Antriebs- und Getriebetechnik

Im Zuge der Elektrifizierung des Antriebsstrangs ändern sich die Aufgaben und damit die Anforderungen an den Antriebsstrang.

Rein elektrische Fahrzeuge werden heute nahezu ausschließlich mit Festganggetrieben ausgestattet. In hybriden Antriebssträngen werden dagegen automatische Getriebe eingesetzt. Durch die Einbindung mindestens einer E-Maschine nimmt die Komplexität der Getriebearchitektur und der Funktionssoftware zu. Durch die Entwicklung dedizierter Hybridgetriebe wird versucht, die Getriebekomplexität zu reduzieren, indem Funktionen, die bisher vom Getriebe bereitgestellt wurden, von den E-Maschinen übernommen werden.

Dies eröffnet viele Möglichkeiten für neuartige Antriebssysteme. Gleichzeitig entstehen neue Herausforderungen im Entwurf, in der Integration sowie in der Steuerung und Regelung solcher Systeme. Am IMS wird im Bereich der Antriebs- und Getriebetechnik geforscht, um den aktuellen Herausforderungen zu begegnen und somit das volle Potential innovativer Systeme ausschöpfen zu können. Im Fokus steht dabei die optimale Auslegung und Regelung des Antriebsstrangs. Die Zielkriterien, die dabei optimiert werden sind Effizienz, Fahrleistungen, Fahr- und Schaltkomfort sowie Kosten. Einige abgeschlossene und laufende Projekte beschäftigen sich dabei mit unterschiedlichen Ausprägungen des Two-Drive-Transmission. Dieses innovative Antriebskonzept des IMS bietet eine Plattform zur Erforschung der vielfältigen Möglichkeiten dedizierter, elektrifizierter Getriebesysteme.

Derzeitige Projekte zu diesem Thema:

Zeitraum: 2018 – 2021

Kooperation: TU München (FZG), Leibniz Universität Hannover (IAL, IMKT), ATE, AVL, BMW, Fuchs, Lenze, Magna, Schaeffler

Förderung: siehe rechts

Speed4E ist das Folgevorhaben des erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojektes Speed2E. Wie auch bei Speed2E soll ein rein elektrischer Antriebsstrang mit zwei Hochdrehzahlmaschinen konzipiert und entwickelt werden. Die maximale Drehzahl soll hierbei noch einmal von 30 000 auf 50 000 U/min angehoben werden um die Leistungsdichte weiter zu steigern. Eine weitere Besonderheit ist die Mehrgängigkeit eines Teilgetriebes welche durch formschlüssige Schaltelemente realisiert ist. Hierfür wird eine dedizierte Schaltaktorik und Getriebesteuerung entwickelt. Die Integration des Antriebs in ein Fahrzeug wird unter anderem die Bewertung und Optimierung von Schalt- und Fahrkomfort ermöglichen.

Kontakt: Daniel Schöneberger

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage

Zeitraum: 2018 – 2021

Kooperation: BMW Group, FAI (TU Darmstadt)

Ziel des Projekts ist die Untersuchung der Wahrnehmung von Schaltvorgängen in unterschiedlichen Antriebsstrangkonfigurationen unter Berücksichtigung verschiedener Nutzergruppen. Hierbei sollen Zusammenhänge zwischen den physikalischen Effekten eines Schaltablaufs und der subjektiven Bewertung des Fahrers untersucht und geeignete Bewertungskriterien für Schaltvorgänge abgeleitet werden. Als Testumgebung wird der längsdynamische Fahrsimulator des IMS „Driveception“ verwendet. Das Projekt wird in Kooperation mit der BMW Group und der Forschungsgruppe Arbeits- und Ingenieurpsychologie (FAI) der TU Darmstadt bearbeitet.

Kontakt: Edward Kraft

Zeitraum: 2018 – 2022

Die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung der Treibhausgase sind häufige Themen, die die Entwicklung neuer Technologien antreiben. Fahrzeuggetriebe sind entscheidende Komponenten, da ihr Design den Motorbetrieb und den Leistungsfluss im Antriebsstrang direkt beeinflusst. Daher wird in diesem Projekt der Energieverbrauch im Fahrzeuggetriebe analysiert. Verbraucher sind nicht nur die Elemente im Leistungspfad, sondern auch die üblicherweise verwendeten Hilfssysteme. Basierend auf dem Projekt „Modellierung und Analyse der Energieverluste in Fahrzeuggetrieben“ wird der Energieverbrauch in dem Anfahrelement, der Hydraulik und den offenen Schaltelementen modelliert. Um den gesamten Energieverbrauch genau vorherzusagen, werden zunächst alle wichtigen unsicheren Parameter mittels der Parameterstudie herausgefunden. Zur Identifizierung der unsicheren Parameter in den Modellen soll die isolierte Messung des einzelnen Energieverbrauchs im gesamten Getriebesystem realisiert werden. Dafür werden die Experimente durch die Änderung der Module im Getriebe sowie durch das intelligente Fahren der Betriebssituation entwickelt. Die Validierung der durch die Parameteridentifikation verbesserten Modelle wird mit den Messdaten aus den anderen Betriebsbedingungen durchgeführt.

