Entwicklungsstand und Herausforderungen von Getrieben: Als Kraftübertragungssystem in Elektroantrieben kann das Untersetzungsgetriebe die Drehzahl reduzieren und das Drehmoment erhöhen, um den üblichen Leistungsbedarf der Nutzer zu decken. Es besteht im Wesentlichen aus Zahnradsystem, Lager, Differenzial, Gehäuse und weiterem Zubehör. Die wichtigsten Merkmale und Leistungsanforderungen sind Platzbedarf, Gewicht, Wirkungsgrad und NVH (Geräusch-, Vibrations- und Rauheitsverhalten). Aktuelle elektrische Antriebsuntersetzungsgetriebe zeichnen sich überwiegend durch eine einstufige, zweistufige Parallelwellenkonstruktion aus, die eine einfache Struktur und hohe Kosteneffizienz bietet und somit die unbestrittene Standardlösung darstellt. Da die Nutzer jedoch zunehmend mehr Platz und Reichweite in Fahrzeugen fordern, steigt der Druck auf die verschiedenen Subsysteme erheblich. Als kritische Komponente stehen elektrische Antriebsuntersetzungsgetriebe nun vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Platzbedarf, Gewicht und Wirkungsgrad. Führende OEMs und internationale Antriebshersteller erforschen aktiv innovative Architekturen, wie beispielsweise Planetengetriebe. Derzeit finden sich Planetengetriebe in Serienproduktion vorwiegend in Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse internationaler Marken wie Audi e-tron, Jaguar Land Rover I-Pace und Lucid Air. In China werden ab 2024 zunächst nur die Marke Jike und ausgewählte Geely-Modelle diese Technologie einsetzen. Der Markt für Planetengetriebe in Pkw wird fast vollständig von globalen Konzernen wie Schaeffler und ZF dominiert. Chinesische Hersteller wie Xingqu bauen ihre Präsenz in diesem Bereich aktiv aus. Künftig wird erwartet, dass koaxiale Planetengetriebe insbesondere im mittleren und oberen Fahrzeugsegment deutlich an Bedeutung gewinnen. Die Anforderungen an hohe Kompaktheit von Getriebesystemen ▶ Aktuelle Situation: Als Schlüsselkomponente des Antriebsstrangs beeinflusst der elektrische Antrieb maßgeblich die Fahrzeugkonstruktion. Angesichts der steigenden Nachfrage der Verbraucher nach Innenraum und Kofferraum sowie der zunehmenden Plattformisierung von Fahrzeug und Antriebsstrang muss der Antriebsstrang eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Fahrzeugkonstruktion aufweisen. Daher sind ein höherer Platzbedarf und eine größere Regelmäßigkeit des elektrischen Antriebs erforderlich. Wie die Abbildung unten zeigt, beeinflusst die Größe des Getriebesystems direkt die X-Richtung (Längsrichtung des Fahrzeugs) des elektrischen Antriebs und somit den verfügbaren Platz im Fahrzeug und im Kofferraum. Abbildung 1 Schematische Darstellung des Getriebesystems Quelle: Öffentliche Informationen Das aktuelle Getriebesystem verwendet überwiegend Parallelwellenkonfigurationen, wobei die Abmessungen der X-Achse direkt vom Abstand zwischen Eingangs- und Ausgangswelle abhängen. Die Industriestandards für die Abmessungen der X-Achse sind im Allgemeinen in der folgenden Tabelle aufgeführt. Obwohl Planetengetriebe derzeit einen geringen Marktanteil haben, wird ihre Nachfrage in Zukunft voraussichtlich deutlich steigen. Schaeffler, ein führender Anbieter von Planetengetrieben, hat Modelle mit X-Achsenabmessungen entwickelt, die 30% bis 40% kleiner sind als bei herkömmlichen Parallelwellensystemen. Tabelle 1 X-Abmessungen in der Industrie Drehmomentausgang <3000 Nm 3000–4000 Nm 4000–5000 Nm X-Achsenabmessung <400 mm 400–600 mm 460–480 mm ▶ Herausforderung annehmen Das aktuelle Getriebesystem nutzt den Bauraum bis zum Äußersten aus. Durch die Verringerung des Achsabstands ergeben sich Risiken hinsichtlich der Zahn-Wellen-Belastbarkeit und des NVH-Verhaltens (Geräusche, Vibrationen und Rauheit). Der reduzierte Achsabstand schränkt die makroskopischen Parameter der Zahnräder ein, darunter Modulgrenzen, das Risiko von Zahnfußverbiegungen und die Anforderungen an die Zahnflankenfestigkeit. Darüber hinaus stellen die erhöhte Drehmomentantwort und die häufigen Anforderungen an die Bremsenergierückgewinnung in Elektrofahrzeugen höhere Anforderungen an die