Ein schwerer Lkw, der voll beladen ein Depot verlässt, stellt ganz andere Anforderungen an seinen Antriebsstrang als derselbe Lkw, der eine Stunde später mit Autobahngeschwindigkeit fährt. Beim Anfahren ist das Drehmoment an den Rädern entscheidend. Auf einer langen, gleichmäßigen Strecke wird es zunehmend wichtiger, den Motor in einem optimalen Betriebsbereich zu halten. Der Versuch, beide Enden dieses Arbeitszyklus mit einem festen Untersetzungsverhältnis abzudecken, kann an anderer Stelle im Antriebsstrang Kompromisse erzwingen. Eine mehrstufige E-Achse bietet Ingenieuren eine weitere Option, erfordert aber auch mehr Hardware, Kalibrierungsaufwand und eine komplexere Schaltsteuerung. Die entscheidende Frage ist daher nicht, ob zwei Gänge besser sind als einer. Vielmehr geht es darum, ob das Fahrzeug in einem ausreichend breiten Bereich arbeitet, damit das zusätzliche Übersetzungsverhältnis ein tatsächliches Problem löst.
Warum ist ein einheitliches Übersetzungsverhältnis bei Anwendungen mit hoher Beanspruchung problematisch?
Das Untersetzungsverhältnis beeinflusst sowohl das Drehmoment am Rad als auch die Motordrehzahl. Ein kürzeres Übersetzungsverhältnis erhöht die Drehmomentverstärkung am Rad, was beim Anfahren oder Bergauffahren eines beladenen Lkw von Vorteil ist. Der Nachteil zeigt sich jedoch später: Bei höheren Geschwindigkeiten kann dasselbe Übersetzungsverhältnis dazu führen, dass der Motor unnötig schnell dreht.
Eine höhere Übersetzung verschiebt den Kompromiss in die andere Richtung. Der Autobahnbetrieb mag den Motor entlasten, doch Anfahrverhalten und Steigfähigkeit müssen erneut geprüft werden. Ein größerer Motor kann dies mitunter ausgleichen, allerdings kann dies zusätzliches Gewicht, einen höheren Platzbedarf, einen höheren Kühlungsbedarf und höhere Kosten mit sich bringen.
Bei Nutzfahrzeugen werden diese Kompromisse selten nur an einem einzigen Betriebspunkt beurteilt. Ein Logistik-Lkw kann ein Terminal verlassen, durch den Stadtverkehr fahren, auf eine Autobahn auffahren, eine Steigung überwinden und mehrere Stunden mit Reisegeschwindigkeit unterwegs sein, bevor er wieder in den Langsamfahrbetrieb zurückkehrt. Das Verhältnis muss für die gesamte Strecke geeignet sein.
Besprechen Sie zunächst die Route, bevor Sie über die Ausrüstung sprechen.
Die ersten nützlichen Eingangsgrößen sind daher Fahrzeug- und Streckendaten: Gesamtgewicht des Fahrzeugs, Antriebsachslast, Reifengröße, erforderliche Anfahrleistung, Steigfähigkeit, Höchstgeschwindigkeit, typische Reisegeschwindigkeit und der Anteil der Zeit, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen verbracht wird.
Dies ist wichtig, da „Schwerlastlogistik“ keinem einheitlichen Betriebszyklus entspricht. Ein regionaler Lieferwagen mit häufigen Beschleunigungsvorgängen hat andere Anforderungen als eine Sattelzugmaschine, die den Großteil ihres Arbeitstages auf der Autobahn verbringt. Bevor die Architektur eingeschränkt wird, können Ingenieure daher breitere Ansätze verfolgen. Informationen zur elektrischen Antriebstechnik um zu verstehen, wie der Antriebsstrang als System in das Fahrzeug integriert werden soll.
Wo kann eine mehrstufige E-Achse den Kompromiss beseitigen?
Eine Mehrgangschaltung ermöglicht dem Antriebsstrang mehrere mechanische Beziehungen zwischen Motordrehzahl und Raddrehzahl. In der Praxis kann ein niedrigeres Übersetzungsverhältnis genutzt werden, wenn ein höheres Drehmoment an den Rädern benötigt wird, während ein anderes Übersetzungsverhältnis den Betrieb bei höheren Fahrgeschwindigkeiten unterstützt, ohne den Motor dauerhaft im Hochdrehzahlbereich zu halten.
Das klingt einfach, doch der Nutzen hängt davon ab, wie oft die einzelnen Übersetzungsverhältnisse tatsächlich erforderlich sind. Die Hinzufügung einer zweiten Geschwindigkeit, um eine Situation zu bewältigen, die nur wenige Sekunden während der gesamten Strecke auftritt, rechtfertigt möglicherweise nicht die zusätzliche Getriebehardware. Anders sieht es aus, wenn das Fahrzeug regelmäßig zwischen Anfahrvorgängen unter hoher Last und langen Hochgeschwindigkeitsabschnitten wechselt.
