Längsverteilung des Antriebsmomentes eines allradgetriebenen, elektrischen Rallyecross-Fahrzeuges

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Strategie zur Verteilung des Antriebsmomentes zwischen den beiden Achsen eines vollelektrischen, allradgetriebenen Rallyecross-Fahrzeuges auszuarbeiten. Im Gegensatz zu einer einzigen angetriebenen Achse, bieten Allradsysteme mögliche Vorteile bei der Traktion sowie der Kurvenfahrt, was insbesondere für den Rallyecross-Sport von Bedeutung ist. Vollelektrische Allradfahrzeuge haben im Allgemeinen eine elektrische Antriebseinheit pro Achse. Anders als bei konventionellen Allradsystemen besteht jedoch keine mechanische Kopplung zwischen den Antriebseinheiten. Dadurch kommt es nicht in allen Fahrsituationen zu einer optimalen Traktion und dem gewünschten Fahrverhalten. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein Ansatz zur situationsabhängigen Momenten- und Drehzahlkopplung der beiden Antriebsachsen eines Rallyecross-Fahrzeuges entwickelt und anhand von Simulationen getestet. Dafür wird eine Regelung der Antriebsmomentenverteilung zwischen den beiden Achsen eingesetzt – die keine zusätzlichen Bauteile für die Antriebsstränge erfordert. Die Regelstrategie besteht darin, dass der/die Fahrer*in die gewünschte Verteilung des Antriebsmomentes vorgibt und diese dann gegebenenfalls entsprechend der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Achsen angepasst wird. Dadurch findet eine Verbesserung der Traktion und des Fahrverhaltens statt. Der Fokus liegt dabei auf der Längsdynamik des Fahrzeuges bei Beschleunigungsvorgängen. Die Regelstrategie hat gegenüber einer klassischen Traktionsregelung den Vorteil, dass das durch die Fahrpedalstellung gewünschte Antriebsmoment nicht reduziert wird und deshalb der/die Fahrer*in die angestrebten Fahrmanöver entsprechend ausführen kann. Die Auslegung und die abschließende Simulation des Regelkreises erfolgt durch ein elementares Fahrzeugmodell. Dabei wird das semi-empirische Reifenmodell „Magic Formula“ verwendet und die Signalverzögerung der Sensorsignale sowie Elastizitäten und Dämpfungen innerhalb des Antriebsstranges berücksichtigt.Aus der Simulation geht hervor, dass die Regelung die Differenz der Radgeschwindigkeiten zwischen den Achsen begrenzt und dadurch ein Durchdrehen der Räder einer einzelnen Achse verhindert. Somit ergeben sich durch optimierte Traktion Beschleunigungsvorteile. Außerdem wird ein Abfall des Seitenführungspotenziales und ein erhöhter Reifenverschleiß verhindert. Außerdem reduziert die Regelung im Allgemeinen die Abklingzeit der Torsionsschwingungen des Antriebsstranges, was zusätzlich zu einem verbesserten Komfort des Fahrzeuges sowie zu einem verminderten Verschleiß der Bauteile des Antriebsstranges führt. Die Regelung ist außerdem kompatibel mit einer aktiven Dämpfung des Antriebsstranges.

The aim of this thesis is to develop a strategy for distributing the drive torque between the two axles of an all-electric, all-wheel drive rallycross vehicle. In contrast to a single driven axle, all-wheel drive systems offer possible advantages in traction as well as in cornering, which is especially important for rallycross. In general, all-electric four-wheel drive vehicles have at least one electric drive unit per axle. Unlike conventional all-wheel drive systems, however, there is no mechanical coupling between the drive units. Therefore, optimal traction and the desired driving behavior are not achieved in all driving situations. In the present thesis, for the first time, an approach for the situation-dependent torque and rotation speed coupling of the two drive axles of a rallycross vehicle is developed and tested using simulations. For this purpose, a control for the drive torque distribution between the two axles is used, which does not require any additional components for the drive trains. The control strategy is that the race driver first specifies the desired drive torque distribution. If necessary, the drive torque distribution is then adjusted according to the speed difference between the two axles, which further improves traction as well as handling. The focus lies on the longitudinal dynamics of the vehicle when accelerating. Compared to a classic traction control, the overall drive torque defined by the accelerator pedal position is not reduced. Therefore the driver can carry out the desired driving manoeuvres successfully. The design and final simulation of the control is carried out using a basic vehicle model. It uses the semi-empirical tyre model "Magic Formula" and considers the signal delay of the sensor signals as well as elasticities and damping within the drive train.The simulation shows that the control limits the difference in the wheel speeds between the axles, thereby preventing the wheels on a single axle from spinning. This results in acceleration advantages due to optimised traction. In addition, a drop in lateral guidance potential and increased tyre wear are prevented. Furthermore, the decay time of the torsional vibrations of the drive train is reduced, which also leads to improved comfort of the vehicle and reduced wear on the components of the drive train. The control unit is also compatible with an active driveline damping.