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Wie Torque-Vectoring-Systeme die Fahrstabilität von E-Fahrzeugen verbessern

| Redakteur: Thomas Kuther

Torque-Vectoring-Systeme werden immer beliebter. Vor allem die Nachfrage nach elektrischem Torque Vectoring steigt mit der zunehmenden Verbreitung von E-Antrieben. Wir stellen Ihnen die sechs primären Konzepte vor und erläutern deren Relevanz für Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

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Torque-Vectoring-Systeme wurden entwickelt, um mittels individueller Drehmomentzuteilung die Gierkontrolle und damit die Fahrzeugstabilität zu verbessern. Mitsubishi entwickelte 1994 das erste System für den Lancer Evolution. Heute können bis zu sechs Systeme unterschieden werden. Die meisten Hybridantriebe mit Torque-Vectoring sitzen an der Hinterachse, um eine dynamische Fahrweise zu unterstützen. Daher konzentriert sich unsere Übersicht auf diese Systeme.

Die Bandbreite mechanischer Torque-Vectoring-Systeme

Die einfachste und kostengünstigste Variante der Gierregelung ist die bremsbasierte Variante. Dieses System wurde in den letzten Jahren vor allem im Ford Focus und Volkswagen GTI eingesetzt. Es nutzt die bewährten Fahrzeugsysteme und es beansprucht keine oder nur wenig zusätzliche Masse oder Kosten, um einen grundlegenden Grad an Gierkontrolle zu gewährleisten. Da die Auswirkungen der Bremsmodulation immer subtraktiv sind, muss hier zusätzlich eine dynamisch variable Leistungsaufnahme erfolgen, um die von den Bremsen absorbierte Leistung zu kompensieren. Darunter leidet aber die Effizienz. Infolgedessen konnten sich bremsbasierte Systeme nie auf ganz breiter Ebene durchsetzen.

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Ein weiteres mechanisches System ist die einseitige Drehzahlüber- oder Unterschreitung, die beispielsweise bei Mitsubishi zum Einsatz kam. In Sachen Energieeffizienz und Drehmomentverteilung kann dieses System mit anderen durchaus Schritt halten. Das System bietet ein hohes Maß an Steuerbarkeit aufgrund der vergleichsweisen großen Kupplungskapazität und der geringeren relativen Differenz der Kupplungsdrehzahlen. In diesem System steuern zwei Kupplungen die Drehzahl der rechten Abtriebswelle in Abhängigkeit von der Drehzahl des Hohlrades. Die eine Kupplung greift mit einer Geschwindigkeit, die etwa 10% höher ist als die des Zahnkranzes, die andere mit einer, die etwa 10% niedriger ist. Die abgestufte Auslösung des Kupplungsschlupfs ermöglicht ein reibungsloses Kontinuum von Schwankungen der linken beziehungsweise rechten Traktionsneigung. Die zweite Generation dieses Systems trägt die Bezeichnung Super AYC (Active Yaw Control). Hier lässt sich die Drehmomentübertragung dank eines Stirnraddifferentials verdoppeln.

Die Links-/Rechts-Überdrehzahlmodulation unterscheidet sich von den genannten Ansätzen dadurch, dass hier die Zahnräder und Kupplungen auf beiden Seiten der Achsbaugruppe platziert werden. Betätigt man die rechte Kupplung, überdreht die rechte Welle, bei Betätigung der linken Kupplung verhält sich das System analog. Natürlich spiegelt das offene Differential auf der gegenüberliegenden Welle einen entsprechenden Grad an Unterdrehzahl wider. Audi bezeichnet diesen Ansatz als Überlagerungsdifferenzial und bevorzugt die Technologie gegenüber dem einfacheren, kupplungsbasierten Ansatz. Starke Kupplungen und zweistufige Hohlradgetriebe helfen, die Leistungsziele in diesem Ansatz zu erreichen.

In seinem Konzept Vector-Drive nutzt der Autobauer aus Ingolstadt zweistufige Überdrehzahl-Planetengetriebe, bei denen die inneren Sonnenräder fest mit dem Differentialgehäuse verbunden sind. Die äußeren Ritzel sind mit den jeweiligen Antriebswellen verbunden. Die gemeinsamen Planetenträger sind mit dem Gehäuse verbunden, das entweder das rechte oder linke Überdrehzahlräderwerk aktiviert. Da sich die Planetengetriebe als Gruppe bewegen, nutzen sie sich bei der Geradeausfahrt nicht ab. Zwar weisen die beiden Kupplungen im normalen Drehzahlbereich einen gewissen Schlupf auf, aber da ihre Kapazität geringer ist als bei anderen Konstruktionen, sind die Gesamtverluste vertretbar.

