Die vorliegende Bachelor Arbeit befasst sich im Allgemeinen mit dem Radnabenantrieb. Speziell wird die Frage gestellt, ob ein Allradantrieb mit Nabenmotoren möglich ist. Dazu wird, unter Berücksichtigung der bestehenden Technik, die Problematik und Limitierung, welche einen Allradantrieb verhindern, aufgezeigt. Dabei wird die thermische Belastung, durch die mechanische Bremse, und die gesetzlichen Vorschriften für das Bremssystem in einem Kraftfahrzeug als Hauptlimitierung festgelegt. Unterschiedliche Bremsmethoden werden untersucht, welche den Elektromotor thermisch entlasten und gleichzeitig alle Gesetze erfüllen sollen. Aus dieser Untersuchung werden schließlich drei Konstruktionen hergeleitet. Um die bestmögliche Konstruktion auszuwählen, werden die drei Konstruktionen in drei Kategorien untersucht. Zunächst wird die Fahrsituation deklariert und die Parameter für die Prüfungen festgelegt. Weiterhin werden die drei Konstruktionen untersucht, um die optimalste Konstruktion auswählen zu können. Anhand der ausgewählten Konstruktion werden die Vor- und Nachteile eines Allradantriebs mit Nabenmotoren aufgezeigt. In dem letzten Kapitel wird über die Befunde reflektiert, die zu Beginn gestellte Fragestellung beantwortet und über die Möglichkeit der weiteren Forschung in diesem Themengebiet hingewiesen.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG UND MOTIVATION
1.1 SCHAEFFLERS ,E-WHEEL DRIVE'
1.2 SIEMENS ,ECORNER MODUL'
2. GESETZLICHE UND THERMISCHE LIMITIERUNGEN
3. ELEKTRISCHE BREMSEN
3.1 REKUPERATIVES BREMSEN
3.2 WIDERSTANDSBREMSE
3.3 GLEICHSTROMBREMSE (KURZSCHLUSSBREMSE)
4. BREMSAUSLEGUNG FÜR DIE ANTRIEBSSYSTEME
5. DREI ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME
5.1 RADNABENANTRIEB MIT KONISCHER BREMSE
5.2 RADNABENANTRIEB MIT BREMSWELLE
5.3 RADNABENANTRIEB MIT LAGERBREMSE
6. PARAMETER DES CAE-PROZESSES
7. UNTERSUCHUNG DER OPTIMIERTEN KONSTRUKTIONEN
7.1 UNTERSUCHUNG DER STATIK
7.2 UNTERSUCHUNG DER THERMIK
7.3 UNTERSUCHUNG DER GESETZLICHEN RICHTLINIEN
8. VOR- UND NACHTEILE DES ,ALLRADNABENANTRIEBS'
9. SCHLUSSGEDANKE
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die technische Machbarkeit und Optimierung von Allradantrieben mit Radnabenmotoren, wobei der Fokus insbesondere auf der thermischen Belastung durch mechanische Bremssysteme und der Einhaltung gesetzlicher Sicherheitsanforderungen liegt.
- Analyse bestehender Radnabenantrieb-Konzepte und deren thermischer Limitierungen
- Entwicklung und Simulation alternativer Bremssystem-Konstruktionen mittels CAE
- Überprüfung der gesetzlichen Bremsanforderungen gemäß StVZO
- Bewertung der thermischen Entlastungspotenziale für den Elektromotor
- Diskussion von Vor- und Nachteilen des Allradnabenantriebs hinsichtlich Fahrdynamik und Gewicht
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung und Motivation
Die Effizienz und Sauberkeit des Elektromotors gegenüber der konventionellen Verbrennungskraftmaschine, wurde bisweilen in vielen wissenschaftlichen Abhandlungen angeführt. Doch offenbart sich eine Antriebs-Topologie, im Zusammenhang mit dem Elektromotor, als besonders Effizient. Diese Antriebs-Topologie wird als Radnabenantrieb bezeichnet [TSC-15, S. 41].
Der Radnabenantrieb zeichnet sich durch die Integration des Elektromotors in die Radfelge aus. Damit entfallen Übertragungsverluste, verursacht durch Antriebswelle, Differential oder Getriebe. In der Radfelge sind zusätzlich die Leistungselektronik, die Kühlung und oftmals die Bremse verbaut. Elektromotoren können im vier-Quadranten-Antrieb verwendet werden, wodurch bei dem Radnabenantrieb das Prinzip der Rekuperation ausgenutzt werden kann. Dies ermöglicht die Umwandlung der rotatorischen Energie des Rades in elektrische [TSC-15, S. 41]. Wie die Energieumwandlung durchgeführt wird, soll in Kapitel 3.1 untersucht werden.
