Lenkungshandbuch

Der große Vorteil der Kraftfahrzeuge gegenüber der Eisenbahn liegt darin, dass der Fahrer die Spur des Fahrzeugs bestimmt oder mit anderen Worten, Kraftfahrzeuge sind lenkbar und an keine externe Spurvorgabe gebunden. Die Baugruppe Lenkung ist dem Fahrwerk zugeordnet. Das Fahrwerk überträgt alle Kräfte zwischen dem Fahrzeugaufbau und der Straße, abgesehen von den aerodynamischen Kräften. Typischerweise teilt man die Aufgaben des Fahrwerks in Vertikal-, Längs- und Querdynamik ein. Die Querdynamik wird im Wesentlichen von der Lenkung gemeinsam mit der Radaufhängung und dem Reifen geprägt.

Beim Fahren eines Fahrzeugs machen wir uns über den Lenkvorgang und somit über die Fahrzeugführung in Querrichtung keine Gedanken. So natürlich und vertraut ist uns das. Schon als Kinder lernen wir am Dreirad oder Bobby Car diesen komplexen Vorgang zu verinnerlichen. Ohne bewusstes Nachdenken beim Fahren eines Fahrzeugs steuern unsere Reflexe. Doch moderne Achskinematiken und Hilfskraftlenkungen sind das Resultat einer über hundertjährigen stetigen Optimierung. Und dennoch werden in der Autofachpresse die Lenkeigenschaften von Automobilen häufig bemängelt.

Bei der Kaufentscheidung für ein neues Auto kommt dem subjektiven Fahreindruck des Kunden ein hoher Stellenwert zu. Dabei übt das Fahrwerk einen entscheidenden Einfluss auf das Fahrverhalten aus. Im Rahmen der Fahrwerksentwicklung wird besonderes Augenmerk auf die Fahrdynamik, den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit gelegt. Ein ausschlaggebender Teil der Fahrdynamik wird dabei durch das Lenkverhalten bestimmt, welches wiederum maßgeblich durch das Lenksystem geprägt wird. Die Hauptaufgabe des Lenksystems besteht darin, den vom Fahrer vorgegebenen Lenkradwinkel in eine adäquate Fahrtrichtungsänderung umzusetzen. Durch die vom Fahrer eingeleitete Lenkwinkeländerung werden die Räder eingeschlagen, wodurch sich die Fahrtkursänderung ergibt. Dabei muss für den Fahrer die Fahrzeugreaktion eindeutig vorhersehbar sein.

In diesem Kapitel wird ein kurzer Überblick über die vielfältigen Anforderungen an ein Lenksystem gegeben. Dabei werden die Themen Funktion und Lenkgefühl, Package, Gewicht, Kosten, Qualität, Energie und Umwelt, Akustik und Schwingungen, Systemsicherheit und gesetzliche Anforderungen kurz erläutert.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Arten die Richtung eines Fahrzeugs gezielt zu beeinflussen. An mehrspurigen Fahrzeugen mit Luftreifen finden sich Drehschemellenkungen, Knicklenkungen und Achsschenkellenkungen. Die beiden ersten Arten haben den Nachteil, dass sich beim Lenken die Standfläche verringert und Störkräfte an einem Hebelarm wirken, der der halben Spurweite entspricht. Außerdem können die Vorder- oder die Hinterräder sowie alle Räder gelenkt werden. Bei schnellen Fahrzeugen hat sich jedoch eine Bauart allein durchgesetzt: Die Achsschenkellenkung an der Vorderachse. In Folge wird deshalb nur diese betrachtet. Die Drehachse des Radträgers bzw. „Achsschenkels“ gegenüber der Radaufhängung (z. B. ein „Achsschenkelbolzen“) ist im Allgemeinen während des reinen Lenkvorgangs unveränderlich (reine Drehbewegung des Radträgers); inzwischen gibt es aber bei Pkw oft Radaufhängungen mit veränderlicher Drehachse („virtueller“ Drehachse).