Festigkeit von Zahnrädern und Differenzialen. Optimierungen bei der Materialauswahl, den Wärmebehandlungsverfahren und den Oberflächenverfestigungstechniken sind erforderlich. Der Bedarf an leichten Getriebesystemen ▶ Aktuelle Situation: Für Elektrofahrzeuge, insbesondere für rein elektrische Modelle, ist die Reichweite ein zentrales Anliegen der Nutzer, wobei das Gewicht die Reichweite maßgeblich beeinflusst. Der elektrische Antrieb macht etwa 5%1 kg des Gesamtgewichts des Fahrzeugs aus, wobei das Getriebesystem etwa 50% kg des Gewichts des elektrischen Antriebs ausmacht. Da das Gewicht des Getriebesystems Kosten und Abmessungen direkt beeinflusst, ist ein geringes Gewicht auch für den elektrischen Antrieb eine entscheidende Anforderung. Parallelwellengetriebe dominieren derzeit den Markt mit über 95% Einheiten. Das Gewicht korreliert dabei mit dem Abtriebsdrehmoment (siehe Tabelle unten). Die Zhi Ji L7/L6-Serie zeichnet sich durch Gehäuse aus einer Magnesium-Aluminium-Legierung aus und ist damit 30% leichter als herkömmliche Aluminiumlegierungsgehäuse. Obwohl Planetengetriebe aktuell noch einen geringen Marktanteil haben, wird ein deutliches Nachfragewachstum prognostiziert. Als Pionier in der Planetengetriebetechnologie reduziert Schaeffler das Gewicht seiner Lösungen im Vergleich zu herkömmlichen Parallelwellengetrieben um 30% bis 40%. Tabelle 2: Zusammenhang zwischen Gewicht und Abtriebsdrehmoment eines einzelnen Untersetzungsgetriebes Drehmoment < 3000 Nm 3000–4000 Nm 4000–5000 Nm Gewicht (Trockengewicht) < 25 kg 25–30 kg 30–35 kg ▶ Herausforderung annehmen Um den Bedarf an leichten Getriebesystemen zu decken, werden Untersetzungsgetriebe typischerweise durch Konstruktion und Materialauswahl optimiert. Die Strukturoptimierung reduziert zwar direkt den Materialverbrauch, birgt aber auch Risiken hinsichtlich Festigkeit und Zuverlässigkeit sowie NVH-Problemen (Geräusche, Vibrationen und Rauheit). Gehäuse aus Magnesium-Aluminium-Legierungen sind zwar kostengünstig, weisen jedoch Kriechen bei hohen Temperaturen und eine geringe Steifigkeit auf, was die NVH-Risiken weiter verschärft. Der Bedarf an effizienten Getrieben ▶ Aktuelle Situation Ein weiterer kritischer Faktor für die Reichweite von Fahrzeugen ist die Effizienz des Elektroantriebs. Über die CLTC-Standards (Chinas Prüf- und Zertifizierungssystem für neue Energiefahrzeuge) hinaus ist die Effizienz bei hohen Drehzahlen und konstanter Drehzahl zu einem zentralen Anliegen der Anwender geworden. Gängige Hochgeschwindigkeitsfahrten mit Geschwindigkeiten von 100 km/h und 120 km/h erfordern hocheffiziente Hochgeschwindigkeitsgetriebe mit geringem Drehmoment. Wichtige Faktoren sind die Getriebearchitektur, die Wellenanordnung, die Lagerwahl, die Zahnradpräzision, die Gehäusekonstruktion und die Wahl des Schmierstoffs. Durch die zunehmende Verwendung von Montageanwendungen seitens der OEMs, optimierte Betriebsbedingungen und Fortschritte in der Komponententechnologie hat sich der CLTC-Wirkungsgrad von Getrieben stetig verbessert. Vor 2020 lag der CLTC-Wirkungsgrad im Allgemeinen bei etwa 97%, wobei einige Hersteller 97,5% erreichten. Beispielsweise wies das G9-Getriebe von XPeng Motors (Modelljahr 2022) einen gemessenen CLTC-Wirkungsgrad von über 97,5% auf, während das G6-Getriebe (Modelljahr 2023) 97,6% erreichte. ▶ Herausforderung angenommen! Heutzutage wird ein hocheffizientes Untersetzungsgetriebe hauptsächlich durch die Reduzierung von Drehmoment- und Drehzahlverlusten erzielt. Reduzierung des Drehmomentverlusts durch verbesserte Zahneingriffsgenauigkeit, geringere Zahnoberflächenrauheit und niedrigere Schlupfrate sowie den Einsatz von Kugellagern mit geringem Wälzwiderstand. Reduzierung des Drehzahlverlusts: Eine Trockenölwanne minimiert Ölverluste durch Ölverwirbelung; niedrigviskose Schmierstoffe werden empfohlen. Die hohe Eingriffsgenauigkeit und die geringe Zahnoberflächenrauheit stellen höhere Anforderungen an die Bearbeitungstechnologie und den Produktionsrhythmus der Wellenzahnräder und führen zu höheren Produktionskosten. Die Schutzwirkung des