Die komplexe Technik heutiger Kraftfahrzeuge und Motoren macht einen immer größer werdenden Fundus an Informationen notwendig, um die Funktion und

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1 ATZ/MTZ-Fachbuch

2 Die komplexe Technik heutiger Kraftfahrzeuge und Motoren macht einen immer größer werdenden Fundus an Informationen notwendig, um die Funktion und die Arbeitsweise von Komponenten oder Systemen zu verstehen. Den raschen und sicheren Zugriff auf diese Informationen bietet die regelmäßig aktualisierte Reihe ATZ/MTZ-Fachbuch, welche die zum Verständnis erforderlichen Grundlagen, Daten und Erklärungen anschaulich, systematisch und anwendungsorientiert zusammenstellt. Die Reihe wendet sich an Fahrzeug- und Motoreningenieure sowie Studierende, die Nachschlagebedarf haben und im Zusammenhang Fragestellungen ihres Arbeitsfeldes verstehen müssen und an Professoren und Dozenten an Universitäten und Hochschulen mit Schwerpunkt Kraftfahrzeug- und Motorentechnik. Sie liefert gleichzeitig das theoretische Rüstzeug für das Verständnis wie auch die Anwendungen, wie sie für Gutachter, Forscher und Entwicklungsingenieure in der Automobil- und Zulieferindustrie sowie bei Dienstleistern benötigt werden.

3 Peter Pfeffer Manfred Harrer Herausgeber Lenkungshandbuch Lenksysteme, Lenkgefühl, Fahrdynamik von Kraftfahrzeugen 2., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 455 Abbildungen und 35 Tabellen

4 Herausgeber Prof. Dr. Dipl.-Ing. Peter Pfeffer Feldafing, Deutschland Dr. Manfred Harrer Stuttgart, Deutschland ISBN DOI / ISBN (eBook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlagbild: Lenksystemprüfstand an der Hochschule München (Quelle: SILVER ATENA Electronic Systems Engineering) Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 Vorwort der Herausgeber Im Mai 2011 erschien die erste Auflage des Lenkungshandbuches, das sich im deutschsprachigen Raum innerhalb kürzester Zeit als Standardwerk zum Thema Lenksysteme/Lenkverhalten etabliert hat und fester Bestandteil der renommierten ATZ/MTZ Fachbuchreihe des Springer Vieweg Verlages geworden ist. Durch die Berücksichtigung der unterschiedlichen Interessen und Anforderungen der Automobilhersteller, Zulieferer und Hochschulen und durch die Einbindung ausgewiesener Experten aus diesen Bereichen wurde dieser Erfolg möglich. Das fundierte Fachwissen von nahezu 40 Experten aus der Industrie und den Hochschulen stand für die Erstellung des Lenkungshandbuches zur Verfügung. Das Lenkungshandbuch wurde für seine 2. Auflage gründlich überarbeitet und ergänzt. Wir bedanken uns bei allen Autoren für die Aktualisierung ihrer Buchkapitel und bei den Lesern für die konstruktiven Verbesserungsvorschläge. Ein großes Dankeschön ergeht auch an den Springer Vieweg Verlag für die gute Zusammenarbeit. Die Leser dieses Handbuches bitten wir weiterhin, uns Anregungen, Verbesserungs- bzw. Ergänzungsvorschläge unter der -Adresse: mitzuteilen. Das Lenkungshandbuch ist ein Gesamtwerk über Lenksysteme, Lenkgefühl und Fahrdynamik von Kraftfahrzeugen. Im ersten Teil dieses Handbuches werden die kinematischen und fahrdynamischen Grundlagen eines Lenkvorganges erklärt und die wichtigsten Fahrwerkskenngrößen und deren Bedeutung für den Lenkvorgang besprochen. Der Interaktion von Fahrer Fahrzeug wird in einem weiteren Kapitel große Aufmerksamkeit gewidmet, um den Aspekten zum Thema Lenkgefühl gerecht zu werden. Die weiteren zentralen Kapitel dieses Buches widmen sich den einzelnen Lenkungsbaugruppen, deren Auslegungsgrößen und Bauteilprüfungen. Ausführlich beschrieben sind die Komponenten und Systeme Lenkrad, Lenksäule mit Lenkzwischenwelle sowie die Zahnstangenlenkung in mechanischer, hydraulischer und elektromechanischer Ausführung. Besondere Lenksystemtechnologien wie die Überlagerungslenkung und Allradlenkung werden ebenfalls detailliert erläutert. Viel Wert wurde darauf gelegt, den aktuellen Stand der jeweiligen Lenksystemtechnologie und deren Wechselwirkung mit dem Gesamtfahrzeug abzubilden und die resultierende Komplexität detailliert, aber dennoch verständlich darzulegen. So werden auch wichtige Nebenaspekte wie akustisches Verhalten, Energiebedarf und Funktionale Sicherheit behandelt. Weiterhin werden die durch moderne Lenksysteme möglichen Fahrerassistenzfunktionen dargestellt. Unsere Zielgruppen sind Ingenieure und Techniker in der Konzeption, Konstruktion, Entwicklung, Erprobung, Herstellung, Wartung und Überwachung von Personenkraftwagen und deren Lenkanlagen. Weiterhin Lehrende und Forschende und besonders Studierende des Ingenieur- und Fahrzeugwesens an Hochschulen, Universitäten sowie an Berufs- und Technikerschulen. Stuttgart/Feldafing im Mai 2013 Manfred Harrer Peter Pfeffer V

