Schaeffler Technologies AG & Co. KG · Deutschland

 

 

 

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2011-09-13 | 000-003-043 DE-DE
SCHAEFFLER GMBH, HERZOGENAURACH

Schaeffler zeigt breit gefächerte Automobilität

Der Spannungsbogen der Automobilität von heute erstreckt sich von der Optimierung des Automobils mit klassischem, verbrennungsmotorischem Antriebsstrang über zahlreiche Hybridlösungen bis zur Elektromobilität. Die Schaeffler-Konzeptfahrzeuge CO₂ncept-10%, Schaeffler Hybrid und ACTIVeDRIVE zeigen das breit gefächerte Spektrum moderner Automobilität und ermöglichen einen Blick auf das breite Produktportfolio von Schaeffler.

Bei dem CO₂ncept-10% handelt es sich um ein Fahrzeug, dass einige kurzfristig realisierbare Optimierungspotenziale von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor darstellt. Der Schaeffler Hybrid dient zur Darstellung verschiedener Hybridlösungen und zum Vergleich unterschiedlicher Betriebsmodi. Und bei dem ACTIVeDRIVE handelt es sich um ein reines Elektrofahrzeug (BEV: Battery Electric Vehicle). „Darüber hinaus fungieren die drei ‚Ideenfahrzeuge‘ auch als Versuchsplattformen für die realitätsnahe Erprobung verschiedener Komponenten und Systeme“, sagt Prof. Dr.-Ing. Peter Gutzmer, Geschäftsführung Technische Produktentwicklung von Schaeffler.

ACTIVeDRIVE – ein innovatives und fahrdynamisches Elektrofahrzeug

Hauptneuheit des auf Basis eines Škoda Octavia Scout realisierten Schaeffler ACTIVeDRIVE ist das sowohl an Vorder- wie auch Hinterachse montierte aktive Elektrodifferenzial (eDifferenzial). Dieses Bauteil vereint den elektrischen Antrieb mit der Möglichkeit einer radselektiv steuerbaren Antriebsleistung. Dadurch wird ein sowohl für die Dynamik und Sicherheit als auch den Komfort zuträgliches Torque Vectoring (Drehmomentverteilung zwischen dem rechten und linken Rad) ermöglicht. „Das eDifferenzial ermöglicht Eingriffe zur Fahrdynamik durch gezielte Kraftzuführung anstelle – wie bislang vom ESP gewohnt – mittels Bremseingriff und somit Energieentnahme. Das aktive Elektrodifferenzial verbessert die Kraftübertragung beim Fahren auf Untergründen mit unterschiedlichen Reibwerten signifikant. Auch unterstützt es die Lenkung und wirkt sich deutlich positiv auf Fahrdynamik, Sicherheit und Fahrkomfort aus. Der Einsatz von zwei eDifferenzialen ermöglicht zudem eine Längsverteilung der Antriebsmomente“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Gutzmer. Die Möglichkeit der aktiven Längs- und Querverteilung der Antriebsmomente macht das eDifferenzial zu einer idealen Plattform für eine innovative Fahrdynamikregelung. Mit der im ACTIVeDRIVE gezeigten Lösung ist Schaeffler Vorreiter für ein derartiges elektrisches Konzept in einem Fahrzeugantrieb. „Dementsprechend erstreckt sich das potenzielle Anwendungsgebiet des eDifferenzials von extrem fahrdynamischen Sportwagen über Fahrzeuge klassischer Automobilkategorien bis hin zu Landmaschinen“, erklärt Dr. Tomas Smetana, Leitung Vorentwicklung Getriebesysteme Schaeffler Automotive.

Das eDifferenzial integriert zwei unterschiedlich dimensionierte wassergekühlte Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM), ein Planetengetriebe, ein Getriebe zur aktiven Drehmomentverteilung sowie – als zentrales Element – ein Schaeffler-Leichtbaudifferenzial. Die elektrischen Maschinen stammen von der Schaeffler-Marke IDAM. Die größere, bis zu 105 kW leistende und 170 Nm starke PMSM ist für den Antrieb zuständig. Die zweite, die Drehmomentverteilung regelnde PMSM muss lediglich 5 kW Leistung aufbringen, um bis zu 2.000 Nm Drehmomentdifferenz auf der Achse zu erzeugen. Zu den mit dem ACTIVeDRIVE gezeigten Innovationen gehören ferner eine integrierte elektromechanische Parksperre, eine neue Zwangsschmierung des Getriebes ohne Ölpumpe, in Blech gefertigte Planetenträger und verschiedene hochdrehende, reibungsoptimierte Lagerlösungen. Die elektronische Regelung stammt von AFT und damit ebenfalls aus dem Hause Schaeffler.

