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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit dieser Antriebsanordnung.
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Bei Elektrofahrzeugen werden neben klassischen, zentralen Antriebsmotoren auch dezentrale, radselektive Elektromotoren zum Antrieb eingesetzt. Bei einer derartigen Antriebsart ist jedem angetriebenen Rad ein eigener Elektromotor zugeordnet. Aufgrund der kompakten Abmessungen der Elektromotoren ist es möglich, auch angetriebene Lenkachsen mit radselektiven Antrieben auszustatten.
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So zeigt die Druckschrift
DE 10 2008 049 992 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, eine Kraftfahrzeuglenkvorrichtung mit zwei Antriebsmitteln, welche als Radnabenmotoren ausgebildet sind, für Antriebsräder, die für eine Lenkwirkung um einen Lenkwinkel verstellbar sind. In dieser Druckschrift wird weiterhin offenbart, dass über eine Antriebseinheit die Antriebsmittel so angesteuert werden können, dass diese voneinander abweichende Antriebsmomente aufweisen. Es wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinheit dazu vorgesehen ist, bei einer Verstellung des Lenkwinkels die Antriebsmomente in Abhängigkeit von einem Lenkwert einzustellen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsanordnung mit einer Lenkachse weiterzubilden, sodass ein drehmomentgesteuertes Eingreifen in die Lenkung verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebsanordnung, welche für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um einen Personenkraftwagen, um einen Lastkraftwagen oder um einen Bus. Insbesondere dient die Antriebsanordnung dazu, das Fahrzeug auf Geschwindigkeiten größer als 50 km/h, insbesondere größer 100 km/h zu beschleunigen. Die Antriebsanordnung kann als ausschließliche Traktionsanordnung für das Fahrzeug ausgebildet sein, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass auf einer anderen Achse weitere Antriebsmotoren wirken.
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Die Antriebsanordnung weist ein Fahrgestell auf, wobei das Fahrgestell auch als Chassis, Rahmen oder Untergestell bezeichnet werden kann. An dem Fahrgestell sind insbesondere Radaufhängungen angeordnet.
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Die Antriebsanordnung weist eine gelenkte Antriebsachse auf, welche zwei Radeinheiten umfasst. Insbesondere umfasst die Antriebsachse eine linke und eine rechte Radeinheit. Jede der Radeinheiten weist ein Rad auf. Das Rad kann jeweils auch als ein Doppelrad ausgebildet sein. Bei einer Lenkung der gelenkten Antriebsachse werden die Räder jeweils um eine Lenkachse verschwenkt, um z.B. eine Kurvenfahrt oder ein Wenden des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Ferner weist die Radeinheit jeweils eine Radaufhängung, insbesondere eine Querlenkeranordnung, zum Schwenken des Rads um die Lenkachse auf. Die Radaufhängung, insbesondere die Querlenkeranordnung, ist an dem Fahrgestell abgestützt, insbesondere derart, dass Reifenkräfte über die Radaufhängung auf das Fahrgestell übertragen werden. Die Radaufhängung kann z.B. als eine Mc-Pherson-Radaufhängung ausgebildet sein.
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Ferner weist jede Radeinheit einen außenliegenden Antriebsmotor auf. Insbesondere ist der Antriebsmotor mindestens abschnittsweise zwischen der Radaufhängung, insbesondere der Querlenkeranordnung und dem Rad angeordnet. Der Antriebsmotor weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Rotor ist mit dem Rad wirkverbunden, vorzugsweise ist der Antriebmotor als ein Direktmotor ohne Zwischenschaltung eines Getriebes ausgebildet. Der Stator ist über die Radaufhängung, insbesondere die Querlenkeranordnung abgestützt.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Stator in der Radaufhängung, insbesondere der Querlenkeranordnung drehbar, insbesondere schwenkbar abgestützt ist, sodass sich der Antriebsmotor relativ zu der Querlenkeranordnung, vorzugsweise um eine Rotationsachse des Antriebsmotors und/oder des Rotors des Antriebsmotors drehen kann. Zudem ist der Stator an dem Fahrgestell drehsteif, insbesondere um die Rotationsachse, und bevorzugt in radialer und/oder axialer Richtung zu der Rotationsachse frei bewegbar abgestützt.
