DE102016007445A1

DE102016007445A1 - Antriebsmodul mit intergrierter Lenkfunktion für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016007445A1
Application number: DE102016007445.0A
Authority: DE
Inventors: Lutz Eckstein
Original assignee: FKA FORSCHUNGSGESELLSCHAFT KRAFTFAHRWESEN AACHEN mbH
Current assignee: FKA FORSCHUNGSGESELLSCHAFT KRAFTFAHRWESEN AACHEN mbH
Priority date: 2016-06-18
Filing date: 2016-06-18
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebslenkmodul mit mindestens zwei Aktuatoren sowie ein Verfahren zur Ansteuerung desselben, das an einem oder mehreren Rädern eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, wobei zwei der Aktuatoren derart mit dem angetriebenen Rad verbunden sind, dass sich die Momente der beiden Aktuatoren zu einem Radantriebsmoment addieren und gleichzeitig die abzustützenden Antriebsmomente in Summe ein Lenkmoment bewirken, so dass durch eine gezielte Ansteuerung der Aktuatoren das Antriebsmoment des Rades sowie das Lenkmoment in weiten Grenzen unabhängig voneinander beeinflusst werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsmodul mit integrierter Lenkfunktion für ein Kraftfahrzeug, welches durch die erfindungsgemäße Nutzung von mindestens zwei Aktuatoren neben der Antriebsfunktion auch eine Lenkfunktion bereitstellt. Es wird deshalb im folgenden auch als Antriebslenkmodul bezeichnet.
Gattungsgemäße Antriebsmodule für Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bereits gut bekannt. Beispielsweise sind Radnabenantriebe insbesondere bei zweirädrigen Kraftfahrzeugen bereits weit verbreitet, während sie sich für Zweispurfahrzeuge noch in im Forschungs- oder Entwicklungsstadium befinden. Daneben sind Antriebe bekannt, die das Antriebsmoment über Gelenkwellen an eines oder mehrere Räder übertragen. Die konstruktive Ausführung wird dabei auch dahingehend optimiert, dass aus dem Antriebsmoment kein ungewolltes Lenkmoment resultiert. Lenksystemen werden nach dem Stand der Technik in der Regel derart gestaltet, dass ein als Lenkrad ausgeführtes Bedienelement mechanisch mit den gelenkten Vorderrädern über die Lenksäule, ein geeignetes Lenkgetriebe sowie die Spurstangen und die Lenkhebel an den Radträgern gekoppelt ist. Das durch den Fahrer aufzubringende Lenkradmoment wird beispielsweise durch eine elektromechanische erzeugte Hilfskraft am Lenkgetriebe oder ein elektromechanisches Unterstützungsmoment an der Lenksäule überlagert, was beispielsweise den Betätigungskomfort erhöht und eine direktere Auslegung der Lenkübersetzung als Relation von Lenkradwinkel zu mittlerem Lenkwinkel der Vorderräder ermöglicht. Eine Weiterentwicklung der mechanischen Lenkung stellt die sogenannte Überlagerungslenkung dar, welche die Überlagerung des durch den Fahrer gestellten Lenkradwinkels mit einem elektromechanisch erzeugten Zusatzwinkel ermöglicht. Dieser wird z. B. in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit und des fahrdynamischen Zustands des Kraftfahrzeugs berechnet und über ein geeignetes Überlagerungsgetriebe, z. B. ein Planetengetriebe, eingestellt.
Ebenfalls bekannt als Stand der Technik sind elektronische Lenksysteme, bei welchen die Steuerbefehle elektronisch übermittelt und die lenkbaren Räder durch eine Fremdkraft gelenkt werden. In der Fachliteratur werden diese Systeme als „Steer-by-wire” Systeme bezeichnet, da der Lenkwinkelsollwert und ggf. weitere Größen nur über eine oder mehrere Signalleitungen („by wire”) übertragen werden. Eine mechanische oder hydraulische Verbindung zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern existiert zwar in manchen Systemen als Rückfallebene, aber nur für den Fall, dass die elektronisch angesteuerte Lenkung aufgrund eines Fehlers nicht bestimmungsgemäß funktioniert. Elektronische Lenksysteme sind im Gegensatz zu mechanischen Lenksystemen bislang nur aus der Forschung, der Patentliteratur und Spezialanwendungen bekannt.
