-
Die Erfindung betrifft Kraftfahrzeug, das einen Fahrantrieb mit zumindest zwei elektrische Maschinen aufweist.
-
Ein solches Kraftfahrzeug ist aus der
DE 10 2011 056 048 A1 bekannt. Bei dem bekannten Kraftfahrzeug sind die beiden elektrischen Maschinen allerdings unterschiedlichen Typs, um ein optimiertes Antriebsverhalten für unterschiedliche Drehzahlbereiche zu erhalten. Das Kraftfahrzeug weist einen Allradantrieb auf und beide elektrischen Maschinen treiben sowohl das rechte als auch das linke Hinterrad gemeinsam an. Um die Hinterräder beider Fahrzeugseiten beispielsweise während einer Kurvenfahrt bei unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können, sind beide Hinterräder über ein Differenzialgetriebe gekoppelt.
-
Als Differenzialgetriebe zum Koppeln beider Räder derselben Achse kann ein selbstsperrendes Differenzialgetriebe verwendet werden, wie es Beispielweise aus der
EP 1 906 053 B1 bekannt ist. Bei einem selbstsperrenden Differenzialgetriebe wird bei Verlust der Haftung des Rades einer Fahrzeugseite (beispielsweise aufgrund von Glatteis) ein Durchdrehen dieses Rades verhindert und das Antriebsmoment auf das noch haftende gegenüberliegende Rad verlagert, d.h. auf die andere Fahrzeugseite. Nachteilig dabei ist, dass diese Drehmomentverlagerung auf die andere Fahrzeugseite auch das Giermoment / die Gierrate sprunghaft ändern kann, was wiederrum kompensiert werden muss.
-
Differenzialgetriebe sind auch in der
US 2 298 334 A und der
FR 2 294 062 A1 beschrieben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit elektrischem Allradantrieb bereitzustellen, das fahrdynamisch robuste Eigenschaften auch bei Verlust der Bodenhaftung eines oder zweier Räder aufweist.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
-
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das für einen Fahrantrieb zumindest zwei elektrische Maschinen aufweist. Das Fahrzeug weist einen Allradantrieb oder zumindest einen Vierradantrieb auf, d.h. auf beiden Fahrzeugseiten kann ein Antriebsmoment sowohl über zumindest ein Vorderrad als auch für zumindest ein Hinterrad gleichzeitig erzeugt oder abgegeben werden.
-
Um vorteilhafte fahrdynamische Eigenschaften auch bei Verlust der Bodenhaftung eines oder zweier der Räder zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem vorbestimmten Fahrmodus (z.B. dauerhaft oder in einer bestimmten Getriebeeinstellung) eine der besagten elektrischen Maschinen nur der linken Fahrzeugseite und die andere der elektrischen Maschinen nur der rechten Fahrzeugseite zugeordnet ist. Dazu ist für jede Fahrzeugseite jeweils eine Rotorwelle oder Antriebswelle der dieser Fahrzeugseite zugeordneten elektrischen Maschine über ein jeweiliges Differenzialgetriebe mit zumindest einem Vorderrad der Fahrzeugseite und mit zumindest einem Hinterrad derselben Fahrzeugseite mechanisch gekoppelt. Eine mechanische oder antriebstechnische Kopplung mit einem der Räder der jeweils gegenüberliegenden Fahrzeugseite ist nicht vorgesehen (außer über den Fahruntergrund). Somit wird also das von einer elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment oder Antriebsmoment nur auf Räder derselben Fahrzeugseite, also der linken Fahrzeugseite oder der rechten Fahrzeugseite, ausschließlich verteilt. Das Drehmoment der jeweiligen elektrischen Maschine wird also auf zumindest ein Vorderrad und auf zumindest ein Hinterrad derselben Fahrzeugseite aufgeteilt oder übertragen. Falls eines der Räder (Vorderrad oder Hinterrad derselben Fahrzeugseite) die Bodenhaftung auf den Fahruntergrund verliert, also durchzurutschen droht, so resultiert dies in einer Momentverschiebung in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs. Durch ein rutschendes Rad wird somit kein zusätzliches Giermoment durch eine Momentenverlagerung von links nach rechts oder rechts nach links bewirkt. Dazu wird mittels einer elektrischen Maschine ein Drehmoment erzeugt, das ausgehend von der elektrischen Maschine über deren Rotorwelle oder Antriebswelle (zum Antreiben der Räder) das Drehmoment über das Differenzialgetriebe für die linke Fahrzeugseite auf zumindest ein linkes Vorderrad und auf zumindest ein linkes Hinterrad verteilt und währenddessen mittels der anderen elektrischen Maschine deren Drehmoment von deren Rotorwelle oder Antriebswelle über das Differenzial der rechten Fahrzeugseite auf zumindest ein rechtes Vorderrad und auf zumindest ein rechtes Hinterrad verteilt. Der Begriff „Antriebswelle“ besagt, dass Räder angetrieben werden, sie stellt die „Abtriebswelle“ der jeweiligen elektrischen Maschine dar. Die beiden elektrischen Maschinen können unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden, so dass ein Antriebsmoment oder Drehmoment für die linke Fahrzeugseite unabhängig von einem Antriebsmoment oder Drehmoment für die rechte Fahrzeugseite eingestellt werden kann.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass während einer Beschleunigungsphase bei Durchrutschen eines Rades, das heißt bei Verlust der Bodenhaftung eines Rades, beispielsweise aufgrund von Glatteis oder Öl oder Sand auf der Fahrbahn, die dadurch durch das Differenzial bewirkte Momentenverschiebung oder Momentenverlagerung in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs erfolgt anstatt in Querrichtung, wodurch eine Verursachung eines zusätzlichen Giermoments vermieden werden kann.
