INDUSTRIE ALLRAD

DIE NEUE ALLRADGENERATION VON BMW Die BMW Group verfolgt mit der Strategie EfficientDynamics die nachhaltige Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen bei einer gleichzeitigen Verbesserung der Fahrfunktionen. Mit dem BMW 7er kommt eine neue Generation von Allradantrieben in Serie, die zukünftig als Baukasten auch für andere Baureihen zum Einsatz kommen wird. Mit dieser neuen Generation kann bei gleicher kundenwerter Performance der Kraftstoffverbrauchsunterschied zwischen Allradund Standardantrieb minimiert werden.

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AUTOREN

DR.-ING. MIHIAR AYOUBI

war bis 1. Juli 2010 Leiter Entwicklung Handschaltgetriebe, Allrad und Triebstrang bei der BMW Group in München.

DIPL.-ING. MICHAEL HEITZER

war bis 1. Mai 2010 Leiter Energie-Bordnetz, Fahrdynamik bei der BMW Group in München.

DIPL.-ING. HOLGER FELIX MAYER

ist Leiter Systementwicklung Allrad bei der BMW Group in München.

DIPL.-ING. GERD RIEDMILLER

ist Leiter Integration Bremsregelsysteme bei der BMW Group in München.

FOKUS AUF DEN KRAFTSTOFFVERBRAUCH

Zu den Zielen der BMW Group zählt auch die Nachhaltigkeit. Gerade im Premiumsegment ist absehbar, dass sich die Mobilität deutlich stärker als bisher über den Faktor Nachhaltigkeit definieren wird, beginnend mit der Entwicklung verbrauchsarmer und umweltfreundlicher Antriebe bis hin zu Ressourcenschonung in Produktion, Vertrieb und Wartung entlang des gesamten Produktlebenszyklus. Der Erfolg von Fahrzeugkonzepten, die sich ausschließlich auf die Minderung des Kraftstoffverbrauchs fokussieren, ist aber weitgehend ausgeblieben. Insbesondere im Premiumsegment spielen emotionale Aspekte und die erlebbare Fahrdynamik bei der Kaufentscheidung eine große Rolle. Hier erwartet der Kunde die bestmögliche Auflösung des Zielkonflikts zwischen Verbrauch und Fahrzeugeigenschaften. Für allradgetriebene Fahrzeuge bedeutet dies, dass der Kunde den Mehrverbrauch und die Funktionsmehrungen des Allradantriebs immer stärker gegeneinander abwägen wird. Im Folgenden stellt BMW Maßnahmen am Allradsystem und am Fahrzeugkonzept vor, die die systembedingte Verbrauchsmehrung – soweit wie heute technisch möglich – reduzieren. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf weitere Maßnahmen und die Grenzpotenziale von mechanischen Allradantrieben gegeben. SIMULATIONSBASIERTE VERBRAUCHSOPTIMIERUNG AUF GESAMTFAHRZEUGEBENE

Auch für einen Allradantrieb gilt, dass die singuläre Optimierung eines einzelnen Systems lediglich zu einer begrenzten

