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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit einem Differentialgetriebe, welches ein Antriebselement, eine erste Abtriebswelle und eine zweite Abtriebswelle aufweist, einem Traktionsmotor, welcher mit dem Antriebselement des Differentialgetriebes drehmomentübertragend verbunden ist, und einer Torque-Vectoring-Einheit zum aktiven Erzeugen eines Differenzmoments zwischen den beiden Abtriebswellen, wobei die Torque-Vectoring-Einheit einen Elektromotor, ein Überlagerungsgetriebe und eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors mittels eines Ansteuersignals zum Erzeugen eines Differenzmoments zwischen den beiden Abtriebswellen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Schwingungskompensation in einer solchen Antriebseinheit.
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Derartige Antriebseinheiten sind allgemein bekannt. Insbesondere ist es bei Kraftfahrzeugen mit einer relativ hohen Antriebsleistung bekannt, zur Verbesserung des Fahrverhaltens an einer angetriebenen Achse eine Torque-Vectoring-Einheit vorzusehen. Die Torque-Vectoring-Einheit dient der aktiven Einstellung einer unterschiedlichen Verteilung des Antriebsmoments an einer angetriebenen Achse auf die beiden Fahrzeugräder der Antriebsachse. Dabei wird das Antriebsmoment unterschiedlich an die Fahrzeugräder der Antriebsachse verteilt, um insbesondere bei einer Kurvenfahrt das Einlenken zu unterstützen und das Antriebsmoment entsprechend stärker auf das kurvenäußere Antriebsrad zu leiten. Dadurch kann das Durchdrehen der Fahrzeugräder verhindert werden. Ein Durchdrehen der Fahrzeugräder bedeutet immer den Verlust von Traktion und damit auch der Seitenführung. Eine Steuerelektronik, insbesondere eine Raddrehzahlsensorik, kann unterschiedliche Drehzahlen der angetriebenen Fahrzeugräder erkennen und das Drehmoment individuell für die beiden Fahrzeugräder dosieren. Dies führt zu einem spürbaren Zuwachs an Agilität im Fahrverhalten. Derartige Antriebseinheiten sind beispielsweise in der
DE 10 2016 109 279 A1 , der
DE 10 2014 112 602 A1 oder in der
US 2017/0059023 A1 offenbart.
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Die gesamte Antriebseinheit bildet mit allen ihren Komponenten ein schwingungsfähiges System. Dabei kann die Antriebseinheit bzw. die Komponenten der Antriebseinheit durch Abbremsungen und Beschleunigungen der angetriebenen Fahrzeugräder in bestimmten Fahrsituationen, insbesondere bei sprunghaften Reibwertveränderungen der Fahrbahn, über die Fahrzeugräder zu Drehzahlschwingungen angeregt werden. Weiterhin kann die Antriebseinheit bzw. die Komponenten der Antriebseinheit durch Beschleunigungen und Abbremsungen des Elektromotors der Torque-Vectoring-Einheit zu Drehzahlschwingungen angeregt werden. Bei derartigen Drehzahlschwingungen besteht die Gefahr, dass insbesondere bei hohen Schwingungsamplituden die Komponenten der Antriebseinheit vorzeitig ausfallen, d.h. die Lebensdauer der Antriebseinheit verkürzt wird. Weiterhin wirken sich die Drehzahlschwingungen negativ auf die Stellgenauigkeit der Torque-Vectoring-Einheit aus, wodurch das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs in bestimmten Fahrsituationen verschlechtert wird.
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Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinheit bereitzustellen, bei welcher eine hohe Lebensdauer und ein verbessertes Fahrverhalten, insbesondere bei Kurvenfahrten, gewährleistet werden kann, wobei insbesondere die im Betrieb des Kraftfahrzeugs entstehenden, obengenannten Schwingungen der Antriebseinheit kompensiert werden können.
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Dadurch, dass die Steuereinheit zur Ansteuerung des Elektromotors der Torque-Vectoring-Einheit ein Schwingungskompensationsmodul aufweist, welches derart ausgeführt ist, dass aus der Drehzahl zumindest einer Komponente des Überlagerungsgetriebes eine Schwingungszustandsgröße ermittelt wird, aus der Schwingungszustandsgröße eine Schwingungskompensationsansteuergröße ermittelt wird und das Ansteuersignal des Elektromotors durch die Schwingungskompensationsansteuergröße angepasst wird, kann ein durch Drehzahlschwingungen verursachter, frühzeitiger Ausfall einer der Komponenten der Antriebseinheit verhindert werden und damit die Lebensdauer der Antriebseinheit verlängert werden. Weiterhin kann die Stellgenauigkeit der Torque-Vectoring-Einheit verbessert werden, wodurch das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs in Kurvenfahrten verbessert werden kann.
