DE102019122870A1 - Wohnwagen mit Zug-/Schubkraftbegrenzung - Google Patents

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Rainer Buck
Marcus Metzler
Günter Dorn
Rüdiger Freimann
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Erwin Hymer Group SE
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Abstract

Bei einem Anhänger, insbesondere Wohnwagen, mit einer Batterie und einer Achse oder Tandemachse mit über Elektromotoren angetriebenen Rädern, ist die Batterie zur Stromversorgung der Elektromotoren bei Anhängerfahrt im Straßenverkehr ausgelegt, erfassen Sensormittel die Kräfte an einer Kupplung des Anhängers in mindestens einer der Richtungen Längsrichtung des Anhängers und/oder Querrichtung des Anhängers und/oder Senkrechte und steuert eine Steuerung die Elektromotoren an, sodass ein minimaler und/oder maximaler Grenzwert eingehalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zug-/Schubkraftbegrenzung bei einem Anhänger, insbesondere Wohnanhänger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Caravan oder Wohnwagen ist ein Anhänger für ein Kraftfahrzeug, in dem eine geeignete Einrichtung für das Bewohnen und den Aufenthalt von Personen verbaut ist. Ein solcher Wohnwagen wird herkömmlich ohne jeglichen eigenen Antrieb rein durch das Zugfahrzeug im Straßenverkehr als Anhänger gezogen. Im Regelfall handelt es sich dabei um einen einachsigen Anhänger bzw. einen Anhänger mit einer Tandemachse.
  • Schon unabhängig von der Antriebsart haben Kraftfahrzeuge eine im Vergleich zu früher immer geringere Anhängelast oder Zugkraft. Der Anhängerbetrieb oder auch sehr stark den Verschleiß von Motor, Kupplung, Getriebe, Bremsen und Reifen und kann zu Kühler- und Bremsenüberhitzung führen. Es ergibt sich ein stark erhöhter Energieverbrauch bzw. Kraftstoffverbrauch und eine Verschlechterung der Fahrdynamik sowie Fahrstabilität. Ein Kraftfahrzeug als Zugfahrzeug muss daher mit entsprechend hohem Fahrzeuggewicht, leistungsstarken Motoren und gegebenenfalls Allradantrieb gewählt werden, was zu zusätzlichen Kosten und im Normalbetrieb erhöhten Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch führt.
  • Darüber hinaus kommen als Kraftfahrzeuge in zunehmendem Maße Hybridfahrzeuge und reine Elektrofahrzeuge zum Einsatz. Wenn solche Fahrzeuge einen Anhänger ziehen, ergibt sich bei einem reinen Elektrofahrzeug eine merkliche bzw. auch enorme Reduzierung der Reichweite und kann dies bei Hybridfahrzeugen dazu führen, dass die erforderliche zusätzliche Leistung des Elektroantrieb nicht ausreichend lange zur Verfügung steht, da die Batterie erschöpft ist. Die Reichweite ist durch die aktuelle Batterietechnologie noch deutlich begrenzt.
  • Dies gilt in besonderem Maße für das Ziehen eines Wohnwagens, da dieser aufgrund seiner hohen Bauweise einen großen Luftwiderstand verursacht und daher im Zugbetrieb ein merklich erhöhten Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch des Zugfahrzeugs verursacht. Im Betrieb mit Anhänger steigt der Verbrauch auch entsprechend der bewegten Gesamtlast an und führt zu einer deutlichen Reichweitenreduzierung. Zusätzlich ist auch die maximale Antriebsleistung der Elektrofahrzeuge meist auf den vorrangigen Einsatz im innerstädtischen Betrieb ausgelegt.
