Schaefflers E-Bike-Antrieb kommt ohne Kette aus

Warum E-Bikes für die Industrie relevanter werden

E-Bikes haben sich innerhalb kurzer Zeit vom Nischenprodukt zu einem etablierten Verkehrsmittel entwickelt. Neben dem Einsatz als Freizeitfahrzeug gewinnen elektrisch unterstützte Fahrräder vor allem in Städten an Bedeutung. Als Lasten- und Transporträder übernehmen sie bereits Aufgaben, die sonst häufig von Kleintransportern erledigt werden.

Auch Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen erproben den Einsatz von E-Bikes in ihren Fahrzeugflotten oder stellen entsprechende Räder ihren Beschäftigten zur Verfügung. Insbesondere bei Botendiensten und in der Kurzstreckenlogistik gelten E-Lastenräder als attraktive, CO2-neutrale Alternative. Die Elektromobilität auf zwei oder drei Rädern wird damit zu einem Baustein für die Reduktion des betrieblichen CO2-Ausstoßes.

In diesem Markt engagiert sich auch der Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler. Mit dem kettenlosen Antriebssystem Free Drive hat das Unternehmen eine Lösung für elektrisch unterstützte Fahrräder entwickelt und zur Serienreife geführt. Bei der Überführung des Systems in die industrielle Fertigung arbeitete Schaeffler mit dem Zerspanungsspezialisten Walter zusammen.

Schaeffler entwickelt den Free Drive-Pedalgenerator

Das Herzstück des Free Drive ist ein von Schaeffler entwickelter Pedalgenerator. Das vollständige System besteht aus diesem Generator, einem Antriebsmotor, kundenspezifischen Batterielösungen und einem Human-Machine-Interface, kurz HMI.

Beim Treten erzeugt der Pedalgenerator einen gleichmäßigen Widerstand und stellt die Energie für den Elektromotor am Hinterrad bereit. Überschüssige Energie wird im Akku gespeichert und bei Bedarf für den Antrieb genutzt. Insgesamt erreicht das System eine Antriebsleistung von 250 Watt.

Da keine mechanische Verbindung über eine Fahrradkette erforderlich ist, entfallen Komponenten wie Kette, Zahnkränze, Ritzel und Riemen. Damit sinkt zugleich die Zahl der Verschleißteile. Gerade für Betreiber von Lastenradflotten kann der daraus resultierende geringere Wartungsaufwand eine wichtige Rolle spielen.

Wie der E-Bike-Antrieb lange Liefertouren erleichtert

Beim Free Drive wird nach Angaben des Unternehmens weniger Muskelkraft benötigt als bei einem klassischen Kettenantrieb. Dieser Aspekt ist insbesondere für Cargo-Bikes relevant, die auf langen Liefertouren eingesetzt werden.

Der kettenlose Aufbau schafft zugleich Freiräume bei der Konstruktion des Fahrrads. Die Energieübertragung zwischen Pedalgenerator und Hinterradmotor erfolgt elektrisch. Der Generator erzeugt dabei den definierten Tretwiderstand, während der Elektromotor die eigentliche Antriebsleistung am Hinterrad bereitstellt.

Die Entwicklung des Pedalgenerators war jedoch nur ein Teil des Projekts. Im nächsten Schritt musste Schaeffler die ursprüngliche Konstruktion so auslegen, dass sie sich wirtschaftlich, reproduzierbar und prozesssicher in Serie fertigen lässt.

Aluminiumgehäuse fordert die Zerspanung

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Gehäuse des Pedalgenerators. Es wird aus einer Aluminiumlegierung aus dem Vollen gefräst. Die Geometrie stellt hohe Anforderungen an Werkzeuge, Maschinen und Bearbeitungsstrategie.

Das Gehäuse ist 85 Millimeter tief. Auch am Boden müssen noch Stege und Kehlungen ausgefräst werden. Gleichzeitig ist das Bauteil sehr dünnwandig. Dadurch wird es schwieriger, die geforderten engen Rundheitstoleranzen während der Bearbeitung zuverlässig einzuhalten.

Die Aluminiumbearbeitung selbst ist für die Beschäftigten im Schaeffler-Werk Sasbach kein neues Arbeitsgebiet. Ungewöhnlich ist jedoch der Einsatzbereich des Bauteils. Üblicherweise produziert das Werk Komponenten für Fahrzeuge mit Verbrennungs- oder Elektroantrieb. Dazu gehören Dämpfer, E-Achsen, Drehmomentwandler und Doppelkupplungen.

Am Standort am Rand des Schwarzwalds arbeiten 330 Beschäftigte. Auf fast 90 Zerspanungsmaschinen werden täglich etwa 150 Tonnen Rohmaterial zu rund 100.000 Einzelteilen verarbeitet. Die Fertigung des Free Drive-Pedalgenerators erweitert dieses Produktionsspektrum um eine Komponente für E-Bikes.

Warum Walter das Werkzeugkonzept übernahm

Für die Serienfertigung benötigte Schaeffler ein Zerspanungs- und Werkzeugkonzept, das die technischen Anforderungen erfüllt und gleichzeitig innerhalb des vorgegebenen Kostenrahmens bleibt. Walter erarbeitete dafür die Werkzeugauslegung und setzte das Konzept gemeinsam mit Schaeffler auf den Maschinen im Werk Sasbach um.

Stefan Oberle, Leiter Technologie Zerspanung bei Schaeffler in Bühl und Sasbach, erklärt: „Ein wichtiger Faktor, um den Free Drive-Pedalgenerator überhaupt in Serie zu produzieren, war die Erstellung eines Zerspanungs- und Werkzeugkonzepts, mit dem wir innerhalb eines bestimmten Kostenrahmens bleiben. Bei Walter konnten wir uns sicher sein, dass wir denen den Job einfach übergeben können und ein richtig gutes Ergebnis bekommen.“

Die Zusammenarbeit zwischen den Unternehmen besteht bereits seit vielen Jahren. Mathias Scherer von Walter betreut Schaeffler in diesem Zeitraum und verweist auf die Erfahrungen des Werkzeugherstellers in der Bearbeitung von Aluminiumkomponenten für die Elektromobilität.

Scherer sagt: „Walter hat sehr viel Erfahrung mit Projekten im Bereich Aluminium-Bearbeitung für E-Mobilität, auch E-Bike Komponenten nehmen zu. Privat bin ich leidenschaftlicher E-Mountainbiker, deswegen bin ich besonders stolz darauf, dass uns Schaeffler mit dem Auftrag betraut hat. Hier konnten wir unsere ganze Erfahrung ausspielen – und unser breites Portfolio an Werkzeugen und Services.“

Die Werkzeugauslegung entstand in enger Abstimmung mit den Verantwortlichen von Schaeffler. Neben der Auswahl geeigneter Werkzeuge spielte dabei auch die Entwicklung der Bearbeitungsstrategie eine wesentliche Rolle.

25 Werkzeuge im aktuellen Bearbeitungssetup

Für die Bearbeitung des Gehäuses und des Deckels des Generators kommen im aktuellen Setup insgesamt 25 Zerspanungswerkzeuge zum Einsatz. Dazu gehört der MD266, ein Vollhartmetall-Eck- und Nutfräser von Walter.

Die grundsätzliche Werkzeugauslegung konnte nach Angaben der Projektbeteiligten vergleichsweise schnell erstellt werden. Ob das Konzept die gewünschten Ergebnisse liefert, zeigte sich jedoch erst während der praktischen Umsetzung und Optimierung auf der Maschine.

Michael Benz, Anwendungstechniker bei Walter, begleitete das Projekt von Beginn an. Er erklärt: „Das Grundgerüst für die Werkzeugauslegung stand recht schnell. Aber was wirklich gut funktioniert, sieht man ja immer erst auf der Maschine. Bei Walter können wir fürs Optimieren eines Prozesses auf ein sehr differenziertes Werkzeug-Portfolio zurückgreifen. Den entscheidenden Unterschied macht aber oft, dass wir hier im Walter Außendienst alle selbst Erfahrung in der Zerspanung haben.“

Die praktische Erfahrung der beteiligten Anwendungstechniker war insbesondere bei der Bearbeitung des tiefen und dünnwandigen Gehäuses gefragt. Werkzeugauswahl, Schnittparameter und Bearbeitungsstrategie mussten so aufeinander abgestimmt werden, dass die geforderten Toleranzen prozesssicher erreicht werden können.

Auch Schaeffler hebt die anwendungsbezogene Zusammenarbeit hervor. Oberle sagt: „Wir arbeiten mit sehr vielen Werkzeug-Herstellern zusammen. Die fachliche Kompetenz, vor allem auch die praktische Erfahrung in der Zerspanung merkt man beim Walter Team sofort. Die arbeiten sehr Hands-on mit uns zusammen. Das ist bei komplexen Projekten immer ein Pluspunkt, gerade wenn es auch sehr stark um die Bearbeitungsstrategie geht.“

Mit dem gemeinsam entwickelten Werkzeug- und Zerspanungskonzept schuf Schaeffler die fertigungstechnische Grundlage für die Serienproduktion des Free Drive-Pedalgenerators. Das Projekt verbindet damit die Entwicklung eines kettenlosen E-Bike-Antriebs mit den Anforderungen einer wirtschaftlichen und prozesssicheren industriellen Aluminiumbearbeitung.