Kupplungsbasierte Torque-Vectoring-Systeme basieren auf einem einfacheren Konstruktionsprinzip als der übersetzungssteigernde Ansatz. In diesem Verfahren setzen Hersteller große Kupplungen direkt an den Abtriebswellen der Hinterachsen ein. In der Regel ist eine Überdrehzahl von etwa fünf Prozent gegenüber der Vorderachse erwünscht, um auch bei einer unterbrochenen Energiezufuhr eine ausreichende Fahrstabilität zu erreichen. So kommt es bei Geradeausfahrt mit Allradantrieb zu einem Einschalt-Schlupf von fünf Prozent in beiden Hinterkupplungen, die das Drehmoment der Hinterachse übertragen. Aufgrund der diesem Prinzip zugrundeliegenden Verluste sollten Fahrzeugsteuerungen hier den Betrieb im Frontantriebsmodus auch bei geöffneten Kupplungen effektiv optimieren. Zudem ist zu beachten, dass kupplungsbasierte Systeme keine Differenzialvorrichtungen mit Getriebe benötigen, die Abtriebskupplungen arbeiten also die meiste Zeit mit einem gewissen Schlupf.

Bild 1 zeigt ein solches Torque-Vectoring-System von AAM. Vorteile dieser Architektur sind vor allem das einfache Design, die niedrigen Kosten und die leistungsstarke Gierregelung, die bis an die Grenzen der Kupplungskapazität reicht. Um die Steuerbarkeit dynamisch zu gestalten, ist ein servo-hydraulisches Kupplungsbetätigungssystem verbaut. Die größte Herausforderung bei kupplungsbasierten Torque-Vectoring-Systemen ist der Schlupf, bzw. der Leistungsverlust, den die Hochleistungskupplungen bei offener Raddrehzahl oder einem Antrieb mit fünf Prozent verursachen.

Zusammengefasst lassen sich mechanische Torque-Vectoring-Systeme in drei Kategorien aufteilen: bremsbasierte Systeme, Überdrehzahlsysteme und kupplungsbasierte Systeme. Derzeit werden sie vor allem in Fahrzeugarten eingesetzt, in denen der Fahrspaß ein wichtiges Alleinstellungsmerkmal ist. Der Verbreitungsgrad ist allerdings noch verhältnismäßig gering – niedrigere Kosten oder eine neue funktionale Ausrichtung könnten sicher zu einer tieferen Marktdurchdringung beitragen.

Die Bandbreite elektrischer Torque-Vectoring-Systeme

Elektrische Torque-Vectoring-Systeme sind erst seit Kurzem ein Thema und ihre zunehmende Verbreitung fällt mit der wachsenden Zahl der E-Antriebe zusammen. Aktuell in Produktion sind die Systeme im Honda Acura RLX Hybrid (2 x 27 kW), dem NSX und dem Mercedes SLS E-Cell. Alle drei verwenden eine sogenannte duale E-Motor-Modulation. Hier werden zwei separate Antriebsmotoren hintereinander montiert, die die rechten und linken Räder unabhängig voneinander antreiben. Um die beiden Motoren zu versorgen, sind entsprechend zwei Getriebekästen und zwei Wechselrichter erforderlich. Haben diese Systeme kein mechanisches Differential, müssen jedoch zusätzliche Steuerungseinheiten einwickelt werden, um Kontrollverluste oder einseitige Radabnutzung zu bewältigen.

Ein weiteres elektrisches Design, das in Bild 2 dargestellt ist, greift das kupplungsbasierte System auf. Der bewährte Ansatz dürfte vor allem in hybriden, intelligenten Allrad-Fahrzeugen Vorteile mit sich bringen, bei denen der Schlupf der Power-on-Kupplung minimiert werden kann. Das einfache Design sollte weniger störungsanfällig und damit zuverlässiger sein.

Ein weiterer Vertreter der elektrischen Torque-Vectoring-Systeme wurde von Schaeffler und AAM unabhängig voneinander entwickelt und wird als epizyklische relative Twist-Modulation bezeichnet. Das ursprüngliche Konzept beinhaltete einen konzentrischen Torque-Vectoring-Motor, die aktuelle Implementierung verwendet einen Offset-Motor. Der Vorteil: Es sind weder Bremsen noch Kupplungen erforderlich und bei der Fahrt auf gerader Strecke ist das System passiv bzw. dreht sich nicht. Dies ist aufgrund der speziellen Anordnung der Planetengetriebe möglich. Darüber hinaus bleibt der Motor ohne Last in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich. Der Wirkungsgrad ist also hoch, wenn das Fahrzeug geradeaus fährt, und auch bei Wendemanövern halten sich die Leistungseinbußen in Grenzen.