  • Durch einen im Wesentlichen selbstgetriebenen Anhänger kann das Problem der Reichweitenreduzierung einfach gelöst werden. Im gleichen Ansatz kann auch ein konventionell angetriebenes (Klein-) Fahrzeug entlastet werden, dass mit seiner maximalen Anhängelast betrieben wird und keine Reserven hat. Solche Anhänger sind mit einer Batterie oder Energieversorgungseinheit zur Erzeugung von Strom ausgestattet, um das ziehende Fahrzeug mit Energie zu versorgen oder über angetriebene Räder des Anhängers zum Vortrieb beizutragen. Für den Fall von Elektrofahrzeugen werden solche Anhänger auch als Range-Extender zur Vergrößerung der Reichweite bezeichnet.
  • Die zulässige Anhängelast eines Zugfahrzeuges wird im Wesentlichen durch vier Faktoren bestimmt. Als erstes durch die maximale Zugleistung des Zugfahrzeuges, die eine Funktion der Motorleistung und der durch das Fahrzeuggewicht auf den Boden übertragbaren Radantriebsleistung ist.
  • Der zweite bestimmende Faktor ist die maximale Bremsleistung des Zugfahrzeugs als Funktion der Bremsauslegung und ebenfalls der durch die Radlast bzw. das Fahrzeuggewicht übertragbaren Traktion an den Rädern.
  • Der dritte bestimmende Faktor der der Anhängelast ist die maximale Querkraft, welche bes. im Falle des Bremsens in der Kurve zum „Einknicken“ des Gespanns führen kann. Die Querkraft ist dabei eine Funktion der übertragbaren Gesamttraktion an den Hinterrädern. Die radlastabhängige Traktionskraft eines Rades setzt sich vektoriel aus der wirkenden Querkraft und der gerade wirkenden Beschleunigungskraft, sei es als bremsende oder antreibende Kraft, zusammen.
  • Der vierte Faktor ist die strukturelle Festigkeit der Anhängerkupplung.
  • Die Belastung an der Anhängekupplung ergibt sich aus den statischen und dynamischen Krafteinleitungen des Anhängers in allen drei Raumachsen, somit den Zug-/Schubkräften beim Beschleunigen bzw. Bremsen, der senkrecht wirkenden Stützkraft, die sich dynamisch ändern kann durch Beschleunigung und Abbremsung, sowie den Querkräften beispielsweise bei Kurvenfahrt oder Seitenwindbelastung.
  • Da gerade Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge nur geringe Anhängerlasten zulassen, können Wohnwagen, die allein aufgrund ihrer Größe und der Möglichkeit der Beladung die zulässigen Anhängerlasten herkömmlicher Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor nutzen, nicht genutzt werden. Wenn es also möglich wäre, die Kräfte an der Anhängekupplung dauerhaft und sicher zu reduzieren, könnten kleine Zugfahrzeuge hohe Anhängelasten bewältigen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Anhänger, insbesondere Wohnwagen, zur Verfügung zu stellen, der auch von Zugfahrzeugen mit einer Anhängelast unterhalb des zulässigen Gesamtgewichts des Anhängers als Zugfahrzeug im Straßenverkehr bewegt werden kann..
  • Diese Aufgabe wird durch einen Anhänger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Anhänger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhaft werden die Kräfte insbesondere in Längsrichtung erfasst und durch Antreiben bzw. Abbremsen der Elektromotoren die Zug-/Schubkräfte für eine geringere Anhängelast, als dem zulässigen Gesamtgewicht des Anhängers entspricht, eingehalten. Es wird ein minimaler und/oder maximaler Grenzwert der Kraft, insbesondere in Fahrzeuglängsrichtung, eingehalten.
  • Besonders durch die hohe gespeicherte Energie im Anhänger kann die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Anhängerbetrieb signifikant erhöht werden.
  • Vorteilhaft wird durch die Steuerung durch eine zusätzliche Beschleunigung der Räder des Anhängers bzw. eine Abbremsung eine geringere Anhängelast simuliert. Dadurch können auch sehr leichte Fahrzeuge mit geringer Antriebsleistung und schwach ausgelegtem Fahrgestell große und schwere Anhänger ziehen. Etwa ist es denkbar, dass auch Oldtimer mit nur geringer Anhängelast einen Wohnanhänger ziehen können.
