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Salzachbrücke

Vom Selberkurbeln bis zur Vollverkabelung

Kein Auto ohne Lenksäule – dieser über mehr als 100 Jahre geltende Grundsatz ist Geschichte, wenn Steer-by-Wire in ein paar Jahren auch im Auto Stand der Technik ist. Denn das „Lenken per Kabel“ funktioniert ohne mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern.
Wenn Sie neugierig sind, wovon wir da konkret Abschied nehmen werden und wohin das Ganze führen soll, lesen Sie einfach weiter.

Elisabeth Strassert

Vielleicht denken Sie beim Thema „hochmoderne Fahrzeugtechnik“ nicht zuallererst an Kräne oder Bagger. Genau hier, auf der Baustelle nämlich, gibt es Steer by Wire aber schon lange. Denn Bagger baggern langsam, sie rasen selten mit 200 km/h über die Autobahn. Deswegen gibt‘s hier auch viel weniger Papierkram mit Versicherungen, EU-Verordnungen & Co.
Beim Auto freilich liegt die Sache anders: Es könnte ohne mechanische „Rückfallebene“ zum unkontrollierbaren Geschoss werden, sollte die Elektronik ausfallen. Diese Rückfallebene besteht aus Lenksäule – also dem länglichen Bauteil zwischen Lenkrad im Innenraum und Lenkung an der Achse – und der Lenkung selber, also Lenkgetriebe mit Lenkkraftunterstützung.

Adam und Eva: Grundlagen der Lenkung
Um eine Vorstellung zu bekommen, was Lenkung und Lenkgetriebe leisten, begeben wir uns an ihre Anfänge. Generell ist die einfachste Form einer Lenkung die Drehschemellenkung. Stellen Sie sich einen Leiterwagen vor: So funktioniert sie. Die meisten zweiachsigen Anhänger fahren damit wunderbar.
Weil das Auto aber fahrdynamisch viel mehr zu leisten hat, muss auch die Lenkung aufwendiger konstruiert sein. „Achsschenkellenkung“ heißt das Lenksystem im Pkw. Ihren Namen hat sie von den zwei Bauteilen links und rechts an der Vorderachse des Autos, von den Achsschenkeln. Daran werden die Spurköpfe angeschraubt, an denen wiederum die Lenkkräfte ansetzen und die Räder in die gewünschte Richtung bewegen.
In den Achsschenkeln sind außerdem die Radlager eingepresst, und diese verbinden die statische Achse mit dem sich drehenden Rad. Mit von der Partie ist das sogenannte Lenktrapez, das sich – von oben betrachtet – aus Achse, Spurstangen und Spurstangenhebeln ergibt. Trapezförmig muss es deshalb sein, weil es dafür verantwortlich ist, dass beim Kurvenfahren das kurveninnere Rad einen etwas kleineren Kreis beschreiben kann als das kurvenäußere. Nur so nutzen sich Reifen übrigens gleichmäßig ab, vorausgesetzt, alles ist korrekt eingestellt.

Lenkungsarten: Zahnstange und Kugelumlauf
Das seit Jahrzehnten am weitesten verbreitete Lenkgetriebe ist die Zahnstangenlenkung. Wenn man am Lenkrad dreht, überträgt die Lenksäule diese Bewegung über ein Ritzel auf die Zahnstange. Das Ritzel greift dabei präzise in die Zähne der Zahnstange ein und sorgt in der Verlängerung dafür, dass sich die zwei Spurstangen an den Achsschenkeln ebenfalls bewegen – das Auto fährt eine Kurve.
In den 1950er Jahren kam eine weitere Lenkgetriebeart dazu: Große deutsche Autohersteller nahmen damals zum ersten Mal Kugelumlauflenkungen in ihr Angebot auf. Eine kluge Idee bei einer Lenkung, die noch nicht per Hydraulik unterstützt ist, denn ein Kugelumlauf-Lenkgetriebe kann mehr Kraft übertragen als eine einfache Zahnstangenlenkung.
Der Grund: Rund 60 gehärtete Stahlkugeln, die sich in diesem kompakten Lenkgetriebe auf einer Schnecke rundherum bewegen, übertragen dabei die Lenkkräfte. Bis Mitte der 1980er Jahre war die Kugelumlauflenkung für Mittel- und Oberklassewagen ohne unterstützende Lenkhilfe durchaus ein großer Wurf. Dies ging sogar so weit, dass sich die Auto-Ingenieure den Vorwurf des „Damenwagens“ gefallen lassen mussten: ein Männerauto sollte sich auch „kraftvoll“ lenken lassen.
Kleines, wirkliches Manko der Kugelumlauflenkung: Sie fühlt sich nicht ganz so „direkt“ an wie eine Zahnstangenlenkung, das Gefühl besonders um die vergleichsweise leicht zu lenkende Mittellage ist eher etwas schwammig.

