TU Berlin

FG Konstruktion von MaschinensystemenGetriebeentwicklung

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Teilprojekt Getriebeentwicklung

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Zusammenfassung Getriebe

Zur Übertragung des von den Elektromotoren erzeugten Momentes wurde am Fachgebiet Konstruktion von Maschinensystemen der TU-Berlin ein Getriebe entwickelt. Zwei dieser Getriebe sind im Fahrzeug verbaut. Das Getriebe kann wahlweise mit einem oder zwei E-Motoren angetrieben werden und erzeugt eine Untersetzung von ca. 9:1. Diese Untersetzung reduziert die hohen Drehzahlen der E-Motoren von bis zu 10.000 U/min und erhöht gleichzeitig das an den Rädern zur Verfügung stehende Moment. Das Antriebsmoment wird zunächst in einer ersten Getriebestufe über Kegelräder um ca. den Faktor 2,1 vergrößert um dann auf dem Differentialkorb summiert zu werden. Das Differential welches die Drehzahlunterschiede zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad ausgleicht, verteilt das summierte Moment auf zwei Ausgangswellen, an die jeweils eine zweite Getriebestufe angeschlossen ist. In dieser Stufe wird über ein Planetengetriebe eine weitere Untersetzung von 4,3 erzeugt. Somit steht an einer Antriebsachse ein Moment über 6500 Nm zur Verfügung. Um derartig hohe Leistungen übertragen zu können wird das Getriebe mit zwei elektrischen Pumpen ständig mit Schmieröl versorgt. Das Getriebe ist zusammen mit den Antriebsmotoren in einem Rahmen untergebracht und bildet so zusammen mit diesen eine kompakte Einheit.
Zum Blockieren des Fahrzeugs im Stillstabnd ist weiterhin eine mechanisch betätigte Parksperre vorgesehen.

Ablaufplan Entwicklung

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Ablaufplan Getriebeentwicklung

Die Entwicklung des Getriebes wurde auf der Grundlage des Vorgehens bei Neukonstruktionen nach VDI und Pahl/Beitz angelegt. Die Projektlaufzeit ermöglichte allerdings nur maximal eine Iteration zur Verbesserung der Konstruktion vor dem Ende der Projektlaufzeit. Die wichtigsten Arbeitsschritte sind in der Abbildung  dargestellt.

Anforderungen

Hauptaufgabe

Die Hauptaufgabe des Getriebes ist die Reduzierung der hohen Motordrehzahl von bis zu 10.000 U/min um den Faktor 9 zu untersetzen und somit gleichzeitig das Moment an den Rädern zu erhöhen. Das somit an den Rädern als Antriebsmoment zur Verfügung steht.

Weitere Anforderungen wurden an das Getriebe gestellt, so sollte die Verwendung nur eines Getriebes sowohl an der Vorderachse als auch an der Hinterachse Platz finden. Das Getriebe muss wahlweise mit einem oder zwei Motoren betrieben werden können. Der Aufbau des Getriebes soll zusätzlich die Integration einer Parksperre, die Umgestaltung des Antriebsstranges zum Einzelradantrieb und Schaltbarkeit in zwei Gängen in nachfolgenden Projekten ermöglichen.


Anforderungen Leistungsübertragung

Das Getriebe wird durch ein Motormoment von bis zu 430Nm angetrieben und wandelt dieses Moment in ein Abtriebsmoment von 3.000Nm je Seite. Die genaue Gesamtübersetzung des Getriebes wurde auf Grundlager verschiedener Zielparameter auf 9,1  zu 1 festgelegt. Große Aufmerksamkeit wurde auf die Sicherheit gelegt. Durch den hohen Innovationsgrad des Projektes besteht eine hohe Unsicherheit bezüglich verschiedenster Eingangsparameter für das Fahrzeug und damit für das Getriebe. Um eine sichere Funktion auch bei den hohen Anforderungen im Simulationsbetrieb zu gewährleisten, wurde der Antriebsstrang mit mehr als vierfacher Sicherheit ausgelegt, um möglichen Kräften bei Fehlfunktionen und späteren höher motorisierten Varianten standzuhalten.