Algorithmen bei elektrischem Torque Vectoring

Bild 3 zeigt ein System, das im AAM Trollhattan Technical Center in Schweden entwickelt wurde. Dieses System kann einen mechanischen oder einen elektrischen Motor als Leistungsquelle (INPUT) nutzen. Im Schema ist eine Vectoring-Einheit zu sehen, die fest mit dem Mechanismus verbunden ist. Es gibt außerdem eine weitere Version, die nur einen E-Motor nutzt und dessen Funktionen dynamisch zwischen Vector-, Antriebs- und Trennmodus gewechselt werden kann. Neben dem Wegfall eines zweiten Motors zeichnet sich dieses System durch einen effizienten Betrieb in allen Modi und minimale Zusatzkosten in Bezug auf die Drehmomentverteilung aus.

Elektrische Torque-Vectoring-Systeme, die sich durch den Wechsel der Betriebsart auszeichnen, beinhalten Softwaresteuerungen. Für den Wechsel der Motorfunktion bedienen sie sich ähnlicher Algorithmen wie denen, die in anderen Produktlinien die Antriebswelle vom System trennen. Soll in den Antriebsmodus gewechselt werden – einen Zustand mit niedriger Priorität – prüft das System beispielsweise, ob die nötigen Parameter wie ein neutraler Lenkwinkel gegeben sind. Der Wechsel in den Vector-Betrieb ist aufgrund des Potenzials für Leistungs- oder Drehmomentdiskontinuitäten komplizierter. Algorithmen zur Steuerung dieses Übergangs beinhalten beispielsweise viel mehr Daten aus Sensoren.

Mehr Sicherheit mit elektrischem Torque Vectoring

Die drastisch verbesserte Fahrdynamik auf Oberflächen mit hohem Kraftschlussbeiwert hat viele der bisherigen Entwicklungen des Torque-Vectoring motiviert. Inzwischen verlagert sich das Augenmerk jedoch auf die Vorteile, die die Technologie in Sachen Sicherheit mit sich bringt. Bild 4 zeigt die verbesserte Steuerung, die elektrische Torque-Vectoring-Systeme (blaue Linie) erzeugen: der Lenkwinkel wird um 40% reduziert, die Lenkgeschwindigkeit um 30%. Eine erhöhte Traktion und Beschleunigung der Vorderachse ergibt sich aus dem geringeren Untersteuern und der verringerten ESP-Aktivität.

Auch den Vergleich zu Sperrdifferenzialen müssen elektrische Torque-Vectoring-Systeme nicht scheuen: Systeme wie das 48 V eTV-System von AAM bieten eine starke Leistung in Sachen Agilität, Low-µ-Handling und Stabilität. Preis und Komplexität sind nur geringfügig höher als bei elektronischen Sperrdifferentialen.

Die verbesserte Agilität und eine verbesserte Handhabung tragen zu einem höheren Sicherheitsgefühl bei, so dass Fahrer auch anspruchsvolle Fahrsituationen meistern. Zudem unterstützen die elektrischen Systeme vorhandene Sicherheitssysteme wie Seitenwind- und Spurhalteunterstützung. Oft greifen die Systeme ein, bevor das als aufdringlich empfundene ESP aktiv wird, was Bremsfading – also das unerwünschte Nachlassen der Bremswirkung – reduziert. Die Fähigkeit, die Gierregelung unabhängig von der gesamten Längsantriebskraft zu ermöglichen, ist ebenfalls ein entscheidender Vorteil. Schließlich wird je nach Grad der Hybridelektro-Integration ein deutlicher Anstieg der Kraftstoffeffizienz von 15% bis 50% erreicht, Plug-in Hybride profitieren sogar noch stärker.

Mit niedrigeren Kosten zu mehr Akzeptanz

Mechanisches Torque-Vectoring wird für bestimmte Fahrzeugtypen mit herkömmlichen Antrieben relevant bleiben, die zusätzlichen Kosten sprechen aber eher gegen eine sehr hohe Verbreitung. Anders verhält es sich bei künftigen E-Antrieben: Hier entstehen für die Torque-Vectoring-Systeme vermutlich niedrigere Zusatzkosten, so dass der Gewinn an Fahrstabilität viel stärker ins Gewicht fällt. Da die Zahl der E-Antriebe steigt, um die strengen CO2-Anforderungen zu erfüllen, werden viele Hersteller sich mit elektrischen Torque-Vectoring beschäftigen. Der Schlüssel für eine noch breitere Akzeptanz, liegt zum einen darin, die vermeintliche Kostenschwelle zu entmystifizieren und zum anderen eine überzeugende Kombination aus hoher Funktionalität und niedrigen Kosten zu erreichen.

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