Während im klassischen Verbrennungsmotor die Kurbelwelle in einer fünf bis sieben hydrodynamischer Gleitlagern gelagert wird, so muss der Elektromotor des E-Fahrzeugs mit zwei Kugellagern auskommen, die den Rotor tragen. Diese sind als doppelt gedichtete Wälzlager „2RS“ ausgeführt, deren Kunststoffdichtungen die Lebensdauerschmiermittelfüllung im Inneren des Lagers halten. Doch wie hoch die Lebensdauer in der Praxis ist, hängt nicht nur von der Konstruktion am Reißbrett ab, sondern auch den Umweltbedingungen.
Hauptausfallgründe der Lagerung eines Elektromotors
Wie bereits angerissen, greifen auch beim Elektromotor viele Faktoren ineinander, die das vorzeitige Ende der Wälzlagerung bedeuten können. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um:
Elektroerosion
Der Hauptausfallgrund der Wälzlager ist elektrische Erosion: Elektrofahrzeuge verwenden hochfrequente Wechselrichter, um die angeforderte Leistung punktgenau zu steuern. Dadurch können sich Streuspannungen am Motorrotor aufbauen. Die stählernen Kugeln der Wälzlager verbinden den Rotor galvanisch mit dem Motorgehäuse, sodass sich die entstandenen Streuspannungen über die Wälzlager entladen können. In Form von winzigen Lichtbögen schmelzen sie das Metall an der Oberfläche der Wälzkörper und der Laufbahn und verursachen so mikroskopisch kleine Vertiefungen (Pitting), Oberflächenaufrauungen sowie Rillenbildungen.
Hohe Drehzahlen
Als zweithäufigste Ursache für Lagerschäden bei Elektrofahrzeugen werden extreme Drehzahlen genannt. Die Motoren von Elektrofahrzeugen drehen sich häufig mit 15.000 bis 25.000 U/min. Diese hohen Drehzahlen liegen oftmals nah an der Drehzahlgrenze der verwendeten Wälzlager.
Sofortiges Drehmoment & Vibrationen
Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren liefern Elektromotoren das maximale Drehmoment unmittelbar nach dem Start. Dies kann zu kurzzeitigen mechanischen Belastungen durch auftretende Trägheitsmomente führen, welche die Lager des Antriebsstrangs überbeanspruchen. Auch Vibrationen von der Fahrbahn oder von schlecht gewuchteten Bauteilen können die Lebensdauer der Wälzlager erheblich verringern.
Versagen der Schmierung
Die enorm hohen Drehzahlen und Betriebstemperaturen von 60 bis 80 Grad können mit der Zeit dazu führen, dass das Schmierfett zersetzt wird oder aus dem Lagerbereich verdrängt wird. Denn selbst wenn die Dichtungen der Lager auf deren Lebensdauer ausgelegt sind, gehen permanent winzige Mengen des Schmierfetts verloren, was sich nach etlichen tausend Betriebsstunden summiert. Gleichzeitig sorgen die erhöhten Temperaturen für eine Alterung des Schmierstoffs, sodass dessen Wirkung mit der Zeit nachlässt. Ohne ausreichende Schmierung kommt es durch das direkte Laufen von Metall auf Metall zu raschem Verschleiß. Der Ausfall des Lagers ist dann nur noch eine Frage der Zeit.
Schaeffler schafft Abhilfe mit RepSystem M und – G
Da Elektrofahrzeuge der ersten und zweiten Generation mittlerweile auf dem Aftermarket erhältlich sind und entsprechende Schadensbilder gehäuft auftreten, haben die Antriebsspezialisten speziell abgestimmte Reparaturkits, die „RepKits“, für Elektromotoren (RepSystemM) und Reduktionsgetriebe (RepSystem G) entwickelt. Diese verhelfen Werkstätten zu einer wirtschaftlichen Instandsetzung der Antriebseinheit.
In den Kits finden Mechatroniker alles, was sie zur Instandsetzung benötigen: Wälzlager, Wellendichtringe, Sicherungsringe, O-Ringe und Formdichtungen. Angrenzende Reparatursätze, etwa für die Leistungselektronik, umfassen die verwendeten Formschläuche, Kühlmittelflansche und Kabeldurchführungen. Diese sind seitens der Hersteller nicht erhältlich. Neben den Komponenten enthalten sie auch eine Schritt-für-Schritt-Instandsetzungsanleitung, die die Werkstätten bei der Reparatur vor Stolperfallen und Fehlern schützt.