-
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass das jeweilige Differenzialgetriebe ein selbstsperrendes Differenzialgetriebe ist. Durch ein selbstsperrendes Differenzialgetriebe ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass dasjenige Drehmoment, das auf das durchrutschende Rad übertragen werden soll, dessen auf das verbleibende Rad derselben Fahrzeugseite, das noch Haftung an der Fahrbahn hat, übertragen wird. Damit bleibt zumindest ein überwiegender Teil der Antriebsleistung erhalten.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass das jeweilige Differenzialgetriebe als drehmomentsensitives (drehmomentfühlendes) Differenzialgetriebe, insbesondere als ein Torsen-Ausgleichsgetriebe (R) oder als ein Kronenraddifferenzialgetriebe, ausgestaltet ist. Ein drehmomentsensitives oder drehmomentfühlendes Differenzialgetriebe weist den Vorteil auf, dass es mechanisch sperrend wirkt und damit verzögerungsfrei auf eine Veränderung der Hafteigenschaften des Rades bezüglich des Fahruntergrunds reagiert.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass eine Steuerschaltung des Kraftfahrzeugs mit einer jeweiligen Leistungselektronik der beiden elektrischen Maschinen gekoppelt ist und die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, mittels einer elektronischen Torque-Vectoring-Funktion eine seitliche oder laterale Dehmomentaufteilung eines Gesamtantriebsmoment und/oder eine Leistungsaufteilung einer Gesamtantriebsleistung auf die beiden elektrischen Maschinen einzustellen. Das Torque-Vectoring-System des Kraftfahrzeugs ist also elektronisch durch die Steuerschaltung realisiert. Somit erfolgt die seitliche oder laterale Drehmomentaufteilung auf die rechte und die linke Fahrzeugseite elektronisch, indem die jeweilige Leistungselektronik der beiden elektrischen Maschinen entsprechend angesteuert wird. Eine geeignete elektronische Torque-Vectoring-Funktion kann aus dem Stand der Technik entnommen werden. Das Gesamtantriebsmoment ist hierbei dasjenige Drehmoment, das sich bei gegebener Drehzahl (beispielsweise der durchschnittlichen Drehzahl der aktuell haftenden Räder) und vorgegebener Gesamtantriebsleistung ergibt. Die Aufteilung kann beispielsweise prozentual erfolgen (50% zu 50% oder 40% zu 60% oder allgemein X % zu (100-X) %), wobei eine asymmetrische oder ungleichmäßige Aufteilung des Antriebsmoments, das heißt unterschiedliche Antriebsmomente in den elektrischen Maschinen, in an sich bekannter Weise für eine Kurvenfahrt und/oder eine Giermomentsteuerung günstig ist.
