Gefügte Zahnräder: Ungeahntes Leichtbaupotenzial für die Serie nutzbar machen

Nicht erst seit der zunehmenden Elektrifizierung des Antriebs zählt das konsequente Nutzen von Leichtbaupotenzialen zu den Megatrends in der Fahrzeug- und speziell in der Getriebeentwicklung. Ein neues Forschungsprojekt unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) eröffnet hochspannende Perspektiven: Erstmals kommt dabei die Fügetechnik für Hochleistungs-Stirnräder aus einem hochfesten Zahnkranz und einer beanspruchungsgerecht gestalteten Nabe zum Einsatz. Einblicke in den Projektstatus und insbesondere in die statische und dynamische Tragfähigkeit der Fügetechnik gibt Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl, Leiter der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) der TUM, auf dem internationalen VDI-Kongress „DRITEV 2019 – Getriebe in Fahrzeugen“ am 10. und 11. Juli 2019 in Bonn.

Hybrides Bauteil ermöglicht Gewichtsreduktion

Selbst Experten seien erstaunt über die Möglichkeit der Gewichtsreduktion, die in diesem Projekt deutlich wurden. „Schließlich ist der automobile Antriebsstrang schon sehr intensiv in Richtung Leichtigkeit entwickelt und optimiert. Die Realisierung dieses Projektes war daher sehr anspruchsvoll. Umso mehr bin ich überzeugt, dass Lösungsansätze aus unserem Forschungsprojekt ihren Weg in die Fahrzeugserie finden werden“, macht Prof. Stahl deutlich. Die Herausforderung dabei lautete, Stirnräder als Kernkomponenten des Antriebsstrangs leichter zu realisieren. Während in diesen Rädern das Material rund um die Zähne höchst beansprucht wird, sind die Beanspruchungen im Bereich der Nabe nach innen deutlich geringer. Warum also nicht, so der Grundgedanke der Münchener Wissenschaftler, diesen Anforderungen mit einer Werkstoff-Kombination Rechnung tragen – vom hochfesten Werkstoff außen zu Leichtbaumaterialien nach innen. Verschiedene Werkstoffe und Bauweisen wurden geprüft und auf ihre Eignung für diesen Zweck untersucht. Als Ergebnis stand ein Stirnrad, das aus zwei Werkstoffen besteht – sozusagen als hybrides Bauteil – mit zwei Hohlschalen als Nabe nachhaltig auf Gewichtsreduktion ausgelegt ist.

Projekt steht kurz vor dem Abschluss

Die Konstruktion hatte sich anschließend im Demonstrator unter hohen Drehmomenten zu beweisen. Schließlich sollen die Stirnräder buchstäblich ein Fahrzeugleben lang den hohen Anforderungen standhalten. „Egal ob Verbrennungsmotor, Hybrid oder reines Elektrofahrzeug, die mechanischen Anforderungen bleiben unverändert bestehen: Das geforderte Drehmoment muss zuverlässig übertragen werden.“ Die ersten statischen Schnelltests jedenfalls lassen auf eine hohe Dauerfestigkeit schließen. Das Projekt steht nunmehr kurz vor dem erfolgreichen Abschluss. Wenn intensiv daran weitergeforscht wird, sei das hybride Bauteil in einigen Jahren serienreif, ist Prof. Stahl sicher: „Wir wollen mit interessierten Unternehmen den weiteren Weg in Richtung Serienertüchtigung gehen.“ Dabei gebe es noch viel Potenzial für weitere Optimierungen – beispielsweise bei der Wahl der Fügetechnik zwischen den beiden Bauteilen. Ob Löten, Kleben, ein kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbund die beste Lösung sei, werde sich noch zeigen.

Grundsätzlich erwartet Prof. Stahl im Getriebebereich für die kommenden Jahre eine weitere Auffächerung der verwendeten Lösungen. „Es wurden wohl noch nie so viele verschiedene Antriebstopologien und Getriebevarianten entwickelt wie heute. Eines ist sicherlich auszuschließen: getriebelose Fahrzeuge.“ Um hohes Drehmoment auf die Straße zu bringen, sei auch in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen das Getriebe verantwortlich. „Daran dürfte sich gerade unter Aspekten der Wirtschaftlichkeit in der Fahrzeugproduktion so schnell nichts ändern.“