Verzahnungslösungen für die E-Mobilität

Neue Antriebstechnologien in der Elektromobilität verändern die Anforderungen an die Getriebeteile und damit auch an die Qualität der Zahnflankenoberflächen. Hersteller von Zahnrädern müssen ihren Fertigungsprozess entsprechend anpassen. Gut, wenn man dabei auf einen Technologiepartner zurückgreifen kann, der mit seinem Know-how über die gesamte Bandbreite der Fertigungsverfahren und -technologien in der Lage ist, passende Lösungen auch für besondere Herausforderungen zu entwickeln.

Die E-Mobilität verändert den gesamten Antriebsstrang im Auto und damit einhergehend auch die Anforderungen an die Getriebebauteile. Eines der wichtigsten Themen dabei ist die Reduzierung der Geräuschentwicklung des Antriebsstranges im Fahrbetrieb. Um Bauraum einzusparen, werden viele Teile des Getriebes in Leicht- bzw. Kompaktbauweise hergestellt. Gleichzeitig müssen Getriebebauteile immer robuster und langlebiger werden, um der hohen Beanspruchung aufgrund der höheren Motordrehzahlen standzuhalten.

Prozess- und Technologiekompetenz bei Liebherr

Daraus ergeben sich hohe Qualitätsansprüche an die Zahnflankenoberflächen, die wiederum steigende Anforderungen an den Verzahnungsprozess mit sich bringen. Die Liebherr-Verzahntechnik GmbH hat sich mit dem Thema auseinandergesetzt und verschiedene Technologielösungen für E-Getriebe weiterentwickelt und optimiert. „Wir wissen um die Herausforderungen, denen sich Hersteller und Zulieferer stellen müssen, was Qualität und Prozessstabilität angeht“, erläutert Dr. Andreas Mehr, verantwortlich für die Technologieanwendungen Verzahnungsschleifen und -stoßen. „Wir bringen unser Know-how sowohl in der Prozesstiefe als auch in der Breite der Technologien mit ein. Damit können wir den Kunden als Partner umfassend beraten und begleiten, um für ihn und seine Anwendung die optimale Lösung zu finden.“

Verfahren und Methoden

Auf der Verfahrensseite sorgt beispielsweise das Wälzschleifen mit abrichtfreien CBN-Schleifschnecken für hohe Prozesssicherheit. Im Rahmen der Hartfeinbearbeitung können die Zahnräder feingeschliffen und poliert werden, was den Oberflächenrauheitswert weiter senkt. Werkzeuge mit kleinem Außendurchmesser bearbeiten kollisionskritische Verzahnungen mit begrenztem Werkzeugauslauf.

Hinsichtlich der Zahnflankentopologie stehen Methoden für Flankenlinienmodifikationen zur Verfügung. Beispielsweise sorgt das topologisch abweichungsfreie Schleifen mit gezielter Endrücknahme (GER) für Traglastoptimierung. Um die Geräuschentwicklung zu reduzieren, kann eine gezielte Welligkeit auf die Zahnflanke aufgebracht werden (Noise Excitation Optimization) oder der diagonale Anteil beim Schlichten erhöht werden, um die Schleifriefenstruktur stochastisch zu verteilen (Silent Shift Grinding).

Werkzeugmaterial: CBN-Schleifschnecken

Je mehr topologische Modifikationen erforderlich sind, desto eher lohnt es sich, über das Werkzeugmaterial nachzudenken: Hier können CBN-Werkzeuge eine wirtschaftliche Alternative sein. Für viele Applikationen ist das Schleifen mit Korund-Schnecken eine gute Lösung, die beim Schleifen bei hohen topologischen Anforderungen aufgrund des Abrichtaufwands allerdings an ihre Grenzen kommt. Abrichtfreie CBN-Schleifschnecken aus Liebherr-Eigenproduktion bieten eine Reihe von Vorteilen: hohe Prozessstabilität aufgrund der langen Werkzeugstandzeiten, die Vermeidung von Fehlerquellen beim Abrichten, das einfache Werkzeughandling sowie deutlich reduzierte Mess- und Prüfaufwände. Bei einer Topologie mit GER-Modifikation beispielsweise schneidet das CBN-Schleifen hinsichtlich der Stückkosten gegenüber dem Korund-Schleifen deutlich besser ab. Auch feinste Oberflächen mit einem Rz-Rauheitswert von unter drei Mikrometern können damit erzielt werden.