Denken Sie in Betriebszonen, nicht in Spitzenwerten.
Die maximale Motorleistung ist zwar ein leicht vergleichbarer Wert, aber allein keine gute Grundlage für die Wahl des Übersetzungsverhältnisses. Zwei Systeme mit ähnlichen Spitzenwerten können sich deutlich unterschiedlich verhalten, sobald Motordrehzahl, Raddrehmoment, Dauerleistung und Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt werden.
Eine praktische Überprüfung beginnt üblicherweise mit einigen repräsentativen Fällen:
| Fahrzeugzustand | Was muss überprüft werden? |
|---|---|
| Volllaststart | Verfügbares Raddrehmoment |
| Kontinuierliche Note | Kontinuierliches Drehmoment und thermischer Zustand |
| Städtische Beschleunigung | Betriebsbereich des Motors und Schaltfrequenz |
| Autobahnfahrt | Motordrehzahl bei normaler Straßengeschwindigkeit |
| Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs | Motordrehzahlreserve |
| Langzeitbetrieb | Kontinuierliche Systemfähigkeit |
Diese Übung deckt das eigentliche Problem oft schnell auf. Wenn ein Übersetzungsverhältnis alle diese Fälle mit ausreichendem Spielraum abdeckt, bringt ein weiterer Gang kaum Vorteile. Wenn die Anforderungen beim Anfahren ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis erfordern, während der Autobahnbetrieb eindeutig ein anderes bevorzugt, spricht vieles für ein Mehrganggetriebe.
OEM-Teams, die Antriebsstrangansätze vergleichen, können sich auch auf bestehende Systeme beziehen. Einblicke in die Nutzfahrzeugbranche bei der Überprüfung der Anwendung von E-Achsen-Architekturen in Nutzfahrzeugen.
Was sollten OEMs neben dem Anlaufdrehmoment noch überprüfen?
Das Anfahrverhalten erregt oft Aufmerksamkeit, da es bei einer Fahrzeugprüfung leicht zu spüren ist. Im Flottenbetrieb ist jedoch das Verhalten des Lkw nach dem Anfahren genauso wichtig.
Kontinuierliches Drehmoment erfordert besondere Aufmerksamkeit. Ein Motor kann zwar kurzzeitig ein hohes Spitzendrehmoment liefern, doch die Leistung bei längeren Steigungen oder wiederholten Beschleunigungsphasen hängt von der thermischen Belastbarkeit des Antriebssystems ab. Kühlung, Motortemperatur, Wechselrichtergrenzen, Wärmemanagement des Antriebsstrangs, Nachweis der Dauerfestigkeit und die Dauer der Belastung spielen dabei eine wichtige Rolle.
Dasselbe gilt für die Effizienz. Ein angegebener maximaler Wirkungsgrad sagt wenig darüber aus, wie viel Zeit das Fahrzeug tatsächlich in der Nähe dieses Betriebspunktes verbringt. Ingenieure müssen wissen, wo der Motor während der wirtschaftlich relevanten Strecke laufen wird.
Ein Autobahnfahrzeug kann eine ungünstige Übersetzungsverhältniswahl aufdecken.
Betrachten wir einen Lkw, der den Großteil seiner täglichen Fahrstrecke mit konstanter Geschwindigkeit zurücklegt. Wurde sein festes Übersetzungsverhältnis hauptsächlich gewählt, um ein hohes Anfahrdrehmoment zu gewährleisten, kann der Motor über Stunden mit relativ hoher Drehzahl laufen. Selbst ein geringfügiger Leistungsverlust wird bei Langstreckenfahrten deutlich bedeutsamer als auf kurzen Stadtstrecken.
Eine mehrstufige E-Achse mag den optimalen Betriebspunkt auf der Autobahn verändern, doch das Gesamtsystem muss weiterhin bewertet werden. Zahnradeingriffe, Lager, Schmierung, Aktuatoren und Schaltvorgänge verursachen eigene Verluste und Anforderungen. Der richtige Vergleich erfolgt daher anhand des Verhaltens des gesamten Antriebsstrangs im tatsächlichen Betriebszyklus und nicht zwischen „einem Gang“ und „zwei Gängen“ als isolierten Konzepten.
Aus diesem Grund sollten Käufer von den Lieferanten auch Gespräche über den Betriebsbereich verlangen und sich nicht nur auf ein Datenblatt mit maximalem Drehmoment und maximaler Leistung beschränken.
Wie stark sollte sich das Veränderungsverhalten auf die Entscheidung auswirken?