6 Gastvorwort Die haptische Rückmeldung über die Lenkung gibt dem Fahrer die feinfühligste Rückmeldung über den Fahrzustand und damit über die Sicherheitsreserven des Fahrzeugs. Gleichzeitig kann eine gut abgestimmte Lenkung ein Fahrzeug bei identischem Fahrwerk bedeutend sicherer machen. Trotzdem stand bisher die Lenkung weder in den Testberichten noch in der Literatur im Vordergrund. Zurzeit findet ein wesentlicher Paradigmenwechsel statt. Gründe dafür sind: Die Lenkung rückt immer mehr in den Fokus einer endkundenrelevanten Eigenschaft. Die Präzision des Lenkens wird weltweit zu einem starken Kaufargument. Die Zahl der Lenkungstechnologien und der beeinflussbaren Fahrzeuggrößen hat sich stark erhöht. Die elektromechanische Servolenkung löst die elektrohydraulische als Standardlenkung ab. Eigenschaften, die bisher mechanisch eingeprägt waren, werden durch die elektromechanische Lenkung einstellbar. Dadurch wird die Lenkung: Die erste wesentliche Systemkomponente des Fahrwerks, die zu 100 % strategiefähig ist. Sie wird damit Nukleus eines vernetzten Fahrwerks und Basis vieler heutiger und zukünftiger Assistenzsysteme. Die Auslegung und Funktionalität der Lenkung wird die Auslegung aller anderen Fahrwerkskomponenten stark beeinflussen und wird künftig zu Beginn aller Fahrwerksauslegungen stehen. Elektromechanische Servolenkungen und vernetzte elektronische Regelsysteme machen unsere Fahrzeuge sicherer, agiler, komfortabler und effizienter. Sie bedeuten aber auch deutlich mehr Komplexität und erhöhte Anforderungen hinsichtlich der Kosten, Qualität und Entwicklungszeiten. Fahrzeughersteller und Zulieferer und Universitäten verlangen deshalb nach Grundlagenwissen, Methoden und Werkzeugen, mit denen sie die Funktionen und Zuverlässigkeit durchgängig im Gesamtkontext von Prozess und System designen und optimieren können. Entsprechend der künftigen Bedeutung der Lenkungstechnik an sich und ihrer Basis für Assistenzsysteme gibt es bis jetzt dazu keine adäquate Literatur. Aufgrund der erstmaligen umfassenden Behandlung aller relevanten Lenkungs- und Vernetzungsthemen wird dieses Buch aus meiner Sicht zu einem Standardwerk für die Lenkungs- und Fahrwerktechnik sowie von Assistenzfunktionen werden. Den Herausgebern und den Autoren danke ich für die hervorragende grundlegende Arbeit. Sie wird vielen Entwicklern und Studenten ein ständiger Begleiter werden und einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, dass unsere Fahrzeuge sicherer und umweltschonender werden. Ravensburg im Mai 2011 Dr. Wolfgang Runge VI

7 Die Herausgeber Dr. Manfred Harrer studierte Fahrzeugtechnik an der Hochschule München. Von 1997 bis 1999 arbeitete er in der Fahrwerksentwicklung bei der Audi AG in Ingolstadt. Von 1999 bis 2007 war Manfred Harrer bei der BMW Group in München als Versuchsingenieur, Projektleiter und Leiter Vorentwicklung Lenksysteme beschäftigt. Von 2003 bis 2007 promovierte Manfred Harrer an der University of Bath, England. Hierbei beschäftigte er sich intensiv mit der Objektivierung fahrdynamischer Größen zur Beschreibung des subjektiv empfundenen Lenkgefühls und Fahrverhaltens. Seit 2007 ist Manfred Harrer bei der Dr. Ing. h. c. F. Porsche AG innerhalb der Fahrwerksentwicklung tätig. Er verantwortete dort das Fachgebiet Lenksysteme und Räder und die Abteilung Federungs-, Lenksysteme und Energieversorgung. Aktuell leitet er die Abteilung Entwicklung Fahrdynamik und Performance. Seit mehreren Jahren engagiert sich Manfred Harrer in zahlreichen Kooperationsprojekten zwischen Industrie, Wissenschaft und Hochschulen. Als Autor und Co-Autor hat er eine Reihe von Publikationen zu unterschiedlichen Fahrwerksthemen veröffentlicht. Manfred Harrer ist Wissenschaftlicher Beirat bei den Fahrwerkstagungen chassis.tech plus und Reifen-Fahrwerk-Fahrbahn. Prof. Dr. Dipl.-Ing. Peter Pfeffer studierte an der TU Wien und an der RWTH Aachen Maschinenbau trat er in die Technische Entwicklung der Audi AG ein. Er arbeitete dort im Fahrwerksbereich und in der Akustik. Einer der Schwerpunkte der Tätigkeiten war die Aggregatelagerung, der Schwingungskomfort und Projektleitertätigkeiten. Von 2002 bis 2007 wirkte Peter Pfeffer als Lecturer an der University of Bath, England. Zu dieser Zeit forschte und promovierte er zum Thema Beeinflussung der Fahrdynamik durch Lenksysteme. Peter Pfeffer wurde 2007 als Professor für Fahrzeugtechnik an die Hochschule München berufen. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Fahrdynamik, der Schwingungskomfort, Elastomer- und Hydrolager und Lenkungen. Er leitet das Kompetenz Zentrum Fahrzeugmechatronik - Fahrdynamik und ist seit 2010 Prodekan der Fakultät Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik. Als Wissenschaftlicher Leiter der chassis.tech plus trägt er zum Wissenstransfer im Fahrwerksbereich bei. Peter Pfeffer ist zudem Stellvertretender Vorsitzender des VDI Bezirksverein München, Ober- und Niederbayern e.v., Mitglied im Beirat der VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik und Sprecher des Arbeitskreises der Professoren für Fahrzeugtechnik an Fachhochschulen. VII

