Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Komponenten einer bedarfsweise antreibbaren Sekundärantriebsachse eines mehrachsangetriebenen Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein solches mehrachsangetriebenes Kraftfahrzeug.

Insbesondere im Nutzfahrzeugbereich sind aus der Praxis bedarfsweise elektrisch antreibbare Sekundärantriebsachsen bekannt. Hierbei handelt es sich um elektrisch angetriebene Achsen (Zusatzachsen), die nur einen gewissen Zeitanteil der Fahrleistung eines Fahrzeugs als Traktionsunterstützung dienen, um die Primärantriebsachse bei Bedarf zu unterstützen. Dagegen ist die Primärantriebsachse immer aktiv, wenn eine Antriebsleistung bereitgestellt werden muss.

Obwohl die Sekundärantriebsachse somit nur einen gewissen Zeitanteil der Fahrleistung des Nutzfahrzeugs als Traktionsunterstützung dient, werden aufgrund der im Nutzfahrzeugbereich hohen Laufleistungen dennoch enorme Anforderungen an die Lebensdauer der Motoren und Wälzlager gestellt. Dies betrifft insbesondere elektrische Maschinen zur Erzeugung der Antriebsleistung für elektrische angetriebene Achsen, da diese gegenüber Verbrennungsmotoren meist ein höheres Drehzahlniveau aufweisen. Somit werden zur Erzielung der benötigten hohen Drehmomente zum Antrieb von Nutzfahrzeugen größere Untersetzungen benötigt. In Verbindung mit den hohen Laufleistungen von Nutzfahrzeugen werden hier die Anforderungen an die Lebensdauern der elektrischen Maschine und/oder Lager hoch und kostspielig, auch dann wenn die elektrische Maschine nur einen gewissen Zeitanteil der Fahrleistung des Nutzfahrzeugs als Traktionsunterstützung eingesetzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik für eine bedarfsweise elektrisch angetriebenen Sekundärantriebsachse zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.

Ein erster allgemeiner Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Komponenten einer bedarfsweise antreibbaren Sekundärantriebsachse eines mehrachsangetriebenen Kraftfahrzeugs. Hierbei umfasst das Kraftfahrzeug eine angetriebene erste Achse, vorzugsweise eine permanent angetriebene erste Achse, die nachfolgend als Primärantriebsachse bezeichnet wird, und eine bedarfsweise antreibbare zweite Achse, die nachfolgend als Sekundärantriebsachse bezeichnet wird.

Die Sekundärantriebsachse stellt eine rein elektrisch angetriebene Zusatzachse dar, deren Antriebsleistung zur Bereitstellung einer zusätzlichen Antriebsleistung wahlweise zuschaltbar ist, die zusätzlich zu einer Antriebsleistung der Primärantriebsachse bereitgestellt wird. Wie vorstehend bereits festgestellt wurde, handelt es sich somit um eine elektrisch angetriebene Achse (Zusatzachse), die nur einen gewissen Zeitanteil der Fahrleistung eines Fahrzeugs als Traktionsunterstützung dient, um die Primärantriebsachse bei Bedarf zu unterstützen. Dagegen ist die Primärantriebsachse immer aktiv, wenn eine Antriebsleistung bereitgestellt werden muss.

Die Sekundärantriebsachse wird von mindestens einer elektrischen Maschine als Antriebsquelle angetrieben, wobei eine Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse mittels einer Kupplungseinrichtung wahlweise hergestellt oder unterbrochen werden kann. Mittels der Kupplungseinrichtung können Antriebskomponenten der elektrisch angetriebenen Zusatzachse, insbesondere die mindestens eine elektrische Maschine, bei Nichtbenutzung von den mitrotierenden Rädern abgekoppelt werden, um damit Verschleiß und Reibungsverluste zu minieren. Vorteilhaft kann ohne Einschränkung der Funktion auf einfachere Komponenten zurückgegriffen werden. Setzt man beispielhaft einen Anteil der Sekundärantriebsachse von 20 % der Gesamtlebensdauer als aktiv oder in Bereitschaft voraus, kann man gegenüber einem durchgehend mitlaufenden System wesentlich einfachere Komponenten im Sinn der individuellen Betriebszeit bei gleicher Leistung verwenden.

Das Verfahren umfasst ein Ansteuern der mindestens einen elektrischen Maschine und der Kupplungseinrichtung zur Realisierung mindestens eines Betriebsmodus, in dem die mindestens eine elektrische Maschine mit einer Drehzahl größer Null betrieben wird und kein oder im Wesentlichen kein Antriebsmoment oder Schleppmoment auf die Sekundärantriebsachse erzeugt.

