Steer-by-Wire-Systeme. Stand und Entwicklungsaussichten
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- Ewald Hafner
- vor 7 Jahren
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1 Steer-by-Wire-Systeme Stand und Entwicklungsaussichten Dipl.-Ing. Thomas Barthenheier, Fachgebiet Fahrzeugtechnik, TU Darmstadt Ba - Folie-Nr. 1/26
2 Definition von Steer-by-Wire Keine energetische Kopplung zwischen gelenkten Rädern und Betätigungseinheit des Fahrers Konsequenzen für die technische Umsetzung: Weg-/Winkelsensor an der Betätigungseinheit zum Erfassen des Fahrerwunsches Moment / Kraft Aktor an gelenkten Rädern zur Umsetzung des Fahrerwunsches Aktor an Betätigungseinheit zur Rückmeldung an den Fahrer Winkel / Weg Winkel-/Weg- und Momenten-/Kraftmessung an gelenkten Rädern zur Gewährleistung der Systemfunktion Definition Ba - Folie-Nr. 2/26
3 Vorteile Nachteile + Packaging + Modulbauweise (Montage) + Erhöhung der passiven Sicherheit + Variable Lenkübersetzung und Bedienkräfte + Freie Gestaltung der HMI + Beeinflussung des Eigenlenkverhaltens - Einführungskosten - Bordnetz- / Energieversorgung - Leistung der Aktoren / Sensoren - Sicherheitsproblematik - Lenkgefühl - Eventl. Skepsis beim Kunden + Erhöhte aktive Sicherheit durch fahrdynamische Eingriffe + Autonomes Parken / Fahren Generelle Vor- / Nachteile von SbW Ba - Folie-Nr. 3/26
4 Zielkonflikt: Lenkradmoment Lenkübersetzung Parkieren: direkte Übersetzung, geringes Moment Fahren mit hoher Geschwindigkeit: indirekte Übersetzung, hohes Moment Variables Lenkradmoment Variable Lenkübersetzung Mechanische Lenkung Ba - Folie-Nr. 4/26
5 (Quelle: ZF LS 2000) Elektromechanische Lenkkraftunterstützung Ba - Folie-Nr. 5/26
6 (Quelle: ZF LS 2000) Elektromechanische Lenkkraftunterstützung Ba - Folie-Nr. 6/26
7 (Quelle: ZF LS 2000) Elektromechanische Lenkkraftunterstützung Ba - Folie-Nr. 7/26
8 + Notwendiges Motormoment + Umfeldbedingungen (Temperatur, Medien) - Lenkgefühl / Geräusch - Systemstabilität + Lenkgefühl / Geräusch + Systemstabilität - Notwendiges Motormoment - Umfeldbedingungen (Temperatur, Medien) Elektromechanische Lenkkraftunterstützung Ba - Folie-Nr. 8/26
9 Technische Herausforderungen: Unterstützungsgrad (VDA-Richtlinie) Lenkwinkelgeschwindigkeit: bis zu 1000 /s Maximales Moment (Abdrücken vom Bordstein) Geräusch Maximale Stromstärken (~ 80A) Bauraum (Größe, Umwelteinflüsse, Temperatur) Lenkgefühl (Ribbeln, Rastmoment, Reibung, Trägheit) Elektromechanische Lenkkraftunterstützung Ba - Folie-Nr. 9/26
10 Vorteile + Veränderbare Lenkübersetzung + Erhöhung des Komforts und der aktiven Sicherheit + Sicherheit vor Totalausfall + Mechanischer Durchgriff bleibt erhalten + Echte By-wire-Funktion möglich + (Freie Gestaltung des Lenkradmomentes) Nachteile - Sehr aufwendige Konstruktion - kostenintensiv - Eventuell verschlechtertes Crashverhalten - Kein Entfall der Servounterstützungskomponenten: hohes Systemgewicht, zusätzlicher Platzbedarf erforderlich - Eingeschränkte Flexibilität in der Produktion (Rechts-/Linkslenker) - Keine adaptive Vorspurregelung möglich Lenkwinkelüberlagerung Ba - Folie-Nr. 10/26
11 (Quelle: BMW 2002) Lenkwinkelüberlagerung Ba - Folie-Nr. 11/26
12 Steer-by-Wire Ba - Folie-Nr. 12/26
13 Steer-by-Wire Ba - Folie-Nr. 13/26
14 Steer-by-Wire Ba - Folie-Nr. 14/26
15 Vorteile + Maximale Freiheitsgrade beim Packaging + Platzgewinn durch entfallende Lenksäule + Lenkgetriebe kann unter Umständen ganz entfallen + bessere Crash- Performance möglich + adaptive Vorspur möglich + niedriges Systemgewicht Nachteile - Hohe Systemkosten durch höchste Anforderungen an Ausfallsicherheit - kein Überstimmen durch den Fahrer möglich (Auto-Modus) - kostenintensiv Steer-by-Wire Ba - Folie-Nr. 15/26
