Elektromobilität Seitenwellen: Was hat sich mit dem Einzug der E-Mobilität geändert?

Eine Seitenwelle ist der Extremsportler im Antriebsstrang eines Fahrzeugs, denn sie ist verantwortlich für die Übertragung der Motorkraft hin zu den Antriebsrädern. Was hat sich mit dem Einzug der Elektromobilität verändert und wie schaffen es diese Bauteile mit den enormen Drehmomenten aktueller Stromer umzugehen? Es lohnt sich, einen Blick hinter die Kulissen zu wagen, denn Antriebs- und Seitenwellen müssen immer größeren Kräften standhalten.

War die Antriebswelle bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor durch eine Kupplungseinheit vor allzu starken negativen Antriebskräften geschützt, verhält es sich bei einem Fahrzeug mit E-Antrieb entschieden anders. Die Elastizität in der Kraftübertragung entfällt, denn es existiert kein zwischengeschalteter Puffer in Form eines Kupplungsgetriebe mehr. Die bauartbedingte Trägheit sorgt beim Verbrennerfahrzeug für die berühmte „Schaltsekunde“, erst dann erreicht die Motorkraft das Antriebsrad und der Kraftschluss ist aufgebaut.

Auch der Faktor Mensch spielt beim Verbrenner eine große Rolle: Bei der manuellen Schaltung eines Verbrennerfahrzeugs wird der Schaltvorgang noch vom Fahrzeugführer durchgeführt, d.h. Kupplung treten, Gang einlegen, Kupplung entlasten und somit für den Kraftschluss zwischen Getriebe und Motor sorgen. Die zunehmende Verbreitung von DSG-Automatikgetrieben bei Verbrennerfahrzeugen lässt den vollautomatischen Schaltvorgang auf ein Zeitfenster ca. 0,2 Sekunden schrumpfen: Für die Seitenwelle besteht hier also immer noch genügend Zeit, sich durch diese Zugkraftunterbrechungen an Drehmomentspitzen zu gewöhnen. Ganz anders sieht es beim Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs (Battery Electric Vehicle, BEV) aus: Durch den Wegfall der Kupplungseinheit wirken die enorm hohen Drehmomentspitzen auf die Seitenwellen unmittelbar und ohne Zeitverlust. Damit erhöhen sich gleichzeitig auch die Kräfte, die durch Wechsellasten entstehen um ein Vielfaches.

Seitenwellen im Elektrofahrzeug – was hat sich im Vergleich zum Verbrenner verändert?

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Rekuperationsprozess: Beim Elektroauto Standard, beim Verbrenner nicht möglich

Was trägt noch dazu bei, dass sich die klassische Verbrenner-Seitenwelle umstellen muss? Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Rekuperationsprozess bei Elektrofahrzeugen. Dabei hilft wiederum ein Vergleich mit der Verbrenner-Welt. Geht der Fahrer eines Verbrennerfahrzeugs vom Gas, geht auch die Lastanforderung an die Seitenwelle zurück, diese kann sich also für einen Moment erholen und das Fahrzeug befindet sich im Ausrollen oder im Segelmodus. Ganz anders die Seitenwelle im Elektrofahrzeug: Die Rekuperation löst ein negatives Drehmoment auf die Seitenwelle aus, ähnlich wie beim Bremsvorgang, bei dem sich positives in negatives Drehmoment umwandelt. In der Folge steht die Seitenwelle nahezu ständig unter Last, weil bei einem Stromer der Bremsvorgang sehr häufig durch eine hohe Rekuperationsstufe ersetzt wird. Das Beschleunigen und Bremsen ausschließlich mit dem Gaspedal zu steuern, ist auch unter dem Begriff One-Pedal-Driving bekannt. Ein weiterer wichtiger Punkt beim Vergleich zwischen Verbrenner- und Elektrofahrzeug ist das viel höhere Drehmoment bei einem BEV. So bietet beispielsweise der aktuelle Fiat 500 Elektro ein Drehmoment von 220 Nm bei maximal 118 PS. Ein Golf II GTI G60 aus den 90er Jahren kommt auf ähnliche Werte und war damals eines der leistungsstärksten Fahrzeuge seiner Klasse. Seitenwellen in Elektrofahrzeugen müssen diesen neuen Leistungswerten, die schon in Kleinwagen Standard sind, angepasst werden.

Elektroautos sind schwerer als Verbrenner

Doch wie sieht dieser Anpassungsprozess aus und wie schafft es die Antriebswelle oder Seitenwelle, mit den immer höheren Leistungswerten moderner Elektrofahrzeuge Schritt zu halten? Die enormen Drehmomente bei E-Antrieben ließen sich mit mehr Materialeinsatz beherrschen. Das hieße allerdings im Umkehrschluss eine sich ständig steigernder Gewichtszunahme in Kauf zu nehmen, was wiederum die Reichweite schmälern würde. Was hierbei entsteht, ist ein klassischer Zielkonflikt zwischen Effizienz und Gewicht und Haltbarkeit. Christian Carlando, Director Customer Engineering Europe bei GKN Automotive erklärt: „Jedes Bauteil muss bei einer BEV-Plattform buchstäblich auf den Prüfstand und wir müssen immer mehr darauf achten, die perfekte Balance zwischen Haltbarkeit, Effizienz und Materialeinsatz zu finden. Oft ist das ein sehr schmaler Grat, aber durch unsere Prüfstände können wir das komplette Autoleben eines Elektrofahrzeugs in wenigen Tagen simulieren. Alle unsere Kunden verlangen eine effiziente und stabile Wellenkonstruktion. Diese kann die Wärmeverluste minimieren und damit die Reichweite erhöhen, es zählt hier absolut jedes Promille Reichweitenzuwachs.“ Für diesen Zweck werden sogenannte Lastenkollektive vom Fahrzeughersteller geliefert, die auf den Prüfständen „nachgefahren“ werden – und zwar im Schnelldurchlauf. Die Testkriterien sind hier um einiges höher als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