Durch diesen mindestens einen Betriebsmodus wird in Phasen, in denen die Sekundärantriebsachse keine Antriebsleistung bereitstellen soll, ein Betriebsverhalten der Antriebskomponenten der Sekundärantriebsachse erzeugt, das ein schnelles bedarfsgerechtes Zuschalten des durch die Sekundärantriebsachse bereitgestellten Zusatzantriebes ermöglicht und das gleichzeitig Verschleiß und Reibungsverluste möglichst gering hält.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine Betriebsmodus einen ersten Betriebsmodus, in dem die Kupplungseinrichtung geöffnet ist (zur Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse) und indem die mindestens eine elektrische Maschine mit einer Drehzahl betrieben wird, die klein ist und/oder die in einem Bereich zwischen 0 U/min und 100 U/min liegt.

Vorteilhaft werden durch diesen ersten Betriebsmodus effektiv Schäden an z. B. Lagern, die durch schwellende, hochfrequente statische Lasten auf Komponenten der Sekundärantriebsachse wirken, vermieden. Gleichzeitig ist der Leistungsbedarf für diesen Betriebsmodus im Vergleich zum Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs vernachlässigbar.

Unter einer „kleinen“ Drehzahl wird eine Drehzahl > 0 U/min verstanden, die hinreichend klein ist, um Schlepp- bzw. Leerlaufverluste der Sekundärantriebsachse zu minieren, wenn bei offener Kupplungseinrichtung keine Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse besteht. Durch die Drehzahl > 0 U/min bei gleichzeitig offener Kupplungseinrichtung kann eine Bauteilschädigung durch statische Belastung vermieden werden, die ansonsten bei einer Drehzahl = null, z. B. ruhende Lager u. U. überproportional schädigen können (statische Punktlast auf Rollkörper). Durch die geringe Drehzahl wird somit eine Bauteilschädigung durch statische Belastung vermieden. In diesem ersten Betriebsmodus wird somit die mindestens eine elektrische Maschine bewusst mit kleiner Drehzahl in Bewegung gehalten, obwohl diese keine Antriebsleistung erzeugen soll, um mögliche Lagerbelastungen und -Schäden zu vermeiden, die ansonsten bei vollständig ruhender elektrischer Maschine entstehen würden.

Vorzugsweise wird der erste Betriebsmodus bei fahrendem Kraftfahrzeug und/oder einer Fahrgeschwindigkeit, die größer ist als eine vorbestimmte Mindestgeschwindigkeit, eingesetzt. Die vorbestimmte Mindestgeschwindigkeit kann beispielweise einen Wert aufweisen, der in einem Bereich zwischen 5 km/h und 50 km/h liegt.

In einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Betriebsmodus einen zweiten Betriebsmodus umfassen, in dem die Kupplungseinrichtung geöffnet ist (zur Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse) und indem die mindestens eine elektrische Maschine mit einer Drehzahl betrieben wird, die an eine Raddrehzahl der Sekundärantriebsachse angepasst ist. In diesem zweiten Betriebsmodus besteht somit aufgrund der offenen Kupplungseinrichtung wie beim ersten Betriebsmodus keine Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse. Unter einer an die Raddrehzahl angepassten Drehzahl der elektrischen Maschine wird eine Drehzahl verstanden, die - unter Berücksichtigung ggf. vorhandener Über- und/oder Untersetzungsstufen -, ein möglichst ruckfreies Schließen der Kupplungseinrichtung ermöglicht. Zudem oder alternativ kann unter einer an die Raddrehzahl der Sekundärantriebsachse angepassten Drehzahl eine Drehzahl verstanden werden, die der Raddrehzahl der Sekundärachse ähnlich, aber nicht zwingend gleich ist. Bei „gleicher“ Drehzahl sollte bevorzugt sichergestellt werden, dass die formschlüssige Kupplung, z. B. die Klauenkupplung, bei Aktivierung einrücken kann und nicht blockiert („Berg auf Berg“). Entsprechend sollte bevorzugt eine Eingangsgröße auch die relative Drehwinkelposition beider Kupplungshälften erfassen. Dies kann umgangen werden, indem bewusst eine kleine Differenzdrehzahl vorgegeben wird, damit z.B. die Klaue in hinreichend kurzer Zeit einrückt, ohne einen „zu großen“ Schaltstoß (Drehwinkelbeschleunigung im Moment des Einrückvorgangs) zu erzeugen.

Aufgrund der angepassten Drehzahl ist jedoch im Vergleich zum ersten Betriebsmodus ein schnelleres Zuschalten des durch die Sekundärantriebsachse bereitgestellten Zusatzantriebs möglich. Dagegen ist der Leistungsbedarf für diesen zweiten Betriebsmodus höher als im ersten Betriebsmodus.

In einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Betriebsmodus einen dritten Betriebsmodus umfassen, in dem die Kupplungseinrichtung geschlossen ist (zur Herstellung der Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse) und in dem die mindestens eine elektrische Maschine in einem lastfreien Betriebsmodus betrieben wird. Im dritten Betriebsmodus erzeugt die Sekundärantriebsachse keine Antriebs- und keine Rekuperationsleistung, kann jedoch jederzeit besonders schnell bedarfsgerecht zugeschaltet werden. Die Zuschaltung der durch die Sekundärantriebsachse bereitgestellten zusätzlichen Antriebsleistung kann noch schneller als im zweiten Betriebsmodus erfolgen, dafür sind Verschleiß- und Wirkungsgradverluste im dritten Betriebsmodus in Kauf zu nehmen. Beispielsweise kann die mindestens eine elektrische Maschine in dem lastfreien Betriebsmodus unbestromt sein oder lediglich zum Ausgleich von internen Lagerverlusten und/oder des Schleppmoments der mindestens einen elektrischen Maschine bestromt werden.

