Steer-by-Wire
Force Feedback Actuator Hybrid Solution
Steer-by-Wire beschreibt eine Lenkungstechnologie für Fahrzeuge, welche komplett auf eine mechanische Verbindung zwischen Lenkung und den gesteuerten Rädern verzichtet.
Dabei ermöglichen elektromechanische Aktoren beim Lenkrad wie bei den Rädern, dass einerseits das intuitive Lenksignal des Fahrers auf die Räder übertragen wird, sowie das Fahrgefühl z.B. Stöße auf die Räder haptisch an der Lenkung wahrgenommen werden können. Ein Steuergerät ist dabei mittels diverser Sensorsignale für Kommunikation von Lenkung zu Rädern bzw. umgekehrt verantwortlich.
Diese neue „softwaredefinierte“ Betriebsart von Fahrzeugen erfordern neue Arten von Aktuatoren, deren Merkmale und Funktionen hauptsächlich durch Software ermöglicht werden. Dies ermöglicht den Einsatz von neuen Technologien – INVENTUS entwickelt auf Grundlage seiner Spitzentechnologie einen sehr kompakten lenkungsnahen Steer-by-Wire-Force-Feedback-Aktuator (folgend SbW FFA).
Das System zeichnet sich dabei durch minimalen Platzbedarf, geringere Kosten, höhere Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit aus. (Failsafe)
Wir suchen nach Partnern, um diese bahnbrechende Steer-by-Wire-Technologie auf den Markt zu bringen.
Stand der Technik
Aktuelle SbW-Technologien basieren auf Getriebe- bzw. Schneckengetriebemotoren, Direktantrieben und Riemenantriebssystemen an verschiedenen Positionen der Lenksäule oder des Lenkrads.
Zum Zeitpunkt des SbW FFA Generation 1 war nur die Kombination aus Elektromotor und Untersetzungsgetriebe/Riemenantrieb technologisch möglich und in der Serie umsetzbar. Die folgenden Darstellungen zeigen den SbW FFA des Tesla Cybertruck, welcher zu dieser Zeit auf neustem Stand der Technik war. Dabei ist auffällig, dass das Lenkungsmoment stets über die lange Gleit/-Schiebewelle mit teils doppelten Teleskopwellen (für verstaubare Lenksäulen mit mehr als 150 bzw. 250 mm Verfahrweg) übertragen wird und erst anschließend von einem Antriebsmotor abgegriffen wird. Hierbei befindet sich der Motor mehr als 500 mm von der Initiierung entfernt und ragt entsprechend in den Cockpit-Innenraum, da die angesprochene Schiebewelle, die Lagerungen bzw. Trägerstrukturen entsprechend Platz benötigen. Zudem leidet unter der langen Übertragungstrecke die Direktheit der Lenkung, sämtliche Weichheiten/Spiele/Reibungen überlagern sich, gleichzeitig erhöht sich die Komplexität und Störanfälligkeit.
Im normalen Fahrbetrieb sind >80 % der Lenkbewegungen passive Drehmomente, da die meisten Manöver quasistatisch oder sehr langsam sind. Der Einsatz redundanter
Elektromotoren zum Bremsen, insbesondere bei sehr geringen Geschwindigkeiten oder gar im Stillstand, ist sehr ineffizient, da der Elektromotor hohe Ströme benötigt und vor allem Verlustleistung (Wärme) erzeugt. Auch die mechanische Wandlung der Drehgeschwindigkeiten löst das Problem nicht wirklich, da die hohen Endanschlagsmomente nahezu statisch erbracht werden müssen.
Beim Fahren im SbW-Modus setzt sich das vom Fahrer wahrgenommene Force Feedback zu etwa 80 % aus Bremsmoment (bis zu 35 Nm) und zu einem aktiven Feedback von 6–8 Nm (ca. 20 %) zusammen.
Während die Lenkungsaktoren nach Stand der Technik prädestiniert für aktive Rückmeldung sind, ist es das hohe Maß an Bremsmoment oft im statischen Zustand für das moderne SbW-Systeme nicht optimiert sind.
