Wenn ein Sensor das Ruder übernimmt

Autor: Dave Schneider

Die Technologie hat sich längst durchgesetzt, beispielsweise im Flugzeugbau. Statt über lange Drahtseile, die die Steuerhebel im Cockpit mit den entsprechenden Klappen an den Flügeln verbinden, werden die Steuerimpulse in modernen Passagiermaschinen digital übertragen – eine mechanische Verbindung gibt es nur noch als Notsystem. Auch im Autoverkehr kommt Steer-by-Wire bereits zum Einsatz, etwa in behindertengerecht umgebauten Fahrzeugen, wo Bediengeräte wie Joystick oder Mini-Lenkrad die Lenkbefehle rein elektrisch übertragen und so auch handicapierten Personen das Fahren ermöglichen. Doch in der Grossserie hat sich diese Steuerung per Kabel in der Autobranche bisher nicht durchgesetzt.

Zwar gibt es schon länger Serienmodelle mit Steer-by-Wire auf dem Markt – allerdings bilden die inzwischen nicht mehr in Europa erhältlichen Infiniti Q50 und Q60 respektive der Nissan Skyline in Japan die absolute Ausnahme. Bereits 2013 hat die Nissan-Tochter damit auf ein System gesetzt, das bis heute kein zweiter Autohersteller übernehmen wollte. Sicherheitsbedenken scheiden als Grund dafür übrigens aus: Gängige Steer-by-Wire-­Systeme wie die von Infiniti oder der Autozulieferer Schaeffler Paravan, Thyssen-Krupp, Nexteer oder Mando sind mehrfach redundant ausgelegt. Gleich drei separate Steuergeräte arbeiten parallel, um so die Sicherheit zu erhöhen, und im absoluten Notfall stellt eine automatisch schliessende Kupplung die mechanische Verbindung zu einem Lenkgestänge her. Damit ist die Lenkfunktion in jedem Fall sichergestellt.

Technisch kein aufwendiges System

Die Funktionsweise der elektromechanischen Lenkung ist schnell erklärt. Bei herkömmlichen Systemen lenkt der Fahrer die Räder über eine rein mechanische Verbindung: Die Bewegungen des Lenkrades werden via Lenkgestänge, Lenkgetriebe und Lenkhebel auf die Achsschenkel und somit auf die Vorderräder übertragen. Unterstützt wird der Fahrer dabei von der Servolenkung, entweder hydraulisch oder elektrisch. Damit können auch unterschiedliche Lenkcharakteristiken simuliert werden.  Bei der rein elektrischen Lenkung hingegen wird die Lenkbewegung von einem Sensor gemessen. Die Steuergeräte geben diese Werte an einen Elektromotor weiter, der die Räder entsprechend lenkt. Ein weiterer Elektromotor am Lenkrad simuliert das Lenk-Feedback. Das alles geschieht innerhalb von Millisekunden und somit für den Fahrer ohne spürbare Verzögerung.

Für den Einsatz im Auto bieten solche Systeme verschiedene Vorteile. Neben der Platz- und Gewichtsersparnis, was aber vor allem im Flugzeugbau ein ausschlaggebendes Kriterium ist, kann mit einer elektrischen Lenkung in einem Auto der Fahrer selbst bestimmen, wie direkt eingelenkt werden soll, welche Lenkübersetzung ihm behagt, wie das Lenkgefühl sein soll. Zudem kann ­eine Steer-by-Wire-Lenkung Korrektur- und Hilfsfunktionen von einigen Fahrassistenzsystemen  übernehmen, beispielsweise beim automatischen Ausweichen oder beim Halten der Spur. Infiniti wollte mit dem Einsatz von Steer-by-Wire im Q50 in erster Linie eine schneller ansprechende Lenkwirkung erzielen. «Steer-by-Wire kann die Lenkimpulse des Fahrers schneller an die Räder weitergeben als ein mechanisches System und erfordert weniger Lenkkorrekturen. Das System kann 1000 Lenkanpassungen pro Sekunde vornehmen», verkündete das Unternehmen bei der Markteinführung vor acht Jahren. Das System verbessere das Lenkgefühl, indem es dem Fahrer schnell und intelligent Rückmeldungen über die Strassenoberfläche und das Fahrwerksverhalten übermittle. «Dies vermittelt dem Fahrer ein sicheres und vertrauensvolles Gefühl am Steuer, das frei von unnötigen Lenkrückschlägen oder Vibrationen ist.»

Seit über 40 Jahren im Einsatz

Steer-by-Wire-Systeme sind schon lange weit verbreitet – nicht nur im Flugzeugbau, sondern vor allem auch in Sonderfahrzeugen wie Schwerlast-Transportern, Flugzeugschleppern oder Ähnlichem. Auch in Landwirtschaftsfahrzeugen wie etwa Mähdreschern werden solche Systeme verwendet, genauso wie im militärischen Bereich oder in der Bauindustrie. Auch in allen Applika-tionen, in denen mehrere Achsen in einer bestimmten Geometrie zueinander gelenkt werden müssen oder aber die erforderlichen Lenkkräfte für konventionelle fremdkraftunterstützte Lenkungen zu hoch sind, setzt man auf diese Technologie.