-
Eine Ausführungsform umfasst entsprechend, dass die Steuerschaltung (für das Torque-Vectoring) mit zumindest einem Sensor des Kraftfahrzeugs gekoppelt und dazu eingerichtet ist, anhand eines jeweiligen Sensorsignals des zumindest einen Sensors eine Gierrate des Kraftfahrzeugs zu ermitteln und die Dehmomentaufteilung (rechts/links) des Gesamtantriebsmoments in Abhängigkeit von einer Gierrate des Kraftahrzeugs zum Einstellen einer Sollgierrate einzustellen oder einzuregeln. Somit kann eine Sollgierrate mittels der Torque-Vectoring-Funktion durch Einstellen der über die jeweilige Fahrzeugseite abgegebenen Drehmomente beider elektrischer Maschinen eingestellt werden. Sollte dabei eines der angetriebenen Räder durchrutschen oder die Bodenhaftung verlieren, so ist der sich hierdurch ergebende Einfluss auf die Gierrate in der beschriebenen Weise durch das Trennen des Antriebsstrangs auf die unterschiedlichen Fahrzeugseiten gering. Die Sollgierrate kann beispielsweise in Abhängigkeit eines aktuell von einem Fahrer oder einer autonomen Fahrfunktion eingestellten Lenkwinkels erfolgen oder berechnet werden. Als der zumindest eine Sensor kann z.B. zumindest ein Gierratensensor und/oder zumindest ein Drehzahlsensor vorgesehen sein. Die Regelung kann z.B. eine PI-Regelung oder eine PID-Regelung darstellen (PID - proportional, Integral, Differenzial).
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass für jede Fahrzeugseite das jeweils zugehörige Differenzialgetriebe dazu eingerichtet ist, auf der jeweiligen Fahrzeugseite bei haftendem Vorderrad und haftendem Hinterrad der Fahrzeugseite ein Antriebsmoment der dieser Fahrzeugseite zugeordneten elektrischen Maschine auf das Hinterrad zu einem Prozentsatz zu übertragen, der in einem Bereich von 50% bis 65% liegt. Mit anderen Worten kann durch das jeweilige Differenzialgetriebe erreicht werden, dass von dem Antriebsdrehmoment der elektrischen Maschine ein gleicher Anteil (50%) oder ein größerer Anteil (>50%) auf das Hinterrad verlagert wird. Das Verteilen des Drehmoments zu einem überwiegenden Teil auf das Hinterrad (>50%) weist den Vorteil auf, dass ausgenutzt wird, dass beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs zur Vergrößerung der Fahrgeschwindigkeit das Kraftfahrzeug zum Heck hin nickt und hierdurch die Haftung der Hinterräder vergrößert ist, was zu einer Verbesserung der Übertragung des Antriebsmoments auf den Fahruntergrund führt.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass auf einer oder jeder Fahrzeugseite die dieser Fahrzeugseite zugeordnete elektrische Maschine jeweils über eine Kohlefaser-Kardanwelle mit dem Vorderrad und/oder mit dem Hinterrad gekoppelt ist. Somit ist trotz der Verwendung zweier Kardanwellen (jeweils zumindest eine pro Fahrzeugseite) eine Zunahme des Gewichts des Kraftfahrzeugs im Vergleich zu einer einzelnen Kardanwelle aus Stahl vermieden oder nur in geringerem Ausmaß vorhanden.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass jede der beiden elektrischen Maschinen über eine jeweilige Kardanwelle mit dem jeweiligen Vorderrad oder Hinterrad gekoppelt sind und die beiden Kardanwellen koaxial ineinander gelagert sind, indem eine der Kardanwellen als Hohlwelle ausgebildet ist. Somit kann trotz der Verwendung zweier Kardanwellen eine mittige Anordnung beider Kardanwellen im Kraftfahrzeug in Längsrichtung erreicht oder ermöglicht sein. Die mittige Anordnung kann auch durch Lagern der beiden Kardanwellen nebeneinander oder übereinander erfolgen.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass jede der beiden elektrischen Maschinen über eine jeweilige Kardanwelle mit dem jeweiligen Vorderrad oder Hinterrad gekoppelt sind und auf jeder Fahrzeugseite die zugehörige Kardanwelle außenseitig zwischen einem Fahrzeugsitz und einer Außenwand dieser Fahrzeugseite angeordnet ist. Hierbei ist der zu dieser Fahrzeugseite hin gelegene Fahrzeugsitz gemeint, also bei der linken Fahrzeugseite der linke Fahrzeugsitz und bei der rechten Fahrzeugseite der rechte Fahrzeugsitz, oder bei einem Einsitzer der mittige Fahrzeugsitz. Somit ist eine Verlegung oder Anordnung beider Kardanwellen mittig zwischen zwei Fahrzeugsitzen vermieden. Die Anordnung außenseitig an den Fahrzeugseiten ist insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit nur einem Fahrzeugsitz, wie beispielsweise bei einem Rennfahrzeug, beispielsweise einem Formula-Fahrzeug oder einem Pikes-Peak-Bergrennen-Fahrzeug, vorteilhaft. Insbesondere ist eine Anordnung oberhalb einer Ebene der Unterseite des Fahrzeugsitzes vorteilhaft, weil damit eine tiefliegendes Kraftfahrzeugs gebaut werden kann.
