Die Europäische Kommission hat im März 2006 ein "Grünbuch über Energieeffizienz" herausgegeben. Basierend auf zahlreichen Veröffentlichungen kommt sie zur Aussage, dass die "EU 20 Prozent ihres derzeitigen Energieverbrauchs auf kostengünstige Weise einsparen könnte". Sie bezeichnet das "Energiesparen zweifellos als die schnellste, nachhaltigste und kostengünstigste Art, Treibhausgasemissionen zu verringern". Die größten Anteile am Energieverbrauch sind die VErluste durch Umwandlung (29 Prozent) sowie der Verkehr (20 Prozent). Aus dem weiten Gebiet der Energieeffizienz sind diese beiden Gebiete für die mechatronische Antriebstechnik von großer Bedeutung. MEchatronische Systeme beinhalten elektrische und mechanische Wandler. Zur Verringerung des Energieverbrauchs sollten die GEsamtverluste der Systeme für jeden Anwendungsfall minimiert werden. Hier müssen neue methodische Ansätze entwickelt werden.
Bild 1: Komponenten im mechatronischen System
Mechatronische Antriebssysteme zeichnen sich grundsätzlich durch die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt aus. Oft sind in solchen Systemen noch Energieund/ oder Leistungsspeicher für elektrische Energie integriert. Hybridsysteme enthalten zusätzlich noch Verbrennungsmotoren, die chemisch gebundene Energie in mechanische Energie umwandeln. Bild 1 zeigt im Dreieck ein solches Hybridsystem mit elektrischer, chemischer und mechanischer Energie. Das mechatronische System ist ein Teil des Hybridsystems. Die elektromotorische Leistung wird im Motor in mechanische Energie umgesetzt und durch entsprechende Getriebe so gewandelt, dass sie dann in der gewünschten Form vorliegt. Dreht man den Leistungsfluss um, wird in diesen Systemen und Anlagen aus mechanischer Energie in Elektrogeneratoren elektrische Energie erzeugt. So setzt sich z. B. der Gesamtwirkungsgrad für das in Bild 1 dargestellte mechatronische System vereinfacht wie folgt aus den Einzelwirkungsgraden zusammen:
Getriebe werden meist deswegen benötigt, weil T, ω der Elektromaschinen nicht mit den Anforderungen der Anlage übereinstimmen. Benötigte hohe Abtriebsmomente bzw. Kräfte können mit hochübersetzenden Getrieben erzeugt werden. Bei welchen Übersetzungen diese Anlagen im Vergleich zu Direktantrieben leichter, preiswerter oder besser hinsichtlich des Wirkungsgrades sind, hängt von vielen Einflussparametern ab.
Schon bei der Optimierung eines herkömmlichen Antriebsstrangs aus Verbrennungsmotor und Getriebe hat sich gezeigt, dass der Gesamtwirkungsgrad mit Getrieben, die einen schlechteren Einzelwirkungsgrad haben, dennoch durchaus zu verbessern ist. Stufenlose Getriebe haben einen schlechteren Einzelwirkungsgrad als Schaltgetriebe, können aber den Verbrennungsmotor häufiger in seinem optimalen Bereich betreiben, so dass eine nennensweirte Kraftstoffeinsparung in bestimmten Fahrzyklen erreicht werden kann. Heute ist dies ein Verkaufsargument für AUDI-Fahrzeuge mit dem Multitronic-Getriebe. 
Bild 2: Gesamtoptimierung eines mechatronischen Antriebssystems
Für die genannten mechatronischen Antriebssysteme sind bisher keine systematischen Gesamtoptimierungen durchgeführt worden. Während es zu den einzelnen Komponenten mechatronischer Anlagen experimentelle und theoretische Wirkungsgraduntersuchungen gibt, ist an die Gesamtoptimierung bisher nur ansatzweise mit numerischen Optimierungsverfahren herangegangen worden.
Unabhängig vom optimalen Gesamtwirkungsgrad sind auch Verbesserungen der Komponentenwirkungsgrade anzustreben, vor allem die wesentlichen Einflussparameter zu erfassen und mathematische Abhängigkeiten aus vorhandenen und neu zu erstellenden Versuchsergebnissen zu formulieren. Nur mit diesen mathematisch erfassten formelmäßigen Zusammenhängen lassen sich mehrparametrische Gesamtoptimierungsmethoden ermitteln. Mit Sensitivitätsanalysen soll der Einfluss einzelner Parameter auf die Verluste und damit auf den Wirkungsgrad untersucht werden. Die besondere Innovation liegt in der ganzheitlichen Systemoptimierung verschiedener mechatronischer Systeme. Ein Beispiel ist in Bild 2 dargestellt.
Während es bei Windkraftanlagen um die Umsetzung mechanischer Energie in Elektrizität geht, mit der Besonderheit hochübersetzender Getriebe ins "Schnelle", gilt es bei Aufzuganlagen, Scheibenwischerantrieben und Sitzverstellungen aus hochdrehenden leichtbauenden Elektromotoren hohe Abtriebsmomente zu erzeugen, hier sind die Getriebe hochübersetzend ins "Langsame". Zusätzlich ist bei Hybridantrieben für Fahrzeuge mit sehr unterschiedlichen Antriebsmotoren (Verbrennungsmotor, Elektromotor) noch die Speicherung elektrischer, z. T. rekuperativ gewonnener Energie bei der Berechnung von Gesamtwirkungsgraden zu berücksichtigen. Das Thema Energieeffizienz ist von langfristiger Bedeutung, weil speziell im automobilen Bereich die heute vorherrschende Energiequelle "Erdöl" in 40–50 Jahren versiegen wird und ersetzt werden muss. Dabei ist jede Reduzierung von Umwandlungsverlusten dringend erforderlich.
Prof. Dr-Ing. Benrd-Robert Höhn,
Forschungsstelle für Zahnräder
und Getriebebau, FZG, TU München
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