Die vorstehend beschriebenen Betriebsmodi (erster, zweiter und dritter Betriebsmodus) zeichnen sich somit dadurch aus, dass in Phasen, in denen die Sekundärantriebsachse keine Antriebsleistung bereitstellen soll, ein Betriebsverhalten der Antriebskomponenten der Sekundärantriebsachse erzeugt wird, bei dem insbesondere die elektrische Maschine nicht ruht, d. h. deren Drehzahl größer null ist, um ein schnelles bedarfsgerechtes Zuschalten des durch die Sekundärantriebsachse bereitgestellten Zusatzantriebes zu ermöglichen und/oder gleichzeitig Lagerbelastungen und Verschleiß möglichst gering zu halten.

Das Verfahren zur Steuerung der bedarfsweise antreibbaren Sekundärantriebsachse kann ferner zwei weitere Betriebsmodi umfassen, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.

In einem weiteren optionalen Betriebsmodus ist die Kupplungseinrichtung geöffnet und die mindestens eine elektrische Maschine ausgeschaltet, so dass diese ruht und deren Drehzahl null ist. Dieser Zustand ist aus Gesamtwirkungsgradsicht optimal, wenn kein zusätzlicher Traktionsbedarf besteht, da unnötige Schleppmomente minimiert werden. Andererseits entstehen im Vergleich zum ersten Betriebsmodus Belastungen auf z. B. ruhende Lager etc., die diese u. U. überproportional schädigen können. Der Einsatz dieses Betriebsmodus kann bei sehr langsamer Fahrt vorteilhafter sein als der erste Betriebsmodus, weil hier die möglichen Lagerbelastungen gering sind, während der Einsatz des ersten Betriebsmodus bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, die größer als die vorstehend genannte Mindestgeschwindigkeit sind, vorteilhafter sein kann.

In einem weiteren Betriebsmodus ist die Kupplungseinrichtung geschlossen und es liegt ein Drehmoment an den Rädern der Sekundärantriebsachse an, welches durch die mindestens eine elektrische Maschine erzeugt wird, so dass diese eine zusätzliche Antriebsleistung oder eine Rekuperationsleistung bereitstellen kann.

Nachfolgend werden weitere, konstruktiv vorteilhafte Ausführungsvarianten der Sekundärantriebsachse beschrieben.

Die Kupplungseinrichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine formschlüssige Kupplung, weiter vorzugsweise eine Klauenkupplung. Dies ermöglicht einen großen Wirkungsgrad bei minimalem Bauraum. Die Klauenkupplungen können entweder im Stillstand oder durch lastfreies Hochlaufen der mindestens einen elektrischen Maschine auch in Bewegung eingelegt werden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine elektrische Maschine lediglich eine elektrische Maschine, die vorzugsweise mit einer Eingangswelle eines Differenzialgetriebes der Sekundärantriebsachse in Antriebsverbindung steht und/oder bringbar ist. Optional kann ein Untersetzungsgetriebe zwischen der elektrischen Maschine und der Eingangswelle und/oder den Rädern der Sekundärantriebsachse angeordnet sein.

Die Kupplungseinrichtung kann eine Kupplung umfassen, die zwischen der elektrischen Maschine und dem Differenzialgetriebe der Sekundärantriebsachse angeordnet ist. Anders ausgedrückt, ist eine Kupplung direkt an oder möglichst nahe an der elektrischen Maschine angeordnet. Vorteilhaft kann mit einem einzelnen Kupplungselement die komplette Achse zu- und abgekoppelt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Integration der Kupplung nahe der elektrischen Maschine die Kombination mit existierenden Achskonzepten, z. B. aus dem Portfolio der konventionellen Allradachsen, erleichtert, da diese i. d. R. über keine integrierten Kupplungselemente für die Zu- und Abkopplung verfügen.