16 Mechanische Lenksysteme: Sicherheit gegen Bruch durch entsprechende Dimensionierung Elektromechanische Lenkkraftunterstützung: Sicherheit gegen Fehlfunktion der Unterstützung durch redundante Sensorik, Überwachungslogik (fail-silent) Lenkwinkelüberlagerung: Sicherheit durch mechanische Rückfallebene (fail-silent) Steer-by-Wire: Welches fail-safe-prinzip ist bei SbW anzuwenden? Ausfallsicherheit Ba - Folie-Nr. 16/26
17 Fahrsimulatoruntersuchungen zur Sicherheitsproblematik (DC): Landstrasse (100km/h), Fahrbahnbreite 3,5m, aufgeschaltete Lenkwinkelfehler 0,35 /0,5 Autobahn (150km/h), Fahrbahnbreite 3,5m, aufgeschaltete Lenkwinkelfehler 0,3 /0,4 Ergebnis: 40 Spurabweichung (0,2-0,4m) Spurabweichung (>0,4m) nicht bestandene Fahrten [%] Um einen ausreichenden 35 Kundennutzen zu realisieren, muss ein Steer-by-Wire-System fehlertolerant ausgelegt 30 sein. 25 Keine Einschränkung der Lenkfunktion in kritischen Situationen (fail-operational). Anmerkung: Fail-operational auch für Lenkradmoment? 0,35 0,5 0,3 0,4 Lenkwinkelfehler [ ] (Quelle: DC 2001) Ausfallsicherheit Ba - Folie-Nr. 17/26
18 Dimensionalität: Wie stellt sich die Aufgabe dem Fahrzeugführer räumlich dar und auf wie viele Freiheitsgrade hat er dabei Zugriff? Ergonomische Regel: Es sollten nicht mehr Bedienelemente zur Bewältigung der Aufgabe betätigt werden, als durch die Dimensionszahl der Aufgabe vorgegeben. Nach Möglichkeit sollte die Dimensionalität des Bedienelements der der Aufgabe entsprechen. HMI Ba - Folie-Nr. 18/26
19 Bedienung des Patentwagens von Carl Benz 1885 HMI Ba - Folie-Nr. 19/26
20 Fahrzeug: General Motors Impala (1959) Sidestick: 2-achsig, federzentriert HMI Ba - Folie-Nr. 20/26
21 Passives Bedienelement Aufgabe Mensch visuell vestibulär haptisch Weg Kraft passives Bedienelement Bedienelement Maschine Ergebnis Aktives Bedienelement Aufgabe Mensch visuell vestibulär haptisch Weg Kraft aktives Bedienelement Bedienelement Servomotor Maschine Ergebnis HMI Ba - Folie-Nr. 21/26
22 Fahrzeug: DaimlerChrysler 500SL (2001) Sidestick: 2-achsig, aktiv Vorteile + Freie Gestaltung des Innenraums + Erhöhte passive Sicherheit (Wegfall von Lenkrad und Pedalerie) + Große Freiheiten in der Auslegung des Sidesticks (Input / Feedback) Nachteile - Umgewöhnungseffekte / Akzeptanz - Kleiner Winkel/Weg zur Querführung - Abstützung des Körpers am Bedienteil nicht mehr möglich + Verbesserte aktive Sicherheit (Umsetzzeit bei Längsführung) HMI Ba - Folie-Nr. 22/26
23 Rückmeldung bei der konventionellen Lenkung Zustandekommen der an der Lenkung spürbaren Kräfte: Reifennachlauf n R Maximal übertragbare Querspannung (µ F N /A) Querspannung bei großen Querkräften Flächendruck Fahrtrichtung Querspannung bei kleinen Querkräften Seitenkraft n R2 n R1 Rollrichtung Aufstandskraft F N Rückstellmoment (Quelle: Bubb, 2001) Gelenktes Vorderrad Lenkgefühl Spannungen in der Reifenaufstandsfläche Ba - Folie-Nr. 23/26
24 Lenkgefühluntersuchung: Kriterium: Parcours: Variation des Lenkradmomentes empfundene Sportlichkeit Autobahn Frauen (n=30) Männer (n=30) Lenkgefühl Ba - Folie-Nr. 24/26
25 Zusammenfassung: Erhöhung der aktiven und passiven Sicherheit Verbesserung von Packaging und Montage Neue Freiheiten in der Gestaltung der HMI Vorstufen mit verwandten technischen Problemstellungen wie Steer-by-Wire: EPS und AFS Herausforderung Sicherheitskonzept: fail-operational Markteinführung: Einführung von Systemen mit Steer-by-Wire-Funktionalität 2003/2004 Einführung von Steer-by-Wire-Systemen: frühestens 2008 Fazit Ba - Folie-Nr. 25/26
26 Definition Lenkkraftunterstützung Lenkwinkelüberlagerung SbW HMI Lenkgefühl Steer-by-Wire-Systeme Stand und Entwicklungsaussichten Dipl.-Ing. Thomas Barthenheier, Fachgebiet Fahrzeugtechnik, TU Darmstadt Ba - Folie-Nr. 26/26
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