Allen hier beschriebenen Lenksystemen ist gemein, dass die Lenkwinkel der beiden gelenkten Räder einer Achse über ein Lenkgestänge bzw. Spurstangen miteinander verbunden sind, so dass sich der Lenkwinkel der beiden Räder nicht unabhängig voneinander beeinflussen lässt. Ferner dient die Lenkungsaktuatorik ausschließlich der Beeinflussung des Lenkwinkels und nicht des Antriebsmoments.
Der bekannte Stand der Technik weist mehrere Nachteile auf. Keines der bekannten Antriebssysteme ist in der Lage, neben der Antriebsfunktion auch gezielt ein Lenkmoment zu erzeugen, welche den gewünschten Lenkwinkel der Vorderräder hervorrufen. Vielmehr wird ein aus Antriebsmomenten resultierendes Lenkmoment als zu minimierende Störgröße betrachtet, so dass die Lenkfunktion über einen vom Antriebssystem völlig unabhängigen Aktuator dargestellt werden muss. Darüber hinaus hat sich weder die Anordnung des Antriebsmotors als Teil der Radnabe, noch die Übertragung des Antriebsmoments über eine Gelenkwelle als ideal erwiesen. Im ersten Fall ist der Motor unmittelbar sämtlichen Umgebungseinflüssen wie z. B. Salzwasser ausgesetzt, denen Reifen und Felge eines Kraftfahrzeugs trotzen müssen. Eine Gelenkwelle hingegen weist den Nachteil auf, dass diese den Lenkwinkel des Rades auf ca. 40° begrenzt, was die Wendigkeit des Kraftfahrzeugs limitiert. Konventionelle mechanische Lenksysteme haben ferner den konzeptbedingten Nachteil, dass der Winkelzusammenhang zwischen Lenkungsbedienelement, das in der Regel als Lenkrad ausgeführt wird, und den gelenkten Rädern durch die Ausgestaltung der bereits beschriebenen mechanischen Verbindung definiert ist. Die Weiterentwicklung der mechanischen Lenkung, die sog. Überlagerungslenkung, kann den Winkelzusammenhang zwischen Lenkrad und gelenkten Rädern nur in Grenzen verändern, da das Drehmoment, welches die typischerweise elektromechanisch ausgeführte Stelleinheit zur Winkelüberlagerung in das Lenksystem zur Erzeugung eines Zusatzlenkwinkels einbringt, durch das Lenkradmoment des Fahrers abgestützt werden muss. Zudem ist sowohl beim mechanischen Lenksystem, als auch bei der Überlagerungslenkung die Winkelbeziehung der beiden gelenkten Räder einer Achse durch die Ausgestaltung des mechanischen Lenkgestänges definiert. Aus dem Stand der Technik bekannte elektronische Lenksysteme (steer-by-wire) können zwar die Winkelbeziehung zwischen Lenkungsbetätigungselement und gelenkten Rädern innerhalb der Auslegungsgrenzen frei gestalten, nicht jedoch die Winkelbeziehung zwischen den beiden gelenkten Rädern einer Achse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem zu entwickeln, um einen oder mehrere der vorstehend genannten Nachteile zu überwinden. Die Aufgabe der Erfindung wird von einem Lenksystem mit den in den Ansprüchen 1 bis 9 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung unterscheidet sich vom gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch, dass die Antriebseinheit für ein lenkbares Rad durch mindestens zwei Aktuatoren derart dargestellt wird, dass die Aktuatoren sowohl zum Beschleunigen und Verzögern des Rades, als auch zur Beeinflussung des Lenkwinkels des Rades genutzt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die in Summe zum Antreiben und Lenken des Rades installierte Leistung der Aktuatoren minimiert werden kann, da beide Aktuatoren sowohl zum Antreiben bzw. Verzögern des Rades, als auch zum Lenken verwendet werden können. Ein Aktuator kann dabei zusätzlich zu einem Energiewandler, wie z. B. einem Elektromotor, auch einen Drehmomentwandler umfassen, der beispielsweise als mechanisches Getriebe ausgeführt wird. Ferner wird durch die Erfindung erreicht, dass kein Lenkgestänge benötigt wird, um das gelenkte Rad mit einem Lenkmoment zu beaufschlagen und damit einen Lenkwinkel hervorzurufen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden genau zwei Aktuatoren eingesetzt, deren Drehachsen gemäß Anspruch 2 koaxial zur Lenkachse des Rades angeordnet werden, so dass aus den abzustützenden Momenten der Aktuatoren ein Lenkmoment um die Lenkachse resultiert.
