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30.06.2017 | Fahrzeugsicherheit | Nachricht | Online-Artikel

ZF integriert elektrischen Antrieb in die Hinterachse

verfasst von: Angelina Hofacker

7 Min. Lesedauer
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Ein modulares Achssystem von ZF soll dank eines integrierten elektrischen Antriebs den Weg zu null lokalen Emissionen bereiten. Diese und weitere Technologien wird der Zulieferer auf der IAA im September im sogenannten Vision Zero Vehicle vorstellen.

Das Konzeptfahrzeug "Vision Zero Vehicle" dient als Plattform für all die Technik, die ZF dieses Jahr auf der IAA Pkw in Frankfurt vorstellen wird. Die Vision Null bezieht der Automobilzulieferer sowohl auf die Anzahl von Unfällen als auch auf lokale Emissionen zukünftiger Fahrzeuge.

So könnte für das lokal emissionsfreie Fahren künftig ein von ZF entwickeltes elektrisches Achsantriebssystem mit 150 kW Leistung sorgen. Die Antriebseinheit kombiniert die elektrische Maschine, ein zweistufiges Eingang-Stirnradgetriebe, ein Differenzial sowie die Leistungselektronik. Das Modul sitzt in einem vom Zulieferer entwickelten Hinterachs-Baukastensystem namens mStars (modular Semi-Trailing Arm Rear Suspension). Das modulare Achssystem soll die Elektrifizierung von Serienfahrzeug-Plattformen unterschiedlicher Segmente besonders einfach und flexibel machen. Der Einsatz in Hybrid-, Brennstoffzellen- sowie batteriebetriebenen Fahrzeugen ist ZF zufolge ebenso möglich wie die Kombination mit konventionellen Allradmodulen oder der aktiven Hinterachslenkung von ZF (AKC). Damit könnten Fahrzeughersteller mit nur einer Karosserievariante äußerst variabel auf verschiedene Marktanforderungen reagieren.

Anzahl der Plattformvarianten verringern

Nur geringe Änderungen an der Karosserie seien nötig, um das System anstelle konventioneller Achsen in Fahrzeugen zu verbauen. Ist das System von ZF integriert, lassen sich den Entwicklern zufolge damit die Anzahl der Plattformvarianten reduzieren und zugleich deren Möglichkeiten modular erweitern. Das unterstreiche die Umsetzung in dem für die IAA entwickelten Konzeptfahrzeug Vision Zero Vehicle. Hierbei dient eine Serienplattform für Kompakt- und Mittelklassefahrzeuge als Ausgangsbasis. Das System haben die Entwickler bei dieser Umsetzung im Hilfsrahmen untergebracht. Alternativ lasse sich die Achse auch als nichtangetriebene Variante oder mit klassischem Achsantrieb für Hecktriebler oder Allradversionen einsetzen.

In Hinblick auf Fahrdynamik und Sicherheit entspreche die mStars-Achse in der Grundvariante dem Niveau aufwendiger konventioneller Mehrlenkerachsen für kompakte Premium- und Sportfahrzeuge. Über die aktive Hinterachslenkung (AKC), die sich mit allen modularen Achskonfigurationen kombinieren lässt, könne die Agilität, der Komfort und die Stabilität gesteigert werden. Weil die Hinterräder mitlenken, könnten auch fortschrittliche Assistenzsysteme besser regeln.

Intelligente Fahrwerktechnik

Eine weitere Technik, die ZF im Vision Zero Vehicle verbaut hat, ist die Integral Chassis Control (ICC). Das System vernetzt die Einzelsysteme des Fahrwerks. ICC agiere somit im Regelverbund und steuere das Optimum bezüglich der Domänen in Quer-, Längs- und Vertikaldynamik. Durch die optimale Vernetzung der einzelnen Aktuatoren können sich auch neue Funktionen ergeben, beispielsweise Notlenkassistenten (Emergency Steering), der Ausgleich von unerwünschten Anhängerbewegungen (Trailer Stabilization) und eine Verringerung des Wendekreises sowie vertikaler Bewegungen. Das soll nicht nur zu einem Plus an Sicherheit führen, sondern bereite auch der Akzeptanz autonomer Fahrfunktionen den Boden. Denn durch die nach dem Plug-and-Play-Prinzip definierten Schnittstellen zu Advanced Driving Assistance Systems (ADAS) und deren Aktuatoren lasse sich die ICC zudem skalierbar einsetzen.

