Gemischtes Doppel

Prüfanlagen - Belastungsmaschinen zum Test von Motoren, Getrieben und Achsen stellen hohe Anforderungen an die Antriebstechnik. Eine neue patentierte Kombinationslösung verspricht Konstrukteuren und Betreibern von Prüfständen jetzt entscheidende Vorteile.

11. Februar 2007

Eine wichtige Anforderung vor allem bei Getriebeprüfständen ist es, mit einer elektro-motorischen Belastungseinheit den großen Drehmoment- und Drehzahlbereich von Verbrennungsmaschinen in Kombination mit Schaltgetrieben abzudecken: Im ersten und zweiten Gang werden hohe Momente bei niedrigen Drehzahlen erwartet, während in den höheren Gängen niedrige Momente bei hohen Drehzahlen benötigt werden. Zudem wünschen sich Prüfstandsbauer und Automobilhersteller möglichst dynamische Belastungsmaschinen.

Widersprüchliche Anforderungen

Der Versuch, eine solche Aufgabe mit einer einzigen elektrischen Belastungsmaschine zu lösen, gerät jedoch schnell an technische Grenzen: Für den Test moderner PKW-Schaltgetriebe eignen sich beispielsweise Asynchronmotoren, die nominal 4.500 Nm bei 1.500/min bieten und sich bis zu einer Höchstdrehzahl von 11.000/min betreiben lassen. Der Test von Nutzfahrzeuggetrieben hingegen erfordert einen Elektromotor, der sowohl ein hohes Drehmoment (etwa 50.000Nm) bereitstellen kann, als auch eine Endgeschwindigkeit von 140 km/h erreicht.

Solch ein Motor ist auf dem Markt bisher nicht erhältlich. Doch selbst wenn es gelingt, einen derartigen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, kauft sich der Prüfstandsbauer zahlreiche Nachteile ein: So muss der Elektromotor nämlich im unteren Drehzahlbereich sehr hohe Momente erzeugen, ist deshalb groß und schwer und besitzt folgerichtig ein hohes Trägheitsmoment. Bei der Simulation der Straße soll dieselbe Belastungsmaschine jedoch sehr dynamisch sein und müsste dazu schlank und mit kleinem Rotordurchmesser konzipiert werden. In jedem Fall benötigt die Maschine einen sehr weiten Feldschwächbereich und hohe Umrichterleistungen. Zwar werden als Alternative zu großen Asynchronmotoren auch Motor-Getriebe-Kombinationen als Belastungseinheiten angeboten, derartige Belastungseinheiten benötigen jedoch sehr viel Platz, sind wenig dynamisch, schwingungs-anfällig und lassen sich zudem teilweise nur im Stillstand schalten.

Patentiertes Antriebs-Tandem

Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet eine patentierte Lösung des Antriebstechnik-herstellers Oswald aus Miltenberg: Die Ingenieure des Unternehmens konnten zeigen,

dass sich die geforderte Bedarfskennlinie ideal durch die Kombination zweier Motoren in Tandemanordnung abbilden lässt. Dabei wird ein langsam laufender Motor mit hohem Moment und kleinem Drehzahl bereich, etwa ein moderner Torquemotor, kombiniert mit einem schnell laufenden hochdynamischen Motor für niedrige Momente und hohe Drehzahlen.

Wenn beide Motoren gleichzeitig laufen, liefert die Anlage ein maximales Summenmoment beider Motoren. Bei höheren Gängen wird der langsam laufende Motor abgekuppelt, und der dynamische Schnellläufer übernimmt allein die Belastungsaufgabe. Der Schaltvorgang selbst ist unkompliziert, da sich zwei geregelte Elektromotoren problemlos synchronisieren lassen. Die Lösung benötigt deshalb nur eine vergleichsweise einfache Kupplung, um die Maschinen miteinander zu verbinden bzw. zu entkoppeln.

Problemlose Antriebskombination

Die tatsächliche Zu- bzw. Abschaltdrehzahl ist dabei in einem weiten Bereich wählbar und kann damit an einem für die Prüfung unkritischen Moment gelegt werden. Geschaltet werden kann dabei während des Betriebs, so dass der Prüfbetrieb nahezu unbeeinflusst von der Belastungseinheit ablaufen kann. Einen höheren Aufwand für den Prüfstandsbauer erfordert lediglich die Anpassung der Steuerungstechnik, um das ungleiche Tandem für den Prüfbetrieb optimal zu kombinieren.

Die Vorteile einer solchen Motorkombination sind zahlreich: So reduziert sich das Gewicht des gesamte Maschinenbaus gegen über einer Einzelmotoranordnung um mindestens 30 Prozent, so dass sich mit üblichen Hubeinrichtungen komplette Prüfstände problemlos aufbauen lassen. Zudem verbessert sich die Dynamik der Belastungseinheit um den Faktor 5 bis 10, und nicht zuletzt lassen sich die geforderten Leistungen mit deutlich kleineren Umrichtern realisieren. Außerdem zeigt das Tandem im Vergleich zu Motor-Getriebe-Anordnungen eine deutlich geringere Neigung zu Resonanzen und Schwingungen im Antriebsstrang.

Je nach Anforderung eignen sich für diese Lösung Kombinationen aus Asynchron-, Synchron- und Torquemotoren. Ideal als Tandempartner sind speziell moderne Torquemotoren, die hohe Momente bei kleiner Baugröße bieten. Zudem lassen sich auch Getriebe in die Kombination mit einbinden. Die vielversprechende ungleiche Tandemanordnung wurde von Oswald Elektromotoren 2006 zum Patent angemeldet.

Reinhold Kuchenmeister

Erschienen in Ausgabe: 01/2007