Potenzialausnutzung führt [1]. Erst durch die Betrachtung des gesamten Systems kann eine globale statt einer lokalen Optimierung erreicht werden. Die Grundvoraussetzung dafür ist ein detailliertes Verständnis der Wirkketten auf der Fahrzeugebene. Die Identifikation von Stellhebeln und die Beurteilung ihrer Wirksamkeit erfolgen auf Basis von physikalischen Modellen, die in eine Gesamtfahrzeugsimulation eingebettet sind. So lassen sich bereits in der frühen Entwicklungsphase neue Fahrzeugkonzepte in verschiedenen relevanten Lastfällen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs beurteilen. Die identifizierten Ansatzpunkte sind im Anschluss gemäß der Logik in ➊ zu priorisieren: Wichtigster und erster Ansatzpunkt ist die Reduktion des Energiebedarfs von Funktionen. Was nicht benötigt wird, muss auch nicht gewandelt und bereitgestellt werden. Die Verbrauchsoptimierung am Allradsystem liegt auf dieser ersten und wichtigsten Stufe. Auf der zweiten Stufe steht die Vermeidung von Verlusten bei der Energiewandlung. Die dritte Stufe ist die bedarfsgerechte Versorgung von Funktionen. Auch eine effiziente Versorgung sollte nur dann in Anspruch genommen werden, wenn es tatsächlich für die Funktionserfüllung erforderlich ist. Unter Umständen kompensiert eine bedarfsgerechte Versorgung auch schlechtere Wirkungsgrade, je nach Häufigkeit der Verwendung oder Laufzeit einer Funktion. Darüber hinaus sollte Energie, die trotz aller zuvor getroffenen Anstrengungen für den Kunden ungenutzt dissipiert, wieder zurückgewonnen werden (vierte Stufe). Betrachtet man die Ergebnisse der Gesamtfahrzeuganalyse eines Allradfahrzeugs, so erkennt man, dass der Mehrver-

➊ Priorisierung von verbrauchsreduzierenden Maßnahmen am Allradantrieb in den Stufen 1 bis 4 11I2010

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EIGENSCHAFTEN DES NEUEN ALLRAD-BAUKASTENS BMW XDRIVE

➋ Baukasten mit dem Verteilergetriebe ATCx00 (links) als Vorgänger und dem neuen ATCx50 (rechts)

➌ Effizienzmaßnahmen zur Verbrauchsoptimierung des Allradantriebs im Fahrzeug

brauch des Allradantriebs in einen direkten und einen indirekten Anteil aufgeschlüsselt werden kann. Der direkte Anteil beträgt rund 4 bis 5 %. Zum indirekten Anteil mit zirka 5 bis 6 % zählen die Einflüsse des Fahrzeugkonzepts, wie zum Beispiel kürzere Hinterachs-Übersetzungen zur

➍ Schmier- und Kühlungskonzept im Verteilergetriebe ATC450

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Kompensation des Mehrgewichts, oder der erhöhte Luftwiderstand durch einen vergrößerten Fahrzeughöhenstand. Der direkte Anteil beinhaltet die direkt durch das Allradgetriebe verursachten Mehrungen wie die zusätzliche Reibung im Antriebsstrang und die Gewichtsmehrung.

Der neue BMW-xDrive-Allrad-Baukasten mit dem Namen ATCx50 löst die bisherige Verteilergetriebe-Familie ATCx00 ab [2]. Beginnend mit dem Einsatz im BMW 7er (Modelljahr 2010) wird der neue Baukasten in alle Fahrzeugmodelle übertragen werden (5er, 5er GT, X1, X3, X5/X6 LCI). Der Allrad-Baukasten ist ein mechatronisches Allradsystem mit elektronischer Regelung. Seine wesentliche Eigenschaft ist die Möglichkeit der elektronischen Adaption an unterschiedliche Fahrzeugtypen ohne Hardware-Änderungen. Dadurch kann jedem Fahrzeug sein individueller Allrad-Charakter durch SoftwareApplikation aufgeprägt werden. Darüber hinaus ermöglicht der Baukasten die Vernetzung im Fahrwerks-Regelsystemverbund. Diese Integration im Verbund der Fahrdynamik-Funktionen erlaubt weitere Differenzierungen der segmentspezifischen Ausprägungen. Die zweite Eigenschaft liegt in der kommunalen Hardware-Plattform als konsequenter Baukasten über alle Fahrzeugmodelle. Neben der kommunalen Mechatronik kommt eine kommunale Funktions- und Diagnose-Software zum Einsatz. Dieser konsequente Weg führte zu signifikanten Kostenvorteilen bei größtmöglicher funktionaler Flexibilität. Bereits in der frühen Phase der Entwicklung des neuen Baukastens ATCx50 wurde zwischen BMW und dem Entwicklungspartner Magna Powertrain sehr viel Aufwand in ein optimiertes und produktlinien-

