Optimierung eines hochdrehenden Getriebes für ein E-Fahrzeug - Berücksichtigung der Wechselwirkung Lebensdauer und Wirkungsgrad

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit entstand im Rahmen meines Maschinenbaustudiums an der Technischen Universität Wien und meiner Diplomanden-Tätigkeit bei der Firma Engineering Center Steyr GmbH & Co KG. Als Grundlage der Arbeit diente ein eDrive Konzept des bereits angeführten Unternehmens. Das Thema der Arbeit lautet ¿Wirkungsgradoptimierung eines Getriebes für ein elektrisches Fahrzeug unter Berücksichtigung der Lebensdauer, Tragfähigkeit und des Anregungsverhaltens¿. Die Arbeit beinhaltet eine Literaturrecherche über alle im Getriebe auftretenden Verluste und deren Berechnungsmethoden. Weiteres sind die möglichen Auslegungsmaßnahmen laut Stand der Technik aufgeführt, um die Verluste der Verzahnung, der Lager zu mindern bzw. das Anregungsverhalten zu optimieren. Maßnahmen, wie die Änderung der Verzahnungsparameter analog einer Low-Loss Verzahnung, wurden anhand der bereits vorhandenen Getriebeauslegung untersucht. In weiterer Folge wurden mehrere unterschiedliche Auslegungsvarianten durch Variation von Verzahnungsparametern und Lagerung ausgearbeitet Der Vergleich der unterschiedlichen Auslegungen ergab eine Variante, die den besten Kompromiss zwischen Wirkungsgraderhöhung, Lebensdauer und dem Anregungsverhalten darstellt. Die absolut größte Einsparung der Verzahnungsverluste ergibt sich durch die Reduzierung der Profilüberdeckung. Zusätzlich hatte sich gezeigt, dass die Optimierungsmaßnahmen der verlustarmen Verzahnung geringeren Einfluss auf die Lagerverluste aufweisen, als ursprünglich angenommen. Die Lagerverluste wurden beispielweise durch das Ersetzen der Kegelrollenlager mit den Rillenkugellagern stark gesenkt, dabei wurden die Lebensdaueranforderungen weiterhin erfüllt. Im letzen Abschnitt der Arbeit wurden das Getriebe auf eine 20 % höheren Antriebsdrehzahl adaptiert. Dabei wurden wiederrum mehrere Verzahnungs- und Lagerungsvarianten ausgelegt und analog zum vorherigen Abschnitt miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die Erhöhung der Drehzahl in dem Ausmaß nur eine geringfügige Verschlechterung des Wirkungsgrad des Gesamtsystems bewirkt.

The present thesis has been written in the course of my mechanical engineering studies at Technical University of Vienna and my internship at Engineering Center Steyr GmbH & Co KG. As a basis for the thesis served an eDrive concept of Engineering Center Steyr. The titel of the thesis is ¿Optimisation of a highspeed, electrical vehicle drive¿. The thesis contains a literature research about gear losses and their calculation methodes. Furthermore, it will be discussed about the state of the art possibilities to reduce power losses in gears, bearings and also about optimization of NVH (Noise Vibration Harshness). The design of tooth systems like LowLoss-Gears and also the actions to be taken by designing such gears will be explaind. The negative and positive effects of LowLoss-Gear design on system components like bearings and gears have been evaluated on an already existing gearing system. Further many different gear designs and bearing systems have been constructed. In order to find the best compromise, considering efficiency, sustainability and NVH, all that different versions have been compared to a basic version and also to each other. By comparing all that versions, one version with the best compromise has been found. The absolut highest reduction of power losses caused by tooth engagement can be achieved by reduction of transverse contact ratio. In addition a lower influence of a LowLoss-Gear geometrie on bearing losses than predicted has been shown. For instance a significant reduction of bearing losses could be achieved by replacing a tapered roller bearing with a grooved ball bearing and at the same time the requierd life expactancy has been reached. In the last phase of the thesis the gear system has been adjusted to a 20 % higher input speed. All system components like gear pairs, bearings and seals has been laid-out for a higher input speed and a higher gear ratio. Many different versions of gear pair designs and also bearing high speed systems have been constructed. By comparing such high speed variations with the systems before, could be shown that the 20 % higher input speed has no significant influence on a system efficiency.