Wellenzahnradlagers wird durch die Verwendung von niedrigviskosem Schmieröl verringert, was die Zuverlässigkeit des Wellenzahnradlagers beeinträchtigt. Bedarf an geräuscharmen Getrieben ▶ Aktuelle Situation: Da Verbraucher zunehmend Wert auf Fahrzeuggeräusche legen, wird deren Geräuschentwicklung durch die fehlende Geräuschdämpfung in elektrischen Antriebssystemen stärker wahrgenommen. Darüber hinaus liegt das Geräusch von elektrischen Getrieben typischerweise im mittleren bis hohen Frequenzbereich, der von den Nutzern gut wahrgenommen wird. Dank der jüngsten Fortschritte in der heimischen Fahrzeugfertigung und der Materialqualität hat sich die Gesamtklangqualität von Fahrzeugen deutlich verbessert, was das Pfeifgeräusch von elektrischen Antriebssystemen zusätzlich verstärkt hat. In modernen Antriebssystemen beschränken sich NVH-Probleme nicht mehr nur auf das Quietschen zwischen Welle und Zahn. Kunden legen heute Wert auf Fahrkomfort und Akustik und nehmen gleichzeitig klappernde Geräusche und ruckartige Schaltvorgänge wahr. Dies spiegelt die zunehmende Komplexität der NVH-Herausforderungen im Automobilbau wider. In Standardgetrieben erzeugt die halbgedämpfte Kammer typischerweise einen durchschnittlichen Geräuschpegel von 5 Dezibel (dB) in einem Meter Entfernung und etwa 70 dB(A) unter Volllast. Einige Hersteller erreichen jedoch Geräuschpegel unter 65 dB(A). ▶ Neue Herausforderung: Im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen stehen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben vor größeren Herausforderungen in der NVH-Entwicklung (Geräusche, Vibrationen und Rauheit). Grund dafür ist der fehlende Dämpfungseffekt von Verbrennungsmotoren und die steigende Nachfrage der Nutzer nach einem leisen Innenraum. Die Getriebegeräusche dieser Fahrzeuge bestehen überwiegend aus mittel- bis hochfrequenten Tönen, die vom menschlichen Ohr besonders empfindlich wahrgenommen werden. Aufgrund zahlreicher rotierender Bauteile und erheblicher Herausforderungen in der Serienproduktion und Montagestabilität sind Getriebegeräusche zu einem Hauptgrund für Kundenbeschwerden geworden. NVH (Geräusche, Vibrationen und Rauheit) ist eine subjektive Wahrnehmung, die eng mit Kostenüberlegungen verknüpft ist. Da die Erwartungen der Nutzer je nach Fahrzeugsegment variieren, müssen die NVH-Entwicklungsziele zunächst auf die Positionierung des Fahrzeugs und die Zielgruppe abgestimmt sein. Die Behebung von NVH-Problemen erstreckt sich über den gesamten Fahrzeugentwicklungszyklus. Nach der Identifizierung umfasst der Prozess Tests, Analysen, Computersimulationen, Problemkategorisierung, Lösungsformulierung und Validierung. Neben einem robusten Entwicklungsprozess spielt praktische Erfahrung eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Um das Quietschen im Getriebe zu beheben, ist die strukturelle Anregung die Hauptursache, wobei die Pfadkontrolle ebenso wichtig ist. NVH-Verbesserungsstrategien, die sowohl die Quelle als auch den Pfad angehen, stehen oft im Widerspruch zu Leichtbauanforderungen und treiben die Kosten in die Höhe. Neben der inhärenten Komplexität und den sich ständig ändernden Anforderungen an NVH-Herausforderungen stellt die Erzielung eines multidimensionalen Gleichgewichts zwischen NVH-Minderungsmaßnahmen, Leichtbau und Kostenkontrolle eine erhebliche Entscheidungsherausforderung für OEMs und Zulieferer auf allen Ebenen dar. Entwicklungsstand und Herausforderungen von Zahnrädern 1. Anforderungen an hohe Drehzahlen von Zahnrädern ▶ Aktuelle Situation Hochgeschwindigkeitszahnräder werden in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben aufgrund ihrer Fähigkeit zur stabilen Kraftübertragung bei hohen Drehzahlen häufig eingesetzt. Ihre Anwendung umfasst verschiedene Aspekte wie Materialauswahl, Konstruktion, Fertigung und Schmierung. Die Drehzahl von Zahnrädern in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben hat sich von 12.000 U/min auf über 20.000 U/min entwickelt und tendiert nun zu 30.000 U/min und mehr. Die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitszahnrädern hat höhere Anforderungen an Konstruktion, Materialauswahl und Fertigung gestellt, insbesondere im Hinblick auf Lebensdauer, Schmierung, Wärmeableitung und NVH (Geräusche, Vibrationen und Rauheit). ▶ Herausforderung Zuverlässigkeit: Der Betrieb mit hohen Drehzahlen beschleunigt die Ermüdung der Zahnflanken, die Reibermüdung und die Spannungskonzentration, was zu vorzeitigem Zahnradausfall führen kann. Aktuell werden für Zahnräder Werkstoffe wie 20MnCr5 gewählt, da sie höhere Festigkeit, bessere Zähigkeit sowie überlegene Wärmebehandlung und Verarbeitbarkeit bieten. Schmierung und Wärmeableitung: Bei hohen Drehzahlen erfahren Zahnräder höhere Umfangsgeschwindigkeiten, was zu erhöhter Wärmeentwicklung beim Eingriff führt und die Ölfilmbildung behindert. Dadurch steigt das Risiko von Zahnradausfällen. Dies stellt auch größere Herausforderungen an die Zahnradkonstruktion und erfordert strengere Spezifikationen für Antihafteigenschaften, Schlupfraten und Umfangsgeschwindigkeiten. Ein gut gestaltetes Zahnprofil ist besonders wichtig, ebenso wie die Auswahl der Schmierstoffe und die proaktive Schmierung der Zahnräder. Dynamisches Auswuchten: Mit steigender Drehzahl verstärkt sich der Einfluss der dynamischen Auswuchtfaktoren auf das NVH-Verhalten elektrischer Antriebe, und die Anforderungen an das dynamische Auswuchten von Wellen-Zahn-Verbindungen werden strenger. Aktuell unterliegen alle Wellen-Zahn-Verbindungen dynamischen Auswuchtprüfungen. NVH von Zahnrädern: Die erweiterten Drehmoment-, Drehzahl- und Rotationsfrequenzbereiche bei hohen Zahnraddrehzahlen erhöhen die Komplexität der NVH-Regelung erheblich. Dies stellt Herausforderungen an das Management der Getriebeanregung und der Fahrzeugantriebswege und erfordert eine abgestimmte Entwicklung von Schalldämmpaketen für den Elektroantrieb und das Fahrzeug sowie eine Schwingungs- und Geräuschisolierung der Struktur. Bei höheren Drehzahlen erweitern sich die Drehmoment- und Drehzahlbereiche erheblich, während sich der zugehörige Drehzahlbereich nahezu verdoppelt, was die NVH-Kontrolle deutlich erschwert. Daher sind Akustikpakete mittlerweile Standard in Elektroantriebssystemen. Getriebefertigung: Die Präzisionsanforderungen an Zahnräder werden immer strenger. Derzeit vollzieht die Industrie den Übergang von den nationalen Normen der Klassen 5-6 zu Klassen 5 und höher, was den Fertigungsprozess anspruchsvoller macht. Anforderungen an hohe Übersetzungsverhältnisse ▶ Aktuelle Situation: Mit der Weiterentwicklung der Motorleistung steigt die Spitzendrehzahl des Motors, die maximale Drehzahlgrenze wird schrittweise erhöht und die Grenze des Übersetzungsverhältnisses wird schrittweise erweitert. Unter Berücksichtigung der Fahrzeugbeschleunigung und der Wirtschaftlichkeit des Elektroantriebs kann eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses das Drehmoment am Rad des Fahrzeugs schnell verbessern und gleichzeitig das Motorvolumen reduzieren, um die Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Mit steigender Motordrehzahl (über 20.000 U/min) steigt auch das Übersetzungsverhältnis kontinuierlich an. Huichuan beispielsweise produziert Seriengetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von über 12, Huawei sogar mit über 13. Übersetzungen über 13 werden zunehmend zum Standard. ▶ Neue Herausforderung: Der Einsatz von Getrieben mit hohen Übersetzungsverhältnissen stellt höhere Anforderungen an die Getriebeleistung und -fertigung. NVH-Verhalten: Getriebe mit hohen Übersetzungsverhältnissen erzeugen typischerweise mehr Geräusche und Vibrationen. Ihre Konstruktion, Materialauswahl und Fertigung stellen daher größere technische Herausforderungen dar. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit müssen Getriebe mit hohen Übersetzungsverhältnissen höhere Drehmomente und Drehzahlen aushalten. Auch die lineare Eingriffsgeschwindigkeit der Zahnräder ist höher, was strengere Anforderungen an die Zuverlässigkeitskennwerte für Biegung und Kontakt stellt. Material: Mit steigender Drehzahl und steigendem Drehmoment müssen auch die Eigenschaften des Zahnradmaterials verbessert werden. Festigkeit und Verschleißfestigkeit müssen berücksichtigt werden. Bei der Fertigung reagiert das Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis empfindlicher auf die Anregung durch den Zahneingriff, was höhere Präzision und Konsistenz erfordert. Hohe NVH-Anforderungen an Getriebe ▶ Aktuelle Situation: Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren reagieren Fahrzeuge mit alternativen Antrieben empfindlicher auf das NVH-Verhalten von Getrieben und erfordern daher höhere NVH-Standards, insbesondere hinsichtlich Laufruhe und Geräuschreduzierung. Getriebe sind eine zentrale Energiequelle in elektrischen Antriebssystemen. Aufgrund ihrer aufwendigen Fertigungsprozesse und der hohen Komplexität der Steuerung stellen NVH-Probleme (Geräusche, Vibrationen und Rauheit) in Getrieben eine erhebliche Herausforderung für die Industrie dar. Branchenstatistiken zeigen, dass 70–80 % der NVH-Probleme im Aftermarket auf Lager und Getriebe zurückzuführen sind, wobei getriebebezogene Probleme 50–60 % ausmachen. Das NVH-Verhalten von Getrieben trägt maßgeblich zum gesamten NVH-Verhalten des Fahrzeugs bei. Da Getriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis immer häufiger eingesetzt werden, hat sich die Bewältigung der NVH-Herausforderungen in Getrieben zur obersten Priorität der Industrie entwickelt. ▶ Herausforderung angenommen! Die NVH-Eigenschaften von Zahnrädern umfassen zahlreiche Aspekte wie Zahnräder, Elektroantrieb, Fahrgestell und das gesamte Fahrzeug. Es handelt sich um einen systematischen Kontrollindex mit einem großen Einflussbereich und erheblicher Schwierigkeit, ihn zu beherrschen. Bereits zu Beginn der Konstruktion müssen Risiken hinsichtlich der Dimensionen von Zahnradkonstruktion, -fertigung und -übertragung identifiziert und im Voraus kontrolliert werden. Bei der Zahnradkonstruktion betrifft die NVH von Wellenzahnrädern viele Bereiche, darunter Zahnradkonstruktion, Bearbeitung, Montage, Gehäusesteifigkeit, Lagersteifigkeit, Wellenzahnradmodus, Gehäusemodus, Elektroantriebsmodus, Motormodus, Übertragungsweg, Schallabstrahlung usw. Abbildung 2: Kontrollpunkte für Achszahngeräusche. Quelle: Zusammengestellt aus öffentlichen Daten. In der Zahnradfertigung steigen die Präzisionsanforderungen stetig. Während die Industrie derzeit die nationalen Normen der Klassen 5-6 einhält, erfordern die steigenden NVH-Anforderungen (Geräusche, Vibrationen und Rauheit) nun spezifische Präzisionskennzahlen für Zahnräder, die Klasse 4 übertreffen. Dies stellt erhebliche Herausforderungen für die Sicherstellung von Genauigkeit und Konsistenz dar. Angesichts des langen Bearbeitungszyklus und der zahlreichen kritischen Schritte sind strenge Kontrollen in allen Phasen unerlässlich – von der Materialauswahl und Rohlingsfertigung über die Wärmebehandlung und Endbearbeitung bis hin zum Zahnradschleifen. Jeder Prozess erfordert eine präzise Parameteroptimierung, was die Fertigung zusätzlich verkompliziert. Eine umfassende Überwachung ist für NVH-kritische Parameter wie Zahnprofilorientierung, Rundlaufgenauigkeit, Oberflächenrauheit, Fourier-Analyse, Zahnwellenform, dreidimensionales Profil, dynamische Auswuchtung und Schleifmuster zwingend erforderlich. Entwicklungsstand und Herausforderungen von Hochgeschwindigkeitslagern ▶ Aktuelle Situation: Im Jahr 2024 spezifizieren die Branchenanforderungen für Lager im Allgemeinen Drehzahlen zwischen 16.000 und 23.000 U/min. Einige OEMs entwickeln bereits in der Vorforschungsphase Ultrahochgeschwindigkeitsmotoren, die 30.000 U/min erfordern. Betrachtet man den Lagereinsatz bei den OEMs, dominieren importierte Marken den Markt für Hochgeschwindigkeitslager, während inländische Marken sowohl in der technologischen Entwicklung als auch bei der Installationsprüfung schnell aufholen. ▶ Wir stellen die Herausforderung: Ultrahochgeschwindigkeitslager mit geringer Reibung und minimaler Temperaturerhöhung durch den Einsatz speziell wärmebehandelter Stahlkugeln oder kostengünstiger Keramikkugeln. Die leichte Hochgeschwindigkeitskäfigkonstruktion