Anforderungen Bauraum

Als Forderung an die Verwendung des Getriebes sowohl an der Vorderachse als auch an der Hinterachse des Versuchsträgers entstehen verschiedene Einbausituationen, welche durch ein und dasselbe Gehäuse abgedeckt werden sollen. Mit den Motoren zusammen entsteht somit ein kompaktes Antriebspaket, welches in vielen Iterationen an die im Fahrzeug vorherrschenden Bauraumsituationen angepasst ist. Die Lage der Motoren und des Getriebes im Fahrzeug konnte nicht im Vorfeld festgelegt werden, sondern wurde in Zusammenarbeit der verschiedenen Projektpartner anhand der Abmaße der Motoren und deren Möglichkeit zur Integration in das Fahrzeug festgelegt.


Anforderungen Modularität und Wiederverwendbarkeit

Ein Ziel bei der Entwicklung des Antriebsstranges besteht in der Wiederverwendbarkeit des gesamten Antriebes zum Einsatz in anderen Trägerfahrzeugen. Um dies zu erreichen, müssen sowohl die leistungsübertragenden Teile als auch das Gehäuse mit den Anbindungen zum Fahrzeug flexibel anpassbar sein.

Fertigung

Fertigung
Der Aufbau der ersten Getriebe für die Funktionsprüfung begann Ende 2010. Eine Auswahl an Bildern zum Aufbau sind unter folgendem Link zu sehen.

Die Fertigung der einzelnen Komponenten wurde durch verschiedenen Hersteller übernommen. Die Auslösung der Fertigung begann bereits Mitte 2010. Durch den gleichzeitigen Aufschwung der  Wirtschaft verlängerten sich die Fertigungszeiten im Verhältnis zu den erwarteten Fertigungsdauern stark. Zusammen mit der  Verkürzung der Projektlaufzeit musste der ursprüngliche Projektplan in seiner Laufzeit angepasst werden. Bereits zu Beginn und während des Projektes wurden die Mittel des Simultaneous Engineerings angewendet. Zusätzlich wurde der Durchdringungsgrad des Simultaneous Engineerings innerhalb des Projektes weiter gesteigert. So wurde die parallele Bearbeitung von Arbeitspaketen verstärkt, dazu Arbeitspakete überarbeitet und angepasst.

Um die Auswirkung  der verlängerten Fertigungsdauer nicht die Projektziele gefährden zu lassen, wurde ein mehrdimensionales Vorgehen bei der Fertigung der Getriebe, der Prüfung en der Getriebe und dem Fahrzeugaufbau erarbeitet. Dieses Vorgehen ermöglicht die Bearbeitung des Projektes mit Arbeitspaketen auf dem kritischen Pfad ohne weiteren Zeitverlust fortzuführen.

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Funktionsprüfungen

Funktionsprüfungen

Die erste Inbetriebnahme und die Prüfung der Hauptfunktionen wurde am Funktionsprüfstand durchgeführt.
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Überarbeitung

Überarbeitung

Nachdem die Hauptfunktion des Antriebsstranges und die Teilfunktionen nachgewiesen wurden, konnte die Ausarbeitung eines Gehäuses unter Berücksichtigung aller Anforderungen durchgeführt werden. Durch das erste Gehäuse konnten die Anbindungspunkte, die Lagerungspunkte im Getriebe sowie die Ölversorgung verifiziert werden. Diese Erfahrungen gehen die Gestaltung des Gehäuses mit ein und helfen die Variantenvielfalt des Erstentwurfes zu beschränken.
Zusätzlich erfolgt in diesem Schritt die Umsetzung der noch offenen Anforderungen an das Gewicht des Antriebspaketes, die Erweiterung um die Forderungen nach Modularität und Wiederverwendbarkeit.


Modularität

Die einzelnen Stufen innerhalb des Antriebsstranges lassen sich austauschen und damit das Getriebe an die jeweilige Einsatzanforderung anpassen. Die Zahnradstufe in Planetenbauweise wird z.Z. bearbeitet um die Masse zu verringern. In einer weiteren Variante wird das Differential ausgetauscht und durch eine leichtere Version ersetzt.

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