Sigma Powertrain zielt auf Ausrüstung für den Bergbau, die Öl- und Gasindustrie ab.

Das TerraMax-Getriebe von Sigma Powertrain. (Foto: Sigma Powertrain)

Auf dem Firmengelände von Sigma Powertrain in Livonia, Michigan, stehen ein halbes Dutzend Muldenkipper. Es handelt sich um maßstabsgetreue Die-Cast-Modelle im Maßstab 1:50, die im Konferenzraum platziert sind – doch dieses kleine Detail schmälert ihre Wirkung keineswegs. Livonia, ein westlicher Vorort von Detroit, ist die Metropole der Automobilindustrie. Die Region ist bekannt für ihre Pkw und leichten Nutzfahrzeuge.

„Ich ziehe nicht an einem Seil, ich folge dem, wohin man mich zieht“, sagte John Kimes, Gründer, Präsident und CEO von Sigma Powertrain. „Wir begannen mit der Entwicklung von Antriebslösungen für Nutzfahrzeuge. Unsere Idee war, die Software zu entwickeln und zu zeigen, dass unsere Technologie in Lkw der Klasse 8 anstelle von automatisierten Schaltgetrieben funktioniert. Unsere Designphilosophie ist, dass wir bei der Entwicklung von Antriebssystemen für jede Fahrzeugklasse den ungünstigsten Betriebszustand berücksichtigen und die Konstruktion darauf ausrichten.“

Ein Unternehmen voller Ingenieure

Die 2016 gegründete Firma Sigma Powertrain verfügt über patentierte Mehrstufengetriebearchitekturen, Kupplungsmechanismen, elektromechanische Geräte für elektrische Antriebsstränge, Steuerungssoftware und selbstüberwachende Komponentenschutzsysteme.

„Wir sind ein Unternehmen voller Ingenieure, die Produkte entwickeln und auf den Markt bringen“, sagte Kimes. „Wir gießen oder bearbeiten nichts selbst, weil wir es nicht brauchen. Dafür gibt es derzeit ausreichend Kapazitäten. Ich werde die Mitarbeiterzahl des Unternehmens verdoppeln, und das betrifft nur den Support.“

Firmengründer, Präsident und CEO John Kimes spricht im Konferenzraum der Zentrale von Sigma Powertrain im Großraum Detroit über Muldenkipper und Getriebelösungen. (Foto: Chad Elmore)

Während er über die Entwicklung des Unternehmens sprach, stellte Kimes die Muldenkippermodelle auf den Konferenztisch, wo sie mit den Rädern nach oben geparkt wurden.

„Ein Mann aus Australien fragte an, ob wir unsere Technologie für mechanisch angetriebene Muldenkipper im Bergbau skalieren könnten“, sagte Kimes. „Wir untersuchten das verwendete Getriebe. Es ist ein schweres Bauteil, das freitragend an der Hinterachse angebracht ist. Die Achse bildet ein eigenes System und ist mit viel Technologie ausgestattet. Wenn Bergbauunternehmen ihre Flotten elektrifizieren wollen, wird das Getriebe ausgedient haben, und sie werden Lkw mit Radnabenmotoren und Planetengetrieben benötigen.“

Anschraubbare Ersatzteile

Der zehnrädrige Muldenkipper, mit dem Sigma Powertrain in die Bergbaubranche eintrat, wurde 2019 vorgestellt, kam aber nicht über das Prototypenstadium hinaus. Für Kimes war damit jedoch der Grundstein gelegt. Das Team forschte weiter an Muldenkippern.