Leichter lenken mit Servo
Zeitsprung in die späten 80er Jahre: Die Idee des „leichteren Lenkens“ hat sich durchgesetzt, die Kugelumlauflenkung nicht. Weil die Autos immer mehr wiegen als ihre Urahnen drei Jahrzehnte zuvor und auch, weil der Autofahrer beim Lenken weniger arbeiten möchte, gibt‘s nun immer mehr Autos mit „Servo“. Das bedeutet: Hydraulik hilft dem Menschen beim Kurbeln. Vor allem beim Einparken schätzen nicht nur die Damen diese Lenkkraftunterstützung.
Im Prinzip funktioniert das Ganze so: Die Zahnstange gibt‘s nach wie vor, in die das Ritzel eingreift, auch der mechanische Rest funktioniert ganz ähnlich wie ohne Servo. Zusätzlich gibt es eine vom Motor via Keilriemen angetriebene Hydraulikpumpe, die permanent einen gewissen Flüssigkeitsdruck im System erzeugt.
Dieser Druck wird über Ventile gesteuert und mittels Kolben und Arbeitszylinder weitergegeben. Auf der Zahnstange sitzt der Kolben, in dem die Hydraulik ihre Zusatzarbeit verrichtet. Dreht man am Lenkrad, gibt das Steuersystem den Öldruck im Arbeitssystem frei – vereinfacht gesprochen. Im jeweiligen Arbeitszylinder links oder rechts wirkt nun der hydraulische Druck zusätzlich zur Handkraft.
Übrigens: Kennen Sie das leicht „wehleidige“ Geräusch, wenn Sie links oder rechts auf Anschlag lenken? Das kommt vom Überdruckventil, das das Hydrauliköl zurück in den Ausgleichsbehälter strömen lässt – denn beim Lenken auf Anschlag braucht‘s keine weitere Kraftunterstützung mehr.

„Elektro“ wird immer wichtiger
Elektrohydraulische und elektromechanische Systeme lösen nach dem Siegeszug der Servolenkung mehr und mehr die reine Zahnstangen-Hydrolenkung ab. Der Grund: Die Ingenieure haben ein volles Lastenheft mit mehr und mehr Anforderungen an die Lenkung.
Hier ist‘s wie überall: Ganz oben auf der Liste steht „weniger Energieverbrauch“ – eine Hydraulikpumpe wird ja permanent angetrieben und braucht Energie, auch wenn gar keine Lenkkraftunterstützung nötig ist, wie etwa beim Geradeausfahren oder auf der Autobahn.
Was den Fahrkomfort angeht, so will man um die Mittellage leicht lenken können, aber nur bei langsamer Fahrt: Beim Einparken soll die Lenkung direkt sein, das Auto sich „handlich“ anfühlen. Ist man schnell unterwegs, soll sich das Drehen am Lenkrad eher schwerer anfühlen, etwa beim Überholen auf der Autobahn. Das nennt sich dann „geschwindigkeitsabhängige Lenkübersetzung“.
Systeme, die diese Wünsche erfüllen, sind elektrohydraulische Varianten, aber auch elektromechanische Lenkungen. Bei der letzteren helfen kleine Elektromotoren beim Kurbeln, die Hydraulik entfällt. Besonders energieeffizient, freuen sich die Ingenieure und nicht zuletzt der Autofahrer, wenn sein Wagen etwas weniger Sprit braucht.
Elektrisch unterstützte Lenksysteme setzen sich bis heute überall durch, weil sie nur dann Strom brauchen, wenn gelenkt wird, und auch, weil sie sich sehr flexibel einsetzen lassen. So sind sie zum Beispiel vernetzbar mit allen anderen Komponenten im Auto, die elektrisch funktionieren. Klingt kompliziert, ist aber letzten Endes einfacher – nämlich für das Gesamtsystem „Auto“.

