Antrieb und Bremse in einem: Ein Motor für jedes Rad
Ein neues Konzept für Elektroautos hat der Zulieferer Schaeffler gemeinsam mit den Autoherstellern BMW und Ford sowie der DLR entwickelt. Das Auto wird nicht mehr von einem zentralen Elektromotor angetrieben, sondern von kleinen Radnabenmotoren, die in den Felgen untergebracht sind.
Deutlich zu sehen: Im Hinterrad des Ford Fiesta haben die Schaeffler-Ingenieure den Radnabenantrieb untergebracht.
Foto: Schaeffler
Das traditionelle Antriebskonzept eines Autos ist so verbreitet, dass das neue Konzept fast revolutionär anmutet: Bislang sitzt der Motor unter der Haube des Pkw, ganz gleich, ob er mit Benzin, Diesel oder Strom fährt. Die zentral erzeugte Kraft wird über eine komplizierte Mechanik auf zwei oder gar vier Räder übertragen. Warum eigentlich, fragten sich Ingenieure des Autoherstellers BMW, des Zulieferers Schaeffler und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Könnten Elektroautos nicht genauso angetrieben werden wie moderne Hochgeschwindigkeitszüge? Deren Motoren sitzen direkt an den Rädern, verteilt über die ganze Zuglänge.
Bei Autos hätte der Antrieb jedes einzelnen Rades zusätzliche Vorteile: Viele komplizierte, mechanische und elektronische Übertragungssysteme könnten entfallen oder vereinfacht werden. Antiblockiersystem, Antriebsschlupfregelung und Elektronisches Stabilitätsprogramm wirken auf jedes einzelne Rad und müssen entsprechen kompliziert geregelt werden. Viel einfacher ist es, vier Elektromotoren zu regeln, die in den Naben sitzen.
Deshalb nahmen die Partner das Forschungsprogramm FAIR (Fahrwerk/Antrieb-Integration ins Rad) in Angriff. Zunächst untersuchten die Partner verschiedene dieser In-Wheel-Varianten per Simulation am Rechner. „Mit fortschrittlichen, am DLR entwickelten Methoden und Rechnerwerkzeugen haben wir verschiedene Konzepte im Rechner virtuell getestet und bezüglich ihres fahrdynamischen Verhaltens optimiert und bewertet“, sagt Tilman Bünte, Wissenschaftler des DLR-Instituts Systemdynamik und Regelungstechnik. Die beste Lösung setzt Schaeffler in eine mechatronische Achse mit zwei angetriebenen Rädern um.
Platz und Gewicht gespart
BMW baute sie als Heckantrieb in einen Mini Cooper ein. Die Motoren haben gleich mehrere Aufgaben. Sie dienen zum einen als Antrieb, zum anderen in Generatorschaltung als Bremse – dabei wird Strom erzeugt und in die Bordbatterie geleitet. Diese befindet sich zwischen den angetrieben Rädern unter dem Kofferraum. Eine eigene Bremse ist damit an der Hinterachse überflüssig.
Skizze des Radnabenantriebsvon Schaeffler.
Quelle: Schaeffler
„Durch die beiden radindividuellen Elektromotoren an der Hinterachse kann das Fahrverhalten in weiten Bereichen und hochdynamisch per Software gesteuert und optimiert werden“, sagt Bünte. Weil die sperrigen Gelenkwellen in konventionellen Fahrzeugen, die die Kraft des zentralen Motors auf die Antriebsräder überträgt, im FAIR-Konzept überflüssig sind, lassen sich Platz und vor allem Gewicht einsparen. Insgesamt wiegt der Mini mit Radnaben-Antrieb nicht mehr als ein Serien-Mini. Getestet wurde das innovative Fahrzeug auf dem BMW-Testgelände in Aschheim und unter Winterbedingungen in Schweden.
Für Schaeffler ist der Radnabenmotor der Schlüssel für völlig neue Fahrzeugkonzepte. „Erst der hochintegrierte Radnabenantrieb ermöglicht es, das Stadtauto neu und völlig frei zu denken. Er ist zukünftig ein Schlüssel für neue Fahrzeugkonzepte und Automobilplattformen“, so Dr. Raphael Fischer, Leiter Produktgruppe Radnabenantriebe im Schaeffler Systemhaus Elektromobilität. Der neue Antrieb schaffe eine „bislang ungekannte Raumökonomie“. Fischer: „Bei diesen neuartigen Fahrzeugkonzepten sind alle für Vortrieb, Bremsen und Fahrsicherheit relevanten Bauteile im Rad untergebracht.“ Damit bleibt deutlich mehr Raum frei für die Passagiere und Gepäck, aber auch für Technik wie Batterie, Elektronik und Kommunikation.
Radnabenantrieb nur 8 kg schwerer als konventionelles Rad
Inzwischen hat Schaeffler den Antrieb auch mit seinem Partner Ford weiterentwickelt und erfolgreich in einem Ford Fiesta getestet. Jeder Antrieb im Rad des Fiesta leistet bis zu 40 kW, beziehungsweise einer Dauerleistung von zweimal 33 kW. Das entspricht bis zu 110 beziehungsweise 90 PS. Dabei liefert der flüssigkeitsgekühlte Radnabenantrieb ein Drehmoment von bis zu 700 Nm.
Nur acht Kilo mehr wiegt ein Rad mit Radnabenantrieb im Vergleich zu einem herkömmlichen Rad.
Quelle: Schaeffler
Damit verfügt der aktuelle Schaeffler-Radnabenantrieb E-Wheel Drive Beta gegenüber der ersten Version von 2010, die in einem Opel Corsa erprobt wurde, über ein Drittel mehr Leistung und ein um 75 Prozent höheres Drehmoment.
Interessant für die Autoindustrie ist, dass das Fahrzeuggewicht insgesamt sinkt, obwohl die Last direkt am Rad steigt. Das Schaeffler-Rad mit Antrieb wiegt insgesamt 53 Kilogramm, das sind acht Kilogramm mehr als ein herkömmliches Rad mit Radlager und Bremse. „Insgesamt konnten wir das Fahrzeuggewicht aber noch einmal senken“, so Fischer, „da neben der Flüssigkeitskühlung auch die Leistungselektronik und Controller im Rad platziert werden konnten und eine umfangreiche Verkabelung im Fahrzeug entfällt.“
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