Automatisierte Fahrzeuge

Auch wenn das vollständig autonom fahrende Fahrzeug der Stufe 5 noch einige Jahre auf sich warten lässt – eines steht mit Sicherheit fest: Es wird kein Verbrennerfahrzeug, sondern ein Stromer sein. Schon heute existieren Modellösungen im Nahverkehr mit autonomen Fahrzeugen zu Testzwecken. Ein Blick auf die Seitenwellen in automatisierten Fahrzeugen zeigt eine neue Dimension der Dauerbelastung auf, denn die Bauteile müssen mit dem Vielfachen der normal üblichen Laufzeit zurechtkommen. Das heißt im Extremfall: Dauerbetrieb der Seitenwelle in einem anspruchsvollen BEV-Anwendungsszenario mit Laufzeiten von bis zu 100.000 Kilometer pro Jahr. Und das für zehn Jahre. Aber gleicht das Fahrverhalten eines autonom fahrenden Fahrzeugs dem des Menschen hinter dem Steuer? „Zum Glück nicht, könnte man behaupten“, so Christian Carlando. „Ein sich selbst steuerndes Fahrzeug lässt sich natürlich auf den geringstmöglichen Verschleißlevel hin optimieren. Das heißt, das Fahrzeug wird im Normalbetrieb viel sanfter abbremsen und beschleunigen als dies ein menschlicher Fahrer tun könnte. Somit erschafft man sehr wirksame lebensverlängernde Maßnahmen für alle Fahrzeugkomponenten, sei es Bremsen, Reifen oder eben die Seitenwellen. Und natürlich lassen sich die Brems- und Beschleunigungsprozesse unendlich oft exakt reproduzieren – quasi unmöglich für einen menschlichen Fahrer.“

Mensch versus Maschine

Die Verschleißgrenzen sowie Lebenserwartung der Fahrzeugkomponenten lassen sich bei Stromern im autonomen Dauerbetrieb exakt vorausberechnen. Mithilfe von Prüfständen werden die Lebenszyklen komplett abgefahren und lassen sich somit immer wieder reproduzieren. Verschleißgrenzen können daher äußerst genau bestimmt werden, denn die Sensorik des elektrischen Antriebstrangs vergleicht ständig alle Fahrzeugdaten. Schwieriger wird es dagegen bei einem Elektrofahrzeug, das von einem menschlichen Fahrer gesteuert wird. „Ein Mensch hinter dem Steuer ist natürlich nicht berechenbar, der persönlicher Fahrstil, und somit auch der Verschleiß der Komponenten, hängt von sehr vielen Faktoren ab“, betont Carlando. „Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben wir über die Jahrzehnte Erfahrungen sammeln können und mit jeder neuen Fahrzeuggeneration konnten wir beim Design der Seitenwellen auf dieses Wissen zurückgreifen. Mit den vielen neuen Fahrzeugtypen, Automobilherstellern und Plattformen im BEV-Bereich betreten wir sehr oft absolutes Neuland, es gibt hier oft keine Erfahrungswerte. Aber gerade das macht es so spannend und mittlerweile müssen wir wieder viel mehr auf echten Straßen testen, obwohl wir unsere Prüfstands-Kapazitäten ausgebaut haben.“ Ein anhaltender Trend bei BEVs ist die immer noch enorm hohe Spreizung der Leistungswerte im Vergleich zur Endgeschwindigkeit, denn auch relative leichte Autos besitzen ein sehr hohes Drehmoment. Die Endgeschwindigkeit liegt jedoch oft weit unter der Geschwindigkeit vergleichbarer Modelle mit Verbrennungsmotor. „Mit einem Elektroauto habe ich einen wahnsinnigen Punch im Anzugverhalten und den nutzt man natürlich auch. Gleichzeitig habe ich keine so hohe Spitzengeschwindigkeit, weil meine Batteriekapazität begrenzt ist. Gerade für die Seitenwelle ist das eine enorme Umgewöhnung zum Verbrennerfahrzeug und wir müssen unser Produktdesign danach ausrichten.“

Immer mehr Drehmoment?

Was bringt die Zukunft des autonomen Fahrens und wird sich der Trend zu immer mehr Drehmoment und Fahrzeuggewicht über die nächsten Jahre halten? Vermutlich nicht, denn schon heutzutage lässt sich auf deutschen Autobahnen beobachten, dass Fahrer eines Elektroautos größtenteils mit Geschwindigkeiten von maximal 140 Kilometer pro Stunde unterwegs sind. Das ist zum einen der begrenzten Batterie-Reichweite geschuldet, weil diese mit höheren Geschwindigkeiten erheblich abfällt. Zum anderen ist es vielleicht bereits ein Teil des Umdenkprozesses hin zur Elektromobilität.  (se)

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* Dr. Bernd Falk ist Principal Technical Specialist bei GKN Automotive.

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