Steer-by-Wire sucht Weg in den Massenmarkt

Der Rennbolide Audi R8 LMS GT3 ist einer der Technologieträger für die Space-Drive-Technologie des Joint Venture Schaeffler-Paravan. Auf dem Prüfstand steht gerade die dritte Generation des Fahr- und Lenksystems Space Drive, das so genannte Space Drive 3 AddOn. Die Entwicklerteams von CEO Roland Arnold suchen den Einstieg in die Kleinserienfertigung und wie es aussieht, springen erste OEMs auf den Zug auf: Eine aktuelle Modellversion des Mercedes-AMG C63 S besitzt ein elektromechanisches Lenksystem, das Lenkradbewegungen nicht mehr mechanisch an die Räder überträgt, sondern die Lenkbefehle per Datenleitung ans Fahrwerk übermittelt.

Zwei Hochleistungsrechner steuern den Datenfluss zwischen Lenkrad und Rädern. Eine feste Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe ist nicht mehr vorhanden. Mechanische und hydraulische Elemente sind durch elektrische und mechatronische Teile ersetzt, das Lenkrad hat noch die klassische Form ist aber mit einem so genannten Hand-Wheel-Aktuator verbunden. Jede Drehbewegung am Lenkrad erfassen Sensoren und senden die Fahr- und Lenkbefehle als elektronisches Signal an das Fahrwerk. Weitere Aktuatoren übersetzen die digitalen Impulse in mechanische Kräfte, um die Spurstangen der Räder in die erforderliche Richtung zu bewegen.

Auch an Rückmeldungen über die auftretenden Lenkkräfte und die Fahrdynamik haben die Entwickler gedacht: Ein so genanntes Force-Feedback-Modul liefert in Echtzeit das Feedback der gerade vorgenommenen Lenkbewegungen. Wie beim klassischen Lenkrad spürt der Fahrer beispielsweise den Druck der Räder beim Kurvenfahren oder den Grip der Reifen, der beim Beschleunigen entsteht. Die Lenkparameter berechnet und simuliert die bordeigene Fahrzeugelektronik, mit der auch die Fahrerassistenzsysteme verbunden sind.

Neben dem Lenksystem holt Schaeffler-Paravan auch Getriebe und Bremsen aus der analogen Mechanikdomäne herkömmlicher Fahrzeugtechnik. Für die Rennsportserie DTM schickt Schaeffler nicht nur einen eigenen Boliden mit selbstentwickeltem Elektromotor an den Start, das Cockpit des DTM Electric ist nur noch via Kabel mit den Bremsen und den Rädern verbunden. In Herzogenaurach ist man von den Vorzügen eines solchen Systems begeistert: Die Lenkung lässt sich elektronisch an Vorlieben des Fahrers anpassen, von komfortabel bis sportlich. Dem Piloten stehen dafür verschiedene Setups und Übersetzungen zur Verfügung.

Knackpunkt der By-Wire-Technik ist die Sicherheit. Fällt beispielsweise der Strom im Fahrzeug aus oder crashen die Bordcomputer wegen eines Softwarefehlers bleiben Steuerungsanweisungen für das Fahrwerk aus – ein unfallträchtiges Szenario für Insassen und Verkehrsteilnehmer. Die Steer-by-Wire-Lenkung von Schaeffler, die über eine Straßenzulassung verfügt, ist eigenen Angaben zufolge dreifach redundant abgesichert: Die voneinander unabhängigen Steuerkreise arbeiten parallel, überwachen sich gegenseitig und gewährleisten so einen hohen Ausfallschutz.

Autonomes Fahren auf Level 5

Die Entwicklung von digitalen Automobilcockpits folgt den Vorgaben der Standardisierungsinitiative AUTOSAR (Automotive Open System Architecture), der die meisten europäischen Automobilfirmen mit zahlreichen Partnerunternehmen aus der Hard- und Softwareindustrie angehören. Die High-Level-Anforderungen für erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS) sind vergleichbar mit der Vorgehensweise in der Luft- und Raumfahrt. Freiräume für Softwareentwickler, die individuelle Applikationen aus dem Nähkästchen der künstlichen Intelligenz einsetzen wollen, sind im Autosar-Modell reichlich vorhanden.

Auf der Roadmap zum teil- oder hochautomatisierten Fahren bewegen sich ADAS-Ingenieure gerade auf Level 3, demzufolge größere Teile der Fahraufgaben bereits von Assistenzsystemen in Eigenregie ausgeführt werden, die Oberaufsicht allerdings über eine Rückfallebene noch beim Fahrer verbleibt. Aus Systemsicht spielt es allerdings keine Rolle, wer die Lenkbefehle erteilt. Betätigt ein Fahrer das Lenkrad sind es analoge Eingabesignale, die in Millisekunden in digitale Anweisungen übersetzt werden. Dasselbe Steuerungssignal kann auch aus der Verarbeitung von Sensor- und Kameradaten des Fahrzeugs stammen – Fahren auf vollautomatischer Level-5-Stufe.

Die Weiterentwicklung von heutigen Antiblockiersystemen (ABS), elektronischen Stabilitätsprogrammen (ESP), Bremsassistenten, Einparkhilfen oder Tempomat mit Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control – ACC) in Richtung vollautomatischer Autopilot stagniert seit einiger Zeit. Die Auswirkung der Pandemie und Engpässe bei Chips bremsen den Entwicklereifer. Neue Partnerschaften der OEMs mit Hard- und Softwarefirmen sowie zunehmende Aktivitäten aus dem Kreis der Zulieferer deuten allerdings auf vermehrte Anstrengungen, den nächsten Schritt zum intelligenten Fahrwerk und autonomen Fahrzeug zu gehen.

Die Thyssenkrupp-Sparte Automotive Technology beispielsweise will die sehr individuelle sogenannte Lenkungs-DNA eines OEM-Herstellers so perfekt wie möglich mit einem Steer-by-Wire-System abbilden. Kristof Polmans, SVP Research and Advanced Engineering bei der Lenkungssparte von Thyssenkrupp. „Wir legen den Fokus weniger darauf, die auf die Räder wirkenden Kräfte direkt ans Lenkrad weiterzuleiten. Sondern stärker darauf, die Momente am Lenkrad auf Basis anderer Werte unabhängig zu berechnen und somit das Straßenfeedback nur indirekt zu generieren. Damit erreichen wir ein robustes Lenkgefühl mit sehr viel Tuning-Freiheit.“

Die Softwarearchitekten bei Thyssenkrupp haben ehrgeizige Pläne: Ein übergeordnetes Steuerungsmodul (Vehicle Motion Control) soll die Fahrzeuginformationen aus den Teilsystemen, wie Bremse, Dämpfung, Lenkung oder Antrieb zusammenführen und die Aktuatoren der Einzelkomponenten zentral ansteuern. Mit im Boot sitzt ein Team von IBM-Experten für künstliche Intelligenz. Das Ziel: Ein lernendes Fahrzeug, dass sich selbst mit jedem Fahrkilometer weiter optimiert.