Warum das Getriebe bei Elektroautos verschwindet

Der Grund, warum das Getriebe bei Elektroautos verschwindet, liegt darin, dass die Kennlinie des Elektromotors genau entgegengesetzt zu der des Verbrennungsmotors arbeitet: Der Motor liefert sein volles Drehmoment ab dem Stillstand, also ab 0 Umdrehungen, und dreht über einen sehr breiten Drehzahlbereich ohne Wirkungsverlust. Diese beiden Eigenschaften machen ein mehrgängiges Getriebe, das zur Drehmomentabstufung konzipiert ist, überflüssig; die meisten Elektrofahrzeuge werden daher über ein einstufiges Untersetzungsgetriebe mit den Rädern verbunden.

Was ist die eigentliche Funktion des Getriebes und warum wird es beim Elektroauto überflüssig?

Um das Getriebe zu verstehen, muss man sich zunächst ansehen, was es tut. Ein Verbrennungsmotor hat nicht die Kraft, die Räder direkt anzutreiben; er liefert sein Drehmoment nur in einem bestimmten Drehzahlband und mit begrenzter Leistung. Das Getriebe überträgt diese Kraft über verschiedene Übersetzungsverhältnisse auf die Räder und hält den Motor so in jedem Geschwindigkeitsbereich in seinem nutzbaren Arbeitsbereich. In einem klassischen 5-Gang-Getriebe verlaufen die Übersetzungen ungefähr so: 1. Gang 3.35:1, 2. Gang 1.93:1, 3. Gang 1.29:1, 4. Gang direkt als 1.00:1 und der 5. Gang als Overdrive mit 0.68:1. Jede Stufe ist ein Werkzeug, das das Drehmoment beim Anfahren vervielfacht und bei hohen Geschwindigkeiten streckt.

Ein Elektromotor braucht keines dieser Werkzeuge. Denn er erzeugt seine Antriebskraft - also das Drehmoment - bereits ab der ersten Umdrehung in voller Stärke. In einem Elektrofahrzeug läuft der Motor nicht im Leerlauf; steht das Fahrzeug, dreht auch der Motor nicht, und sobald Sie das Gaspedal berühren, erreichen dieselben Kräfte die Räder - bei 1 Umdrehung genauso wie bei 1.000 Umdrehungen. Es gibt keine Maschine, die beim Anfahren einen kurzen Drehmomentmultiplikator und auf der Autobahn eine lange Übersetzung braucht; der Motor macht seine Arbeit an beiden Enden.

Die Motorkennlinie: Die ingenieurtechnische Begründung für den einzelnen Gang

Hinter diesem Verhalten steht die Kurve, die in jedem Elektromotor zu finden ist. Bei niedrigen und mittleren Drehzahlen arbeitet der Motor im Bereich des konstanten Drehmoments: Auch wenn die Drehzahl steigt, ändert sich das erzeugte Drehmoment nicht. Sobald eine Schwelle, die wir Basisdrehzahl nennen, überschritten wird, beginnt das Drehmoment abzufallen, doch der Motor geht nun in den Bereich der konstanten Leistung über; in der Industrie wird dieser Bereich auch Feldschwächung (field weakening) genannt. Die Kurve hat also ein Profil, bei dem sich die Leistung quasi ohne Stufen über einen breiten Bereich erstreckt.

Vergleichen Sie das mit der Kurve eines Verbrennungsmotors: Im normalen Fahrbetrieb steigt er von etwa 1.200 U/min bis auf 4.000-4.500 U/min, der rote Bereich liegt bei etwa 5.000-6.000 U/min , und diese Drehzahl kann er nicht lange halten. Das Band, in dem das Drehmoment nutzbar ist, ist schmal; deshalb braucht jede Fahrgeschwindigkeit eine passende Gangstufe. Ein Elektromotor erreicht 10.000 U/min innerhalb von Sekunden und dreht bis zu 20.000 U/min bis zu ihren Größenordnungen zurückdrehen können. Zudem ändert sich die Effizienz über diesen weiten Bereich kaum erheblich: Bei den meisten Motoren 85–95 % Wirkungsgradband verteilt sich mit nur wenigen Prozentpunkten Unterschied über einen breiten Drehzahlbereich.

Die ausreichende Leistung eines einzigen Übersetzungsverhältnisses in Zahlen

Eine einzige Rechnung veranschaulicht die ausreichende Leistung eines einstufigen Reduziergetriebes. Die Motordrehzahl hängt mit der Getriebeübersetzung, der Geschwindigkeit und dem Reifendurchmesser zusammen; wendet man diese Formel für ein Fahrzeug wie den Hyundai Ioniq 5 mit einer 4.706 Endübersetzung, ca. 20 Zoll Reifen und einer theoretischen Höchstgeschwindigkeit von 186 mph an, ergibt sich, dass der Motor 14.000+ U/min dreht. Mit demselben einzigen Übersetzungsverhältnis könnte ein Verbrennungsmotor mit rotem Bereich bei 6.000 U/min nur 76 mph (etwa 122 km/h) fahren - also deutlich unter Autobahntempo. Die Drehzahlfähigkeit des Elektromotors beseitigt den Geschwindigkeitsbereich, den ein einziges Übersetzungsverhältnis nicht abdecken könnte.