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Somit werden radial und optional ergänzend axial wirkende Kräfte an dem Rad über die Radaufhängung, insbesondere Querlenkeranordnung ausgeleitet und Kräfte in Umlaufrichtung, welche sich insbesondere durch das Antriebsmoment ergeben, parallel zu der Radaufhängung, insbesondere der Querlenkeranordnung an dem Fahrgestell abgestützt.
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Zusammengefasst ist es ein Vorteil der Erfindung, dass Reifenkräfte über die Radaufhängung, insbesondere der Querlenkeranordnung auf das Fahrgestell übertragen werden, das Antriebsmoment hingegen über die drehsteife Verbindung auf das Fahrgestell übertragen und dort abgestützt werden. Durch die Verteilung der Abstützung wird erreicht, dass höhere Querlenkmomente über die Radeinheit erzeugt werden können. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, eine Lenkkraftunterstützung bereitzustellen, welche effektiver arbeiten kann, als bei Antriebseinheiten, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Für den technologischen Hintergrund werden zur Erläuterung die nachfolgenden Darstellungen vorgetragen:
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Für die Anwendung der Antriebsanordnung als Aktor bei einer Lenkkraftunterstützung ist der Grundgedanke, durch unterschiedliche Drehmomente am linken und rechten Rad das zum Durchfahren einer Kurve benötigte Fahrer-Handmoment im Sinne der Lenkkraftunterstützung zu beeinflussen. Die Kräfte und weitere Kenngrößen sind in der 2 dargestellt. Die Beeinflussung wird über die im Radaufstandspunkt W angreifenden Antriebskräfte F(A,l/r) sowie dem wirksamen Hebelarm rAN der Radaufhängung ermöglicht, die in einem Lenkmoment um die Lenkachse EG resultieren, welches dem durch die Seitenkräfte F(S,l/r) und die Nachlaufstrecke n verursachten Rückstellmoment entgegenwirkt.
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Der Störkrafthebelarm rAN definiert den senkrechten Abstand zwischen Radmittelpunkt und Spreizachse (3a). Der Lenkrollhalbmesser r0 beschreibt den horizontalen Abstand zwischen dem Schnittpunkt der Spreizachse mit der Fahrbahnebene und dem Radaufstandspunkt (Bild 3b). Hierbei wird der Lenkrollhalbmesser positiv definiert, wenn der Schnittpunkt der Spreizachse mit der Fahrbahn auf der Innenseite des Rades liegt.
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Nach Literaturmeinung wird allgemein empfohlen, den Lenkrollhalbmesser nahe null zu wählen. Hierdurch wird der Einfluss von Bremseingriffen auf die Lenkung minimiert. Bei älteren Fahrzeugen wurde der Lenkrollhalbmesser i.d.R. negativ ausgelegt, um bei einer µ-split-Bremsung ein Lenkmoment zu erzeugen, das dem durch µ-split entstehenden Giermoment entgegenwirkt (4). Hierdurch wird die Fahrstabilität erhöht. Die 4 zeigt den Einfluss des Lenkradrollhalbmessers beim µ-Split. Auf der linken Seite ist ein Gebiet mit einer hohen Griffigkeit und auf der rechten Seite ein Gebiet mit niedriger Griffigkeit dargestellt. Auf der linken Seite resultiert aus einer großen Bremskraft ein großes Lenkmoment (großer Pfeil A), auf der rechten Seite resultiert aus einer kleinen Bremskraft ein kleines Lenkmoment (kleiner Pfeil B). In der Mitte der 4 bezeichnet der obere Pfeil C das Giermoment und der untere Pfeil D das Lenkmoment.
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Bei radselektiven Antrieben muss die Art der Abstützung des Drehmoments im Fahrzeug berücksichtigt werden (3 a, b). Bei außenliegenden Antrieben, sowie bei außenliegenden Bremsen, ist der Lenkrollhalbmesser r0 bzw. der durch diesen definierte Bremskrafthebelarm rBR für die Lenkmomentbildung aufgrund der Antriebskräfte maßgebend, da hier die Momentenabstützung an der Radaufhängung erfolgt. Hingegen ist bei innenliegenden Antrieben der Störkrafthebelarm rAN die ausschlaggebende Größe. Die Abstützung des Drehmoments erfolgt hierbei am Fahrgestell. Durch die Wahl radnaher Antriebe kann somit die Rückwirkung von Antriebsmomenten auf die Lenkung von den Einflüssen von Bremseingriffen entkoppelt werden. Durch die erfindungsgemäße Abstützung des durch Radnabenantriebe erzeugten Antriebsmoments am Aufbau kann jedoch ebenfalls bei außenliegenden Antrieben bzw. Radnabenantrieben der Störkrafthebelarm als wirksamer Hebelarm genutzt werden.
