Der Antrieb im Rad – eine mechatronische Herausforderung#
Von
Wolfgang Hirschberg, Andrés Rojas Rojas, Johann Willberger
Institut für Fahrzeugtechnik
Wolfgang Hirschberg ist Leiter des Instituts für Fahrzeugtechnik, Member of [FSI].Seine Forschungsschwerpunkteumfassen die virtuelle Entwicklung von Fahrzeugen einschließlich innovativer Antriebe sowie Fahrer-Assistenzsysteme von PKW und Nutzfahrzeugen. Weitere Interessensgebiete sind die Fahrdynamik und –sicherheit in Theorie und Experiment sowie die integrierte Fahrzeugsicherheit.
Andrés Rojas ist Dissertant am Institut für Fahrzeugtechnik, Member of [FSI], und verantwortlich für den maschinenbaulichen Teil eines interdisziplinären Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit Magna Powertrain. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen die theoretische und praktische Untersuchung von Fahrkomfort und –sicherheit. Die Erkenntnisse dienen der Modifi kation von Fahrwerkssystemen für verschiedene Antriebstopologien.
Johann Willberger ist Dissertant am Institut für Fahrzeugtechnik, Member of [FSI], und verantwortlich für den elektrischen Teil eines interdisziplinären Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit Magna Powertrain. Seine Forschungsschwerpunkte umfassen die Auslegung, Simulation und Regelung von elektrischen Maschinen zur Energieverbrauchsermittlung in Zyklusuntersuchungen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen konzentriert sich auf die Radnabenantriebstopologie.
© Forschungsjournal 2009/02
Wachsendes Umweltbewusstsein und stetig steigende Kraftstoffpreise haben das Thema Energienachhaltigkeit in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Immer öfter ist die Rede von elektrischen oder teilelektrischen (hybriden) Antrieben. Der nachfolgende Artikel versucht einen kurzen Einblick auf gegenwärtige und zukünftige Herausforderungen und deren technische Lösungsbeiträge hinsichtlich Energienachhaltigkeit zu geben.
Mobilität ist ein wesentlicher Teil unserer Lebensqualität. Ein nachhaltiger Umgang mit den dafür notwendigen Energiereserven bildet eines der zentralen gesellschaftlichen Themen für die nächsten Jahrzehnte. Internationale Vereinbarungen fordern eine stetige Reduzierung von CO2- Emissionen und Feinstaubbelastungen ein. Diese Absicht steht aber im Widerspruch zu dem weltweiten Streben nach mehr Mobilität und stellt somit eine enorme Herausforderung für alle Beteiligten dar. Die wichtigsten Herausforderungen sind:
- die Endlichkeit von fossilen Energieträgern bei gleichzeitiger weltweiter Steigerung der Beförderungs- und Transportleistung
- der Eintritt von Schwellenländern in die Errungenschaften der individuellen Transportleistung
- schädliche Emissionen und Klimaveränderungen
- Nachhaltigkeit der Verkehrsmittel, insbesondere der Fahrzeuge und ihrer Antriebe
Die genannten Problemstellungen, insbesondere die Forderung nach nachhaltigen Verkehrsmitteln, fordern weitreichende Innovationen und eröffnen zukünftige Möglichkeiten für den Einsatz teilelektrischer(hybrider) und rein elektrischer Antriebsstränge. Der Einsatz von Elektromotoren im Kraftfahrzeug hat unterschiedliche Konsequenzen auf Fahrwerk und Aufbau.
Dabei kann grundsätzlich zwischen den drei folgenden elektrischen Antriebstopologien unterschieden werden:
- Zentralantrieb
- Achsantrieb
- Radnabenantrieb
Diese drei Antriebsvarianten zeichnen sich dabei durch grundsätzlich unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Bauraum, Kühlung und Komplexität aus. Der Zentralmotor ist die einfachste Antriebsvariante. Er ist weitestgehend mit herkömmlichen Motoranordnungen vergleichbar, der Eingriff in das Fahrwerk hält sich bei dieser Bauweise in Grenzen; das Fahrwerk kann sogar von konventionellen Ausführungen übernommen werden. Beim Achsantrieb treiben bzw. bremsen zwei voneinander unabhängige Elektromotoren jeweils über eine Gelenkwelle ein Rad und man kann ein Differentialgetriebe einsparen. Die Elektromotoren befinden sich dabei paarweise vorne oder hinten im Chassis, wobei der zusätzliche Platzbedarf einen größeren Eingriff in die Fahrzeugkonstruktion bedingt. Die paarweise Anordnung der Motoren ermöglicht hierbei infolge radselektiver Momentenverteilung ("Torque-Vectoring") fahrdynamisch wirksame Regeleingriffe zur Erhöhung der aktiven Fahrsicherheit und Agilität. Die dritte Antriebstopologie, der Radnabenantrieb, stellt die komplexeste Variante dar.
© Forschungsjournal 2009/02 / TU Graz/Institut für Fahrzeugtechnik (FTG)
Dieser Antrieb verlagert den gesamten Antriebsstrang in die Radfelge. Als wesentliche Möglichkeiten und Potentiale dieser Anordnung können angegeben werden:
- Gewinn von Bauraum zugunsten nutzbarem Fahrzeuginnenraum
- Effizienzsteigerung durch den kürzest möglichen Antriebsstrang
- Integration Elektromotor und mechanische Bremse
- Radselektive Momentenverteilung zur Erhöhung der aktiven Fahrzeugsicherheit
Den genannten Vorteilen stehen eine Reihe von Problemen gegenüber, welche für die Umsetzbarkeit dieser Antriebsvariante zu lösen sind. Zu den wesentlichen Herausforderungen zählen:
- Einbußen an Fahrkomfort- und aktiver Sicherheit durch erhöhte Radmassen
- zusätzliche Kühlung erforderlich
- schlechtes Betriebsumfeld reduzieren Lebensdauer und Betriebssicherheit der Elektromotoren
Die erhöhten Radmassen erfordern nicht nur eine gänzlich neue Abstimmung des Fahrwerks, sondern bedürfen der Integration von semi- oder gar vollaktiven Feder-/Dämpfersystemen.
Die beengten Platzverhältnisse erfordern zusätzlich die kinematische und geometrische Umgestaltung herkömmlicher Fahrwerke und stellen somit einen wesentlichen Eingriff in die Fahrwerkskonstruktion dar. Die Elektromotoren bedürfen eines optimalen Designs, wobei die Maschinenverluste aufgrund der schlechteren Kühlbedingungen zur Erhöhung der Lebensdauer minimiert werden müssen.
Es ist offensichtlich, dass der Antrieb im Rad eine große mechatronische Herausforderung darstellt, deren Lösung den Zusammenfluss mehrerer ingenieurswissenschaftlichen Disziplinen wie Maschinenbau, Elektrotechnik, Regelungstechnik und Informatik bedarf.
Die Erzielung von tragfähigen Lösungen braucht eine neue Qualität der Kooperation. Diese Kooperation wird im Rahmen der laufenden Forschungstätigkeiten bereits gelebt, welche heute über die Grenzen von Instituten und Fakultäten, ja über Universitätsgrenzen hinausgehen. Die frühzeitige Einbeziehung von innovativ orientierten Industriepartnern ist wichtig, damit die laufenden Forschungen nicht im Grundsätzlichen stehen bleiben.