Antriebstechnik Einbaufertige Achsantriebsmodule für die Elektromobilität

Autor / Redakteur: Annedore Munde / Udo Schnell

Aufgabe des Forschungsprojektes Eskam ist die Entwicklung von flexiblen Techniken für die Serienfertigung von elektrischen Antrieben für Fahrzeuge. Ziel ist ein Elektroantrieb, der so in Achsantriebsmodule integrierbar ist, dass Gewicht, Bauraum und Kosten gespart werden können, bei hohem Wirkungsgrad.

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Die Umformanlagen von Ebm werden konzipiert, um allen Anforderungen einer flexiblen Fertigungsplanung gerecht zu werden. (Bild: Ebm)
Die Umformanlagen von Ebm werden konzipiert, um allen Anforderungen einer flexiblen Fertigungsplanung gerecht zu werden. (Bild: Ebm)

Skalierbare Module aus Antrieb und Achse für die Elektromobilität – so lautet die Beschreibung eines neuen Forschungsprojektes mit einem Budget von 9,2 Mio. Euro. Das Projekt wird vom BMBF mit 5,1 Mio. Euro gefördert. In 36 Monaten wollen die Partner in einem Netzwerk mittels passgenauer Produktionstechniken einbaufertige Antriebsachsmodule herstellen.

Antrieb für Elektroautos erfordert Umdenken in der Komponentenfertigung

Dass mit dem Einzug der Elektromobilität in den Alltag vielfältige Veränderungen verbunden sind, liegt auf der Hand. Stark davon betroffen ist die Automobil- und die damit verbundene Zulieferindustrie: Während künftig verschiedene Zulieferteile komplett entfallen werden oder einem starken konstruktiven Wandel unterliegen, werden andere, beispielsweise Elektromotoren für den Antrieb und die entsprechende Leistungselektronik, neu hinzukommen.

So gibt es zurzeit für Fahrzeuge mit reinem Elektroantrieb keine im Hinblick auf ein Gesamtkonzept optimierten Antriebsachsen. Bei bestehenden Lösungen sind Bauteile und Baugruppen von angetriebenen Vorder- und Hinterachsen an die Rahmenbedingungen von Verbrennungsmotoren angepasst. Sie sind gemessen an der verfügbaren Leistung jedoch zu schwer, zu teuer und zu groß.

In einem entsprechenden Forschungsprojekt mit der Bezeichnung Eskam sollen nun serienflexible Techniken für elektrische Antriebe von Fahrzeugen konzipiert werden. Die Kernidee dabei ist die Entwicklung eines Elektroantriebs, der so in Antriebsachsmodule integrierbar ist, dass Gewicht, Bauraum und Kosten gespart werden können bei vergleichsweise hoher Leistung beziehungsweise hohem Wirkungsgrad.

Elektrisch erregte Synchronmaschine wird für den E-Antrieb angepasst

Unter dem Dach des Netzwerkes E-Mobility werden die notwendigen Kapazitäten aus verschiedenen Produktionsbereichen zusammengeführt, von der Leistungselektronik über die Auslegung von Getriebe und E-Motor bis bis hin zur Entwicklung angepasster umformtechnischer Verfahren. Gegliedert ist Eskam in sechs recht komplexe Arbeitspakete mit unterschiedlichen Zielstellungen, die letztendlich ineinander greifen.

Ziel eines Teilprojektes ist die Entwicklung und Konstruktion einer elektrisch erregten elektronisch kommutierten Synchronmaschine für die Elektromobilität. Für den Demonstrator wird eine Abgabeleistung von 2 × 20 kW bei Drehzahlen bis zu 20.000 min–1 angestrebt. Durch die hohen Drehzahlen wird eine hohe Leistungsdichte erreicht.

Der innovative Ansatz der elektrisch erregten elektronisch kommutierten Synchronmaschine im Vergleich zu den derzeit in der Elektromobilität vorherrschenden permanent erregten elektronisch kommutierten Synchronmaschinen liegt im Verzicht auf Permanentmagnete. „Die Materialverfügbarkeit von Neodym als deren Basismaterial erscheint aus heutiger Sicht wegen der Marktdominanz chinesischer Hersteller und der enormen Preissteigerungen (300% in zwei Jahren) nicht gesichert“, erläutert Dr.-Ing. Friedrich Klaas den Kontext.

