Die Tauchschmierung in einem EDU (Electric Drive Unit) ist ein schwierigeres Problem, als es auf den ersten Blick erscheint. Das Öl muss die Rotorlagerstellen erreichen, die Wicklungsoberflächen zur Wärmeabfuhr benetzen und Getriebelager über mehrere Wellen hinweg versorgen, die sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen. Die E-Maschine wird aktiv versorgt, wobei Öl durch die zentrale Rotorwelle zugeführt und durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert wird, während die Getriebelager weitgehend auf passives Sloshing aus der Ölwanne angewiesen sind. Ob das Öl jede benötigte Oberfläche erreicht, hängt in jedem Fall von Geometrie, Drehzahl und Verteilungsmustern ab, die sich ohne eine detaillierte Auflösung der Strömung kaum vorhersagen lassen.
Einführung
Wir haben den EDU als zwei gekoppelte partikelbasierte Simulationen ausgewertet: zunächst die Rotorwelle allein, um zu bestimmen, wie sich das Öl auf die internen Kanäle verteilt, anschließend die vollständige Maschine mit E-Motor und Getriebe gemeinsam, gespeist durch diese Kanalströmungen. (Die veröffentlichte Fallstudienserie gliedert dies zur besseren Lesbarkeit in drei Teile.) Ziel war es, genau zu ermitteln, was im Inneren geschieht: was die Rotorkanäle liefern, wo die Wicklungsbedeckung am höchsten und am niedrigsten ist und welche Getriebelager unzureichend mit Öl versorgt werden. Dieser Artikel beschreibt, was diese Simulationen zeigen, nicht die zugrunde liegende Methodik. Warum sich partikelbasierte CFD für die Tauchschmierung eignet und wie sie im Vergleich zu netzbasierten Verfahren abschneidet, erläutern unsere Studie zur Getriebeschmierung sowie der Artikel Partikel vs. Finite-Volumen-CFD.
Was einen EDU besonders macht
In einem konventionellen Getriebe ist das Schmierziel vergleichsweise klar definiert: Öl zu den Lagern und Zahnkontakten bringen. Die Geometrie ist kompakt, die Zahl der rotierenden Bauteile ist begrenzt, und die Schmierpfade sind aus jahrzehntelanger Industrieerfahrung gut bekannt.
Ein EDU vereint einen Elektromotor und ein Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse, sodass das Schmiersystem zwei grundlegend unterschiedliche Aufgaben gleichzeitig erfüllen muss. Im Getriebe reduziert das Schmiermittel Reibung und Verschleiß an Zahnkontakten und Lagern. In der E-Maschine ist seine Funktion thermischer Natur: Das Öl muss die Wicklungsoberflächen benetzen, um Wärme von einem Bauteil abzuführen, das unter Last erhebliche Verluste erzeugt. Diese beiden Anforderungen führen nicht notwendigerweise zur selben Ölverteilungsstrategie.
Auch die Geometrie ist anspruchsvoller. Öl tritt durch die zentrale Rotorwelle ein, wird durch kleine interne Kanäle radial nach außen geschleudert und muss von dort aus durch eine Kombination aus Direktstrahl, Sloshing und schwerkraftgetriebenem Filmfluss sowohl den E-Maschinenbereich als auch den Getriebebereich erreichen, während mehrere Getriebewellen mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren. Genau diese Art von bewegtem Mehrkörper-Problem mit zerfallender freier Oberfläche behandelt partikelbasierte CFD nativ. Im Folgenden wird beschrieben, was die Simulation nach vollständiger Auflösung zutage förderte.
Rotorkanalströmung: Die Randbedingung, von der alles abhängt
Alles Nachgelagerte hängt davon ab, wie sich das in die Rotorwelle eingespeiste Öl auf die acht internen Kanäle aufteilt, die es nach außen transportieren. Eine fehlerhafte Verteilung führt dazu, dass die Ergebnisse für E-Motor und Getriebe auf einer falschen Randbedingung beruhen. Daher wird der Rotor zunächst eigenständig aufgelöst, und die dabei ermittelten Kanalvolumenströme werden als Eingangsgrößen für die Gesamtmaschinensimulation verwendet. Die genaue Erfassung dieser kleinen Kanäle erfordert lokal verfeinerte Auflösung; das vollständige Setup ist in Teil I beschrieben.