➎ Verbrauchsvorteil des neuen Allradverteilergetriebes ATCx50 gegenüber dem Vorgänger ATCx00 im NEFZ

übergreifend konformes Package investiert. Durch konsequentes Handeln gelang es, die Variantenanzahl – bestimmt durch die Bauteile Grundgetriebe, Aktuatorik und Steuergerät – innerhalb des Baukastens um 70 % zu reduzieren. Als Ergebnis wurde ein einheitliches Verteilergetriebe ATC350 mit Stirnrad-Kraftübertragung für alle Limousinen und ein Verteilergetriebe ATC450 mit Ketten-Kraftübertragung für die X-Modelle erzielt, ➋. Die Komponenten innerhalb des Baukastens ATCx50 weisen einen hohen Anteil an Gleichteilen auf wie Eingangswelle, Kupplung, Aktuatorik und Anbausteuergerät mit integriertem AktuatorMotor. Das Anbausteuergerät mit hochintegriertem elektromotorischem Aktuator, einem bürstenlosen Synchronmotor, wird über eine Bestückungsvariante sowohl für das CAN- als auch für das Flexray-Bordnetz eingesetzt. Im Vergleich mit der Vorgängergeneration wurde eine vereinfachte Aktuatorik mit einem Kugelrampenmechanismus umgesetzt. Das Anbausteuergerät ermöglichte weiterhin eine Vereinfachung des Kabelbaums, weil Steckverbindungen entfallen können.

ring, und von dort aus verteilt sich das Schmier- und Kühlmedium zur Lamellenkupplung sowie zu den Lagern. Gesammelt wird das Öl nach Durchlaufen im Getriebe in einem Beruhigungsvolumen, wo die Kette es wieder aufnehmen kann. Mit diesen Maßnahmen konnte eine Wirkungsgradverbesserung der Komponente von zirka 30 % erreicht werden, was

im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) einer Einsparung von 0,5 % entspricht, ➎. Ausgehend von den erreichten Ergebnissen könnten zukünftig weitere Grenzoptimierungen durch Reduktion von mechanischen und hydraulischen Reibungsverlusten erschlossen werden. Hierzu zählen Maßnahmen wie der Einsatz neuer Lagerkonzepte, die Verwen-

MASSNAHMEN UND ERGEBNISSE DER VERBRAUCHSOPTIMIERUNG

Die Zusammenfassung der Effizienzmaßnahmen zur Verbrauchsoptimierung des Allradantriebs im Fahrzeug zeigt ➌. Im Allrad-Baukasten ATCx50 konnte durch Optimierungen eine Gewichtseinsparung von 2 kg erreicht werden. Die Realisierung eines neuen effizienten Schmier- und Kühlungskonzepts mittels Kraftübertragung und Ölleitblechen ermöglicht den Entfall der bisher separat ausgeführten Ölpumpe. Die bisherige Ölpumpe war als GerotorPumpe, eine spezielle Form der Zahnradpumpe, ausgeführt. Die Gerotor-Pumpe war mit der Hauptwelle verbunden und drehte mit Gelenkwellendrehzahl über den gesamten Lastbereich. Ersetzt wird die Pumpe beim Verteilergetriebe ATC350 durch eine Zahnradpumpe, die die kraftübertragenden Zahnräder (beim ATC450 die Kette) intelligent als ölfördernde Bauteile mitverwendet. ➍ zeigt das Schmier- und Kühlungskonzept im ATC450, bei dem die Kette über eine Leitschiene das Öl in das oben gelegene Reservoir fördert. Über eine Leitung gelangt das Öl zum stehenden Aktuator11I2010

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➏ Nächste Optimierungsschritte und Grenzpotenzial des mechanischen Allradantriebs