-
Eine Ausführungsform umfasst, dass die beiden elektrischen Maschinen in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs beide in einem Bereich zwischen den Vorderrädern und den Hinterrädern (Mid-Engine-Konfiguration, Mittelmotor-Konfiguration) oder beide zwischen den Hinterrädern (Heckmotor-Konfiguration) oder beide zwischen den Vorderrädern (Frontmotor-Konfiguration) angeordnet sind. Die Mittelmotor-Konfiguration hat sich als besonders günstig in Bezug auf den Einfluss der Gewichtsverteilung auf die Fahrdynamik erwiesen. Die Anordnung zwischen den Hinterrädern weist den Vorteil auf, dass die Hinterräder mit zusätzlichem Gewicht der beiden elektrischen Maschinen belastet oder beaufschlagt sind und somit eine Haftung der Hinterräder verbessert ist. Zwischen den Hinterrädern beziehungsweise zwischen den Vorderrädern können die beiden elektrischen Maschinen nebeneinander (also rechts und links der Längsachse) oder übereinander angeordnet sein.
-
Es ist zusätzlich oder alternativ eine elektrische Maschine in Längsrichtung vor oder hinter der anderen elektrischen Maschine angeordnet, so dass beide elektrische Maschinen mittig auf der Längsachse oder der Mittenebene des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Dies kann zu einer günstigen Gewichtsverteilung beitragen. Eine Ausführungsform umfasst somit, dass die beiden elektrischen Maschinen in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs hintereinander und in Querrichtung mittig im Kraftfahrzeug angeordnet sind.
-
Die besagte Steuerschaltung kann zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Torque-Vectoring-Funktion zum Ansteuern der Leistungselektroniken (Inverter) der beiden elektrischen Maschinen durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad oder als Rennwagen, insbesondere Rallye-Fahrzeug, ausgestaltet.
-
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
-
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs aus einer Vogelperspektive;
- 2 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugseite des Kraftfahrzeugs von 1 in einer Seitenansicht;
- 3 eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs in MittelMotor-Konfiguration;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Kraftfahrzeugs in Heckmotor-Konfiguration;
- 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Kraftfahrzeugs in Frontmotor-Konfiguration;
- 6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Differenzialgetriebe in einem Diagonaltest;
- 7 eine Skizze zur Veranschaulichung des Torque-Vectoring bei einseitigem Glatteis;
- 8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit mittig gelagerten Kardanwellen;
- 9 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Kardanwellen übereinander;
- 10 eine schematische Darstellung einer koaxialen Anordnung der Kardanwellen;
- 11 eine schematische Darstellung einer außenseitigen Anordnung der Kardanwellen.
-
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
-
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
-
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Personenkraftwagen, insbesondere ein Rallye-Fahrzeug oder Rennfahrzeug, handeln kann. Dargestellt ist eine Draufsicht, wobei eine Fahrzeugfront 11 in 1 und auch in den übrigen Figuren durch ein entsprechendes Symbol 12 für die Fahrzeugfront kenntlich gemacht ist. Der Fahrzeugfront in Längsrichtung gegenüber ist ein Fahrzeugheck 13. Das Kraftfahrzeug 10 kann vier Räder 14 aufweisen, von denen zwei als Vorderräder 15 und zwei als Hinterräder 16 angeordnet sind. Entsprechend der Lage ergibt sich ein linkes Vorderrad VL, ein rechtes Vorderrad VR, ein linkes Hinterrad HL und ein linkes Hinterrad HR. Ein Vorderrad ist insbesondere ein Rad, das (entlang der Längsachse des Kraftfahrzeugs gesehenen) vor dem Schwerpunkt des Kraftfahrzeugs, ein Hinterrad ist insbesondere ein Rad, das hinter dem Schwerpunkt angeordnet ist.