8 Autorenverzeichnis Adamczyk, Dirk Braess, Hans-Hermann, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Brosig, Stefan, Dr. Brunner, Sina Gaedke, Alexander Gessat, Jochen, Dr. Grüner, Stefan, Dr. Harrer, Manfred, Dr. Hauhoff, Jörg, Dr. Heger, Markus Herold, Peter Hintersteiner, Rupert, Dr.-Ing. Höll, Manuel Holtschulze, Jens, Dr.-Ing. Huang, Pei-Shih, Dr.-Ing. Hullmann, Johannes James, David Kleiner, Wolfgang Lienkamp, Markus, Prof. Dr.-Ing. Lunkeit, Daniel Maehlmann, Dirk ZF Friedrichshafen AG ehemals BMW AG Volkswagen AG Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ZF Lenksysteme GmbH TRW Automotive ZF Lenksysteme GmbH Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG Willi Elbe GmbH ZF Lenksysteme GmbH BMW Group Audi AG Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für Mechatronik Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG BMW Group BMW Group TRW Automotive Bishop Steering Technology GmbH ZF Friedrichshafen AG TU-München Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ZF Friedrichshafen AG IX

9 Autorenverzeichnis Pfeffer, Peter, Prof. Dr. Pruckner, Alfred, Dr.-Ing. Reuter, Mirko Saal, André Sedlmeier, Ralf Seewald, Alois, Dr. Semmel, Dieter Sentpali, Stefan, Prof. Dr. Span, Eduard, Dr. Sprinzl, Michael Trzesniowski, Michael, Prof. Ulrich, Hartmut, Prof. Dr.-Ing. Vähning, Alexander Wallbrecher, Markus Walters, Markus Wiertz, Alexander Zimmermann, Dirk, Dr. Hochschule München BMW Group Audi AG Audi AG Willi Elbe GmbH TRW Automotive Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG Hochschule München, BMW Group TRW Automotive ZF Lenksysteme GmbH FH Joanneum Hochschule Ruhr West ZF Lenksysteme GmbH BMW Group Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG TRW Automotive TRW Automotive X

10 Autorenverzeichnis nach Kapiteln Adamczyk, Dirk Kapitel L Braess, Hans-Hermann, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Kapitel B5, E2, G8 Brosig, Stefan, Dr. Kapitel S Brunner, Sina Kapitel C, H1 Gaedke, Alexander Kapitel O Gessat, Jochen, Dr. Kapitel N Grüner, Stefan, Dr. Kapitel O Harrer, Manfred, Dr. Kapitel C, G, H1, T Hauhoff, Jörg, Dr. Kapitel J Heger, Markus Kapitel O Herold, Peter Kapitel Q Hintersteiner, Rupert, Dr.-Ing. Kapitel F4 Höll, Manuel Kapitel H1 Holtschulze, Jens, Dr.-Ing. Kapitel B3 ZF Friedrichshafen AG ehemals BMW AG Volkswagen AG Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ZF Lenksysteme GmbH TRW Automotive ZF Lenksysteme GmbH Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG Willi Elbe GmbH ZF Lenksysteme GmbH BMW Group Audi AG Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für Mechatronik Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG BMW Group XI

11 Autorenverzeichnis nach Kapiteln Huang, Pei-Shih, Dr.-Ing. Kapitel R Hullmann, Johannes Kapitel K1 bis K4, K6 bis K7 James, David Kapitel K5 Kleiner, Wolfgang Kapitel L Lienkamp, Markus, Prof. Dr.-Ing. Kapitel S Lunkeit, Daniel Kapitel H2 Maehlmann, Dirk Kapitel L Pfeffer, Peter, Prof. Dr. Kapitel A1 bis A2, B1 bis B2, B4, B6, E, G (außer G8), T Pruckner, Alfred, Dr.-Ing. Kapitel R Reuter, Mirko Kapitel P Saal, André Kapitel P Sedlmeier, Ralf Kapitel J Seewald, Alois, Dr. Kapitel K, N Semmel, Dieter Kapitel M Sentpali, Stefan, Prof. Dr. Kapitel F1 bis F3 Span, Eduard, Dr. Kapitel K1 bis K4, K6 bis K7 BMW Group TRW Automotive Bishop Steering Technology GmbH ZF Friedrichshafen AG TU-München Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ZF Friedrichshafen AG Hochschule München BMW Group Audi AG Audi AG Willi Elbe GmbH TRW Automotive Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG Hochschule München, BMW Group TRW Automotive XII