Instandsetzung Schritt für Schritt
Um den Rotor aus dem Stator zu entfernen, ist aufgrund der enormen magnetischen Kraft eine Spezialvorrichtung notwendig, um ein Schleifen des Rotors zu vermeiden. Der Schaeffler Sondermaschinenbau bietet dafür das „E-Axle-Repair-Tool“ an. Dabei handelt es sich um eine mechanische Presse, mit der Rotor und Stator fixiert und sicher getrennt werden können.
Nachdem der Reducer von der eigentlichen E-Maschine getrennt wurde, wird der Elektromotor auf das E-Axle-Repair-Tool gewandert, wo der Stator außen fixiert wird. Anschließend nehmen zwei Dorne die Motorwelle auf, sodass der Rotor mitsamt dem oberen Lagerschild abgezogen werden kann.
Sobald der Rotor herausgezogen wurde, wird er mit Pappe und Frischhaltefolie umwickelt. So wird verhindert, dass metallische Späne oder Abrieb an dem Permanentmagneten haften bleiben. Aufgrund der hohen Magnetkraft würde man ihn kaum mehr sauber bekommen und Späne im Motor können zu Kurzschlüssen und mechanischen Defekten führen.
Rotorlager wechseln
Der Austausch der Rotorlager verläuft nahezu analog zum Wechsel der Lager einer Lichtmaschine. Die alten Lager werden auf der Hydraulikpresse ausgedrückt und die neuen mittels passender Druckstücke wieder eingepasst. Das Loslager auf der gegenüberliegenden Seite lässt sich in der Regel direkt aus seinem Sitz ausziehen. Dabei hilft der Parallelabzieher, das alte Wälzlager von der Rotorwelle zu entfernen.
Laut Schaeffler sollte hier besonderes Augenmerk auf die Dichtflächen gelegt werden, da die Motoren in der Regel von einem Kühlmittelmantel umgeben sind. Schon leichte Abdrücke im weichen Aluminium verhindern, dass die Dichtung sauber anliegt, sodass der Motor nicht mehr dicht wird. Die Experten empfehlen zur Reinigung flüssigen Dichtungsentferner und fusselfreie Tücher. Von metallischen Flachschabern raten sie konsequent ab, da diese die Dichtflächen beschädigen könnten.
Sind die alten Lager ausgepresst und abgezogen, können die neuen Kugellager in umgekehrter Reihenfolge wieder montiert werden. Dabei ist darauf zu achten, diese jeweils nur über den Innenring auf die Motorwelle zu pressen, um eine Vorschädigung der Lager zu vermeiden.
Einführen des Rotors in den Stator
Für den (fast) finalen Arbeitsschritt geht es zurück zum E-Axle-Repair-Tool, wo der Stator noch aufgespannt ist. Der Rotor wird auf die Dorne aufgesetzt und anschließend vorsichtig wieder in das Motorgehäuse samt Statorwicklung eingeführt. Ist die Endlage erreicht, werden die beiden Lagerschilder (Gehäusedeckel) wieder mit dem entsprechenden Drehmoment und in der in der Anleitung vorgegebenen Reihenfolge angezogen.
Anschließend werden der Erdungsschleifkontakt des Rotors und die Verbindung zwischen den drei Motorphasen und ihren Steckeranschluss auf der gegenüberliegenden Seite angebracht. Auch das Tachometer, das die Position der Rotorwelle an das Steuergerät meldet, wird hier wieder verbunden. Abschließend wird das Hochvoltsystem mit einem Sicherheitsdeckel verschlossen, während abtriebsseitig der Reducer wieder aufgesteckt werden kann.
Hochzeit mit dem Getriebe
Nach dem erfolgreichen Austausch der Motorlager können das zuvor aufbereitete Reduktionsgetriebe und die E-Maschine wieder miteinander verbunden werden. Klüber-Spezialschmiermittel auf dem Keilnabenprofil des Motors hilft dabei, diesen in die Eingangswelle des Getriebes einzuführen. Bei dieser präzisen Ausrichtarbeit sollte ein zweiter Mechatroniker zu Rate gezogen werden, um ein Verkeilen des Getriebes auf der Motorwelle zu vermeiden und das Einführen zu erleichtern.
Nach der Montage des orangen HV-Kabels ist die Einheit endgültig wieder einsatzbereit.