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Durch das Schwingungskompensationsmodul werden die vorliegenden Drehzahlschwingungen im Überlagerungsgetriebe, d.h. im Betrieb des Kraftfahrzeugs im Kraftfluss liegenden Komponenten erfasst und basierend darauf der Elektromotor derart zu den Drehzahlschwingungen gegenläufig angesteuert, dass die Drehzahlschwingungen ausgeglichen werden. Die Erfassung der Drehzahlschwingungen erfolgt durch einen Drehzahlsensor.
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Das Überlagerungsgetriebe weist ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem Planetenrad, einem Planetenträger und einem Hohlrad auf, wobei aus der Drehzahl des Hohlrads, der Drehzahl des Planetenträgers und der Drehzahl des Sonnenrades die Schwingungszustandsgröße ermittelt wird. Die Drehzahlschwingungen variieren an unterschiedlichen Stellen bzw. Komponenten des Überlagerungsgetriebes und sind teilweise unabhängig voneinander. Durch eine Erfassung der Drehzahlschwingungen an unterschiedlichen Stellen bzw. an unterschiedlichen Komponenten des Überlagerungsgetriebes und durch die darauf basierende Schwingungskompensationsansteuergröße können die Drehzahlschwingungen an unterschiedlichen Stellen des Überlagerungsgetriebes durch eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors kompensiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schwingungskompensationsmodul derart ausgeführt, dass die Drehzahl des Hohlrads, die Drehzahl des Planetenträgers und die Drehzahl des Sonnenrades über jeweils einen vom entsprechenden Übersetzungsverhältnis abhängigen Umrechenfaktor auf eine gemeinsame Bezugsstelle umgerechnet werden, wobei an der Bezugsstelle die umgerechneten Drehzahlen miteinander zu einer Schwingungszustandsgröße verrechnet werden und aus der Schwingungszustandsgröße eine Schwingungskompensationsansteuergröße ermittelt wird. Dadurch können die Drehzahlschwankungen an unterschiedlichen Komponenten auf eine einfache Weise bei der Ansteuerung des Elektromotors zur Kompensation der Drehzahlschwingungen berücksichtigt werden.
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Vorzugsweise ist das Planetengetriebe antriebsseitig über das Sonnenrad mit dem Elektromotor verbunden, abtriebsseitig über den Planetenträger mit einer der beiden Abtriebswellen verbunden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen dem Elektromotor und dem Sonnenrad mindestens eine Stirnradstufe angeordnet. Dadurch kann der Elektromotor in einem Drehzahlbereich mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
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Vorzugsweise sind aus der Rotordrehzahl des Elektromotors die Drehzahl des Sonnenrads, aus der Drehzahl des Traktionsmotors die Drehzahl des Hohlrades und aus der Drehzahl der Abtriebswelle die Drehzahl des Planetenträgers ermittelbar. Dadurch können bereits vorhandene Drehzahlsensoren für die Erfassung der Drehzahlen des Sonnenrads, des Hohlrads und des Planetenträgers genutzt werden. Dabei ist die Drehzahl des Elektromotors bereits aus der Ansteuerung bekannt, wobei aus der Drehzahl des Elektromotors und dem vorliegenden Übersetzungsverhältnis die Drehzahl des Sonnenrades ermittelt wird. Die Drehzahl des Traktionsmotors ist ebenfalls aus der Ansteuerung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bekannt, wobei aus der Drehzahl des Traktionsmotors und dem vorliegenden Übersetzungsverhältnis die Drehzahl des Hohlrades ermittelt wird. Die Drehzahl der Abtriebswelle wird durch einen Drehzahlsensor ermittelt, wobei an beiden Abtriebswellen ein Drehzahlsensor zur Ausführung der Torque-Vectoring-Funktion angeordnet sind. Durch eine direkte Kopplung des Planetenträgers mit der Abtriebswelle entspricht die Drehzahl des Planetenträgers der durch den Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl einer der Abtriebswellen. Auf diese Weise können der Bauraum und die Kosten der Torque-Vectoring-Einheit reduziert werden, da keine zusätzlichen Sensoren verbaut werden müssen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Überlagerungsgetriebe ein erstes Planetengetriebe mit einem durch den Elektromotor angetriebenen Sonnenrad, einem Planetenrad, einem mit der Abtriebswelle verbundenen Planetenträger und einem Hohlrad und ein zweites Planetengetriebe mit einem starr angeordneten Sonnenrad, einem Planetenrad, einem durch den Traktionsmotor angetriebenen Planetenträger und einem mit dem Hohlrad des ersten Planentengetriebes drehfest verbundenes Hohlrad auf. Dadurch kann die Torque-Vectoring-Funktion auf eine einfache Weise realisiert werden.