12 Autorenverzeichnis nach Kapiteln Sprinzl, Michael Kapitel O Trzesniowski, Michael, Prof. Kapitel D Ulrich, Hartmut, Prof. Dr.-Ing. Kapitel A3 Vähning, Alexander Kapitel O Wallbrecher, Markus Kapitel Q Walters, Markus Kapitel I Wiertz, Alexander Kapitel K1 bis K4, K6 bis K14 Zimmermann, Dirk, Dr. Kapitel N ZF Lenksysteme GmbH FH Joanneum Hochschule Ruhr West ZF Lenksysteme GmbH BMW Group Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG TRW Automotive TRW Automotive XIII

13 Inhaltsverzeichnis Vorwort der Herausgeber... V Gastvorwort... VI Die Herausgeber... VII Autorenverzeichnis... IX Abkürzungs- und Formelverzeichnis...XXVII A Einleitung und Geschichte... 1 Definition und Abgrenzung Aufgabe und Bedeutung der Lenkung Grundbauarten Bauformen Geschichte der Querdynamik Geschichte der Kraftfahrzeuglenkung Die Drehschemellenkung (Achsschemellenkung) Die Achsschenkellenkung Die Lenkungen der ersten Kraftfahrzeuge Mechanische Lenkgetriebe Servolenkgetriebe (Hilfskraftlenkung) B Grundlegendes zum Lenkvorgang Lenken Fahrzeugführung quer Kurvenfahrt Langsame Kurvenfahrt Schnelle Kurvenfahrt Reifeneigenschaften in Querrichtung Kraftübertragung Vertikal Einfluss auf Latschlänge Reifenseitenkraft, Reifennachlauf und -rückstellmoment Bereich kleiner Querbeschleunigungen (lineare Reifeneigenschaften) Bereich höherer Querbeschleunigungen (nichtlineare Reifeneigenschaften) Einfluss durch Sturzwinkel Transientes Verhalten der Reifenseitenkraft Zusammenfassung Reifeneigenschaften Lenkradmoment Lenkradmomentenberechnung Lenkungsverstärkung Lenkunterstützungsmoment Allradlenkung Verspannungslenkung C Anforderungen an die Lenkung Funktion und Lenkgefühl XV

14 Inhaltsverzeichnis 2 Package Gewicht Kosten Qualität Energie und Umwelt Akustik und Schwingungen Systemsicherheit Gesetzliche Anforderungen D Lenkkinematik Einleitung Kenngrößen der Lenkgeometrie Kenngrößen der Radstellung Lenkübersetzung Übertragungseinrichtung E Fahrdynamische Grundlagen Fahrzeugmodellierung lineares Einspurmodell Bewegungsgleichungen Lenkwinkel Lenkradwinkel Lenkungsverstärkung Stationäre Kreisfahrt Unter-/Übersteuern Transientes Verhalten Ansprechzeit auf Lenkradwinkelsprung Gierfrequenzgang Lenkungsmodelle Lenkungsmodell mit Lenkunterstützung und Reibeffekten Analyse des Einflusses von Fahrzeug- und Lenkungsparameter auf das Fahr- und Lenkverhalten Fahrdynamische Grundauslegung für das Lenksystem Auslegung der Schwenkachse Stationäres Rückstellmoment Bestimmung des Stabilitätsfaktor (Stability Factor) Stationäre Gierverstärkung und Lenkempfindlichkeit Lenkradmoment-Querbeschleunigungsgradient (stationär) Frequenzgang Lenkradmoment-Lenkradwinkel Free-Control-Stabilität Eigenfrequenz und Dämpfung der Lenkung Minimerung des Schiefziehens bei ungleichen Bremskräften an der Vorderachse Lenkstabiles Bremssystem Einfluss der Aerodynamik auf das Fahrverhalten Frontgetriebene Fahrzeuge F Akustik und Schwingungen Stör- und Funktionsgeräusche Schallquellen von Lenksystemen Elektrische Lenksystemen Hydraulische Lenksystemen Stabilität Hydraulisches Lenkungsklappern XVI

15 Inhaltsverzeichnis 2.2 Lenkungsrattern Lenkraddrehschwingungen LDS Körperschallübertragung durch Schläuche und Leitungen Körperschallwellenüberlagerung Akustisch wirksame Materialkenngrößen Minderung der Schallübertragung durch Biegeverlegung Lenksäule und Lenkrad Auslegung hinsichtlich Schwingungskomfort Auslegungsstrategie Eigenfrequenzziele der Komponenten und im Gesamtfahrzeug Berechnungsmodelle und -lastfälle Parameterstudien Lenkradtilger Fazit G Lenkgefühl, Interaktion Lenkverhalten und Lenkgefühl Lenkgefühl Führungsverhalten Rückmeldeverhalten Anforderungen an ein optimales Lenkverhalten und Lenkgefühl Evaluierungsmethodiken des Lenkgefühls Objektivierung Subjektive Beurteilung des Lenkgefühls Objektive Beurteilung des Lenkverhaltens Messausrüstung Fahrmanöver Automatisierte Datenaufbereitung Objektive Parameter Korrelations- und Regressionsanalyse Zielbereiche für optimales Lenkverhalten Authentisches oder synthetisches Lenkgefühl Ein objektiv bewertbares Thema? H Auslegung von Lenkungen Grundauslegung eines Lenkgetriebes Zahnstangenkraft Lenkradmoment Lenkdynamik Lenkleistung Lenkungsreibung Negative Aspekte von Reibung im Lenkgetriebe Positive Aspekte von Reibung im Lenkgetriebe Übertragungsverhalten von Lenksystemen Führungsverhalten Rückmeldeverhalten Rückmeldung bei hydraulisch unterstützten Servolenkungen Rückmeldungsrelevante nichtlineare Erweiterungen bei hydraulischen Servolenkungen Rückmeldung bei elektromechanisch unterstützten Servolenkungen XVII