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Wie dargestellt, erzeugen konventionell abgestützte Radnabenmotoren über den Lenkrollradius ein Drehmoment um die Lenkachse, das im Sinne einer Lenkkraftunterstützung genutzt werden kann. Aufgrund von Fahrwerksanforderungen (siehe oben) unterliegt der Lenkrollradius gewissen Beschränkungen und soll nicht beliebig groß gewählt werden. Hierdurch wird jedoch das Potenzial einer Lenkmomentbildung aufgrund der Antriebskräfte von Radnabenmotoren deutlich reduziert. Hingegen wird der Störkrafthebelarm bei konventionellen Fahrwerken i.d.R. größer als Lenkrollradius ausgelegt, wodurch ein höheres Potenzial für eine Lenkkraftunterstützung mittels radselektiver Antriebe gegeben ist. Dieser wirkt jedoch aufgrund der unterschiedlichen Momentenabstützung der Antriebe nur bei radnahen Antrieben.
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Ein möglicher Vorteil der Erfindung ist somit die Nutzung des Störkrafthebelarms auch bei außenliegenden Antrieben bzw. Radnabenantrieben. Hierdurch wird dessen Potenzial zur Nutzung als Lenkkraftunterstützung erhöht.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die Querlenkeranordnung mindestens oder genau einen oberen und mindestens oder genau einen unteren Querlenker auf. Die zwei Querlenker bilden gemeinsam eine Dreh- oder Schwenkaufnahme für den Stator oder tragen gemeinsam eine Dreh- oder Schwenkaufnahme für den Stator. Besonders bevorzugt dient die Dreh- oder Schwenkaufnahme für ein Motorgehäuse des Antriebsmotors oder für einen mit dem Motorgehäuse drehfest verbundenen Ansatz, wie zum Beispiel eine Statorachse. Der Ansatz ist vorzugsweise koaxial zu der Rotationsachse ausgerichtet.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung weist die Antriebsanordnung einen Verbindungsarm auf, wobei der Verbindungsarm die drehsteife Verbindung zwischen dem Stator und dem Fahrgestell bildet. Der Verbindungsarm weist mindestens ein Gelenk, insbesondere Schwenkgelenk auf. Mit dem Verbindungsarm ist somit die Ableitung des Antriebsdrehmoments auf das Fahrgestell möglich, durch das Schwenkgelenk kann der Verbindungsarm derart abgeknickt werden, dass dieser den Bewegungen des Rads um die Lenkachse folgen kann. Vorzugsweise ist die drehsteife Verbindung als eine winkelsynchrone Kupplung zwischen dem Fahrgestell und dem Stator ausgebildet. Insbesondere ändert sich ein Drehwinkel um die Rotationsachse des Stators bei einer Änderung eines Verbindungswinkels in dem mindestens einen Gelenk nicht.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebmotor als ein Innenläufer ausgebildet, wobei der Rotor innenliegend zu dem Stator angeordnet ist. Die Querlenkeranordnung stützt vorzugsweise ein Motorgehäuse des Stators.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Antriebsmotor als ein Außenläufer ausgebildet, wobei der Stator in dem Rotor angeordnet ist. Die Querlenkeranordnung stützt bei dieser Ausgestaltung den Stator über eine Statorachse ab. Die Statorachse ist drehfest und besonders bevorzugt starr mit dem Stator verbunden.