E-Motor: Die Wicklungsbedeckung ist die thermische Kernaussage
Mit den ermittelten Rotorkanalströmungen umfasst die zweite Simulation die gesamte Maschine, E-Motor und Getriebe gemeinsam. Betrachten wir zunächst den E-Motor. Die Frage lautet hier nicht nur, ob die Lager mit Öl versorgt werden, sondern wie gleichmäßig die Wicklungsoberflächen bedeckt sind, denn eine ungleichmäßige Bedeckung bedeutet ungleichmäßigen Wärmeübergang, und ein thermisches Modell, das auf einem einzigen mittleren Wärmeübergangskoeffizienten basiert, wird die Hotspots verfehlen.
Beide Rotorlagerstellen erreichen innerhalb des Simulationsfensters einen stationären Schmierstoffzustand. Das aufschlussreichere Ergebnis ist die Wicklungsbedeckung: Sie ist an den Wicklungsenden am höchsten, wo der Rotor Öl direkt auf die Oberfläche schleudert, und in den mittleren Bereichen am niedrigsten, die durch die Geometrie vor dem Direktstrahl abgeschirmt sind. Dieses ungleichmäßige Muster ist eine direkte Folge der Strahlgeometrie und genau die räumlich aufgelöste Eingangsgröße, die ein thermisches Modell benötigt, um über die gesamte Wicklung realistische Wärmeübergangskoeffizienten zuzuweisen, anstatt einen einzigen Gesamtwert zu verwenden. Den Übergang von der Ölverteilung zur Bauteiltemperatur behandeln wir in Von der Ölverteilung zur Spitzentemperatur.
Getriebe: Wo passives Sloshing nicht ausreicht
In derselben zweiten Simulation liefert das Getriebe den direktesten konstruktiven Befund. Drei Wellen drehen sich mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen in einer gemeinsamen Ölwanne und werden ausschließlich durch passives Sloshing versorgt.
Bei passivem Sloshing ist die Versorgung deutlich ungleichmäßig. Ein Lager an der Zwischenwelle erhält während der gesamten Simulation überhaupt kein Öl, und ein Lager an der Eingangswelle bleibt deutlich unterversorgt, während die übrigen einen stabilen stationären Zustand erreichen. Das sind keine marginalen Unterschiede, sondern geometrisch bedingte Lücken, die die Simulation direkt aufzeigt.
Die Ausgangswelle zeigt die Kehrseite und den Grund dafür. Sie ist die einzige Welle, bei der das vordere Lager besser versorgt wird als das hintere, weil eine im Gehäuse eingegossene Führungsschiene das vom Zahnrad geschleuderte Öl aktiv dorthin lenkt. Die Schlussfolgerung ist übertragbar: Wo die Geometrie den Ölpfad aktiv steuert, ist die Versorgung zuverlässig; wo sie allein auf passives Sloshing setzt, ist sie es nicht. Die lagerseitigen Volumenströme je Welle sind in Teil III tabellarisch aufgeführt.
Den EDU-Entwurf einordnen
Diese zweiteilige Simulation zeigt, was partikelbasierte CFD über die Strömungsvisualisierung hinaus bietet. Die Rotorkanalvolumenströme speisen die Gesamtmaschinensimulation. Die Wicklungsbedeckungskarte speist das thermische Modell. Die Getrieberesultate zeigen direkt, wo die Geometrie überarbeitet werden muss.
Ein vollständig trockenes Lager an der Zwischenwelle zu finden ist nicht das Ergebnis, das man aus einer vereinfachten Analyse oder einer empirischen Abschätzung erhält. Es in der Geometriephase zu entdecken ist im Vergleich zur Entdeckung nach dem Zusammenbau des Antriebsstrangs mit keinerlei Mehrkosten verbunden.
Die vollständigen Ergebnisse, einschließlich Volumenstromdiagrammen, gerenderten Lagerbildern und Wicklungsbedeckungskarten, sind in der EDU-Fallstudienserie verfügbar:
- Teil I: Simulation der Schmierstoffströmung im Rotor
- Teil II: E-Motor, Wicklungsbedeckung und Lagerversorgung
- Teil III: Getriebe, Lagerschmierung über drei Wellen
Wenn Sie einen EDU oder ein Getriebe entwickeln, bei dem Tauchschmierung Teil der Strategie ist, fordern Sie eine Testversion von shonDy an.