Sobald ein zweites Übersetzungsverhältnis hinzukommt, wird der Schaltvorgang selbst Teil der Antriebsleistung. Nutzfahrzeuge müssen unter Umständen auch bei hoher Zuladung die Übersetzungsverhältnisse ändern, daher ist die Schaltqualität untrennbar mit der Drehmomentübertragung verbunden.
Es geht nicht nur darum, ob ein Gangwechsel schnell erfolgt. Die Ingenieure müssen auch untersuchen, was mit dem Antriebsmoment während des Übersetzungswechsels geschieht, ob das Fahrzeug eine spürbare Unterbrechung erfährt, wie sich das Einlegen der Gänge unter Last verhält und wie häufig die Gangwechsel auf der Zielstrecke stattfinden.
Eine aggressive Fahrweise kann die Renndauer verkürzen, stellt aber höhere Anforderungen an das Getriebe. Eine konservative Fahrweise ist zwar mechanisch schonender, aber weniger geeignet, wenn das Fahrzeug eine unterbrechungsfreie Zugkraft benötigt. Beide Ansätze lassen sich nur im Vergleich zu anderen Fahrzeugen beurteilen.
Teste die unangenehmen Bedingungen
Die Prototypenentwicklung sollte auch Situationen umfassen, die weniger komfortabel sind als eine ebene, unbelastete Teststrecke. Beschleunigung unter Last, Einfahrt in Steigungen, wiederholtes Hoch- und Runterschalten, Änderungen der Gaspedalstellung und Langzeitfahrten geben wesentlich mehr Aufschluss über die Eignung eines Mehrgang-Layouts.
Die Schaltkennlinien müssen auch für die jeweilige Anwendung sinnvoll sein. Wenn das System ständig zwischen verschiedenen Übersetzungen wechselt, weil der normale Betriebspunkt nahe einer Schaltgrenze liegt, sollte die Kalibrierung überprüft werden. Ein Getriebe, das auf dem Papier effizient erscheint, kann störend oder ineffizient werden, wenn es ständig zwischen den Gängen hin und her schaltet.
Veröffentlichte Informationen zu CDTL-Anwendungen für schwere Lkw zeigen, dass verteilte Antriebssysteme Schaltsteuerungsstrategien integrieren können, die die Kraftübertragung während der Gangwechsel aufrechterhalten. Für OEMs ist die allgemeine Erkenntnis nützlich: Getriebehardware und Schaltsteuerung sollten gemeinsam betrachtet und nicht separat erworben werden.
Wann lohnt sich die Anschaffung einer E-Achse mit mehreren Geschwindigkeiten tatsächlich?
Es gibt keinen technischen Grund, ein zusätzliches Gangsystem einzubauen, nur weil ein Mehrgangsystem fortschrittlicher klingt. Wenn ein einziges Übersetzungsverhältnis bereits die Anforderungen für Start, Steigflug, Reisegeschwindigkeit und Höchstgeschwindigkeit innerhalb akzeptabler Motor- und Temperaturgrenzen abdeckt, ist Einfachheit von Vorteil.
Ein besonders dringlicher Fall tritt auf, wenn das Fahrzeug durch seinen Fahrzyklus in zwei Richtungen beansprucht wird. Ein hohes Anfahrdrehmoment unter Last kann ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis erfordern, während für Langstreckenfahrten eindeutig ein anderer Drehzahlbereich des Motors von Vorteil ist. Genau solche wiederkehrenden Konflikte sollen durch die flexible Übersetzungsanpassung gelöst werden.
Die endgültige Entscheidung sollte mehr als nur den Energieverbrauch berücksichtigen. Platzbedarf, Getriebemasse, Steuerungsaufwand, Langlebigkeit, Wartungsfreundlichkeit, Produktionskosten und Kalibrierungsaufwand gehören in dieselbe Betrachtung. Ein geringfügiger Gewinn an einem einzelnen Betriebspunkt rechtfertigt kaum die Komplexität des gesamten Fahrzeugprogramms; ein wiederholter Gewinn über Tausende von Betriebsstunden ist hingegen eine andere Sache.
Vergleichen Sie den Nutzen auf Fahrzeugebene, nicht die Anzahl der Geschwindigkeiten.
Eine hilfreiche Herangehensweise an die Entscheidung besteht darin, zu fragen, welches Problem sich durch Hinzufügen des zweiten Übersetzungsverhältnisses löst. Muss der Motor für den Anfahrvorgang nicht mehr überdimensioniert sein? Liegt die Motordrehzahl bei Autobahngeschwindigkeit in einem geeigneteren Bereich? Erfüllt das Fahrzeug die Steigfähigkeit, ohne die gewünschten Fahreigenschaften einzubüßen?
Ist die Antwort unklar, bedarf die Architektur wahrscheinlich weiterer Analysen. Zeigen die Fahrzeugdaten wiederholt denselben Konflikt, deutet dies deutlich auf eine technische Ursache hin.
