1. Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsgetriebe ▶ Aktuelle Situation: Hochgeschwindigkeitsgetriebe werden in Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer Fähigkeit zur stabilen Kraftübertragung bei hohen Drehzahlen häufig eingesetzt. Ihre Anwendung umfasst verschiedene Aspekte wie Materialauswahl, Konstruktion, Fertigung und Schmierung. Die Getriebedrehzahl in Elektrofahrzeugen 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 Hochgeschwindigkeitsgetrieben hat höhere Anforderungen an Konstruktion, Materialauswahl und Fertigung gestellt, insbesondere hinsichtlich Lebensdauer, Schmierung, Wärmeableitung und NVH (Geräusche, Vibrationen und Rauheit). ▶ Herausforderung: Zuverlässigkeit: Der Betrieb mit hohen Drehzahlen beschleunigt die Zahnoberflächenermüdung, Reibermüdung und Spannungskonzentration, was zu vorzeitigem Getriebeausfall führt. Aktuell werden Werkstoffe wie 20MnCr5 für Getriebe ausgewählt, die eine höhere Festigkeit, bessere Zähigkeit sowie überlegene Wärmebehandlung und Verarbeitbarkeit bieten. Schmierung und Wärmeableitung: Bei hohen Drehzahlen erfahren Zahnräder höhere Umfangsgeschwindigkeiten. Dies führt zu erhöhter Wärmeentwicklung beim Eingriff und behindert die Ölfilmbildung, wodurch das Risiko von Zahnradausfällen steigt. 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 von Elektroantrieben, 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 Drehzahlen erhöhen die Komplexität der NVH-Regelung erheblich. Dies stellt Herausforderungen an die Steuerung der Zahnradanregung und der Fahrzeugantriebswege und erfordert eine abgestimmte Auslegung der Geräuschdämpfungssysteme für Elektroantrieb und Fahrzeug sowie die 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 gehören Akustikpakete mittlerweile zum Standard in elektrischen Antriebssystemen. Zahnradfertigung: Die Präzisionsanforderungen an Zahnräder steigen stetig. 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 kontinuierlich, die maximale Drehzahlgrenze wird schrittweise erhöht und die Grenze des Übersetzungsverhältnisses erweitert. Im Hinblick auf Fahrzeugbeschleunigung und Wirtschaftlichkeit des elektrischen Antriebs kann eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses das Drehmoment an den Rädern des Fahrzeugs schnell steigern und gleichzeitig das Motorvolumen reduzieren, um die Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Mit steigender Spitzendrehzahl des Motors von über 20.000 U/min steigt auch das Übersetzungsverhältnis kontinuierlich an. Beispielsweise hat Huichuan Serienfertigungsprojekte mit einem Übersetzungsverhältnis > 12, und Huawei hat Serienfertigungsprojekte mit einem Übersetzungsverhältnis > 13. Konstruktionen mit Übersetzungsverhältnissen über 13 werden zunehmend zum Standard. ▶ Herausforderung angenommen: Der Einsatz von Hochgeschwindigkeitsgetrieben stellt höhere Anforderungen an die Getriebeleistung und -fertigung. NVH-Verhalten: Hochgeschwindigkeitsgetrieben erzeugen typischerweise mehr Geräusche und Vibrationen, was ihre Konstruktion, Materialauswahl und Fertigung zu größeren technischen Herausforderungen macht. Hinsichtlich der Zuverlässigkeit müssen Hochgeschwindigkeitsgetrieben höhere Drehmomente und Drehzahlen aushalten, und die lineare Eingriffsgeschwindigkeit ist ebenfalls höher, was strengere Anforderungen an die Zuverlässigkeitskennwerte für Biegung und Kontakt stellt. Material: Mit steigender Drehzahl und steigendem Drehmoment müssen auch die Eigenschaften des Getriebematerials verbessert werden, wobei Festigkeit und Verschleißfestigkeit berücksichtigt werden müssen. In der Fertigung reagieren Hochgeschwindigkeitsgetrieben empfindlicher auf die Eingriffsbelastung, was eine höhere Präzision und Konsistenz erfordert. Hohe NVH-Anforderungen an Getriebe ▶ Aktuelle Situation: Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren reagieren Elektrofahrzeuge 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. Getriebe-NVH trägt maßgeblich zum gesamten NVH-Verhalten des Fahrzeugs bei. Da Hochgeschwindigkeitsgetriebe und Getriebe mit hohen Übersetzungen immer häufiger eingesetzt werden, hat sich die Bewältigung der NVH-Herausforderungen in Getrieben zur obersten Priorität der Industrie entwickelt. ▶ Herausforderung annehmen: Getriebe-NVH umfasst verschiedene Aspekte wie Getriebe, Elektroantrieb, Fahrgestell und das gesamte Fahrzeug. Es handelt sich um einen systematischen Kontrollindex mit einem großen Bereich und hoher Komplexität in der Steuerung. Bereits zu Beginn der Konstruktion sollten Risiken im Hinblick auf die Dimensionen der Zahnradkonstruktion, -fertigung und des Kraftwegs identifiziert und im Voraus kontrolliert werden. Bei der Zahnradkonstruktion betrifft das NVH-Verhalten (Geräusche, Vibrationen und Rauheit) von Wellenzahnrädern viele Bereiche, wie z. B. die Zahnradkonstruktion selbst, die Bearbeitung, die Montage, die Steifigkeit der Gehäuselagerung, die Lagersteifigkeit, den Wellenzahnradmodus, den Gehäusemodus, den elektrischen Antriebsmodus, den Motormodus, den Kraftübertragungsweg, die 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 der Rohlingsfertigung bis hin zur Wärmebehandlung, Oberflächenbearbeitung und dem Zahnradschleifen. Jeder Prozess erfordert eine präzise Parameteroptimierung, was die Fertigung zusätzlich verkompliziert. Eine umfassende Überwachung ist unerlässlich für NVH-kritische Parameter wie Zahnprofilorientierung, kumulativer Rundlauf, Oberflächenrauheit, Fourier-Analyse, Zahnoberflächenwelligkeit, dreidimensionales Profil, dynamische Auswuchtung und Schleifmuster.
