Steer-by-Wire: Kurz vor dem Durchbruch
Im November 2023 kam endlich der lang ersehnten Cybertruck auf den Markt. Bei der weniger als 27 Minuten dauernden Pressekonferenz, die von über einer Million Menschen live verfolgt wurde, präsentierte Tesla eine Reihe von High-Tech-Features, von denen die Steer-by-Wire-Technologie die größte Wirkung hatte.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lenksystemen entfällt bei der Steer-by-Wire-Technologie die Lenksäule. Die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern wird vollständig durch elektrische Signale ersetzt.
Als das weltweit erste Serienfahrzeug ohne Lenksäule und mit Standardausstattung Steer-by-Wire-Technologie hat der Cybertruck eine Länge von 5,6 Metern, kann aber problemlos den von Elon Musk beschriebenen "Kampfflugzeugmodus" erreichen: Mit einem leichten Lenkradausschlag kann das Fahrzeug stark abbiegen [1].
Um die Steer-by-Wire-Technologie in das Fahrzeug zu integrieren, hat Tesla das 12-Volt-Niederspannungsnetzwerk aufgegeben und auf eine 48-Volt-Plattform umgestellt. Dadurch können Stromhungrige Funktionen wie die Steer-by-Wire-Technologie optimal funktionieren. Dieses Vorgehen wurde von Tesla in einem Handbuch festgehalten und an die Hauptsitze der Automobilhersteller verschickt. Ford hat sich dafür öffentlich bedankt [2].
Leider hat Tesla nicht die Serienproduktion von Fahrzeugen mit Steer-by-Wire-Technologie in Gang gesetzt, und der Cybertruck hat auch nicht die Dominanz der Pickups in den USA erschüttert.
Es war erst 2024, als der NIO ET9 das erste chinesische Serienfahrzeug mit Steer-by-Wire-Technologie wurde und an der Erstellung der neuen nationalen Normen beteiligt war, dass sich Anzeichen eines technologischen Durchbruchs zeigten.
Seit Anfang dieses Jahres werden mehrere Modelle wie der XPeng GX, der IM LS8 und der Li L9 Livis mit Steer-by-Wire-Technologie ausgestattet. Auch der neue Lexus RZ und der Mercedes-Benz EQS nutzen die Steer-by-Wire-Technologie als Verkaufsargument.
Mechanisches Lenksystem (links) und Steer-by-Wire-Lenksystem (rechts); Bildquelle: @NIO
Was ändert die Steer-by-Wire-Technologie im Vergleich zu herkömmlichen Lenksystemen?
Das Lenkrad wird zum Controller
Das Wesentliche der Steer-by-Wire-Technologie liegt im Begriff "Steer-by-Wire".
Bei herkömmlichen Lenksystemen ist das Lenkrad mit dem Lenkgetriebe über eine mechanische Verbindung verbunden, was als "starre Verbindung" bezeichnet wird. Die Steer-by-Wire-Technologie hingegen ersetzt die Lenksäule durch elektrische Leitungen, was zu einer "weichen Verbindung" führt.
Bildquelle: Nexteer
Der Arbeitsmodus unterscheidet sich ebenfalls: Ein herkömmliches Lenksystem funktioniert wie das Anziehen einer Schraube mit einem Schraubenschlüssel, wobei jede Bewegung direkt auf die Räder übertragen wird. Ein Steer-by-Wire-Lenksystem hingegen funktioniert wie ein ferngesteuerter Roboter, der die Schraube anzieht. Die Lenkbewegungen werden von Sensoren in elektrische Signale umgewandelt und an den ECU-Controller übertragen, der dann in Abhängigkeit von der aktuellen Situation Anweisungen gibt.
Damit ändert sich auch die Kraftübertragung grundlegend.
Beispielsweise war das erste Automobil mit einem rein mechanischen Lenksystem ausgestattet, ohne Servolenkung. Das bedeutete, dass der Fahrer die gesamte Kraft aufwenden musste. Heute werden die meisten Fahrzeuge mit einer elektronischen Servolenkung (EPS) ausgestattet, bei der der Fahrer zwar immer noch die Kraftquelle und der "Kommandant" ist, aber der Großteil der Kraft von einem Elektromotor bereitgestellt wird.