Vor der Veröffentlichung der Angebotsanfrage (RFQ) ist es sinnvoll, den Lieferanten die tatsächlichen Fahrzeugparameter mitzuteilen, anstatt nach einer generischen E-Achse mit mehreren Geschwindigkeiten zu fragen: beladene Masse, Achslast, Reifenradius, angestrebte Anfahrleistung, Steigungsanforderung, Reisegeschwindigkeit, Höchstgeschwindigkeit, Streckenprofil, Kühlbedingungen und erwartetes jährliches Betriebsmuster.
Technische Unterstützung für E-Achsen-Projekte
Wenn die Wahl des Übersetzungsverhältnisses gleichzeitig Auswirkungen auf die Motordimensionierung, die thermischen Grenzen, das Schaltverhalten und die Gesamtleistung des Fahrzeugs hat, geht das Projekt über einen einfachen Komponentenvergleich hinaus. Hangzhou Contemporary e-Drive Technology Co.,Ltd. Das Unternehmen arbeitet an verteilten elektrischen Antriebssystemen und deren Integration auf Fahrzeugebene für Nutzfahrzeuge mit alternativen Antrieben. Für Projekte im Bereich Schwerlastlogistik können OEM-Teams die verteilte elektrische Antriebsachse EA5000N über das Unternehmen prüfen. Anwendungsinformationen für Schwerlastlogistik und diskutieren Sie Motorkonfiguration, Übersetzungsverhältnis, Schaltsteuerung, Achslast, Streckenprofil, Einbaubedingungen und Anforderungen an den Dauerbetrieb im Hinblick auf das reale Fahrzeug, anstatt den Antriebsstrang anhand einer einzigen Leistungskennzahl auszuwählen.
Abschluss
Eine mehrstufige E-Achse ist dann sinnvoll, wenn ein festes Übersetzungsverhältnis wiederholt einen Konflikt zwischen dem Drehmoment an den Rädern bei niedrigen Drehzahlen und dem Betrieb bei höheren Drehzahlen verursacht. Dieser Konflikt muss anhand von Fahrzeugdaten nachgewiesen werden und darf nicht allein aus der Getriebeauslegung abgeleitet werden. Anfahrvorgänge unter Last, Steigungen, Motordrehzahl im Teillastbereich, Dauerleistung, thermisches Verhalten und Schaltqualität erfordern besondere Aufmerksamkeit, bevor die Architektur endgültig festgelegt wird. Für OEMs stellt sich die entscheidende Frage: Behebt das zusätzliche Übersetzungsverhältnis eine tatsächliche Einschränkung des Arbeitszyklus so deutlich, dass die erhöhte Systemkomplexität gerechtfertigt ist?
Häufig gestellte Fragen
1. Warum könnte ein Schwerlast-Elektrofahrzeug mehr als ein elektrisches Achsübersetzungsverhältnis benötigen?
Ein zweites Übersetzungsverhältnis kann hilfreich sein, wenn ein hohes Drehmoment an den Rädern bei niedrigen Drehzahlen und ein effizienter Betrieb bei höheren Drehzahlen widersprüchliche Anforderungen an ein einzelnes festes Untersetzungsverhältnis stellen.
2. Spart eine mehrstufige E-Achse immer Energie?
Nein. Das Ergebnis hängt vom Arbeitszyklus, den Motorbetriebspunkten, den Getriebeverlusten, der Schaltfrequenz, den thermischen Bedingungen und der Zeitdauer ab, die das Fahrzeug in jedem Übersetzungsverhältnis verbringt.
3. Welche Fahrzeugdaten sind vor der Auswahl der Getriebeübersetzungen am wichtigsten?
Zu den wichtigsten Eingangsgrößen zählen das zulässige Gesamtgewicht des Fahrzeugs, die Achslast, die Reifengröße, die erforderliche Anfahrleistung, die Steigfähigkeit, die Reisegeschwindigkeit, die Höchstgeschwindigkeit, der Betriebsbereich des Motors und das Streckenprofil.
4. Warum sollten OEMs das kontinuierliche Drehmoment und nicht nur das Spitzendrehmoment betrachten?
Das maximale Drehmoment beschreibt die Leistungsfähigkeit über kurze Zeiträume. Lange Steigungen, wiederholte Beschleunigungen und anhaltender Betrieb unter hoher Belastung hängen stärker von der kontinuierlichen Leistung und der thermischen Leistungsfähigkeit ab.
5. Was sollte an einer Mehrgang-E-Achse vor der Serienproduktion getestet werden?
Bei der Validierung auf Fahrzeugebene sollten unter anderem folgende Aspekte berücksichtigt werden: Anfahren unter Last, Bergauffahren, Autobahnfahrten, wiederholtes Schalten, Drehmomentkontinuität, thermisches Verhalten, Motordrehzahl und Langzeitbetrieb.