Präzisionsmesstechnik für Motoren von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben
Paul Richards – Vice President of Engineering, Adcole LLC
Warum die Submikrometer-Messtechnik bei der Fertigung von Hybrid- und Elektroantrieben immer wichtiger wird
Die rasante Verbreitung von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben (New Energy Vehicles, NEVs), darunter batterieelektrische, Hybrid- und Plug-in-Hybrid-Plattformen, hat die messtechnischen Anforderungen an rotierende Antriebskomponenten grundlegend verändert. Während der elektrische Antrieb viele der mechanischen Komplexitäten traditioneller Verbrennungsmotoren (ICE) beseitigt, bringt er neue Herausforderungen mit sich, die durch extreme Drehzahlen, strengere NVH-Anforderungen und eine deutlich geringere Toleranz gegenüber latenten Fertigungsabweichungen bedingt sind.
Moderne elektrische Antriebsmotoren arbeiten heute bei Drehzahlen von weit über 20.000 U/min. Bei diesen Drehzahlen können Abweichungen im Mikrometerbereich in der Geometrie oder Oberflächenbeschaffenheit zu hörbaren Geräuschen, vorzeitigem Lagerverschleiß oder langfristigen Haltbarkeitsproblemen führen. Infolgedessen ist die Messtechnik nicht mehr nur ein nachgelagerter Verifizierungsschritt, sondern ein wesentlicher Bestandteil der Prozesssteuerung, der Fertigungsoptimierung und der allgemeinen Sicherstellung der Fahrzeugleistung.
Hochgeschwindigkeits-Elektroantriebe erfordern ein neues Maß an Präzision
Mit steigenden Drehzahlen nimmt auch die Empfindlichkeit gegenüber subtilen Form- und Oberflächenfehlern zu. Parameter, die bei niedrigeren Drehzahlen noch akzeptabel oder praktisch unsichtbar waren, tragen nun maßgeblich zu Vibrationen und Geräuschen bei. Kritische Merkmale wie Rundheit, Konzentrizität, Rundlaufabweichung, Exzentrizität und oberflächenbedingtes Rattern müssen streng kontrolliert werden, um einen leisen Betrieb und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.
Herkömmliche, ausschließlich auf die Abmessungen ausgerichtete Prüfverfahren reichen für diese Anforderungen nicht aus. Hersteller von NEVs benötigen Messmöglichkeiten für das gesamte Profil, die nicht nur Durchmesser, sondern das gesamte Formverhalten über das gesamte Bauteil hinweg bewerten. Dazu gehören Geradheit, Konizität, Winkelposition, axiale Beziehungen und Oberflächenstruktur – alles mit wiederholbarer Genauigkeit im Submikrometerbereich. Ohne diese Ebene der Einsicht bleiben Fertigungsprobleme oft unentdeckt, bis sie bei nachgelagerten Prüfungen oder, schlimmer noch, im Einsatz zutage treten.
Automatisierte zylindrische Messtechnik für kritische Komponenten von Elektrofahrzeugen
Automatisierte zylindrische Koordinatenmessmaschinen (CCMMs) haben sich zu einer Schlüsseltechnologie für die Fertigung von Elektrofahrzeugen entwickelt. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, hochdichte Messdaten über das gesamte rotierende Bauteil hinweg zu erfassen und gleichzeitig den für moderne Produktionsumgebungen erforderlichen Durchsatz zu gewährleisten.
Adcole Modell 1306
Horizontal beladene, mehrköpfige, taktile CCMM-Plattformen wie die Serie 1300 von Adcole ermöglichen eine schnelle Prüfung von Rotorwellen für Elektromotoren, Ritzelwellen und Wellenbaugruppen in einem einzigen Messzyklus. Durch den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Messköpfe können Hersteller Durchmesser, Gesamtrundlaufabweichung, Geradheit, Wölbung, Mittenabweichung, Rechtwinkligkeit, Stirnflächenmaße und Konizität bewerten, ohne die Zykluszeit zu beeinträchtigen. Die integrierte Überwachung der Werkstück- und Umgebungstemperatur erhöht die Genauigkeit zusätzlich, indem thermische Effekte kompensiert werden, die andernfalls die Ergebnisse verfälschen könnten.
Über die Geometrie hinaus erkennen diese Systeme auch Oberflächenkonvexität oder -konkavität, Gratenbildung, hochfrequente Oberflächenwelligkeit und Lobing an Lagerzapfen. Dieser Detaillierungsgrad der Messung liefert Herstellern umsetzbare Erkenntnisse über den Bearbeitungszustand und die Prozessstabilität, anstatt nur ein einfaches Gut/Schlecht-Ergebnis.
Bei über 20.000 U/min kann ein „guter Durchmesser“ mit schlechter Rundheit oder geringfügigem Rattern immer noch inakzeptable Vibrationen und Geräusche erzeugen. Hochgeschwindigkeits-Elektromotoren erfordern einen ganzheitlichen Messansatz, der Form, Oberfläche und Winkelverhalten erfasst – nicht nur die Größe.
