Spitzenleistung im Antriebsstrang mit Drehmoment und Kraft

Die Automobilentwicklung muss konkurrierende Leistungsanforderungen in Einklang bringen: maximaler mechanischer Wirkungsgrad, größere Reichweite und geringerer Kraftstoffverbrauch, optimiertes akustisches Verhalten und eine Haltbarkeit über Jahrzehnte.

Ob hinter einem leistungsstarken Verbrennungsmotor, einem Multimode-Hybridgetriebe oder einer integrierten elektrischen Antriebseinheit – der Antriebsstrang ist der entscheidende mechanische Pfad, der die Leistung auf die Räder überträgt. Wer sich allein auf indirekte Schätzungen verlässt, etwa auf die Stromrückmeldung des Motorwechselrichters, Kraftstoffverbrauchsmodelle oder Simulationsannahmen, erfasst weder dynamische Reibung noch Zahneingriffsnachgiebigkeit, Wärmeausdehnung oder Scherverluste im Fluid.

Die direkte physikalische Messung von Drehmoment, Axialschub und mehrachsigen Reaktionskräften liefert die grundlegenden Daten, um den tatsächlichen Wirkungsgrad zu bewerten, dynamische Transienten abzubilden und mechanische Ermüdung über anspruchsvolle Prüfzyklen hinweg zu verhindern. Interface beliefert die Automobilindustrie mit Aufnehmern und Messelektronik für leistungsfähige Antriebsstrangprüfungen.

Anwendungen in der Antriebsstrangprüfung im Detail

Optimierung der Kraftstoff- und Energieeffizienz und Viskositäts-Fließverhalten

Die Verringerung parasitärer Verluste in Verteilergetrieben, Differenzialen und Untersetzungsgetrieben ist zentral, um Verbrauchsvorgaben und Reichweitenziele für Elektrofahrzeuge zu erreichen. Ein erheblicher Teil dieser Verluste im Antriebsstrang entsteht durch Scher- und Planschverluste in Getriebeflüssigkeiten und Getriebeölen über wechselnde Temperaturzyklen hinweg.

Mit präzisen rotierenden Drehmomentaufnehmern, die in Eingangs- und Ausgangswelle eingebaut werden, quantifizieren Ingenieure Planschwiderstand, Dichtungsreibung und Pumpverluste direkt – vom Kaltstart bis zur Betriebstemperatur. Diese Messungen liefern präzise empirische Rückmeldung, um Schmierstoffchemie, Viskositäts-Fließverhalten und die Geometrie interner Absaugpumpen auf maximalen mechanischen Übertragungswirkungsgrad zu optimieren.

Hohe Spitzenstöße, Schubreibung und Rekuperationsschleppmoment

Antriebsstränge arbeiten zwischen zwei Extremen: plötzlichen Torsionsüberlastungen und reibungsarmem, antriebslosem Rollen. Hohe Drehmomentspitzen, abrupte Kupplungsvorgänge, schnelle Drehmomentumkehr, Bordsteinanschläge und plötzliche Traktionsereignisse setzen den Antriebsstrang starken mechanischen Stößen aus. Hochfrequente Drehmomentsensoren erfassen die momentanen Spitzenamplituden und verifizieren so Wellenfließgrenzen, die Integrität der Verzahnungseingriffe und die Steuerung der Rupfdämpfer.

Am anderen Ende des Spektrums, beim Ausrollen und bei der Rollreibung, erfordert die Quantifizierung des passiven Schleppmoments während Verzögerung oder Rollen eine hohe Nullpunktstabilität und Auflösung. Die Messung des Schubmoments isoliert Vorspannungsreibung, Luftverwirbelung im Gehäuse sowie die verbleibende Motor- oder Getriebereibung. Diese Parameter sind entscheidend für die Kalibrierung der Segelrekuperation und der Freilaufalgorithmen von Elektromotoren.

Wirkungsgrad schnelldrehender E-Achsen und Kartierung parasitärer Verluste

Integrierte E-Achsen vereinen Elektromotor, Leistungselektronik und Untersetzungsgetriebe in einem kompakten Gehäuse. Um den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu bestimmen, muss die tatsächliche mechanische Wellenleistung über das gesamte Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld der elektrischen Hochvolt-Eingangsleistung gegenübergestellt werden. Schnelldrehende, berührungslose rotierende Drehmomentaufnehmer zwischen dem Ausgang des Untersetzungsgetriebes und der Belastungsmaschine des Prüfstands erfassen kontinuierlich das Drehmoment an Eingangs- und Ausgangswelle und machen so feine Unterschiede in der Zahneingriffsreibung und der Lagervorspannung sichtbar.

Zweimassenschwungrad und Torsionsschwingungsdämpfung

In Verbrennungs- und Hybridantrieben erzeugen die Zündimpulse der Zylinder starke Drehungleichförmigkeiten an der Getriebeeingangswelle. Zweimassenschwungräder und Torsionsdämpfer dämpfen diese Schwingungen und schützen so die Getrieberadsätze. Für das Prüfteam ist hier das Geräusch-, Schwingungs- und Rauheitsverhalten (NVH, Noise, Vibration and Harshness) die maßgebliche Messgröße. Prüfingenieure bauen rotierende Drehmomentaufnehmer sowohl am Kurbelwellenausgang als auch an der Getriebeeingangswelle ein. Hochfrequente Messdatenerfassungssysteme zeichnen Verdrehwinkel und Drehmomentschwankungen gleichzeitig auf und bilden so die dynamische Torsionssteifigkeit und die Resonanzfrequenzen über verschiedene Drehzahlen und Lastzustände ab.