Frühe Lenksysteme nutzten die menschliche Kraft als Hauptantrieb und verstärkten sie über mechanische Komponenten
Bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem ist der Elektromotor die einzige Kraftquelle. Da das Lenkrad und die Räder vollständig entkoppelt sind, wird die Kraft, die der Fahrer auf das Lenkrad ausübt, nicht auf die Räder übertragen. Stattdessen werden die Räder von Software und Elektromotor angetrieben.
Basierend auf der Steer-by-Wire-Technologie ist das Lenkrad vergleichbar mit einem Spielcontroller. In der Praxis wird jedoch oft der Eindruck erweckt, dass der Fahrer die Kraft aufbringt.
Da der Fahrer das Fahrzeug steuert, ist es wichtig, ein realistisches Lenkgefühl zu schaffen, um die Fahrzeugsicherheit und die Fahrbarkeit zu verbessern. Eine gängige Methode besteht darin, einen Motor zur Simulation des Straßengefühls in das Lenkrad zu integrieren, der die Straßenwiderstände durch virtuelle Widerstände ersetzt und das Gefühl des "Schweben" verringert.
Zurzeit ist das Lenkgefühl der Steer-by-Wire-Technologie realistischer als bei herkömmlichen Lenksystemen, und die praktische Erfahrung ist deutlich besser.
Erstens ist die Lenkung empfindlicher, da das Lenkverhältnis dynamisch einstellbar ist.
Das Lenkverhältnis ist einfach gesagt das Verhältnis zwischen der Drehung des Lenkrades und der Drehung der Räder. Bei Pkw beträgt das Lenkverhältnis normalerweise etwa 15:1, d. h. wenn das Lenkrad um 15 Grad gedreht wird, drehen sich die Räder um 1 Grad.
Ein hohes Lenkverhältnis hat den Vorteil, dass das Fahrzeug bei hoher Geschwindigkeit stabiler fährt, aber den Nachteil, dass das Einparken oder Wenden bei niedrigen Geschwindigkeiten schwieriger ist.
Stellen Sie sich vor, ein Mittelgroßer SUV mit einer Länge von 5 Metern muss in einer engen Gasse wenden. Üblicherweise muss der Fahrer das Lenkrad um eineinhalb oder sogar zwei Umdrehungen nach links drehen, rückwärts fahren und möglicherweise mehrere Versuche machen. Dabei muss der Fahrer das Lenkrad stark drehen, was nicht sehr elegant ist.
Im Gegensatz dazu hat ein Formel-1-Rennwagen ein sehr niedriges Lenkverhältnis von etwa 6:1. Der Fahrer muss das Lenkrad nur geringfügig drehen, um Kurven zu durchfahren [2]. Dies ist auch der Grund, warum die Lenkräder von Formel-1-Rennwagen immer rechteckiger werden.
Im Vergleich dazu ist das Lenkverhältnis bei einem Steer-by-Wire-Lenksystem nicht festgelegt, da keine mechanischen Komponenten vorhanden sind. Es kann auch durch Software definiert werden.
Bei chinesischen Fahrzeugen mit Steer-by-Wire-Technologie hat der IM LS8 ein Lenkverhältnis von nur 4,5:1. Das Lenkrad muss nur halb eine Umdrehung gemacht werden, um es voll auszuschlagen. Theoretisch könnte ein halbes Lenkrad verwendet werden.
Das Yoke-Lenkrad ist auch ein halbes Lenkrad. In China ist dieses Design verboten.
Zweitens können alle vier Räder mit Steer-by-Wire-Technologie ausgestattet werden, was den Wendekreis verringert und das Fahrzeug manövrierbarer macht.
Nehmen wir wieder das Beispiel des Wendens in einer engen Gasse. Ein kleineres Fahrzeug ist in einer engen Gasse manövrierbarer als ein größeres Fahrzeug. Der Grund dafür ist, dass die Hinterräder herkömmlicher Fahrzeuge normalerweise nicht unabhängig von den Vorderrädern gelenkt werden können, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten bleiben sie fast still.
Daher hat ein herkömmliches Fahrzeug mit einem ähnlichen Lenkwinkel der Vorderräder und einer längeren Radbasis einen größeren Wendekreis und ist weniger manövrierbar.
Wenn die Hinterräder mit Steer-by-Wire-Technologie ausgestattet sind, können sie entgegengesetzt zu den Vorderrädern gelenkt werden, was den Drehpunkt nach vorne verschiebt und den Wendekreis verringert.
