LENKWINKELSTELLER: HIGH-PERFORMANCE ZU ATTRAKTIVEN KOSTEN

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1 extra Auszug Fahrwerk und Lenkung: LENKWINKELSTELLER: HIGH-PERFORMANCE ZU ATTRAKTIVEN KOSTEN Das Projekt Lösungen für automobile Effizienz

2 FAHRWERK UND LENKUNG LENKWINKELSTELLER: HIGH-PERFORMANCE ZU ATTRAKTIVEN KOSTEN Der Lenkwinkelsteller ist ein wichtiger Bestandteil der elektromechanischen Lenkung. Er verfügt über eine frei programmierbare Lenkübersetzung und ermöglicht so eine Vielzahl von Assistenz-Lenkfunktionen. Technische Basis des aktiven Lenkeingriffs sind ein Elektromotor und ein Überlagerungsgetriebe, das als Herzstück des Lenkwinkelstellers wesentlich die akustischen Eigenschaften beeinflusst. Zahnräder aus Kunststoff bieten zu wettbewerbsfähigen Preisen ein ausreichend hohes Leistungsvermögen für das Überlagerungsgetriebe. Die Systemperformance des komplexen mechatronischen Systems hat ThyssenKrupp schon unabhängig vom Motor nachgewiesen. Eine frei programmierbare Lenkübersetzung ist grundlegende Voraussetzung für eine Vielzahl von Assistenz-Lenkfunktionen zur Erhöhung von Fahrsicherheit und Fahrkomfort: mehr Komfort durch deutlich geringeren Lenkwinkel beim Rangieren oder Parken, 1 mehr Agilität durch direkte Lenkübersetzung beispielsweise im Stadtverkehr bei niedrigen Geschwindigkeiten mehr Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten Beitrag zu mehr Sicherheit durch aktive Lenkeingriffe in kritischen Situationen (Spurstabilität bei µ-split- Situationen, Seitenwindkompensation oder Spurhalten), 1 individuelle Ausprägung der Lenkübersetzung, etwa abhängig von Fahrdynamik-Modi des Fahrzeugs. Komfort und Sicherheit Automatisches Parken Autonomes Stop & Go µ-split-kompensation Eis/Schnee Aktive Sicherheit Giermoment-Kompensation LEISER FORTSCHRITT Mit Lenkwinkelsteller Da heutzutage die Fahrzeughersteller von mechatronischen Systemen immer bessere akustische Eigenschaften erwarten, muss auch der im Innenraum zwischen Lenksäule und Lenkwelle positionierte 72 Ohne Lenkwinkelsteller 1 Mehr Fahrsicherheit und Komfort durch Integration des InCar plus-lenkwinkelstellers in das Lenksystem

3 FAHRWERK UND LENKUNG Lenkwinkelsteller hohe Akustikanforderungen erfüllen. Ein modularer Aufbau des Aktuators erfüllt die Funktions- und Wirtschaftlichkeitsanforderungen am besten, da so die einzelnen Module wie Überlagerungs getriebe, Elektromotor und Sicher heitsbremse unabhängig voneinander entwickelt, getestet und optimiert werden können. Damit ist die Systementwicklung kürzer und die akustischen Eigenschaften lassen sich gezielter analysieren und verbessern. Das Überlagerungsgetriebe als Kernelement des Aktuators beeinflusst aufgrund der komplexen Bewegungsabläufe der Zahneingriffe maßgeblich dessen Performance. Zunächst untersucht und bewertet ThyssenKrupp verschiedene Getriebekonzepte mit symmetrischem und unsymmetrischem Kraftfluss. Ein Planetengetriebe mit symmetrischem Kraftfluss, bei dem das Sonnenrad (Motorwelle) als Schnecke fungiert, erfüllt die Lastenheftanforderungen im vorgegebenen Bauraum ideal, 2. Die Vorteile des Planetengetriebes sind seine kompakte Bauweise und der symmetrische Kraftfluss, wodurch Getriebevibrationen in den Lenkstrang nur minimal eingeleitet werden. Die Verteilung der Lenkkräfte auf mehrere Planetenräder reduziert die jeweiligen Belastungen, sodass Planetenräder aus Kunststoff ideal eingesetzt werden können, 3 und ➍. Diese Planetenräder rollen sehr geräuscharm im Hohlrad beziehungsweise auf der Schnecke (Sonnenrad) ab. Die geringere Steifigkeit des Kunststoffs im Vergleich zu Stahl bedeutet, dass die Toleranzanforderungen der Verzahnungen im Hohlrad, an der Schnecke und Aktuator mit Schneckenplanetengetriebe Hohlrad Lenkradwelle 2 Schnittdarstellung des Aktuators 5 Planetenräder 3 Getriebe des Lenkwinkelstellers mit Kunststoff-Zahnrädern Sonnenrad (Motorwelle) Lenkwinkel- und Motorsensor Antriebswelle (lenkgetriebeseitig) Rastscheibe Zusatzwinkel Lenkradwinkel Programmierbare Übersetzung Lenkwinkelsteller Direkt Zusatzwinkel Lenkwinkel [ ] Indirekt Lenkradwinkel [ ] 4 Der Lenkwinkelsteller ermöglicht mit seiner frei programmierbaren Lenkübersetzung ein variables Verhältnis von Lenkradwinkel zu Lenkwinkel 73