unterdrückt den „Schirmeffekt“ in Taschenbohrungen und basiert auf der Forschung und Entwicklung sowie der Simulation spezieller Käfigmaterialien. Hochgeschwindigkeitslager erfordern eine höhere innere Präzision, z. B. hinsichtlich Rundheit, Welligkeit, Rauheit, Profil, Rundlauf usw. Zeitachse 2015–2017 2018–2019 2020–2024 2025 2030 Lager dmN 800.000 1 Million 1,5 Millionen 180.000 2 Millionen Beispiel für die Lagerdrehzahl (Einheit U/min) 6208→13000 6208→16000 6208→25000 6208→30000 6208→33000 Tabelle 3 Zeitplan für die Hochgeschwindigkeits-Massenproduktion von elektrisch angetriebenen Lagern (dmN: ein Drehzahlparameter, gemessen in mm·U/min) Der Bedarf an hoher Lagereffizienz ▶ aktuelle Situation Aktuelle elektrische Antriebssysteme verwenden überwiegend reibungsarme Lager. Die elektrische Antriebsplattform XPeng XPower 800V setzt beispielsweise durchgehend auf branchenführende reibungsarme Lagerkonstruktionen. Um Redundanz und Kosten im Getriebedesign in Einklang zu bringen, werden die meisten Zwischen- und Abtriebswellenlager mit Kegelrollenlagern ausgestattet. Für optimale Betriebseffizienz eignen sich jedoch reibungsarme Rillenkugellager (DGBB) in Kombination mit Zylinderrollenlagern (CRB) oder zweireihigen Kugellagern (TBB) besser. ▶ Kegelrollenlager bieten dank optimierter Flanschkonvexität, hochpräziser Fertigung und Nylonkäfig geringere Reibungsverluste. Die Lager zeichnen sich durch Miniaturisierung und kundenspezifisches Design aus und bestehen aus hochreinem Stahl mit spezieller Wärmebehandlung und Beschichtungsverstärkung. Wählen Sie die optimale Lagerkombination für Ihre Betriebsbedingungen, z. B. DGBB+CRB, TRB oder TBB. Entwicklungsbedarf für Isolierlager ▶ Aktuelle Situation: Mit der branchenweiten Einführung von 800-V-Hochspannungsplattformen für elektrische Antriebe hat sich die Umstellung der Leistungsmodule in Wechselrichtern von IGBT auf SiC vollzogen, was zu höheren Schaltgeschwindigkeiten geführt hat. Die hohe Spannungs-Strom-Anstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) hat das Risiko elektrischer Korrosion in Lagern drastisch erhöht und erfordert einen verbesserten Isolationsschutz. Hybrid-Keramikkugellager bieten zwar derzeit die beste Isolation, ihre exorbitanten Herstellungskosten stellen jedoch weiterhin ein großes Problem für die Branche dar. Gleichzeitig werden kostengünstige Isolierbuchsenlager aktiv entwickelt, wobei führende Hersteller wie SKF, Ensk, Fuji Electric und Renben vertreten sind. ▶ Herausforderung annehmen: Entwicklung kostengünstiger Keramikkugellager und Lokalisierung der Lieferkette für Keramikpulver. Das Isolierbuchsenlager wird mit einer Ziel-Isolationsimpedanz von 800 Ω bei 1–5 MHz entwickelt. Zeitleiste 2018–2020 2021–2023 2024 2025 und darüber hinaus Spannungsplattform 800.000 1 Million 1,5 Millionen 180.000 Motorlager Kugellager Hybrid-Keramikkugellager Die Isolierschicht hat eine Impedanz von 400 Ω (1–5 MHz). Die Isolierschicht hat eine Impedanz von 800 Ω (1–5 MHz). Tabelle 4 Spannungsplattform und Lagerauswahl Trend Trends und Planung der Getriebesystemmontage Das elektrische Antriebssystem entwickelt sich in Richtung der multikriteriellen Ziele kompakte Größe, geringes Gewicht, hohe Effizienz und geringe Geräuschentwicklung, was mehr Platz, höhere Reichweite und ein komfortableres Fahrerlebnis für das Fahrzeug bietet. ▶ Entwicklungsrichtung: Die Koaxialplanetengetriebetechnologie entspricht den Entwicklungszielen von elektrischen Antriebssystemen und etabliert sich als Haupttrend für zukünftige elektrische Antriebssysteme, insbesondere bei Hochdrehmoment-Elektroantrieben. Um den Nutzern ein optimales Leistungserlebnis zu bieten, werden Planetengetriebe den Markt zunehmend dominieren. Sowohl inländische Erstausrüster (OEMs) als auch Tier-1-Zulieferer investieren aktiv in die Entwicklung dieser Technologie. Kernkomponenten und -prozesse von Planetengetrieben, wie z. B. Zahnkränze, Planetengetriebe, Planetenträger-Stanzen und Schweißen, weisen ein signifikantes Wachstumspotenzial auf. Um den Anforderungen der Anwender an optimales Handling und