Hydraulische Servolenkungen werden in vielen neuen Fahrzeugdesigns kontinuierlich durch elektrische Servolenkungen (Electric Power Steering, EPS) ersetzt. Im Markt für Personenkraftwagen wird die Verwendung von Elektromotoren zum Antrieb der Zahnstange überwiegend durch die – wenn auch geringe – Verbesserung der Kraftstoffeffizienz motiviert. Eine EPS trägt auch zu einer umweltfreundlicheren Verschrottung von Fahrzeugen bei, da keine Hydraulikflüssigkeit entsorgt werden muss. Auch der unaufhaltsame Trend in Richtung computergesteuerter Drive-by-Wire-Systeme, der mit dem Anti-Blockier-System und der Antischlupfregelung seinen Anfang nahm, führt uns heute in Richtung vollständig autonomer Fahrzeuge.

Trotz der schlechten Erfahrungen mit frühen EPS-Entwicklungen, deren Mangel an „Gefühl“ kritisiert wurde, ist allgemein anerkannt, dass diese der Vergangenheit angehören, nachdem Verbesserungen an elektrischen Servolenkungen und Verfeinerung der Sensor- und Kontrolltechnologie erfolgten.  Heute bieten EPS für die meisten Autofahrer eine ebenso gute Leistung wie hydraulische Servolenkungen, sofern die Fahrer dies bemerken oder überhaupt einen Unterschied feststellen können.

Hohe Anforderungen

Das ist alles schön und gut, solange es um kleinere Straßenfahrzeuge geht – größere gewerbliche Fahrzeuge, wie Busse oder Lkws, sind jedoch ein anderes Thema. Bei gewerblichen Geländefahrzeugen (ORVs) können die Herausforderungen sogar noch größer sein, so zum Beispiel bei Fahrzeugen, die im Bergbau, in Steinbrüchen, in der Landwirtschaft und in Lagerhäusern verwendet werden. Grundlage des Problems ist unter anderem das weitaus höhere Drehmoment, das für eine Servolenkung erforderlich ist. Hinzu kommt der Anspruch, dass die Fahrzeuge, die im Vergleich zu gewöhnlichen Personenkraftwagen längere Laufzeiten, schwerere Lasten oder ständige Benutzung zu bewältigen haben, zuverlässig sein müssen.

Einige dieser kommerziellen oder industriellen Fahrzeuganwendungen werden zudem autonome oder semi-autonome Fahrtechnologie vermutlich früher als gewöhnliche Straßenfahrzeuge einsetzen, was EPS zu einer Grundvoraussetzung macht. Der Güterfernverkehr ist einer dieser frühen Kandidaten, wobei auch in den Fabriken und Lagerhäuser Gabelstapler rasch durch fahrerlose, vollständig computergesteuerte Fahrzeuge ersetzt werden.

Eine zuverlässige Leistung über die Betriebszeit eines gewerblichen Fahrzeugs ist für die Einführung einer EPS wesentlich. Sie muss langlebiger sein, um Ausfälle und sicherheitsrelevante Probleme zu vermeiden. Ein gewöhnliches Personenfahrzeug fährt während seiner gesamten Lebensdauer vielleicht 160.000 km, während einige kommerzielle Fahrzeuge mehr als 400.000 km in nur drei Jahren zurücklegen. Zudem unterliegt die Betriebsumgebung in einem kommerziellen Fahrzeug in höherem Maße Lärm und Vibration, was einen noch höheren Anspruch an die Leistung und Zuverlässigkeit eines EPS-Systems stellt.

Stärkere Lenkbelastungen, wie es sie bei einem Nutz- und Geländefahrzeug gibt, bedürfen einer stärkeren Servolenkung. An der Lenksäule montierte EPS-Einheiten erreichen gewöhnlich eine Kraft von etwa 5 kN. Bewegt man die EPS näher an die Räder, um entweder die Ritzelwelle oder die Zahnstange anzutreiben, kann diese auf 5 kN bis 12 kN steigen, ist aber auch höheren Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt. Größere Fahrzeuge benötigen sogar noch mehr Kraft. Hier ist von mindestens 15 kN und möglicherweise noch weitaus mehr für die anspruchsvollsten Geländeanwendungen auszugehen. EPS-Systeme für solche Fahrzeuge müssen mit höheren Spannungen arbeiten und in der Lage sein, Ausgangsleistungen von mehr als 3 kW zu erbringen.

Bessere Sensoren erforderlich

EPS

Bild 1: Schematischer Aufbau eines elektrischen Servolenkungssystems (EPS). TT

Wesentlich für die Gestaltung eines EPS-Systems sind Sensoren, um die Winkelposition des Lenkrads und das entsprechende Drehmoment zu bestimmen, das auf die Lenksäule, Ritzel oder Zahnstange ausgeübt wird. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist ein weiterer Faktor, den der Algorithmus, der in den elektronische Kontrolleinheit (ECU) benutzt wird, beim Antrieb des EPS-Motors berücksichtigen muss, da bei höheren Geschwindigkeiten weniger Kraft erforderlich ist, um dieselbe Richtungsänderung zu erzielen. Der grundsätzliche Aufbau eines EPS-Systems ist in Bild 1 dargestellt.

Rotierende Drehmoment- und Positionssensoren, die schleifende elektrische Kontakte einsetzen, unterliegen Problemen aufgrund von Vibration. Bei Nutzfahrzeugen sind hier, wie bereits erwähnt, noch größere Probleme zu erwarten. Als Teil eines säulenmontierten EPS-Systems können solche Sensoren auch zum Geräuschpegel innerhalb der Kabine beitragen, der bei einem Personenfahrzeug unter 40 dB liegen muss. Eine bessere Lösung ist es, kontaktlose Positions- und Drehmomentsensoren zu verwenden, die auf magnetischen Abtastungssystemen basieren, und diese an der Zahnstange zu montieren. Dies hat den Vorteil, dass das System weniger von Vibrationen betroffen ist, was den Geräuschpegel reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht.

Noch besser ist der kombinierte Magnetorque-Plus-Lenksensor von TT Electronics, der speziell für stangenbasierte EPS-Systeme entwickelt wurde und für längere Wellen, wie sie in LKWs, Bussen und ORVs vorkommen, angepasst werden kann. Dieser Sensor wurde eingehend getestet, um die schwingungstechnischen Herausforderungen, denen er in kommerziellen Fahrzeugen ausgesetzt ist, zu bewältigen. Dabei zeigte sich, dass er bei Beschleunigungskräften von 8,5 g an den x- und y-Achsen und 5 g an der y-Achse über einen Zeitraum von acht Stunden je Achse bestehen kann. Der Sensor bietet eine Drehmomentauflösung +/-5 Grad, die es der ECU erlaubt, sehr sanft zu arbeiten. Der Drehwinkel lässt sich ebenfalls individuell anpassen – für ein Auto sind 2,5 Umdrehungen in der Regel ausreichend, bei einem kommerziellen Fahrzeug können bis zu 4 Umdrehungen notwendig sein.

 

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