Werden nun weiterhin in einer besonders vorteilhaften Ausführung die beiden Aktuatoren derart ausgeführt und angeordnet, dass sie beim Antreiben des Rades bei radseitig gleichsinnigem Antriebsmoment eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen, so resultiert daraus eine entgegengesetzte Orientierung des abzustützenden Moments der beiden Aktuatoren. Eine Differenz zwischen den abzustützenden Aktuatormomenten wirkt in der Folge als Lenkmoment um die Lenkachse des Rades.
Darüber hinaus erscheint es besonders vorteilhaft, beide Aktuatoren als Elektromaschinen auszuführen, wofür unter anderem die sehr gute Regelbarkeit von Drehmoment und Drehzahl einer Elektromaschine spricht.
Um den Bauraumbedarf der Antriebslenkeinheit zu minimieren, erscheint es ferner besonders vorteilhaft, die Drehmomente der als Aktuatoren dienenden Elektromotoren durch geeignete Getriebe zu wandeln. Dies ermöglicht beispielsweise den Einsatz von hochdrehenden Elektromaschinen mit sehr hoher Leistungsdichte.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird jeder der beiden Aktuatoren mindestens durch ein Planetengetriebe mit dem angetriebenen Rad verbunden. Wird beispielsweise das Sonnenrad des Planetengetriebes durch den Elektromotor angetrieben und das Antriebsmoment über den Planetenradträger an das Vorderrad weitergeleitet, so dient das Hohlrad des Planetengetriebes der Abstützung des Antriebsmoments und bewirkt damit ein Lenkmoment. Durch eine erfindungsgemäße Anordnung der beiden Aktuatoren sind deren abzustützenden Momente beim Antreiben des Rades einander entgegengesetzt, so dass sich diese teilweise oder vollständig kompensieren können.
Bei einem einzeln lenkbaren Rad, das im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik nicht über ein Spurgestänge mit einem weiteren lenkbaren Rad verknüpft ist, erscheint es des weiteren besonders vorteilhaft, dass der Lenkwinkel des Rades durch eine oder mehrere Bremsen beeinflusst und ggf. fixiert werden kann. Somit kann beispielsweise bei Geradeausfahrt das Antriebsmoment durch nur einen der beiden Aktuatoren bereitgestellt werden, der dann mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird eine Lenkwinkelbremse zumindest dann aktiviert, wenn beispielsweise aufgrund eines technischen Defektes maximal nur einer der beiden Aktuatoren verfügbar ist. In diesem Fall kann der nicht verfügbare Aktuator keinen Beitrag zum Lenkmoment liefern und damit nicht das abzustützende Moment des noch funktionsfähigen Aktuators kompensieren. Durch eine geeignete Wahl der radseitigen Antriebsmomente mehrerer Räder kann in diesem Fehlerfall dennoch ein Giermoment um die Fahrzeughochachse erzeugt werden, welches die Fahrzeugrichtung beeinflusst.
