Steer-by-wire

Forschungsschwerpunkt Fahrzeugergonomie

Ergonomische Auslegung einer Steer-By-Wire-Lenkung im Kraftfahrzeug

Fragestellung

Es ist davon auszugehen, dass in zukünftigen Fahrzeuggenerationen mechanisch entkoppelte Lenkungen eingesetzt werden, das heißt STEER-BY-WIRE realisiert wird. Solche Lösungen bringen eine Reihe von Vorteilen, wie z.B. geringerer Bauraum oder die Möglichkeit, untergeordnete Regelaufgaben automatisieren zu können. Darüber hinaus kann das so genannte Lenkgefühl so ausgelegt werden, dass es den Wünschen des Fahrers entspricht.

Eine echte STEER-BY-WIRE-Lenkung realisiert eine vollständige elektronische Kraft- und Wegansteuerung des Lenkrads wie auch der gelenkten Räder. Die Anforderung einer synthetischen Generierung von Kraft und Weg ist zunächst nicht exakt in Bezug auf den einzelnen Nutzer definiert. Der Arbeitsplatz Kraftfahrzeug muß demnach in Bezug auf die Arbeitsaufgabe Lenken zunächst analysiert und neu gestaltet werden.

Projektbild
Messlenkrad des Versuchsfahrzeugs
Projektbild
Prinzipdarstellung eines Steer-by-Wire-Systems

Vorgehen

Im Vordergrund steht hierbei eine Lenkungsgestaltung mit dem Ziel einer hohen zu realisierenden Bahnführungsgüte. Weiterhin muss für den Nutzer ein hohes Maß an Sicherheitsempfinden simuliert werden. Diese stützt sich auf einen hohen Informationsgehalt der haptischen Rückmeldung über das Lenkrad. Beispielsweise sei hier die bislang wegen des mechanischen Durchgriffs konventioneller Lenkungen zu fühlende Fahrbahnreibwertänderung bei Glatteis genannt. Da in den zukünftigen komplett entkoppelten elektronischen Systemen reale Kräfte, Momente und Vibrationen nicht mehr übertragen werden, müssen diese geeignet simuliert werden.

Erster Schritt vor der Gestaltung ist eine Analyse des Nutzerverhaltens in Abhängigkeit von unterschiedlichen Informationsgehalten einer Lenkung, das wiederum u.a. abhängig von Fahrmanövern, Bahngeometrie und Fahrbahnzustand ist. Hierzu wurde am IAD ein Untersuchungskonzept für das kontrollierte Feld entwickelt. Mit einem Messfahrzeug wurden Probandenversuche auf einem abgeschlossenen Versuchsgelände durchgeführt. Um Einflussgrößen und Randbedingungen möglichst konstant zu halten wurde ein eigens dafür geeigneter modularer Pylonenparcours entwickelt.

Abhängig von mittels einer SBW-Software im Versuchsfahrzeug definierten Lenkungsparametern wurden die Probanden nach deren Parcoursdurchfahrt zu unterschiedlichen Lenkungskriterien (Informationsgehalt der haptischen Rückmeldung) befragt. Während der Fahrten wurden mit Hilfe der im Fahrzeug installierten Messtechnik fahrzeugtechnische Daten erhoben.

Subjektivurteile der Probanden, fahrzeugtechnische Messdaten und Lenkungsparameter wurden danach einer Korrelationsuntersuchung unterzogen.

Projektbild
Intraindividueller Vergleich der Ruck-Verläufe bei Variation der Übersetzung auf zwei Momentenniveaus

Gestaltung

Aus den Ergebnissen lassen sich hier grob folgende Gestaltungsempfehlungen ableiten: Zukünftige Lenkungen sind demnach so zu gestalten, dass die Regelgüte der Bahnführung möglichst hoch ist. Als Gestaltungsmöglichkeiten der Lenkung stehen vorrangig die Lenkübersetzung und das Lenkmoment zur Verfügung. Das Lenkmoment lässt sich sehr gezielt gestalten. Es ist die Summe seiner Bestandteile Steifigkeit, Dämpfung und Reibung (analog zu einem Feder-Dämpfer-System). Für die Gestaltung von Höhe und mathematischem Verlauf der Bestandteile werden unter anderem Parameterabhängigkeiten von Lenkradwinkel, Lenkradwinkelgeschwindigkeit, Fahrzeugquerbeschleunigung genutzt. Die Höhe der Lenkübersetzung kann bspw. abhängig von der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit gestaltet werden. Lineare, quadratische oder höhere Abhängigkeiten mit entsprechenden Sättigungsfunktionen stehen hierfür zur Verfügung.

Publikationen

Ackert, Holger :
Ergonomische Bewertung der Sicherheit beim Kraftfahrzeuglenken: Untersuchungen zum Zusammenhang von subjektiver Bewertung und realisierten Fahrleistungen bei einer parameterabhängigen Lenkungsgestaltung. TU Darmstadt [Dissertation]