vielseitige Leistungsabgabe in verschiedenen Szenarien gerecht zu werden, werden verteilte elektrische Antriebssysteme (einschließlich zentral integrierter verteilter Antriebe, Radnabenantriebe und Radnabenmotoren) zusammen mit Mehrganggetrieben in Spezialanwendungen eingesetzt. Dies verbessert das Nutzererlebnis unter verschiedenen Betriebsbedingungen und in unterschiedlichen Umgebungen deutlich. Gleichzeitig nutzen die meisten elektrischen Antriebssysteme mit geringem Drehmoment weiterhin Parallelwellengetriebe, wodurch ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis für Endanwender gewährleistet wird. ▶ Lieferkette und Kooperationsmodell: Da China den Fokus auf die Elektromobilität legt, sind die anfänglichen technischen Hürden und die Investitionsschwellen für die Industrialisierung von elektrischen Antriebssystemen im Vergleich zur traditionellen Getriebeindustrie niedriger. Dies fördert die kontinuierliche Entwicklung der chinesischen Elektroantriebsindustrie für neue Energien. Aus der anfänglichen Dominanz der Lieferkette hat sich schrittweise ein zweigleisiger Ansatz entwickelt, der die Lieferkette mit von OEMs selbst entwickelten und gefertigten Systemen kombiniert. Mit zunehmendem Wettbewerb und steigendem Integrationsgrad elektrischer Antriebssysteme wird die zukünftige Lieferkette enger mit den OEMs verzahnt sein und eine klare Arbeitsteilung aufweisen, um langfristige Marktstabilität zu gewährleisten. Trends und Ziele für hocheffiziente Getriebesysteme: Durch die kontinuierliche Verbesserung der Effizienzziele werden Technologien wie hochpräzise Wellenverzahnung, reibungsarme Lager, verlustarme Wellenanordnungen, Trockenölwannensysteme mit aktiver Schmierung und Schmierstoffe mit extrem niedriger Viskosität zunehmend eingesetzt. In Verbindung mit der weitverbreiteten Verwendung von koaxialen Planetengetrieben wird erwartet, dass das CLTC-Effizienzziel für Getriebesysteme bis 2024 den Wert von 98% übersteigt. Zukünftige Effizienzsteigerungen werden über isolierte Komponenten- oder Baugruppen-Upgrades hinausgehen und sich stattdessen auf die Systemoptimierung und integrierte Multi-Strategie-Anwendungen konzentrieren. Effizienzkennzahlen werden detaillierter, da Automobilhersteller nun realitätsnahe Leistungskennzahlen wie die Reichweite bei 100 km/h und 120 km/h – über den herkömmlichen CLTC-Benchmark (China Light-Duty Test Cycle) hinaus – priorisieren, um den täglichen Fahrbedürfnissen der Nutzer besser gerecht zu werden. Abbildung 3: Effizienzniveaus von Getrieben in der Elektroantriebsindustrie in den letzten drei Jahren. Trend und Ziele des Leichtbaus: Von 2027 bis 2030 wird mit einer breiten Anwendung von Planetengetrieben in leistungsstarken, drehmomentstarken Elektroantriebssystemen gerechnet, wodurch das Gewicht im Vergleich zu den aktuellen Standards um 301.111.111.111 bis 401.111.111.111 kg reduziert wird. Durch Fortschritte bei neuen Werkstoffen (z. B. Gehäuse aus Magnesium-Aluminium-Legierung) und Fertigungsprozessen (wie dem Verschweißen von Differentialbolzen anstelle von Schrauben und dem Stanzen von Differentialgehäusen im Druckgussverfahren) wird eine weitere Gewichtsreduzierung des Antriebssystems um 5% kg prognostiziert. Zeit 2027–2030 Drehmomentabgabe <3000 Nm 3000–4000 Nm 4000–5000 Nm Gewicht (Trockengewicht) <15 kg 15–18 kg 18–25 kg Tabelle 5 Zusammenhang zwischen Getriebegewicht und Drehmomentabgabe Trend und Ziel geräuscharmer Getriebesysteme Um den steigenden Komfortanforderungen der Nutzer gerecht zu werden, wurden die Anregungsoptimierung und die Pfadsimulationsfähigkeiten des Getriebesystems kontinuierlich verbessert, wobei die NVH-Ziele je nach Fahrzeugklasse variieren. Parallel zu den Fortschritten bei den Simulationstechniken hat sich der Fokus der NVH-Forschung auf nutzerkritische Fahrbedingungen verlagert. Der anfängliche Entwicklungsschwerpunkt hat sich von der NVH-Performance (Geräusch-, Vibrations- und Rauheitsverhalten) hin zu realen Fahrszenarien wie Teillastfahrten und stationärer Fahrt verlagert. NVH-Probleme sind systembedingte Herausforderungen. Mit