Daraus ergeben sich Zielkonflikte hinsichtlich …
... der haptischen-/ Kraftrückmeldung
... des benötigten Bauraums
... des Gesamt-systemgewichts
... der Effizienz
... der Beständigkeit thermischer Überlast
Anforderungen
Als Grundlage für die Entwicklung unserer Force-Feedback-Aktoren (Steer-by-Wire Antrieb + Bremse) wurden folgende technische Grunddaten im Fahrbetrieb für intuitive und zuverlässige Lenkvorgänge als Orientierung verwendet
Lösung von INVENTUS
Die Analyse der vorliegenden Ist-Situation mit der Gegebenheit der hohen Antriebskosten und dem Sachverhalt, dass es passiv ein 4x höheres Moment wie aktiv bereitzustellen gilt, legte nahe einem sehr kompakten ca. 4x schwächeren Motor (z. B. max. 8 Nm) zu implementieren und diesen mit einer leistungsstarken MR-Bremse zu kombinieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, kombinieren wir den Vorteilen aktiver Lenksysteme mit unserer langjährigen Erfahrung in MR-Technologien und unseren Hochleistungsbremssystemen.
Die Hybridlösung des INVENTUS SbW FFA denken wir neu und flanschen diese unmittelbar an das Lenkrad, da es wesentlich einfacher ist, das Drehmoment direkt und unmittelbar dort zu verarbeiten, wo es erzeugt wird, nämlich direkt am Lenkrad und setzen somit die Lenkungshaptik so direkt wie möglich um. Dies ist allerdings nur möglich, wenn der Force-Feedback-Aktuator sehr kompakt und nicht zu schwer ist bzw. nicht zu viel Leistung benötigt (aufgrund der Stromkabelquerschnitte, die sonst die Längen- und Höhenverstellung beeinträchtigen würden).
Wickelfeder
E-Motor
Elektronik
MR-Bremse
Die Hybridlösung des INVENTUS SbW FFA denken wir neu und flanschen diese unmittelbar an das Lenkrad, da es wesentlich einfacher ist, das Drehmoment direkt und unmittelbar dort zu verarbeiten, wo es erzeugt wird, nämlich direkt am Lenkrad und setzen somit die Lenkungshaptik so direkt wie möglich um. Dies ist allerdings nur möglich, wenn der Force-Feedback-Aktuator sehr kompakt und nicht zu schwer ist bzw. nicht zu viel Leistung benötigt (aufgrund der Stromkabelquerschnitte, die sonst die Längen- und Höhenverstellung beeinträchtigen würden).
Die MR-Bremse ist dabei als MRX-Scherdämpfer (detaillierte Informationen) ausgeführt und generiert bei 4 A und 12V binnen < 10ms 25 Nm (Endanschlagsmoment) und besitzt auf Grund des geringen Grundmoments von ca. 0,1 Nm einen sehr großen Arbeitsbereich, welcher haptisch entsprechend dem technischen Aufbau sehr „definiert“ und direkt ist.
Die Sensibilität der Lenkung kann optimal an die jeweiligen Kundenanforderungen angepasst werden.
Durch den Ansatz einer einheitlichen standardisierten Lenksäule sind Überlegungen wie symmetrische Karosserien ohne zukünftige Unterscheidung in Links- oder Rechtslenker-Fahrzeuge denkbar.
Die beiden folgenden angeführten Konzepte zeigen Abwandlungen vom oben dargestellten Lenkradnahen Verbau. Hier kann z.B. bei Konzept I auf Grund des eingeschränkten Drehwinkelbereichs auf die Wickelfeder verzichtet werden bzw. kommt Konzept II komplett ohne
E-Motor aus in dem eine Rückstellfeder für die Rückstellung sorgt, auf aktive Rückmeldung wird verzichtet.
MR-Bremse
E-Motor
Elektronik
Wickelfeder + Rückstellfeder
MR-Bremse
Elektronik
Natürlich haben wir auch an die Längen- und Höhenverstellung, Aufpralldämpfung und Kabelführung gedacht.
