Dissertation

Integrales Lenk- und Antriebsmodul für elektrifizierte Fahrzeuge

Autor*in:

Torben Dittmar

Seitenzahl:

162

DOI:

https://doi.org/10.18154/RWTH-2025-05208

Jahr:

2025

Sprache:

Deutsch

Format:

digital

Die fortschreitende Automatisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen erlaubt und erfordert die Entwicklung neuartiger Fahrwerksysteme. Die Einführung von X-by-WireSystemen, die eine elektronische Ansteuerung von Aktuatoren ermöglicht, erlaubt die Entwicklung kompakter, integrierter Fahrwerksmodule, die Antrieb, Lenkung und Bremsen kombinieren. Diese Module werden auch als Corner-Module bezeichnet. In Forschungseinrichtungen und der Industrie wurden bereits verschiedene Varianten dieser Module entwickelt, wobei bislang stets ein separater Aktuator für den Antrieb sowie ein weiterer Aktuator für die Lenkung zum Einsatz kommen. Mit dem Ziel, die Systemleistung und Größe der Aktuatoren zu optimieren, wurde auf Basis einer Erfindung von Prof. Eckstein ein Konzept entwickelt, bei dem die Aktuatoren nicht mehr ausschließlich einer Aufgabe zugeordnet sind, sondern sowohl zum Fahren als auch zum Lenken verwendet werden können. Bei diesem neuen Konzept werden zwei elektrische Aktuatoren koaxial zur Lenkachse angeordnet und in der Radmitte mittels eines Kegelradgetriebes miteinander verbunden. Ein entgegengesetztes Drehmoment beider Aktuatoren erzeugt ein Drehmoment um die Antriebsachse, während ein gleichgerichtetes Drehmoment in beiden E-Maschinen ein Drehmoment um die Lenkachse verursacht. Beide Lastfälle können zudem überlagert werden. Dadurch kann die maximale Leistung beider Aktuatoren nahezu beliebig zwischen Lenkung und Antrieb aufgeteilt werden. Dies ermöglicht eine optimierte Anpassung der Größe der Aktuatoren an die maximal erforderliche Systemleistung. Aufgrund der fehlenden Eigenstabilität des mechanischen Gesamtsystems im Betrieb ist eine dedizierte Regelung unabdingbar.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Betrachtung der wesentlichen Herausforderungen auf physischer, energetischer und logischer Ebene, um die Realisierung des Konzepts zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird sowohl ein dediziertes Simulationsmodell erstellt als auch ein mit 48V betriebener Prototyp für die Leichtfahrzeugklasse L7e aufgebaut und auf dem NVH-Prüfstand des ika getestet.

Die Ergebnisse beider Untersuchungen belegen, dass mithilfe des konzipierten Regelungskonzeptes die Überlagerung von Lenkwinkel und Antriebsmoment mit hinreichender Genauigkeit und Stabilität realisiert werden kann. Um eine sichere Fahrt zu ermöglichen, wird die Regelung der Lenkwinkelstellung gegenüber dem Antriebsmoment priorisiert. Die Anwendung einer Hohlwellenkonstruktion erlaubt eine kompakte Konstruktion und die Unterbringung der gesamten Radmoduleinheit innerhalb der 14-Zoll-Felge. Trotz der großen Lenkwinkel von mehr als ± 50° können die Bewegungen der angeschlossenen Leitungen geringgehalten werden, da mit Ausnahme des Raddrehzahlsensors und der Bremse alle Anschlüsse am nicht lenkenden Teil des integrierten Radmoduls angeordnet werden können.