Eine Übergangslösung ist die Kombination aus Steer-by-Wire-Lenkung an den Vorderrädern und aktiver Lenkung an den Hinterrädern. Das Prinzip ist ähnlich, aber die Begrenzung besteht darin, dass die Hinterräder immer noch über eine mechanische Verbindung angetrieben werden, was es schwierig macht, komplexe Manöver auszuführen.
Im Jahr 2022 konnten die Besitzer des Mercedes-Benz EQS in der Einstiegsversion für eine Gebühr die aktive Hinterradlenkung von 4,5° auf 10° verbessern.
Die Steer-by-Wire-Technologie löst die praktischen Probleme beim Fahren eines großen Fahrzeugs, aber diese Technologie wurde ursprünglich nicht für Fahrzeuge entwickelt und hat zunächst wenig mit Autos zu tun.
Das fehlende Puzzlestück des steer-by-wire Fahrwerks
Die Steer-by-Wire-Technologie stammt nicht aus der Automobilindustrie, sondern aus der Luftfahrttechnik, insbesondere von Kampfflugzeugen.
Im Bereich der Luftfahrt gibt es keine Steer-by-Wire-Technologie, sondern nur das Fly-by-Wire-System (FbW), das alle "elektrischen Übertragungstechnologien" umfasst.
Das erste Fly-by-Wire-System hatte das einfache Ziel, die Struktur zu vereinfachen und das Gewicht zu reduzieren. In den 1930er Jahren versuchte das sowjetische Flugzeug ANT-20 (auch bekannt als "Maxim Gorki") erstmals die elektrische Übertragungstechnologie, um die Anzahl der Kabel zu reduzieren. Aber es dauerte noch lange, bis das "Fly-by-Wire-System" entwickelt wurde.
Das erste Flugzeug mit einem reinen Fly-by-Wire-System war der kanadische Kampfflugzeug Avro CF-105 "Arrow". Obwohl der erste Flug erfolgreich war, wurde das Projekt von der Regierung wegen der hohen Kosten abgebrochen. Fünf Prototypen wurden zerstört, und es wird vermutet, dass ihre Reste im Ontariosee versenkt wurden [4][5].
Avro Arrow 201 Prototyp
Es war erst in den 1970er Jahren, als der F-16-Kampfflugzeug und der Airbus A320 die mechanischen Verbindungen entfernten und das Fly-by-Wire-System vollständig implementierten, dass diese Technologie wirklich reif wurde.
Dies war auch ein wichtiger Bezugspunkt für die Automobilindustrie. Man kann sagen, dass die Steer-by-Wire-Technologie eine Inspiration aus der Luftfahrttechnik für Autos ist.
Früher versuchten Automobilhersteller, die Lenksäule in Konzeptfahrzeugen zu entfernen, hauptsächlich aus zwei Gründen: Sicherheit und die Möglichkeit der autonomen Fahrweise.
Nach der Entfernung der Lenksäule zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe ist der Motorraum größer, und es wird vermieden, dass die Lenksäule im Falle eines Unfalls in die Oberkörper des Fahrers eindringt und Brüche verursacht. Für die autonome Fahrweise ist die Steer-by-Wire-Technologie auch sicherer.
Heute werden in den meisten Autos kollabierbare Lenksäulen verwendet.
Beispielsweise ist die Reaktionszeit bei herkömmlichen mechanischen Systemen langsam, da die Signale schrittweise übertragen werden. Auch die mittlere Reaktionszeit des menschlichen Fahrers ist relativ lang, was das Risiko erhöht.
Eine Studie des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat gezeigt, dass der Fahrer etwa 390 bis 600 Millisekunden braucht, um auf eine Gefahr zu reagieren [6]. Andere Studien gehen davon aus, dass 600 Millisekunden nur der Median der menschlichen Reaktionszeit ist.
Im Vergleich dazu kann die Steer-by-Wire-Technologie die mechanischen und physiologischen Grenzen überwinden und die Reaktionszeit auf nur wenige Millisekunden reduzieren, was die Gefahren von vornherein vermeidet. Dies ist auch eine unverzichtbare Fähigkeit für die hochautomatisierte Fahrweise.
Ein typisches Szenario ist das Platzen eines Reifens bei hoher Geschwindigkeit. Bei herkö