16 Inhaltsverzeichnis I Lenkrad Einführung Baugruppen Skelett Lenkradkranz und Lenkradkorpus Hupe Airbag und Crash Airbagkappe Luftsack Gasgenerator Multifunktion Schaum/Leder/Dekore Anforderungen an die Komponenten und ZSB Erprobung und Absicherung Airbag Allgemeine- und Crashanforderungen Umweltsimulation Lenkrad Betriebsfestigkeit ECE-R Umweltsimulation/Lacktest/Galvaniktest Bedienelemente/EE Modularisierung/Entwicklungstrends/Ausblick J Lenksäule und Lenkzwischenwelle Einführung Baugruppen Lenkstrang Oben Manuell verstellbare Lenksäule MVLS Elektrisch verstellbare Lenksäule EVLS Lenkzwischenwellen Ungleichförmigkeit und Center Point Komponenten der Baugruppen Verstelleinheiten Manuelle Verriegelung Elektrische Antriebseinheit Lenkstrang oben inklusive Mantelrohr Crashelement Gelenke Einfachgelenke Zentriertes Doppelgelenk Längenausgleich der Lenkzwischenwelle Dämpfungselemente Erprobung der Lenksäule und Lenkzwischenwelle Übertragungsfähigkeit Statische Festigkeit Dynamische Festigkeit Steifigkeit Verstelldauerlauf für Lenksäulen Eigendynamisches Verhalten XVIII

17 Inhaltsverzeichnis Anforderung an die Lenksäule Analytische Ermittlung/Messung des eigendynamischen Verhaltens Einflussparameter Crasheigenschaften Lenkspindel Lenksäule Verschiebekräfte zur Einstellung der Lenksäule Temperatur Korrosion Ausblick K Mechanische und hydraulische Lenkungen Begriffsbestimmung von Zahnstangenlenkungen Verwendbarkeit/Vor- und Nachteile Kinematische Unterscheidungsmerkmale von Lenkgetrieben Position des Lenkgetriebes relativ zur Vorderachse Anbindung des Lenkgetriebes im Fahrzeug Ausrichtungen des Lenkgetriebegehäuses Anbindung der Spurstangen Art des Übersetzungsverhältnisses Aufbau und Hauptkomponenten eines mechanischen Zahnstangenlenkgetriebes Lenkgetriebegehäuse Einteiliges Lenkgetriebegehäuse Zweiteiliges Lenkgetriebegehäuse als Verbundkonstruktion Lenkritzel Lenkritzellagerung Ausführung der Lenkritzelverzahnung Zahnstange und Zahnstangenführung Zahnstangenführung Druckstück Zahnstangenlagerbuchse Verzahnung und Lenkgetriebeübersetzung Konstante Lenkgetriebeübersetzung Variable Lenkgetriebeübersetzung Entwicklungsgeschichte Anwendungen Lenksystem-orientierte Anwendung Fahrerorientierte Anwendung Sonderanwendungen Technische Grenzen Größenordnung der Übersetzungserhöhung Kontaktlinien Stabilität und Geräusch (NVH) Herstellungsverfahren Taumelfließpressen Halbwarm Schmieden Rohrumformung Anforderungen an ein mechanisches Zahnstangenlenkgetriebe Funktionsanforderungen an Lenkgetriebe Druckstückspiel XIX

18 Inhaltsverzeichnis Lenkritzeldrehmoment Zahnstangenverschiebekraft Wirkungsgrad Geräusch-(NVH)-Anforderungen Festigkeitsanforderungen an Lenkgetriebe Statische Festigkeit Dynamische Festigkeit und Verschleißprüfung Umweltanforderungen an Lenkgetriebe Salzsprühnebelprüfung Schmutzwasserprüfung Designverifikation und Produktvalidierung eines Zahnstangenlenkgetriebes Konzeptverifikation (CV) Designverifikation (DV) Produktvalidierung (PV) Serienbegleitende Prüfung Hydraulische Lenkungen Zielsetzung Notwendige Veränderungen am Fahrzeug gegenüber der manuellen Lenkung Notwendige Veränderungen am Lenkgetriebe gegenüber der manuellen Lenkung Besonderheiten für hydraulische Lenkgetriebe beim Einsatz im Fahrzeug Aufbau und Komponenten hydraulischer Lenkgetriebe Ausführungsformen Endabgriff Mittenabgriff Paralleler Hilfszylinder Zylinder Zahnstange im Zylinderbereich Kolben mit Kolbenring Zahnstangendichtungen und Dichtsystem des Zylinders Zylinderrohr mit Anschlüssen Drehschieberventil mit Eingangswelle und Lenkritzel Lenkritzel Drehstab und Überlastsicherung Steuerhülse mit Ventilringen Eingangswelle Ausführungsformen Weitere Komponenten eines hydraulischen Lenkgetriebes Transferleitungen Balgentlüftung Typische Kennwerte hydraulischer Lenkgetriebe Funktionsweise der Lenkungshydraulik Lenkventil Prinzip der Drosselung Äußere Einflüsse auf die Ventilkennung Wirkung von Lenkbewegungen Volumenstromaufteilung Ventilgeräusche Zischen Innere Leckage Modellbildung (Lageregelkreis) Dämpfung Instabilitäten Hydraulische Zusatzsysteme Mittenzentrierung Geschwindigkeitsabhängigkeit XX