Durch die Verwendung zweier aktiver Elektrodifferenziale verfügt das Konzeptfahrzeug insgesamt über eine Leistung von bis zu 210 kW und Allradantrieb. Als Energiespeicher fungieren im Kardantunnel und vor der Hinterachse untergebrachte Lithium-Ionen-Batterien mit einer Kapazität von 18 kWh. Dank des Leistungs- und Traktionsvermögens beschleunigt die 1.900 Kilogramm wiegende Testplattform in 8,5 Sekunden aus dem Stand auf 100 km/h. Bei Tempo 150 wird das Fahrzeug elektronisch abgeregelt. Seine Reichweite in dieser Konfiguration beträgt bis zu 100 Kilometer.

Schaeffler Hybrid – stellt eine große Bandbreite an Hybridlösungen dar

Der Schaeffler Hybrid ist ein Vorentwicklungsprojekt, das als „Ideenfahrzeug“ den praktischen Vergleich der vielseitigen Möglichkeiten zum Thema Elektromobilität ermöglicht. Dafür lassen sich mit dem Fahrzeug verschiedene Fahrzeugkonstellationen und Fahrzustände darstellen. So verfügt der Schaeffler Hybrid neben dem serienmäßigen Verbrennungsaggregat des Basisfahrzeugs über einen elektrischen Zentralmotor sowie zwei Radnabenantriebe.

„Bei der Realisierung des Schaeffler Hybrid spielte für uns die Darstellung verschiedener Konzepte samt aussagekräftiger Vergleichsmöglichkeiten sowie die realitätsnahe Erprobung die maßgebliche Rolle“, sagt Prof. Peter Gutzmer, in der Schaeffler-Geschäftsführung verantwortlich für die Technische Produktentwicklung. Dementsprechend sind die verschiedenen Elemente jeweils zuschaltbar und umfassen eine große Bandbreite verschiedener Fahrzustände. Die Möglichkeiten reichen vom klassischen Betrieb mit Verbrennungsmotor über die Funktionsweise als Parallel-Hybrid und serieller Hybrid bis hin zum vollelektrischen Fahren. Der Verbrennungsmotor kann sowohl das Fahrzeug antreiben als auch als Range-Extender gekoppelt werden. Ein automatisiertes Schaltgetriebe vergrößert die Möglichkeiten. Am Getriebe kommen selbstverständlich die auf die speziellen Anforderungen von Hybridfahrzeugen zugeschnittenen Kupplungsprodukte der Schaeffler-Marke LuK zum Einsatz. Und der Energiespeicher, eine 16 kWh starke Lithium-Ionen-Batterie (400 V, 400 A), lässt sich sowohl über Rekuperation, den Range-Extender als auch über externe Stromversorgung (Plug-in-Hybrid) aufladen. „Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Vorentwicklungsprojekts ist die vernetzte Entwicklungsarbeit der verschiedenen Schaeffler-Marken“, sagt Prof. Peter Gutzmer. Konkret sind das INA, LuK, FAG sowie IDAM und AFT.

Die Zentraleinheit ist mittels einer Zahnkette am automatisierten Schaltgetriebe angeflanscht und treibt die Vorderräder an. Dabei handelt es sich um einen flüssigkeitsgekühlten, 50 kW leistenden und 95 Nm starken Elektromotor, der von der Schaeffler-Tochter IDAM konzipiert und gefertigt wurde. Die ebenfalls von Schaeffler entwickelten Radnabenantriebe tragen die Bezeichnung eWheel Drive. Die im Schaeffler Hybrid montierten Exemplare der bereits zweiten Generation leisten jeweils rund 70 kW und verfügen dabei über ein Drehmoment von rund 700 Nm. Bei der Konzeption und Produktion dieser leistungsfähigen Bauelemente profitiert Schaeffler von seinem profunden Know-how auf dem Gebiet von Radlagern und der Direktantriebs-Technologie. Dementsprechend bilden die Radnabenantriebe eine kompakte Einheit, die Radlager, Antrieb und Bremse im Rad integriert. Ein Vorteil dieser Antriebseinheiten: Sie können ohne allzu große Veränderungen einer Fahrzeugarchitektur in eine bestehende Fahrzeugplattform für Versuchszwecke integriert werden. Darüber hinaus besticht der eWheel Drive von Schaeffler bereits jetzt durch seine ansprechende Drehmomententfaltung sowie ein bemerkenswert niedriges Geräuschniveau.

„Der Schaeffler Hybrid hat keinen Anspruch auf eine Serienfertigung“, sagt Prof. Peter Gutzmer, „vielmehr dient er uns als Ideenauto. Mit dem auf einem Porsche Cayenne basierenden CO₂ncept-10% haben wir beispielsweise erfolgreich Verbrauchsund Emissionsvorteile durch die Reibungsminimierung im Antriebsstrang dargestellt. Mit dem Schaeffler Hybrid wollen wir zeigen, dass die Schaeffler Gruppe das Thema Mobilität ganzheitlich erfasst und auch über innovative Produkte für das Thema E-Mobilität intensiv nachdenkt.“

Zum Produktportfolio, das auf die Anforderungen von Hybridfahrzeugen und E-Mobilität zurechtgeschnitten ist, zählen neben den im Schaeffler Hybrid gezeigten Elementen unter anderem noch Hybridkupplungen – wie sie beispielsweise bei Oberklasse-SUV-Hybridmodellen zum Einsatz kommen –, elektromechanische Fahrwerks- und Lenkungsbauteile sowie verschiedene Differenziale. Dabei reicht das Angebot vom Platz sparenden Leichtbaudifferenzial zum aktiven, im ACTIVeDRIVE gezeigten eDifferenzial.