Alternativ oder zusätzlich kann die Kupplungseinrichtung zwei Kupplungen umfassen, die an jeweils einer von zwei Radantriebswellen angeordnet sind. Bei den Radantriebswellen handelt es sich um Antriebswellen, über die die Räder der Sekundärantriebsachse in Antriebsverbindung mit dem Differenzialgetriebe stehen. Die Kupplungen können an einem radseitigen Endbereich der Radantriebswellen angeordnet sein. Vorteilhaft ist somit jeweils eine Kupplung so nah wie möglich am Rad oder Radteil angeordnet oder ins Rad oder Radteil integriert. Vorteilhaft von dieser Anordnung ist die Minimierung der Schleppverluste bei abgekoppeltem Zusatzantrieb. Aufgrund der rad-nahen Anordnung der Kupplung ist es ferner vorteilhaft, den Kupplungsstatus des Schaltelementes jederzeit zu kennen, um ungewollte Auswirkungen auf die Längsdynamik, durch z. B. einseitigen Vortrieb aufgrund eines Kupplungsfehlers, zu vermeiden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die mindestens eine elektrische Maschine zwei elektrische Maschinen. Gemäß einer möglichen Ausführungsvariante hiervon wird eine der beiden Radseiten der Sekundärantriebsachse von einer der beiden elektrischen Maschinen angetrieben und die andere der beiden Radseiten von der anderen der zwei elektrischen Maschinen angetrieben. Entsprechend besteht keine mechanische Wirkverbindung zwischen den beiden Radseiten. Beispielsweise können die zwei elektrischen Maschinen über jeweils ein der jeweiligen elektrischen Maschine zugeordnetes Winkelgetriebe eine Radantriebswelle antreiben. Das Winkelgetriebe kann ein untersetzendes Winkelgetriebe sein.

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante können die beiden elektrischen Maschinen auch parallel wirkend ein Achsdifferenzial (Differenzialgetriebe) der Sekundärachse antreiben, das in Antriebsverbindung mit beiden Radseiten der Sekundärantriebsachse steht und/oder bringbar ist.

Es wird ferner betont, dass die mindestens eine elektrische Maschine, insbesondere eine Ausgangswelle der mindestens einen elektrischen Maschine, orthogonal zur Sekundärantriebsachse, parallel zur Sekundärantriebsachse, z. B. vor oder hinter der Sekundärantriebsachse, oder koaxial zur Sekundärantriebsachse, z. B. links oder rechts von einer Symmetrieebene der Sekundärantriebsachse, angeordnet sein kann. Optional kann jeweils ein Untersetzungsgetriebe zwischen den elektrischen Maschinen und einer Eingangswelle und/oder den Rädern der Sekundärantriebsachse angeordnet sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Offenbarung kann die Kupplungseinrichtung zwei Kupplungen umfassen, die jeweils zwischen einer der zwei elektrischen Maschinen und der Sekundärantriebsachse angeordnet sind. Vorteilhaft kann mit zwei einzelnen Kupplungen die komplette Sekundärantriebsachse zu- und abgekoppelt werden. Beispielsweise kann jeweils eine der Kupplungen zwischen einer der elektrischen Maschinen und einem Untersetzungsgetriebe der Sekundärantriebsachse angeordnet sein.

Alternativ oder zusätzlich kann die Kupplungseinrichtung zwei Kupplungen umfassen, die an jeweils einer der beiden Radantriebswellen angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die beiden Kupplungen jeweils an einem radseitigen Endbereich jeweils einer der beiden Radantriebswellen angeordnet und/oder so nah wie möglich am Rad oder Radteil angeordnet oder ins Rad oder Radteil integriert. Vorteilhaft von dieser Ausführungsvariante ist wiederum die Minimierung der Schleppverluste bei abgekoppeltem Zusatzantrieb.

Ein zweiter allgemeiner Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend eine permanent angetriebene Primärantriebsachse und eine bedarfsweise antreibbare Sekundärantriebsachse. Die Sekundärantriebsachse wird von mindestens einer elektrischen Maschine als Antriebsquelle angetrieben, wobei eine Wirkverbindung zwischen der mindestens einen elektrischen Maschine und den Rädern der Sekundärantriebsachse mittels einer Kupplungseinrichtung wahlweise hergestellt oder unterbrochen werden kann. Das Kraftfahrzeug umfasst ferner eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der mindestens einen elektrischen Maschine und der Kupplungseinrichtung, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren, wie hierin beschrieben und offenbart, auszuführen.

Vorzugsweise kann sich der Begriff „Steuervorrichtung“ auf eine Elektronik (z. B. ausgeführt als eine Treiberschaltung oder mit Mikroprozessor(en) und Datenspeicher) und/oder eine mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Steuerung beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben und/oder Verarbeitungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ und/oder „Verarbeiten“ umfasst bzw. gemeint sein.

Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein rein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Entsprechend kann die Primärantriebsachse ebenfalls eine rein elektrisch angetriebene Achse sein. Die Primärantriebsachse und die Sekundärantriebsachse werden von unterschiedlichen elektrischen Maschine angetrieben.

Das Kraftfahrzeug kann ein Nutzfahrzeug sein, vorzugsweise ein rein elektrisch angetriebenes Nutzfahrzeug. Ein Nutzfahrzeug ist ein Fahrzeug, das durch seine Bauart und Einrichtung zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. So kann das Fahrzeug z. B. ein Lastkraftwagen, ein Sattelzug und/oder ein Omnibus sein.

Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen rein vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein und umgekehrt. Die vorgenannten Aspekte und erfindungsgemäßen Merkmale, insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung des Verfahrens zur Steuerung der Sekundärantriebsachse gelten somit auch für die das Kraftfahrzeug und die Steuervorrichtung.

Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Draufsicht einer Sekundärantriebsachse und eine Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; Figur 2 eine stark schematische Darstellung einer Steuervorrichtung zur Illustration eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;

Figur 3 bis 5 jeweils eine schematische Draufsicht einer Sekundärantriebsachse und einer Steuervorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung; und

Figur 6 ein Kraftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.

Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Sekundärantriebsachse 10 und eine Steuervorrichtung 5 eines mehrachsangetriebenen Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug wird nachfolgend noch in Zusammenhang mit der Figur 6 näher beschrieben.

Die Sekundärantriebsachse 10 stellt eine rein elektrisch angetriebene Zusatzachse dar, deren Antriebsleistung wahlweise zur Bereitstellung einer zusätzlichen Antriebsleistung zuschaltbar ist, die zusätzlich zu einer Antriebsleistung einer Primärantriebsachse bereitgestellt wird.

Die Sekundärantriebsachse 10 wird in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von zwei elektrischen Maschinen 12 als Antriebsquelle angetrieben. Die elektrischen Maschinen 12 sind in Längsrichtung des Fahrzeugs auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Achskörpers 17 der Sekundärantriebsachse 10 angeordnet. Die Sekundärantriebsachse 10 ist vorliegend als Starrachse ausgeführt. Die elektrischen Maschinen 12 sind jeweils über ein Untersetzungsgetriebe 14 mit einer Eingangswelle eines Winkelgetriebes 15 antriebsmäßig verbunden. In die Sekundärantriebsachse sind vorliegend zwei solcher Winkelgetriebe 15 integriert, die jeweils mit einer der beiden Radantriebsachsen 16 antriebstechnisch verbunden sind. Die Winkelgetriebe sind bevorzugt untersetzende Winkelgetriebe 15. Jede der beiden Radseiten der Sekundärantriebsachse wird somit nur von einer der beiden elektrischen Maschine 12 angetrieben. Entsprechend besteht keine mechanische Wirkverbindung zwischen den beiden Radseiten der Sekundärantriebsachse 10. Im Beispiel der Figur 1 sind die beiden elektrischen Maschinen 12 orthogonal zur Sekundärantriebsachse 10 angeordnet. Es versteht sich, dass die elektrischen Maschinen 10 alternativ auch parallel zur Sekundärantriebsachse 10, z. B. vor oder hinter der Sekundärantriebsachse 10, oder koaxial zur Sekundärantriebsachse 10, z. B. links oder rechts von einer Symmetrieebene der Sekundärantriebsachse 10, angeordnet sein können.

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante (nicht dargestellt) können die beiden elektrischen Maschinen auch parallel wirkend ein Achsdifferenzial (Differenzialgetriebe) der Sekundärachse antreiben, das in Antriebsverbindung mit beiden Radseiten der Sekundärantriebsachse steht und/oder bringbar ist.

Ferner ist eine Kupplungsrichtung 13 vorgesehen, mittels derer eine Wirkverbindung zwischen den elektrischen Maschinen 12 und den Rädern 3 der Sekundärantriebsachse 10 wahlweise hergestellt (Kupplungseinrichtung 13 geschlossen) oder unterbrochen (Kupplungseinrichtung 13 geöffnet) werden kann. Anders ausgedrückt, können mittels der Kupplungseinrichtung 13 Antriebskomponenten der elektrisch angetriebenen Zusatzachse 10, insbesondere die elektrischen Maschinen 12 und die Untersetzungsgetriebe 14, bei Nichtbenutzung von den mitrotierenden Rädern 3 abgekoppelt werden, um damit Verschleiß und Reibungsverluste zu minieren.

Die Kupplungseinrichtung 13 umfasst im Ausführungsbeispiel der Figur 1 beispielhaft zwei Kupplungen 13b, die an einem radseitigen Endbereich jeweils einer der beiden Radantriebswellen 16 angeordnet sind und/oder so nah wie möglich am Rad 3 oder Radteil angeordnet oder ins Rad oder Radteil integriert sind. Die Kupplungsaktuatorik der Kupplungseinrichtung 13 kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektrisch oder als Kombination davon realisiert sein. Die Kupplungen 13b sind hier bevorzugt als Klauenkupplungen ausgeführt. Die Räder 3 sind über Kreuzgelenke 18 an die Radantriebswellen 16 angelenkt.

Ferner ist eine Steuervorrichtung 5 vorgesehen, die über Steuerleitungen (dargestellt als gestrichelte Linien) mit den Kupplungen 13b und den elektrischen Maschinen 12 signaltechnisch in Verbindung steht. Die Steuervorrichtung 5 ist ausgebildet, die elektrischen Maschinen 12 und die Kupplungen 13b anzusteuern, was nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 2 näher ausgeführt wird. Figur 2 zeigt eine stark schematische Darstellung der Steuervorrichtung 5. Anhand von Figur 2 wird ferner ein Verfahren zur Steuerung der Komponenten der Sekundärantriebsachse 10 erläutert.

