Untersetzungsgetriebe und Getriebe in Elektroautos
Die meisten Elektroautos, die mit einem „Einganggetriebe“ beworben werden, enthalten dennoch Zahnräder. Eine feste Untersetzung wandelt die hohe Drehzahl des Motors in eine niedrigere Raddrehzahl und ein höheres Raddrehmoment um; nur ein echter Direktantrieb oder ein Radnabenantrieb kann auf diese Untersetzungsstufe verzichten.
Warum ein Elektroauto eine Untersetzung benötigt
Traktionsmotoren können mit vielen Tausend Umdrehungen pro Minute arbeiten, während sich ein Straßenrad wesentlich langsamer dreht. Ein Untersetzungsverhältnis ermöglicht es einem kompakten, schnell laufenden Motor, in einem günstigen Bereich seines Drehzahl- und Wirkungsgradkennfelds zu arbeiten.
Ohne Berücksichtigung von Reifenverformung, Differentialwirkung und Verlusten gilt:
Raddrehmoment ≈ Motordrehmoment × Untersetzungsverhältnis × Wirkungsgrad des Antriebsstrangs
Eine Untersetzung von 9:1 vervielfacht das Wellendrehmoment nach den mechanischen Verlusten daher um etwas weniger als den Faktor neun. Zugleich dreht sich der Motor bei einer Radumdrehung ungefähr neunmal. Eine Untersetzung erzeugt keine Leistung; sie tauscht Drehzahl gegen Drehmoment.
Feste Eingang-Untersetzungen
Bei Pkw mit Elektroantrieb ist ein festes Übersetzungsverhältnis pro angetriebener Achse die übliche Lösung. Der Rädersatz kann aus einer oder zwei Untersetzungsstufen mit Schräg- oder Stirnrädern, einer Planetenstufe oder einer Kombination daraus bestehen. Der Motor kann koaxial oder parallel zur Achse angeordnet sein, was sich auf die Anzahl der Wellen, die Lagerbelastungen, die Bauform und die Zahnradgeometrie auswirkt.
Eine feste Übersetzung vermeidet Schaltaktuatoren und Zugkraftunterbrechungen. Elektromotoren können aus dem Stillstand anlaufen, elektrisch die Drehrichtung wechseln und über einen breiten Bereich mit konstantem Drehmoment und konstanter Leistung arbeiten. Daher benötigen die meisten Elektroautos nicht die vielen Übersetzungsstufen, mit denen ein Verbrennungsmotor in seinem schmalen effizienten Drehzahlband gehalten wird.
„Ein Gang“ beschreibt die Anzahl der wählbaren Übersetzungen, nicht die Anzahl der Zahneingriffe. Auch ein zweistufiges festes Untersetzungsgetriebe ist ein Einganggetriebe.
Wahl der Übersetzung
Eine kürzere Gesamtuntersetzung — also ein numerisch größeres Verhältnis — erhöht das Raddrehmoment beim Anfahren und an Steigungen, lässt den Motor jedoch bei jeder Fahrgeschwindigkeit schneller drehen. Die maximale Motordrehzahl kann dann die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs begrenzen, während eine hohe elektrische Frequenz die Eisen-, Wechselrichter-, Luftreibungs- und Lagerverluste erhöhen kann.
Eine längere Übersetzung senkt bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit die Motordrehzahl und kann eine höhere Endgeschwindigkeit ermöglichen, erfordert für dieselbe Kraft am Rad aber mehr Motordrehmoment und Strom. Dadurch können die Kupfer- und Wechselrichterverluste steigen und ein größerer Motor erforderlich werden.
Ingenieure legen die Übersetzung gemeinsam mit dem Abrollradius der Reifen, der Fahrzeugmasse, der Steigfähigkeit, dem angestrebten Anhängebetrieb, der Höchstgeschwindigkeit, der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie und dem Wirkungsgradkennfeld des Motors, der Spannung, dem Wechselrichterstrom, der Kühlung und dem Geräuschverhalten fest. Auch ein anderer Rad- oder Reifendurchmesser verändert die wirksame Gesamtübersetzung zur Straße.
Das Differential
Ein herkömmliches offenes Differential lässt das linke und das rechte Rad in einer Kurve mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen und überträgt über seine Ausgleichsräder im Wesentlichen das gleiche Drehmoment. Es garantiert keine gleiche Leistung. Hat ein Rad nur sehr wenig Haftung, kann das gleiche Drehmoment an beiden Achswellen die nutzbare Antriebskraft begrenzen.
Ein Sperrdifferential oder ein elektronisch geregeltes Differential kann das Drehmoment mechanisch unterschiedlich verteilen. Eine bremsenbasierte Traktionsregelung kann ein durchdrehendes Rad abbremsen. Bei einer Achse mit zwei unabhängigen Motoren lassen sich das linke und rechte Drehmoment elektrisch regeln; sie benötigt jedoch weiterhin Untersetzungsgetriebe und kann getrennte Endantriebe verwenden.
