Präsentation der Technik-Chronik Innovationskraft auch aus der Geschichte

Innerhalb einer Vorlesungsreihe an der Universität Stuttgart präsentierte ZF die neue Technik-Chronik.

Wirkt sich die 100-jährige Unternehmensgeschichte positiv auf die Innovationskraft von ZF aus? Mit dieser Kernfrage beschäftigte sich Dr. Harald Naunheimer eingehend in seinem Vortrag an der Universität Stuttgart. Der Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung von ZF referierte innerhalb der Vorlesungsreihe „Technologieführer der Automobilbranche stellen sich vor“ – der Anlass war ein historischer: Der 100. Geburtstag von ZF. Doch wer glaubte, der Ingenieur hätte den rund 200 Zuhörern im Hörsaal 2 der Uni Stuttgart rein technisch basierte Inhalte präsentiert, wurde eines Besseren belehrt. Eher philosophisch näherte sich der Naunheimer seiner Quintessenz: Unternehmensgeschichte wirke sich nur dann positiv auf die Innovationskraft aus, wenn sich das Unternehmen permanent den technischen und auch gesellschaftlichen Veränderungen stellt. Und das belegt ein Blick in die neue Technik-Chronik „Bewegende Technik – 100 Jahre ZF“. ZF hat in seiner 100-jährigen Geschichte immer wieder bewiesen, sich Veränderungen erfolgreich zu stellen.

Mit seinen beiden Diskussionspartnern in der dem Vortrag folgenden Diskussionsrunde kam Naunheimer überein, dass aktuell wieder so ein Veränderungsprozess in der Mobilitätsbranche eingesetzt hat. Prof. Dr. Christian Reuss, Lehrstuhlinhaber Kraftfahrzeugmechatronik an der Uni Stuttgart, und Johannes Winterhagen, Autor der ZF-Technik-Chronik, pflichteten Dr. Naunheimer bei, dass das Thema „Autonomes Fahren“ eines der Megathemem der Mobilität der Zukunft werden wird. Lediglich bei der Frage, wann es zum Alltag auf den Straßen gehört, gab es unter den drei Experten uneinheitliche Aussagen.

Dass sich ZF auch in der jüngsten Vergangenheit der Notwendigkeit von Veränderung erfolgreich gestellt hat, zeigen die Entwicklungsergebnisse im Bereich E-Antrieb. Dieses Kapitel ist eines der vielen spannenden Themen der neuen Chronik „Bewegende Technik – 100 Jahre ZF“. Hier ein Auszug:

Elektrische Antriebe von ZF

Entwicklung und Produktion von Elektroantrieben:
für ZF kein Neuland mehr.

Synchron und asynchron

ZF beschäftigt sich schon lange Jahre mit der Frage, wie elektrische Maschinen genutzt werden können, um Autos anzutreiben. So beteiligte man sich Anfang der neunziger Jahre unter anderem an Pilotversuchen, Linienbusse zu elektrifizieren. Dabei konnten Verbrauchseinsparungen von fünfzehn bis zwanzig Prozent nachgewiesen werden. Die zunehmende Finanznot in den Kommunen bereitete diesen Versuchen jedoch ein Ende. Auch bei Fichtel & Sachs sowie den Nachfolgeunternehmen widmet man sich seit den dreißiger Jahren dem Vortrieb von Fahrzeugen. Während die Produktion von Verbrennungsmotoren jedoch 1997 eingestellt wird, fertigt man in Schweinfurt noch heute Elektromotoren. Aus den beiden Entwicklungssträngen resultieren zwei Bauformen der elektrischen Maschine, die beide bei ZF weiterentwickelt werden: zum einen die fremderregte Asynchronmaschine, zum anderen der permanent erregte Synchronmotor. Beide haben je nach Anwendung unterschiedliche Vorteile – ähnlich wie Diesel- und Ottomotor in der Welt der Verbrennungskraftmaschinen. Grundsätzlich erzielt der permanent erregte Motor durch die eingesetzten Seltene-Erden-Magnete einen etwas höheren Wirkungsgrad bei hohen Drehmomenten und moderaten Drehzahlen. Der Asynchronmotor ist jedoch unter anderem durch den Entfall der Magnetmaterialien kostengünstiger zu fertigen und zeigt seine Vorteile bei etwas höheren Drehzahlen.

Die Entwicklung eines Antriebs für ein rein batterieelektrisch betriebenes Kompaktfahrzeug forciert ZF ab Ende 2009. Typisch für die Zentrale Forschung und Entwicklung wird nicht ein bestimmtes Konzept von Anfang an favorisiert, sondern zunächst eine Stärken-Schwächen-Analyse für verschiedene technische Optionen durchgeführt. Am Ende ist klar: Für die avisierte Fahrzeugklasse reicht ein Einganggetriebe mit einer festen Übersetzung. Der elektrische Zentralantrieb erhält das Kürzel EVD1 (Electric Vehicle Drive 1), in der Hoffnung, dass viele Generationen folgen mögen. Alle wesentlichen Komponenten des EVD kommen aus der Hand von ZF: der Elektromotor, das Getriebe sowie die zur Ansteuerung benötigte Leistungselektronik, die in Auerbach, einem ehemaligen Cherry-Betrieb, entwickelt wurde. Kernkomponente ist ein hochdrehender Asynchronmotor, der durch Übersetzung in einen automobiltauglichen Drehzahlbereich gebracht wird.

ZF kann auch elektrisch

Schnitt durch den EVD1-Antrieb mit einem zweistufigen Getriebe.