Profis sind des Lobes voll

Puristen stellen dem gegenüber, dass man nur mit einer mechanischen Lenkung ein echtes Feedback von der Strasse bekommen könne, gerade weil ein Steer-by-Wire-System sämtliche Vibrationen eliminiere. Interessant ist dabei, dass gerade professionelle Rennfahrer, die ein solches System getestet haben, des Lobes voll sind. So sagte Formel-1-Weltmeister Nico Rosberg nach einer Testfahrt im Audi R8 LMS GT3 auf der Nürburgring-Nordschleife: «Ich habe keinen einzigen Nachteil gespürt, auch Curbs oder kleinere Vibrationen waren zu spüren.» Und der Wahl-Monegasse ist überzeugt: «Diese Technologie wird für die künftige Fahrzeugentwicklung eine wichtige Rolle spielen. Ohne Lenksäule hat man einen enormen Platzgewinn und kann den Innenraum frei gestalten.»

Dass Steer-by-Wire im Rennsport getestet wird, ist dem deutschen Autozulieferer Schaeffler zu verdanken, der unter dem Unternehmen Schaef­fler Paravan ein elektrisches Lenksystem namens Space Drive entwickelt hat. Und da das mittelfränkische Unternehmen in mehreren Motorsport­serien aktiv beteiligt ist, ist die Erprobung auf der Rennstrecke naheliegend. «Die DTM ist ein ideales Testfeld, um wichtige Funktionen für die Weiterentwicklung von Space Drive 3 für die Gross­serie zu generieren», sagt Roland Arnold, CEO der Schaeffler Paravan Technologie. Aktuell haben in der DTM drei Teams (Rowe Racing, Mücke Motorsports und Abt Sportsline) mit Space Drive ausgestattete Fahrzeuge, gefahren werden sie unter anderem von Ex-Formel-1-Pilot Timo Glock im BMW M6 GT3 und von Sophia Flörsch im Audi R8 GT3. Premiere feierte das System übrigens am 22. Juni 2019 im Rahmen des 24-Stunden-Rennens auf der Nürburgring-Nordschleife – mit der Schweizerin Rahel Frey am Steuer.

Die Steer-by-Wire-Technologie ist allerdings nur ein Bestandteil der Space-Drive-Systems von Schaeffler. Es handelt sich um ein Drive-by-Wire-­System, das nicht nur die Lenkung, sondern auch die Bremsen und das Getriebe rein elektrisch steuert. Und der Autozulieferer zielt damit nicht nur auf den Motorsport ab, gemäss Hersteller wurden damit bereits über eine Milliarde Testkilometer auf der Strasse zurückgelegt – ohne einen einzigen Unfall. «Es ist eine Schlüsseltechnologie für das autonome Fahren», ist Autozulieferer Schaeffler überzeugt.

Zahlreiche Fahrzeughersteller, Autozulieferer und Forschungseinrichtungen setzen das System bereits für Versuchsfahrzeuge und Prototypen für autonomes Fahren ein. Das Ziel dabei ist klar: Steer-by-Wire soll bald auch in Grossserienfahrzeugen auf die Strasse gebracht werden.

Voraussetzung für autonomes Fahren

Unzählige Studien, die die hochautomatisierte Autowelt von morgen zeigen, haben eines gemeinsam: Die Lenksäule fehlt. Das ist in den Concept-Cars, die selten wirklich fahren können, verständlich, schliesslich steht so den Designern wesentlich mehr Platz im Innenraum zur Verfügung, um etwa eine futuristisch anmutende Lounge-Landschaft zu erschaffen. Doch es gibt auch einen technischen Grund: Wenn wir dereinst autonom durch die Gegend fahren, übernimmt das Auto das Steuer – und das funktioniert am besten mit einer rein elektronischen Lenkung.

«Steer-by-Wire spielt eine Hauptrolle dabei, Megatrends der Industrie wie die Elektrifizierung des Autos oder das autonome Fahren zu ermöglichen», sagt Alan David, der beim US-Zulieferer Nexteer die Entwicklung von Steer-by-Wire leitet. Ausserdem schafft diese Technologie die Voraussetzung für ein weiteres Feature, das Nexteer den Autoherstellern schmackhaft machen will: die versenkbare Lenkkonsole. «Das eröffnet ganz neue Möglichkeiten im flexiblen Cockpit-Design», ist Chefentwickler Rick Nash überzeugt. Das gilt besonders für das autonome Fahren, doch auch schon jetzt könne die versenkbare Lenkung grosse Vorteile bieten: Der dadurch entstehende Raumgewinn eröffne in parkierten Autos interessante neue Möglichkeiten – etwa mehr Platz zum Arbeiten oder zum Ausruhen.