. Daher verwenden viele Hersteller hydraulische oder Elastomerlager, die speziell auf die Eigenschaften des elektrischen Antriebsstrangs abgestimmt sind.

Auch die Wahl der Halbwelle verdient sorgfältige Aufmerksamkeit, da die Gleichlaufgelenke, die das Getriebe mit den Radnaben verbinden, für die sofortigen Drehmomentspitzen ausgelegt sein müssen, die ein Elektromotor liefern kann, insbesondere bei aggressiver Beschleunigung aus dem Stand. Die Verwendung von Halbwellen, die nur für die durchschnittliche Drehmomentabgabe und nicht für das Spitzendrehmoment ausgelegt sind, ist eine häufige Ursache für vorzeitigen Ausfall des Gleichlaufgelenks bei umgebauten Fahrzeugen.

Checkliste vor der endgültigen Installation

• Stellen Sie sicher, dass die Befestigungspunkte für die sofortige Drehmomentübertragung und nicht nur für das statische Gewicht ausgelegt sind
• Stellen Sie sicher, dass das Nenndrehmoment der Halbwelle die Spitzenleistung des Getriebes übersteigt
• Überprüfen Sie die Verlegung der Kühlmittelleitung auf Knicke oder übermäßige Biegeradien
• Stellen Sie sicher, dass die Verkabelung des Motorpositionssensors vor Hochspannungskabelstörungen geschützt ist
• Bestätigen Sie, dass Füllstände und Typ der Flüssigkeit genau mit den Herstellerangaben übereinstimmen

Wartungspraktiken, die die Lebensdauer verlängern

Getriebe mit Elektromotor erfordern weitaus weniger routinemäßige Wartung als eine herkömmliche Motor-Getriebe-Kombination, sie sind jedoch nicht völlig wartungsfrei. Das Getriebeöl sollte gemäß dem Zeitplan des Herstellers überprüft und gewechselt werden, da sich selbst in einem abgedichteten System im Laufe der Zeit Metallpartikel aus normalem Getriebeverschleiß ansammeln können und verschlechterte Flüssigkeit ihre Fähigkeit verliert, sowohl die Zahnräder als auch, bei ölgekühlten Konstruktionen, die Motorwicklungen selbst zu schützen.

Kühlmittelsysteme in flüssigkeitsgekühlten Getrieben müssen regelmäßig auf Lecks, die richtige Kühlmittelkonzentration und einen klaren Luftstrom durch den zugehörigen Kühler überprüft werden, da ein Kühlmittelsystem, das stillschweigend an Wirksamkeit verliert, zu einer allmählichen Motorverschlechterung führen kann, lange bevor es zu einem dramatischen Ausfall kommt. Auch Lagerdichtungen sollten regelmäßig auf Anzeichen von Undichtigkeiten überprüft werden, da eine defekte Dichtung, die das Austreten von Getriebeöl oder das Eindringen von Verunreinigungen ermöglicht, schnell zu beschleunigtem Verschleiß im gesamten Gerät führen kann.

Eigentümer und Flottenmanager sollten ein einfaches Wartungsprotokoll führen, in dem Flüssigkeitswechsel, Kühlmittelnachfüllungen und ungewöhnliche Geräusche oder Vibrationen, die von Fahrern gemeldet werden, aufgezeichnet werden, da sich Probleme mit elektrischen Getrieben oft durch subtile Veränderungen im Geräusch oder Laufverhalten bemerkbar machen, lange bevor ein katastrophaler Ausfall auftritt. Das Erkennen dieser frühen Anzeichen während der routinemäßigen Wartungsintervalle ist weitaus kostengünstiger als der Austausch einer beschädigten Einheit nach einem Totalausfall.

Passen Sie ein Getriebe an Ihren spezifischen Anwendungsfall an

Letztendlich hängt das beste Elektromotor-Getriebe für ein bestimmtes Projekt davon ab, dass Dauerleistung, Drehmoment, Übersetzungsverhältnis und Kühlleistung an die tatsächlichen Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugs angepasst werden, anstatt den höchsten verfügbaren Spitzenleistungswert anzustreben. Ein langsam fahrendes Nutzfahrzeug oder ein Golfwagen profitiert von einer einfachen, luftgekühlten Einheit mit geringem Stromverbrauch, die Kosten und Komplexität minimiert, während ein kommerzielles Lieferfahrzeug oder ein leistungsorientierter Aufbau eine flüssigkeitsgekühlte Einheit mit einer dauerhaften Nennleistung benötigt, die reale Betriebsbedingungen widerspiegelt und nicht kurze Spitzenwerte auf dem Prüfstand.

Käufer und Ingenieure sollten vollständige Datenblätter anfordern, die Dauer- und Spitzenleistung, Drehmomentkurven über den Drehzahlbereich, Differenzialspezifikationen und Details zum Kühlsystem abdecken, bevor sie sich für ein bestimmtes Getriebe entscheiden, und diese Zahlen direkt mit den Anforderungen ihrer beabsichtigten Anwendung vergleichen, anstatt sich nur auf Marketingzusammenfassungen zu verlassen.