„Wir erkannten, dass unsere Lösung für den Bergbau anstelle des ursprünglichen Getriebes passen musste. Alles musste auf der Achse montiert werden“, sagte Kimes. „Wir haben ein Getriebe entwickelt, das sehr passgenau sitzt und mehr Drehmoment auf den Boden bringt als der große Dieselmotor vorne.“

Das neue, leistungsverzweigte TerraMax-Getriebe von Sigma basiert auf der vollelektrischen Fünfgang-Architektur TerraMax und ist ein direkter Ersatz für die werkseitig verbauten Getriebe von Muldenkippern. Laut Hersteller vereint es die besten Eigenschaften von mechanischen Getrieben, Hybridsystemen und Elektroantrieben in einer einzigen modularen Plattform. Es wurde für 30.000 Betriebsstunden im Schwerlastverkehr entwickelt.

In der TerraMax-Klasse mit 250 Tonnen Nutzlast wird der Großteil der Energie über einen mechanischen Antrieb direkt an die Räder geleitet, während Elektromotoren den Leistungsfluss und den Bedarfsspitzen regeln. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Dieselmotor, im optimalen Kraftstoffverbrauchsbereich zu arbeiten, und die Bremsenergierückgewinnung bei Bergabfahrten speist die Batterie für die nächste Bergfahrt wieder ein.

Sigma Powertrain hat an seinem Hauptsitz in Livonia, Michigan, eine Montagelinie installiert. (Foto: Sigma Powertrain)

Stromversorgung von Grenzfällen

Muldenkipper mit einer Tragfähigkeit von 100 bis 150 Tonnen würden ein System mit einem einzelnen 1-MW-Motor und fünf Gängen nutzen, während Muldenkipper der Ultraklasse im Bereich von 250 Tonnen ein Paar 1-MW-Motoren als Leistungsverzweigungshybrid oder als Fünfganggetriebe erhalten würden.

„Unser Getriebe ist für 5 MW ausgelegt. Zwei Motoren arbeiten unabhängig voneinander in einem gemeinsamen Getriebe zusammen und treiben die Räder gemeinsam an“, erklärte Kimes. „Allein durch den Austausch von Getriebe und Hydraulik gegen unsere Komponenten könnte der Bergmann 15 % Kraftstoff sparen, allein durch die Reduzierung der Leerlaufverluste. Und wenn beim Einfahren in die Mine Energie zurückgewonnen wird, kommen weitere 15 % hinzu. Bei einem vollelektrischen Muldenkipper spielt dieser Prozentsatz keine Rolle, aber wir gehen davon aus, dass die meisten dieser Lkw in Zukunft Hybridfahrzeuge sein werden.“

„Diese Lkw haben riesige Dieselmotoren, weil sie diese enorme Leistung für Sonderfälle wie den Anfahrvorgang unter Volllast benötigen. Sobald ich in Bewegung bin, sinkt mein Drehmomentbedarf. Diese Lkw, ohne jegliche Elektrifizierung, haben gewaltige Dieselmotoren, um Steigungen bewältigen zu können. Wenn man diesen Diesel durch ein elektrisches System ergänzt oder ersetzt, das diese Arbeit leisten kann, muss es Durchschnittsleistung und nicht Spitzenleistung liefern. Ich brauche lediglich ein Dieselaggregat, das mich mit einem gewissen Sicherheitsfaktor durch einen Zyklus bringt, und einen Akku, der gerade groß genug ist, um mich die Minenstraße hinaufzubringen. Beim Anstieg in der Mine, dem Sonderfall, liefert mir die Kombination aus Akku und Diesel die nötige Kraft zum Bergauffahren.“

„Wenn mein Akku oben leer ist, lädt er sich wieder auf, weil ich jetzt unter dem Durchschnittsstrom liege. Auf der Rückfahrt regeneriere ich die Energie während der gesamten Abfahrt. Unten angekommen, lade ich den Akku wieder auf, und das Ganze wiederholt sich. Mit TerraMax können Motor und Akku verkleinert werden. Ein Umrüster in Australien hat eine Reduzierung um 43 % durch unser System in Kombination mit einem kleineren Dieselgenerator berechnet. Das ist die Strategie dahinter.“

Das Getriebe der MID-Serie ist seit einigen Jahren auf dem Markt. (Foto: Sigma Powertrain)

Getriebe in Produktion

Während Sigma Powertrain das TerraMax-Getriebe für die Serienproduktion vorbereitet, bietet das Unternehmen bereits zwei kleinere Getriebe auf dem Markt an, die für mehrere Erstausrüster (OEMs) spezifiziert sind. Sigma hat zudem einen Großteil seiner patentierten E-Kupplungstechnologie lizenziert.