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Vorzugsweise ist das Differentialgetriebe ein Kegelraddifferentialgetriebe. Das Kegeldifferential ist ein robustes, zuverlässiges und bauraumsparendes Differentialgetriebe, wobei das Kegeldifferentialgetriebe relativ wenige Einzelkomponenten aufweist und dadurch relativ einfach montierbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Traktionsmotor eine elektrische Maschine, so dass die Antriebseinheit eine elektrische Antriebseinheit ist. Alternativ kann der Traktionsmotor auch ein Verbrennungsmotor sein.
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Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Schwingungskompensation in einer Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gelöst. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Ermitteln der Schwindungszustandsgröße aus der Drehzahl des Hohlrads, der Drehzahl des Planetenträgers und der Drehzahl des Sonnenrades,
- - Bestimmung einer Schwingungskompensationsansteuergröße aus der Schwingungszustandsgröße, und
- - Anpassung des Ansteuersignals des Elektromotors durch die Schwingungskompensationsansteuergröße.
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Zu den Vorteilen des Verfahrens wird auf die hervorgehenden Ansprüche verwiesen.
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Durch eine derartige Antriebseinheit kann ein durch Drehzahlschwingungen verursachter, frühzeitiger Ausfall einer der Komponenten der Antriebseinheit verhindert werden und die Stellgenauigkeit der Torque-Vectoring-Einheit verbessert werden, wodurch die eine geplante Lebensdauer der Antriebseinheit gewährleistet werden kann und das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs in Kurvenfahrten verbessert werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch eine Antriebseinheit, und
- 2 zeigt einen Ablaufplan zur Ermittlung einer Schwingungskompensationsansteuergröße.
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Die 1 offenbart eine Antriebseinheit 10 eines Kraftfahrzeugs, wobei die Antriebseinheit 10 dem Antrieb einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs dient. Die Antriebseinheit 10 umfasst einen Traktionsmotor 20, welcher als elektrischer Traktionsmotor ausgeführt ist und einen Stator 22 und einen Rotor 24 aufweist.
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Die Antriebseinheit 10 umfasst weiterhin ein Differentialgetriebe 30, welches als Kegeldifferentialgetriebe ausgeführt ist. Das Differentialgetriebe 30 weist einen Differentialkorb 32 und ein Ausgleichsrad 38 auf, wobei der Differentialkorb 32 über eine Getriebestufe 26 durch den Traktionsmotor 20 angetrieben wird und das als Kegelrad ausgeführte Ausgleichsrad 38 drehbar an dem Differentialkorb 32 gelagert ist. Das Differentialgetriebe 30 umfasst weiterhin zwei Abtriebsräder 34, 36, welche ebenfalls als Kegelräder ausgebildet sind und gleichzeitig mit dem Ausgleichsrad 38 wirkverbunden sind. Die Abtriebsräder 34, 36 werden auch als Seitenräder bezeichnet und sind um eine gemeinsame Drehachse drehbar an dem Differentialkorb 32 gelagert.
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Das Differentialgetriebe 30 umfasst außerdem eine erste Abtriebswelle 12 und eine zweite Abtriebswelle 14, wobei die erste Abtriebswelle 12 mit dem Abtriebsrad 34 und die zweite Abtriebswelle 14 mit dem Abtriebsrad 36 drehfest verbunden ist. Die Abtriebswellen 12, 14 sind mit jeweils einem in der Figur nicht dargestellten Antriebsrad drehfest verbunden, so dass insbesondere ein erstes Antriebsrad durch die erste Abtriebswelle 12 und ein zweites Antriebsrad durch die zweite Abtriebswelle 14 antreibbar ist. Das erste Fahrzeugrad ist das bezogen auf die Bildebene der Figur linke Fahrzeugrad, während das zweite Fahrzeugrad das bezogen auf die Bildebene rechte Fahrzeugrad ist.
