Transparenter und objektiver Entwicklungsprozess

Neue IAV-Methodik für die Auslegung der elektromechanischen Getriebeaktuierung

Hohe Effizienz bei geringen Kosten: Das sind die beiden wichtigsten Anforderungen an die Getriebeaktuierung. Eine neue IAV-Methodik liefert schon in einer frühen Entwicklungsphase Informationen über die wichtigsten Kenngrößen verschiedener Lösungen und ermöglicht ein objektives Ranking der Varianten.

Elektromechanische Aktuatoren liegen bei der Getriebeentwicklung derzeit im Trend, denn im Vergleich zu ihren hydraulischen oder elektro-hydraulischen Pendants versprechen sie spürbare Effizienzvorteile. Energie wird nur dann aufgewendet, wenn tatsächlich ein Schaltvorgang anliegt – dank „Power on Demand“ treiben elektromechanische Aktuatoren den Kraftstoffverbrauch nicht unnötig in die Höhe. Und genau darauf legen OEMs derzeit größten Wert: Wenn sie die strengen CO2-Vorgaben einhalten wollen, müssen auch die Getriebe einen Beitrag dazu leisten. Hinzu kommen der Wunsch nach möglichst geringen Kosten sowie neue Herausforderungen durch die Start-Stopp-Funktion und die zunehmende Hybridisierung der Antriebsstränge.

IAV hat eine neue Methodik entwickelt, um elektromechanische Aktuatoren optimal auszulegen. Am Anfang steht die Definition der Anforderungen an das Getriebe, beispielsweise die Art des Getriebes, die Zahl der Gänge, der verfügbare Bauraum und die Frage, ob eine Hybridisierung gewünscht ist. Ergebnis des Prozesses ist eine getriebespezifische Aktuatorik, die sich unter anderem durch geringen Energieverbrauch, günstige Herstellungskosten und kurze Schaltzeiten auszeichnet.

„Wir starten mit der neuen Methodik bereits in der frühen Konzeptphase“, erklärt André Uhle, Teamleiter Getriebeaktuatorik bei IAV. „Dabei untersuchen wir zuerst, welches technische System die Anforderungen unseres Kunden am besten erfüllen kann. Zur Auswahl stehen in dieser Phase verschiedene technische Wirkprinzipien, wie beispielsweise eine Schaltwalzen- oder Spindelaktuatorik sowie die Wahl zwischen Einzel- oder Zentralbetätigung.“

Bibliothek von Getriebekomponenten

Für die Auslegung einer neuen Getriebeaktuatorik bauen die IAV-Experten ein Simulationsmodell auf, bei dem die elektromechanische Aktuatorik in ihre Teilfunktionen Energieerzeugung, Drehmoment-/Drehzahl-Wandlung und Wandlung der Bewegungsrichtung zerlegt wird. „Die Teilfunktionen lassen sich aus einer Komponenten-Bibliothek wie in einem Baukastensystem zusammenstellen“, so Uhle. „In unserer Bibliothek befinden sich rund 30 mechanische Wirkprinzipien mit sämtlichen technisch relevanten Parametern, zudem gehört dazu eine E-Motoren-Datenbank mit den Kenndaten verschiedener Hersteller.“

Eine transiente 1-D-Simulation des Schaltvorganges ermöglicht eine Abschätzung der Schaltzeiten und des Energieverbrauchs, während die Vordimensionierung der Maschinenelemente unter anderem Aussagen zu Bauteilfestigkeiten, geometrischen Kenndaten (zum Beispiel Durchmesser, Länge, Steigung ...), zur Getriebeübersetzung und zu Kennwerten des E-Motors liefert. Daraus lassen sich alle wesentlichen Eigenschaften eines Aktoriksystems im Konzeptstadium ermitteln: die Energieaufnahme, die Herstellungskosten, der Bauraumbedarf, die Masse und die Schaltzeit.

Ranking der besten Lösungen

Mit der neuen Methodik können die IAV-Experten verschiedene Optionen miteinander vergleichen und die Parameter gezielt variieren, bis eine optimale Lösung gefunden ist. „Wir verändern die Hauptsystemparameter, wie zum Beispiel die Spindelsteigung, die Getriebeübersetzung sowie die Eigenschaften des E-Motors in technisch sinnvollen Grenzen, sodass wir auf bis zu 500.000 Auslegungsvarianten eines Aktuatoriksystems kommen“, berichtet Uhle. „Mithilfe einer nachgelagerten Nutzwertanalyse erstellen wir anschließend ein Ranking der möglichen Lösungen und ermitteln die Vorzugsvariante.“

Die neue Methodik für die Auslegung der Getriebeaktuatorik ist seit einem Jahr bei IAV im Einsatz. „Zuvor hing das Vorgehen in der Konzeptphase stark von den Erfahrungen des Konstrukteurs ab“, so Uhle. „Dieses Wissen nutzen wir natürlich immer noch – aber es kommen jetzt die Ergebnisse der Simulation hinzu. Das führt zu einem transparenten und objektiven Entwicklungsprozess.“