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Somit ist es möglich zwei unterschiedliche Arten von Antriebsmotoren in die Antriebsanordnung zu integrieren.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet die Statorachse einen Teil des Verbindungsarms. Besonders bevorzugt ist die Statorachse koaxial zu der Rotationsachse des Rotors des Antriebsmotors ausgerichtet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebsanordnung eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, Längskräfte in der Antriebsanordnung durch unterschiedliche Ansteuerung der Antriebsmotoren der Radeinheiten aktiv zu beeinflussen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Antriebsmotoren derart ansteuert, dass unterschiedliche Antriebsmomente generiert werden. Beispielsweise ist es möglich, dass die Differenz der Antriebsdrehmomente in Abhängigkeit eines Lenkwinkels oder auch eines Lenkmoments der Lenkachse eingestellt ist. Alternativ hierzu ist es möglich, dass in bestimmten Fahrsituationen unterschiedliche Antriebsdrehmomente gewählt werden. Es ist sogar möglich, dass die Antriebsdrehmomente gegenläufig orientiert sind.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung der Erfindung sind die Antriebsmotoren als Radnabenmotoren ausgebildet. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders einfache und platzsparende Integration der Antriebsmotoren in den Radeinheiten.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, welches eine Antriebsanordnung aufweist, wie diese zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Ferner weist das Fahrzeug eine Lenkeinrichtung zur Übertragung einer Lenkkraft auf die Lenkachse als ein Lenkmoment auf. Die Lenkeinrichtung kann als ein Lenkgetriebe oder als eine Steer-by-Wire-Lenkeinrichtung ausgebildet sein. Die durch die Steuereinrichtung durch Ansteuerung der Antriebsmotoren aufbringbare Längskraft führt zu einem zusätzlichen Lenkmoment zu dem durch das Lenkgetriebe aufgebrachten Lenkmoment. Durch die Überlagerung des Lenkmoments aus dem Lenkgetriebe und dem Lenkmoment aus der Antriebsanordnung kann eine Lenkkraftunterstützung umgesetzt werden, wie diese zuvor beschrieben wurde.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Blockdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Antriebsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung von Kräften an den Reifen gemäß dem Stand der Technik;
- 3a, b zwei Ansichten von angetriebenen und gelenkten Rädern gemäß dem Stand der Technik zur Erläuterung von weiteren Kenngrößen;
- 4 eine Draufsicht auf ein Fahrwerk in einer eine µ-split-Situation zur weiteren Erläuterung von Kenngrößen gemäß dem Stand der Technik;
- 5 eine schematische Darstellung einer Antriebseinheit der Antriebsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 in gleicher Darstellung wie in der 5 eine alternative Ausgestaltung der Antriebseinheit.
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Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein Fahrzeug 1 mit einer Antriebsanordnung 2 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Antriebsanordnung 2 umfasst zwei angetriebene Räder 3 einer gelenkten Antriebsachse 24. Ferner weist das Fahrzeug 1 eine zweite Achse auf, welche antriebsfrei oder mit einem weiteren Antrieb ausgebildet sein kann.
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Die Antriebsanordnung 2 weist zwei Antriebseinheiten 4 auf, in denen jeweils ein Antriebsmotor 5 angeordnet ist. Der Antriebsmotor 5 ist jeweils als ein radselektiver Motor ausgebildet, welcher ausschließlich einem der Räder 3 zugeordnet ist.
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Das Fahrzeug 1 weist ein Lenkgetriebe 6 auf, welches über eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle 7, wie zum Beispiel ein Lenkrad bedient werden kann, welches zum Lenken der Räder 3 der Antriebsanordnung 2 dient. Ferner weist das Fahrzeug 1 eine Steuereinrichtung 8 auf, welche zur Ansteuerung der Antriebsmotoren 5 ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung 8 kann als eine separate Steuereinrichtung 8 oder als ein Teil einer Hauptsteuereinrichtung des Fahrzeugs 1 ausgebildet sein. Optional weist das Fahrzeug 1 einen Sensor 9 zur Erfassung eines Lenkwinkels und/oder eines Lenkmoments der Mensch-Maschinen-Schnittstelle 7 auf, wobei Sensorsignale zum Lenkwinkel an die Steuereinrichtung 8 übertragen werden. Das Fahrzeug 1 weist ein Fahrgestell 10 auf, welches den Aufbau des Fahrzeugs 1 trägt.
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Die 3 a, b, 4 und 5 wurden bereits im Zusammenhang mit der allgemeinen Erfindungsbeschreibung beschrieben, sodass auf das vorhergehende verwiesen wird.
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Die 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit 3. In der Darstellung ist nochmals das Rad 3 mit dem Antriebsmotor 5 zu erkennen. Der Antriebsmotor 5 ist als ein Radnabenmotor ausgebildet und weist einen Rotor 12 und einen Stator 13 auf. Diesem Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor 5 als ein Innenläufer ausgebildet, wobei der Rotor 12 in dem Stator 13 angeordnet ist.