Das Gesamtziel des Projekts ist es, die Modelle des Energieverbrauchs aufzubauen, mit den die unterschiedlichen Fahrzeuggetriebe bezüglich des gesamten Energieverbrauchs verglichen werden können.

Kontakt: Zhihong Liu

Ausgewählte Veröffentlichungen: Theoretical and Experimental Investigation on Power Loss of Vehicle Transmission Synchronizers with Spray Lubrication

Abgeschlossene Projekte zu diesem Thema:

Zeitraum: 2016 – 2018

Kooperation: Conti Temic Microelectronic GmbH

Im Rahmen des Projekts wurde ein dedizierter Hybridantrieb (DHT) entwickelt, dessen Ziel es ist, eine kostengünstige Alternative zu den am Markt befindlichen Hybridantrieben darzustellen. Die Elektrifizierung des Antriebs wird genutzt, um kostenintensive Komponenten konventioneller Fahrzeuggetriebe einzusparen bzw. zu vereinfachen. Die Verwendung von Klauenkupplungen ermöglicht den Einsatz einer kostenoptimierten Schaltaktorik, die parallel von Continental entwickelt wurde.

Schwerpunkte der Zusammenarbeit war die Konzeptionierung des Getriebes inklusive einem Radsatzkonzept, der Anordnung der Komponenten im gegebenen Bauraum und die Entwicklung einer dedizierten Klauenkupplung. Diese wurde speziell für die Anforderungen und Randbedingungen des Getriebes entwickelt, um komfortable und schnelle Schaltvorgänge zu ermöglichen. Durch die Nutzung kommerzieller- und IMS-eigener Tools konnte der gesamte Entwicklungsprozess, von der Idee bis hin zum ausgelegten Radsatz, effizient unterstützt werden.

Kontakt:

Zeitraum: 2015 – 2018

Die Energieverluste in Fahrzeuggetrieben stehen mit der Effizienz eines Fahrzeuges in direktem Zusammenhang. Deswegen ist es sinnvoll, die gesamten Energieverluste im Fahrzeuggetriebe zu untersuchen, um Maßnahmen zur weiteren Reduzierung des Energieverbrauchs im Antriebsstrang zu entwickeln. Es ist daher notwendig eine generelle Methode zur Berechnung der gesamten Energieverluste im Fahrzeuggetriebe zu entwickeln. In diesem Projekt wird ein solches Modell vorgestellt, das auf den in der Literatur beschriebenen Verlustmodellen einzelner Komponenten des Fahrzeuggetriebes basiert. Darüber hinaus wird eine Methodik für die Analyse der gesamten Energieverluste des Fahrzeuggetriebes vorgestellt. Ein Teil der Methodik besteht aus der Berechnung der Last und der Drehzahl einzelner Komponenten für das Energieverlustmodell dienen. Zur Verbesserung der Abschätzung der Energieverluste wird eine Parametersensitivitätsanalyse und Parameteridentifizierung mit Hilfe von Prüfstandsmessdaten eingesetzt. Zur Validierung des Energieverlustmodells und der Methodik wird dies bei drei unterschiedlichen Fahrzeuggetrieben eingesetzt. Die Ergebnisse aus diesen drei Anwendungsbeispielen zeigen, dass die Berechnungsergebnisse besser mit den Messdaten überstimmen im Vergleich zu einem Standardmodell. Zudem kann mit dieser Methodik eine genaue Verteilung der Verluste im Getriebe beschrieben werden. Es wird erwartet, dass eine Plattform mit Hilfe des Energieverlustmodells und dieser Methodik aufgebaut werden kann, um unterschiedliche Fahrzeuggetriebe in Bezug auf Wirkungsgrade zu vergleichen.