19 Inhaltsverzeichnis 11.3 Dämpfungsventile Lenkventile mit Dämpfungseigenschaften Druckbegrenzung in der Zahnstangenendlage Kugelumlauflenkgetriebe/Nfz-Lenksysteme Einsatzbereiche Aufbau von Kugelumlauflenkgetrieben Vergleich zwischen Kugelumlauflenkung und Zahnstangenlenkung Technische Daten und Kennwerte Zusatzsysteme Zweikreis-Lenkung Anforderungen an ein hydraulisches Lenkgetriebe Funktionsanforderungen Festigkeitsanforderungen Statische Festigkeit Berstdruckprüfung Dynamische Festigkeit Druckpulsation Umweltanforderungen Kaltstarttest L Spurstangen Einleitung Basisausführungen Spurstangen für Kugelumlauflenkungen Spurstangen für Zahnstangenlenkungen Spurstangengelenke Innengelenk (Axialgelenk) Belüftungsfunktion des Innengelenks Außengelenk (Winkelgelenk, Radialgelenk) Spureinstellung Anforderungen und Auslegung Auslegungsregeln von Spurstangen Auslegung der Spurstange auf Bauteilfestigkeit Auslegung der Gelenklagerung Auslegung der Außengelenkabdichtung Dämpfung/Entkopplung Schnittstelle zum Radträger Leichtbau Ausblick Überlastverhalten Sensorgelenk M Hydraulische Energieversorgung Servopumpen Einführung Flügelzellenpumpe Flügelzellenpumpen mit Bypassventil zur Energieeinsparung Verstellpumpe Radialkolbenpumpe Tandempumpe Ölversorgung und Öle Ölbehälter Bauarten XXI

20 Inhaltsverzeichnis Befüllung und Entlüftung Filtration Abscheidegrad Systemreinheit Auslegung unter Querbeschleunigung Lenkungsschläuche und Leitungen Hochdruckleitung inklusive Verschraubung (Schlauchtypen und Aufbau) Verschraubungen von Hochdruckleitungen und Dehnschläuchen Saug- und Rücklaufleitung Akustik-Abstimmung/Geräuschmaßnahmen Kühlung/Kühlwendel/Kühler Systemgrenzen Servoöle Sonstige Spezifikationen N Elektrohydraulische Lenksysteme (EPHS) Einleitung Aufbau und Funktionsweise Lenksystemklassifikation Anwendungsbeispiele Systembeschreibung Systemübersicht Systemauslegung Quasi-stationäre Auslegung Dynamische Auslegungskriterien Energieverbrauch Wirkungsgrad Leistungsaufnahme und Energieverbrauch Komponenten Motorpumpen-Aggregat Hauptanforderungen und Schnittstellen Elektrisches Antriebsaggregat Pumpe und Ventile Hydraulisches Leitungssystem Hauptanforderungen Aufbau und Dämpfungsprinzipien Bestimmung des Dämpfungsverhalten Hydraulischer Widerstand Weitere Komponenten Sensoren Fluide Behälter und Halterungen O Elektromechanische Lenksysteme (EPS) Einleitung Analogiebetrachtung EPS zur HPS Bauarten von EPS-Systemen EPSc Column EPSp Pinion EPSdp Dual Pinion XXII

21 Inhaltsverzeichnis 2.4 EPSapa Axle Parallel EPSrc Rack Concentric Baugruppen der EPS Servogetriebe Schneckengetriebe Kugelgewindetrieb Zahnriemengetriebe Elektromotor Übersicht/Vergleich/Arbeitsbereich Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator Asynchronmotor Synchronmotor Position-/Drehzahlsensorik Drehmomentsensor Anforderungen/Klassifizierung Sensoren mit Torsionsstab Torsionssteife Sensoren Steuergerät Bauarten Signalelektronik Leistungselektronik Systemauslegung Allgemeine Systemanforderungen Auslegungsparameter Anforderungen an das Bordnetz Systemsicherheit Normatives Regelwerk IEC ISO Sicherheit in EPS Anwendungen Aufgabe des Sicherheitskonzepts Risikoeinstufung von EPS-Systemen Eigenschaften des sicheren Zustands Abschaltpfade Sicherheitsmaßnahmen für die Teilkomponenten des Systems Überwachung externer Signale Überwachung Sensorik Überwachungskonzept des Rechnersystems Überwachung Leistungselektronik/Aktor Sicherheitsbezogenes ECU-Blockschaltbild Lenkfunktionen und Regelung Lenkfunktionen Grundlenkfunktionen Servounterstützung Reibungskompensation Trägheitskompensation Dämpfung Erweiterte Lenkfunktionen Aktiver Rücklauf Geradeauslauf Korrektur Funktionen auf Fahrzeugebene XXIII

