E-Mobility, made in Munich – iwis entwickelt Kettengetriebe für neuartigen Elektrofahrrad-Antrieb

13.07.2011

iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG hat auf der diesjährigen Hannover Messe einen neuartigen Antrieb für Elektrofahrräder mit integriertem Kettengetriebe vorgestellt. Der Kettentrieb wurde gemeinsam mit der Clean Mobile AG, Hersteller von Elektroantrieben für Zweiräder, entwickelt. Das hybride Antriebskonzept nutzt die Kombination von einem leistungsstarken Elektroantrieb und Muskelkraft. Aufgrund der fein abgestimmten mechanischen und elektronischen Komponenten in dem 1200-Watt-Tretlagermotor, der ein Drehmoment von bis zu 150 Nm auf die Kette bringt, erreicht der Antrieb eine Gesamteffizienz von bis zu 80 Prozent. Das neuartige Antriebskonzept ermöglicht, bei langer Reichweite und ganz ohne Emissionen und Lärm, anstrengungslose Beschleunigung und müheloses Fahren sowohl in der Stadt als auch in extremem Gelände.

Beim Münchner Hersteller von Präzisionsketten iwis hatten Kunden bereits des Öfteren den Wunsch geäußert, Zahnriemen gegen Präzisionsketten zu tauschen. Jedoch war es noch vor drei Jahren vollkommen ungewöhnlich, eine Präzisionskette, wie sie iwis herstellt, in ein Elektrofahrrad einzubauen. Der Kunde Clean Mobile war zu diesem Zeitpunkt ein kleines Startup-Unternehmen unweit des iwis-Firmensitzes in München; einzige Mitarbeiter waren die drei Gründungsmitglieder. Clean Mobile hatte jedoch mit der Vorgängerfirma Sun & Cycle bereits Erfahrung mit dem Einsatz von Elektrorädern im Postdienst sammeln können. Man kannte sich, und so landete die Aufgabe auf dem kurzen Dienstweg bei iwis in der Abteilung New Business Development.

Das Lastenheft für den zu entwickelnden Antrieb wies eine sehr hohe Drehzahl für den sehr kleinen und leistungsdichten Elektromotor des Elektrofahrrads auf. Diese Drehzahl sollte aus der „Pedalumgebung“ auf das Hinterrad übertragen werden. Der Motor sollte jedoch vorzugsweise im optimalen Wirkungsgradbereich drehen, was wiederum ein relativ hohes Drehzahlniveau auch bei niedrigen Geschwindigkeiten bedeutete. Die Zielanwendung war ein Cargo-Dreirad mit einem Gesamtgewicht von 400 kg. Zusätzlich sollte der Antrieb auch der Pedelec-Verordnung entsprechen, die die Voraussetzungen für Elektrofahrräder mit Trittunterstützung (Pedal Electric Cycle, kurz Pedelec) regelt. Schnell war klar, dass dies nicht mit einer herkömmlichen Untersetzung zu realisieren war. Da die Entwickler bei iwis und Clean Mobile Hintergrundwissen in der Motorradtechnik hatten, war die Aufteilung in Primär- und Sekundärübersetzung schnell definiert. So wurde auch bald klar, dass die Primär“unter“setzung die Reduzierung auf Pedalkurbeldrehzahl bewerkstelligen sollte; im Anschluss daran wäre man dann in der Lage, mit einer handelsüblichen Schaltung die Sekundärübersetzungen zu realisieren. Dies waren die Überlegungen, die bei der Entwicklung des Antriebskonzepts berücksichtigt wurden.

Die von iwis vorgeschlagene Lösung wurde schließlich in einem Direct Dual Drive-Antrieb (DDD) von Clean Mobile umgesetzt. Die Pedalwelle und eine vorgelagerte Motorwelle wurden mit drei Kettenkaskaden umspannt, die zusammen eine Untersetzung von 1:38 erbringen. In mehreren Berechnungsschleifen wurden die jeweiligen Einflüsse der einzelnen Zähnezahlen der Kettenräder auf den jeweiligen Kettentrum, die Auswirkungen auf die weiteren Trume, und die letztlich resultierende Gesamtübersetzung abgewägt. Abgeleitet aus den Berechnungen konnten jeweils passende Kettentypen aus dem iwis-Portfolio gewählt werden, die in der Dauerfestigkeit den jeweils berechneten Trumkräften in den einzelnen Strängen entsprachen. In diesem Zusammenspiel der drei Kettenkaskaden wird somit eine maximale Motordrehzahl von 3600 Umdrehungen auf eine „tretbare“ Pedalfrequenz untersetzt. Damit sich der Fahrer bei entleerten Batterien nicht verausgabt, stellt ein Freilauf sicher, dass die menschliche Pedalkraft allein der Vorwärtsbewegung dient und der Motor nicht „mitgeschleppt“ werden muss. Ein zweiter Freilauf gibt die Pedale frei, wenn der Fahrer nicht mehr treten möchte.

