Getriebefedern für einen effizienten und regelbaren Betrieb von Kupplungs- und Bremssystemen in E-Fahrzeugen [Transmission springs for efficient and controllable operation of clutch and brake systems in E-vehicles]

Nasslaufende Lamellenkupplungen und Bremsen bieten in elektrischen Antrieben als Schaltelement für ein Mehrganggetriebe oder als Bremse bei radnahen Antrieben weiterhin große Potenziale, um die Effizienz und Regelbarkeit des Antriebsstrangs zu verbessern.
Dabei wurde in bisherigen Forschungsarbeiten deutlich, dass sich die Durchmesser der nasslaufenden Lamellenkupplungen aufgrund der hohen Drehzahlen verkleinern und im gleichen Zug die Anzahl an Lamellen erhöhen müssen. Dies bringt neue Herausforderungen für die Effizienz und Regelbarkeit des Schaltelements mit sich.
... mehrDie vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, um eine Zwangsdistanzierung der Lamellen durch Lamellenseparierungsfedern einzustellen und zum einen die Schleppmomente zu reduzieren und zum anderen die Regelbarkeit solcher Kupplungs- und Bremssysteme zu verbessern.
Hierzu wurden experimentelle Voruntersuchungen am IPEK-Institut für Produktentwicklung an konventionellen Lamellenkupplungen und -bremsen durchgeführt und ein Simulationsmodell für den Einsatz von nasslaufenden Lamellenkupplungen in einem schaltbaren E‑Antrieb mit kleineren Reibdurchmessern und hoher Anzahl an Reiblamellen aufgebaut.
Die experimentellen Untersuchungen beinhalten Schleppmomentuntersuchungen bei zwei unterschiedlichen Getriebetemperaturen und Dynamikuntersuchungen an einer Bremse sowie Untersuchungen zum Drehmomentübertragungsverhalten im Kupplungsbetrieb.
Dabei wurden die Kräfte im Kupplungssystem mittels der Federn variiert und eine Testkombination ermittelt, bei der die Ergebnisse eine deutliche Reduzierung der Drehzahlschwankungen ergeben.
Diese Erkenntnisse wurden bei der Auslegung der Hochdrehzahlkupplung herangezogen und anhand von Simulationsuntersuchungen zum Übertragungsverhalten sowie experimentellen Schleppmomentuntersuchungen bis 20.000 min−1 verifiziert. Die vorgestellte Testmethodik kann in der Produktentwicklung eingesetzt werden, um das Systemverhalten von nasslaufenden Lamellenkupplungen in den Betriebszuständen „offen“ und „synchronisieren“ durch den Einsatz von Lamellenseparierungsfedern zu verbessern und Frontloading zu betreiben.

Multi-plate clutches and brakes continue to offer great potential in electric drives as a shifting element for a multispeed transmission or as a brake for drives close to the wheel, in order to improve the efficiency and controllability of the drive train.
Previous research work has shown that the diameters of multi-plate clutches have to be reduced due to the high speeds and that the number of plates has to be increased at the same time. This brings new challenges for the efficiency and controllability of the shifting element.
This paper presents a method to adjust a forced spacing of the plates by means of separating springs and to reduce the drag torques on the one hand and to improve the controllability of such clutch and brake systems on the other hand.
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For this purpose, preliminary experimental investigations were carried out at the IPEK Institute of Product Engineering on conventional brake and multi-plate clutches and a simulation model was built for the use of multi-plate clutches in a multispeed electric drive with smaller friction diameters and a high number of friction plates.
The experimental investigations include drag torque tests at two temperatures and dynamics tests on a brake as well as studies of the transmission behavior in clutch operation.
The forces in the clutch system were varied by means of the springs and a test combination was determined in which the results showed a significant reduction in speed fluctuations.
These findings were used in the design of the high-speed clutch and verified using simulation tests of the transmission behavior and experimental drag torque tests up to 20,000 min−1. The test methodology presented can be used in product development to improve the system behavior of wet-running multi-plate clutches in the “open” and “synchronize” operating states by using separating springs and allow front-loading.