Getriebe

Getriebe vs. Direktantrieb: eine Gegenüberstellung

Traktionsantriebe für On- und Off-Road Fahrzeuge können sowohl mit als auch ohne Getriebe ausgelegt werden, in der Praxis können beide Varianten sinnvoll sein. Folgender Text soll die jeweiligen Vor- und Nachteile veranschaulichen sowie konkrete Anwendungsbeispiele benennen, wann die Verwendung eines Getriebes in einem elektrischen Antriebsstrang vorteilhaft ist, bzw. wann ein Direktantrieb die bessere Wahl ist.

Die Aufgabe von Getrieben

Die Aufgabe von Getrieben besteht darin, die Motorenleistung an die Räder zu übertragen sowie diese zu untersetzen, um mehr Drehmoment und weniger Drehzahl zu erwirken. Im Vergleich zu Elektromotoren haben Verbrennungsmotoren im unteren Drehzahlbereich ein verhältnismäßig niedriges Drehmoment. Ohne ein Getriebe würde daraus z.B. zu wenig Kraftübertragung für das Anfahren, für Beschleunigungen und Steigungen resultieren. Neben dem Bestreben, eine bestmögliche Effizienz mit einem möglichst hohen Anteil im optimalen Drehzahlbereich zu erreichen, ist dies der Grund, weshalb bei Traktionsanwendungen mit Verbrennungsantrieben grundsätzlich Getriebe eingesetzt werden. Das Getriebe, welches den Motor mit dem Antriebsstrang verbindet, passt das Drehmoment an die jeweils abgerufene Lastsituation an. So kann die Motorenleistung effizient eingesetzt werden. An das Drehmoment, welches jedes Fahrzeug für Anfahren und Beschleunigen benötigt, sind auch die Gänge angepasst – so übersetzt das Getriebe im 1. Gang so viel, dass der Motor weder abstirbt noch überdreht. Dabei definiert die Getriebespreizung den Übersetzungsbereich des Getriebes, stellt also das Verhältnis zwischen den jeweiligen Gängen dar.

Weshalb ist es möglich, Elektroantriebe ohne Getriebe zu betreiben?

Der wesentliche Unterschied zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor besteht darin, dass bei einem Elektromotor bereits ab dem Anfahren das volle Drehmoment zur Verfügung steht – nahezu unabhängig von der Drehzahl. Dieser Vorteil des Elektromotors wird durch die von ARADEX entwickelten VECTOPOWER-Umrichter zusätzlich unterstützt. Das bedeutet, dass anders als bei Verbrennungsmotoren, das Getriebe für die Kraftübertragung nicht per se nötig ist. Dennoch kann es sinnvoll sein, auch elektrische Antriebstränge mit einem Getriebe auszustatten.

Getriebe und Direktantrieb

Sowohl die Verwendung eines Getriebes, als auch die Lösung über einen Direktantrieb bringen diverse Vor- und Nachteile mit sich, die im Einzelfall gegeneinander abgewogen werden müssen.

Direktantrieb

  • Keine erhöhten Verluste durch zusätzliche Komponente: Durch die direkte Verbindung vom Motor an die Kardanwelle können Probleme wie Reibungsverluste, Getriebespiel, Bewegungsungenauigkeiten oder Verschleiß umgangen werden, wodurch ein besserer Gesamtwirkungsgrad realisiert werden kann.
  • Kein zusätzlicher Wartungsaufwand für das Getriebe
  • Anschaffungspreis für Getriebe entfällt

Getriebe

  • der Motor kann kleiner und leichter dimensioniert werden
  • geringe Anschaffungskosten für den Motor, da dieser für weniger Drehmoment ausgelegt werden kann als bei einem Direktantrieb
  • die zusätzlich zur Feldschwächung vorhandene Getriebespreizung sorgt für mehr Drehmoment beim Anfahren und lässt höhere Endgeschwindigkeiten zu

Die aufgeführten Argumente können je nach Anwendung unterschiedlich stark ins Gewicht fallen. Somit ist für eine Beurteilung, ob Getriebe oder Direktantrieb die bessere Wahl ist, eine detailliertere Analyse der Anwendung erforderlich. Dabei gilt es unter den folgenden Varianten die anwendungsspezifisch sinnvollste Lösung zu ermitteln:

  • Radnabenmotor
  • Rad naher Motor (mit Untersetzung, 1-stufig)
  • Direktantrieb Kardanwelle und Achsdiffertial mit Untersetzung
  • zusätzliche feste Getriebestufe (Untersetzung oder Summiergetriebe)
  • schaltbares Getriebe

Feldschwächung in Elektroantrieben

Um die sogenannte Getriebespreizung nachzubilden, können sich Elektrofahrzeuge auch die sogenannte Feldschwächung zu Nutze machen. Bei der Feldschwächung handelt es sich um eine Methode, bei der durch Ströme im Stator der magnetische Fluss zwischen Rotor und Stator bewusst geschwächt wird, um so die Momentenkonstante zu verändern. Durch die Feldschwächung werden bei gleicher Klemmenspannung höhere Drehzahlen bei geringeren Drehmomenten ermöglicht. Somit ist die Feldschwächung in ihrer Funktion mit einem schaltbaren Getriebe vergleichbar und erlaubt eine wirtschaftliche Auslegung des Antriebsstrangs mit hohem Anfahrmoment sowie höheren Endgeschwindigkeiten.

Beispiele

Im Folgenden werden aus unseren Projekten exemplarisch drei Fahrzeugkategorien mit möglichen Antriebsauslegungen vorgestellt.

Beispiel 1: Nutzfahrzeug 7,5 Tonnen

Bei einem 7,5 Tonnen schweren Nutzfahrzeug, welches eine Steigungsfähigkeit von 18% und eine Höchstgeschwindigkeit von 88 km/h gewährleisten soll, wurde der Motor direkt an die Kardanwelle angeschlossen. Mit einem 150 kg schweren PM-Reluktanz-Hybrid Motor (VM600M-18W0115-2, max. Drehmoment: 1150 Nm) konnte ein Differential für die Übersetzung von i=4,5 genutzt werden. Auf diese Weise konnte ein hoher Wirkungsgrad realisiert werden. Mit dem Wechselrichter VP600-18W160-HP verfügt ARADEX auch über die passende Leistungselektronik für diesen Antriebsstrang.

Beispiel 2: Nutzfahrzeug 26 Tonnen

Bei einem 26-Tonner können zwei PM-Reluktanz-Hybrid Motoren (VM600M-28W0115) verwendet werden, die über ein Summiergetriebe gekoppelt sind, damit eine optimale Bauraumausnutzung erreicht wird. Die Steigungsfähigkeit liegt bei 18%, die Höchstgeschwindigkeit bei 88 km/h. Der so konstruierte Antrieb kommt mit einem Differential von bis zu i=5,1, während das Summiergetriebe zusätzlich eine Untersetzung von i=2,7 bietet. Das max. Drehmoment liegt so zusammen bei bis zu 30.500 Nm. Mit zwei Wechselrichtern vom Typ VP600-18W268 bietet ARADEX auch für diesen Antrieb die passende Leistungselektronik an.

Beispiel 3: Nutzfahrzeug 44 Tonnen

Bei einem 44 Tonnen schweren Nutzfahrzeug, welches eine Steigungsfähigkeit von bis zu 18% gewährleisten soll, wurde der Motor direkt an die Kardanwelle angeschlossen. Mit dem PM-Reluktanz-Hybrid Motor (VM600M-18W0700) konnte ein Differential für die Übersetzung von i=6,88 genutzt werden. Die passende Leistungselektronik für diesen Antriebsstrang bietet ARADEX mit dem Wechselrichtern vom Typ VP600-18W268 (bei diesem Fahrzeug zwei Wechselrichter erforderlich).

Fazit

Die Frage, ob Direktantrieb am Kardanstrang mit oder ohne zusätzliche Getriebe-Untersetzung, kann nicht pauschal beantwortet werden. Die Bewertung bedarf einer anwendungsspezifischen Betrachtung des Fahrzeuges, des Motors und des geplanten Lastprofils. Schließlich müssen die genannten Vor- und Nachteile gegeneinander abgewogen werden um entscheiden zu können, welche Faktoren für die jeweilige Anwendung von stärkerer Bedeutung sind.