Zur Überraschung aller Beteiligten wurde dem gesamten Antrieb vom Lehrstuhl für Antriebstechnik und Aktuatorik der Bundeswehrhochschule in Neubiberg bei München ein sehr hoher Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent über weite Betriebsbereiche bestätigt. Sicherheitshalber wurden alle Messungen nochmals wiederholt, was das Ergebnis der ersten Messung bestätigte. Einen wesentlichen Beitrag zum hohen Gesamtwirkungsgrad liefern hier speziell die Ketten mit ihren ausschließlich in Fahrtrichtung wirkenden Zugkräften. Bei einem Stirnradeinsatz mit Schrägverzahnung zur notwendigen Geräuschreduzierung würden auch Seitenkräfte hinzu kommen, die den Gesamtwirkungsgrad schmälern würden.

Das System findet inzwischen nicht nur in Cargo-Rädern bei verschiedenen Postbetrieben in Europa Einsatz. Das Zusammenspiel von allen mechanischen und elektrischen Komponenten funktioniert so gut, dass ein mit dem hocheffizienten DDD-Trieb ausgestattetes Elektrofahrrad 2010 die erste offizielle E-Bike-Weltmeisterschaft gewann. Das Hybridrad mit dem Markennamen eSpire des Münchner Herstellers Third Element GmbH gewann den Wettbewerb, der im Rahmen der weltgrößten Fahrrad- und Motorradmesse Intermot im Oktober 2010 in Köln ausgetragen wurde, mit sechs Runden Vorsprung.

Nach der erfolgreichen Zusammenarbeit kam es dann Anfang 2011 zwischen iwis und Clean Mobile zu einer strategischen Partnerschaft und finanziellen Beteiligung. Diese schließt vor allem die industrielle Teileherstellung und Montage des gesamten DDD-Triebs und auch eines weiteren Antriebs, eines Harmonischen Kettentriebs (HCD), mit ein. Für zukünftige Projekte, so ist man sich in beiden Häusern einig, ist man somit bestens gerüstet. „Sowohl Leistungssteigerungen als auch leistungsreduzierte Varianten mit Einsatz von Kunststoffteilen sind in Vorbereitung. Kundenanfragen aus der Zwei-, Drei- und Vierradindustrie bestätigen ein großes Interesse an den neuen Antrieben“, freut sich Michael Frank, der als Projektleiter der Abteilung New Business Development bei iwis an der Entwicklung beteiligt war. „Das neue Antriebskonzept hat den Zweiradmarkt revolutioniert – eine Entwicklung getreu unserem Firmenmotto: iwis bewegt die Welt. Nun bewegt iwis auch die E-Mobility-Welt!“

Das Münchner Traditionsunternehmen stellt Steuertriebsysteme auf Basis von Präzisionsketten her und beliefert über die Werke München und Landsberg am Lech Automobilhersteller weltweit mit rund 38.000 Steuertriebsystemen pro Arbeitstag. Neben der Automobilindustrie stellt iwis Präzisionsrollenketten für den Maschinen- und Anlagenbau für Anwendungen in der Druck- und Papierindustrie, in der Verpackungsindustrie, der Fördertechnik, dem allgemeinen Maschinenbau und der Landmaschinenindustrie her. Das 1916 gegründete Familienunternehmen wird heute in vierter Generation geleitet und beschäftigt mehr als 1.000 Mitarbeiter weltweit. 2011 strebt iwis einen Umsatz von 260 Millionen Euro an. Neben Produktionstandorten in München, Landsberg, Wilnsdorf und Sontra sowie in Tschechien, China und USA hat iwis Niederlassungen in Brasilien, England, Frankreich, Indien, Italien, Kanada, Korea, Schweiz und Südafrika. Insgesamt ist die iwis-Gruppe weltweit an 45 Standorten vertreten.

Autor:

Michael Frank, staatlich geprüfter Maschinenbautechniker, Projektleiter New Business Development bei iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG in München.

Bilder:

  • Bild 1 0656: Die iwis-Kettenkaskade im DDD-Trieb der Clean Mobile AG.
  • Bild 2 0807: Der DDD-Trieb im Elektrofahrrad eSpire der Third Element GmbH.
  • Bilder 3 – 5: Das Elektrofahrrad eSpire von Third Element.
  • Bild 6: Michael Frank, Projektleiter New Business Development bei iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG in München.

Unternehmensinformation iwis:

Die iwis Gruppe mit Sitz in München zählt zu den führenden Anbietern von Präzisionskettensystemen für Antriebs- und Förderzwecke. Die iwis Gruppe umfasst drei Geschäftsbereiche:

  • iwis motorsysteme GmbH & Co. KG
    stellt Ketten und Steuertriebe für Motoren für die Automobilindustrie her.
  • iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG
    produziert Präzisionsrollen- und Förderketten für industrielle Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau, in der Verpackungs-, Druck- und Lebensmittelindustrie und der Fördertechnik.
  • iwis antriebssysteme GmbH,
    auch iwis agrisystems genannt, liefert Rollenketten, Landmaschinen-, Spezial- und Flyerketten, Scharnierband- und Mattenketten, Kettenräder und Zubehör.

Das 1916 gegründete Familienunternehmen wird heute in vierter Generation geleitet und beschäftigt über 1 000 Mitarbeiter. Neben Produktionsstandorten in Deutschland (München, Landsberg, Wilnsdorf  und Sontra) sowie in Tschechien, China und den USA gibt es in verschiedenen europäischen und außereuropäischen Ländern Niederlassungen, darunter in Brasilien, England, Frankreich, Indien, Italien, Kanada, Korea, der Schweiz und Südafrika. Insgesamt ist die iwis Gruppe weltweit an 45 Standorten vertreten.

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