  • Die Beanspruchung und der Verschleiß des ziehenden Kraftfahrzeugs wird deutlich reduziert, indem eine Unterstützung bei Lastspitzen, beim Anfahren und Bergauffahren erfolgen kann. Insbesondere kann bei einem Zugfahrzeug mit Verbrennungsmotor die Einhaltung kommender Abgasnormen leichter erreicht werden, da der Anhängerbetrieb sich nur wenig auf die Motorbelastung und Drehzahl sowie den Verbrauch auswirkt, indem eine nur geringe effektive Anhängelast sichergestellt wird. Es ist beispielsweise möglich, auch mit einem Elektrofahrzeug als Zugfahrzeug dadurch eine Reichweite im Anhängerbetrieb von ca. 500 km zu erreichen. Es können die Kräfte in Längsrichtung erfasst werden.
  • Durch die vom Zugfahrzeug unabhängige vorhandene Bremse mit eigener Energieversorgung im Anhänger, insbesondere der Rekuperationsbremse, kann neben der Zugentlastung im Antriebsfall auch die Schubentlastung permanent geregelt und damit sicher gestellt werden. Zusätzlich zur rekuperativen Bremsung kann die Betriebsbremse unterstützend elektrisch aktiviert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung erhöht die Steuerung durch Abbremsen der Elektromotoren die Stützlast und somit die mögliche Querkraft der Hinterräder des Zugfahrzeugs.
  • Insbesondere bzw. ergänzend kann bei Kurvenfahrt der Anhänger „automatisch“ angebremst werden, um durch erhöhte Stützlast die Traktion der Hinterachse des Zugfahrzeuges zu erhöhen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Steuerung die Elektromotoren der beiden Seiten des Anhängers getrennt ansteuern und dadurch ein Lenkermoment auf den Anhänger ausüben.
  • Die Steuerung kann auch eine Betriebsbremse der Räder ansteuern, optional die Betriebsbremse jeder Seite des Anhängers einzelnen.
  • Vorteilhaft umfassen die Sensormittel Kraftsensoren und/oder Kraft-Wegsensoren.
  • Es können weitere Sensormittel einen Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger erfassen, insbesondere über Sensoren oder eine Kamera und Bildverarbeitungssoftware.
  • In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Regelungssoftware der Steuerung einen Beobachter, der ein Systemmodell des Anhängers umfasst, insbesondere auf Basis von Drehzahlen der Räder, Querbeschleunigung und Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger, und auf Basis dieses Beobachters die Istwerte, insbesondere Gierraten, vergleicht sowie die Elektromotoren ansteuert und/oder die Betriebsbremse ansteuert.
  • Der Regelungsbedarf der Zug-/Schubentlastung kann dabei durch verschiedene Sensoren zusammen oder einzeln und/oder modellbasiert erfolgen. Auf Basis von Raddrehzahlen, Querbeschleunigung und Knickwinkel zum Zugfahrzeug kann ein modelgestützer elektronischer Systembeobachter auf dem Anhänger ähnlich eines ESP die fahrdynamischen Sollgrößen von Schwimm- und Gierwinkel des Anhängers in Relation zum Zugfahrzeug bestimmen und mit realwerten eines z.B. Gierratensensors vergleichen und über die Elektromotoren und Betriebsbremse fahrdynamisch korrigierend eingreifen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerung insbesondere beim Anfahren eine schiebende Kraft auf das Zugfahrzeug über die angetriebenen Räder ausüben.