In diesem Kapitel erfolgt eine Einführung in die Querdynamik und in die stationäre und dynamische Kurvenfahrt. Mit zuerst einfachen Modellbetrachtungen sollen die wesentlichen Faktoren analysiert werden, welche die Querdynamik des Fahrzeugs, aber auch den vom Fahrer indizierten Lenkradwinkel bzw. das Lenkradmoment, beeinflussen. Ausgehend von den prinzipiellen Zusammenhängen für die langsame bzw. schnelle Kurvenfahrt werden zur genaueren Analyse Modelle benötigt. Ausgehend vom linearen Einspurmodell wird die stationäre Kreisfahrt analysiert und auf die dynamische Kurvenfahrt übergeleitet. Dies erfolgt klassisch mit analytischen Formeln. Der große Vorteil von diesen ist, dass die Zusammenhänge explizit einsehbar sind. Zur Berücksichtigung der Effekte der Radlastverlagerung muss das Einspurmodell auf ein Zweispurmodell erweitert werden. Dies erfolgt üblicherweise mit numerischen Simulationsmodellen, da mit geschlossenen Formeln diese Zusammenhänge kaum mehr erschlossen werden können.

In den letzten Jahren hat die „Technische Akustik und Schwingungstechnik“ innerhalb der Fahrzeugentwicklung zunehmend an Bedeutung gewonnen und einen deutlichen Fortschritt erlebt. An Klangbild und Lautstärke von Geräuschen sowie Vibrationsfrequenz und -stärke im Automobil werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt und in Folge dessen verschiedenste Problemlösungen schon während der Fahrzeugentwicklung erarbeitet. So sollen als unangenehm empfundene Geräusche möglichst leise sein, Warngeräusche hingegen laut genug, um bestimmte Sicherheitskriterien zu erfüllen. Zusätzlich werden besonders in der automobilen Mittel- und Oberklasse Geräusche so „designed“, dass sie den Kundenerwartungen entsprechen. Ähnliches gilt auch für fühlbare Vibrationen. Mit ständigem Kontakt zum Lenkrad spürt der Fahrzeuglenker die am Lenkrad auftretenden Vibrationen. Die schwingungstechnische Auslegung des Lenkrades inklusive der Anbauteile sowie der Karosserie stellt hinsichtlich des Schwingungskomforts eines Fahrzeugs eine bedeutende Aufgabe dar. Das Erleben der akustischen und schwingungstechnischen Wertigkeit beeinflusst in zunehmendem Maße die Kaufentscheidung.

Das Lenkgefühl ist das subjektive Empfinden des Fahrers beim Lenken eines Fahrzeugs. Dieses Lenkgefühl resultiert aus der Empfindung und der Beurteilung des Fahrers vom Lenkverhalten bzw. des Fahrverhaltens des Fahrzeugs, es entsteht aus der Interaktion Fahrer-Fahrzeug. Als Fahrverhalten bezeichnet man allgemein die Reaktion des Fahrzeugs auf Fahrereingaben und auf Störungen wie beispielsweise Seitenwind oder Straßenunebenheiten. Das Lenkverhalten ist ein Teilbereich des Fahrverhaltens und beschreibt die Reaktion des Fahrzeugs auf Lenkeingaben und Störungen. Die Optimierung des Lenkgefühls ist eine zentrale Aufgabe in der Fahrdynamikentwicklung. Zwar begann man schon Ende der 30er Jahre des vorigen Jahrhunderts, das Handling und insbesondere das Eigenlenkverhalten von Personenwagen quantitativ zu erfassen (Olley 1938), dennoch wurde und wird das so genannte Lenkgefühl fast ausschließlich subjektiv von erfahrenen Testfahrern bewertet und optimiert. Ein Grund dafür war und ist bis heute, dass das Lenkgefühl eng mit dem Fahrverhalten bzw. den Handlingeigenschaften eines Fahrzeugs gekoppelt ist. Die Objektivierung des Lenkgefühls, getrieben durch den anhaltenden Trend einer immer stärkeren Nutzung von Digitalen Prototypen, hat stark an Bedeutung gewonnen. Obwohl in der letzten Zeit schon einige Bewertungskriterien erarbeitet wurden, kann immer noch trefflich über das Thema diskutiert werden, zum Einen, weil es unterschiedliche Auslegungsphilosophien gibt, zum Anderen weil die Grenzen zwischen authentischem und artifiziellem Lenkgefühl, insbesondere auch in Verbindung mit Fahrerassistenzsystemen nicht klar sind.