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Das Differentialgetriebe 30 dient, wie aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt ist, dem Ausgleich der Drehzahlen und des Antriebsdrehmoments zwischen den beiden Fahrzeugrädern. Bei einer Geradeausfahrt drehen sich alle Komponenten des Differentialgetriebe 30 um eine gemeinsame Drehachse, so dass der Effekt des Differentialgetriebes neutral ist. Bei einer Kurvenfahrt hingegen bewirkt das Differentialgetriebe 30, dass ein äußeres Fahrzeugrad etwas schneller und ein inneres Fahrzeugrad etwas langsamer angetrieben wird. Um eine unterschiedliche Verteilung des Antriebsdrehmoments an einer angetriebenen Achse auf die beiden Fahrzeugräder der Antriebsachse aktiv einzustellen, weist die Antriebseinheit 10 eine Torque-Vectoring-Einheit 40 auf.
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Die Torque-Vectoring-Einheit 40 weist einen mittels einer Steuereinheit 43 angesteuerten Elektromotor 41 mit einem Stator 42 und einem Rotor 44 auf, wobei der Rotor 44 über eine erste Stirnradstufe 46 und eine zweite Stirnradstufe 48 mit einem Überlagerungsgetriebe 60 wirkverbunden ist. Die erste Stirnradstufe 46 weist ein mit dem Rotor 44 drehfest verbundenes, erstes Stirnrad 50 und ein mit dem ersten Stirnrad 50 kämmendes, zweites Stirnrad 52 auf. Das zweite Stirnrad 52 ist mit einem ersten Stirnrad 56 der zweiten Stirnradstufe 48 drehfest verbunden, wobei das erste Zahnrad 56 der zweiten Stirnradstufe 48 mit einem zweiten Stirnrad 58 der zweiten Stirnradstufe 48 kämmt.
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Das Überlagerungsgetriebe 60 weist ein erstes Planetengetriebe 62 und ein zweites Planetengetriebe 72 auf.
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Das erste Planetengetriebe 62 umfasst ein Sonnenrad 64, mehrere Planetenräder 66, einen Planetenträger 68 und ein Hohlrad 70 auf. Das Sonnenrad 64 ist drehfest mit dem zweiten Stirnrad 58 der zweiten Stirnradstufe 48 verbunden. Die Planetenräder 66 sind am Planetenträger 68 drehbar gelagert. Der Planetenträger 68 ist mit der ersten Abtriebswelle 12 drehfest verbunden. Das Hohlrad 70 ist mit einem Hohlrad 80 des zweiten Planetengetriebes 72 drehfest verbunden.
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Das zweite Planetengetriebe 72 umfasst ein Sonnenrad 74, mehrere Planetenräder 76, einen Planetenträger 78 und ein Hohlrad 80 auf. Das Sonnenrad 74 ist drehfest mit einem Gehäuse 82 verbunden und damit starr angeordnet. Die Planetenräder 76 sind am Planetenträger 78 drehbar gelagert. Der Planetenträger 78 ist mit dem Differentialkorb 32 des Differentialgetriebes 30 drehfest verbunden. Das Hohlrad 80 ist mit einem Hohlrad 70 des ersten Planetengetriebes 62 drehfest verbunden.
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Im Betrieb der Antriebseinheit 10 können die Komponenten der Antriebseinheit 10, insbesondere die Komponenten 64, 66, 68, 70 des ersten Planetengetriebes 62, durch Abbremsungen und Beschleunigungen der angetriebenen Fahrzeugräder in bestimmten Fahrsituationen, insbesondere bei sprunghaften Reibwertveränderungen der Fahrbahn, über die Fahrzeugräder zu Drehzahlschwingungen angeregt werden. Weiterhin können die Komponenten 64, 66, 68, 70 des ersten Planetengetriebes 62 durch Beschleunigungen und Abbremsungen des Elektromotors 41 zu Drehzahlschwingungen angeregt werden. Bei derartigen Drehzahlschwingungen besteht die Gefahr, dass insbesondere bei hohen Schwingungsamplituden die Komponenten 64, 66, 68, 70 des ersten Planetengetriebes 62 vorzeitig ausfallen, d.h. die Lebensdauer der Antriebseinheit 10 verkürzt wird. Weiterhin wirken sich die Drehzahlschwingungen negativ auf die Stellgenauigkeit der Torque-Vectoring-Einheit 40 aus, wodurch das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs in bestimmten Fahrsituationen verschlechtert wird.
