DE102005026874A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges, mit einem Fahrzeugmotor, der mindestens einer ersten Radachse mit einem ersten Paar linker und rechter Antriebsräder zugeordnet ist, und mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, im Wesentlichen bestehend aus zwei Elektromotoren, die mindestens einer zweiten Radachse mit einem zweiten Paar linker und rechter Antriebsräder zugeordnet ist, bei der die Antriebsräder der zweiten Radachse über jeweils einen Elektromotor unabhängig voneinander antreibbar sind, wobei eine über eine Steureinheit ansteuerbare Kupplungseinrichtung ausgebildet ist, über die wahlweise eine Kopplung zwischen den Elektromotoren herstellbar ist, so dass ein aus der Kopplung dre Elektromotoren resultierendes Gesamtantriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung, jeweils auf eines der beiden Antriebsräder der zweiten Radachse lenkbar ist, während das jeweilige andere Antriebsrad der zweiten Radachse über die Kupplungseinrichtung von der elektrischen Antriebseinrichtung entkoppelbar ist. DOLLAR A Verfahren, wobei fahrzustandsabhängig ein Gesamtantriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung, welches aus einer Kopplung der Elektromotoren mittels einer über eine Steuereinheit ansteuerbaren Kupplungseinrichtung resultiert, auf eines der Antriebsräder der zweiten Radachse gelenkt wird, während gelichzeitig das jeweils andere Antriebsrad der zweiten Radachse über die Kupplungseinrichtung von der elektrischen Antriebseinrichtung entkoppelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges, mit einem Fahrzeugmotor, der mindestens einer ersten Radachse mit einem ersten Paar linker und rechter Antriebsräder zugeordnet ist, und mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, im Wesentlichen bestehend aus zwei Elektromotoren, die mindestens einer zweiten Radachse mit einem zweiten Paar linker und rechter Antriebsräder zugeordnet ist, bei der die Antriebsräder der zweiten Radachse, über jeweils einen Elektromotor, unabhängig voneinander antreibbar sind.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges, bei dem mindestens einer ersten Radachse ein Fahrzeugmotor zugeordnet ist, bei dem mindestens einer zweiten Radachse eine elektrische Antriebseinrichtung zugeordnet ist, und bei dem die elektrische Antriebseinrichtung, für einen voneinander unabhängigen Einzelantrieb der Antriebsräder der zweiten Radachse, jeweils einen Elektromotor aufweist.
  • In der modernen Fahrzeugtechnik werden zunehmend Allradantriebe eingesetzt, um die Fahrdynamik zu steuern und zu verbessern. Dabei gehen die Forderungen neben einer möglichst variablen Verteilung des zur Verfügung stehenden Antriebsmomentes zwischen den anzutreibenden Achsen, d.h. zwischen Vorderachse und Hinterachse, auch in Richtung einer variablen Verteilung des Antrebsmomentes zwischen linken und rechten Antriebsrädern. Wird beispielsweise ein linkes Rad stärker als ein rechtes Rad angetrieben, entsteht ein Giermoment um die Hochachse des Fahrzeuges, welches das Fahrzeug nach rechts bewegt und entsprechend umgekehrt. Damit kann eine Über- oder Untersteuertendenz erzeugt werden. Dieser Effekt wird auch als so genanntes „Torque Vectoring" bezeichnet.
  • Aus der WO 02/00462 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Vorderradantrieb bekannt, bei dem ein elektrischer Zusatzantrieb mit je einem Elektromotor zum Antrieb der Hinterräder vorgesehen ist. Der Hinterradantrieb wird in bestimmten Fahrsituationen zugeschaltet. Dabei können die Hinterräder über die Elektromotoren unabhängig voneinander angetrieben werden. Bei der Ansteuerung der Elektromotoren werden verschiedene Fahrzustandsdaten, beispielsweise Lenkwinkel, Beschleunigung und Drehgeschwindigkeit der Räder, berücksichtigt. Durch den Einzelantrieb der Hinterräder wird die Fahrdynamik in bestimmten Fahrsituationen verbessert.
  • Nachteilig bei dem bekannten Antriebssystem wirkt sich aus, dass das durch den elektrischen Zusatzantrieb erzeugbare Antriebmoment, bei einem einseitigen Antrieb eines Hinterrades nur anteilsmäßig nutzbar ist, wodurch das Potenzial des Zusatzantriebes nicht voll ausgenutzt werden kann und somit die Effektivität des Antriebs eingeschränkt wird.