Wenn seitens des Kunden kein unmittelbar Lenkradnaher Verbau gewünscht ist, kann die INVENTUS MR-Bremse auch im Durchmesser << 100 mm, direkt in der Lenksäule realisiert werden. Der Elektromotor kann entweder seriell im Führungskasten oder auch am Ende der Lenksäule (B-Punkt) verbaut werden. Die MR-Bremse braucht in kleinerem Durchmesser länger, um die gewünschten Spezifikationen zu realisieren. Wie so etwas ausschauen könnte, sehen sie unten abgebildet.
Eine weitere Lösungsmöglichkeit die MR-Technologie von Inventus zu nutzen, wäre anstatt der kompletten Bremsmomente lediglich die hohen Anschlagsmomente (z.B. 25 oder 35 Nm) mit einer kompakten leistungsstarken MR-Bremse abzubilden und die restlichen Momente (z.B. 0 bis 8 Nm) mit dem E-Motor bereitzustellen. Dieser Ansatz würde dazu führen, dass der E-Motor ca. Faktor 3 kleiner gebaut werden könnte (nähere Informationen hier).
Gegenüberstellung
Die Steer-by-Wire-Bremse von Inventus bietet mehrere Vorteile:
Die Kombination aus einem kleinen Elektromotor und einer leistungsstarken MR-Bremse (magnetorheologische Bremse) = Hybrid Direct Drive (HDD) ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise. Die folgenden Darstellungen zeigen angeflanscht an eine bereits bestehende Serienlenksäule wie groß die Hybridlösung seitens INVENTUS in Relation zu einem E-Motor ohne mechanische Übersetzung bauen würde, um die geforderten Momentenspezifikationen zu erfüllen – beide Lösungen zeigen somit Komplettlösungen inkl. Lenkradverstellung und Sicherheitssystemen:
1 Nm Bremsmoment kostet bei einer MR-Bremse wesentlich weniger als bei einem Elektromotor. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die INVENTUS MR-Bremse im Vergleich zu einem Elektromotor mit gleichem Drehmoment deutlich weniger Rohstoffe wie Kupfer, Eisen und seltene Erden benötigt, was sich drastisch in den Herstellungskosten niederschlägt. Zudem ist der technische Aufbau einer MRF-Bremse wesentlich einfacher als der eines Elektromotors.
Diese Tatsache macht es wirtschaftlich sinnvoll die Kombination einer MR-Bremse und eines Elektromotors in unserem INVENTUS SbW FFA zu implementieren, da die Größe des Motors deutlich reduziert werden kann. In unserem konkreten Fall muss der Elektromotor dann nur mehr 1/4 seines ursprünglichen Drehmoments liefern und dies reduziert nicht nur die Kosten immens, sondern vereinfacht den kompletten Anschluss, die Verkabelung und die Elektronik dahinter. Die notwendige zusätzliche MR-Bremse kauft man sich verhältnismäßig günstig und erhält gleichzeitig diverse Vorteile.
Durch die Integration dieser Technologie (Hybrid-Direct-Drive) können Fahrzeughersteller etwa 20 Euro beim SbW FFA und weitere 10 Euro beim Steuergerät einsparen. Es wird davon ausgegangen, dass bei mittleren Stückzahlen der 25 Nm-MR-Bremse von Herstellkosten im niedrigen zweistelligen Eurobereich zu rechnen ist.
Auf Grund des direkten Verbaus des INVENTUS SbW FFA am Lenkrad und des haptisch hochauflösenden und definierten MRX-Scherdämpfer entsteht für den Fahrer ein komplett neues Fahrgefühl, welches mit dem aktuellen Stand der Technik nicht abzubilden ist.
Die Hybrid Direct Drive-Lösung benötigt deutlich weniger Bauraum als der Stand der Technik und bietet somit mehr Flexibilität im Design, da sie für Head-up-Displays, versenkbare Lenkräder, Links- und Rechtslenkerfahrzeuge geeignet ist. Dies ermöglicht eine Standardisierung der Lenksäule für unterschiedliche Fahrzeugtypen (einheitliche Lenksäule). Zudem sind auch komplett neue Realisierungen der Lenkungsverstellung oder Verstauung möglich.