Unter Regie der Vorentwicklung rüstet ZF einen Serien-Kleinwagen auf den EVD1-Antrieb um, das Fahrzeug wird 2013 Kunden und der internationalen Fachpresse präsentiert. Der Motor leistet in der vorgestellten Ausbaustufe kurzzeitig bis zu 90 Kilowatt, mit den im Dauerbetrieb zur Verfügung stehenden 30 Kilowatt erreicht das Fahrzeug 150 km/h. In anderen Ausbaustufen würden sogar 140 Kilowatt Spitzenleistung erreicht. Die E-Maschine ist auf eine Maximaldrehzahl von etwa 21 000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt. Über ein zweistufiges, nicht schaltbares Getriebe wird diese Drehzahl um den Faktor 16 reduziert. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass eine Schaltung im realen Betrieb nicht mit nennenswerten Verbrauchsvorteilen verbunden wäre, wohl aber mit deutlich höheren Kosten. Die gewählte Auslegung sorgt dafür, dass sich das Fahrzeug in 85 Prozent aller Fahrzustände im optimalen Bereich des Motorkennfelds bewegt.

Auch der Um- oder Wechselrichter, der den aus der Batterie fließenden Gleichstrom in Wechselstrom wandelt, generiert Verluste. ZF gelingt es, diese Verluste deutlich zu verringern, indem das Regelungsverfahren exakt auf den jeweiligen Betriebspunkt des Elektromotors abgestimmt wird. Beim EVD1 sind Elektromotor und Getriebe bereits zu einer Einheit verschmolzen. Die Leistungsdichte ist mit zwei Kilowatt je Kilogramm sehr hoch, die Abmessungen sind entsprechend so kompakt, dass der Einbau in ein Stadtfahrzeug auf vorteilhafte Weise möglich ist.

Das EVD1-Konzept mit integrierter Leistungselektronik findet auch in Expertenkreisen große Beachtung. Auf der „Leitmesse für Elektromobilität“ in München gewinnt das Antriebssystem 2014 den eCarTec-Award, der als bayerischer Staatspreis von einer Fachjury verliehen wird.

Zentral oder dezentral?

Entwicklung und Produktion von Elektroantrieben: für ZF kein Neuland mehr.

Eine Basis für diese Entwicklung stellt der Antrieb für die Elektrofahrzeuge von Renault dar, der ab 2011 in Serie gefertigt wird. ZF geht hierfür eine Kooperation mit dem Zulieferer Continental ein, der die Systemführerschaft übernimmt und den Elektromotor beisteuert. In diesem Fall handelt es sich um eine fremderregte Synchronmaschine, eine Mischform der oben beschriebenen Bauarten. ZF liefert das komplette Untersetzungsgetriebe sowie das Aluminium-Druckguss-Gehäuse, in dem Motor und Getriebe gemeinsam untergebracht sind.

In dem Projekt zeigt sich, dass die gesamthafte Auslegung eines elektrischen Antriebs für den Automobilhersteller große Vorteile bringt. So können Gewicht und Kosten gespart werden, wenn die Motor-Ausgangswelle und die Getriebe-Eingangswelle ein einziges Bauteil sind. Die in das Zentralgehäuse integrierten Kühlkanäle dienen nicht nur dazu, den Motor im richtigen Temperaturbereich zu halten, sondern haben auch positive Auswirkungen auf das Getriebe.

Der elektrische Zentralantrieb ist aber nicht die einzige Möglichkeit, elektrisch zu fahren. Bis reine Elektrofahrzeuge in allen Weltregionen hohe Marktanteile erreichen, werden noch viele Jahre, vielleicht sogar einige Jahrzehnte vergehen. Bis dahin stehen die Automobilhersteller vor der Aufgabe, auf Basis einer Fahrzeugplattform verschiedene Modelle mit sehr unterschiedlichen Antrieben anzubieten. Ideal ist ein elektrischer Antrieb, der mit minimalen Modifikationen am Gesamtfahrzeug zusätzlich eingebaut werden kann und aus einem Benziner oder Diesel ein Hybridfahrzeug macht. Auch dafür hat ZF bereits eine Lösung entwickelt: die elektrische Verbundlenkerachse eTB („Electric Twist Beam“). Jeweils am linken und rechten Hinterrad sitzt eine kompakte Antriebseinheit, die ein Getriebe und einen Elektromotor in einem leichten Aluminiumgehäuse zusammenfasst. Jeder der Motoren entwickelt in der derzeitigen Variante eine Maximalleistung von 40 Kilowatt. Da die Motoren unabhängig voneinander angesteuert werden können, ist eine nahezu beliebige Drehmomentverteilung möglich, was fahrdynamisch neue Welten erschließt. Besonders geeignet ist dieses Achskonzept für „straßengekoppelte“ Hybridfahrzeuge. Bei diesem Antriebskonzept wird eine Achse von einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe – zum Beispiel dem 9HP – angetrieben. Die Räder der anderen Achse werden elektromotorisch bewegt. Das Fahrzeug kann dann sowohl rein elektrisch als auch nur mit Verbrennungsmotor fahren – oder auch im Allradmodus.

Die eTB-Achse ist noch ein Prototyp. Und doch zeigt sie, dass Antrieb und Fahrwerk eines Tages zusammenwachsen können.

„Bewegende Technik. 100 Jahre ZF“

„Bewegende Technik. 100 Jahre ZF“ lautet der Titel der zweiten Chronik, die im Jubiläumsjahr erscheint. Bereits seit Ende Mai erhältlich ist die Unternehmens-Chronik „Bewegte Geschichte. 100 Jahre ZF“.

Die Chronik im stabilen Hardcover mit Schutzumschlag im Format 230 x 285 Millimeter ist zum Preis von 18 Euro im Buchhandel unter der ISBN-Nummer 978-3-455-50384-5 erhältlich.

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