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Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit 43 ein Schwingungskompensationsmodul 45 auf. Das Schwingungskompensationsmodul 45 ist derart ausgeführt, dass aus der Drehzahl nH des Hohlrades 70, der Drehzahl nS des Sonnenrades 64 und der Drehzahl nSt des Planetenträgers 68 eine Schwingungszustandsgröße ermittelt wird, wobei die Schwingungszustandsgröße die Drehzahlschwingungen an drei unterschiedlichen, im Kraftfluss der Torque-Vectoring-Einheit 40 angeordneten Komponenten 64, 68, 70 berücksichtigt. Aus der Schwingungszustandsgröße wird in einer Auswerteinheit 100 eine Schwingungskompensationsansteuergröße MEMREg ermittelt, durch welche das Ansteuersignal des Elektromotors 41 zum Erzeugen eines Differenzmoments zwischen den beiden Abtriebswellen 12, 14 angepasst wird, um den Drehzahlschwingungen entgegenzuwirken und diese ggfs. vollständig zu dämpfen.
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Die Drehzahlen des Sonnenrades 64, des Planetenträgers 68 und des Hohlrads 70 werden indirekt ermittelt, wobei die Drehzahl nS des Sonnenrads aus der Drehzahl des Elektromotors 41 bestimmt wird, die Drehzahl nH des Hohlrades 70 aus der Rotordrehzahl des Traktionsmotors 20 bestimmt wird und die Drehzahl nSt des Planetenträgers 68 aus der Drehzahl der ersten Abtriebswelle 12 ermittelt wird. Dabei ist die Drehzahl des Elektromotors 41 bereits bekannt, wobei aus der Drehzahl des Elektromotors 41 und dem vorliegenden Übersetzungsverhältnis, d.h. dem Übersetzungsverhältnis der Stirnradstufen 46, 48, die Drehzahl nS des Sonnenrades 64 ermittelt wird. Die Drehzahl des Rotors 24 des Traktionsmotors 20 ist aus der Ansteuerung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bekannt, wobei aus der Drehzahl des Traktionsmotors 20 und dem vorliegenden Übersetzungsverhältnis die Drehzahl nH des Hohlrades 70 ermittelt wird. Die Drehzahl der ersten Abtriebswelle 12 wird durch einen nicht gezeigten Drehzahlsensor ermittelt, wobei durch die direkte Kopplung des Planetenträgers 68 mit der ersten Abtriebswelle 12 die Drehzahl nSt des Planetenträgers 68 der Drehzahl der ersten Abtriebswellen 12 entspricht.
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Um die Drehzahlen nH, nS, nSt, welche an unterschiedlichen Stellen bzw. an unterschiedlichen Komponenten vorliegen, zu einer einzigen Schwingungszustandsgröße zu vereinen, werden die Drehzahlen nH, nS, nSt in Umrechenmodulen 90, 92, 94 über entsprechende Umrechenfaktoren, welche ein Übersetzungsverhältnis zu einer vorbestimmten Stelle des ersten Planetengetriebes 62 bilden, umgerechnet. Vorliegend werden die Drehzahlen nH, nSt mit dem Übersetzungsverhältnis zum Sonnenrad 64 multipliziert, um daraus jeweils eine ausgehend von dem Hohlrad 70 und dem Planetenträger 68 berechnete Drehzahl des Sonnenrads 64 zu erhalten. Die tatsächliche Drehzahl nS des Sonnenrades 64 und die beiden aus den Drehzahlen nH, nSt berechneten Drehzahlen des Sonnenrades 64 werden miteinander verrechnet und die Schwingungszustandsgröße bestimmt. Dabei werden die ausgehend vom Hohlrad 70 berechnete Drehzahl des Sonnenrads 64 und die tatsächliche Drehzahl nS des Sonnenrads 64 von der ausgehend vom Planetenträger 68 berechnete Drehzahl des Sonnenrads 64 subtrahiert. Aus der ermittelten Schwingungszustandsgröße wird in der Auswerteinheit 100 die Schwingungskompensationsansteuergröße MEMREgl ermittelt, durch welche das Ansteuersignal MEMsoll des Elektromotors 41 zum Erzeugen eines Differenzmoments zwischen den beiden Abtriebswellen 12, 14 angepasst wird.
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Durch das Schwingungskompensationsmodul 45 kann der Elektromotor 41 derart angesteuert werden, dass die Drehzahlschwingungen kompensiert werden und dadurch ein durch Drehzahlschwingungen verursachter, frühzeitiger Ausfall einer der Komponenten der Antriebseinheit 10 verhindert werden kann und die Stellgenauigkeit der Torque-Vectoring-Einheit verbessert werden kann.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
