Alt und trotzdem neu – Veränderung des Anforderungsprofils an Kupplungssysteme in (teil-) elektrifizierten Antrieben

Einleitung

Gibt es in künftigen Antriebssystemen noch Kupplungen? Eine Frage, die nicht nur Kupplungs- und Getriebeentwickler seit einiger Zeit beschäftigt.

Reibschlüssige Kupplungen sind heute als Teilsystem des automobilen Antriebsstranges von enormer Bedeutung und somit für die Realisierung antriebstechnischer Innovationen.

In verbrennungsmotorischen Antrieben werden schaltbare reibschlüssige Kupplungen üblicherweise als Anfahrelement oder Schaltelement eingesetzt. Gekennzeichnet die Einsatzvarianten durch unterschiedliche Reibenergieeinträge während der Schlupfphase der Kupplung. Die Anforderungen an die Reibleistungsfähigkeit der Kupplung sind hoch, ebenso die Anforderungen bezgl. Der thermischen Beständigkeit durch langfristige energetische Beanspruchungen. Die eingesetzten Kupplungen müssen dabei sehr konstante Reibeigenschaften zur Realisierung einer guten Regelbarkeit, sowie bester Komforteigenschaften gewährleisten.

Einfluss der Teilelektrifizierung

Bei der Vielzahl möglicher Hybridsysteme kommen auf die verschiedenen Kupplungen im Antriebsstrang höchst unterschiedliche und gleichzeitig neue Beanspruchungen zu. Hierbei hat die Antriebsstrangtopologie wie auch die Betriebsstrategie einen wesentlichen Einfluss auf die Beanspruchung der eingesetzten Kupplungen.

Während bei trockenlaufenden Anfahrkupplungen im klassischen Antriebsstrang mit Handschaltgetriebe die dominierenden Beanspruchungsgrößen die spezifische Reibleistung und Reibenergie sind, kann bei hybriden Antriebssystemen diese durch die Unterstützung mit elektrischen Antrieben teilweise deutlich reduziert werden. Gleichzeitig ergeben sich neue Anforderungen an die Kupplungen. So werden z.B. in einigen neueren P2-Parallelhybriden teilweise Drehmomentbegrenzungen für regelungskritische Betriebszustände über die Kupplung realisiert. Damit ändern sich Anforderungen an die Kupplung deutlich. So sind in derartigen Systemen statische Reibmomentübertragungspotenzial von deutlich größerer Bedeutung als bisher. Gleichzeitig ändern sich die Anforderungen an den Übergang von Haft- zu Gleitvorgängen. So muss im sinne der Drehmomentbegrenzung eine in Hybridsystemen eine Kupplung mit Drehmomentbegrenzungsfunktion bei definiertem Überlastmoment möglichst präzise bei stets gleichem Drehmoment bei teilweise sehr unterschiedlichen Randbedingungen auslösen.

Dies stellt sowohl bei Konzepten mit Nasslaufenden als auch bei Konzepten mit trockenlaufenden Kupplungen eine Herausforderung an die Entwicklung der Kupplung und insbesondere an die Entwicklung der Funktionsbestimmenden Reibsysteme dar.

Zusätzliche müssen beim Einsatz nasslaufender Kupplungssysteme die Anforderungen an die Schleppmomentenfreiheit der Kupplung deutlich verbessert werden.

Als Grundlage für die Entwicklung geeigneter Kupplungen wird am IPEK an Methoden zur Charakterisierung und Auslegung der jeweils idealen Funktionsreibsysteme gearbeitet.

Einfluss Vollelektrifizierung

Kupplungen scheinen auf den ersten Blick für vollelektrifizierte Antriebe zu komplex, teuer und fehleranfällig. Aber sie bieten die Möglichkeit die erforderliche Regelgüte an Drehzahl und Winkellage zu reduzieren. Damit gibt es Potenziale für den Einsatz von Kupplungen zur Steigerung der Leistungsdichte und Energieeffizienz in elektrifizierten Systemen. Gleichzeitig kommen damit aber neue Beanspruchungskollektive auf die eingesetzten Kupplungssysteme zu. Wie auch bei den teilelektrifizierten Systemen ändern sich die Beanspruchungen deutlich. In der Entwicklung effizienter, elektrischer Hochdrehzahlantriebe sind Kupplungen damit ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Exemplarisch seien hier Applikationen, bei denen in Konzeptstudien aufgrund der Bauraumrestriktionen auf nasslaufende und somit schleppmomentbehaftete Kupplungssysteme zurückgegriffen wird genannt. In diesen Systemen kommen Kupplungen als Schalt- und Synchronelemente zum Einsatz. Jedoch gibt es deutliche Unterschiede zu konventionellen Anwendungen: es müssen teilweise deutlich höhere Drehzahlen ertragen werden können, gleichzeitig müssen, je nach Getriebekonzept sehr hohe statische Reibmomente abgestützt werden.

Dies erfordert relativ hohe Betätigungskräfte. Diese sind nur durch einen schlechteren energetischen Wirkungsgrad zu erreichen. Daher werden neue Betätigungssysteme, z.B. auf Basis verriegelnder Mechanismen benötigt, um die Antriebssysteme mit Kupplungen langfristig attraktiv gestalten zu können.

Gleichzeitig müssen die eingesetzten Kupplungen im geöffneten Zustand möglichst frei von Schleppmomenten betrieben werden können. Damit kommen neben dem Lamellendesign insbesondere Maßnahmen zur Zwangstrennung der Lamellen eine erhöhte Bedeutung zu.

Das IPEK arbeitet hier an Methoden zur Analyse der Öl-Durchströmung der Kupplung im geöffneten Zustand, sowie an Systemen zur zwangsweisen möglichst äquidistanten Trennung der Kupplung selbst bei sehr hohen Drehzahlen.

Über den aktuellen Stand der Technik und Forschung können Sie sich am VDI-Spezialtag „Kupplungen für elektrifizierte und hybride Antriebssystemlösungen“ informieren.

Autor: Dipl.-Ing. Sascha Ott, Mitglied der Institutsleitung und Geschäftsführer, IPEK – Institut für Produktentwicklung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Diese Veranstaltungen könnten Sie auch interessieren

Seminar
© iStock.com – alacatr
Maschinen und Anlagen lärmarm konstruieren
  • 06.05. - 07.05.2019 in Nürtingen bei Stuttgart
  • 05.11. - 06.11.2019 in Hamburg
  • 18.02. - 19.02.2020 in Freising bei München

Erfahren Sie im Seminar „Lärmarme Konstruktion von Maschinen und Anlagen“ alles Wichtige zur Lärmvermeidung und Lärmoptimierung.

Informieren & Buchen

Seminar
© iStock.com – Drazen_
Auslegung und Gestaltung von Stirnradgetrieben
  • 24.06. - 25.06.2019 in Frankfurt am Main
  • 04.11. - 05.11.2019 in Nürtingen bei Stuttgart
  • 04.03. - 05.03.2020 in Fürth

Das Seminar 'Stirnradgetriebe - Dimensionierung, Gestaltung und Optimierung' vermittelt Ihnen aktuelle Erkenntnisse und den heutigen Stand der Normung.

Informieren & Buchen

Der für Sie ausgewählte Bereich

  • Antriebstechnik