Elektrische Antriebseinheit - Teil III: Getriebe

Electric Drive Units (EDUs) sind das Herzstück moderner Elektrofahrzeuge und vereinen den Elektromotor und das Getriebe in einem einzigen, kompakten System. Diese Einheiten sind entscheidend für die Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit, die von Elektroautos erwartet werden.

Eine zentrale Herausforderung bei der Konstruktion von EDUs ist die Gewährleistung einer wirksamen Schmierung. Eine ordnungsgemäße Schmierung minimiert die Reibung, verringert den Verschleiß der Komponenten und trägt zur Wärmeableitung bei, was alles für die Langlebigkeit und Effizienz des Systems entscheidend ist. Da EDUs mit hohen Geschwindigkeiten und unter wechselnden Lasten betrieben werden, ist die Optimierung der Schmierung von entscheidender Bedeutung, um Spitzenleistungen zu erzielen und gleichzeitig strenge Anforderungen an die Haltbarkeit zu erfüllen.

Dieser Simulationsfall untersucht das Verhalten der Schmierung innerhalb einer EDU und konzentriert sich darauf, wie das Öl unter realistischen Betriebsbedingungen verteilt wird und mit kritischen Komponenten interagiert.

Ziel von Teil III: Untersuchung kritischer Bereiche im Getriebe

Während Teil II. sich auf den E-Motor konzentrierte, verlagert Teil III den Schwerpunkt auf das Getriebe. Dieser Teil hat Ähnlichkeiten mit den Getriebe Simulationen auf unserer Website (Getriebeschmierung mit shonDy und Getriebeschmierung bei niedrigen Temperaturen mit shonDy ). Dementsprechend ist auch hier die Zielsetzung vergleichbar: eine effektive Schmierung der Lager zu gewährleisten und eine optimale Verteilung des Schmierstoffs im gesamten Getriebesystem zu erreichen. Eine ordnungsgemäße Schmierung verringert die Reibung und den Verschleiß und trägt so zur Gesamteffizienz und Langlebigkeit der EDU bei.

Fallbeschreibung

Der allgemeine Aufbau des Getriebes ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Um Überschneidungen zu vermeiden, wird in diesem Abschnitt ausschließlich der Getriebeaufbau beschrieben. Einzelheiten zur Konfiguration des E-Motors finden Sie in Teil II .

Die Drehzahlen der verschiedenen Wellen und Lager sind wie folgt:

Die Simulation beginnt mit einer Ölmenge von etwa 1,6 Litern in der Ölwanne. Es wurde eine Partikelgröße von 0,064 mm verwendet, was zu einer Gesamtmenge von etwa 5 Millionen Partikeln führte. Der rote Kasten in der Abbildung stellt einen Auslass im Sumpf des Getriebegehäuses dar. Dieser Auslass ist mit den Einlässen des Rotors aus Teil II. verbunden. Der Auslass saugt 12 l/min Öl ab, das auf die Rotoreinlässe verteilt wird.

Die Überwachung erfolgt durch Probenfenster, die um die Lager herum angeordnet sind. In der nachstehenden Abbildung sind die Proben auf einer Seite des Getriebes hervorgehoben.

• Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, stellen die mit der Nummer 1 gekennzeichneten Proben diejenigen dar, die sich an der Vorderseite des Getriebes befinden.
• Die mit der Nummer 2 gekennzeichneten Proben befinden sich auf der Rückseite des Getriebes (auf diesem Bild nicht sichtbar).

Ergebnisse

In den nachstehenden Diagrammen werden die Daten der beiden Proben auf derselben Welle (1 und 2) in jedem Diagramm zusammen angezeigt. Dieser Vergleich gibt einen klaren Überblick über das Schmierverhalten auf der Vorder- und Rückseite jeder Welle.

Eingangswelle

Schlüsselbeobachtungen:

• Lager 2 (hinten) erhält deutlich mehr Schmiermittel als Lager 1 (vorne).
• Lager 2 erreicht nach etwa 3 Sekunden Simulationszeit stationäre Bedingungen, wobei sich das Schmierstoffvolumen bei etwa 11 ml stabilisiert.
• Das Lager 1 erreicht während der 5 Sekunden Simulationszeit keinen stationären Zustand:
  • In der ersten Hälfte der Simulation erhält das Lager 1 fast keinen Schmierstoff.
  • In der zweiten Hälfte verbessert sich die Situation leicht, aber das Lager wird immer noch minimal geschmiert.
  • Am Ende der Simulation beträgt das Gesamtvolumen des Schmiermittels in der Probe weniger als 1 ml.