Die Vorteile eines solchen Antriebs sind eindeutig. So kann beispielsweise das Prinzip des ,Torque Vectoring' ausgenutzt werden, wobei die Antriebsleistung optimal auf jedes direkt angetriebene Rad verteilt werden kann [MIW-14, S. 762 f.]. Natürlich bringt die Integration dieser Menge an Bauteilen in einem Rad seine Nachteile. So steigt die ungefederte Masse des Rades je nach Leistungskapazität des Elektromotors und im Falle des ,e-Wheel Drive' von Schaeffler um ca. 45 kg [ROS-14]. Neben der Platz- und Gewichtsersparnis im gesamten Fahrzeug, können durch die Optimierung des Radlagers und einer geeigneten Aufhängung Lenkwinkel von bis zu 90° erreicht werden, doch soll dies nicht den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG UND MOTIVATION: Einführung in die Thematik des Radnabenantriebs sowie Vorstellung der Konzepte von Schaeffler und Siemens.
2. GESETZLICHE UND THERMISCHE LIMITIERUNGEN: Darstellung der rechtlichen Anforderungen nach StVZO sowie eine theoretische Betrachtung thermischer Probleme.
3. ELEKTRISCHE BREMSEN: Analyse der Bremsmethoden Rekuperation, Widerstands- und Gleichstrombremse sowie deren jeweilige Grenzen.
4. BREMSAUSLEGUNG FÜR DIE ANTRIEBSSYSTEME: Synthese aus rekuperativem und mechanischem Bremsen als notwendige Strategie zur Einhaltung der Bremsleistung.
5. DREI ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME: Detaillierte Vorstellung der drei erarbeiteten Konstruktionsvarianten für den Radnabenantrieb.
6. PARAMETER DES CAE-PROZESSES: Definition der Randbedingungen und Fahrzeugmodelle für die anschließende FEM-Simulation.
7. UNTERSUCHUNG DER OPTIMIERTEN KONSTRUKTIONEN: Detaillierte Durchführung und Auswertung der statischen und thermischen Simulationen zur Auswahl des besten Konzepts.
8. VOR- UND NACHTEILE DES ,ALLRADNABENANTRIEBS': Abwägung der fahrdynamischen Vorteile gegen die Nachteile bezüglich ungefederter Massen.
9. SCHLUSSGEDANKE: Zusammenfassende Beantwortung der Ausgangsfrage und Ausblick auf zukünftigen Forschungsbedarf.
Schlüsselwörter
Radnabenantrieb, Elektromotor, Allradantrieb, Rekuperation, Bremsanlage, StVZO, CAE-Prozess, FEM-Simulation, Thermik, Statik, Torque Vectoring, e-Wheel Drive, eCorner Modul, mechanische Bremse, Energieeffizienz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelor-Thesis grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, ob ein Allradantrieb mittels Radnabenmotoren unter Berücksichtigung gesetzlicher Vorschriften und thermischer Belastungen technisch realisierbar ist.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Das Spektrum reicht von der theoretischen Untersuchung bestehender Radnabenantriebe über die Auslegung von Bremssystemen bis hin zur FEM-gestützten Optimierung neuer Konstruktionsvarianten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, eine Konstruktion zu finden, die den gesetzlichen Bremsanforderungen entspricht und gleichzeitig den Elektromotor thermisch entlastet, um einen Allradnabenantrieb zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es wird eine Kombination aus theoretischer Berechnung der physikalischen Lastfälle und der numerischen Simulation mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) im Programm Hyperworks genutzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit detailliert behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung dreier spezifischer Konstruktionen (konische Bremse, Bremswelle, Lagerbremse) und deren anschließende statische und thermische Untersuchung.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Radnabenantrieb, Rekuperation, StVZO-konforme Bremsauslegung, thermische Belastung und Finite-Elemente-Methode.
Warum ist eine rein elektrische Bremsung für ein Fahrzeug oft nicht ausreichend?
Die Arbeit zeigt auf, dass die aktuelle Gesetzgebung (StVZO §41) und die physikalische Kapazität der Generatoren eine zusätzliche mechanische Bremskomponente zwingend erforderlich machen.
Welches der drei untersuchten Konzepte stellt sich als die beste Lösung heraus?
Die Auswertung der Simulationen ergibt, dass der Radnabenantrieb mit Lagerbremse die besten thermischen und statischen Voraussetzungen für einen Allradantrieb bietet.
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- Valmir Ganiu (Author), 2017, Optimierung des Radnabenantriebs. Ein alternatives Bremssystem, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/385041