  • Dadurch kann etwa beim Anfahren erreicht werden, dass neben der angetriebenen Achse des Zugfahrzeugs auch die Anhängerachse wie eine Antriebsachse für das Zugfahrzeug wirkt und eine bessere Gesamttraktion erreicht wird, ähnlich wie bei einem vierradgetriebenen Fahrzeug. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein Zugfahrzeug querkraftfrei zu „schieben“ und damit eine Reservefunktion bes. für Elektrofahrzeuge abzubilden, bei der der Anhänger sozusagen als alleiniger Notantrieb dient. Dabei ist Sicherheitsbedingt die Schubkraft regelungstechnisch auf das Traktionspotential des Zugfahrzeuges abzustimmen, oder auf einen generell unkritischen Wert zu begrenzen. Diese „Notfunktion“ kann z.B. dazu dienen, Gefahrenstellen verlassen zu können, oder die Nächste Ladestation zu erreichen. Eine leichte Rekuperation im geschobenen „Zugfahrzeug“ kann dabei einen minimalen Ladezustand im Fahrzeug erhalten und so Fahrsicherheitssysteme versorgen, wie beispielsweise Bremsen, Lenkung und Licht.
  • Alternative oder zusätzlich kann bei voller Batterie eine Retarderfunktion integriert werden, welche die Betriebsbremse ergänzen oder ersetzen kann.
  • Das Regelungsziel ist eine Kraftwirkung welche im Wesentlichen querkraftfrei auf die Fahrzeuglängsachse gerichtet ist.
  • Aktuatoren sind die Radindividuellen Elektromotoren (Torque Vectoring), ggf. ergänzt durch die Betriebsbremse. Dabei sind geeignete Sensoren zum einen Kraftsensoren am Kopplungspunkt in alle drei Raumrichtungen (an Anhänger oder Zugfahrzeug) sowie zum anderen Kraft-, oder Kraft-Weg-Sensoren (Federauslenkung) in Anhängerlängsrichtung, kombiniert mit einer Knickwinkelerkennung (Sensor, Kamera, ...) zwischen Zugfahrzeug und Anhänger und den Radmomenten am Anhänger (Äquivalent zur Querkrafteinwirkung auf AHK).

Claims (10)

  1. Anhänger, insbesondere Wohnwagen, mit einer Batterie und einer Achse oder Tandemachse mit über Elektromotoren angetriebenen Rädern, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie zur Stromversorgung der Elektromotoren bei Anhängerfahrt im Straßenverkehr ausgelegt ist, Sensormittel die Kräfte an einer Kupplung des Anhängers in mindestens einer der Richtungen Längsrichtung des Anhängers und/oder Querrichtung des Anhängers und/oder Senkrechte erfassen und eine Steuerung die Elektromotoren ansteuert, sodass ein minimaler und/oder maximaler Grenzwert eingehalten wird.
  2. Anhänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte in Längsrichtung erfasst werden und durch Antreiben bzw. Abbremsen der Elektromotoren die Zug-/Schubkräfte für eine geringere Anhängelast, als dem zulässigen Gesamtgewicht des Anhängers entspricht, eingehalten werden.
  3. Anhänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte in Längsrichtung erfasst werden.
  4. Anhänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Abbremsen der Elektromotoren die Stützlast erhöht und somit die mögliche Querkraft der Hinterräder des Zugfahrzeugs.
  5. Anhänger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die Elektromotoren der beiden Seiten des Anhängers getrennt ansteuern kann und dadurch ein Lenkermoment auf den Anhänger ausübt.
  6. Anhänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung auch eine Betriebsbremse der Räder ansteuern kann, optional die Betriebsbremse jeder Seite des Anhängers einzelnen.
  7. Anhänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel Kraftsensoren und/oder Kraft-Wegsensoren umfassen.
  8. Anhänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Sensormittel einen Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger erfassen, insbesondere über Sensoren oder eine Kamera und Bildverarbeitungssoftware.
  9. Anhänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungssoftware der Steuerung einen Beobachter umfasst, der ein Systemmodell des Anhängers umfasst, insbesondere auf Basis von Drehzahlen der Räder, Querbeschleunigung und Knickwinkel zwischen Zugfahrzeug und Anhänger, und auf Basis dieses Beobachters die Istwerte, insbesondere Gierraten, vergleicht sowie die Elektromotoren ansteuert und/oder die Betriebsbremse ansteuert.
  10. Anhänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung insbesondere beim Anfahren eine schiebende Kraft auf das Zugfahrzeug über die angetriebenen Räder ausüben kann.
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