CO₂ncept-10% zeigt Optimierungspotenziale im verbrennungsmotorischen Antriebsstrang

Das Ende 2009 im Rahmen des von Schaeffler unterstützten Fachkongresses „Reibungsreduzierung im Antriebsstrang“ gezeigte Konzeptfahrzeug CO₂ncept-10% steht für ein gemeinsam von Porsche und Schaeffler realisiertes Vorentwicklungsprojekt, bei dem durch Verwendung neuartiger und optimierter Bauteile in Summe eine Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen um zehn Prozent erzielt werden konnte.

Hinter der Bezeichnung CO₂ncept-10% verbirgt sich ein CO₂-Demonstrationsfahrzeug auf Basis eines Porsche Cayenne mit V8-Motor. In diesem Fahrzeug kommen verschiedene neue und bewährte, optimierte Komponenten aus dem Schaeffler-Portfolio in Antriebsstrang und Fahrwerk zum Einsatz, die den Kraftstoffverbrauch – im Vergleich zum Serienfahrzeug – signifikant senken. Bei diesem gemeinsamen Vorentwicklungsprojekt oblag Schaeffler die Auslegung und Verifizierung der Einzelkomponenten. Porsche zeichnete sich für die Systemabstimmung und Validierung am Gesamtfahrzeug verantwortlich. Unterm Strich erzielt das Konzeptfahrzeug eine Verbrauchsoptimierung von zehn Prozent. Und das sowohl in der Theorie (mittels komplexer Simulationsberechnungen ermittelt) als auch in der Praxis (von Porsche in aufwendigen Prüfstandversuchen verifiziert). Als Berechnungsmaßstab diente der normierte NEFZ (Neuer Europäischer Fahr-Zyklus).

Bei der Optimierung des Kraftstoffverbrauchs und der damit zusammenhängenden CO₂-Emission leistet der Motor einen Anteil von 5,8 Prozent. Das Gros davon – 4,1 Prozent – erzielen dabei die Modifikation der Ventilsteuerung VarioCam Plus durch elektromechanische Nockenwellenversteller (anstelle bislang zum Einsatz kommender hydraulischer Nockenwellenversteller) und optimierte einlassseitige Schalttassen. Noch einmal 1,7 Prozent resultieren aus der minimierten Reibleistung durch systemübergreifende Optimierungen der Komponenten im Ventil-, Riemen und Kettentrieb.

Weitere 1,1 Prozent Kraftstoffersparnis bringen die in Vorder- und Hinterachsdifferenzial zum Einsatz kommenden zweireihigen Schrägkugellager. Diese TwinTandem-Lager ersetzen die bislang zum Einsatz kommenden Kegelrollenlager und senken den Reibwiderstand gegenüber dem bisherigen Seriengetriebe deutlich: Am Vorderachsgetriebe um 35, am Hinterachsgetriebe gar um 42 Prozent.

Auch im Fahrwerk lässt sich Kraftstoff sparen: 3,2 Prozent Verbrauchsvorteil lassen sich durch Austausch des hydraulischen Wankstabilisators gegen ein elektromechanisch gesteuertes Pendant und die Verwendung von Leichtlaufradlagern nachweisen. „Wie auch im Falle der Nockenwellenversteller leisten die elektrisch betätigten Bauteile dadurch einen so bedeutsamen Beitrag, dass sie nur Energie benötigen, wenn ihre Funktion angefordert wird“, erklärt Dr. Robert Plank, Leiter Zentrale Technik von Schaeffler. „Bei hydraulisch gesteuerten Systemen müssen die Pumpen hingegen permanent Druck vorhalten. Daraus resultiert ein dementsprechend höherer Energieaufwand.“

„Dieses Projekt ist ein gutes Beispiel für eine erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen Automobilhersteller und Zulieferer. Vernetztes Arbeiten verkürzt Entwicklungszeiten, verhindert aufwendige Redundanzen und leistet so einen wichtigen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit“, so Dr. Robert Plank. „Mit dem CO₂ncept-10% haben wir einen eindrucksvollen und zugleich seriennahen Beweis für weiterhin vorhandene Optimierungspotenziale erbracht. Doch damit ist das Ende der Fahnenstange noch lange nicht erreicht. CO₂ncept-10% ist die Summe der verschiedenen Einzelbauteile. Und das sind nur einige von denen, die zum Schaeffler-Produktportfolio gehören und auch bei Fahrzeugen anderer Segmente eine vergleichbare Optimierung der Energieeffizienz ermöglichen.“