Die Erfindung umfasst ferner ein geeignetes Verfahren zur Regelung sowohl des resultierenden Lenkmoments, als auch des radseitig wirkenden Antriebsmoments. Dazu werden die durch die Aktuatoren bereitzustellenden Momente derart gewählt, dass sich aus der Summe der abzustützenden Aktuatormomente das gewünschte Lenkmoment ergibt. Das Lenkmoment kann wiederum derart beeinflusst werden, dass sich ein gewünschter Lenkwinkel einstellt. Ist beispielsweise nur ein Lenkmoment, aber kein Antriebsmoment erforderlich, werden die beiden Aktuatoren derart angesteuert, dass sich ihr Antriebsmoment kompensiert und sich die abzustützenden Momente der Aktuatoren zum gewünschten Lenkmoment addieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Ansteuerung werden zusätzlich eine oder mehrere Bremsen derart angesteuert, dass sowohl das Lenkmoment, als auch das Antriebsmoment in der gewünschten Form beeinflusst werden. Eine beispielsweise koaxial zur Lenkachse angeordnete Bremse kann dabei das Lenkmoment und damit den Lenkwinkel des Rades direkt beeinflussen, während eine koaxial zur Antriebsachse des Rades angeordnete Bremse direkt auf das Antriebsmoment des Rades wirkt, aber indirekt auch das Lenkmoment um die Lenkachse des Rades beeinflussen kann.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnungen und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein erfindungsgemäßes Antriebslenkmodul dargestellt und beschrieben wird.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Antriebslenkeinheit mit zwei Motoren, die über jeweils ein Planetengetriebe sowohl das Antriebsmoment des Rades, als auch das Lenkmoment des Radträgers beeinflussen.
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Ansteuerung bzw. Regelung des vorgeschlagenen Antriebslenkmoduls, welche eine Komponente zur Steuerung des um eine Lenkwinkelbremse sowie eine Radbremse ergänzten Systems umfasst.
Das in der 1 gezeigte, exemplarische Antriebslenksystem zeigt ein Rad (1), dessen Antriebsmoment um die Antriebswelle (14) durch die erfindungsgemäße Ansteuerung des oberen Motors (2) und des unteren Motors (12) beeinflusst wird. Die Motoren (2, 12) werden derart mit dem oberen Querlenker (3) und dem unteren Querlenker (11) verbunden, dass sowohl die aus der Ansteuerung der Motoren resultierenden Momente abgestützt werden können, als die zur Federung notwendigen Freiheitsgrade gegenüber dem Fahrzeugaufbau gewährleistet werden. In der gezeigten Ausführung treibt der obere Motor (2) die mit (5) bezeichnete Sonne des oberen Planetengetriebes an, dessen Planentenradträger (7) die Summe aus Drehmoment der Sonne (5) und am Hohlrad (6) des oberen Planetengetriebes an das obere Antriebskegelrad (8) und über das radseitige Kegelrad (9) letztlich an das anzutreibende Rad (1) weiterleitet. Das Hohlrad (6) des oberen Planetengetriebes ist drehmomentsteif mit dem Radträger (10) verbunden, so dass das abzustützende Moment ein Lenkmoment bewirkt. Die Übertragung von Drehmoment und Drehwinkel des unteren Motors (12) über das untere Planetengetriebe (13) auf die Antriebswelle (14) des Rades (1) ist völlig analog zur Übertragung von Drehmoment und Drehwinkel des oberen Motors (2) gestaltet, wobei die Drehrichtung des unteren Motors (12) derjenigen des oberen Motors (2) im Antriebsfalls entgegengesetzt ist.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführung werden die Motoren (2) und (12) zu einer nur mit dem oberen Querlenker (3) verbundenen Einheit zusammengefasst werden. Die Übertragung des Drehmoments eines der beiden Motoren würde demzufolge über eine Hohlwelle erfolgen, während das Drehmoment des anderen Motors über eine zweite Welle erfolgt, welche in die Hohlwelle integriert ist. Darüber hinaus ist vorstellbar, dass das gesamte Antriebslenkmodul in die Radschüssel des mit (1) bezeichneten Rades integriert wird, so dass sich sowohl eine sehr kompakte Anordnung, als auch die Möglichkeit ergibt, den Hebelarm zwischen der im Radaufstandspunkt angreifenden Umfangskraft des Rades und der durch die Drehachsen der Motoren (1, 12) definierten Lenkachse zu minimieren, was die Regelung des am Rad angreifenden Antriebsmoments sowie des Lenkmoments vereinfacht.
