Innovationen bei elektrischen Antriebssystemen, gestützt durch jahrzehntelange Erfahrung

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Innovationen bei elektrischen Antriebssystemen, gestützt durch jahrzehntelange Erfahrung

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind nichts Neues. In den 1890er und frühen 1900er Jahren waren Elektroautos in Europa und in den USA beliebt, weil sie sauberer, geräuschärmer und leichter zu starten waren als Autos mit Verbrennungsmotor. Selbst als Benzinfahrzeuge den Verbrauchermarkt eroberten, wurden elektrische Eisenbahnen und elektrische Lastkraftwagen weiterhin zum Transport von Kohle aus Bergwerken und zur Beförderung von Personen in U-Bahnen eingesetzt. Elektrische Zugmaschinen, Schlepper und Hubwagen halten Fabriken und Auslieferungslager weltweit am Laufen.

Heutzutage sind die zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels und Fahrverbote für mit fossilen Brennstoffen betriebene Fahrzeuge Treiber für Investitionen in elektrisch angetriebene Autos, Lkws und Busse. Weltweit wurden im Jahr 2017 125.000 elektrische Nutzfahrzeuge produziert. Ein Bericht des Marktforschers “Research and Markets” prognostiziert mehr als 1,8 Mio. Fahrzeuge bis zum Jahr 2025.

In den USA, wo Online-Shopping drastisch zugenommen hat, setzen Lieferfirmen mittelschwere Elektro-Lkws und Elektro-Kleintransporter ein, um die Nachfrage nachhaltig zu decken. In China tendieren Verbraucher aufgrund starker staatlicher Anreize und eines relativ geringen Anteils an Autobesitzern eher zu Elektrofahrzeugen. Dort werden alle fünf Wochen 9.500 neue Elektrobusse in Verkehr gebracht – so viel wie die gesamte Busflotte Londons.

Die Herausforderung beim Elektroantrieb

Der Markt für Elektrofahrzeuge ist jedoch noch längst nicht ausgereift. Antriebslösungen für Elektrofahrzeuge der 1. Generation gibt es immer noch wie Sand am Meer, und Jungunternehmen wetteifern mit etablierten Herstellern um eine Marktposition. Zulieferer bemühen sich, diese Entwicklungen nicht aus den Augen zu verlieren, damit sie schnell reagieren können, wenn die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt.

Die große Herausforderung sind nach wie vor die Batterien. Für Lithiumbatterien erwarten Experten für die nächsten 10 Jahre unverändert hohe Kosten. Um eine höhere Kilometerleistung pro Batterieladung zu erzielen, suchen Hersteller nach leistungsdichten, kraftstoffsparenden Lösungen für den Antriebsstrang, damit leichtere Fahrzeuge mit mehr Platz für größere Batteriepacks gebaut werden können.

Für die Entwickler von Wälzlagern für Elektrofahrzeuge bestehen die Herausforderungen in einer anspruchsvolleren thermischen Einsatzumgebung und einem Bedarf an leichterem Schmiermittel, sagt Christopher Marks, Chefingenieur der Timken Off-Highway-Gruppe. Erst vor kurzem befördert, fungierte Christopher Marks zuvor als Timkens hauseigener Experte für On-Highway-Anwendungen von Elektrofahrzeugen.

Timken Chefingenieur Christopher Marks

„Leichtere Schmiermittel sind seit Jahren im Trend, weil sie eine gesteigerte Effizienz beim Betrieb des Antriebsstrangs ermöglichen“, sagt er. „Diese leichteren Schmiermittel können jedoch zu Leistungsproblemen führen, wenn die Schmierfilmdicke im Lager und beim Zahnradkontakt unzureichend ist.“

Die Betriebstemperaturen in den Getrieben von Elektrofahrzeugen sind außerdem relativ hoch, verglichen mit Autos mit Verbrennungsmotor. „Wenn Sie einen Elektromotor an ein Getriebe anschließen, haben Sie in Wirklichkeit einen großen Wärmegenerator“, sagt Christopher Marks. „Die einzige Wärmeerzeugung in einem konventionellen Antriebsstrang ist durch die Verlustleistung des Lagers und der Zahnräder bedingt.“

„Die Herausforderung besteht darin, Lager mit längeren Standzeiten für anspruchsvollere Einsatzumgebungen als normalerweise üblich zu entwickeln“, sagt er. Zur Bewältigung dieser Herausforderung nutzen Timkens Entwickler bewährte Prozesse des Unternehmens und ihr enormes branchenübergreifendes Anwendungswissen.

Der Weg in eine bessere Zukunft durch Innovationen von Lagern für den konventionellen und Hybrid-Bereich

Historisch gesehen ist die Zusammenarbeit der Automobilindustrie mit Timken für die Weiterentwicklung ihrer Anwendungen nichts Neues. Nach Verabschiedung der CAFE (Corporate Average Fuel Economy)-Gesetzgebung im Jahr 1975 wurden die Ziele zur Erhöhung der Kraftstoffeffizienz für Pkws und leichte Lkws in den USA ständig angehoben. Seitdem sind Timkens kraftstoffsparende PDFE-Kegelrollenlager mit hoher Leistungsdichte sowohl in konventionellen als auch in Elektro-Hybrid-Anwendungen von Bedeutung.

