Elektrische Lenkung

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“). 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)

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)

Nachteile

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.

Vorteile

Keine Elektrik, Defekte oder Schäden sind offensichtlich erkennbar, Funktionstüchtigkeit leicht prüfbar

Elektrischer Antrieb (EPS, EPAS, EHPS)

Die elektrisch-mechanische Servolenkung ist eine elektrische Hilfskraftlenkung, die nur dann arbeitet, wenn Lenkbewegungen stattfinden. Es gibt zwei verschiedene Systeme.

1. Elektromechanisch: Ein programmgesteuerter Elektrostellmotor übernimmt Steuer- und Lenktätigkeit. (EPS = Electric Power Steering, EPAS = Electric Power Assisted Steering)

2. Elektrohydraulisch: Ein programmgesteuerter Elektromotor übernimmt die Funktion des Pumpenantriebs und fördert Servoöl in ein Lenkgetriebe wie bei dem hydraulischen System. (EHPS = Electro-Hydraulic Power Steering)

Nachteile

Elektrische Systeme sind bei Defekten oder Schäden in der Funktion weniger leicht nachzuvollziehen. Bei programmgesteuerten Digitalsystemen gibt es Sicherheitsbedenken bezüglich nicht auszuschließender Fehler im Programmcode, den so genannten Bugs. Besonders bei elektrohydraulischen Systemen steht den (Verbrauchs)Vorteilen außerdem ein Mehrgewicht durch eine größere Lichtmaschine und ein weiterer Elektromotor gegenüber.

Vorteile

Die elektrische Servopumpe braucht keinen mechanischen Riemenantrieb. Elektromechanische Lenksysteme sind durch den Entfall der Schläuche von der Servopumpe zum Lenkgetriebe und zurück weniger komplex aufgebaut und können unterschiedliche Motorisierungen abdecken. Im Falle einer mechanischen Beschädigung, z. B. bei einem Unfall, kann ebenfalls kein Öl austreten, da elektronische Lenkgetriebe lediglich mit Fetten geschmiert werden. Die bedarfsgerechte Servounterstützung führt zu einer Kraftstoffersparnis von bis zu 0,25 l/100 km gegenüber konventionellen hydraulischen Lenksystemen. Die elektromechanische Lenkung erlaubt eine Lenkradmomentänderung z. B. in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Zielkonflikt von hohen Lenkkräften beim Parkieren (hohe Zahnstangenkräfte aufgrund des Bohrmoments des Reifen) und niedrigen Lenkradmomenten im Fahrbetrieb (reduzierte Zahnstangenkraft) kann damit aufgelöst werden. Das Lenksystem kann als Aktor für weitergehende Fahrerassistenzaufgaben genutzt werden (z. B. Parkassistent, Spurhalteassistent, etc.).

Man unterscheidet 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, Getriebeart (Schneckenrad/welle), z. B. im MINI. 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.

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.