Ein Punkt muss klargestellt werden: Elektrofahrzeuge sind nicht vollständig getriebefrei. Zwischen den Drehzahlen des Motors und der Räder besteht ein natürlicher Unterschied, und in jedem EV gibt es ein einstufiges Reduziergetriebe, das diesen Unterschied ausgleicht. Was verloren geht, ist das Mehrstufengetriebe und damit der Akt des Gangwechsels.

Einfachheit, Wartung und Effizienz: Der Preis der wegfallenden Teile

Das Weglassen eines Mehrstufengetriebes aus dem Design ist nicht nur eine ästhetische Vereinfachung, sondern ein messbarer Ingenieursgewinn. Ein herkömmliches Automatikgetriebe besteht aus 7 Hauptkomponenten und rund 800 Teilen; im Fehlerfall kann der Austausch inklusive Arbeitskosten 1.800–3.400 $ betragen. Demgegenüber hat das gesamte Antriebsaggregat des Tesla Model S insgesamt nur 20 bewegliche Teile und Chevrolet betont, dass der Bolt 80 % weniger bewegliche Teile besitzt als sein vergleichbares Verbrennungsäquivalent.

Weniger bewegliche Teile bedeuten drei Dinge: weniger energiebedingte Verluste durch Reibung, das Wegfallen von Wartungsposten wie dem Getriebeölwechsel und ein geringeres Risiko mechanischer Defekte. Da der Motor selbst bereits über einen weiten Bereich effizient arbeitet, erzeugt eine zusätzliche Getriebestufe meist keinen Gewinn, sondern Verlust - jedes zusätzliche Zahnradpaar fügt der Kette seine eigene Reibungseffizienz hinzu. Auf der Fahrerseite ist das Ergebnis sehr eindeutig: eine unterbrochene, geschmeidige Beschleunigung ohne Gangwechsel. Sobald man das Gaspedal berührt, läuft der Motor an, und mit steigender Geschwindigkeit beschleunigen die Räder direkt, ohne jeglichen Stufenübergang.

Ausnahmen: Warum gibt es Elektrofahrzeuge mit mehreren Gängen?

Die ausreichende Leistung eines einzigen Gangs ist keine physikalische Notwendigkeit, sondern eine optimale Wahl bei Serienfahrzeugen mit großen Motoren. Die bekannteste Ausnahme ist der Porsche Taycan: Er verwendet an der Hinterachse ein 2-Gang- Getriebe. Laut Angaben des Herstellers sorgt der kurze 1. Gang beim Anfahren für mehr Beschleunigung, während der lange 2. Gang selbst bei sehr hohen Geschwindigkeiten hohen Wirkungsgrad und Leistungsreserve gewährleistet. Das Getriebe basiert auf einem automatisch schaltenden Nasskupplungspaket (wet clutch pack).

Die Logik ist eine eingegrenzte Version der Begründung aus der Welt der Verbrennungsmotoren. Bei Hochleistungsfahrzeugen wie dem Taycan fordern Höchstgeschwindigkeit und Autobahneffizienz den einzigen Arbeitspunkt des Übersetzungsverhältnisses heraus; zwei Stufen bringen das Getriebe sowohl beim Anfahren als auch bei hohen Geschwindigkeiten näher an den optimalen Punkt. Analysen zeigen, dass diese Box auf der Autobahn etwa %5 Effizienzverbesserung bieten und die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs nach oben ziehen kann; zu den Bewertungen gehört auch, dass das Zweigang-Getriebe den Taycan schneller macht als die Einsgang-Rivalen. Dass die Vorderachse des Fahrzeugs vollständig getrennt und unabhängig betrieben werden kann, ist ebenfalls Teil des dynamischen Designs dieses Antriebsstrangs.

Mehrgang-Lösungen bei Nutzfahrzeugen

Die zweite Ausnahmegruppe betrifft nicht die Leistung, sondern das Nutzungsprofil. Einige Nutzfahrzeuge müssen Anfahrmoment unter schwerer Last und Langstreckeneffizienz gleichzeitig erfüllen; bei kleinen und effizient ausgelegten Motoren kann eine zusätzliche Stufe nützlich sein. Das Gesamtbild ist jedoch eindeutig: Das 2019-2020 hervorgetretene Beispiel des Taycan hat sich bis 2024 nicht zu einer breiten Vervielfältigung entwickelt. Die meisten Elektrofahrzeuge sind weiterhin eingängig, und es zeigt sich, dass dies keine technische Notwendigkeit, sondern eine rationale Wahl ist.