Ausgewählte Veröffentlichungen: A method on modelling and analyzing the power losses in vehicle transmission

Zeitraum: 2015 – 2018

Kooperation: AKKA, Daimler AG, Magna Getrag

Förderung: siehe rechts

Im Vorhaben „Doppel-E-Antrieb mit Range-Extender“ (DE-REX) wurde ein innovatives parallel-serielles Hybrid-Antriebskonzept aufgebaut. Das Antriebskonzept ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die zwei vergleichsweise kleinen Elektromotoren als auch der Verbrennungsmotor über ein Getriebe mit den Antriebsachsen des Fahrzeugs verbunden werden können. Das Getriebe ist als automatisiertes Schaltgetriebe – bestehend aus zwei Teilgetrieben mit jeweils zwei Gängen – umgesetzt. Das Antriebskonzept zeichnet sich dabei insbesondere durch hohe Effizienz und zugkraftunterbrechungsfreie Schaltvorgänge aus.

Aufbauend auf den Optimierungsergebnissen aus dem abgeschlossenen Vorhaben Doppel-E-Antrieb wurden im Rahmen des DE-REX-Vorhabens die Elektromotoren und das Getriebe entworfen, gefertigt und anschließend als Gesamtantriebsstrang mit Verbrennungsmotor sowohl am Prüfstand als auch in einem Versuchsfahrzeug in Betrieb genommen. Im Rahmen des Projekts konnten sämtliche Ziele erreicht werden, sodass das Projekt zum 30.06.2018 erfolgreich abgeschlossen werden konnte.

Kontakt: Andreas Viehmann

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage

Zeitraum: 2014 – 2017

Kooperation: TU München (FZG), Leibnitz Universität Hannover (IAL, IMKT)

Förderung: siehe rechts

Das Gesamtziel von Speed2E war die Entwicklung, Optimierung und der Aufbau eines Hochdrehzahl-Antriebsstrangs für die Anwendung in elektrifizierten Automobilen. Eine Steigerung der Drehzahl der elektrischen Antriebsmaschine bietet das Potenzial, die Leistungsdichte der E-Maschine (EM) und die gesamte Effizienz des Fahrzeugs erheblich zu steigern. Bei den heutigen Antriebstopologien elektrifizierter Fahrzeuge sind Drehzahlen bis maximal 15.000 U/min üblich, verwendet werden jedoch meist nur bis zu 10.000 U/min, da die Antriebe mit höheren Drehzahlen im Fahrzeug hinsichtlich Betriebsfestigkeit, Lagerung, Wirkungsgrad und Akustik noch nicht sicher beherrscht werden. So lassen sich durch eine Verdreifachung der Motordrehzahl auf 30.000 U/min gegenüber dem heutigen Standard das Motorvolumen und die Motormasse sowie die Motorkosten um ca. 30% senken und somit die Leistungsdichte, Effizienz und Wirtschaftlichkeit elektrifizierter automobiler Antriebsstränge theoretisch deutlich steigern. Die Projektziele wurden erreicht: Beide Stränge wurden mit 30.000 U/min betrieben und Schaltvorgänge konnten robust und ohne Unterbrechung der Zugkraft durchgeführt werden.

Kontakt: Daniel Schöneberger

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage

Zeitraum: 2013 – 2016

Förderung siehe rechts

Der Elektrifizierung des Antriebsstrangs stehen aus Sicht des Kunden mit Kosten und Reichweite zwei wesentliche Hemmnisse entgegen. Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV) lösen zwar das Reichweiten-, nicht aber das Kostenproblem, da derzeit auf konventionelle Antriebsstränge aufgesetzt wird, die lediglich um spezifische und damit teure elektrische Komponenten ergänzt werden und folglich einen hohen Preis aufweisen.

Teilvorhaben IMS „Entwurf und Simulation (Betriebsstrategie)“

Die beteiligten Unternehmen und Forschungseinrichtungen hatten es sich zum Ziel gesetzt, mit Hilfe eines modularen und skalierbaren Baukastensystems aufzuzeigen, dass Plug-In-Hybride zu attraktiven Kosten darstellbar sind.

Das Teilprojekt des IMS der TU Darmstadt legte seinen Fokus im Bereich der simulativen Optimierung vor allem auf die Betriebsstrategie.

Das Ziel war es, eine Simulationsumgebung aufzubauen, mit der automatisiert Optimierungen durchgeführt werden können. Ein wichtiger Zwischenschritt ist hierbei die Ermittlung des Kostenreduktionspotentials. Ein weiterer entscheidender Bestandteil ist eine modulare Betriebsstrategie für PHEV, welche eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Varianten herstellt. Durch die Simulationen wird u.a. überprüft, inwiefern ein modularer Ansatz der Betriebsstrategie sich auf den Wirkungsgrad auswirkt.

Weitere Informationen finden Sie auf der Projekthomepage.