Messung von Lamellenpaketen, Zahnrädern und Hybridbaugruppen
Antriebsstränge von NEVs bestehen aus mehr als nur Wellen. Lamellierte Rotorpakete, Zahnräder und Keilnuten erfordern alle eine präzise Ausrichtung und geometrische Konsistenz, um als integriertes System zu funktionieren.
Fortschrittliche CCMM-Plattformen unterstützen die Winkelmessung von Lamellenpaketen und überprüfen die Position axialer Nuten relativ zu definierten Bezugspunkten. Dies gewährleistet eine korrekte Phasenlage innerhalb der Baugruppe, was eine wesentliche Voraussetzung für Drehmomentausgleich und Effizienz ist.
Bei Zahnrädern und Keilnuten ermöglichen spezielle Abtastköpfe die Messung von Ein- und Auslaufabweichungen sowohl bei vertikalen als auch bei schrägverzahnten Zahnformen. Diese Messungen unterstützen die genaue Bestimmung des Zahnraddurchmessers, des gesamten Radialschlags und der Abweichungen in der Stirnfläche, selbst bei unterbrochenen Oberflächen. Die daraus resultierenden Rundheits- und Rundlaufdiagramme liefern wertvolles Feedback für Bearbeitungs-, Schleif- und Montageprozesse.
Rundheitsmessung an Rotorverzahnungen
Chatter: Ein verstecktes NVH-Risiko bei Elektromotoren
Zu den bedeutendsten und oft unterschätzten Risiken bei der Herstellung von NEVs gehört das sogenannte „Chatter“. EV-Motoren arbeiten in einer akustisch ruhigen Umgebung, was bedeutet, dass selbst extrem kleine, periodische Bearbeitungsspuren für den Endkunden hörbar werden können.
Diese Oberflächenmuster im Submikrometerbereich, die bei herkömmlichen Oberflächenprüfungen oft übersehen werden, werden bei hohen Drehzahlen verstärkt und äußern sich in Form von Vibrationen, Lagerverschleiß und tonalen Geräuschen. Taktile Messsysteme in Kombination mit einer Echtzeit-FFT-Chatter-Analyse unter Verwendung von Tools wie der Adcole Chatter Analysis Software erfassen den harmonischen „Fingerabdruck“ dieser Muster direkt auf der Wellenoberfläche.
Daten zum Lappenrattern über den gesamten 360-Grad-Bereich der Profilfehlerdaten. Die Amplitude des Rattens wird gedämpft, wenn man den gesamten 360-Grad-Bereich betrachtet, im Vergleich zur Betrachtung nur des Grundkreisbereichs.
Durch die Analyse der Welligkeit pro Umdrehung (UPR) und die Isolierung bestimmter Frequenzbänder können Hersteller das Rattern auf seine Ursache zurückführen, wie z. B. den Zustand der Schleifscheibe, Abrichtparameter oder Prozessinstabilität. Dies ermöglicht Korrekturmaßnahmen, bevor die Teile weiter in der Produktionslinie vorrücken.
Fortschrittliche Ratteranalyse wandelt Oberflächendaten in frequenzbasierte Erkenntnisse um, sodass Hersteller Prozessinstabilitäten erkennen und beheben können, lange bevor NVH-Probleme bei Fahrzeugtests oder im Einsatz auftreten.
Lösungen zur Messung der Oberflächenbeschaffenheit
Da die Anforderungen an Effizienz und Haltbarkeit steigen, werden auch die Anforderungen an die Oberflächenintegrität von NEV-Komponenten immer strenger. Automatisierte Oberflächenrauheitsmesssysteme wie das Adcole Modell 1000 und 1000-Z bieten hochdichte taktile Messungen über mehrere Zapfen- und Lagerflächen hinweg und erfassen Tausende von Datenpunkten pro Millimeter für wiederholbare Ergebnisse.
Adcole Modell 1000
Hybride taktile-optische Systeme erweitern diese Möglichkeiten durch die Einbindung berührungsloser interferometrischer Messungen. Diese Systeme ermöglichen eine dreidimensionale Oberflächenanalyse, die Erkennung von Welligkeit sowie die Bewertung von Merkmalen, die mit reinen Kontaktmessköpfen nicht zugänglich sind.
Messdaten in Prozessintelligenz umwandeln
Der wahre Wert fortschrittlicher Messsysteme liegt nicht nur in der Datenerfassung, sondern auch darin, wie diese Daten analysiert und genutzt werden. Moderne Messtechnik-Software wandelt rohe Messergebnisse in umsetzbare Erkenntnisse um, die eine kontinuierliche Verbesserung unterstützen.