22 Inhaltsverzeichnis Parklenkassistent Fahrerwarnung/Lane Departure Warning Spurführung/Lane-Keeping-System Fahrdynamische Lenkmomentenempfehlung Regelungskonzepte für das Lenkgefühl Klassische Regelungskonzepte Regelung des Fahrermoments P Überlagerungslenkung Einleitung Historie Funktionsprinzip Aufbau Allgemeiner Systemaufbau Aktuatorik und Aktuatorvarianten Audi/ZFLS-Dynamiklenkung BMW/ZFLS-Aktivlenkung Lexus/JTEKT VGRS Anpassungen am Lenksystem Lenkübersetzung Anpassungen zur Erfüllung von Akustikanforderungen Anpassungen aufgrund der Lenkstabilisierung Systemvernetzung Funktionen der Überlagerungslenkung Variable Lenkübersetzung Niedrige Geschwindigkeiten Mittlerer Geschwindigkeitsbereich Stabilität bei hoher Geschwindigkeit Kennlinienvarianten je nach Fahrerwunsch Lenkungsstabilisierung Lenkstabilisierung beim Übersteuern Lenkstabilisierung beim Untersteuern Lenkstabilisierung beim Bremsen auf Fahrbahnen mit unterschiedlichen Reibwerten (μ-split) Systemsicherheit Ausblick Q Allradlenkung Einleitung, Historie, Grundlagen, Zielsetzung Bauweisen Mechanische Systeme Hydraulische Systeme Elektromechanische Systeme Zentralaktor versus Einzelradaktuatoren Auswirkungen einer Allradlenkung auf das Fahrverhalten Kinematische Eigenschaften einer Allradlenkung Einfluss einer Allradlenkung auf die stationären Fahreigenschaften Einfluss einer Allradlenkung auf die instationären Fahreigenschaften Kombination einer Hinterradlenkung mit einer Überlagerungslenkung an der Vorderachse XXIV

23 Inhaltsverzeichnis R Steer-by-Wire Einleitung Komponenten Lenkfunktion Sicherheitskonzept Ausblick S Überblick Fahrerassistenz Ausgewählte Fahrerassistenzsystemfunktionen in Bezug auf die Lenkung im Überblick Fahrstabilitätseingriffe Funktion Lenkempfehlung Lenkempfehlung beim Gieren Lenkempfehlung in der µ-split-situation Anforderungen an die Ergonomie Anforderungen an die Sicherheit Spurassistenz Spurhalteassistenz (Lane Keeping Support LKS) Technische Realisierung Funktionsweise In der Praxis Spurverlassenswarnung (Lane Departure Warning LDW) Ausgewählte Systeme auf dem Markt Ausblick Spurhalteassistenz Einparkassistenz Park Assist Anforderungen an das Einparksystem Technische Realisierung Ausgewählte Systeme auf dem Markt Ausblick Einparkassistenz T Ausblick Zukunft der Lenkung Autonomes Fahren Steer by Wire Allradlenkung Integrierte Fahrdynamikregelung Baukasten bzw. Modularisierung von Lenksystemen Neue Absatzmärkte Technologiewandel in der Lenkungstechnik Lenkradentwicklung Lenksäulenentwicklung Sachwortverzeichnis XXV

24 Abkürzungs- und Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ABS AC AD AFS AHK AMR APA ASIC ASIL ASM ATF BCM B-EPS BLDC BRIC CAE CAN C-EPS CFD CFK CGR CPU CR CR-EPS CS CSM CV DBC DBV DC DCM DIN DMS DP-EPS DV Anti-Blockiersystem Alternating Current Analog-Digitalwandler Active Front Steering Aktive Hinterachskinematik Anisotropen magnetoresistiv Achsparalleler Antrieb Application-Specific Integrated Circuit Automotive Safety Integrity Level Asynchronous Motor Automatic Transmission Fluid Body-Control-Modul Achsparalleles EPS Bürstenloser Gleichstrommotor (Brushless Direct Current) Brasilien, Russland, Indien, China Computer Aided Engineering Controller Area Network Lenksäulen EPS Computational Fluid Dynamics Glasfaserverstärkter Kunststoff Constant Gear Ratio Central Processor Unit Chloroprene Rubber Zahnstangen-konzentrische EPS Circular-Spline Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk Konzeptverifikation Direkt Bonded Copper Druckbegrenzungsventil Direct Current Direct Current Motor Deutsches Institut für Normung Dehnmessstreifen Doppelritzel EPS Designverifikation XXVII

25 Abkürzungs- und Formelverzeichnis EC ECE ECU EHPS EMC EMV EPS EPSapa EPSc EPSdp EPSp EPSrc ESD ESP ESV EU EV EVLS EWG FB FCV FEA/FEM FMVSS FS FS (FDR) FS (VS) GFK GND HA HAD HEV HICAS HNBR HPS IAS IC IEC IGBT IMS ISO KGT KTL LCV Electronically Commutated Motor Economic Commission for Europe Electronic Control Unit Electro Hydraulic Power Steering Electro Magnetic Compatibility Elektro Magnetische Verträglichkeit Elektromechanische Lenkung (Electric Power Steering) Achsparallele EPS Column EPS Dual Pinion EPS Pinion EPS Rack Concentric EPS Electrostatic Discharge Elektronisches Stabilitätsprogramm Experimental-Safety-Vehicle Europäische Union Electric Vehicle Elektrisch verstellbare Lenksäule Europäische Wirtschaftsgemeinschaft Flex-Bearing Fuel Cell Vehicle Finite-Elemente-Analyse/Methode Federal Motor Vehicle Safety Standard Flex-Spline Fahrstabilisierung (Fahrdynamikregelung) Fahrstabilisierung (Vorsteuerung) Glasfaserverstärkter Kunststoff Ground (Bezugspotenzial) Hinterachse Hinterachsdämpfer Hybrid Electric Vehicle High Capacity Actively Controlled Suspension Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk Hydraulische Servolenkung (Hydraulic Power Steering) Integral Aktivlenkung Elektrischer Schaltkreis International Electrotechnical Commission Insulated-Gate Bipolar Transistor Isoliertes Metallsubstrat International Standards Organization Kugelgewindetrieb Kathodische Tauchlackierung Light Commercial Vehicle XXVIII