  • Weiterhin sind aus der DE 199 19 454 C2 und der DE 101 35 192 A1 Fahrzeugantriebe bekannt, bei denen ein Fahrzeugmotor (Verbrennungsmotor) zum Antrieb mindestens einer Radachse und ein Elektromotor zum Antrieb einer anderen Radachse vorgesehen sind. Dadurch wird ein Allradantrieb gebildet, bei dem abhängig vom Fahrzustand, eine variable Verteilung der Antriebsmomente zwischen Vorderachse und Hinterachse möglich ist. Eine variable Antriebsmomentverteilung zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse wird auch bei einem aus der EP 584 090 B1 bekannten Allradfahrzeug erzielt, wobei ein Elektromotor vorgesehen ist, dessen Antrieb zum einen über eine Kardanwelle zu den Vorderrädern und zum anderen über ein Hinterachsdifferential zu den Hinterrädern des Fahrzeugs führt.
  • Nachteilig bei den bekannten Fahrzeugantrieben wirkt sich aus, dass über den Elektromotor zwar eine variable Verteilung des Antriebs zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse regelbar ist. Zumindest über den Elektromotor, ist jedoch keine variable Verteilung zwischen linken und rechten Antriebsrädern möglich. Damit sind die Möglichkeiten des bekannten Antriebs, ein gezieltes Über- oder Untersteuerns zu ermöglichen, relativ begrenzt.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Effektivität der bekannten Fahrzeugantriebe mit einem zusätzlich zu einem Fahrzeugmotor vorgesehenen elektrischen Antrieb, insbesondere bei einem einseitigen Antrieb an einer Radachse, zu verbessern. Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass eine, über eine Steuereinheit ansteuerbare, Kupplungseinrichtung ausgebildet ist, über die wahlweise eine Kopplung zwischen den Elektromotoren herstellbar ist, so dass ein aus der Kopplung der Elektromotoren resultierendes Gesamtantriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung, jeweils auf eines der beiden Antriebsräder der zweiten Radachse lenkbar ist, während das jeweilige andere Antriebsrad der zweiten Radachse, über die Kupplungseinrichtung, von der elektrischen Antriebseinrichtung entkoppelbar ist.
  • Der, über den Fahrzeugmotor, in Wirkverbindung mit der elektrischen Antriebeinrichtung, herstellbare Allradantrieb, ermöglicht neben einer variablen Antriebsmomentverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse, einen einseitigen Antrieb einzelner Räder. Durch die erfindungsgemäße Kopplung der Elektromotoren, kann das Antriebsmoment der Elektromotoren zusammen eingesetzt werden, um eines der Antriebräder anzutreiben. Dadurch lässt sich die Fahrdynamik, insbesondere das Kurvenverhalten und die Wendigkeit des Fahrzeuges besonders effektiv steuern, bzw. unterstützen und ein sehr komfortables Kurven-Handling des Fahrzeuges erreichen.
  • Dies kann bei einer Radachse mit einem linken und einem rechten Antriebsrad sowie zwei Elektromotoren zum Antrieb dieser Räder dadurch realisiert werden, dass, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Kupplungseinrichtung drei Kupplungen aufweist, bei der jeweils eine Kupplung zwischen einem Elektromotor und einem Antriebsrad angeordnet ist, und bei der die dritte Kupplung zwischen den beiden Elektromotoren angeordnet ist.
  • Die Kupplungseinrichtung kann über eine Steuereinheit zum Öffnen und Schließen der einzelnen Kupplungen angesteuert werden, wobei das jeweils anzutreibende Rad mit den Elektromotoren verbunden ist, während das jeweils nicht anzutreibende andere Rad frei läuft. Damit steht für einen einseitigen Antrieb ein wesentlich höheres Drehmoment, bei einer, im Vergleich zu Elektromotoren, die jeder für sich ein solches Drehmoment aufbringen, kleinen Baugröße der Elektromotoren, zur Verfügung. Die Effektivität der Antriebsvorrichtung zur Erzielung oder Einschränkung einer bestimmten Über- bzw. Untersteuerung im Fahrbetrieb des Fahrzeuges, wird durch den gemeinsamen Einsatz beider Elektromotoren erhöht und somit das Potenzial des Torque Vectorings erweitert. Die kompakte Bauform der elektrischen Antriebeinrichtung und ein hoher Wirkungsgrad, wirken sich durch die vergleichsweise kleinen Elektromotoren auch gewichtssparend und kostengünstig aus.