-
Für einen Fahrantrieb kann das Kraftfahrzeug 10 zwei elektrische Maschinen 17 aufweisen, von denen eine elektrische Maschine für die linke Fahrzeugseite L und eine elektrische Maschine für die rechte Fahrzeugseite R vorgesehen oder zugeordnet ist, wobei entsprechend die elektrische Maschine 17 für die linke Fahrzeugseite L als EM L und die elektrische Maschine 17 für die rechte Fahrzeugseite R als elektrische Maschine EM R bezeichnet ist. Auf der linken Fahrzeugseite L kann die entsprechende elektrische Maschine 17, EM L, mit ihrer Rotorwelle oder Antriebswelle 18 über ein Differenzialgetriebe 19 sowohl mit dem linken Vorderrad VL als auch dem linken Hinterrad HL gekoppelt sein. Entsprechend kann die elektrische Maschine 17 für die rechte Fahrzeugseite R, EM R, mit ihrer Rotorwelle oder Antriebswelle 18 über ein Differenzialgetriebe 19 sowohl mit dem rechten Vorderrad VR als auch dem rechten Hinterrad HR gekoppelt sein. Die elektrischen Maschinen 17 können Drehmaschinen sein und beispielsweise dreiphasig durch drei elektrische Phasen UVW angetrieben sein. Eine jeweilige Leitungselektronik 20 kann in an sich bekannter Weise aus einer Gleichspannung DC einer elektrischen Energiequelle 21, beispielsweise einer elektrischen Batterie und/oder einer Brennstoffzelle, die dreiphasige Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschinen 17 in an sich bekannter Weise erzeugen. Das Steuern der Leitungselektroniken 20 kann durch eine Steuerschaltung 22 erfolgen, die beispielsweise mittels eines Kommunikationsbusses 23, beispielsweise eines FlexRay-Busses, mit den Leitungselektroniken 20 gekoppelt sein kann. Die Steuerschaltung 22 kann beispielsweise eine Fahrstabilitätsregelung 24 aufweisen. Diese kann beispielsweise eine Torque-Vectoring-Funktion 25 und/oder eine Gierrate-Regelung zum Einstellen einer Sollgierrate 27 umfassen. Die Steuerschaltung 22 kann ein Antriebssteuergerät 28 aufweisen, welches Stellsignale für die Leitungselektroniken 20 in an sich bekannter Weise erzeugen kann. Des Weiteren dargestellt ist ein Bremsregelsystem 30, welches aus Raddrehzahlsensoren 32 der Räder 14 jeweilige Sensorsignale 32' empfangen und der Steuerschaltung 22 bereitstellen kann.
-
Mittels der Steuerschaltung 22 kann auf Grundlage der Torque-Vectoring-Funktion eine Gesamtantriebsleistung für das Kraftfahrzeug 10 eingestellt und auf die beiden elektrischen Maschinen 17 verteilt werden, um beispielsweise eine Gierrate 31 des Kraftfahrzeugs auf die Sollgierrate 27 einzuregeln. Durch das jeweilige Differenzialgetriebe 19 jeder Fahrzeugseite L, R kann dann das an den Antriebswellen 18 durch die elektrischen Maschinen 17 abgegebene Drehmoment auf das jeweilige Vorderrad 15 der jeweiligen Fahrzeugseite L, R und das jeweilige Hinterrad 16 aufgeteilt werden.
-
2 veranschaulicht hierzu, wie beispielhaft für eine Fahrzeugseite L oder R für den Fall, dass beide angetriebenen Räder 14 eine Haftung mit dem Fahruntergrund G aufweisen, das für diese Fahrzeugseite (z.B. gemäß Torque-Vectoring) vorgesehene Antriebsmoment M zu 50% oder einem überwiegenden Teil bis 60% auf das jeweilige Hinterrad 16 und zu 50% oder einem kleineren Teil bis 40% auf das Vorderrad 15 verteilt oder aufgeteilt wird.
-
Als jeweiliges Differenzialgetriebe 19 ist insbesondere ein drehmomentsensitives selbstsperrendes Differenzialgetriebe vorgesehen, beispielsweise ein sogenanntes Torsen-Ausgleichsgetriebe oder ein Kronenraddifferenzialgetriebe.
-
3 veranschaulicht, wie die elektrischen Maschinen 17 in einer MittelMotor-Konfiguration beispielsweise beiderseits einer Längsachse 33 des Kraftfahrzeugs 10 auf einer Querachse 34 angeordnet werden können.
-
4 veranschaulicht hierzu alternativ eine Heckmotor-Konfiguration, bei welcher die elektrischen Maschinen 17 im Heckbereich zwischen den Hinterrädern 16 angeordnet sind. Zum Übertragen des Antriebsmoments oder Drehmoments der elektrischen Maschinen 17 auf das jeweilige Vorderrad 15 kann für jede Fahrzeugseite L, R eine Kardanwelle 35 vorgesehen sein.