Ermüdungsprüfung von Seitenwellen und Gleichlaufgelenken

Seitenwellen und Gleichlaufgelenke übertragen das Antriebsmoment und gleichen dabei laufend Federwege und Lenkeinschläge aus. Die Bewertung der Dauerhaltbarkeit von Seitenwellen erfordert mehrachsige zyklische Prüfungen, die hohes Drehmoment mit gleichzeitiger axialer Auslenkung kombinieren. Dauerfeste Reaktions-Drehmomentaufnehmer und maßgefertigte Lastbolzen im Achsprüfstand messen dynamische Torsionswechsel, Wellenverdrehung und Axialschubkräfte, um Dauerfestigkeitsgrenzen und den Schmierstoffrückhalt der Manschetten unter harten Straßenlastprofilen nachzuweisen.

Nasslaufende Lamellenkupplungen und Schaltprofile von Getrieben

Automatik-, Doppelkupplungs- und Hybrid-Trennkupplungen müssen das Drehmoment nahtlos übergeben, damit das Fahrzeug ohne Schaltruck in Bewegung bleibt. Zur Charakterisierung des Einkuppelvorgangs müssen sowohl die axiale hydraulische Anpresskraft auf die Reiblamellen als auch das daraus resultierende übertragene Drehmoment gemessen werden. Kompakte Kraftmessringe mit Durchgangsbohrung oder Miniatur-Druckkraftaufnehmer direkt hinter den Kupplungskolben messen die Anpresskraft, während ein nachgeschalteter rotierender Drehmomentaufnehmer die dynamischen Übergänge vom Schlupf bis zum Haften der Kupplung aufzeichnet.

Hohe Drehzahlen, außermittige Lasten und dynamische Transienten beherrschen

Die Prüfung von Antriebssträngen stellt Messtechnik vor besondere physikalische Herausforderungen – insbesondere bei hocheffizienten Getrieben und dem Wandel der Branche hin zu hochdrehenden elektrischen Antrieben. Fahrmotoren und Hochleistungsgetriebe arbeiten häufig mit 15.000 bis 20.000 min⁻¹ oder mehr und liefern bei Lastwechseln, Volllastbeschleunigungen und Übergängen in die Rekuperation schlagartige Drehmomentspitzen.

Herkömmliche Sensoren mit Schleifringen können bei diesen Drehzahlen elektrisches Rauschen, Bürstenreibung und Wartungsaufwand mit sich bringen. Um Drehmomenttransienten im Mikrosekundenbereich aufzulösen, braucht es berührungslose rotierende Aufnehmer mit hoher Torsionssteifigkeit, geringer rotierender Masse und integrierter Drehzahl- und Winkelerfassung. Die hohe Torsionssteifigkeit stellt sicher, dass der Sensor keine zusätzliche Nachgiebigkeit in den Antriebsstrang einbringt und die Eigenfrequenz des gesamten Prüfstands erhalten bleibt.

Hinzu kommt, dass Antriebsstrangprüfstände durch Wellendurchbiegung und Wärmeausdehnung regelmäßig Querkräfte, Winkelversatz und Axialschubkräfte erzeugen. Die Aufnehmer müssen diese mechanischen Momente unterdrücken, um das reine Torsionsmoment von störenden Biegespannungen zu trennen und die Messgüte auch bei Dauerläufen unter Volllast zu sichern. Interface hat den AxialTQ genau für diese Anforderungen entwickelt.

Im Fokus: das drahtlose Drehmomentmesssystem AxialTQ von Interface

Die extremen Anforderungen moderner Antriebsstrangprüfungen verlangen Messtechnik, die gezielt für die Prüfzelle entwickelt wurde. Das Interface AxialTQ System wurde eigens für die physikalischen Herausforderungen schnelldrehender Automobilprüfstände mit hohen Transienten konzipiert. In diesem kurzen Video sehen Sie die wichtigsten Merkmale.

1. Berührungslose Telemetrie der neuesten Generation mit digitaler Funkübertragung und induktiver Energieversorgung macht Schleifringe und Verschleißteile überflüssig und vermeidet Wartungsstillstände bei dauerhaft hohen Drehzahlen.
2. Hohe Torsionssteifigkeit und geringe rotierende Masse minimieren die Trägheit und erhalten die Dynamik des Antriebsstrangs. AxialTQ ermöglicht eine echte hochfrequente Messung von Drehmomentspitzen, ohne die Eigenfrequenzen des Prüfstands zu verändern.
3. Die hervorragende Unterdrückung von Störlasten sorgt für eine hohe Toleranz gegenüber außermittigen Biegemomenten und Axialschubkräften infolge von Wellendurchbiegung, Wärmeausdehnung und Fluchtungsfehlern. So spiegelt das gemessene Drehmoment die reine Torsionslast wider.
4. Zwei gleichzeitige Ausgangskanäle liefern analoge Signale mit hoher Bandbreite und parallel dazu kalibrierte digitale Daten. Prüfingenieure können synchronisierte Echtzeitdaten so direkt in Prüfstandsautomatisierung, CAN-Bus- und EtherCAT-Architekturen einspeisen.

Ob bei der Erfassung geringer Schubreibung oder bei hohen Spitzenstößen – der AxialTQ bietet die Auflösung, das dynamische Ansprechverhalten und die Nullpunktstabilität, die eine gründliche Validierung von Antriebsstrang und Antrieb erfordert. Weitere technische Details erfahren Sie im Webinar „Latest Spin on AxialTQ“.