  • Selbstverständlich ist auch ein beidseitiger, gleichstarker oder unterschiedlich starker Antrieb der Antriebsräder, durch entsprechendes Ansteuern der Kupplungseinrichtung, in Wirkverbindung mit einer geeigneten Leistungsregelung Elektromotoren, möglich. Gegenüber Allradfahrzeugen, die ihr gesamtes Drehmoment nur aus dem Fahrzeugmotor schöpfen, bietet die elektrische Antriebeinrichtung zudem ein zusätzliches Drehmoment, das die Gesamtantriebsleistung des Fahrzeuges erhöht. Durch die elektrische Antriebeinrichtung wird somit ein intelligenter Allradantrieb geschaffen, der auch ohne eine relativ aufwendige mechanische Kraftübertragung über Kardanwelle und Hinterachsdifferential auskommen kann und sehr effektive Möglichkeiten zur Erzielung von Torque Vectoring – Effekten mit zwei relativ kleinen Elektromotoren eröffnet.
  • Der verstärkte einseitige Antrieb kann, außer zur Verbesserung der Fahrdynamik, grundsätzlich auch bei Offroad-Fahrzeugen bei einem Traktionsverlust einzelner Räder in schwierigem Gelände, vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Die bekannten Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges haben die oben beschriebenen Nachteile.
  • Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Effektivität des Antriebs, insbesondere bei einem gezielten einseitigen Antrieb in bestimmten Fahrsituationen, erhöht wird.
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 5 dadurch gelöst, dass, fahrzustandsabhängig, ein Gesamtantriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung, welches aus einer Kopplung der Elektromotoren, mittels einer über eine Steuereinheit ansteuerbaren Kupplungseinrichtung resultiert, auf eines der Antriebsräder der zweiten Radachse gelenkt wird, während gleichzeitig das jeweils andere Antriebsrad der zweiten Radachse, über die Kupplungseinrichtung von der elektrischen Antriebseinrichtung entkoppelt wird.
  • Dadurch, dass bei einem einseitigen Antrieb, das anzutreibende Rad mit dem Antriebsmoment beider Elektromotoren beaufschlagt wird, ist ein effektiveres Torque Vectoring realisierbar. Insbesondere wird ein verbessertes Kurvenverhalten des Fahrzeuges erreicht.
  • Dazu wird für einen einseitigen Antrieb vorzugsweise eine zu dem jeweils anzutreibenden Rad zugeordnete seitliche Kupplung sowie eine mittlere, zwischen den beiden Elektromotoren angeordnete Kupplung geschlossen und eine zu dem jeweils nicht anzutreibenden Rad benachbarte Kupplung geöffnet. Entsprechend wird für einen beidseitigen Antrieb die mittlere Kupplung zwischen den beiden Elektromotoren geöffnet und die beiden anderen, benachbart zu den Antriebsrädern angeordneten, Kupplungen geschlossen.
  • Die elektrische Antriebseinrichtung wird an einen jeweiligen momentanen Fahrzustand angepasst. Dazu erfasst, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Steuereinheit sensorgestützt verschiedene relevante Fahrzustandsdaten, beispielsweise Lenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit, Beschleunigung, Traktion und Drehgeschwindigkeit einzelner Räder, ermittelt aus den Sensordaten einen momentanen Fahrzustand und leitet, abhängig von dem ermittelten Fahrzustand, einen einseitigen oder einen beidseitigen Antrieb der Antriebsräder der, der elektrischen Antriebseinrichtung zugeordneten Radachse ein. Eine jeweilige Leistungsabgabe der elektrischen Antriebseinrichtung kann, wie bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, über eine entsprechende Bestromung der Elektromotoren geregelt werden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft veranschaulicht ist.
  • Die Zeichnung zeigt:
  • 1: Eine schematische Darstellung eines Fahrzeuges in einer Draufsicht, mit einem Frontantrieb und mit einer elektrischen Antriebseinrichtung zum Antrieb einer Hinterachse.
  • Eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges 10 besteht im Wesentlichen aus einem Fahrzeugmotor 9 und einer elektrischen Antriebseinrichtung 1, über die zwei Antriebräder 15, 16 einer Radachse 14, unabhängig voneinander, von zwei Elektromotoren 7, 8 antreibbar sind.
