Einstufige Planetengetriebe: Der Wettbewerb um das sparsamste Auto

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Das TUfast e.V. Eco Team der Technischen Universität München setzt sich als Ziel, jedes Jahr ein neues, hocheffizientes Prototyp-Fahrzeug zu entwickeln, zu bauen und zu testen. Damit nimmt das Team jedes Jahr an Effizienzwettbewerben teil, bei welchen das im Hinblick auf den Energieverbrauch sparsamste Auto gewinnt. Die Verbesserung der Effizienz insbesondere von Elektrofahrzeugen ist eine wichtige Aufgabe für Ingenieure und Manager der Zukunft.

Einstufige Planetengetriebe im Praxis-Einsatz: Was Elektrofahrzeuge betrifft, wollen Kunden Reichweite und kostengünstig von A nach B kommen und dabei möglichst wenig der wertvollen Energie aufwenden, die der Menschheit nur begrenzt zur Verfügung steht. Das TUfast e.V. Eco Team ist fest davon überzeugt, dass alle Maschinen und technischen Produkte so wenig Energie wie möglich verbrauchen müssen, um den nachfolgenden Generationen denselben Lebensstandard und dieselbe Lebensqualität zu ermöglichen, der heutzutage vielen noch bereitsteht

Jedes Jahr ein neues Autos

Komplett studentisch organisiert stellt jedes Jahr der „Shell Eco-marathon“ (SEM), weltweit einer der größten Wettbewerbe für effiziente Mobilität, einen Höhepunkt dar. Und so haben sich auch Ende 2020 einige Studenten zusammengefunden, um für den SEM 2022 ein neues Auto zu entwickeln und das Team neu aufzustellen (2020 und 2021 gab es pandemiebedingt keinen SEM). Seit dem Jahr 2017 baut man im Eco-Team, nach großen Erfolgen in der „Prototyp“-Kategorie (unter anderem Weltrekord für das effizienteste elektrische Fahrzeug 2016), Fahrzeuge für die „Urban Concept“-Kategorie. Hier sitzt, im Gegensatz zur vorherigen Fahrzeugklasse, der Fahrer aufrecht und das Fahrzeug funktioniert im urbanen Verkehr aufgrund eines Gepäckraumes, guter Übersicht und erreichbaren Geschwindigkeiten von bis zu 45 km/h. Der neue Prototyp „muc022“ sollte alles übertreffen, was das Team an energieeffizienten, batterieelektrisch betriebenen „Urban Concept“-Fahrzeugen je gebaut hatte.

Neben den technischen Herausforderungen war es eine große Aufgabe, inmitten einer Pandemie, neue, motivierte, finanziell nicht entlohnte Mitglieder zu finden. Diese Aufgabe konnte das Team jedoch meistern: Heute sind es mehr als 70 Studenten aus mehr als 28 Nationen, die fast schon zu einer Familie zusammengewachsen sind.

Das beste Ergebnis: Einstufige Planetengetriebe ganz vorne

Am 3. Juni 2022 war es dann offiziell: Mit einer Reichweite von 271 km/kWh (Verbrauch: 0,369 kWh/100 km) wurde mit großem Abstand das beste Ergebnis in der Vereinsgeschichte eingefahren. Im Wettbewerb mit verschiedenen anderen Universitäten aus Europa und Afrika wurde auf der legendären Moto-GP Strecke in Assen, Niederlande der zweite Platz erreicht. Neben diesem Erfolg war das Team auch bei den „Off-Track-Awards“ erfolgreicher denn je: Bei allen drei Auszeichnungen, für die man sich beworben hatte, wurde im Wettbewerb mit 38 anderen Teams der erste Platz erreicht. Neben dem „Vehicle Design Award“ und dem „Safety Award“ holte das Team sich den „Technical Innovation Award“, bei welchem vor allem die neuen CFK-Felgen und der neue Antriebsstrang entscheidend waren.

Als nächstes steht die „Autonomous Urban Concept Competition“ in Frankreich an: Hier wird sich das Team weiteren Herausforderungen stellen, welche das Fahren einer autonomen Runde, das autonome Einparken in eine Parklücke, das autonome Ausweichen von Objekten und die Präsentation eines Business-Plans beinhalten.

Mit KISSsoft zum effizienten Planetengetriebe

Ein gutes Team ist Voraussetzung für solche Erfolge. Jedoch sind weitere Faktoren nötig, um ein Projekt wie „muc022“ zu stemmen. Das Eco-Team hat dankenswerterweise einige Sponsoren und Unterstützer, die finanzielle und technische Mittel bereitstellen. Und so trägt auch die KISSsoft AG, durch die Vergabe von Lizenzen für die Getriebeauslegungsprogramme KISSsoft und KISSsys, zum Erfolg des TUfast Eco Teams diese Saison bei. In einer Masterarbeit wurde mit Hilfe dieser Tools ein neuer mechanischer Antriebsstrang für „muc022“ entwickelt, welcher noch genauer auf die Anforderungen an das Fahrzeug angepasst und noch um einiges effizienter gemacht werden konnte. Diese Neuentwicklung war auch ausschlaggebend für den „Technical Innovation Award“ beim Shell Eco-marathon 2022.

Mit Hilfe von KISSsoft wurde iterativ ein einstufiges Planetengetriebe ausgelegt, welches mit einer Übersetzung von 7.8 die hohen Drehzahlen des Permanentmagnet-Synchronmotors auf die nötigen Raddrehzahlen wandelt. Hauptaugenmerke in der Entwicklung waren eine verbesserte Effizienz bei der Drehmomentwandlung, eine geringere Masse und geringeres Massenträgheitsmoment, sowie ein geringeres Volumen, da das einstufige Planetengetriebe mit Motor direkt im Radträger integriert wird. Da es die effizienteste Variante eines einstufigen Planetengetriebes darstellt, wurde das Sonnenrad als Leistungseingang und der Planetenträger als Leistungsausgang festgelegt. Unter Berücksichtigung der Fahrzeugparameter, einer neuen Fahrstrategie und den Motorkennwerten resultierte ein Getriebe mit signifikant reduziertem Modul von 0.4mm und reduzierter Masse von nur 100g. Mit Hilfe von KISSsoft konnte auf diese Weise die berechnete Planetengetriebe-Effizienz von 96.8 Prozent auf 98.4 Prozent erhöht werden (unter Vernachlässigung von Lager- und Schmierstoffverlusten).

Bilanz und Ausblick: Einstufige Planetengetriebe

Nachdem am Shell Eco-marathon in den Niederlanden bereits ein sehr guter zweiter Platz erreicht werden konnte und alle drei Ingenieurswettbewerbe gewonnen wurden, erhielt das Eco-Team Mitte Juli noch den online vergebenen „Simulate to Innovate“ Award für die beste Nutzung von Simulations- und Optimierungssoftware im Entwicklungsprozess. Auch hier war die Verbesserung des Getriebewirkungsgrades mit KISSsoft von großer Bedeutung. Nun befindet sich das TUfast e.V. Eco Team bereits in den Vorbereitungen und in der Konzeptphase für die kommende Saison, in welcher „muc023“ entwickelt und gebaut wird, um 2023 am Eco-marathon den ersten Platz zu erreichen. Auch hier soll das Planetengetriebe weiterentwickelt werden, um die Vision einer effizienteren Individualmobilität Realität werden zu lassen.

Der Autor, Jonas Ohnemus, ist Technical Director muc022, TUfast Eco an der Technischen Universität München.

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