Integrales Lenk- und Antriebsmodul für elektrifizierte Fahrzeuge

Dittmar, Torben; Löwer, Manuel; Eckstein, Lutz

doi:HT031255346

Integrales Lenk- und Antriebsmodul für elektrifizierte Fahrzeuge = Integral steering and drive module for electrified vehicles

Dittmar, Torben^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Torben Dittmar

ImpressumAachen : Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheSchriftenreihe Automobiltechnik

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Eckstein, Lutz (Thesis advisor)^RWTH* ; Löwer, Manuel (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05208
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012842/files/1012842.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Kraftfahrzeuge (ika) (414110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antrieb (frei) ; Elektrofahrzeug (frei) ; Lenkung (frei) ; corner module (frei) ; electric vehicle (frei) ; steering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die fortschreitende Automatisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen erlaubt und erfordert die Entwicklung neuartiger Fahrwerksysteme. Die Einführung von X-by-Wire-Systemen, 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.

The ongoing automation and electrification of vehicles necessitates and facilitates the development of novel chassis systems. The advent of x-by-wire systems, which replace the mechanical connection of actuators and control elements by electronics, paved the way for the creation of highly compact, integrated chassis modules that encompass the functions of drive, steering, and braking. Such assemblies are also referred to as corner modules. A variety of variants of these modules have been developed by research organizations and industry. However, to date, a distinct actuator has been utilized for each of the functions of driving and steering the wheel. In order to optimize the system’s performance and reduce the size of the actuators, this thesis adopts and develops a concept based on an invention by Prof. Eckstein. This concept allows both actuators to be used simultaneously for driving and steering, rather than allocating them exclusively to a single task. In this novel concept, two electric actuators are positioned coaxially with the steering axis and connected to each other at the center of the wheel via bevel gears. The application of opposite torque by both actuators generates a driving torque, while torques in the same direction by both electric motors cause a torque around the steering axis. Furthermore, both load cases can be superimposed. Consequently, the maximum power output of both actuators can be allocated with a high degree of flexibility between the functions of steering and propulsion. This configuration enables an optimized adaptation of the actuator size to the maximum required system power. In view of the inherent dependency between steering and driving during operation, it is essential to implement a dedicated control mechanism.In the context of this thesis, the primary challenges on physical, energetic and logical levels are considered in order to facilitate the realization of the concept. To this end, a dedicated simulation model has been developed. In addition, a prototype operated at 48V for the L7e vehicle class has been built and tested on the NVH test bench of ika.The investigation of both artifacts demonstrates that the superposition of steering angle and drive torque can be achieved with sufficient accuracy and stability through the implementation of the new control concept. In order to ensure driving safety, the control system prioritizes the precision of steering angle over drive torque. Additionally, the implementation of a hollow shaft configuration facilitates the integration of the entire steering and drive module within a 14-inch wheel rim. Despite the large steering angles of over ±50°, movements of electrical wires can be minimized due to the option to establish connectors in the non-steering sections of the corner module, except for the wheel speed sensor and the brake.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)