Lenkung Wie funktioniert Steer-by-Wire?

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Die Lenkung der Zukunft verzichtet auf viele mechanische Bauteile und wird elektronisch gesteuert. Ein mechatronischer Aktuator simuliert das Lenkmoment für den Fahrer und bewegt das Lenkrad.

Im Flugzeug ist die By-wire-Technik seit Jahrzehnten Standard. Der Pilot steuert per Joystick, sämtliche Befehle werden elektronisch übertragen. Mit der E-Mobilität zieht Steer-by-wire auch ins Auto ein. Schwere mechanische Komponenten entfallen, eine elektronische Steuerung ersetzt die Verbindung zwischen Steuer und Rad.

Eine By-wire-Lenkung überträgt die Lenkbewegungen des Fahrers nicht mehr über Zahnräder und Wellen, sondern über Sensoren, Steuergeräte und Aktuatoren. Das Lenkrad wird zum Eingabegerät, das digitale Signale an einen Minicomputer sendet. Der berechnet, wie stark die Räder einschlagen müssen und leitet die Befehle an Elektromotoren, welche die Räder bewegen.

Teleoperiertes Fahren

Autofahren ferngesteuert

Was für manche sehr futuristisch klingt, ist seit vielen Jahren bereits im Einsatz: in Fahrzeugen für körperlich eingeschränkte Menschen. Solche elektronischen Lenksysteme verbaut das Unternehmen Paravan nach eigenen Angaben seit über 20 Jahren. Die Technik sei in über 9.000 Fahrzeugen einbaut worden und habe über eine Milliarde Kilometer zurückgelegt.

Autonome Fahrfunktionen

Für die Autohersteller hat die Technik einige Vorteile: So spielt es keine Rolle mehr, ob das Volant eckig oder rund ist oder nur als Joystick aus dem Armaturenbrett herausragt. Mithilfe elektronischer Lenkkomponenten lassen sich autonome Fahrfunktionen integrieren, etwa die automatisierte Lenkung im Falle einer Notbremsung.

Außerdem sind die Systeme leichter, was gerade bei Elektroautos wichtig ist und Reichweite bringt. Und bei hohen Geschwindigkeiten oder plötzlichen Ausweichmanövern reagiert Steer-by-wire blitzschnell, korrigiert Lenkfehler und stabilisiert das Fahrzeug. Da die starre Übersetzung entfällt, lässt sich die Lenkcharakteristik zudem individuell anpassen – sportlich-direkt oder komfortabel-geschmeidig, je nach Wunsch des Herstellers, des Fahrers und der Geschwindigkeit.

Eine sehr direkt abgestimmte Lenkung macht das Auto in Kurven agiler, doch bei hohem Tempo könnte sie für ungeübte Fahrer zum Problem werden. Ein By-wire-System kann so eingestellt werden, dass die Lenkung bei Tempo 180 nicht auf das kleinste Zucken der Hände reagiert. Auch das Ein- und Ausparken wird einfacher. Um voll einzuschlagen, ist eine Vierteldrehung des Lenkrads ausreichend.

Keine Rückmeldung über den Straßenzustand

Ohne direkte mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderrädern entfällt allerdings auch die Rückmeldung über den Straßenzustand. Der Fahrer spürt also nicht, dass die Reifen auf nasser Straße den Grip verlieren oder der Wagen in einer zu schnellen Kurve wegzurutschen droht. Die fehlende Rückmeldung und das „synthetische“ Lenkgefühl sind ein Problem vieler semi-elektronischer Systeme mit elektronischer Lenkunterstützung.

Fahrwerk

Die Strategie von ZF mit „By-wire“-Technologie

Fahrwerk

Serienstart der Steer-by-Wire-Lenkung von ZF im Nio ET9

Steer-by-wire-Pionier ZF löst das Problem mit einer sogenannten Torque-Feedback-Unit. Vereinfacht gesagt handelt es sich dabei um einen kleinen elektronischen Antrieb am Steuer. Zum einen regelt er, wie weit sich das Lenkrad in den unterschiedlichen Situationen drehen lässt. Zum anderen nutzt er die von etlichen Sensoren gewonnenen Daten und reproduziert das natürliche Lenkgefühl sowie die Rückmeldung von der Straße.

Noch sind Steer-by-wire-Systeme wegen der komplexen Steuerung teurer als die in Großserie produzierten konventionellen Lenkungen. Doch mit steigenden Stückzahlen werden die Preise sinken. Auch, weil sich die baukastenartig aufgebauten Lenksysteme fast unverändert in praktisch jedes neue Auto integrieren lassen. Lediglich die Software muss angepasst werden.

Neue Möglichkeiten fürs Design

Mit der platzsparenden Technik eröffnen sich zudem gänzlich neue Möglichkeiten fürs Design. Cockpit und Innenraum können freier, mit mehr Platz für die Passagiere gestaltet werden. Auch neue Lenkrad-Geometrien, klappbare Lenkradkränze oder ganz im Armaturenbrett versenkbare Volants sind möglich. Ohne Lenkzwischenwelle entfallen alle Komponenten zwischen Innenraum und Motorraum. Theoretisch kann das Lenkrad überall positioniert werden.

Peugeot

Ein Spiele-Controller als Lenkrad

Neues Lenksystem

Steer-by-Wire ohne Lenkrad

Auch der im Radkasten entstehende Freiraum kann genutzt werden, um das Rad weiter einzuschlagen. Mit dem Federbein-Vorderachssystem „Easy Turn“ konnte ZF schon bei konventionellen Lenkungen den Einschlagwinkel stark vergrößern.

„Aber solange wir auf mechanische Verbindungen angewiesen waren, stießen wir an physikalische Grenzen. Mit Steer-by-wire genügen kleinste Lenkbewegungen, um auf engstem Raum zu rangieren“, sagt Projektleiter Peter Kontermann. Bei einer Mittelklasse-Limousine sinkt der Wendekreis von gut zehn auf unter sieben Meter.

Was aber passiert, wenn der Strom ausfällt? In mechanischen Systemen lässt sich das Lenkrad auch drehen, wenn die Hydraulik-Unterstützung ausfällt. Schwer zwar, aber für eine Notbremsung reicht’s.

Im E-Auto sind alle Systeme redundant ausgelegt. Was bedeutet: Fällt der Akku aus oder wird der Energiefluss gekappt, springt blitzschnell ein zweites Bordnetz mit einer 12-Volt-Batterie ein. Für die Lenkung montiert ZF in der Torque-Feedback-Einheit zwei von der Software separat angesteuerte Schneckenantriebe. Fällt eines aus, übernimmt sofort das andere.

Lieferanten von Steer-by-wire-Systemen

Neben ZF gibt es noch einige weitere Systemlieferten: etwa Astemo, Bosch (mit Arnold NextG), Hyundai Mobis oder Nextteer. In China gibt es bereits mehrere Pkw-Modelle mit elektronischer Lenkung. Auch dort eher im gehobenen Preissegment des Marktes. Die folgende Tabelle zeigt die Marktanteile der Lieferanten.

Um die Eingangs erwähnte Technik von Paravan im größeren Maßstab zu skalieren, hatte Schaeffler mit dem Unternehmen ein Joint Venture gegründet. Mittlerweile gehört das Gemeinschaftsunternehmen Schaeffler Paravan Technologie GmbH mehrheitlich dem Zulieferer.

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