Servolenkung

Elektrohydraulische Servolenkung

Zur Reduzierung der Kraft, die zur Betätigung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs beim Lenken im Stand, beim Rangieren oder bei geringen Fahrgeschwindigkeiten nötig ist, verfügen heute viele Fahrzeuge über eine Servolenkung (lat. servus, „Diener, Sklave“). Die Servolenkung unterstützt den Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer aufgebrachte Kraft zum Lenken durch eine Hydraulikpumpe oder einen Elektromotor verstärkt wird.

Hydraulischer Antrieb (HPS)

Geschichte

Obwohl erste Patente schon früher vorlagen, war es Francis W. Davis, ein Ingenieur der Lastwagenabteilung von Pierce Arrow, der mit Forschungen begann, wie man das Lenken erleichtern könnte und der 1926 die erste Servolenkung vorstellte. Davis wechselte dann zu General Motors und verbesserte diese hydraulische Lenkhilfe, aber der Autohersteller lehnte sie als zu kostenaufwändig ab. Davis wechselte daraufhin zu Bendix, einem Automobilzulieferer. Im Zweiten Weltkrieg stieg die Nachfrage nach Lenkhilfen für schwere und gepanzerte Fahrzeuge stark an.

Chrysler war der erste Automobilhersteller, der einen PKW, den 1951er Chrysler Imperial, mit einer "Hydraguide" genannten Servolenkung anbot. Dieses System basierte auf ausgelaufenen Davis-Patenten. General Motors stellte daraufhin für die 1952er Cadillac-Modelle Servolenkungen vor, die auf die fast zwanzig Jahre zuvor geleistete Arbeit von Davis zurückgriffen.

In der heutigen Zeit haben fast alle PKW eine Servolenkung, da der Trend zu Frontantrieb, schwereren Fahrzeugen, breiteren Reifen und somit erhöhten Lenkkräften geht.

Funktion

Die Servopumpe (Hydraulikpumpe) fördert ständig einen Volumenstrom durch die Lenkung. Da aber die Lenkung bei der Geradeausfahrt oder geringen Lenkbewegungen keine Servounterstützung braucht, fließt das Öl direkt wieder zurück in den Behälter. Den Druck, der dabei entsteht, nennt man Durchflussdruck. Dies lässt sich mit einem Gartenschlauch vergleichen, durch den man ungehindert Wasser fließen lässt. Die Pumpe läuft zwar ständig mit, verbraucht aber weniger Energie als andere Verbraucher im Auto, wie z. B. Klimaanlage, heizbare Heckscheibe, Sitzheizung etc. In dem Moment, in dem eine Lenkbewegung ausgeführt wird, wird ein Teil dieses Volumenstromes in den Arbeitsraum der Lenkung geleitet. Es entsteht ein Druck im System. Den höchsten Druck erreicht man dann, wenn man die Lenkung voll in eine Richtung einschlägt. In diesem Moment wird der komplette Volumenstrom in den Arbeitsraum geleitet, ohne dass Öl direkt zurückfließen kann. Die Pumpe geht auf Block. Der entstehende Druck wird durch das Druckbegrenzungsventil auf einen maximalen Druck geregelt, den Systemdruck. Dadurch entsteht das Pfeifen, welches man hin und wieder beim Parken hört, da dann der Ölstrom vollständig in die Arbeitsräume der Lenkung geleitet wird. In diesem Fall wird die maximale Leistung der Servopumpe erbracht. Ein weiterer Nachteil einer hydraulischen Lenkung gegenüber einer elektromechanischen Lenkung ist, dass die Wellendichtringe (Simmerringe) nach einer gewissen Betriebsdauer undicht werden können und dann ein komplizierter Austausch des Lenkgetriebes notwendig ist. Da aus Sicherheitsgründen häufig (je nach Fahrzeugmodell) keine Reparaturen an Teilen der Servolenkung gemacht werden können oder dürfen, muss dann ggf. das komplette Lenkgetriebe gewechselt werden.