Das Unternehmen führte vor drei Jahren das Getriebe der MID-Serie für leichte und mittelschwere elektrische Nutzfahrzeuge ein. Das Dreiganggetriebe nutzt eine patentierte elektrische Kupplungstechnologie und eine eigens entwickelte Software. Laut Hersteller ermöglicht der Antriebsstrang Fahrzeugherstellern eine Reichweitensteigerung von mindestens 10 %, eine Reduzierung der Antriebsstranggröße um 30 % und eine Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs durch den Ersatz eines größeren Direktantriebssystems. Fahrer von Nutzfahrzeugen der Klassen 1 bis 6, die mit einem Getriebe der MID-Serie ausgestattet sind, werden kaum spürbare Schaltvorgänge und eine deutlich verbesserte Steigfähigkeit feststellen.

Die MID-Serie ist als Plug-and-Play-Antriebssystem erhältlich und verwendet Elektromotoren von Cascadia Motion, Dana TM4 und anderen Herstellern. Zum System gehören ein Wechselrichter, ein Wärmetauscher, ein Antriebsstrang-Controller und eine Ölpumpe. Mit den mitgelieferten Motoren arbeitet das System als 300 PS starker, dreistufiger Elektroantrieb. Dank des modularen Designs lassen sich die Motoren je nach Leistungsbedarf austauschen, und das System kann für eine elektrische Achse oder einen Zentralantrieb konfiguriert werden.

Butterweich

Das zweite Antriebsprodukt, Emax, ist ein Mehrganggetriebe für Nutzfahrzeuge der Klassen 6 bis 8. Dank seiner Mehrgangkonstruktion können Kunden laut Hersteller die Kosten für überdimensionierte Motoren einsparen. Die elektromechanischen Kupplungen ermöglichen die Aufnahme eines Drehmoments von bis zu 5.200 Nm bei einer Baulänge von nur 45,7 cm (18 Zoll). Durch den modularen Aufbau lassen sich Motoren, Gehäuse und Abtriebswellen für verschiedene Anwendungen austauschen.

Nach dem Start von TerraMax zeigte sich Kimes begeistert darüber, was die Architektur für die Zukunft von Hochleistungsanwendungen wie Muldenkippern, Schiffen und Fracking-Anlagen bedeuten könnte.

„Ich bin nach Texas geflogen und habe mich mit einigen Leuten unterhalten, die Fracking-Pumpen herstellen“, sagte Daniel Knieper, Vizepräsident Software bei Sigma Powertrain. „Die Verfügbarkeit ist dort extrem wichtig. Wenn so eine Pumpe an einem Standort ausfällt, kann es bis zu vier Wochen dauern, bis sie wieder läuft. Sie pumpen bis zu drei Barrel Öl pro Minute, daher sind die Kosten bei einem vierwöchigen Stillstand enorm. Unsere TerraMax-Technologie kommt ohne die massiven Hydraulikkupplungen aus. Die Kollegen in Texas sagten, dass sie Drehmomentunterbrechungen während eines Schichtwechsels nicht tolerieren können, daher muss die Kraftverteilung optimiert sein.“

„Wir haben keinerlei Drehmomentunterbrechung, es läuft butterweich“, sagte Kimes. „Im Schiffsverkehr könnte dasselbe Getriebe als Parallelhybrid eingesetzt werden. Der Dieselmotor arbeitet mit der optimalen Leistungsverteilung im optimalen Bereich. Im Hafen fährt man bei Manövriergeschwindigkeit rein elektrisch. Auf See nutzt man entweder den Hybrid- oder sogar den reinen Dieselantrieb mit demselben Kraftwerk.“