Lastprofile für Antriebe in der bayerischen Automobilindustrie richtig erstellen

Das Wichtigste auf einen Blick

Lastprofile in der bayerischen Automobilindustrie: Grundlagen und Belege

Ein Lastprofil beschreibt, welchen Belastungen ein Antriebsstrang über seine Lebensdauer ausgesetzt ist. Es ist die Grundlage jeder Auslegung: Wer nur einen einzelnen Betriebspunkt kennt, dimensioniert Lager, Wellen und Zahnräder entweder zu groß oder zu knapp.

Das Bayerische Wirtschaftsministerium zur Industrie in Bayern beschreibt den Industriestandort als geprägt von Fahrzeugbau, Maschinenbau und Elektrotechnik, also genau den Branchen, in denen Antriebsstränge ausgelegt werden. Nach der Statistik des Bayerischen Landesamts für Statistik ist der Fahrzeugbau der umsatzstärkste Industriezweig im Freistaat. Der VDA zählt Bayern zu den wichtigsten Automobilstandorten Europas.

Die Struktur ist klein- und mittelständisch. Viele Betriebe fertigen Sondermaschinen, Prüfstände, Getriebekomponenten oder E-Achsmodule in Stückzahlen, die zwischen Handwerk und Großserie liegen. Der Mittelstand in Bayern bildet dafür den organisatorischen Rahmen.

Ballungsräume wie München, Nürnberg und Augsburg bringen andere Fertigungstiefen mit als der ländliche Raum in Oberfranken und Niederbayern. Die regionale Wirtschaft in Bayern liefert dafür die Strukturdaten, mit denen sich Standortvergleiche belegen lassen.

Daraus folgt ein praktisches Problem. Ein Großserienwerk kann auf jahrelange Felddaten zurückgreifen. Ein Zulieferer mit 500 Einheiten pro Jahr muss sein Lastkollektiv aus kurzen Messreihen, Prüfstandsläufen und Kundenvorgaben ableiten.

Hinzu kommt die Elektromobilität. Wo früher Verbrennungsmotor und Getriebe getrennt betrachtet wurden, verschmelzen Motor, Leistungselektronik und Getriebe zu einer Einheit. Das Lastprofil muss dann auch Drehmomentspitzen aus dem Umrichterbetrieb und Rekuperationsphasen abbilden.

Wer das Lastprofil sauber erstellt, gewinnt doppelt: geringere Sicherheitszuschläge und belastbare Nachweise gegenüber dem Kunden. Wer es schätzt, zahlt mit Überdimensionierung oder Feldausfällen.

Datenbasis: Welche Messgrößen bayerische Zulieferer erfassen müssen

Die Qualität des Lastprofils hängt an der Messkette. Drei Größen sind unverzichtbar, alle weiteren dienen der Plausibilisierung.

Drehmoment

Das Drehmoment ist die zentrale Größe. Gemessen wird entweder direkt über Drehmomentmesswellen oder indirekt über Stromaufnahme und Motor Kennlinie. Die direkte Messung ist genauer, kostet aber Bauraum im Prüfstand.

Wichtig ist die Abtastrate. Kurze Spitzen, etwa beim Anfahren oder bei Lastwechseln, verschwinden, wenn zu langsam abgetastet wird. Für die Auslegung nach DIN 3990 sind diese Spitzen oft entscheidend.

Als Richtwert gilt eine Abtastrate von 1 kHz. Sollen kurze Spitzen sicher erfasst werden, sind 5 kHz bis 10 kHz üblich. Die Messdauer sollte mindestens vier Wochen im Feldeinsatz betragen oder 100.000 erfasste Lastwechsel umfassen, je nachdem, was zuerst erreicht ist.

Drehzahl

Die Drehzahl bestimmt zusammen mit dem Drehmoment die Leistung und die Lastwechselzahl. Für Zahnräder ist die Drehzahl direkt mit der Anzahl der Überrollungen verknüpft, also mit der Lebensdauer.

In der Praxis wird die Drehzahl häufig aus der Motorregelung übernommen. Das ist zulässig, solange die Übersetzung zwischen Messstelle und betrachtetem Bauteil korrekt berücksichtigt wird.

Lastkollektiv

Das Lastkollektiv fasst Einzelmessungen zu Klassen zusammen. Jede Klasse enthält ein Drehmomentintervall, eine Drehzahl und die zugehörige Häufigkeit oder Zeitdauer. Erst diese Verdichtung macht die Berechnung handhabbar.