Technologien für komfortables autonomes Fahren

Die Lenkung, Radführung, Lagerung, Dämpfung, Federung, Stabilisatoren und Bremsen bestimmen maßgeblich das Fahrgefühl und Handling eines Fahrzeugs. Ein gutes Fahrwerk kann also das NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness) verbessern, Schwingungen und Geräusche vermindern oder verhindern, die von den Insassen als störend empfunden werden. Insbesondere in Hinblick auf automatisierte Fahrfunktionen, kann ein spürbares Schlagloch oder eine Bodenwelle Skepsis gegenüber dem Autopiloten aufkommen lassen, wissen die Experten von ZF. Hier setzt auch das neue aktive Dämpfungssystem sMotion an, das auf dem Fahrzeugsteuerungssystem Continuous Damping Control (CDC) von ZF aufbaut.

Bei der Neuentwicklung ergänzt an jeder Radaufhängung eine Motor-Pumpen-Einheit den Dämpfer. Diese bidirektionalen Aktuatoren erlauben dem System, Kräfte mit hoher Geschwindigkeit entgegen der Kolbenstangenbewegung zu erzeugen, erklären die Entwickler. Während konventionelle oder semi-aktive Dämpfungen auf Schwingungsanregungen reagieren, könne sMotion mit mehreren Kilo-Newton (skalierbar) aktiv gegen Fahrbahnanregungen wie Schlaglöcher oder Bodenwellen wirken. Dadurch können laut ZF Wank-, Nick- und Hubbewegungen des Fahrzeugaufbaus nahezu vollständig beseitigt werden. Die so gewonnene Stabilität des Aufbaus sorge für mehr Sicherheit und Fahrkomfort. Wenn das Fahrzeug beispielsweise künftig – im autonomen Modus - zu einem mobilen Büro wird, rückt der Komfortanspruch in den Vordergrund. In Kombination mit Sensorik, Steuerungselektronik, Lidar oder Radar könnte das von ZF entwickelte aktive Dämpfungssystem so zukünftig autonome Fahrfunktionen unterstützen.

Die von ZF entwickelte aktive Wankstabilisierung Electromechanical Roll Control (ERC) soll unerwünschte Bewegungen vom Fahrwerk entkoppeln, die sonst bei Kurvenfahrt oder Fahrbahnunebenheiten an den Fahrzeugaufbau weitergegeben würden. Innerhalb von 300 Millisekunden könne der an der Achse installierte 48-V-Elektromotor mit einem Drehmoment von bis zu 1400 Newtonmetern Wankbewegungen des Fahrzeuges ausgleichen. In Kurven soll die Stabilisierung für mehr Sicherheit sorgen, bei einseitigen Fahrbahnunebenheiten für mehr Komfort. Zudem sei ERC dank Gleichteilkonzept für jede Fahrzeugklasse geeignet.

Bei der ZF-Technologie Electro Hydraulic Leveling (eLevel) verstellen vier Aktuatoren den Federteller des Fahrzeugs und können so die Höhe des Pkw-Aufbaus stufenlos justieren. Die Anwendungsmöglichkeiten und Vorzüge reichen von mehr Komfort beim Ein- und Ausstieg ins Fahrzeug, einer effizienteren Überquerung von Hindernissen und Steigungen, einer Ausgleichung der Fahrzeughöhe bei Beladung, einer optimierten Fahrzeugbodenfreiheit beim kontaktlosen Laden von E-Fahrzeugen bis hin zur Verbesserung der Aerodynamik und damit Einsparung der CO2-Emissionen.