2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Ansteuerung bzw. Regelung des vorgeschlagenen Antriebslenkmoduls, welches ein Steuergerät (103) umfasst sowie beispielhaft um eine Lenkwinkelbremse (101) und eine Radbremse (102) erweitert wurde. Das Steuergerät beeinflusst das jeweilige Moment und die Drehzahl der Motoren (1, 12) derart, dass die von einer übergeordneten, nicht abgebildeten Instanz übermittelten Sollwerte für das Radantriebsmoment und den Lenkwinkel bzw. das Lenkmoment summarisch eingestellt werden. Die Ansteuerung der Lenkwinkelbremse (101) ermöglicht ferner, sowohl effizienzsteigernde als auch sicherheitsrelevante Funktionen umzusetzen. So kann beispielsweise durch eine Aktivierung der Lenkwinkelbremse trotz des Ausfalls von Motor (1) weiterhin ein Antriebsmoment Ober den Motor (12) bereitgestellt werden. Die Ansteuerung der Radbremse (102) bewirkt primär eine negative Winkelbeschleunigung des Rades, kann sich aber auch aufgrund der tatsächlich gewählten konstruktiven Hebel- und Übersetzungsverhältnisse auch auf das Lenkmoment auswirken. In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird die Radbremse (102) radseitig angeordnet, so dass das Bremsmoment nicht über das dargestellte Kegelradgetriebe an das Rad übertragen werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Rad
2: Oberer Motor
3: Oberer Querlenker
4: Planet des oberen Planetengetriebes
5: Sonne des oberen Planetengetriebes
6: Hohlrad des oberen Planentengetriebes
7: Planetenradträger des oberen Planetengetriebes
8: Oberes Antriebskegelrad
9: Radseitiges Kegelrad
10: Radträger
11: Unterer Querlenker
12: Unterer Motor
13: Unteres Planetengetriebe
14: Antriebswelle
101: Lenkwinkelbremse
102: Radbremse
103: Komponente zur Steuerung bzw. Regelung des Antriebslenkmoduls

Claims

Antriebseinheit für ein lenkbares Rad mit mindestens zwei Aktuatoren, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Aktuatoren sowohl zum Beschleunigen und Verzögern des Rades, als auch zur Beeinflussung des Lenkwinkels des Rades genutzt werden können.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der beiden Aktuatoren der Lenkachse des Rades entspricht, wodurch die Abstützung der Motormomente ein Lenkmoment verursachen können.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Aktuatoren derart angeordnet werden, so dass die Abstützungsmomente der beiden antreibenden Aktuatoren entgegengesetzt orientierte Lenkmomente verursachen.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren als Elektromotoren ausgeführt werden.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomente der als Aktuatoren dienenden Elektromotoren durch geeignete Getriebe gewandelt werden.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Aktuatoren mindestens durch ein Planetengetriebe mit dem angetriebenen Rad verbunden ist, wobei das Reaktionsmoment des Aktuators am lenkbaren Radträger abgestützt wird.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkwinkel des gelenkten Rades durch eine oder mehrere Bremsen beeinflusst werden kann.
Antriebseinheit für ein lenkbares Rad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremse mindestens dann aktiviert wird, wenn nur einer der beiden Antriebsaktuatoren verfügbar ist.
Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebseinheit mit mindestens zwei Aktuatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmomente derart gewählt werden können, dass die Summe der abzustützenden Momente einem gewünschten Lenkmoment entspricht.
Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebseinheit mit mindestens zwei Aktuatoren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine oder mehrere Bremsen derart angesteuert werden können, welche zusätzlich das Lenkmoment und oder Antriebsmoment beeinflussen.