    •
  • Das in der 1 schematisch dargestellte Fahrzeug 10 ist als ein Fronttriebler ausgebildet (Grundsätzlich ist auch ein Hecktriebler geeignet, für den das Entsprechende mit vertauschten Radachsen gilt). Der Fronttriebler 10 ist an seiner Vorderachse 11 mit dem Verbrennungsmotor 9 (Fahrzeugmotor) und an seiner Hinterachse 14 mit den zwei Elektromotoren 7, 8 ausgerüstet. An der Hinterachse 14 ist weiterhin eine Kupplungseinrichtung 3 angeordnet, die drei Einzelkupplungen 4, 5, 6 aufweist. Die Elektromotoren 7, 8 können wahlweise mit Hilfe der Kupplungen 4, 5, 6, auf beide Antriebsräder 15 und 16 wirken oder in Reihe geschaltet, bzw. gekoppelt, zum Antrieb eines Antriebsrades 15 oder 16 gemeinsam eingesetzt werden. Für eine Ansteuerung der Kupplungseinrichtung 3 und der Elektromotoren 6 und 7 ist eine Steuereinheit 2 vorgesehen. Im Einzelnen sind folgende drei Varianten zum Antrieb der Hinterachse 14 möglich:
    • 1. Antrieb links: Kupplung 4 geöffnet, Kupplungen 5 und 6 geschlossen,
    • 2. Antrieb rechts: Kupplung 6 geöffnet, Kupplungen 4 und 5 geschlossen und
    • 3. Antrieb beidseitig: Kupplung 5 geöffnet, Kupplung 4 und 6 geschlossen.
  • Die erste Variante erzeugt ein Giermoment um eine gedachte Hochachse durch das Fahrzeug 10, die das Fahrzeug 10 nach rechts bewegt. Die zweite Variante bewegt das Fahrzeug 10 nach links. Die dritte Variante sorgt für ein beidseitiges Antriebsmoment an der Hinterachse 14.
  • Über die Steuereinheit 2 und die Kupplungseinrichtung 3 kann je nach Fahrzustand eine Über- oder Untersteuertendenz oder ein gleichmäßiger links- und rechtsseitiger Antrieb erzeugt werden. Weiterhin ist in Wirkverbindung mit dem Fahrzeugmotor 9 in an sich bekannter Weise eine variable Antriebsmomentverteilung zwischen Vorderachse 11 und Hinterachse 14 möglich.
  • Der Betrieb des elektrischen Antriebs wird anhand des folgenden Verfahrens näher erläutert:
    Ein Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges 10 beruht im Wesentlichen darauf, dass ein einzelnes Antriebsrad 15, 16 einer Radachse 14 mit einem Antriebsmoment einer elektrischen Antriebseinrichtung 1, bei der zwei Elektromotoren 7, 8 über eine Kupplungseinrichtung 3 gekoppelt sind, beaufschlagt wird.
  • Die Steuereinheit 2 nimmt im Fahrbetrieb verschiedene Fahrzustandsdaten auf, die über Sensoren laufend an die Steuereinheit 2 gesendet werden. Dies können beispielsweise ein Lenkwinkel, eine Längs- und eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs 10 und eine Drehgeschwindigkeit, bzw. verschiedene Drehgeschwindigkeiten der Antriebsräder 12, 13, 15, 16 sein. Daraus wird ein Fahrzustand ermittelt, der ggf. eine Steuermaßnahme zur Folge hat. Beispielsweise werden bei einem Beschleunigungsvorgang in einer Rechtskurve die beiden Elektromotoren 7, 8 durch Schließen der entsprechenden Kupplungen 5/6 in Reihe geschaltet und die Kupplung 4 geöffnet. Folglich wird nur das Antriebsrad 16 angetrieben und es entsteht ein Giermoment nach rechts, das einem Untersteuern entgegenwirkt. In Linkskurven wird entsprechend verfahren. Dies wirkt sich, insbesondere bei einer sportlichen Fahrweise, günstig auf die Beschleunigungsmöglichkeiten in Kurven, bei einer gleichzeitigen Gewährleistung einer hohen Fahrstabilität, aus. Über eine Leistungsregelung, insbesondere über die Bestromung der Elektromotoren 7, 8, ist eine weitergehende Feinregulierung des Antriebsmomentes möglich. Selbstverständlich ist auch ein beidseitiger Antrieb der Hinterachse 14 als Allradantrieb möglich. Dazu werden die Elektromotoren 7, 8 mit den zugehörigen Hinterrädern 15, 16 wirkverbunden und die mittlere Kupplung 5 geöffnet. Bei einer gleichgroßen Leistungsabgabe (gleiche Bestromung bei zwei gleichen Elektromotoren) der beiden Motoren 7, 8, wird dann die Hinterachse 14 mit einem gleichmäßigen Drehmoment beaufschlagt.