Die Anzahl der Lastklassen liegt in der Praxis zwischen 8 und 16. Mehr Klassen erhöhen die Genauigkeit, erschweren aber die Handhabung. Weniger als 8 Klassen fassen unterschiedliche Lasten zu grob zusammen.

Weitere Messgrößen

Die Messdauer richtet sich nach dem Lastzyklus. Ein Prüfstandslauf über eine Schicht ist kein Lastprofil, sondern eine Momentaufnahme. Erst die Wiederholung über mehrere Zyklen und Varianten zeigt, welche Laststufen tatsächlich auftreten.

Berechnungsmethoden nach VDI 2143 und DIN 3990 im Überblick

Zwei Regelwerke tragen die Auslegung in der Praxis. Sie ergänzen sich, ersetzen einander aber nicht.

VDI 2143

Die VDI 2143 behandelt die Ermittlung und Anwendung von Lastkollektiven für Getriebe. Sie beschreibt, wie Messdaten klassiert, wie Teilschädigungen summiert und wie Lastkollektive auf eine Vergleichsgröße reduziert werden. Die zitierte Fassung ist VDI 2143 Blatt 1, Ausgabe Mai 1987.

Der Kern ist die Schadensakkumulation. Jede Laststufe trägt mit ihrer Häufigkeit und ihrer Wöhlerlinienwirkung zur Gesamtschädigung bei. Das Ergebnis ist ein äquivalentes Moment, das dieselbe Schädigung erzeugt wie das gemessene Kollektiv.

Ein Rechenbeispiel verdeutlicht das. Ein Kollektiv hat drei Klassen: 20 Nm bei 80 Prozent der Zeit, 50 Nm bei 15 Prozent und 100 Nm bei 5 Prozent.

Mit dem Wöhler Exponenten p gleich 3 ergibt sich M_eq gleich der dritten Wurzel aus (0,8 mal 20 hoch 3 plus 0,15 mal 50 hoch 3 plus 0,05 mal 100 hoch 3). Das sind 0,8 mal 8000 plus 0,15 mal 125000 plus 0,05 mal 1000000, also 6400 plus 18750 plus 50000 gleich 75150.

Die dritte Wurzel daraus ist rund 42 Nm. Das äquivalente Moment liegt damit unter dem Spitzenwert von 100 Nm, aber über dem häufigsten Wert von 20 Nm.

Für Zulieferer ist das der Hebel, um Kundenanforderungen zu prüfen. Liegt das geforderte äquivalente Moment über dem berechneten, ist die Auslegung zu knapp.

DIN 3990

Die DIN 3990 regelt die Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern. Sie liefert die Spannungsgrenzen, mit denen das Lastkollektiv verrechnet wird: Grübchenbildung, Zahnfußbruch und Fresstragfähigkeit. Maßgeblich sind die Teile DIN 3990-1 bis -6, Ausgaben 1987 bis 1994.

Methoden wie die Berechnung der Flankenpressung und der Zahnfußspannung arbeiten mit Faktoren für Anwendungsfall, dynamische Zusatzkräfte und Lastverteilung. Diese Faktoren hängen direkt am Lastprofil, weil sie aus dem Drehmomentverlauf abgeleitet werden.

Weitere Regelwerke im Umfeld

Neben diesen beiden Normen greifen Betriebe auf die Normen des DIN und die Publikationen des VDMA zurück, wenn es um Prüfstandsaufbau und Dokumentation geht. Für elektrische Antriebe kommen Empfehlungen des VDE und des ZVEI zur Effizienzklassifizierung hinzu. Diese Regelwerke gelten in ganz Deutschland, die Nachweispflicht gegenüber dem Kunden ist in Bayern dieselbe wie in Baden-Württemberg oder Niedersachsen.

Wer die Getriebearten und ihre Auslegung im Detail nachlesen will, findet in der Übersicht zu Getriebearten und Auslegung einen brauchbaren Einstieg. Für die elektrische Seite lohnt der Blick auf die Grundlagen zu Elektromotoren und Effizienzklassen.

Lastprofil Antrieb Automobilindustrie: Vorgehen in fünf Schritten

Das folgende Vorgehen hat sich bei Zulieferern bewährt, die zwischen Einzelfertigung und Kleinserie arbeiten.

Nach Schritt fünf beginnt die Prüfung. Ein Prüfstandslauf mit dem abgeleiteten Kollektiv zeigt, ob die Rechnung zur Realität passt. Weicht die Messung ab, wird das Kollektiv angepasst, nicht die Messung.