Die Vision "Zero Accidents"

Neben den genannten Technologien wird der Automobilzulieferer zudem im Vision Zero Vehicle auf der IAA im September zeigen, wie ZF die Sensorik, Assistenz- und Insassenschutzsystemen integrieren und vernetzen könnte. "Das volle Sicherheitspotenzial automatisierter Fahrzeuge lässt sich nur dann ausschöpfen, wenn alle Systeme wie Sensorik, Assistenz- und Insassenschutzsysteme gemeinsam betrachtet werden und perfekt aufeinander abgestimmt sind", sagte Torsten Gollewski, Leiter zentrale Vorentwicklung bei ZF im Rahmen einer Presseveranstaltung. "Deswegen entwickeln wir ein Umfeld-Sensorset, das sich neben den Fahrszenarien auch an den kritischen Unfallszenarien orientiert", fügte Gollewski hinzu. Damit wolle ZF seine Strategiesäulen "autonomes Fahren" und "Sicherheit" miteinander verbinden.

Eine Herausforderung bleiben ZF zufolge auf absehbare Zeit die extrem kurzen Zeitfenster, die den Sensoren, der Sensorfusion sowie den Aktuatoren zur Verfügung stehen, um potenzielle Unfallrisiken eindeutig zu erkennen und situationsgerecht zu reagieren. Auf der Basis von aktuellen Unfallstatistiken haben ZF-Experten einen Szenarien-Katalog für Frontal- und Seitenaufpralle erstellt und analysiert: In mehr als 60 Prozent der ausgewerteten Fälle lag der Zeitpunkt, an dem eine Kollision unvermeidbar war, bei unter 500 ms vor dem Unfall. In bestimmten Szenarien, etwa bei Gegenverkehr mit hohen Relativgeschwindigkeiten, überwiegend sogar bei unter 300 ms. Innerhalb dieses Zeitraums müssen Fahrzeuge also reagieren, um durch integrierte Sicherheitssysteme zumindest die Auswirkungen des Aufpralls für die Insassen abzumildern. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, entwickele ZF schnell taktende Sensoren sowie ein gestuftes umfassendes Sensorkonzept. Durch seine Aktivitäten in Richtung Car2X/5G will das Unternehmen mittelfristig sogar die nicht per Sensor erkennbaren Unfallszenarien – wie beispielsweise in unübersichtlichen, gewachsenen europäischen Innenstädten – in den Griff bekommen.

Integrierte Sicherheitssysteme bleiben unerlässlich

Um in unvermeidbaren Unfällen Schutz gewährleisten zu können, seien innovative integrierte Sicherheitssysteme erforderlich. An entsprechenden Lösungen arbeite ZF mit Hochdruck, dabei werden auch Schutzsysteme in alternativen Einbauräumen – wie etwa im Dach oder im Sitz – weiterentwickelt und zur Marktreife gebracht. Zusätzlich entwickelt das Unternehmen neue Schutzsysteme wie etwa einen Center-Airbag. Dieser soll übermäßige laterale Kopfbewegungen des Fahrers und Zusammenstöße mit dem Beifahrer beim Seitenaufprall verhindern. Hierbei stellen den Experten zufolge flexibel gestaltbare Fahrzeuginnenräume – beispielsweise durch bewegliche Sitze in automatisiert fahrenden Fahrzeugen – die größte Herausforderung für den Insassenschutz dar.

Eine weitere unerlässliche Voraussetzung für automatisiertes Fahren in den Stufen 3 und 4 sind sichere und eindeutige Übergabeszenarien zwischen Fahrer und Fahrzeug. "Je mehr Bewegungs- und Beschäftigungsfreiheiten die Insassen in automatisierten Fahrzeugen genießen können, umso wichtiger ist aus unserer Sicht die aktive Überwachung desjenigen, der im Bedarfsfall eingreifen soll", so Gollewski. Nur wenn der designierte Fahrzeugführer durch eine entsprechende Sensorik wieder einsatzbereit sei, könnte ihmzufolge die Fahraufgabe – nach einer unmissverständlichen Kommunikation – an den menschlichen Piloten zurückgeben werden.

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