Dabei handelt es sich um ein hydraulisches System, bestehend aus der vom Motor angetriebenen Pumpe, dem Ölvorratsbehälter, dem Servoventil, dem Hydraulikzylinder sowie den dazugehörigen Druckleitungen. Das Servoventil ist meistens eine Torsionsfeder (mit definierter Steifigkeit). Dreht der Fahrer das Lenkrad, wird die Torsionsfeder ausgelenkt und gibt am oberen Ende Ventilöffnungen frei, die den Strom der Hydraulikflüssigkeit freigeben, der weiter unten im System die Bewegung verstärkt. Damit reduziert sich der Widerstand im Widerlager der Torsionsfeder, so dass der Ventilquerschnitt am oberen Ende der Torsionsfeder wieder reduziert wird. Das System reguliert sich damit selbst. Mit der Steifigkeit der Torsionsfeder wird die Charakteristik der hydraulischen Servolenkung eingestellt. Aufwändigere Servolenkungen arbeiten geschwindigkeitsabhängig. Die hydraulische Kraftunterstützung der Lenkbewegungen nimmt dann mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit ab. (HPS = Hydraulic Power Steering)

Vorteilhaft ist, dass keine störungsanfälligen elektrischen Bauteile vorhanden sind; Defekte oder Schäden sind offensichtlich erkennbar, die Funktionstüchtigkeit ist leicht prüfbar.

Elektrischer Antrieb (EHPS, EPS, EPAS)

Die elektrisch angetriebene Servolenkung ist eine elektrische Hilfskraftlenkung, die nur dann arbeitet, wenn Lenkbewegungen stattfinden.

Vorteile des elektrischen Antriebes:

• Der wesentliche Vorteil des elektrischen Antriebs liegt darin, die Lenkung adaptiv auszulegen und auch durch Assistenzsysteme überlagern zu können. Die Steuerung erlaubt eine Lenkradmomentänderung z. B. in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Zielkonflikt von hohen Lenkkräften beim Einparken (hohe Zahnstangenkräfte aufgrund des Bohrmoments des Reifen oder Blockade durch Anschlag an den Bordstein) und niedrigen Lenkradmomenten im Fahrbetrieb (reduzierte Zahnstangenkraft) kann damit aufgelöst werden. Das Lenksystem kann als Aktor für weitergehende Fahrerassistenzaufgaben genutzt werden (z. B. automatische Lenkeingriffe bei ESP II, Parkassistent, Spurhalteassistent, etc.).
• Außerdem kann die Lenkunterstützung bedarfsgerecht ausgelegt werden, d.h. sie wird nur tätig, wenn sie während Lenkvorgängen auch nötig ist, was zu einer Kraftstoffersparnis von bis zu 0,25 l/100 km gegenüber konventionellen hydraulischen Lenksystemen führt.
• Durch das Loslösen des Lenkantriebs vom Motor (Riementrieb entfällt) können gleiche Lenksysteme unterschiedliche Motorisierungen abdecken.

Nachteile des elektrischen Antriebs:

• Defekte oder Schäden in der Funktion elektrischer Systeme sind weniger leicht nachzuvollziehen. Bei programmgesteuerten Digitalsystemen gibt es Sicherheitsbedenken bezüglich nicht auszuschließender Programmfehler im Programmcode.

Realisierungsart Elektrohydraulisch

Diese Realisierungsart behält das hydraulische Wirkprinzip weitgehend bei. Allerdings übernimmt statt eines Riementriebs ein programmgesteuerter Elektromotor die Funktion des Antriebs der Servopumpe, die Servoöl in das Lenkgetriebe fördert (EHPS = Electro-Hydraulic Power Steering). Die elektrische Servopumpe braucht also keinen mechanischen Riemenantrieb, sie lässt sich so motorunabhängig frei positionieren. Der Leistungsbedarf der Pumpe muss bei der Auslegung des Bordnetzes berücksichtigt werden. Moderne EHPS-Aggregate liefern bis zu 1kW hydraulische Ausgangsleistung.