Das Verfahren umfasst mehrere Betriebsmodi, vorzugsweise die Betriebsmodi 100 - 500, die je nach Betriebssituation des Kraftfahrzeugs ausgewählt werden können, um den Betriebszustand der Sekundärantriebsachse 10 einzustellen, insbesondere um den Betriebszustand der elektrischen Maschinen 12 und der Kupplungseinrichtung 13 bzw. der Kupplungen 13b einzustellen.

Diese Betriebsmodi 100 - 500 sind in der Steuervorrichtung 5 hinterlegt. Anders ausgedrückt ist die Steuervorrichtung 5 programmtechnisch eingerichtet, je nach Betriebssituation des Kraftfahrzeugs gemäß vorab hinterlegter Kriterien einen der Betriebsmodi 100 - 500 auszuwählen und die Komponenten der Sekundärantriebsachse 10 gemäß dem ausgewählten Betriebsmodus anzusteuern.

Eine Besonderheit des gezeigten Ausführungsbeispiels ist, dass die auswählbaren Betriebsmodi zumindest einen der drei Betriebsmodi 100, 200, und 300 umfassen, vorzugsweise alle drei Betriebsmodi 100, 200 und 300 umfassen, bei denen in Phasen, in denen die Sekundärantriebsachse keine Antriebsleistung bereitstellen soll, ein Betriebsverhalten der Antriebskomponenten der Sekundärantriebsachse erzeugt wird, bei dem insbesondere die elektrischen Maschinen 12 nicht ruhen, d. h. deren Drehzahl größer null ist, um ein schnelles bedarfsgerechtes Zuschalten des durch die Sekundärantriebsachse 10 bereitgestellten Zusatzantriebes zu ermöglichen.

Vorzugsweise kann ein erster Betriebsmodus 100 ausgewählt werden, gemäß dem die Steuervorrichtung 5 die Kupplungseinrichtung 13 so ansteuert, dass diese geöffnet ist (zur Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen den elektrischen Maschinen 12 und den Rädern 3 der Sekundärantriebsachsel 0) und indem die elektrischen Maschinen 12 mit einer Drehzahl betrieben wird, die klein ist und/oder die in einem Bereich zwischen 0 U/min und 100 U/min liegt.

Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass mit diesem ersten Betriebsmodus 100 auch in Betriebsphasen, in denen die elektrischen Maschinen 12 keine zusätzliche Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug erzeugen sollen, bewusst mit kleiner Drehzahl in Bewegung gesetzt werden, um mögliche Lagerbelastungen und -schaden zu vermeiden, die ansonsten bei vollständig ruhenden elektrischen Maschinen 12 entstehen würden.

Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 5 ausgebildet sein, den ersten Betriebsmodus 100 dann auszuwählen bzw. umzusetzen, wenn das Kraftfahrzeug mit einer Fahrgeschwindigkeit fährt, die größer ist als eine vorbestimmte Mindestgeschwindigkeit, und wenn die Sekundärantriebsachse 10 keine zusätzliche Antriebs- oder Rekuperationsleistung bereitstellen soll.

Vorzugsweise kann ferner ein zweiter Betriebsmodus 200 ausgewählt werden, gemäß dem die Steuervorrichtung 5 die Kupplungseinrichtung 13 so ansteuert, dass diese geöffnet ist (zur Unterbrechung der Wirkverbindung zwischen den elektrischen Maschinen 12 und den Rädern 3 der Sekundärantriebsachsel 0) und indem die mindestens eine elektrische Maschine mit einer Drehzahl betrieben wird, die an eine Raddrehzahl der Sekundärantriebsachse angepasst ist.

Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 5 ausgebildet sein, den zweiten Betriebsmodus 200 dann auszuwählen bzw. umzusetzen, wenn zuvor der erste Betriebsmodus 100 eingestellt wurde und z. B. anhand weiterer Betriebsparameter ermittelt wird, dass zwar die Sekundärantriebsachse 10 (noch) keine zusätzliche Antriebs- oder Rekuperationsleistung bereitstellen soll, die jedoch wahrscheinlicher geworden ist.

Vorzugsweise kann ferner ein dritter Betriebsmodus 300 ausgewählt werden, gemäß dem die Steuervorrichtung 5 die Kupplungseinrichtung 13 so ansteuert, dass diese geschlossen ist (zur Herstellung der Wirkverbindung zwischen den elektrischen Maschinen 12 und den Rädern 3 der Sekundärantriebsachsel 0) und indem die beiden elektrischen Maschinen 12 in einem lastfreien Betriebsmodus betrieben werden. Beispielsweise können die elektrischen Maschinen 12 in dem lastfreien Betriebsmodus unbestromt sein oder lediglich zum Ausgleich von internen Lagerverlusten und/oder des Schleppmoments der mindestens einen elektrischen Maschine bestromt werden.

Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 5 ausgebildet sein, den dritten Betriebsmodus 300 dann auszuwählen bzw. umzusetzen, wenn zuvor der erste Betriebsmodus 200 eingestellt wurde oder alternativ hierzu, um die Sekundärantriebsachse 10 in einen Bereitschaftszustand zu versetzen, in dem jederzeit ein möglichst bedarfsgerechtes Zuschalten eines durch die Sekundärantriebsachse erzeugten Zusatzantriebsmoments oder Rekuperationsmoments möglich ist.

Das Verfahren zur Steuerung der bedarfsweise antreibbaren Sekundärantriebsachse kann ferner zwei weitere, an sich bekannte Betriebsmodi 400 und 500 umfassen, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.

In einem weiteren optionalen Betriebsmodus 400 ist die Kupplungseinrichtung 13 geöffnet und die elektrischen Maschinen 12 sind ausgeschaltet bzw. deren Drehzahl ist null. Dieser Zustand ist aus Gesamtwirkungsgradsicht optimal, wenn kein zusätzlicher Traktionsbedarf besteht, da unnötige Schleppmomente minimiert werden. Andererseits entstehen im Vergleich zum ersten Betriebsmodus Belastungen auf z. B. ruhende Lager etc., die diese u. II. überproportional schädigen können. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 5 ausgebildet sein, diesen Betriebsmodus 400 bei sehr langsamer Fahrt einzustellen, weil hier die möglichen Lagerbelastungen gering sind.

In einem weiteren Betriebsmodus 500 ist die Kupplungseinrichtung 13 geschlossen und es liegt ein Drehmoment an den Rädern 3 der Sekundärantriebsachse an, welches durch die elektrischen Maschinen 12 erzeugt wird, so dass diese eine zusätzliche Antriebsleistung oder eine Rekuperationsleistung bereitstellen können. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 5 ausgebildet sein, diesen Betriebsmodus 500 immer dann einzustellen, wenn zur Unterstützung der Primärantriebsachse ein zusätzliches Antriebs- oder Rekuperationsmoment von der Sekundärantriebsachse 10 bereitgestellt werden soll.

Die Steuervorrichtung 5 steht in Signalverbindung mit mehreren Sensoren 13c, 3a, 12a, 15a, etc. um von diesen Betriebsdaten zu erhalten. Anhand der Betriebsdaten kann von der Steuervorrichtung 5 überprüft werden, ob der Ist-Betriebszustand der elektrischen Maschinen 12 und der Kupplungseinrichtung 13 mit dem von der Steuervorrichtung 5 vorgegebenen Soll- Betriebszustand übereinstimmt. So melden beispielsweise Sensoren 13c an der/den Kupplung/en 13b den Kupplungsstatus an die Steuervorrichtung 5 zurück. Ferner können Daten eines Drehzahlsensors 15a eines Winkelgetriebes 15 oder Differenzialgetriebes 19, von Drehzahlsensoren 3a an den Radteilen 3 und von Drehzahlsensoren 12a an der/den elektrischen Maschine/n 12 in der Steuervorrichtung 5 verarbeitet werden und neben weiteren Parametern als Steuer- oder Regelgröße dienen, die die Aktuatorik des/der Kupplungssteller/s der Kupplungseinrichtung 13 ansteuert. Somit kann auch während der Fahrt durch zielgerichtete Drehzahlanpassung der elektrischen Maschine/n 12 ein schonendes Ein- und Ausrücken der/s Kupplungselemente/s realisiert werden. Insbesondere bei einer Rad-nahen Anordnung der Kupplungen 13b in Figur 1 (und Figur 5) ist es von Vorteil, den Kupplungsstatus der Kupplungen 13b jederzeit zu kennen, um ungewollte Auswirkungen auf die Längsdynamik durch z. B. einseitigen Vortrieb aufgrund eines Kupplungsfehlers zu vermeiden.

Kombiniert man die hohe Regelgüte und Regelgeschwindigkeit von elektrischen Maschinen optional mit weiteren Eingangsgrößen, z. B. einem Strecken profil durch GPS, Beschleunigungs-Sensorik, Umgebungswahrnehmung (visuelle Erkennung, Temperatur), Fahrzeugstatus (z. B. aktueller Leistungsbedarf bzw. Beschleunigungsanforderung) sowie den vorstehend beschriebenen Betriebsmodi, insbesondere dem dritten Betriebsmodus, lässt sich eine Traktionsunterstützung realisieren, die automatisiert und hochdynamisch, d. h. ohne Verzögerung, eingreifen kann.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, die sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 lediglich durch die Anzahl der elektrischen Maschinen 12 und/oder der Anzahl und Anordnung der Kupplungen der Kupplungseinrichtung 13 unterscheiden, so dass nachfolgend nur auf diese Besonderheiten Bezug genommen wird.

Die Ausführungen zur Steuervorrichtung 5 und zum Verfahren bzw. der Betriebsmodi 100 bis 500 gelten analog wie in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, wobei anstatt zwei elektrischer Maschinen 12 und zwei Kupplungen in den Figuren 4 und 5 nur eine elektrische Maschine 12 und nur eine Kupplung angesteuert wird.

