Drehmoment-Vektorisierung

Torque Vectoring – Was steckt dahinter?

Eine häufig eingesetzte Technologie zur Abstimmung des Fahrverhaltens eines (E)-Fahrzeugs ist das sogenannte „Torque Vectoring“, um die Drehmomentverteilung der Räder zu optimieren. Hierzu müssen die physikalischen Prinzipien der Fahrdynamik berücksichtigt werden, unterstützt durch Tests mit hochgenauer Messtechnik und Sensoren.

Für die Sicherheit, "Intelligenz“ und den Komfort von Fahrzeugen steigen die Anforderungen immer weiter an. Da bei den Rädern von E-Fahrzeugen die Möglichkeit besteht, jedes Rad separat anzutreiben und zudem das extreme Beschleunigungsvermögen des Elektroantriebs sowie das Gewicht der Traktionsbatterie das Fahrverhalten beeinflusst und verändert, sind Ingenieure bei Abstimmung des Fahrverhaltens besonders an E-Fahrzeugen mit zahlreichen neuen Herausforderungen konfrontiert. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs von E-Fahrzeugen erlaubt schnellere Regeleingriffe am Rad oder Fahreigenschaften auf Sicherheitsaspekte besser abzustimmen. Auch lassen sich Fahrwerk und Räder auf unterschiedliche Modi, wie „Sport“ oder „Eco“ gezielter einstellen und kontrollieren.

Definition und Prinzip des Torque Vectoring

Zur Abstimmung des Fahrverhaltens von (E)-Fahrzeugen wird bei modernen Fahrzeugarchitekturen das "Torque Vectoring" immer häufiger eingesetzt. Dabei werden die Antriebs- und Bremsmomente, die an den einzelnen Rädern anliegen, unterschiedlich geregelt. Grundlage des Torque Vectoring ist die Fahrzeugdynamik, die sich mit der Querdynamik des Fahrzeugs befasst, die sich vor allem auf die Fahrstabilität, den durch seitliche Reifenkräfte verursachten Querschlupf, das Gieren und das Wanken bezieht. Weiterhin wird in Längsdynamik und Vertikaldynamik unterteilt, die das Fahren, Bremsen und den Fahrkomfort umfassen. Antriebsschlupf und Bremsschlupf werden an den Rädern in Längsrichtung des Fahrzeugs untersucht, wodurch auch die Fahr- und Bremseffizienz verbessert werden kann.

Dies wird durch die elektronische Abstimmung des Fahrzeugs erreicht. Im Mittelpunkt steht dabei die Optimierung der Drehmomentverteilung der Räder. Es wird ein Moment ausgeübt, mit dem die Fahrlinie korrigiert wird. Ein Fahrzeug, das beispielsweise im Grenzbereich übersteuert, lässt sich wieder auf die gewünschte Fahrlinie führen, indem die inneren Räder mit einem höheren Antriebsmoment beaufschlagt werden als die Kurven der äußeren Räder. Mit Eingriffen dieser Art wird das Fahrverhalten des Fahrzeugs angepasst, ohne mechanische Veränderungen vorzunehmen.

Durch den Einsatz des Torque Vectoring ist in der Fahrzeugentwicklung sowohl eine Erhöhung der Fahrzeugsicherheit als auch eine größere Spreizung der Fahreigenschaften möglich. Mit ein- und derselben Plattform lassen sich damit unterschiedlichste Fahreigenschaften abbilden, von direkt auf indirekt, von komfortabel zu sportlich. Ob das Fahrzeug übersteuert, untersteuert oder sich neutral verhält, kann damit einfach eingestellt werden.

Wie hilft Messtechnik bei der Umsetzung des Torque Vectoring?

Eine Voraussetzung und zugleich Herausforderung für den Einsatz von Torque Vectoring Technologien in der Fahrzeugentwicklung sind Fahrdynamik-Tests mit einer präzisen und synchronen Messdatenerfassung. An E-Fahrzeugen werden die Parameter der Fahrzeugdynamik mit Hilfe von Messrädern an jedem Rad einzeln gemessen. Ein Messrad erfasst Kräfte in x, y und z Richtung sowie Drehmomente, um diese Achsen. Für die Untersuchung des Fahrverhaltens sind weiterhin Winkel und die Raddrehzahl an jedem einzelnen Rad relevant. Mit weiteren Sensoren lassen sich darüber hinaus Geschwindigkeitsvektoren der einzelnen Räder sowie des Fahrzeugs synchron erfassen. Auf diese Weise lassen sich die Kraftvektoren und Drehmomente vollständig und synchron aufnehmen und gemeinsam mit den Geschwindigkeitsvektoren auswerten und so Rückschlüsse auf die Reibungskoeffizienten gewinnen.

Die Verfügbarkeit von genauen, hoch abgetasteten und synchronen Messdaten ist wichtig, um Kräfte und Momente in ihrer Gesamtheit zu erfassen und zu bewerten. Dies erlaubt unter anderem auch die Auswertung der immer schnelleren Regelkreise von ADAS- und AD-Systemen. Auch anschließende Simulationen benötigen immer präzisere und umfangreichere Eingangsdaten, eine Kombination von Fahrzeuggeschwindigkeiten, Winkeln, Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten sowie Fahrzeugmomenten und -kräften, die am Rad gewonnen werden. Dabei darf die Messtechnik das Fahrzeug möglichst wenig beeinflussen und sollte robust gegen elektromagnetische Störungen (EMV) und Umwelteinflüsse sein.

Torque Vectoring in Forschung und Entwicklung

Ein Beispiel für eine Torque Vectoring Anwendung im F&E Bereich ist ein Forschungsprojekt der Otto von Guericke Universität Magdeburg am Fachbereich Maschinenbau. Hier wurde ein imc WFT Cx Messrad zur Bewertung der Schätzung des Reibungskoeffizienten an einem Buggy eingesetzt. Ziel des Projekts ist, eine Fahrdynamikregelung für ein Fahrzeug mit elektrischen Einzelantrieben zu realisieren. Für diesen Vergleich werden sehr genaue, synchron erfasste Messdaten benötigt.

Allgemein erfordern Fahrdynamik-Tests, die einer Anwendung von Torque Vectoring Technologien basieren, die Aufnahme von umfangreichen, genauen und synchronen Messdaten, um das Fahrverhalten eines Fahrzeugs und dessen Regeleingriffe bewerten und abstimmen zu können. Messrad-Daten bilden hier die Grundlagen für weitere Simulationen sowie für Tests am Prüfstand. Da mobile Tests am Fahrzeug teuer sind und die Zeit auf der Teststrecke begrenzt ist, muss die Messtechnik robust, einfach im Aufbau und sicher bedienbar sein. Wünschenswert sind darüber hinaus ein geringer Schulungsaufwand und ein einfaches und zeitsparendes Handling bei der Montage am Fahrzeug sowie integrierte Kalibriermechanismen.

Autor: Florian Sailer, imc Business Development Experte Fahrdynamik