„Das Interessante an Hybridfahrzeugen ist die Tatsache, dass sich die Antriebsstränge – je nach Grad des Hybrids – nicht wesentlich ändern“, sagt Christopher Marks. „Die PDFE-Technologie ist zwar nicht neu, aber die Lagerbauart ist spezifisch für konventionelle Achsen oder für Hybridachsen.“

Rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge befinden sich noch in Entwicklung, wobei Achsen und Antriebsstränge unterschiedlicher Hersteller erhebliche Unterschiede voneinander und zu Verbrennungsmotoren oder Hybridfahrzeugen aufweisen können. So ist ein neues Elektro-Truck-Design beispielsweise mit vier Motoren bestückt – einen für jedes Rad. „All diese Innovationen stellen unsere Kunden vor neue Herausforderungen“, sagt Christopher Marks. „Aber es geht auch immer noch um die Bereitstellung leistungsdichter, kraftstoffsparender Lösungen, um leichtere Fahrzeuge und längere Entfernungen zwischen dem Auftanken oder, wie in diesem Fall, dem Aufladen der Batterie zu erzielen.“

Minimaler Platzbedarf für maximale Leistung

Zur Lösung von Anwendungen bei Elektrofahrzeugen entwickelten Timken Ingenieure   die Produktlinie des ePDFE-Kegelrollenlagers. Dabei konnten sie das Know-how nutzen, das sie durch die langjährige Fertigung von PDFE-Lagern für konventionelle und Hybridfahrzeuge erworben hatten.

„Der große Unterschied liegt in der Makrogeometrie“, sagt Christopher Marks. „Diese Lager und Achsen sind meistens ein wenig kleiner als die in konventionellen Fahrzeugen.“ Timken ePDFE-Kegelrollenlager bieten eine kleinere Lösung, verglichen mit Kugellagern, sodass Kunden kleinere Wellen und Gehäuse verwenden können, um Getriebe höherer Leistungsdichte zu konstruieren.

Die Innengeometrie der ePDFE-Lager wiederum macht sie kraftstoffsparender, und genau dort spielt die Mikrogeometrie-Technologie Timkens eine wichtige Rolle. Die Fertigungstechnologien und hohen technischen Standards, für die das Unternehmen bekannt ist, dienen unseren Ingenieuren als Vorlage, wenn sie die Anwendungsanforderungen unserer Kunden in den Konstruktionsprozess überführen.

„Mit unserer Technologie können wir Kunden bei der Entwicklung und Konstruktion der kleinsten und leistungsstärksten Getriebe zur Seite stehen. Dadurch werden kompaktere Antriebsstränge mit höherem Wirkungsgrad, leichtere Fahrzeuge und niedrigere Lagertemperaturen möglich“, sagt Christopher Marks. „ePDFE-Kegelrollenlager von Timken können darüber hinaus die Geräuschkulisse, Vibrationen und Laufunruhe reduzieren, ein wichtiger Faktor bei Fahrzeugen, in denen die Hintergrundgeräusche eines Verbrennungsmotors fehlen.“

Frühzeitige Designkollaboration führt zu optimierten Ergebnissen

Christopher Marks betont die Wichtigkeit der Zusammenarbeit mit Timken Ingenieuren in der frühen Entwicklungsphase, damit Lösungen vorab optimiert werden können und spätere Nachrüstungen entfallen. „Wir möchten sicherstellen, dass der Kunde eine Umgebung entwickelt, die für Lager vorteilhaft ist“, sagt er. „Wenn Sie früh zu uns kommen, ist es einfacher für uns, in Zusammenarbeit mit Ihnen eine Architektur zu gestalten, in der die Lager auf einem hohen Performancelevel arbeiten, sowohl in punkto Lagerlebensdauer als auch Zuverlässigkeit.“

Wie üblich in jungen Industriebranchen, so Christopher Marks, sind die heutigen Hersteller von Elektrofahrzeugen äußerst fokussiert auf einen schnellen Markteintritt und weniger auf die Maximierung der potenziellen Effizienz und Zuverlässigkeit ihrer Produkte. „Ich denke, für eine Steigerung der Effizienz wird es auch in Zukunft Möglichkeiten geben, wenn Elektrofahrzeuge über einen höheren Marktanteil verfügen“, sagt er, „genauso, wie heute die Hersteller von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor die Kraftstoffeffizienz in kleinsten Schritten verbessern. Und Sie tun das, indem Sie all diese kleinen Dinge ändern, wie z. B auch die Lager.“

Kunden dabei helfen, sich in einem rasch ändernden Markt zurechtzufinden

Elektrofahrzeuge sind nicht die einzige Innovation, die die Automobilwelt bewegen. „Wir befinden uns zur Zeit mitten in einer Revolution“, sagt Christopher Marks, wobei Hersteller auch die Zunahme von Fahrgemeinschaften (Ride Sharing) und autonomen Fahrzeugen erwarten. „Irgendwann werden wir vielleicht auch einen geringeren Anteil an Autobesitzern und weniger Autos in den USA sehen, aber ein Fahrzeug wird dann 100.000 Meilen im Jahr fahren anstatt 12.000–15.000 Meilen.“ Ein Wechsel dieser Art könnte die Zuverlässigkeitsanforderungen für den Aftermarket drastisch beeinflussen – ein Segment, in dem Timken gut aufgestellt ist.

„Viele Menschen blicken in viele Kristallkugeln, um die Zukunft dieser Industriebranche vorherzusagen“, sagt Christopher Marks. Langfristig erwartet er eine Mischung aus Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen für Verbraucher und kommerzielle On-Highway-Märkte, und einen Anstieg der Effizienzstandards für Off-Highway-Fahrzeuge.

Um Hersteller von Elektrofahrzeugen bei der Erreichung ihrer Ziele zu unterstützen, machen Timken Ingenieure weiterhin, was sie schon immer sehr gut gemacht haben: eng mit Kunden zusammenarbeiten, um für jede Anwendung die ideale Lösung zu entwickeln.

„Wir arbeiten mit langjährigen Kunden und ebenso mit Neueinsteigern zusammen, die uns noch nicht so gut kennen,“ sagt Christopher Marks. „Beide können bei der Entwicklung neuer Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge von unserer Engineering-Expertise profitieren.“