steigenden Nutzeranforderungen entwickeln sich Lösungen für NVH-Probleme in elektrischen Antrieben von isolierten Korrekturen hin zu umfassenden Systemansätzen, die ein ausgewogenes Verhältnis von Kosten und Effizienz gewährleisten. Dazu gehören Strategien wie die Geräuschmaskierung für das Hintergrundgeräusch der Getriebestufe, die lokale akustische Gehäusekonstruktion und die frequenzspezifische Optimierung von Akustikmaterialien. Dank kontinuierlicher Fortschritte in der Fertigung von Getriebekomponenten sinkt der Geräuschpegel in Antriebssystemen stetig. Der Geräuschstandard für das Getriebesystem liegt bei einem durchschnittlichen Geräuschpegel in 1,5 m Entfernung; die prognostizierte Zielvorgabe ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Geräuschentwicklung des Prüfstands bei halber Last und vollem Drehmoment (Zeitraum: 2024–2027, 2027–2030): Einstiegsmodell: 70 dB(A), 68 dB(A); Mittelklasse- bis Oberklassemodelle: 65 dB(A), 60 dB(A). Tabelle 6: Durchschnittliche Geräuschentwicklung. Trends und Ziele der räumlichen Abmessungen: Um dem Bedarf an größerem Innenraum und Plattformlayout des Antriebsstrangs gerecht zu werden, muss dieser kompakt und regelmäßig geformt sein. Das Getriebe entwickelt sich daher schrittweise von der Parallelwellen- zur Planeten-Koaxialanordnung. Die Planetenanordnung bietet insbesondere in X-Richtung im Vergleich zu Parallelwellenkonfigurationen überlegene räumliche Abmessungen. Bei gleicher Ausgangsleistung kann die X-Achsen-Konfiguration den Platzbedarf um ca. 40 Einheiten reduzieren. Trends und Ziele bei Achsgetrieben: Um der Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben gerecht zu werden, steigen die Leistungsanforderungen an Getriebe stetig. ▶ Leichtbau: Mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen hin zu einem geringeren Gewicht werden auch Getriebe und Antriebssysteme hinsichtlich kleinerem Volumen und geringerer Masse optimiert. Strukturelle Innovationen, Zahnräder mit kleinem Achsabstand und Planetengetriebe sind zum Branchentrend geworden. ▶ Hocheffiziente Getriebe: Um die Reichweite und die Gesamtenergieeffizienz von Elektrofahrzeugen zu verbessern, werden hocheffiziente Zahnräder und Antriebssysteme hinsichtlich Wirkungsgrad, Übersetzungsverhältnis und Drehmomentdichte kontinuierlich optimiert. Hochgeschwindigkeits- und hochübersetzte Zahnräder sind im Trend. ▶ Hohe Anforderungen an NVH-Eigenschaften: Die Geräuschdämpfung ist entscheidend für den Fahrkomfort von Elektrofahrzeugen. Zahnräder mit hohen NVH-Eigenschaften sind zu einem wichtigen Kontrollkriterium bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugzahnrädern geworden. Die Konstruktionsdimensionen werden im Voraus festgelegt und umfassen eine mehrdimensionale Konstruktionskontrolle, die unter anderem die Zahnradstruktur, die Bearbeitung, die Montage, die Gehäusesteifigkeit, die Lagersteifigkeit, die Wellen-Zahn-Beziehung, die Gehäuse-Beziehung, die Antriebs-Beziehung, die Motor-Beziehung, die Vermeidung von Schwingungen, den Übertragungsweg und die Schallabstrahlung berücksichtigt. ▶ Werkstoffe und Fertigung: Hochleistungswerkstoffe wie hochfeste Stähle, moderne Legierungen, nichtmetallische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe finden zunehmend Anwendung. Die Präzisionsanforderungen an Zahnräder steigen stetig. Nationale Normen fordern eine Präzision der Güteklasse 5 oder höher, wobei einige Parameter sogar Güteklasse 4 oder höher erreichen. Ein umfassendes Kontrollsystem integriert Mensch, Maschine, Material, Methode und Umweltfaktoren in die Zahnradfertigung. Die strikte Abstimmung aller Bearbeitungsprozesse gewährleistet die Präzision über den gesamten Fertigungsprozess hinweg. Der Einsatz neuer Technologien wie Honen, Feinschleifen und Präzisionszahnradfertigung verbessert die Genauigkeit bei gleichbleibender Qualität. ▶ Aufgrund von Zahntoleranzen, Bearbeitungsfehlern, Montagefehlern usw. weist das Zahnrad neben der charakteristischen Ordnung weitere Eigenschaften auf. Daher ist die Kontrolle der Zahnradpräzision von entscheidender Bedeutung.
