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Richtungsweisend
Wird das Lenkrad bewegt, muss die Drehbewegung durch das Lenkgetriebe in eine Schiebebewegung der Spurstangen umgewandelt werden, welche über den Radius der Spurhebel die Räder um ihre Lenkdrehachse einschlagen. Seit Jahrzehnten werden die Lenkkräfte durch Unterstützungseinrichtungen vermindert, und seit einigen Jahren können sogar die Übersetzungsverhältnisse beeinflusst werden. Bei Parkhilfesystemen und Vierradlenkungen werden die Spurstangen auch schon automatisch betätigt, und der Forschungsweg zum «Steering by wire» ist vorgegeben.
Toyota bot bereits im Frühjahr 2003 im Land Cruiser eine Lenkung mit Überlagerungsgetriebe an. Heute werden diese Systeme bei Lexus sogar zur Unterstützung von Fahrassistenzsystemen herangezogen.
VON ANDREAS LERCH
Die heute vorwiegend verwendete Zahnstangenlenkung wird im Automobilbau seit den frühen 1950er-Jahren im Massenfahrzeugbau eingesetzt. Anfänglich musste das Spiel zwischen dem Ritzel und der Zahnstange eingestellt werden, bis die Anpresskraft durch ein federbelastetes Kunststofflager konstant gehalten werden konnte.
Die Zahnstange treibt ihrerseits die linke und die rechte Spurstange an und bildet somit einen Teil des Lenktrapezes. Damit kann gegenüber Kugelumlauf- oder Schneckenlenkungen die mittlere Spurstange eingespart werden. Für die Zahnstange bzw. das Zahnstangengehäuse muss natürlich bei der Konzeption eines Fahrzeuges der Raum vorgeplant werden. Dies war bei Fahrzeugen mit Standardantrieb (= längs eingebauter Motor mit dahinter angeflanschtem Getriebe) schwieriger als bei den heute üblichen quer eingebauten Motoren mit Vorderradantrieb.
Lenkübersetzung
Wird das Lenkrad um 360° gedreht, schlagen die Räder ebenfalls um einen bestimmten Winkel ein. Sind das beispielsweise 20°, so errechnet sich als Verhältnis oder Lenkübersetzungsverhältnis ein Wert von 360°/20° = 18. Das Lenkübersetzungsverhältnis beträgt in diesem Fall 18:1. Dies ist ein Wert, wie er bei Personenwagen üblich sein kann. Da früher die Lenkungen noch ohne Servounterstützung auskommen mussten, wurden die Lenkübersetzungsverhältnisse so gewählt, dass die Räder auch im Stillstand eingeschlagen werden konnten (Parkieren). Je schneller das Fahrzeug jedoch fährt, desto kleiner werden die Lenkkräfte, und durch das hohe Übersetzungsverhältnis wird die Lenkung jetzt tendenziell schwammig indirekt und das Fahrbahngefühl nimmt ab (Fahrbahngefühl: Rückmeldung der Fahrbahn über Rauheit, Zustand, Spurrinnen und Haftung).
Hätte man jedoch für ein gutes Fahrbahngefühl die Lenkung direkter gewählt (kleineres Übersetzungsverhältnis z.B. bei Sportwagen), wären diese Autos zwar toll zum Fahren gewesen, aber das Parkieren hätte dem Fahrer ziemlich Mühe bereitet.
So musste das Lenkübersetzungsverhältnis als ein Kompromiss zwischen Parkierbarkeit und Fahrbahngefühl gewählt werden.
Kraftunterstützung
Um Komfort und Sicherheit der Fahrzeuglenkungen zu erhöhen, gibt es zwei verschiedene Wege: die Kraftunterstützung und die Variabilität des Übersetzungsverhältnisses. Seit mehr als 50 Jahren wird die hydraulische Kraftunterstützung mit gutem Erfolg eingesetzt. Als «Power-Steering» ist sie so ausgelegt, dass die Lenkung über den ganzen Fahrbereich mit gleich bleibenden hydraulischen Drücken unterstützt wird. Wenn dabei mit sehr wenig Kraft parkiert werden kann, braucht es bei Autobahntempo noch viel weniger Kraft. Dafür zieht die Pumpe ständig Drehmoment vom Motor ab.
Bei der elektrohydraulischen Servolenkung wird der Druck in einem Druckspeicher zwischengespeichert, und wenn ein minimaler Druck erreicht ist, wird die Pumpe durch einen Elektromotor angetrieben und lädt den Speicher wieder auf. Obwohl für den hydraulischen Druck zuerst aus motorischer Kraft Strom gemacht werden muss und dieser Strom im Elektromotor wieder zu mechanischer Kraft wird, kann mit diesem System insgesamt Treibstoff gespart werden.
Es liegt fast auf der Hand, dass die Konstrukteure versuchen, den Weg über die Hydraulik zu umgehen und die ganze Kraftunterstützung elektrisch auszuführen.