Lohnt sich der Zusatz weiterer Gänge wirklich? Die Balance zwischen Gewinn und Verlust

Aus Designperspektive sind die Vor- und Nachteile der Mehrgang-Lösung eng miteinander verbunden:

• Gewinnseite: Effizienzsteigerung durch Annäherung des Motors an den optimalen Arbeitspunkt bei hohen Geschwindigkeiten; verbesserte Beschleunigung und höhere Höchstgeschwindigkeit; potenziell kleinere Battery- und Motorenwahl; Flexibilität bei schwerem Geländeeinsatz.
• Verlustseite: Zusatzgewicht und Herstellungskosten; die internen Getriebeverluste der Box selbst; die Begrenztheit des Ertrags im Vergleich zum gezahlten Preis.

Bei den großen und leistungsstarken Motoren in Serien-EVs ist die Gewinnseite in der Regel umstritten: Ein Mehrgang-Getriebe bietet im Vergleich zum Eingang-Getriebe möglicherweise keinen großen Effizienzsprung und kann die Balance sogar durch die internen Verluste der Box negativ beeinflussen. Als Gegenbehauptung hat ein Zulieferer ein Mehrgang-System vorgeschlagen, das bis zu %15 weniger Energieverbrauch im Vergleich zu eingängigen Antriebskomponenten verspricht; der realistische Gewinn solcher Behauptungen hängt jedoch eng von der Charakteristik des Motors und dem Nutzungsprofil des Fahrzeugs ab. Die zusammengefasste Bilanz lautet: Eine zusätzliche Stufe, die die Motordrehzahl bei Autobahngeschwindigkeiten senkt, kann den Verbrauch reduzieren, aber die allgemeine Auffassung ist, dass der Gewinn in den meisten Fahrzeugen zu begrenzt ist, um die Komplexität zu rechtfertigen.

Häufig gestellte Fragen

Haben Elektroautos ein Getriebe?

Ja, aber nicht im klassischen Sinne. Die meisten Elektrofahrzeuge verwenden ein eingängiges Getriebe (Reduziergetriebe) oder einen Direktantrieb; ein Gangwechsel findet nicht statt. Der Ganghebel am Lenkrad oder an der Konsole ist ein Wählschalter, der die Positionen P, R, N, D auswählt, keine Steuerung eines mehrgängigen Getriebes.

Sind Elektrofahrzeuge automatisch?

Ja. Es gibt keine Kupplung und kein mehrgängiges Getriebe; es wird ein Motor mit einem Gang und sofortigem Drehmoment verwendet. Für den Fahrer bedeutet das ein vollständig automatisches und unterbrechungsfreies Antriebserlebnis.

Erhöht das Hinzufügen von Gängen die Reichweite?

Bei Autobahngeschwindigkeiten kann es den Energieverbrauch senken, indem es die Motordrehzahl reduziert, aber die allgemeine Auffassung ist, dass der Gewinn begrenzt bleibt. Da der Motor bereits über einen breiten Drehzahlbereich mit 85–95 % Wirkungsgrad arbeitet, können die inneren Verluste und Kosten, die durch einen zusätzlichen Gang entstehen, die Reichweitenbilanz in den meisten Fahrzeugen nicht positiv ausgleichen.

Fazit: Das Reduziergetriebe als Ersatz für das verschwundene Getriebe

Das Getriebe war eine Lösung für das Problem eines Motors, der sein Drehmoment nicht über einen breiten Geschwindigkeitsbereich verteilen kann. Da der Elektromotor mit konstanten Drehmoment- und Leistungsbereichen dieses Problem selbst löst, wurde die Lösung aus dem Fahrzeug entfernt und durch ein einzelnes fest übersetztes Reduziergetriebe ersetzt. Fahrzeuge wie der Taycan zeigen, dass das Hinzufügen von Stufen weiterhin möglich und sinnvoll sein kann, wenn maximale Leistung oder besondere Nutzungsprofile gefordert sind - aber das ist eine Ausnahme. In einem Antriebsstrang, in dem die Regeln neu geschrieben werden, ist das beste Getriebe meist gar kein Getriebe.

Quellen

• Was bedeutet es, dass Elektroautos ein eingangiges Getriebe haben
• Der Antriebsstrang: Reine Leistung
• Warum das Zweigang-Getriebe des Porsche Taycan EV ...
• Porsche Taycan Elektroauto: 2-Gang konnte der erste von vielen sein ...
• Das Zweigang-Getriebe des Porsche Taycan Turbo S erklart
• EV vs. ICE: Getriebetechnologie erklart
• Drehmoment- und Leistungskurven von Elektrofahrzeugmotoren
• Technischer Leitfaden Nr. 7: Dimensionierung eines Antriebssystems
• Was sind die Leistungsmerkmale des Porsche Taycan 2020
• Eingangige vs. mehrgangige Getriebe in Elektrofahrzeugen
• Haben Elektroautos ein Getriebe?
• Haben alle Elektroautos ein Automatikgetriebe?