Dreidimensionale Farbkartierung hebt lokale Formfehler und Nichtkonformitäten hervor, die andernfalls unbemerkt bleiben könnten. Fortschrittliche Analysen der Geradheit und des Materialaufbaus unterscheiden echte Formabweichungen von Oberflächenverunreinigungen und reduzieren so Fehlausschleusungen und unnötigen Ausschuss. Die Echtzeit-FFT-Chatter-Analyse verknüpft gemessene Fehler direkt mit der Fertigungsdynamik und schließt so den Kreis zwischen Inspektion und Prozessoptimierung.
Warum CCMM in einer hybriden Welt weiterhin entscheidend sind
Trotz des rasanten Wachstums vollelektrischer Plattformen stellen Hybridfahrzeuge ein strukturell wichtiges Segment des Automobilmarktes dar, das die Anforderungen eines großen Teils der Verbraucher erfüllt. Hybride beziehen nach wie vor einen erheblichen Teil ihrer Antriebsenergie aus Verbrennungsmotoren und bieten gleichzeitig erhebliche Vorteile hinsichtlich Effizienz, Reichweite und Emissionsverhalten.
Seit Jahrzehnten sind CCMM-Lösungen der Maßstab für die Messung von Nockenwellen, Kurbelwellen und anderen hochpräzisen Verbrennungsmotorkomponenten. Parameter wie Nockengeometrie, Zapfengenauigkeit, Phasenwinkel, Rundlaufabweichung und Konzentrizität werden häufig im Submikrometerbereich an Merkmalen gemessen, die die Verbrennungseffizienz, das NVH-Verhalten und die Haltbarkeit direkt beeinflussen können.
Hybridantriebe verschärfen diese Anforderungen. ICE-Komponenten sind häufigen Start-Stopp-Zyklen, schnellen Drehmomentübergängen und breiteren Arbeitszyklen ausgesetzt, die durch die Interaktion mit Elektromotoren verursacht werden. Die für die Nockenwellen– und Kurbelwellenprüfung entwickelten CCMM-Plattformen sind speziell für diese Herausforderungen ausgelegt und bieten einen umfassenden Überblick über das Verhalten der Teile, anstatt nur isolierte Maßprüfungen durchzuführen. Aus diesem Grund sind Plattformen wie die Adcole 1200-LX, die Serie 1100 und die Serie 911 so konzipiert, dass sie diesen Herausforderungen gerecht werden und dazu beitragen, die Qualität, Haltbarkeit und Lebensdauer kritischer Verbrennungsmotorkomponenten zu verbessern, an die mit dem Aufkommen von Hybridantrieben immer höhere Anforderungen gestellt werden. Anstelle isolierter Maßprüfungen liefern sie ein umfassendes Verständnis der Teilegeometrie und des Verhaltens, das erforderlich ist, um die Zuverlässigkeit in modernen Hybrid- und Verbrennungsmotoranwendungen sicherzustellen.
Adcole Modell 1200-LX mit Laserinterferometrie-Messung
Ebenso wichtig ist, dass sich durch jahrzehntelange Erfahrung in der Messtechnik für Verbrennungsmotoren verfeinerte Analyseverfahren – wie die hochpräzise Rundheitsbewertung, die fortschrittliche Geradheitsanalyse und die Erkennung harmonischer Schwingungen – direkt auf moderne Hybrid- und Elektrokomponenten übertragen lassen. Das traditionelle Know-how aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren steht nicht im Widerspruch zur Elektrifizierung, sondern ermöglicht sie.
1960er–1980er Jahre: Die automatisierte Nockenwellen- und Kurbelwellenprüfung etabliert die Formmessung im Submikrometerbereich
1990er–2000er Jahre: Emissions- und NVH-Anforderungen treiben die fortschrittliche Schwingungs- und Geradheitsanalyse voran
2010er Jahre: Hybridarchitekturen erweitern die Betriebszyklen und verschärfen die Toleranzanforderungen
2020er Jahre bis heute: Bewährte Messverfahren für Verbrennungsmotoren bilden die Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsprüfung von EV-Motoren
Präzisionsmesstechnik als strategischer Vorteil
Da sich NEV- und Hybridplattformen weiterentwickeln, werden die Toleranzen immer enger und die Leistungserwartungen weiter steigen. Hersteller, die Messtechnik als strategische Kompetenz und nicht als reine Compliance-Maßnahme betrachten, können sich einen bedeutenden Vorteil in Bezug auf Qualität, Effizienz und langfristige Zuverlässigkeit verschaffen. Hochpräzise CCMM-Systeme, fortschrittliche Oberflächenanalyse und datengesteuerte Prüfsoftware ermöglichen es Unternehmen, nicht nur Teile zu verifizieren, sondern auch die Prozesse zu verstehen und zu steuern, mit denen diese hergestellt werden. In einer Ära, die von hohen Geschwindigkeiten, leisen Fahrgasträumen und kompromisslosen Erwartungen an die Haltbarkeit geprägt ist, ist die Präzisionsmesstechnik zu einem grundlegenden Element der erfolgreichen NEV-Fertigung geworden.