Mehrganggetriebe für Elektroautos
Eine zweite wählbare Übersetzung kann einen kurzen Anfahrgang mit einem längeren Gang für hohe Geschwindigkeiten verbinden. Mögliche Vorteile sind ein höheres Raddrehmoment ohne überdimensionierten Motor, ein größerer Höchstgeschwindigkeitsbereich und die Möglichkeit, Betriebspunkte in einen effizienteren Bereich des Motorkennfelds zu verschieben.
Der Porsche Taycan ist ein Beispiel aus der Serienproduktion. Seine Hinterachse nutzt einen kurzen ersten Gang für hohe Anfahrleistung und einen längeren zweiten Gang für Effizienz bei hoher Geschwindigkeit und Leistungsreserven, während die Vorderachse eine feste Eingang-Untersetzung verwendet.
Die zweite Übersetzung bringt außerdem zusätzliche Zahnräder, Lager, Kupplungen oder Klauenelemente, einen Aktuator, eine Steuerung, höheren Schmierbedarf, mehr Masse und Kosten, Abstimmungsaufwand für die Schaltvorgänge und mögliche Zugkraftunterbrechungen mit sich. Ein drehzahlfesterer Motor mit nur einer festen Übersetzung kann auf Fahrzeugebene günstiger und effizienter sein. Deshalb bleiben Mehrganggetriebe bei elektrischen Pkw die Ausnahme und sind nicht die Regel.
Entkopplungen und Antriebseinheiten mit mehreren Motoren
Ein Elektroauto mit Allradantrieb kann bei gleichmäßiger Fahrt einen inaktiven zweiten Motor mitführen. Eine Trennkupplung kann diesen Motor und einen Teil seines Rädersatzes von den Rädern entkoppeln und so elektromagnetische Verluste sowie Lager-, Dichtungs- und Ölplanscherverluste reduzieren. Nachteile sind die Komplexität des Aktuators, die Einkuppelzeit, zusätzliches Gewicht und ein weiterer Mechanismus mit hohen Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit.
Ein Asynchronmotor lässt sich häufig mit geringer elektromagnetischer Schleppwirkung stromlos schalten, wodurch eine mechanische Entkopplung weniger notwendig wird. Ein Permanentmagnetmotor erzeugt weiterhin einen Rotorfluss, doch eine sorgfältige Wechselrichterregelung und eine verlustarme Getriebeauslegung können einen praktischen Betrieb ohne Drehmoment ermöglichen.
Wirkungsgrad, Schmierung und Geräusche
Getriebeverluste entstehen durch Gleiten und Abrollen der Zahnflanken, in Lagern und Dichtungen, durch das Planschen im Öl, in Pumpen und durch die Bewegung des Differentials. Der Wirkungsgrad variiert mit Drehzahl, Drehmoment, Öltemperatur, Ölstand, Zahnflankenqualität, Lagervorspannung und Schmierverfahren. Der angegebene Bestpunkt-Wirkungsgrad eines Getriebes entspricht nicht den Verlusten über einen gesamten Fahrzyklus.
Hohe Motordrehzahlen verschieben die Zahneingriffsfrequenzen in akustisch empfindliche Bereiche. Zahnflanken-Mikrogeometrie, Übersetzungswahl, Steifigkeit von Wellen und Gehäuse, Lagerabstützung, Rotorwuchtung und Wechselrichterharmonische beeinflussen allesamt das im Innenraum wahrnehmbare Heulen. Ein leiseres Zahnrad kann Kompromisse bei Kontaktspannung, Fertigungskosten oder Wirkungsgrad erfordern.
Das Öl muss Zähne und Lager schützen, ohne übermäßige Planschverluste zu verursachen. Einige integrierte Antriebseinheiten nutzen eine elektrische Pumpe und eine Trockensumpfschmierung, um das Öl gezielt an die benötigten Stellen zu fördern, ohne die rotierenden Zahnräder tief einzutauchen.
Drehmomentangaben richtig einordnen
Das Motordrehmoment wird vor der Untersetzung gemessen, das Achs- oder Raddrehmoment danach. Die Multiplikation des Motordrehmoments mit einem großen Übersetzungsverhältnis ergibt eine hohe Zahl für das Raddrehmoment. Leistung und Beschleunigung bleiben jedoch durch Motordrehzahl, Batterieleistung, Wechselrichtergrenzen, Reifenhaftung, Fahrzeugmasse und Verluste begrenzt.
Prüfen Sie den Messpunkt, ob es sich um einen Spitzen- oder Dauerwert handelt, ob die Angabe eine Achse oder das gesamte Fahrzeug betrifft und ob sich die Übersetzung zwischen den Gängen ändert. Ohne diese Details sind Drehmomentangaben verschiedener Elektroautos nicht direkt vergleichbar.
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