Geschwindigkeitsabhängigkeit
Ob hydraulisch, elektrisch oder elektrohydraulisch; die Unterstützung kann mit einem einfachen Steuergerät geschwindigkeitsabhängig eingestellt werden. Das Geschwindigkeitssignal kommt entweder von den ABS-Sensoren oder vom Tachosignal, also vom Getriebeausgang.
In einem Kennfeld ist der maximale, zur Geschwindigkeit und zur Einschlaggeschwindigkeit gehörende Druck gespeichert und wird über ein stufenlos veränderbares Magnetventil eingestellt.
Bei der elektrischen Unterstützung wird entsprechend in der Leistungsendstufe des Steuergerätes der maximale Strom und damit das unterstützende Drehmoment begrenzt.
Veränderbare Übersetzungsverhältnisse
Zahnstangen werden seit den frühen 1980er-Jahren nicht mehr unbedingt mit konstanter Steigung, also mit gleichbleibenden Zahnabständen gebaut. Sind die einzelnen Zähne weiter auseinander, ergibt sich pro Ritzelumdrehung eine grössere axiale Verschiebung der Zahn- und damit der Spurstangen. Mit dieser Lösung kann der Konstrukteur gewisse Bereiche der Lenkung direkter bzw. indirekter gestalten. Zwei verschiedene Philosophien haben sich herauskristallisiert: die direkte und die indirekte Lösung.
Die indirekte Lösung will den Kraftaufwand in der Nähe der Endanschläge verringern, also das Parkieren erleichtern. Dies bedeutet, dass in der Mittenlage die Übersetzung direkter, d.h. der Zahnabstand grösser ist als in den äusseren Bereichen. Vernünftig war diese Lösung bei Fahrzeugen ohne Servounterstützung. Der Fahrbereich in der Mitte war ansprechend direkt und der Fahrbahnkontakt vorhanden. Beim Parkieren konnte der Kraftaufwand verringert werden, was jedoch den Umdrehungsweg vergrösserte.
Die direkte Lösung beinhaltete das Gegenteil und ist für Fahrzeuge mit geschwindigkeitsabhängiger Servounterstützung gedacht. Im Mittenbereich ist die Lenkung so direkt ausgelegt, dass das Fahrbahngefühl gut ist. Beim Parkieren wird die Lenkung jedoch noch direkter, damit die Räder schneller eingeschlagen werden können. Die erforderliche Kraft bringt die Servounterstützung auf.
Elektromechanische Servolenkung
Der Elektromotor und das Getriebe, welches das Drehmoment ins Lenksystem einleitet, können an verschiedenen Stellen der Lenkung untergebracht werden.
Befindet sich die Einheit in der Lenksäule, kann mit geringeren elektrischen Drehmomenten gearbeitet werden, da die Übersetzung zwischen Ritzel und Zahnstange auch das zusätzliche Drehmoment unterstützt (vgl. «AUTO&Technik» Nr. 1-2/2007).
Befindet sich die Einheit im Bereich der Zahnstange, wird das Platzproblem kleiner, dafür das erforderliche Drehmoment höher. Gängige Systeme arbeiten heute entweder mit Doppelritzel oder mit einem achsparallelen Antrieb.
Gegenüber den elektrohydraulischen Servolenkungen bringen die elektromechanischen Varianten Treibstoffeinsparungen im Bereich von 0,1 bis 0,2 l/100 km. Daneben werden nur noch zwei verschiedene Motorenbaugruppen verwendet (Rechts-/Linkslenker). Anpassungen bezüglich der Unterstützung, der Geschwindigkeitsabhängigkeit, der Dämpfung von Stössen und für das Lenkgefühl können softwaremässig programmiert werden. Dazu kann die Lenkrückstellung aktiv unterstützt werden, und die Geräusche im Innenraum sind bei dieser Ausführung vernachlässigbar.
Achsparalleler Antrieb
Beim achsparallelen Antrieb treibt der Elektromotor über einen Zahnriemen die Kugelumlaufmutter an, welche rund um die Zahnstange anliegt und über Kugellagerkugeln und entsprechende Kugelbahnen mit dieser verbunden ist. Die Funktion ist ähnlich jener der Kugelumlauflenkung. Im Unterschied dazu wird bei der Zahnstangenlenkung die Kugelumlaufmutter angetrieben und gedreht, während diese im Kugelumlauflenkgetriebe sich axial bewegt und dafür nicht dreht. Umgekehrt verhält es sich mit der Zahnstange: Diese ist im Bereich der Kugelumlaufmutter mit einer Spindel ausgeführt, worin die Kugeln laufen können. Über einen Rückführungskanal werden die austretenden Kugeln am anderen Ende wieder in die Kugelumlaufmutter eingeführt. Durch die Drehung der Kugelumlaufmutter bewegen sich die Kugeln und treiben die Zahnstange axial in die eine Richtung. Damit wird die Drehbewegung des Elektromotors sehr feinfühlig und doch auch kraftwirksam in die Schiebebewegung der Zahnstange umgelenkt. Das Ganze erfolgt mit sehr wenig Reibung, was dem Fahrzeuglenker ein sehr gutes Fahrbahngefühl ermöglicht.