Klaas hält bei Eskam die Fäden in der Hand und koordiniert das Zusammenspiel der einzelnen Projektpartner. „Elektrisch erregte Synchronmaschinen kommen in der Antriebstechnik, insbesondere in der Elektromobilität, bislang nur selten zum Einsatz. Ein wesentlicher Fokus der Entwicklung wird deshalb auch die Prüfung auf die Automobiltauglichkeit des Antriebskonzepts sein“, ergänzt er. Bearbeitet wird dieses Teilprojekt von der Groschopp AG aus Viersen und vom Bereich „Theoretische Elektrotechnik und Elektrische Maschinen“ der FH Düsseldorf.

Konsequenter Leichtbau bedingt neue Technik und neue Materialien

Ein weiteres Arbeitspaket widmet sich den Produktionstechniken für Leichtbaukomponenten mit Blick auf die Fertigung IHU-geformter Achsträger, wobei das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung der Presshärtetechnik für das vorgesehene Teilesortiment liegt. Damit soll die Festigkeit der Bauteile auf das Zwei- bis Dreifache gesteigert werden und gleichzeitig durch eine Blechdickenreduzierung das Gewicht in einer ähnlichen Größenordnung gesenkt werden. Parallel dazu werden für die Achse Leichtbaukomponenten aus verschiedenen Aluminium- und Stahllegierungen entwickelt.

Für das Vorformen zum Hydroformen und das Tiefziehen von Bauteilen wird eine spezielle Umformpresse entwickelt. Weil der Achsaufbau auch in Hybridtechnik gestaltet wird, wird die Maschine speziell für diesen zukunftsträchtigen Prozessschritt ausgelegt. „Die Maschine wird vollelektrisch über Servotechnik flexibel und skalierbar gesteuert und bringt eine Formkraft zwischen einer und hundert Tonnen auf. Neu ist ebenfalls die flexible Steuerungsmöglichkeit durch mehrere Achsen, was mehr Möglichkeiten für die Formgebung zulassen wird“, beschreibt Klaas die passgenaue Auslegung der Verfahrenstechnik.

Fünf Projektpartner arbeiten daran, dass Verfahrensentwicklung, Materialentwicklung und Produktionstechnik reibungslos ineinandergreifen: das Fraunhofer-IWU aus Chemnitz, die Salzgitter Hydroforming GmbH & Co. KG aus Crimmitschau, die Erich Büchele Maschinenbau GmbH (Ebm) aus Meitingen, Hirschvogel Umformtechnik aus Denklingen und die Metallgießerei Funke aus Aalfeld.

Studie zeigt deutlichen Nachholbedarf für Automobilzulieferer auf

Netzwerkmanager Klaas ist ein versierter Branchenkenner. Er kann auf langjährige Erfahrungen und vielfältige Kontakte in gehobenen Positionen bei namhaften Automobilzulieferern zurückgreifen, wie etwa bei der INA-Wälzlager Schaeffler KG oder als Direktor von Magna International. Klaas hat das Netzwerk E-Mobility im Oktober 2010 gegründet, aufgebaut und auch beim Projekt Eskam die Partner zusammengeführt.

„Eine Studie der IHK Region Stuttgart zur Branche im Land Baden-Württemberg zeigte uns deutlich auf, dass das Engagement der Automobilzulieferer zu gering ist, um den anstehenden technologischen Wandel hin zum Elektromotor nachhaltig und konsequent zu bewältigen“, blickt Klaas zurück. Im Netzwerk E-Mobility ist deshalb ein Konzept diskutiert worden, das dazu beitragen soll, diese Lücke in einem Teilbereich der Elektromobilität zu schließen.

Ergebnis ist das nun vorliegende Konzept für einen Montagebetrieb, in dem Komponenten zu Antrieben und gegebenenfalls kompletten Antriebsachsmodulen montiert werden. Die Komponenten selbst werden von den Partnern des Verbundprojektes Eskam entwickelt, produziert und schließlich zugeliefert. Dass die Produktionstechniken gleichermaßen für Klein- und Großserien ausgelegt und vor allem skalierbar gestaltet werden, versteht sich für die beteiligten Projektpartner und für Friedrich Klaas von selbst.

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