In diesem Kapitel werden die Grundlagen zur Beschreibung des Lenkgefühls dargestellt. Die elementare Bedeutung des Führungs- und Rückmeldeverhaltens wird erläutert. Weiterhin sind die Besonderheiten der subjektiven Beurteilung des Lenkgefühls und der objektiven Messung des Lenkverhaltens dargestellt. Zusammenhänge zwischen dem subjektiv empfundenen Lenkgefühl und dem objektiven Lenkverhalten eines Fahrzeugs werden aufgezeigt.

Ein ausgezeichnetes Fahr- und Lenkgefühl kann nur mit einem entsprechend präzisen Lenksystem erreicht werden. Die Konstruktion eines Lenkgetriebes muss in der Lage sein, einerseits hohe Kräfte zu übertragen, andererseits dabei geringste Spiele, wenig Elastizitäten und geringe Reibung in den beweglichen Bauteilen zu erreichen. Weiterhin muss das Lenkgetriebe in Verbindung mit der Servounterstützungseinheit in der Lage sein, eine ausreichend hohe Lenkdynamik zu realisieren. Nur durch Einhaltung dieser Randbedingungen ist das schnelle und präzise Lenken eines Fahrzeugs möglich. Im Folgenden werden für die funktionale Grundauslegung eines Lenksystems die Aspekte Lenkleistung und Lenkgetriebereibung näher beschrieben.

Als eines der ersten Bauteile im Innenraum eines Fahrzeugs nimmt der Fahrer das Lenkrad wahr. Es ist eine der wichtigsten Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine, da zum Einen die Lenkbewegungen über das Lenkrad eingeleitet werden und zum Anderen eine direkte Rückkopplung der Fahrsituation an den Fahrer erfolgt. Aufgrund seiner exponierten Lage im Fahrzeuginnenraum hat das Lenkrad eine Reihe von weiteren Anforderungen zu erfüllen. Als Bestandteil des Fahrerrückhaltesystems sind entsprechende Sicherheits- und Gesetzesvorschriften zu beachten und über Schlitten- sowie Crashversuche abzusichern. Darüber hinaus ist das Lenkrad zu einem Designelement geworden, das sich im Gesamtbild des Interieurs einfügt und unter anderem auch den Markennamen oder das Firmenlogo des Fahrzeugherstellers trägt.

Seit einigen Jahren nimmt das Lenkrad eine Vielzahl von Bedienelementen z. B. zur Steuerung eines Bordcomputers und Radio-, Navigationsfunktionen sowie Getriebebedienungen auf. Es werden Anzeigeelemente und Funktionsbeleuchtungen implementiert. In diesem Zuge nehmen Bussysteme zur Kommunikation zwischen Lenkrad und Fahrzeug Einzug in die Lenkradelektronik.

Lenksäule und Lenkzwischenwelle stellen in ihrer Grundfunktion die mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe her. Hierbei werden Lenkrad und Torsionsstab des Lenkgetriebes so miteinander gekoppelt, dass die am Lenkrad eingeleitete Drehbewegung quasi verlustfrei und ohne Spiel übertragen wird. Ebenso werden die vom Lenkgetriebe ausgehenden Drehmomente an das Lenkrad übertragen. Somit werden durch die Koppelglieder Lenksäule und Lenkzwischenwelle das Fahrverhalten und der fühlbare Kontakt zur Fahrbahn wesentlich beeinflusst. Neben dieser mechanischen Grundfunktion werden an beide Baugruppen heute vielfältige Anforderungen gestellt. Bei der Betrachtung der hier vorgestellten Komponenten, vom Fahrer hin zur Vorderachse, übernimmt die Lenksäule primär die Lagerung des oberen Lenkstrangs, bestehend aus einer ein- oder mehrteiligen Welle mit Schnittstellen zum Lenkrad und zur Lenkzwischenwelle. Ein solches Konstruktionselement wird als starre Lenksäule bezeichnet, die lediglich die Lenkfunktion überträgt, aber keine Anpassung der Lenkradposition erlaubt. Diese Systeme sind inzwischen selten und aufgrund ihrer erheblichen Defizite nur noch in sehr wenigen Segmenten vertreten. Eine Ausnahme bilden hier z. B. die Rennsportfahrzeuge, da hier leistungsorientiert auf Komforteigenschaften verzichtet wird.

