Hydrostatisches Torque Vectoring

Bei neuen, vor allem gehobenen Triebstrangkonzepten wird die aktive Verteilung des Drehmoments zwischen den Rädern einer Achse mehr und mehr dem Ausgleich durch Bremseneingriff vorgezogen. Das Fahrverhalten wird insofern verbessert, als das Moment an einem betrachteten Rad nicht verringert, sondern gezielt erhöht wird. Idealerweise bleibt auch die Summe der für die Traktion zur Verfügung stehenden Momente konstant, und wird nicht durch aktiven Bremseneingriff verringert. Die Funktion des "ESP" kann so auf elegantere und wirkungsvollere Art und Weise realisiert werden.

Ziel des Torque Vectorings ist eine Verbesserung der Fahragilität und des Fahrspaß bei gleich bleibend hoher Fahrstabilität und Fahrkomfort.

Wichtige Funktionsziele sind:

Vermindern des Beschleunigungsuntersteuerns insbesondere auf Hochreibwert
Verbesserung des Einlenkverhaltens
Erhöhung der Gierdämpfung bei hoher Fahrgeschwindigkeit
Beeinflussung der Lastwechselreaktion
Erhöhung der Fahrstabilität ohne Dynamikverluste (inverses ESP)

Um Agilität und Fahrspaß zu erhöhen, wird das Antriebsmoment elektronisch geregelt und zwischen den Hinterrädern in einem bestimmten Bereich frei verteilt. Durch die Verteilung des Antriebsmomentes an der Hinterachse vom kurveninneren Rad auf das kurvenäußere Rad wird ein Drehmoment erzeugt, welches die Kurvenfahrt unterstützt.

Die derzeitigen Torque Vectoring Systeme mit Lamellenbremse oder -kupplung sind in geringer Stückzahl in wenigen Sondermodellen mit sportlichem Image im Einsatz. Die größten Herausforderungen sind dabei die exakte Momentenansteuerung in den unterschiedlichen Fahr- und Umweltzuständen, sowie der Betätigungsmechanismus der Lamellen.

Die alternative Lösung von hofer: Hydrostatisches Torque Vectoring

Bei der hydrostatischen Torque Vectoring Einheit wird das Bremsmoment nicht durch eine Lamellenbremse sondern durch eine Axialkolbenpumpe mit verstellbarer Schrägscheibe erzeugt. Die Verwendung einer hydrostatischen Pumpe hat folgende Vorteile:

Das System arbeitet weitgehend verschleißfrei (alle Reibkontakte sind hydrodynamisch geschmiert).
Das Öl indem die Wärme entsteht wird sofort weitergepumpt und kaltes Öl angesaugt. Durch das Umpumpen des Öls wird eine gleichmäßige Verteilung der Wärme auf die komplette Einheit erreicht.
Da auf besondere Reibeigenschaften keine Rücksicht genommen werden muss, kann das normale Differentialgetriebeöl verwendet werden.
Durch die verstellbare Schrägscheibe können die Verluste bei Leerlauf deutlich niedriger gehalten werden als mit Lamellenbremse. Damit wird der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs verbessert und der Spritverbrauch reduziert.
Die Reaktionszeit des hydraulischen Systems ist besser. Damit wird das Potential des Torque Vectorings voll ausgeschöpft.
Fehlerfälle werden mit weniger Aufwand abgesichert.
Die Ansteuerung erfolgt einfach elektrisch. Die Ventile werden dabei direkt angesteuert und damit ist der Aufwand zur Regelung niedriger und die Genauigkeit höher als bei der Lösung mit Lamellenbremse.

Die Analyse bestehender Lamellen-basierter Systeme und darauf aufbauende weiterführende Simulationen im Hause hofer, haben zu nachstehender Bewertungsmatrix geführt.