-
5 veranschaulicht eine Frontmotor-Konfiguration, bei welcher die elektrischen Maschinen 17 im Frontbereich zwischen den Vorderrädern 15 angeordnet sind. Das Drehmoment oder Antriebsmoment kann über eine Kardanwelle für jede Fahrzeugseite L, R auf das jeweilige Hinterrad 16 übertragen werden.
-
6 veranschaulicht für einen sogenannten Diagonaltest die Wirkung der Differenziale, wenn es während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs 10 bei einer Kurvenfahrt 36 aufgrund von rutschigen oder glatten Bereichen 37 kurzzeitig bei jeweils einem Rad 14 pro Fahrzeugseite L, R zu einem Verlust der Bodenhaftung mit dem Fahruntergrund G kommen kann. In einem solchen Fall könnte das Torque-Vectoring oder die Torque-Vectoring-Funktion 25 eine Anpassung der Aufteilung des Antriebschubs oder des Antriebsmoments aufgrund von einer Reaktionszeit T größer als 1 ms nicht schnell genug vornehmen. Dargestellt ist, wie es dennoch aufgrund der geringen Reaktionszeit der Differenziale mit einer Reaktionszeit von T = 0 ms (mechanische Drehmomentsensitivität) zu einer Drehmomentverlagerung 38 jeweils zur Verringerung des Drehmoments desjenigen Rades HL, VR auf dem glatten Bereich 37 hin zu dem jeweils auf der Fahrzeugseite L, R verbleibenden Rad VL, HR (in diesem in 6 gezeigten Beispiel) kommt, was aber aufgrund der Tatsache, dass jede Fahrzeugseite L, R individuell oder getrennt angetrieben wird, ein insgesamt auf der kurvenäußeren Fahrzeugseite (hier Fahrzeugseite L) den Antriebsschub 39 vor und während des Befahrens des jeweils glatten Bereichs 37 unverändert lässt, während kurveninnenseitig ebenfalls der Antriebsschub oder die Antriebskraft 40 auch durch die Drehmomentverlagerung 38 unverändert bleibt. Somit ergibt sich insgesamt während der Kurvenfahrt 36, dass die Gierrate 31 ohne ein notwendiges Nachregeln der Torque-Vectoring-Funktion 25 weiterhin auf die zuvor vor dem Erreichen der glatten Bereiche 37 eingestellte Sollgierrate 27 erhalten bleibt.
-
7 veranschaulicht, wie für den Fall, dass beide Räder VL, HL derselben Fahrzeugseite L auf einem glatten Bereich 37 angeordnet sind, während die verbleibenden Räder VR, HR der anderen Fahrzeugseite R Haftung mit dem Fahruntergrund G aufweisen, durch das Torque-Vectoring die elektrische Maschine 17 der haftenden Fahrzeugseite R, das heißt EM R, das Kraftfahrzeug 10 beschleunigen oder antreiben kann. Die elektrische Maschine EM L der rutschenden Fahrzeugsseite kann die Räder dieser Fahrzeugsseite mitdrehen, ohne dabei ein Drehmoment auf den Fahruntergrund G (Antriebsmoment oder Bremsmoment) auf den Fahruntergrund G auszuüben.
-
8 veranschaulicht, wie eine Anordnung 45 der beiden Kardanwellen 35 (vergleiche 4 und 5) durch Nebeneinander-Anordnen der Kardanwellen 35 und eine Ausrichtung entlang der Fahrzeuglängsachse (hier senkrecht zur Bildebene) zwischen zwei Fahrzeugsitzen 46 erfolgen kann.
-
9 veranschaulicht als alternative Anordnung 45 der Kardanwellen 35 die Anordnung übereinander.
-
10 veranschaulicht eine Anordnung 45 der Kardanwellen 35 als koaxiale Anordnung, wofür eine der Kardanwellen 35 als Hohlwelle 47 ausgestaltet sein kann.
-
11 veranschaulicht, wie eine Anordnung 45 der Kardanwellen 35 jeweils außenseitig zwischen einem Fahrzeugsitz und der jeweiligen Außenseite der Fahrzeugseite R, L angeordnet sein können.