    • 1
    elektrische Antriebseinrichtung
    2
    Steuereinheit
    3
    Kupplungseinrichtung
    4
    Kupplung
    5
    Kupplung
    6
    Kupplung
    7
    Elektromotor
    8
    Elektromotor
    9
    Fahrzeugmotor
    10
    Fahrzeug
    11
    Radachse
    12
    Antriebsrad
    13
    Antriebsrad
    14
    Radachse
    15
    Antriebsrad
    16
    Antriebsrad

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges, mit einem Fahrzeugmotor, der mindestens einer ersten Radachse mit einem ersten Paar linker und rechter Antriebsräder zugeordnet ist, und mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, im Wesentlichen bestehend aus zwei Elektromotoren, die mindestens einer zweiten Radachse mit einem zweiten Paar linker und rechter Antriebsräder zugeordnet ist, bei der die Antriebsräder der zweiten Radachse, über jeweils einen Elektromotor, unabhängig voneinander antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine, über eine Steuereinheit (2) ansteuerbare, Kupplungseinrichtung (3) ausgebildet ist, über die wahlweise eine Kopplung zwischen den Elektromotoren (7, 8) herstellbar ist, so dass ein aus der Kopplung der Elektromotoren (7, 8) resultierendes Gesamtantriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung (1), jeweils auf eines der beiden Antriebsräder (15, 16) der zweiten Radachse (14) lenkbar ist, während das jeweilige andere Antriebsrad (15, 16) der zweiten Radachse (14), über die Kupplungseinrichtung (3) von der elektrischen Antriebseinrichtung (1) entkoppelbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (3) drei Kupplungen (4, 5, 6) aufweist, bei der jeweils eine Kupplung (4, 6) zwischen einem Elektromotor (7, 8) und einem Antriebsrad (15, 16) angeordnet ist, und bei der die dritte Kupplung (5) zwischen den beiden Elektromotoren (7, 8) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) als ein Fronttriebler ausgebildet ist, bei dem der Fahrzeugmotor (9) ein der Vorderachse (11) des Fahrzeuges (10) zugeordneter Verbrennungsmotor ist, und bei dem die elektrische Antriebseinrichtung (1) an der Hinterachse (14) des Fahrzeuges (10) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugmotor (10) und die elektrische Antriebseinrichtung (1) einen Allradantrieb bilden, bei dem eine variable Verteilung der Antriebsmomente zwischen den angetriebenen Radachsen (11, 14) und/oder zwischen dem linken und dem rechten Antriebsrad (15, 16) wenigstens der der elektrischen Antriebseinrichtung (1) zugeordneten Radachse (14) vorgesehen ist.
  5. Verfahren zum Antrieb eines Fahrzeuges, bei dem mindestens einer ersten Radachse ein Fahrzeugmotor zugeordnet ist, bei dem mindestens einer zweiten Radachse eine elektrische Antriebseinrichtung zugeordnet ist, und bei dem die elektrische Antriebseinrichtung, für einen voneinander unabhängigen Einzelantrieb der Antriebsräder der zweiten Radachse, jeweils einen Elektromotor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, fahrzustandsabhängig, ein Gesamtantriebsmoment der elektrischen Antriebseinrichtung (1), welches aus einer Kopplung der Elektromotoren (7, 8), mittels einer über eine Steuereinheit (2) ansteuerbaren Kupplungseinrichtung (3) resultiert, auf eines der Antriebsräder (15, 16) der zweiten Radachse (14) gelenkt wird, während gleichzeitig das jeweils andere Antriebsrad (15, 16) der zweiten Radachse (14), über die Kupplungseinrichtung (3) von der elektrischen Antriebseinrichtung (1) entkoppelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) aus einer sensorgestützten Erfassung von für den Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung (1) relevanten Fahrzustandsdaten einen momentanen Fahrzustand ermittelt und, abhängig von dem ermittelten Fahrzustand, einen einseitigen oder einen beidseitigen Antrieb der Antriebsräder (15, 16) der der elektrischen Antriebseinrichtung (1) zugeordneten Radachse (14) einleitet.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Leistungsabgabe der elektrischen Antriebseinrichtung (1) über eine entsprechende Bestromung der Elektromotoren (7, 8) geregelt wird.
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