Die Familie der Lenkungsanlagen umfasst neben hydrostatischen Lenkungen und Kugelumlauflenkungen auch manuelle Zahnstangenlenkungen sowie Zahnstangen-Servolenkungen. Bei diesen zuletzt genannten Lenkungen setzt das Zahnstangenlenkgetriebe die Drehbewegung des Lenkrades in die Schiebebewegung der Zahnstange und somit in die Lenkbewegung der Räder um.

Die Spurstange verbindet das Lenkgetriebe mit dem Radträger und überträgt so den Lenkgetriebehub auf den Radträger bzw. auf das Vorderrad. Kinematisch gesehen handelt es sich dabei um ein Schubkurbelgetriebe mit der Zahnstange als Schubglied und mit dem Radträger als Drehglied. Die Spurstange bildet dabei das Koppelglied. Gleichzeitig muss die Hubbewegung des Rades zugelassen werden. Es entsteht so eine räumliche Bewegung; die Anbindungspunkte der Spurstange sind daher als Kugelgelenke mit den entsprechenden Freiheitsgraden auszuführen. Aufgrund der Hebelverhältnisse (Länge der Spurstange zum Abstand Spurstangenanbindung am Radträger zur Drehachse des Radträgers) und der angestellten Drehachse des Radträgers sind die auftretenden Winkel radträgerseitig größer als lenkgetriebeseitig.

Hydraulisch unterstützte Lenksysteme sind seit Jahren der Standard in der Automobilindustrie, wobei sie sich selbst in Kleinwagen etabliert haben. Das open-center Lenksystem mit volumenstromgeregelter Flügelzellenpumpe hat sich unter den verschiedenen möglichen Lenksystemen vor allem aus Kostengründen durchgesetzt. Durch die stark angefachte Diskussion zur Energieeinsparung ist dieses Lenksystem jedoch mehr und mehr in Frage gestellt, sodass heute zunehmend energiesparende Hydrauliksysteme auf dem Vormarsch sind, denn die generierte Verlustleistung in einer abgeregelten Flügelzelle ist heutzutage nicht mehr vernachlässigbar. Auf diese Systeme wird im Folgenden eingegangen.

Aus der Anforderung nach energiesparenden Lenksystemen, die unabhängig vom Verbrennungsmotor bedarfsgerecht gesteuert werden können, haben sich Anfang der 90er Jahre elektrohydraulische Lenksysteme entwickelt. Diese Systeme sind sukzessiv in ihrer Leistung erweitert worden.

Elektrohydraulische Lenksysteme bestehen aus einem so genannten Motorpumpen-Aggregat (MPA), das mit einem Lenkgetriebe modular kombiniert werden kann (Bild 1). Neben der gezeigten Anordnung kann eine Konstruktion gewählt werden, bei der das Motorpumpen-Aggregat direkt auf das Lenkgetriebe montiert ist. Dann erhält man ein befülltes und geprüftes Kompaktsystem, das keine hydraulischen Schnittstellen bei der Fahrzeugmontage mehr hat. Das Lenkgetriebe ist ein Standard- Hydrauliklenkgetriebe, bei dem das Lenkventil auf den (kleineren) Volumenstrom des Motorpumpen- Aggregats durch eine veränderte Ventilsteuerkantengeometrie angepasst wird.

Bei den Pkw-Lenksystemen vollzieht sich in den letzten Jahren ein Wandel von hydraulischen Systemen zu rein elektrisch betriebenen Lenksystemen (Electric Power Steering EPS). Der Einsatz dieser Systeme war zunächst auf Kleinfahrzeuge beschränkt, da die Leistungsdichte der elektronischen Komponenten und die aus dem Bordnetz verfügbare Energie nicht ausreichte, um größere Fahrzeuge und damit höhere Lenkleistungen zu bedienen. Durch neue Technologien ist es möglich, die EPS heute flächendeckend in der Oberklasse einzusetzen. Dazu haben sich in den unterschiedlichen Fahrzeugklassen verschiedene EPS-Varianten am Markt etabliert.