-
Die Idee ist somit, die Drehmomente erst (Richtung Drehmomentquelle zu den Rädern) in Querrichtung (links/rechts) mit einem elektronisch gesteuerten Torque-Vectoring-System aufzuteilen, danach in Längsrichtung (vorne/hinten) drehmomentsensitiv mittels Torsen- oder Kronenrad-Differenzial, ohne Verzögerung zu verteilen. Erreicht wird, die eigenartige und im Schnee und auf rutschiger Fahrbahn praktisch unübertreffliche drehmomentsensitive und verzögerungsfreie Eigenschaften von Torsen-/Kronenraddifferenzial in einem Vierradantrieb in Längsrichtung zusammen mit den Vorteilen von Torque-Vectoring (quer) anwenden zu können. Charakteristisches Merkmal der Idee ist insbesondere, dass die zwei, voneinander unabhängigen Differenzialgetriebe (bevorzugt Torsen-Differenziale) für die linke / rechte Fahrzeugseite verwendet werden. Mit der Anwendung vom Torsen-Typ (drehmomentsensitive) als Längsdifferenzialgetriebe folgt das Echt-Quattro-Prinzip. Die Idee beinhaltet nur zwei E-Maschinen (elektrische Maschinen) pro Fahrzeug mit Vierradantrieb statt mehreren (3 oder 4) E-Maschinen, wie es z.B. bei Nabenmotoren notwendig wäre. Drehmomente der E-Maschine rechts (EM R / rechts) und der E-Maschine linke (EM L / links) sind mittels einer Torque-Vectoring-Funktion so eingestellt und gesteuert, dass für die kurvenäußere Fahrzeugseite (z.B. beim Rechtsabbiegen die linke Seite) mehr Drehmoment erzeugen wird als für die kurveninnere Fahrzeugseite. Die Drehmomente der zwei Fahrzeugseiten werden dann in Längsrichtung mittels zwei voneinander unabhängig funktionierenden momentensensitiven, selbstsperrenden Differenzialgetrieben (insbesondere Torsen-Typ-Differenzialen) zwischen Vorder- /Hinterrad weiter verteilt.
-
Vorteil der Idee ist, dass die Drehmomente einer Fahrzeugseite (z.B. links) mechanisch zwischen Vorderrad und Hinterrad, und damit immer mit T = 0s Reaktionszeit in Längsrichtung (vorne/hinten) verteilt werden. Für die Summe der Drehmomente (Vorderrad/Hinterrad) bleibt aber derjenige Wert erhalten, den das Torque-Vectoring-System oder die Torque-Vectoring-Funktion eingestellt hat. Die langsamere (z.B. T >1 ms Verzögerungszeit) und nicht-drehmomentsensitive elektrische Drehmomentverteilung wird nur in Querrichtung benutzt. Weiteres charakteristisches Merkmal der Idee ist, dass das Torque-Vectoring-System nicht einzelne Räder steuert, sondern die Summe der Drehmomente pro Fahrzeugseite (links/rechts). Drehmomente vorne/hinten bei normaler Haftung können z.B. 40-60% oder 50-50% verteilt werden.
-
Die Anwendung zweier E-Maschinen pro Fahrzeug hat einen Vorteile gegenüber der Anwendung von vier E-Maschinen (eine pro Rad), weil z.B. Wickelkopf-masse und Wickelkopf-Kupferverluste die Hälfte betragen können, größere E-Maschinen (E-Maschine für zwei Räder im Vergleich zu einem Nabenmotor für ein Rad) können einen besseren Wirkungsgrad erzielen und weniger Verluste verursachen, und die Gehäusemasse pro Drehmomenteinheit (Nm) oder pro Leistungseinheit (kW) wird auch weniger sein (wegen der Vorteile beim Packaging).
-
Weiterer Vorteil der Idee ist, dass der Fahrantrieb z.B. auch optimal funktionieren würde, wenn die Skisprungschanze des sogenannten Audi-Quattro-Versuchs in einer Kurve liegen würde. Solche nicht-geraden Skisprungschanzen existieren zwar nicht, aber sie wäre als extremer Test dennoch überwindbar. In diesem Fall, würde nicht nur ein selbstsperrendes Differenzialgetriebe (insbesondere ein Torsen-Differenzialgetriebe) die Drehmomente zwischen Vorder-/Hinterachse verteilen, sondern zwei Differenzialgetriebe (insbesondere Torsen-Differenziale) bringen kurvenabhängig eingestellten Drehmomente (links/rechts) auf die Fahrbahn. Ein Diagonaltest in einer Kurvenfahrt ist auch handhabbar (siehe 6): Das Drehmoment des linken Hinterrads wird nach vorne verschoben (zum linken Vorderrad VL), das Drehmoment des rechten Vorderrads wird nach hinten verschoben (zum rechten Hinterrad HR).