4 FAHRWERK UND LENKUNG Prüfstandsaufbau Motor 1 Winkelsensor 1 Motor 2 Prüfl ing Winkelsensor 2 Drehmomentsensor 1 Drehmomentsensor 2 Magnetpulverbremse 5 Lenkwinkelsteller im Prüfstand für Akustik- und Verschleißuntersuchungen den Planetenrädern deutlich reduziert werden können. Das verbessert die Wirtschaftlichkeit, ebenso wie die geringeren Fertigungskosten der Kunststoff-Zahnräder im Vergleich zu Zahnrädern aus Stahl. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Getriebeübersetzung in der ersten Getriebestufe (Schnecke Planetenräder). Dadurch beschränkt sich die Zahl der schnelllaufenden Aktuatorbauteile auf die Motorwelle mit Schnecke und die Motorlager, mit entsprechenden akustischen Vorteilen. und überzeugen durch eine uneingeschränkte Serientauglichkeit. Akustikmessungen verdeutlichen, dass der direkt am Hohlrad gemessene Körperschall des Schneckenplanetengetriebes über den gesamten Frequenzbereich bis 2000 Hz meistens deutlich unter dem der Referenz-Getriebekonzepte liegt, ➏. Die im Fahrbetrieb üblichen Handmomente von <5 Nm übertragen Kunststoff-Zahnräder problemlos. Die Absicherung umfasst aber auch die Untersuchung von Missbrauchs- Szenarien bis hin zum Bruch von Komponenten. In ➐ sind die Hysteresebreiten und die zugehörige Auswertung beim maximal geforderten Drehmoment von 250 Nm bei Nennlast und im Nulldurchgang dargestellt. Auch bei deutlich mehr Lastzyklen halten die Kunststoff-Zahnräder der Belastung erfolgreich stand. Sie erreichen erst bei einer Überbelastung von 130 % der maximalen geforderten Bruchlast ihre Belastungsgrenze, was die hohe Sicherheit des Getriebes bestätigt. GETRIEBEKONSTRUKTION VIRTUELL UND EXPERIMENTELL FÜR GUT BEFUNDEN Abgesichert hat ThyssenKrupp die Getriebekonstruktion mit FEM-Berechnungen und Prototypentests am Prüfstand. Der Prüfling wird dazu zwischen Lenkradund Lenkgetriebewelle eingespannt und an den Wellen mit Brems- und Antriebsmomenten beaufschlagt. Die Winkelgeschwindigkeiten und Drehmomente werden an den Wellen erfasst. Der modulare Aufbau erlaubt den Antrieb der Getriebeprototypen durch einen separaten Motor (Motor 2), ➎. Dieser treibt die Schnecke über einen Keilriemen an. Die Getriebeprototypen erfüllen alle Lastenheftanforderungen mehrerer europäischer Fahrzeughersteller bezüglich Akustik, Lebensdauer und Verschleiß. Für alle Versuche sind die Zahnräder bereits aus PEEK in einem seriennahen Spritzgussprozess gefertigt 74 Schalldruckpegel [db(a)] 6 Körperschallmessungen an Getriebeprototypen Körperschallmessungen Frequenz [Hz] Getriebekonzept 1 Getriebekonzept 2 Schneckenplanetengetriebe

5 FAHRWERK UND LENKUNG Die optimalen Reib- und Verschleißwerte der Verzahnungsoberflächen ermittelt ThyssenKrupp in einem gestuften Prozess. Zuerst wurden in Modellversuchen unterschiedliche Kombinationen von Kunststoffen und Oberflächenbeschichtung untersucht und diejenigen mit den besten Reib- und Verschleißwerten ermittelt. Die besten Kombinationen wurden als Getriebeprototypen aufgebaut und in Dauerläufen untersucht. KOSTEN UND KUNDEN IM FOKUS Der Einsatz von Kunststoff-Zahnrädern im Getriebe bietet einige Kostenvorteile. Zunächst sind ihre Herstellungskosten im Spritzgussverfahren sehr günstig. Außerdem sind sie bei der Montage weniger toleranzempfindlich als Metallzahnräder. Überhaupt ist die Montage des Schneckenplanetengetriebes relativ einfach. Nach der Montage der Achse und Lagerung im Planetenrad wird dieses Modul in den Planetenträger eingesetzt. Als letzter Schritt wird der Planetenträger in das Hohlrad eingelegt und mithilfe des Deckels die Vorspannung auf den Planetenträger eingestellt. Eine weitere kostendämpfende Maßnahme ist der Aufbau des Getriebes aus vielen Normteilen und auf dem Markt verfügbaren Großserienbauteilen wie etwa Distanzscheiben und Planetenradachsen. Der Gesamtaktuator des Lenkwinkelstellers ist so aufgebaut, dass der Elektromotor akustisch vom Fahrer abgewandt auf der Abtriebsseite (Lenkgetriebeseite) platziert ist. Zusätzlich ist die Möglichkeit vorgesehen, neben dem Motorpositionssensor optional einen hochauflösenden Lenkwinkelsensor zu integrieren. Der Lenkwinkelsteller samt Winkelsensorsignalen, Bremse und Elektromotor kann durch ein Column-EPS-Seriensteuergerät betrieben werden. Die Lastenheftanforderungen für das Gesamtkonzept des Lenkwinkelstellers und für das Schneckenplanetengetriebe wurden in der Simulation und am Prüfstand erfüllt. Nächster Schritt ist der Aufbau eines seriennahen Aktuators, der in einem Versuchsfahrzeug getestet werden soll. Damit spezifische Fahrzeuganforderungen in die Weiterentwicklung des Lenkwinkelstellers einfließen können, wird eine Kooperation mit einem Fahrzeughersteller angestrebt. Winkel-Delta [ ] Drehmoment [Nm] Winkel-Delta [ ] ,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 ➐ Verschiedene Planetenradwerkstoffe im Vergleich ,00 20,75 20,50 20,25 20,00 19,75 19,50 Hysterese Winkel-Delta [ ] Hysteresenbreite im Nulldurchgang Zyklusanzahl Hysteresenbreite bei Nennlast Zyklusanzahl 75