Im Vergleich zur Figur 1 liegt die Besonderheit der Sekundärantriebsachse 10 der Figur 3 darin, dass jeweils eine Kupplung 13a direkt an oder möglichst nahe an der elektrischen Maschine 12 angeordnet ist. Vorteilhaft kann mit zwei Kupplungen 13a die komplette Achse zu- und abgekoppelt werden.

Im Vergleich zur Figur 3 liegt die Besonderheit der Sekundärantriebsachse 10 der Figur 4 darin, dass nur eine elektrische Maschine 12 (anstatt zwei) vorgesehen ist. Entsprechend ist auch nur eine Kupplung 13a vorgesehen, die direkt an oder möglichst nahe an der elektrischen Maschine 12 angeordnet ist. Vorteilhaft kann mit einer Kupplung 13a die komplette Achse zu- und abgekoppelt werden. Ein weiterer Unterschied ist, dass die elektrische Maschine 12 über ein in die Sekundärantriebsachse 10 integriertes Achsdifferenzial 19 in Antriebsverbindung mit beiden Radseiten der Sekundärantriebsachse steht und/oder bringbar ist. Im Vergleich zur Figur 4 liegt die Besonderheit der Sekundärantriebsachse 10 der Figur 5 darin, dass anstatt der einen Kupplung 13a zwei Kupplungen 13b vorgesehen sind, die an einem radseitigen Endbereich jeweils einer von zwei Radantriebswellen 16 angeordnet sind.

Die Figur 6 zeigt ein Kraftfahrzeug 1. Das Kraftfahrzeug 1 ist vorzugsweise als ein Nutzfahrzeug, z. B. ein Lastkraftwagen oder ein Omnibus, ausgeführt. Beispielsweise kann der Lastkraftwagen einen (z. B. Lade-) Aufbau aufweisen oder als ein Sattelzugfahrzeug, wie in Figur 1 dargestellt ist, ausgeführt sein.

Das Kraftfahrzeug 1 weist mindestens einen Energiespeicher 6 für elektrische Energie auf. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug 10 rein elektrisch angetrieben. Der Energiespeicher 6 kann als eine Traktionsbatterie zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Bevorzugt kann der Energiespeicher 6 an einem Fahrzeugrahmen des Kraftfahrzeugs 1 angebracht sein. Der Fahrzeugrahmen kann beispielsweise als Gitterrahmen oder bevorzugt als Leiterrahmen ausgeführt sein.

Das Kraftfahrzeug umfasst eine permanent angetriebene Primärantriebsachse 2, und die bedarfsweise antreibbare Sekundärantriebsachse 10, die von mindestens einer elektrischen Maschine als Antriebsquelle angetrieben wird. Die Primärantriebsachse 2 stellt die Hauptantriebsachse dar. Die Sekundärantriebsachse 10 kann ausgeführt sein, wie es z. B. in den Figuren 1 und 3 bis 5 dargestellt ist. Die Sekundärantriebsachse 10 stellt eine elektrisch angetriebene Zusatzachse dar, deren Antriebsleistung wahlweise zur Bereitstellung einer zusätzlichen Antriebsleistung zuschaltbar ist.

Die Sekundärantriebsachse 10 kann beispielsweise eine Vorderachse (wie in Figur 6 gezeigt) oder eine Vorlaufache oder Nachlaufachse, entweder starr oder ebenfalls gelenkt, sein. Die Sekundärachse kann aus konstruktiver Sicht auch eine bauliche Kopie der Primärachse sein, ergänzt um die Kupplungsfunktion und Ansteuerung zur Realisierung des mindestens einen Betriebsmodus, wie es hierin beschrieben ist. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ferner die Steuervorrichtung 5 zur Ansteuerung der mindestens einen elektrischen Maschine 12 und der Kupplungseinrichtung 13, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, das Verfahren wie vorstehend beschrieben auszuführen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart.

Bezugszeichenliste

1 Kraftfahrzeug, beispielsweise Nutzfahrzeug

2 Primärantriebsachse

3 Räder

3a Raddrehzahlsensor

4 Energiespeicher für elektrische Energie

5 Steuervorrichtung

6 Speichervorrichtung für elektrische Energie

10 Sekundärantriebsachse

11 Räder

12 Elektrische Maschine

12a Drehzahlsensor E-Maschine

13 Kupplungseinrichtung

13a Klauenkupplung

13b Klauenkupplung

13c Kupplungssensor

14 Untersetzungsgetriebe

15 Winkelgetriebe

15a Drehzahlsensor des Winkelgetriebes oder Differenzialgetriebes

16 Radantriebswelle

17 Achskörper

18 Kreuzgelenk

19 Differenzialgetriebe

100 Erster Betriebsmodus

200 Zweiter Betriebsmodus

300 Dritter Betriebsmodus

400 Vierter Betriebsmodus

500 Fünfter Betriebsmodus