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Antriebstechnik: 48-Volt-Technologien erobern das Fahrzeug

Antriebstechnik
48-Volt-Technologien erobern das Fahrzeug

Continental produziert seit Ende 2016 im Werk Nürnberg den weltweit ersten 48-Volt-Startergenerator in Serie. Die Fertigungsanlage ist auf Zuwachs angelegt.

Sein Debüt feierte der erste 48-Volt-Mildhybridantrieb Ende 2016 im Renault Scénic. Parallel zu der riemengetriebenen E-Maschine entwickelte Continental innerhalb von drei Jahren ein modulares Fertigungskonzept, mit dem hinsichtlich Baugröße, Antriebsleistung oder Anschlüsse – verschiedene 48-Volt-Startergeneratoren für unterschiedliche Automobilhersteller herstellbar sind. Die Fertigung erforderte Investitionen von etwa 15 Mio. Euro und ist in einem ersten Schritt auf 200 000 Einheiten pro Jahr ausgelegt. Da Continental neben dem Serienanlauf für Renault und etwas später bei Audi nach eigenen Angaben bereits weitere Serienprojekte mit Herstellern in aller Welt unterschrieben hat, ist die Anlage erweiterungsfähig ausgelegt und das Fertigungskonzept kann problemlos in Märkte wie Nordamerika oder Asien übertragen werden.
„Ein Hauptmerkmal unseres 48-Volt-Hybridsystems ist die Kombination eines Elektroantriebs mit besonders günstigem Kosten-Nutzen-Verhältnis und einer sehr effizienten Fertigung. Auf diese Weise erfüllen wir bereits bei Serienstart die Kostenstrukturen des Kompaktklassesegments, was bei einer neuen Technik schon ungewöhnlich ist“, sagt Rainer Pühl, Leiter des Continental-Standorts Nürnberg. Die günstige Kostenstruktur wurde unter anderem durch die enge Zusammenarbeit von Produktentwicklung und Produktion erreicht. „Das führte insbesondere zu weniger Änderungsschleifen beim Produkt, weniger Modifikationen an den Werkzeugen und Maschinen, sowie letztlich zu einer schnelleren Serienreife“, ergänzt Rainer Pühl.
Innovationen an den richtigen Stellen
Ein kostenoptimierter Aspekt ist die Fertigung des Stators, dem stehenden Teil des Elektromotors. Continental hat ein Verfahren entwickelt, bei dem die Kupferdrähte nicht, wie üblich, langwierig auf den Träger aufgewickelt werden. Stattdessen schiebt ein Handhabungsautomat mehr als 100 kleine Kupferstäbe (Pins) vollautomatisch in den Träger ein. Anschließend werden die einzelnen Pins per Laser berührungslos miteinander verschweißt. Dank der präzisen Geometrien der Pins und sehr enger Schweißparameter entstehen Schweißpunkte, die groß genug sind für eine sichere Stromübertragung, aber mit genügend Abstand zum benachbarten Schweißpunkt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Das Verfahren hat Continental zusammen mit dem Bayrischen Laserzentrum aus Nürnberg konzipiert.
Kupferstäbe (Pins) vollautomatisch in den Träger ein. Anschließend werden die einzelnen Pins per Laser berührungslos miteinander verschweißt. Dank der präzisen Geometrien der Pins und sehr enger Schweißparameter entstehen Schweißpunkte, die groß genug sind für eine sichere Stromübertragung, aber mit genügend Abstand zum benachbarten Schweißpunkt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Das Verfahren hat Continental zusammen mit dem Bayrischen Laserzentrum aus Nürnberg konzipiert.
Auch für die Verbindung der beiden Gehäuseteile entwickelte Continental ein neues Verfahren. Da der Startergenerator im Motorraum sehr hohen thermischen und mechanischen Anforderungen ausgesetzt ist, werden seine beiden Gehäusehälften nicht nur mit Schrauben fixiert, sondern zuvor mit einem Schrumpfverfahren bereits fest zusammengefügt. Bei diesem „Shrinking“ wird das Aluminium-Außengehäuse zunächst elektrisch auf etwa 130 Grad Celsius erhitzt. Dabei dehnt sich der Aluminiumwerkstoff um wenige zehntel Millimeter aus und bevor das Außengehäuse wieder erkaltet, wird der Stator in das Außengehäuse eingeführt. Beim anschließenden Erkalten schrumpft das Außengehäuse wieder und verbindet sich sehr fest mit dem Stator. Für die präzise Passung entwickelte Continental in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelemente-Technologie (IISB) ein geeignetes Simulationsverfahren.
Mikrometerarbeit ist auch beim Auswuchten des Stators gefragt. Für diesen Prozessschritt setzt Continental kollaborierende Roboter ein. Sie setzen zunächst den von der Logistik angelieferten Rotor in die Wuchtmaschine, assistieren anschließend beim Wuchtprozess und übernehmen das weitere Handling zum Weitertransport in die Montage.
Modulares Layout
Die Fertigung für die 48-Volt-Antriebe gliedert sich in insgesamt drei Linien. Auf der ersten Linie wird der Gleichrichter (Inverter) gefertigt, der die Schnittstelle zwischen der mit Gleichstrom arbeitenden Batterie und dem mit Wechselspannung arbeitenden Bordnetz darstellt. Auf der zweiten Linie erfolgt die Fertigung des Stators, auf der dritten die Endmontage samt abschließenden Tests. Getestet werden zum Beispiel die Dichtigkeit der Kühlkanäle, die an den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen sind. Letzter Schritt der Endmontage sind Tests der Elektronik und das Aufspielen der kundenspezifischen Software.
Rainer Pühl ergänzt: „Schon in einer frühen Entwicklungsphase haben wir den Aufbau der Linien intensiv simuliert, um möglichst ökonomische Arbeitsabläufe zu garantieren. So konnten wir in mehreren Optimierungsschleifen die Gehwege der Mitarbeiter um 40 Prozent reduzieren. Wir haben die Anlage auch bewusst flexibel und skalierbar gestaltet. Beispielsweise können wir je nach den Anforderungen und Produktionszahlen bisherige halbautomatische Stationen problemlos automatisieren.“
Hartmut Hammer, freier Fachjournalist aus Leutenbach
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