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Die Antriebseinheit 4 weist eine Querlenkeranordnung 14 auf, welche einen oberen Querlenker 15 und einen unteren Querlenker 16 aufweist. Die Querlenker 15, 16 sind mit einem freien Ende an dem Fahrgestell 10 angeordnet und weisen jeweils zwei Gelenke 17a, 18a sowie 17b, 18b auf. Durch die zweiten Gelenke 18a und 18b verläuft eine gedachte Lenkachse 19, um die das Rad und/oder der Antriebsmotor 5 geschwenkt werden kann. Die ersten Gelenke 17a, 17b dienen dagegen zum Ausgleich eines Höhenversatzes von dem Rad 3 relativ zu dem Fahrgestell 10.
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Der Antriebsmotor 5 wird von dem oberen Querlenker 15 und dem unteren Querlenker 16 drehbar oder schwenkbar gehalten. Insbesondere ist es möglich, dass sich der Antriebsmotor 5 relativ zu einer Rotationsachse R, welche durch den Rotor 12 definiert ist, in den Querlenkern 15, 16 dreht.
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Die Antriebseinheit 4 weist einen Verbindungsarm 20 auf, wobei der Verbindungsarm 20 mit einem Ende an dem Fahrgestell 10 festgelegt ist und mit dem anderen Ende mit dem Stator 13 verbunden ist. Beispielsweise greift der Verbindungsarm 20 an einem Motorgehäuse 21 des Antriebsmotors 5 bzw. des Stators 13 an. Der Stator 13 kann als Angriffsschnittstelle eine Statorachse 22 aufweisen, welche koaxial zu der Rotationsachse R angeordnet ist. Der Verbindungsarm 20 weist zwei Gelenke 23a, b auf, sodass dieser den Bewegungen des Rads 3 folgen kann. Der Verbindungsarm 20 ist drehsteif ausgebildet, sodass durch das Antriebsdrehmoment des Antriebsmotors 5 auftretende Drehmomente in das Fahrgestell 10 abgeleitet werden können.
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Somit werden über die Querlenkeranordnung 14 radiale und gegebenenfalls axiale Kräfte in Bezug auf die Rotationsachse R abgeleitet, dagegen werden Drehmomente in Umlaufrichtung um die Rotationsachse R über den Verbindungsarm 20 abgeleitet. Durch diese Verteilung wird erreicht, dass der Störkrafthebelarm der wirksame Hebelarm wird und dadurch eine Lenkkraftunterstützung verbessert ist.
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In der 6 ist eine alternative Ausgestaltung der Antriebseinheit 4 gezeigt, wobei der Antriebsmotor 5 als ein Außenläufer ausgebildet ist, sodass der Rotor 12 außenliegend und der Stator 13 innenliegend angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Stator 13 über die Statorachse 22 durch die Querlenkeranordnung 14 gelagert.
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Die Steuereinrichtung 8 ist ausgebildet, beispielsweise in Abhängigkeit eines Lenkwinkels und/oder eines Lenkmoments, welcher durch den Sensor 9 erfasst wird, eine Lenkkraftunterstützung umzusetzen, indem die Antriebsmotoren 5 angesteuert werden, unterschiedliche Antriebsdrehmomente in Abhängigkeit eines Lenkwinkels bzw. eines Lenkmoments aufzubringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Antriebsanordnung
- 3
- Räder
- 4
- Antriebseinheit
- 5
- Antriebsmotor
- 6
- Lenkgetriebe
- 7
- Mensch-Maschinen-Schnittstelle
- 8
- Steuereinrichtung
- 9
- Sensor
- 10
- Fahrgestell
- 11
- leer
- 12
- Rotor
- 13
- Stator
- 14
- Querlenkeranordnung
- 15
- oberer Querlenker
- 16
- unterer Querlenker
- 17a, b
- erste Gelenke
- 18a, b
- zweite Gelenke
- 19
- Lenkachse
- 20
- Verbindungsarm
- 21
- Motorgehäuse
- 22
- Statorachse
- 23a, b
- Gelenke
- 24
- Antriebsachse
- R
- Rotationsachse
- A, B, C, D
- Pfeile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008049992 A1 [0003]