➐ Kombinierte Längs- und Quermomentverteilung in fünf Phasen ermöglicht höhere Kurvengeschwindigkeiten und steigert die Agilität

dung neuer Dichtringkonzepte und die weitere Absenkung des Ölniveaus zur Reduktion der Panschverluste. Zu letzteren Konzepten gehört zum Beispiel eine Trockensumpfschmierung oder Kaskadenschmierung der „Verbraucher“. Das zu erwartende Grenzpotenzial eines heutigen mechanischen Allradantriebs liegt bei 4 bis 5 % Verbrauchsmehrung gegenüber dem Standardantrieb, ➏. Eine darüber hinaus gehende Verbrauchsoptimierung erfordert einen aktiven Eingriff in die Antriebsarchitektur. Einen Ausblick geben zukünftige Technologien im Allrad-Antriebsstrang, die als Funktion die temporäre Stilllegung des Hang-on-Triebstrangs ermöglichen und in Abhängigkeit von einer effizienten Regelstrategie im Zielkonflikt Allradfunktionalität gegenüber CO2-Einsparung weitere Potenziale zur Verbrauchsminderung bieten [4]. Entscheidend für die Durchsetzung dieser Technologien im Markt wird das Verhältnis CO2-Reduktionspotenzial zu Mehrkosten sein.

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FUNKTIONALE ASPEKTE VON ALLRADANTRIEBEN

Gemäß der BMW-Strategie EfficientDynamics sollen Verbesserungen der Effizienz mit einem Beibehalten der kundenwerten Funktionsperformance des xDrive in den Feldern „Traktion“ und „Querdynamik/ Fahrsicherheit“ einhergehen. Um weiterhin bei der fahrdynamischen Top-Positionierung der BMW-Fahrzeuge auch unter steigenden Effizienzansprüchen bleiben zu können, stehen intelligente funktionale Erweiterungen im Fokus, die keine zusätzlichen Verbrauchserhöhungen zur Folge haben. Ein Beispiel hierfür ist die Erweiterung des xDrive um die Quermomentenverteilungsfunktion „Performance Control“, die auf der intelligenten Vernetzung mit dem serienmäßigen Bremsregelsystem DSC im „Integrierten Chassis-Management“ basiert und ohne zusätzliche Hardwarekomponenten auskommt (Einführung seit Ersteinsatz im März 2007 im BMW 5er, sukzessive in allen Allradfahrzeugen).

Die Quermomentenverteilungsfunktion greift bei dynamischer Kurvenfahrt durch einen einseitigen Bremsdruckaufbau an der Hinterachse ein, um die Fahragilität weiter zu erhöhen oder das Fahrzeug zu stabilisieren – die Bremseneingriffe verlaufen durch eine gleichzeitige automatische Antriebsmomentenerhöhung für den Fahrer unmerklich ab. Grundlage ist dabei das Wirkprinzip des Torque-Vectoring-Systems „Dynamic Performance Control“ aus dem BMW X6 [5]. Die integrale Wirkungsweise von xDrive und Performance Control am Beispiel Untersteuern zeigt ➐ in fünf Phasen: : Phase 1: Beim Einfahren in eine Kurve verteilt das xDrive-System die Antriebskraft zirka im Verhältnis 40:60 zwischen Vorderachse und Hinterachse und die Performance Control 50:50 zwischen linkem und rechtem Hinterrad (keine Quermomentenverteilung aktiv). : Phase 2 und 3: Deutlich vor dem Grenzbereich beginnt das xDrive die Vorderachse frei von Längskräften zu machen und die Performance Control verschiebt bis zu 1000 Nm Drehmoment zum kurvenäußeren Hinterrad. Das erzeugte kurveneindrehende Giermoment wirkt der Untersteuerneigung entgegen. : Phase 4 und 5: Sobald sich wieder ein neutrales Fahrverhalten eingestellt hat, kann im weiteren Verlauf der Kurve die Momentenverteilung der beiden Systeme wieder in die Grundeinstellung zurückgeführt werden. Die beschriebenen elektronischen Momentenverteilungsfunktionen von xDrive bieten die Möglichkeit, mit einer übergreifend eingesetzten Standardhardware unterschiedliche Fahrverhaltenscharakteristiken allein durch Softwareapplikation flexibel darzustellen. So sind ohne Bauteilveränderungen – angepasst an das jeweilige Fahrzeugsegment (Limousine, SUV/SAV (X-Modell), Sportversion (M-Modell)) – unterschiedliche Momentenverteilungsstrategien möglich. Der integrierte Technologieansatz wird zudem genutzt, über automatische Adaptionen hinaus die Momentenverteilungsstrategie je nach Erfordernis durch den Fahrer schaltbar zu gestalten, um beispielsweise zwischen verbrauchs-, traktions- oder fahrdynamikorientierter Funktionsausprägung wählen zu können. Die Maximierung von fahrdynamischen und

