Dissertation

Virtuelle Synthese und multikriterielle Bewertung von Getriebetopologien für elektrische Fahrzeuge

Autor*in:

Sven Köller

Seitenzahl:

183

DOI:

10.18154/RWTH-2023-09473

Jahr:

2023

Sprache:

Deutsch

Format:

digital

In der vorliegenden Dissertation wird ein Ansatz zur ganzheitlichen Synthese und Bewertung von Getrieben für elektrifizierte Fahrzeuge vorgestellt. Die Synthese benötigt nur wenige Angaben zur Art des Fahrzeuges sowie zu den E-Maschinen, die zum Antrieb genutzt werden sollen. Basierend darauf werden die benötigte Ganganzahl, die Gesamtübersetzung und im Anschluss die Stufenübersetzungen bestimmt. Der Getriebesynthese liegt eine Komponentenbibliothek, die verschiedene Getriebearten (Planeten-, Stirnrad und Summierungsgetriebe) enthält, zugrunde. Sämtliche Randbedingungen der Methodik können von den Anwendern spezifisch auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.

Neben der eigentlichen Synthese von Getriebetopologien werden normbasiert Verzahnungsvarianten der Getriebestufen für die synthetisierten Topologien ausgelegt. Der holistische Ansatz der Auslegung generiert eine Vielzahl von möglichen Lösungen, die mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in Form eines genetischen Algorithmus kombiniert und bewertet werden. Im Zuge des Ablaufs der Methodik werden die Lösungen an zwei Stellen automatisiert bewertet und entsprechend sortiert. Die erste Bewertung erfolgt primär basierend auf Literaturwerten (bspw. Effizienzen) für die gefundenen Getriebetopologien. In der zweiten Bewertungsstufe werden die erstellten Getriebevarianten einer Topologie basierend auf den normbasiert berechneten Verzahnungswerten im Zuge der Anwendung des genetischen Algorithmus evaluiert. Da die Anwendungsfälle der Methodik von PKW bis hin zu LKW reichen, wurde gefordert, dass die Bewertungskriterien der beiden integrierten Bewertungen adaptierbar sein müssen. In der Methodik wurden für die drei Fahrzeugtypen PKW, SUV und LKW Gewichtungen implementiert, die aus einer Umfrage unter Mitarbeitern des Instituts für Kraftfahrzeuge (ika) generiert wurden.

Die Methodik wurde im Zuge der Arbeit anhand eines BMW i3 überprüft. Die Ergebnisse sind sehr ähnlich zu den Daten des original verbauten Getriebes. Darüber hinaus wurden weitere mögliche Getriebevarianten für das Fahrzeug mit originaler E-Maschine im Zuge der Evaluierung der Methodik gezeigt. Im Anschluss wurden zwei E-Maschinenvarianten für den BMW i3 in der Methodik betrachtet und hinsichtlich der Veränderungen auf die resultierenden Getriebekonzepte evaluiert. Abschließend wurde die Methodik im Projekt Concept ELV² angewendet, um eine elektrische LKWAchse zu konzeptionieren. Eines der Konzepte wurde im Zuge des Projektes prototypisch aufgebaut.

Die Methodik hat in den unterschiedlichen Anwendungen ihre Variabilität und Nutzbarkeit bewiesen. Besonders für die Analyse und Auswahl eines Getriebekonzeptes für einen LKW ist sie für die Entwickler sehr hilfreich. In weiteren Entwicklungsschritten können weitere Getriebestufen wie etwa Ravigneaux-Getriebe integriert und weitere Anwendungen im dynamischen Entwicklungsumfeld der Elektrifizierung von Fahrzeugen aller Klassen realisiert werden.