Die Grenzen der Physik erweitern – zumindest gefühlt
Natürlich gibt‘s für moderne Lenksysteme ein Steuergerät, wie für jedes andere System im heutigen Fahrzeug auch. Weil es nicht nur um Lenkunterstützung, sondern auch um Fahrdynamik und Fahrstabilisierung geht, können die Steuergeräte dieselben Sensoren verwenden: ESP und Lenkung zum Beispiel brauchen nur einen Lenkradwinkelsensor, und schon wissen beide, wie weit es in die Kurve gehen soll.
Inzwischen sind mit modernen Systemen fahrdynamische Spirenzchen möglich, die den Fahrer an den Grenzen herkömmlicher Physik zweifeln lassen. Das macht Spaß beim Fahren, ist aber nicht lebensnotwendig.
Ganz arg wichtig ist diese Kommunikation der Steuergeräte dann, wenn das Auto nicht das macht, was es soll. Sprich: Der Fahrer gibt Halbgas und schlägt das Lenkrad zu einem Viertel ein – das Auto fährt aber geradeaus weiter. Passiert zum Beispiel, wenn‘s eisglatt ist.
Jetzt können mehrere Sensoren Alarm schlagen und die vernetzten Systeme reagieren in Sekundenbruchteilen gegenwirkend – sie reduzieren den Lenkwinkel, bremsen einzelne Räder ab, zum Beispiel. Das ist dann das, was der Fahrer als „äha, grad no guad ganga“ erlebt.
Weil Sportwagen und SUV, Kleinwagen und Kombis sehr verschieden sind – und zudem noch überall eine andere Marke draufsteht – gibt es auch für elektrisch-elektronisch unterstützte Lenkungen viele unterschiedliche Systeme. Der mithelfende „Aktuator“, sprich: die Elektromotoren-Einheit, kann in der Lenksäule sitzen, aber auch unten am Lenkgetriebe.
Praktisch daran: je weniger „Drumherum“ gebraucht wird bzw. je kompakter man das Ganze baut, umso weniger Platz ist im Auto nötig, und Gewicht lässt sich obendrein sparen.
Auch bei einem Unfall, zum Beispiel einem Frontalcrash, wird sich eine in naher Zukunft völlig fehlende Lenksäule positiv auswirken, wenn die Ingenieure Recht haben.

Der Fahrer dreht am Rad, die Elektronik lenkt
Übrigens erkennen moderne „Aktivlenkungen“ heute auch, wie schnell der Fahrer „am Rad dreht“: Je nach Fahrgeschwindigkeit reagiert die Elektromotor-Einheit darauf. Sie nimmt den Lenkeinschlag etwas zurück oder gibt etwas dazu und sorgt so dafür, dass das Auto stabil seine Bahn zieht und nicht etwa in den Graben schleudert.
Beispiel Ausweichen: Der Fahrer dreht schnell am Lenkrad, die Elektronik rechnet ein wenig hinzu – so verkürzt sich die Reaktionszeit um entscheidende Sekundenbruchteile. Die Autohersteller haben natürlich das vollständig elektronisch gelenkte Auto im Blick, das für automatisiertes Fahren die Voraussetzung ist, wovon sie seit längerem träumen.
Kleines Detail am Rande: Bevor das ganze „mechanische Gedöns“ überflüssig wird, braucht man derzeit noch deutlich mehr davon als bei der einfachen Zahnstangenlenkung von anno dazumal: die Zahnstange gibt‘s heute noch, ein Schneckengetriebe sorgt für die Übersetzung von wenig Lenkkraft auf mehr Kraft an der Zahnstange, der Elektromotor ist selbstredend und Steuergerät sowie Sensoren wollen ja auch alle mitfahren.
Die Zulieferfirmen arbeiten mit Blick auf das automatisierte Fahren intensiv da-ran, dass ihre Systeme mehr und mehr mit einem übergeordneten „Chassis-Management“ vereinbar sind: Es soll in Zukunft eine Art „Über-Gehirn“ im Auto geben, ein Steuergerät, das alle Fahrzustände im Blick hat und dann Einzelsysteme gezielt aktiviert – ESP, Lenkung, Wankstabilisierung und einiges mehr.
Dieses Über-Gehirn setzt sich dann problemlos auch über das Autofahrer-Gehirn hinweg, der aber dank Aktivlenkung immer noch das Gefühl hat, selber alles im Griff zu haben. Wie trügerisch dieses Gefühl ist und wohin es führen kann, wird nur die Zukunft zeigen.
 
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