Bewertungsmatrix

		hydrostatisches Torque Vectoring (hofer)
Ansprechverhalten / Dynamik	++	Durch das große Hubvolumen der Pumpeneinheit und dem kleinen Hubvolumen des Verstellkolbens wird ein sehr schnelles Ansprechverhalten erreicht. Der Druck im System wird sehr schnell aufgebaut, da es sich um eine inkompressible Flüssigkeit handelt und eine Beschleunigung von Massen nicht erforderlich ist. Es gibt keinen Befüllvorgang (Leerhub).
Regelgüte (Hysterese)	+	Das Drehmoment an der Pumpe ist direkt proportional den gemessenen Größen des Drucks am Pumpenausgang und des Winkels der Schrägscheibe. Eine direkte Temperaturabhängigkeit wird damit eliminiert. Die Wiederholgenauigkeit des eingestellten Drehmomentes wird im Wesentlichen nur von der Genauigkeit der Sensoren beeinflusst. Mit dem Drucksensor ist ein geschlossener Regelkreis möglich, bei dem der gemessene Druck direkt weiterverarbeitet wird. Ein Temperatursensor ist für die Regelung nicht notwendig.
Stellgenauigkeit	+	Die Wiederholgenauigkeit des eingestellten Drehmomentes wird im Wesentlichen nur von der Genauigkeit der Sensoren beeinflusst. Die Wiederholgenauigkeit wird lediglich von zwei Sensoren beeinflusst.
Fehlerreaktion	++	Die Hydraulik kann redundant aufgebaut werden. Auch Fehler am Verstellmechanismus oder am Druckbegrenzungsventil können aufgefangen werden, da mit beiden das Drehmoment an der Torque Vectoring Einheit beeinflusst werden kann (ein Verklemmen der Kolben würde z. B. einen ständigen Volumenstrom erzeugen, wird aber das Druckbegrenzungsventil geöffnet bleibt das Drehmoment trotzdem niedrig). Erst wenn beide Systeme gleichzeitig ausfallen, kommt es zu einem Fehler der nicht aufgefangen werden kann. Systembedingt hat jede Torque Vectoring Einheit eine „Grenz-Drehzahldifferenz“. Nähert sich in einer enger werdenden Kurve die momentane Drehzahldifferenz dieser „Grenz-Drehzahldifferenz“, wird systembedingt das Vectormoment langsam und stetig reduziert, da die Pumpendrehzahl abnimmt und somit der Druck nicht aufrecht erhalten werden kann.
Sicherheitsanforderung ISO 15504	++	Vermeidung nicht angeforderter Momentenzustellung: Das Moment wird aus dem Produkt von Schrägstellung und Pumpendruck erzeugt. Die Hydraulik ist zurzeit so aufgebaut, dass Schrägscheibe und Druckbegrenzungsventil unabhängig voneinander angesteuert werden. Damit müssen zur Erzeugung eines Momentes zwei Ventile geschaltet werden. Damit ist bereits ein redundantes System integriert. Vermeidung der Zustellung zu hoher Momente: Die Schrägscheibe ist durch einen mechanischen Anschlag in ihrem maximalem Verstellwinkel begrenzt. Das Druckbegrenzungsventil hat baubedingt einen maximalen Druck. Wird dieser Druck erreicht wird Öl abgelassen. Hat das Druckregelventil einen Fehler, erkennt der Drucksensor den Druckanstieg. In diesem Fall kann die Schrägscheibe zurückgestellt werden. Schnellöffnung auf Null-Moment: Der Druckabbau infolge des Öffnens des Druckregelventils erfolgt innerhalb von ungefähr 15ms. Fail-Safe: Durch die Ansteuerung der Schrägscheibe und des Druckregelventils, über zwei unabhängige Ventile, ist bereits ein redundantes System integriert. Wenn gefordert, kann das Druckregelventil zusätzlich mit einem Nachgeschalteten cut-off-Schaltventil abgesichert werden
Robustheit / Zuverlässigkeit	+	Die Pumpeneinheit ist in der Industrie bereits seit vielen Jahren im Einsatz. Es handelt sich hierbei um ein vielfach erprobtes und technisch ausgereiftes Prinzip. Die Technologien zur Fertigung der Pumpen sind ausgereift. In der Industrie werden diese Pumpen mit einer Lebensdauer von 30000h eingesetzt. Auch beim Planetensatz handelt es sich um eine Technologie, die z. B. im Automatikgetriebe bereits in sehr hohen Stückzahlen eingesetzt ist.
Quersperre	+	Die Quersperrenfunktion ist gewährleistet. Bei entsprechendem Aufbau der Hydraulik können auch beide Seiten der Torque Vectoring Hinterachse gleichzeitig angesteuert werden. Liegt das Antriebsmoment unterhalb von 2600Nm kann eine 100% Sperre realisiert werden. Bei Auftreten von Schlupf reagiert das System automatisch und nimmt das Drehmoment vom durchrutschenden Rad weg und führt es dem Rad mit Haftung zu. Hierfür ist kein gesonderter Steuerungsaufwand notwendig.
Verschleiß	++	Die vorhandenen Reibflächen sind hydrodynamisch geschmiert. Im Betrieb ist damit praktisch kein Verschleiß vorhanden. Durch die Auswahl der Reibpaare und der Verwendung von Hypoidöl ist auch der Verschleiß im Anfahrvorgang praktisch ohne Bedeutung und auch extreme Situationen werden ohne Schädigung überstanden (Notlaufeigenschaft). Das Öl wird durch Abriebpartikel nicht verschmutzt.
Wärmehaushalt	++	Durch das ständige Umwälzen des Öls, wird eine optimale Verteilung der zugeführten Wärme in das komplette Ölvolumen und weiter an das Gehäuse ermöglicht. Die Wärmekapazität des gesamten Ölvolumens wird optimal ausgenutzt. Die Auslegung der Ölkanäle als Kühlstrecke ist im Bedarfsfall möglich.
Leerlaufverluste	+	Die Leerlaufverluste sind von dem Druckverlust der Hydraulikleitungen und dem Volumenstrom abhängig. Durch die Verstellung der Schrägscheibe kann der Volumenstrom abgesenkt werden, so dass die Leerlaufverluste gegen Null minimiert werden können. Die Verstellung der Schrägscheibe kann im Leerlauf unabhängig von der Stellung bei aktivierter Torque Vectoring Einheit erfolgen. Eine gegenseitige Beeinflussung der Zustände erfolgt nicht. Auch innerhalb eines extremen Handlingkurses liegt der Anteil mit aktiviertem Torque Vectoring unter 25%. Die Reduzierung der Leerlaufverluste hat erheblichen Anteil am Gesamtverbrauch des Fahrzeugs.
Ölhaushalt	++	Für die hydrostatische Einheit kann das im Differentialgetriebe vorhandene Hypoidöl verwendet werden. Ein separater Ölraum ist nicht erforderlich.
Bauraum	+	Der Bauraum des Planetensatzes wird gleichzeitig für die Axialkolbenpumpe verwendet. In diesem Bauraum wird auch die Verstelleinheit integriert. Der Schieberkasten kann im Gehäuse integriert werden.
Kosten	+	Gegenüber der Lamellenlösung fallen einige Bauteile weg (Lamellen, Power-Pack, usw.). Die zusätzlichen Bauteile sind einfache Bauteile, die kostengünstig produziert werden können.

Fazit

Sowohl aus technischer, als auch aus wirtschaftlicher Sicht, bietet das Hydrostatische Torque Vectoring von hofer eindeutig Vorteile gegenüber Lamellen-basierten Systemen.