Überlagerungslenkungen
Die statischen Lenkübersetzungsänderungen funktionieren in Kombination mit den ausgeklügelten Kraftverstärkungseinrichtungen bereits sehr gut. Als weitere Optimierung des Lenkkomforts können sogenannte Überlagerungsgetriebe eingebaut werden. Überlagerungsgetriebe sind «Bewegungsverteiler», in welche von zwei Seiten Drehbewegungen eingeleitet werden, und eine resultierende Bewegung weitergeleitet wird, ohne dass sich die beiden zuführenden Quellen gegenseitig störend beeinflussen.
Bei der Zahnstangenlenkung bedeut dies, dass die Drehbewegung vom Lenkrad und, parallel dazu, die Drehbewegung von einem Motor miteinander verknüpft werden und so die Bewegung des Ritzels resultiert. Da der Elektromotor gleich- oder gegensinnig zur Lenkradbewegung drehen kann, wird das Ritzel beschleunigt (Übersetzungsverhältnis verkleinert, die Lenkung wird direkter) oder verzögert (Übersetzungsverhältnis wird grösser, die Lenkung wir indirekter).
Einsatz von Überlagerungsgetrieben
Überlegungen, Konstruktionen und Patentanmeldungen gibt es in dieser Richtung bereits viele, im Jahr 2003 hat Toyota, kurz darauf auch BMW erste Einsätze gewagt. Toyota nennt das System VGRS (Variable Gear Ratio Steering) während BMW von AFS (Active Front Steering) spricht. Mechanisch unterscheiden sich die beiden Systeme. BMW arbeitet mit einem Planetengetriebe und benötigt dazu die drei Teile Sonnenrad, Planetenrad und Hohlrad, welche zusammen agieren.
Vor kurzer Zeit stellte auch Audi unter dem Namen Dynamik Lenkung ein mechanisch ähnliches System wie die VGRS von Toyota vor. Das Untersetzungsgetriebe (Wellgetriebe) besteht hier aus einem aussen liegenden Stand- oder Hohlrad, einer innen liegenden Antriebsellipse und dem dazwischen liegenden flexiblen Rad. Das aussen liegende, innen verzahnte Hohlrad leitet die Bewegung zum Ritzel, das aussen verzahnte, flexible Zwischenrad (Flextopf) ist über die Vollwelle mit dem Lenkrad verbunden. Die innen liegende Hohlwelle wird vom Elektromotor angetrieben oder festgehalten und hat im Bereich des Hohl- und Zwischenrades eine elliptische Form. Der grosse Durchmesser drückt die Zähne des flexiblen Zwischenrades in die Verzahnung des Hohlrades. Wird also dieses elliptische Antriebsteil festgehalten und das Zwischenrad über das Lenkrad angetrieben, so kann Zahn um Zahn übertragen werden, und die Verbindung ist formschlüssig. Die Übersetzung beträgt in diesem Fall fast 1, da das Hohlrad 102 und das Zwischenrad 100 Zähne aufweist.
Anders funktioniert das System, wenn es elektrisch angetrieben wird. Wenn das Lenkrad und damit das Zwischenrad feststehen, drückt die jetzt drehende Ellipse immer andere Zähne des flexiblen Zwischenrades in das Hohlrad. Da das Hohlrad 2 Zähne mehr aufweist, bewegt es sich mit einer Übersetzung von 50:1 nur sehr langsam. Der Elektromotor muss also 50 Umdrehungen machen, damit sich das Hohlrad und damit das Ritzel in der Zahnstange einmal drehen. Da das System aber kaum allein elektrisch lenkt und zudem eine Ritzelumdrehung bereits einen grossen Lenkeinschlag bedeutet, funktioniert auch dieses System als Überlagerungsgetriebe einwandfrei.
Ein Video, das die Funktion des Systems anschaulich darstellt. finden Sie auf unserer Website www.auto-technik.ch unter dem Menü «Fachwissen».
Software
Diese Überlagerungsgetriebe ändern die Übersetzungsverhältnisse je nach Ansteuerung der Elektromotoren stufenlos, werden aber trotzdem noch von kraftunterstützenden Servoeinrichtungen ergänzt. In den Basisfunktionen werden hauptsächlich die Übersetzungsverhältnisse geschwindigkeits- und lenkeinschlagabhängig berechnet. Diese Funktionen sind bei laufendem Motor immer aktiv. Daneben können stabilisierende Funktionen zuprogrammiert werden: Bereits bei einfachen elektromechanischen Systemen können im Notfall Lenkimpulse angesteuert werden, welche den Fahrer zum Reagieren auffordern! Bei den Überlagerungsgetrieben kann der Fahrer durch Einstellung des idealen Übersetzungsverhältnisses zusätzlich unterstützt werden bzw. über ESP kann vor dem stabilisierenden Bremseneingriff ein Lenkungseingriff erfolgen. Somit sind den Konstrukteuren die Türen für neue lenkungstechnische Optimierungen geöffnet.
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