Das nachstehende Rendering zeigt die Schmierstoffverteilung.

• Das Lager 2 ist vollständig geschmiert, wobei Flüssigkeit zwischen den Lagerkugeln sichtbar ist.
• Das Lager 1 weist dagegen nur wenige Tropfen Schmiermittel auf, was auf eine unzureichende Bedeckung hinweist.

Zwischenwelle

Schlüsselbeobachtungen:

• Lager 2 erhält deutlich mehr Schmierstoff als Lager 1, ähnlich wie die Antriebswelle.
• Lager 1 erhält während der gesamten Simulation keinen Schmierstoff, was auf eine kritische Schmierlücke hinweist.
• Am Ende der Simulation beträgt das Schmierstoffvolumen in der Probe Lager 2 etwa 4 ml und ist damit geringer als das Volumen, das in Lager 1 der Antriebswelle beobachtet wurde.
• Lager 2 scheint sich gegen Ende der Simulation einem stabilen Zustand zu nähern, doch wäre eine Verlängerung der Simulationsdauer erforderlich, um dies zu bestätigen.

Das nachstehende Rendering zeigt die Schmierstoffverteilung in den Lagern der Zwischenwelle:

• Das Lager 2 ist ausreichend geschmiert, wobei die Flüssigkeit zwischen den einzelnen Kugeln des Lagers sichtbar ist.
• Bei Lager 1 ist dagegen kein Schmiermittel im Lager sichtbar.

Ausgangswelle

Beide Lager erreichten einen stabilen Zustand, wobei sich Lager 1 nach 3,5 Sekunden und Lager 2 nach 2 Sekunden stabilisierte.
Lager 1 stabilisierte sich bei 6 ml, während sich Lager 2 bei 2 ml stabilisierte. Dadurch unterscheidet sich die Abtriebswelle von den anderen Wellen, denn sie ist die einzige, bei der das vordere Lager mehr Schmiermittel erhält als das hintere. Darüber hinaus ist die Abtriebswelle die einzige Welle, bei der das nahe gelegene Gehäuse mit einer Führungsschiene ausgestattet ist, die die Flüssigkeit aktiv von den Zahnrädern zu den Lagern leitet.

Das Bild links zeigt einen Ausschnitt des Gehäuses mit der Abtriebswelle, auf dem die Führungsschiene deutlich zu erkennen ist. Das Abtriebsrad befördert den Schmierstoff nach oben in das Gehäuse und wirft ihn dann auf die Führungsschiene, die die Flüssigkeit seitlich an die Lager verteilt.

Dieser Vorgang ist auf dem zweiten Bild zu sehen, wo das Gehäuse verdeckt ist und nur das Getriebe und die Lager zu sehen sind. Der Grund, warum Lager 2 weniger Schmiermittel erhält als Lager 1, ist ebenfalls sichtbar:

• Bei Lager 1 wird die Flüssigkeit direkt zum Lager geleitet.
• Bei Lager 2 fließt die Flüssigkeit zunächst auf das Differentialgetriebegehäuse, bevor sie das Lager erreicht.

Dennoch füllt der Schmierstoff in beiden Lagern die Zwischenräume zwischen den Kugeln und sorgt so für eine gute Schmierung.

Zusammenfassung

Diese Simulation untersucht die Schmierstoffverteilung im Getriebe einer elektrischen Antriebseinheit (EDU) und zeigt Ungleichgewichte zwischen Eingangs-, Zwischen- und Ausgangswelle auf.

• Eingangswelle: Lager 2 erreicht mit 11 ml einen stabilen Zustand, während Lager 1 untergeschmiert bleibt (<1 ml). Dieses Ungleichgewicht weist auf ein mögliches Designproblem hin, das eine weitere Optimierung erfordert.
• Zwischenwelle: Ein ähnliches Problem tritt auf, wobei Lager 2 4 ml erhält, während Lager 1 völlig trocken bleibt, was auf eine Schmierlücke hinweist.
• Ausgangswelle: Im Gegensatz zu den anderen Wellen erhält das Lager 1 (6 ml) mehr Schmiermittel als das Lager 2 (2 ml), da die Führungsschienen das Öl von den Zahnrädern wegleiten.

Diese Ergebnisse machen deutlich, dass weitere Optimierungen erforderlich sind, um eine ausgewogene Schmierung zu gewährleisten und die Effizienz und Haltbarkeit der EDU zu erhöhen. Dies könnte durch zusätzliche Führungsschienen oder aktive Schmierung erreicht werden.