effizienzverbessernden Funktionsvorteilen geht so mit der konsequenten Nutzung von Skaleneffekten bei gleichzeitiger Minimierung von Absicherungsaufwendungen einher. ZUSAMMENFASSUNG

Aufbauend auf einer simulationsbasierten Gesamtanalyse auf Fahrzeugebene wurden Stellhebel zur Optimierung von Energieflüssen von BMW identifiziert und priorisiert. Auf der Systemebene Allrad wurden diese Erkenntnisse gemeinsam mit dem Entwicklungspartner Magna Powertrain konsequent in der Entwicklung des neuen Allrad-Baukastens ATCx50 umgesetzt. Das Ergebnis ist eine signifikante Effizienzsteigerung und Verbesserung im Wirkungsgrad. Der neue Allrad-Baukasten ATCx50 im BMW-xDrive-Konzept stellt eine kommunale Allrad-Plattform über alle Produktlinien mit einem signifikanten, kommerziellen Skaleneffekt dar. Zugleich bietet der

Baukasten größtmögliche Flexibilität in der Applikation einer individuellen Allradcharakteristik für ein Fahrzeugmodell. Diese Flexibilität basiert auf der elektronischen Adaption über Software und auf der Vernetzung des Allradsystems innerhalb des Fahrdynamik-Verbunds. Die Verantwortung des Unternehmens BMW gegenüber der Gesellschaft ist in seiner Strategie EfficientDynamics zur Nachhaltigkeit verankert. Darin ist der Kundenwunsch nach emotionaler Fahrdynamik bei gleichzeitiger CO2-Reduktion nicht als Widerspruch zu sehen. Die neue Generation der BMW-xDriveModelle leistet ihren Beitrag durch die Verknüpfung höchster Effizienz mit einer für den Kunden maximal erlebbaren Fahrdynamik.

[2] Billig, C.; Nistler, G.; Pfau, W.; Rastel, H.; Straub, M.: BMW xDrive in der 3er- und 5er Reihe. Der BMW-Allradantrieb für Limousine und Touring. In: ATZ 107 (2005), Nr. 10, S. 862 – 871 [3] Gratzer, F.; Lippitsch, K.: CO2-optimiertes Allradfahrzeug. In: ATZ 110 (2008), Nr. 7-8, S. 654 – 661 [4] Gassmann, T.; Schwekutsch, M.: Verringerung des allradbedingten Mehrverbrauchs durch dynamische Allradabschaltung. In: ATZ 111 (2009), Nr. 9, S. 672 – 679 [5] Billig, C.; Boedrich, H.; Brack, J.; Holle, M.; Höll, B.; Kimmich, F.: Die Dynamic Performance Control von BMW. In: ATZ 110 (2008), Nr. 11, S. 984 – 994

DOWNLOAD DES BEITRAGS LITERATURHINWEISE

www.ATZonline.de

[1] Dirndorfer, A.; Ayoubi, M.; Billig, C.; Heitzer, M.; Klaiss, T.; Liebl, J.; Mayer, H. F.: BMW Allwheel Drives. Full Performance and Less CO2 Emission. Congress paper, 9. European All-wheel Drive Congress, Graz, Austria, 2009

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