Die MR-Bremse kann effizient ein Bremsmoment von bis zu 35 Nm erzeugen und ermöglicht so eine präzise und zuverlässige Rückmeldung am Lenkrad (Endanschläge; Lenkradgriff beim Ein- und Aussteigen; Räder am Bordstein). Das Einsatzgebiet bei den sehr kleinen Geschwindigkeiten disqualifiziert den Elektromotor nahezu für die Bereitstellung der hohen Passivmomente.
Dank des effektiveren Funktionsprinzips der INVENTUS MR-Bremse und der höheren Leistungsdichte liegt der Energieverbrauch um mehr als den Faktor 20 unter elektromotorischen Systemen.
Die Kombination aus einem kleinen Elektromotor und einer MR-Bremse mit einer hohen Effektivität sorgt für ein hervorragendes thermisches Wärmemanagement, was die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Systems wesentlich erhöht.
Möglichkeiten
Die neue softwaredefinierte Betriebsart von Fahrzeugen ist hier anhand verschiedener Betriebs-Modes gezeigt, wobei sich das MR-Bremsmoment innerhalb von Millisekunden bei einem extrem geringen Stromverbrauch von 4,2 Ampere / 60 Watt (bei 12 Volt) variabel anpasst und in <20 ms bis zu 25 Nm sperrt.
Das INVENTUS SbW Hybridsystem kann das Bremsverhalten und damit das spürbare Lenkverhalten in Echtzeit verändern. Die Möglichkeiten diverse Charakteristiken zu hinterlegen sind schier grenzenlos, die folgenden Abbildungen zeigen diverse analytische Ansätze:
Sehen Sie sich auch die folgenden Videos an, um das adaptive Force Feedback unseres Systems besser zu verstehen:
Fail Safe – Funktionale Sicherheit nach ISO 26262
Die funktionale Sicherheit ist für alle Steer-by-Wire-Systeme von großer Bedeutung. Um auch im Störfall einen ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb des INVENTUS SbW FFA-Hybridsystems zu gewährleisten, stehen zwei Ausfallsicherungsoptionen zur Verfügung:
Option 1 – Batterielösung
- Um ein ausfallsicheres Antriebsdrehmoment von 1 bis 3 Nm (<1 Watt) zu erzeugen, verwenden wir zusätzlich einen kleinen Akku .
- Anders als bei herkömmlichen SbW-Lösungen auf Basis eines Elektromotors kommt das INVENTUS-System ohne Sensorik zur Drehrichtungserkennung aus.
- Dadurch kann das INVENTUS SbW-System mit nur einer kleinen Batterie, einem Akkumulator oder einem Kondensator über einen längeren Zeitraum betrieben werden.
Option 2 – Permanentmagnetlösung
- Wir ergänzen die SbW MR-Bremse mit einem Permanentmagneten im Magnetkreis, der ohne Stromzufuhr ein magnetisches Feld erzeugt – zB 2 Nm ausfallsicheres Antriebsdrehmoment.
- Dieses permanente Drehmoment kann im normalen Fahrbetrieb durch Gegenstrom (-) aufgehoben oder durch Stromrichtung gleicher Richtung (+) verstärkt werden.
- Unsere Kunden bestätigen, dass unsere MR-Bremsen mit Permanentmagnet einen großen Sicherheitsvorteil gegenüber anderen Lösungen am Markt bieten, die Sicherheitsarchitektur deutlich vereinfachen (nach ISO 26262 und ASIL A bis D) und gleichzeitig Kosten sparen.
Ausblick
Gerne entwickelt INVENTUS gemeinsam mit Ihnen den auf Ihre Anwendung zugeschnittenen INVENTUS-SbW FFA-Antrieb.
Kooperationen
Darüber hinaus waren wir Kooperationspartner im Projekt „Steer-by-Wire mit einem magnetorheologischen Feedback-Aktuator“ mit MdynamiX und der Hochschule für angewandte Wissenschaften München .
Darüber hinaus haben wir für das Institut für Fahrassistenz und vernetzte Mobilität (IFM) Kempten eine magnetorheologische Steer-by-Wire-Feedbackbremse entwickelt.
Hier finden Sie die Potenzialanalyse eines SbW FFA mit Direct Drive E-Motor und MR-Bremse.
Vorgestellt von Herrn Matthias Niegl auf der chassis.tech plus 2024 in München