Ausgewählte Veröffentlichungen: BEREIT: Optimization of Parallel Hybrid Electric Vehicle (HEV) Fleets

Zeitraum: 2012-2014

Kooperation: Institut für Elektrische Energiewandlung (TU Darmstadt)

Ziel war die optimale Auslegung eines neuartigen, hocheffizienten, elektrischen Antriebsstrangs für den Einsatz als Traktionsantrieb in Fahrzeugen. Die elektrischen Maschinen sollten als Hochdrehzahlantriebe elektromagnetisch hinsichtlich höchstmöglicher Drehmomentendichte, thermisch bezüglich höchstmöglicher Leistungsdichte ausgelegt werden. Das Getriebe sollte bei mindestens zwei Stufen und zwei Gängen je angekoppelter E-Maschine möglichst kompakt und wirkungsgradoptimal ausgelegt werden.

Automatisierte Schaltgetriebe in Vorlegebauweise stellen hierbei die einfachste Art dar, die Mehrgängigkeit zu realisieren. Mit dem Doppel-e-Antrieb aus der Abbildung, d.h. einem über zwei Eingangspfade angetriebenen automatisierten Schaltgetriebe (AMT), lassen sich komfortbeeinträchtigende Zugkraftunterbrechungen beim Gangwechsel vermeiden.

Die Verwendung von zwei kleiner dimensionierten Elektromotoren führt ebenfalls zu einer Effizienzsteigerung im Vergleich zu einem Elektrofahrzeug mit nur einem leistungsstarken Elektromotor. Im Teillastbetrieb sorgt nur einer der beiden Elektromotoren für den Vortrieb, wodurch eine höhere Auslastung und damit ein besserer Wirkungsgrad der E-Maschine erreicht wird.

Durch das Ankoppeln einer Verbrennungsmaschine entsteht eine seriell-parallele Hybridarchitektur, welche die Betriebsmodi „rein elektrisches Fahren“, „serieller Hybridmodus“, „paralleler Hybridmodus“ und „rein verbrennungsmotorisches Fahren“ erlaubt

Erste Simulationsergebnisse zeigten eine erhebliche Effizienzsteigerung und somit CO2-Ersparni. Im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) liegt der Energieverbrauch 17% niedriger als bei einem Elektrofahrzeug mit nur einem Elektromotor und einem 1-Gang-Getriebe.

Zeitraum: 2010 – 2013

Kooperation: TU Braunschweig (Institut für Fahrzeugtechnik)

Förderung: siehe rechts

Die Entwicklung moderner Fahrzeuge und insbesondere der elektrifizierten Antriebe ist gekennzeichnet durch eine hohe Komplexität und Variantenvielfalt bei steigenden Kundenerwartungen. Im Hinblick auf eine an diese Randbedingungen optimierte Auslegung der Antriebe stehen gesetzliche Anforderungen sowie Lastenheft- und Kundenanforderungen an das Fahrzeug im Vordergrund. Für die Schaffung eines optimalen Fahrzeugkonzepts ist in der Regel nicht die Optimierung der einzelnen Komponenten bezüglich der gestellten Anforderungen zielführend, sondern die ganzheitliche Betrachtung des Fahrzeugsystems erfordert einen komponentenübergreifenden Ansatz.

In diesem Zusammenhang kommt die so genannte EVID-Methode (Electric Vehicle Identification – Identifikation optimaler Antriebsstrangkonfigurationen für Elektrofahrzeuge) zum Einsatz. Das Ziel der EVID-Methode ist es, je eine optimale Antriebsstrangkonfiguration für eine Auswahl von in ihrem Einsatzprofil differierenden Fahrzeugkonzepten (wie z.B. Stadtfahrzeug oder Verteilerfahrzeug im Stadt und Überlandverkehr) zu ermitteln. Bei Variation der Grundparameter (Auslegungsgrößen der Komponenten wie z.B. Ganganzahl, Getriebespreizung, Systemleistung, E-Maschinen-Drehmoment, Batteriekapazität) erfolgt die Identifikation der optimalen Lösung anhand der Kennparameter, welche die Fahrleistungen, die Energiebilanz und die Kosten betreffen und mittels differierender Gewichtungen in einer Bewertungsfunktion berücksichtigt werden. Um eine rechenzeitminimierte Auswertung zu ermöglichen, werden mathematische Modelle (MM) eingesetzt, welche den Wirkzusammenhang aus Grund- und Kennparametern möglichst genau abbilden sollen. Anschließend werden die MM und die Berechnungsmodelle in einem Optimierungsalgorithmus verwendet, um das optimale Konzept, seine Komponenten und die dazugehörigen Grund- und Kennparameterwerte zu identifizieren.

Grafik zur Projektstruktur

Ausgewählte Veröffentlichungen: Antriebsstrangoptimierung von Elektrofahrzeugen