-
Bis zum Erreichen der TBR („torque bias ratio“), d.h. der Drehmomentgrenze der Torsen-Differenzialgetriebe (TBR als Beispiel kann 4:1 sein), können die durch die E-Maschinen vorgegebenen Drehmomente auf der linken Seite und auf der rechte Seite verzögerungsfrei und drehmomentempfindlich für die Kurve aufgeteilt und in der Summe erhalten werden. Falls die TBR-Drehmomentgrenze erreichen wtüde, wäre es auch möglich, mit einer langsameren Steuerung (im Vergleich zu einem drehmomentsensitiven Differenzialgetriebe, z.B. einer Drehmomenteinstellung der E-Maschinen selbst und/oder mittels der Bremsen) die Torque-Vectoring-Funktion beizubehalten.
-
Im Vergleich zu konventionellen Antrieben, können die verwendeten zwei Kardanwellen ungewöhnlich sein. Die Idee ist aber so aufgebaut, dass eine Seite immer mit 0 s Verzögerung und drehmomentempfindlich funktionieren muss. Dazu kann eine eigene Kardanwelle für den Antrieb jeder Fahrzeugseite, insgesamt also zwei pro Fahrzeug benötigt werden.
-
Die beiden Kardanwellen können aus Kohlefaser gefertigt sein, um Gewicht zu sparen. Kardanwellen aus Carbon sind deutlich leichter als Kardanwellen aus Stahl oder Aluminium (bis -50%). Zum Beispiel, eine bespielhafte Carbon-Kardanwelle wiegt 5,2 kg. Im Vergleich zu einem konventionellen Vierradantrieb, kann der Durchmesser einer Kardanwelle kleiner sein, weil sie nur das Drehmoment von einem Rad trägt, und nicht das Drehmoment der Hinterachse (also beider Hinterräder). Bei einem Fahrzeug mit zwei Sitzen nebeneinander, z.B. Rallye-Autos, können die zwei Kardanwellen zwischen den Sitzen, in einem Kardantunnel geführt werden. Bei einem Fahrzeug mit nur einem mittigen Sitz (für den Fahrer), z.B. Formula-Autos, Pikes Peak Bergrennen-Autos, Formula Student Autos, Le Mans 24h Rennfahrzeug, können die zwei Kardanwellen neben dem Sitz (links und rechts) geführt werden. Die Kardanwellen können nicht nur nebeneinander sein, sondern auch übereinander. Die Kardanwellen können auch koaxial angeordnet sein.
-
Aus Sicht eines professionellen Fahrers (Fahrer eines Rennautos / Rennsport-Fahrer), sind oftmals zu viele elektronische Steuerungen im Fahrzeug unerwünscht, und auch ein voll-elektronisches Torque-Vectoring-System (z.B. alle vier Rider werden voneinander unabhängig gesteuert) ist nicht bevorzugt und ist unerwünscht. Eine Erfahrung ist, dass auch Fahrer von Formula Student Elektro-Rennautos sich darüber beschweren, dass Torque-Vectoring-Systeme nicht tun, was der Fahrer erwarten würde. Deswegen ist das Torque-Vectoring-System oft komplett ausgeschaltet, d.h. die erste Einstellung eines professionellen Fahrers in einem Fahrzeug nach dem Einsitzen ist: ESC OFF - Fahrdynamikregelung - Electronic Stability Control - aus).
-
Die Idee bietet ein voraussehbares Verhalten der Fahrdynamik für den Fahrer, indem ein halb mechanisch - halb elektronisch gesteuertes Antriebskonzept bereitgestellt wird. Die einzelnen Räder sind über die mechanischen drehmomentsensitiven selbstsperrenden Differenzialgetriebe (Torsen „torque sensing“ Differenziale oder Differenzialgetriebe) angebunden.
-
Das Kraftfahrzeug kann als Heckmotor-Fahrzeug konstruiert sein oder E-Maschinen und Differenzialgetriebe können auch vorne, unter der Motorhaube eingebaut sein.
-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie ein Elektro-Vierradantrieb mit Torque-Vectoring-Funktion und drehmomentsensitiver, verzögerungsfreier vorne/hinten Drehmomentverteilung bereitgestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011056048 A1 [0002]
- EP 1906053 B1 [0003]
- US 2298334 A [0004]
- FR 2294062 A1 [0004]