26 Abkürzungs- und Formelverzeichnis LDM LDS LDW LED LIN LKS MFS MFS ML MOST MPA MR MSG MVLS NBR NEFZ Nfz NHTSA Nkw NVH OEM OOP OSEK/VDX PA PCB PDC PEEK P-EPS Pkw PMSM POM ppm PTFE PUR PV PVD PWM QM RAM RC-EPS RdW ROM Lehrdurchdrehmoment Lenkraddrehschwingung Lane Departure Prevention Light Emitting Diode Local Interconnected Network Lane Keeping Support Multifunktionsschalter Magnetfeldsensor Motorlager Media Oriented Systems Transport Motorpumpen-Aggregat Magnetoresistiv Manuelle Lenkung Manuell verstellbare Lenksäule Nitrile Butadiene Rubber Neuer Europäischer Fahrzyklus Nutzfahrzeug National Highway Safety Traffic Administration Nutzkraftwagen Noise Vibration Harshness Original Equipment Manufacturer Out Of Position Offene Systeme und deren Schnittstellen für die Elektronik in Kraftfahrzeugen/Vehicle Distributed executive Polyamid Leiterplatte Park Distance Control Polyetherketone Pinion EPS Personenkraftwagen Permanent Magnet Synchronous Motor Polyoxymethylen parts per million Polytetrafluoroethylene Polyurethan Produktvalidierung Physical Vapour Deposition Pulsweitenmodulation Qualitätsmanagement Random Access Memory Achsversetzte EPS Rest der Welt Read Only Memory XXIX

27 Abkürzungs- und Formelverzeichnis SAE SAW SCU SH SIL SISO SMD SR StVZO SUV TFC THC UE UV VA VAD V CC VDA VGR, VGS WG WKR ZB, ZSB ZFLS Society of Automotive Engineers Surface Acoustic Wave Steering Control Unit Sensor Host Safety Integrity Level Single Input Single Output Surface Mounted Device Switched Reluctance Straßenverkehrs-Zulassungs-Ordnung Sport Utility Vehicle Thick Film Copper Through Hole Component Spurhebel Ultra Violette Vorderachse Vorderachsdämpfer Common-Collector Voltage Verband der Automobilindustrie Variable Gear Ratio Wave Generator Wendekreisreduzierung Zusammenbau ZF Lenksysteme GmbH Formelverzeichnis Symbol Einheit Bezeichnung α rad Schräglaufwinkel des Reifens α rad Beugungswinkel Gelenk Lenkzwischenwelle β rad Schwimmwinkel β rad Winkel zwischen den Gelenkebenen β T /β U Übertragungswinkel β x Abscheidegrad β z rad Schrägungswinkel γ rad Scherwinkel γ rad Versatzwinkel Lenkzwischenwelle γ rad Installationswinkel Ritzelachse δ * rad Spurhebeldrehwinkel δ, δ rad, rad/s Radlenkwinkel, geschwindigkeit δ A rad Ackermannwinkel δ D rad Dynamischer Bezuglenkwinkel δ G rad Drehwinkel des Lenkstockhebels XXX

28 Abkürzungs- und Formelverzeichnis δ h rad Hinterradlenkwinkel δ H rad Lenkradwinkel * δ H rad Ritzeldrehwinkel δ LS rad Lenksäulenwinkel δ M rad Additionswinkel δ o,max rad Größter Einschlagwinkel des kurvenäußeren Vorderrades δ v rad Vorderradlenkwinkel Δδ rad Gewollter Lenkdifferenzwinkel Δδ A rad Spurdifferenzwinkel, Lenkdifferenzwinkel nach Ackermann Δδ F rad Lenkabweichung Δδ H rad Lenkwinkelbereich am Lenkrad Δδ H,e rad Elastische Nachgiebigkeit am Lenkrad Δδ H,Re rad Lenkrad verbleibende Restwinkel ε rad Radsturzwinkel ε V,φ,F Wanklenkfaktor ε α Profilüberdeckung Verzahnung ε β Sprungüberdeckung Verzahnung ε γ Gesamtüberdeckung Verzahnung Δε V,φ,F rad Sturzanteil infolge des Wankens ζ Dämpfungsmaß η Frequenzverhältnis η Wirkungsgrad κ ist 1/m Krümmung λ rad Ausrichtung des Spurhebels ρ m Kurvenradius, Krümmungsradius der Bahnkurve σ rad Spreizung τ rad Nachlaufwinkel φ rad Drehwinkel χ 1/m Wankwinkel ψ, ψ rad, rad/s Gierwinkel, Gierwinkelgeschwindigkeit (Gierrate) ω rad/s Winkelgeschwindigkeit ω E rad/s Eckfrequenz ω n 1/s Eigenfrequenz des Lenkstrangs Symbol a dyn o i F R Beschreibung Luft dynamisch (kurven-) außen (kurven-) innen vorne hinten XXXI