Praxisbeispiel eines bayerischen Automobilzulieferers

Ein Zulieferer aus dem Raum Nürnberg fertigt Verstellgetriebe für Sitzmodule. Die Stückzahl liegt bei 8000 Einheiten pro Jahr, verteilt auf drei Varianten. Bisher wurde der Antrieb nur nach einem einzelnen Betriebspunkt ausgelegt.

Nach zwei Feldausfällen innerhalb der Garantiezeit beginnt das Team mit einer Messreihe. Sechs Fahrzeuge werden mit Drehmomentsensoren an der Getriebeausgangswelle und Drehzahlsensoren am Motor ausgestattet. Die Messung läuft über vier Wochen im Alltagsbetrieb.

Die Auswertung zeigt zwei Dinge. Erstens treten die höchsten Momente nicht beim Verstellen auf, sondern beim Blockieren der Sitzmechanik an Anschlägen. Zweitens liegt die Mehrzahl der Lastwechsel bei niedrigen Momenten mit hoher Drehzahl.

Das Team klassiert die Daten nach VDI 2143. Das äquivalente Moment liegt unter dem bisherigen Auslegungswert, obwohl einzelne Spitzen darüber liegen. Entscheidend ist die Häufigkeit: Die Blockiermomente treten nur wenige Male pro Tag auf.

Mit dem neuen Kollektiv wird die Verzahnung nach DIN 3990 neu gerechnet. Die Zahnbreite kann um zwei Millimeter reduziert werden, gleichzeitig wird der Anschlagpuffer geändert, um die Spitzen zu dämpfen. Bauteilgewicht und Kosten sinken, die Ausfälle verschwinden.

Das Beispiel zeigt den Kern. Nicht der größte Moment bestimmt die Auslegung, sondern das Zusammenspiel aus Höhe und Häufigkeit. Genau das leistet ein Lastprofil.

Typische Fehler bei der Lastprofil-Erstellung und ihre Folgen

Die meisten Fehler entstehen nicht in der Berechnung, sondern davor.

Die Folgen reichen von Überdimensionierung mit höheren Kosten bis zum Feldausfall mit Garantieanspruch. In der Automobilindustrie wiegt der zweite Fall schwerer, weil er Lieferstopps und Rückrufe nach sich ziehen kann.

Ein weiterer Fehler betrifft die Organisation. Wird das Lastprofil nur in der Entwicklung erstellt und nicht mit Einkauf, Fertigung und Qualitätssicherung abgestimmt, bleiben Änderungen an Werkstoffen oder Toleranzen unberücksichtigt. Das Kollektiv veraltet, während das Bauteil weiterläuft.

Häufige Fragen

Wie lange muss eine Messreihe für ein belastbares Lastprofil dauern?

Das hängt vom Lastzyklus ab. Bewährt haben sich mindestens vier Wochen im realen Betrieb oder 100.000 erfasste Lastwechsel, die alle Betriebszustände abdecken. Entscheidend ist die Abdeckung der Zustände, nicht die Kalenderdauer.

Reicht der Nennmoment des Motors für die Auslegung?

Nein. Der Nennmoment beschreibt einen Beharrungszustand. Für die Auslegung nach DIN 3990 sind die Häufigkeit und Höhe aller Laststufen maßgeblich, also das Lastkollektiv.

Was leistet VDI 2143 genau?

Die Richtlinie VDI 2143 Blatt 1 (Ausgabe Mai 1987) beschreibt, wie Messdaten zu Lastkollektiven verdichtet und wie Teilschädigungen zur Gesamtschädigung summiert werden. Ergebnis ist ein äquivalentes Moment, das dieselbe Wirkung hat wie das gemessene Kollektiv.

Wie oft muss ein Lastprofil aktualisiert werden?

Immer wenn sich Einsatzbedingungen, Motor, Getriebe oder Kundenanforderungen ändern. In der Praxis bedeutet das eine Prüfung bei jeder Produktänderung und eine Überprüfung nach den ersten Felddaten.

Welche Rolle spielt die regionale Zulieferstruktur in Bayern?

Viele Betriebe fertigen kleine Serien mit wechselnden Varianten. Dadurch sind Lastprofile weniger standardisierbar als in der Großserie, und die regionale Industriestruktur schlägt direkt auf die Auslegungsarbeit durch.