Durch die zunehmenden Möglichkeiten der Mechatronik im Bereich der Lenksysteme lassen sich neue Lenkungsfunktionalitäten erschließen. Eine dieser neuen Funktionalitäten ist die Überlagerungslenkung. Hierbei wird durch gezielte Lenkwinkelüberlagerung die Lenkeingabe des Fahrers um einen additiv aufgebrachten Überlagerungswinkel ergänzt. Hierdurch können neue Lenkungsfunktionen wie z. B. eine variable Lenkübersetzung, Lenkdynamik- und Lenkstabilisierungsfunktionen, sowie in Kombination mit einer Lenkmomentenüberlagerung auch ansonsten Steer-by-wire vorbehaltene Funktionalitäten wie z. B. frei programmierbare Lenkfunktionalitäten dargestellt werden.

In den vorangegangenen Kapiteln wurden unterschiedliche Lenksysteme beschrieben, die alle an den Vorderrädern einen Lenkwinkel aufbringen, um die Fahraufgabe zu erfüllen. Bei so genannten Allradlenkungen wird neben der Lenkung an der Vorderachse zusätzlich die Möglichkeit geschaffen die Hinterräder lenkbar zu machen. Im Gegensatz dazu ist die Darstellung einer reinen Hinterradlenkung nur aus Anwendungen für Gabelstapler, Rasenmäher oder ähnliche Fahrzeuge bekannt. Hier kann die Arbeitsaufgabe durch die Lenkung an den Hinterrädern, meist kombiniert mit sehr großen maximalen Lenkwinkeln, besser erfüllt werden.

Die größte Herausforderung von Steer-by-Wire-Systemen besteht in der Erfüllung von Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen mit akzeptablem Aufwand. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über den Stand der Technik sowie Vor- und Nachteile von Steer-by-Wire-Systemen gegeben. Anschließend werden die Komponenten und da vor allem die Bedienelementeigenschaften genauer betrachtet. Schließlich wird ein Beispiel einer möglichen funktionalen Gestaltung gegeben und es werden Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte thematisiert.

Die ständige Zunahme des Straßenverkehrs und die steigenden Anforderungen an den Fahrer haben in den letzten Jahren zu einer Vielzahl von Assistenzsystemen geführt, die den Fahrer bei seiner Fahraufgabe unterstützen. Hinsichtlich der Kurshaltung existieren Systeme, die in die Bremse oder in den Antriebsstrang eingreifen. Es liegt nahe, zu diesem Zweck auch die Lenkung mit einzubeziehen. Möglichkeiten zu Lenkeingriffen bestehen nicht erst bei kommenden „Steer-by-Wire“-Systemen, sondern existieren schon bei der Elektromechanischen Lenkung (EPS-Electronic Power Steering) und der Überlagerungslenkung. Die Lenkunterstützung wird bei beiden durch einen Elektromotor erzeugt. Bei der elektromechanischen Lenkung können durch eine entsprechende Ansteuerung des Elektromotors Zusatzlenkmomente auf das Lenkrad aufgebracht werden, die dem Fahrer empfehlen, seine Lenkwinkelvorgabe dem für die Fahrsituation optimalen Lenkwinkel anzupassen. Da systembedingt eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und den Vorderrädern besteht, ist der Fahrer jederzeit in der Lage, die Lenkempfehlung durch seinen eigenen Lenkwunsch zu „überstimmen“. Die Höhe der Zusatzlenkradmomente muss daher in dem Spannungsfeld optimaler Funktion und größtmöglicher Sicherheit betrachtet werden. Bei der Überlagerungslenkung (Aktivlenkung) können freie Zusatzwinkel unabhängig zur Fahreingabe gestellt werden.

Die Herausgeber sind der festen Überzeugung, dass trotz aller sich verschärfenden Randbedingungen bezüglich des Automobils auch im Jahr 2025 und darüber hinaus noch individuell gefahren bzw. gelenkt wird und dass die Fahrfreude weiterhin einen zentralen Stellenwert genießt. In diesem Sinne werden die heute bekannten Lenksysteme, Lenkungstechnologien und Lenkfunktionalitäten weiter im Fokus der Entwicklungsabteilungen von Fahrzeugherstellern und Lenksystementwicklern stehen, um auch in Zukunft dem Fahrer bzw. Kunden ein markentypisch gewünschtes Fahr- und Lenkverhalten zu gewährleisten. Abschließend nehmen die Herausgeber zu unterschiedlichen Aspekten im Automobilbau, welche in Verbindung mit den Lenksystemen und dem Lenkverhalten stehen, eine Einschätzung vor.