Spannlösungen für kleine Bauteile

Die Herausforderung in der Herstellung von Getriebeteilen für E-Bikes liegt häufig in den filigranen Abmessungen und kleinen Modulen. Für die Fertigung dieser Bauteile in hoher Qualität müssen Schleifprozess und Spanntechnik schnell und hochpräzise sein. Spezielle Spannlösungen sorgen dafür, dass auch kleine und kollisionskritische Bauteile wie zum Beispiel Antriebswellen mit Modul 0,6 mm in einer Verzahnungsqualität von DIN 1-4 problemlos bearbeitet werden können.

Maschinenkonzept: Wirtschaftlichkeit und Reproduzierbarkeit

Für optimalen Rundlauf und höchste Reproduzierbarkeit sorgt das exklusive Liebherr-Maschinenkonzept mit einer Ein-Tisch-Lösung – für die kontrollierte und kontinuierliche Fertigung von Teilen mit Qualitätsanforderungen im Mikrometer-Bereich ein technologisch unverzichtbarer Vorteil. Insbesondere bei kleineren und mittleren Stückzahlen, wie sie häufig in der Fertigung für die E-Mobilität vorkommen, ist dieses Konzept auch besonders wirtschaftlich, denn die kurzen Rüstzeiten ermöglichen einen schnellen Produktionsstart.

Auf Augenhöhe mit dem Kunden

„Wir verstehen uns nicht nur als Produktanbieter, sondern als Partner und Lösungsanbieter“, betont Dr. Andreas Mehr. „Wir nehmen den Kunden mit auf die Reise, indem wir ihm Entscheidungshilfen bieten und plausible Alternativen aufzeigen, damit er am Ende die für ihn optimale Entscheidung treffen kann.“Dafür steht bei Liebherr eine Reihe von Versuchsmaschinen zur Verfügung, auf denen sämtliche Prozessparameter zur Herstellung spezifischer Teile getestet und ausgelegt werden können, seien es das Werkzeug, die Auslegungs- oder Messsoftware, Schleifmethoden oder Prozessparameter, Zahnflankenmodifikationen und andere Einstellungen.

Nur die Physik setzt Grenzen

So waren beispielsweise im Getriebe eines Kunden trotz Einhaltung der geforderten Spezifikationen Geräusche aufgetreten. In einem intensiven Austausch mit dem Kunden und unter hohem Zeitdruck nahm Liebherr sich des Themas an. Auf den Versuchsmaschinen wurde eine Reihe von Varianten des entsprechenden Bauteils geschliffen und getestet. Dabei stellte sich heraus, dass die Ursache in weiteren Parametern außerhalb des Schleifprozesses lag und das Getriebe anders ausgelegt werden musste. Auf Basis dieser Ergebnisse konnte der Kunde seine Prozesse entsprechend optimieren. Die Geräuschentwicklung wurde signifikant reduziert und so eine befriedigende Lösung im Rahmen des physikalisch Machbaren erzielt.

„Der enge Zeitrahmen konnte eingehalten werden, weil bei Liebherr die komplette Technologie und das Know-how gebündelt vorhanden waren“, erinnert sich Dr. Andreas Mehr und erläutert weiter: „Oft gibt es kein ‚Richtig oder Falsch‘: Vielmehr hängt die Wahl des optimalen Verfahrens von den spezifischen Anforderungen und Parametern ab. An der Stelle wollen wir unsere Kunden unterstützen, indem wir ehrlich das Für und Wider für das ein oder andere Verfahren abwägen.“