Realisierungsart Elektromechanisch

Bei dieser Realisierungsart unterstützt und überlagert ein programmgesteuerter Elektrostellmotor an der Mechanik der Lenkung (Lenksäule oder Lenkgetriebe) die Lenkbewegungen des Fahrers. (EPS = Electric Power Steering, EPAS = Electric Power Assisted Steering). Hier entfällt die Hydraulik, also die Servopumpe, die Schläuche von der Servopumpe zum Lenkgetriebe und zurück, sowie die Hydraulikfüssigkeit. Im Falle einer mechanischen Beschädigung, z. B. bei einem Unfall, kann somit kein Öl austreten, da elektronische Lenkgetriebe lediglich mit Fetten geschmiert werden. Stattdessen bewirkt ein Elektromotor die Überlagerung der mechanischen Lenkbewegung durch den Fahrer mit einer unterstützenden Hilfskraft.

Man unterscheidet wiederum verschiedene Bauformen von elektromechanischen Lenksystemen. Die Positionierung der Servoeinheit (Motor, Steuergerät) und die Ausführung des Reduktionsgetriebes führen zu folgender Unterteilung:

• C-EPS = Column EPS; Positionierung der Servoeinheit im Lenkstrang, Getriebeart (Schneckenrad/welle), z. B. im BMW Z4.
• P-EPS = Pinion EPS; Positionierung der Servoeinheit am Lenkgetrieberitzel, auch Dual-Pinion Antrieb über eine zweite, separate Ritzelwelle, Getriebeart (Schneckenrad/welle)
• R-EPS = Rack EPS; Positionierung der Servoeinheit parallel oder konzentrisch um die Zahnstange, Getriebart (Riemen und Kugelumlaufgewindetrieb bei achsparalleler Anordnung), z. B. im VW Tiguan.

Sicherheit

Es existiert eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgestänge, so dass das Fahrzeug auch bei Ausfall der Servounterstützung gelenkt werden kann, wenn auch nur mit sehr viel höheren Lenkkräften. Fahrzeuge, die konstruktionsbedingt sehr schwergängige Lenkungen haben (z. B. LKW mit zwei gelenkten Vorderachsen), haben gewöhnlicherweise zwei Servopumpen, um einen Totalausfall zu vermeiden, zudem ist vorgesehen, dass zumindest eine Lenkpumpe durch die laufenden Räder über den Antriebsstrang auch dann angetrieben wird, wenn der Fahrzeugmotor nicht läuft (während des Abschleppens).

Einschlägige Rechtsvorschriften

Allgemein zu Lenkanlagen in Kraftfahrzeugen:

StVZO §38 Lenkeinrichtung

(1) Die Lenkeinrichtung muß leichtes und sicheres Lenken des Fahrzeugs gewährleisten; sie ist wenn nötig mit einer Lenkhilfe zu versehen. Bei Versagen der Lenkhilfe muss die Lenkbarkeit des Fahrzeugs erhalten bleiben.

(2) Personenkraftwagen, Kraftomnibusse, Lastkraftwagen und Sattelzugmaschinen, mit mindestens 4 Rädern und einer durch die Bauart bestimmten Höchstgeschwindigkeit von mehr als 25 km/h, sowie ihre Anhänger müssen den im Anhang zu dieser Vorschrift genannten Bestimmungen entsprechen.

Der Anhang zur StVZO wiederum verweist auf die Richtlinie 70/311/EWG des Rates vom 8. Juni 1970 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über die Lenkanlagen von Kraftfahrzeugen und Kraftfahrzeuganhängern, Amtsblatt Nr. L 133 vom 18/06/1970 S. 0010–0013

Literatur

• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2001, ISBN 3-528-13114-4.

Weblinks

 Commons: Servolenkungen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien