Lenkrad mit variabler Servounterstützung: detaillierte EPS-Architektur

Das feste Verhältnis: Seine praktischen Grenzen

Ein klassisches Fahrzeug hat ein festes Lenkübersetzungsverhältnis: von Anschlag zu Anschlag, zwischen 2,5 und 3,2 Lenkradumdrehungen, was einem mechanischen Verhältnis von etwa 15 zu 18 entspricht (jeder Grad Lenkrad ergibt 1/15 bis 1/18 Grad an den Rädern). Dieser Kompromiss passt für alle, ohne jemanden wirklich zufrieden zu stellen.

Bei niedriger Geschwindigkeit (Rangieren, Parken) empfindet der Fahrer die Lenkung als zu stark übersetzt: Er muss zu viel kurbeln. Bei hoher Geschwindigkeit (Autobahn) scheint das Verhältnis umgekehrt zu direkt: eine Mikrobewegung des Lenkrads verschiebt die Spur. Ingenieure versuchen seit den 1990er Jahren, diesen Kompromiss aufzubrechen.

Die ersten Versuche waren rein mechanisch: Zahnstange mit variabler Verzahnung. Die Verzahnung ist in der Mitte enger (langes Verhältnis) und an den Enden breiter (kurzes Verhältnis). Mercedes verwendet diesen Ansatz auch heute noch bei einigen Modellen unter dem Namen Direct-Steer. Das ist elegant, aber begrenzt: Das Verhältnis variiert je nach Lenkradwinkel, nicht nach Geschwindigkeit.

Architektur eines Standard-EPS

Eine typische elektrische Servolenkung (EPS) umfasst:

• Eine Lenksäule, die über ein Kardangelenk mit dem Lenkrad verbunden ist.
• Einen Drehmomentsensor, der die vom Fahrer aufgebrachte Kraft misst.
• Einen Elektromotor (typischerweise ein permanenterregter Synchronmotor), der ein Unterstützungsmoment aufbringt.
• Einen Winkelsensor (Steering Angle Sensor, SAS), der die absolute Position des Lenkrads misst.
• Ein ECU, das all dies in Echtzeit verarbeitet.

Der Drehmomentsensor ist in der Regel ein magnetischer Drehmomentsensor vom Typ Bosch oder Nexteer: Eine Torsionsstange trennt die Eingangsachse (Lenkradseite) von der Ausgangsachse (Zahnstangenseite). Eine mikrometrische Verdrehung dieser Stange, gemessen mit Hall-Sensoren, ergibt das aufgebrachte Drehmoment. Die typische Genauigkeit liegt unter 0,1 Nm.

All dies funktioniert unter dem Sicherheitsstandard ISO 26262 auf ASIL D, der höchsten Stufe. Aus diesem Grund sollte man niemals ein EPS manipulieren.

Drei Ansätze, um das Verhältnis variabel zu gestalten

Damit sich das Verhältnis zwischen Lenkradwinkel und Radwinkel dynamisch mit der Geschwindigkeit ändert, gibt es drei Schulen.

Jeder Ansatz hat Kosten, ein spezifisches Lenkgefühl und ein spezifisches Verhalten im Falle eines Ausfalls.

Audi Dynamic Steering: das Planetengetriebe

Das Audi Dynamic Steering System, erhältlich in A4, A6, A7, A8, Q5, Q7 und neuerdings Q8 e-tron, basiert auf einem Planetengetriebe, das zwischen dem oberen und unteren Teil der Lenksäule eingefügt ist. Ein zusätzlicher Elektromotor steuert den Kranz des Planetengetriebes.

Das Prinzip ist einfach: Dreht sich der Motor in Richtung des Fahrers, addiert er Winkel (kurzes Verhältnis, ideal zum Parken). Dreht er sich in die entgegengesetzte Richtung, subtrahiert er Winkel (langes Verhältnis, ideal für die Autobahn). Bei fehlender Stromversorgung fixiert eine mechanische Verriegelung das Planetengetriebe und das Verhältnis wird wieder fest: Das ist die von ISO 26262 geforderte Fail-Safe-Sicherheit.

Dieser Ansatz ermöglicht ein variables Übersetzungsverhältnis von Faktor 2: zwischen 9,5 (Parken) und etwa 18 (hohe Geschwindigkeit). Der Fahrer nimmt nur eine progressive Übersetzung wahr; das ist die Signatur des Audi Dynamic Steering.

BMW Active Steering und Mercedes Direct-Steer

Das BMW Active Steering, 2003 im 5er E60 eingeführt, funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip, platziert den Überlagerungsmotor jedoch direkt auf der Lenksäulenachse, nicht auf einem Planetengetriebe. Der Motor fügt einen Winkel in Serie zur Bewegung des Fahrers hinzu oder entfernt ihn. Die Version Integral Active Steering kombiniert zusätzlich eine Hinterradlenkung.

Das Fahrgefühl ist etwas anders: Man spürt den Übergang zwischen langem und kurzem Übersetzungsverhältnis stärker, besonders in engen Kurven bei mittlerer Geschwindigkeit. Das ist Geschmackssache. Diese Architektur wurde bei neuen BMW-Modellen zugunsten eines klassischen EPS mit variabler Software-Lenkung (z. B. beim 5er G60) schrittweise abgeschafft.

Mercedes Direct-Steer hingegen ist der einfachste Ansatz: Zahnstange mit progressiver Verzahnung. Das Übersetzungsverhältnis variiert von 14 in der Mitte bis 11 an den Enden. Kein zusätzlicher Motor, kein spezielles Steuergerät, kein Ausfallmodus. Es ist rein mechanisch, was seine Zuverlässigkeit und seine geringen Kosten erklärt.

Das variable Verhältnis per reiner Software

Mit dem massiven Aufkommen der neuesten Generation von EPS (Rack-EPS-Architektur oder Zahnstange, die von einem Linearmotor unterstützt wird) haben die Hersteller erkannt, dass es möglich ist, ein variables Übersetzungsverhältnis einfach durch Modulation der Unterstützungskraft zu simulieren.

Wenn bei niedriger Geschwindigkeit das Steuergerät die Unterstützung stark verstärkt, hat der Fahrer den Eindruck, dass das Lenkrad schnell reagiert. Wenn bei hoher Geschwindigkeit das Steuergerät die Unterstützung reduziert und das Rückstellmoment verstärkt, scheint das Lenkrad präziser zu sein. Das rohe mechanische Verhältnis hat sich nicht geändert, aber das Gefühl schon.

Dieser Software-Ansatz hat zwei Vorteile: keine zusätzlichen mechanischen Teile (daher keine möglichen Ausfälle) und eine Anpassung per OTA-Update bei Herstellern, die dies ermöglichen (Tesla, Mercedes EQS, BMW G60). Dies ist der Weg in die Zukunft.

Praktische Entscheidung für eine Überarbeitung

Wenn uns ein Kunde ein Lenkrad mit Audi Dynamic Steering oder BMW Active Steering anvertraut, muss man eines verstehen: Das Lenkrad selbst ist nicht die intelligente Komponente. Das variable Verhältnis wird von der Lenksäule und dem EPS-Steuergerät gesteuert, nicht vom Lenkrad. Eine Überarbeitung des Bezugs hat absolut keinen Einfluss auf das variable Verhältnis.

Zwei Vorsichtsmaßnahmen sind jedoch geboten. Zunächst sollte die Lenksäule oder das Befestigungsgelenk zwischen Lenksäule und Zahnstange niemals demontiert werden: Diese Komponenten stehen in direktem Zusammenhang mit dem Planetengetriebe, und ihre Wiedermontage erfordert spezifische Drehmomente und eine Kalibrierung. Zweitens ist nach der Wiedermontage des Lenkrads ein SAS-Reset (Steering Angle Sensor) zwingend erforderlich, damit das Steuergerät seinen Nullpunkt wiederfindet.

Bei Fahrzeugen mit klassischem EPS (rein softwaregesteuertes variables Übersetzungsverhältnis) sind über den SAS-Reset hinaus keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen erforderlich. Aus diesem Grund sind neuere Modelle einfacher zu individualisieren.