Sicherheit und Komfort Das Software-definierte Chassis

Das Software-definierte Fahrzeug ist in aller Munde, aber was heißt das auf der Chassis-Seite rund um Lenkung, Bremsen, Dämpfer etc.? ZF hat auf seinem Chassis-Tech-Day deutlich gezeigt, dass das Software-definierte Fahrzeug nicht nur im Chassis angekommen ist, sondern auch ganz neue Sicherheits-, Komfort- und Wartungsfunktionen ermöglicht.

Im Chassis geht es um das Zusammenspiel von Längs- Quer- und Vertikaldynamik und damit um Themen, die Dr. Peter Holdmann, Mitglied des ZF-Vorstands und verantwortlich für Chassis Solutions, mit „alles, was ein Auto stabil, komfortabel und sicher auf der Straße hält“ beschreibt. Das Ultrakurzfazit: Es tut sich viel bei Lenkungen, Bremsen, Dämpfungssystemen, bei der Radführung mit Leichtbaulösungen für Querlenker, Streben oder Spurstangen, aber auch bei der Software zur Steuerung dieser Systeme. Dr. Holdmann setzte gleich zu Beginn des Tech Days die Messlatte sehr hoch an: „Wir sind mit dem breitesten Portfolio der Branche weltweit die Nummer 1 in dem Geschäft für Fahrwerktechnik.“

Für Dr. Holdmann ist „die aktuelle Transformation in der Automobilbranche eindeutig mehr Chance als Krise“, denn neue Player und dynamische Marktregionen, wie sie sich in Asien zeigen, Startups und NACs, also New Automotive Customers, die das Potenzial haben, die Branche kräftig umzukrempeln, „das sind für uns keine Angreifer“. Dr. Holdmann sieht sie vielmehr als „eine Bereicherung der langen Liste unserer Kunden, die wir neben den etablierten Automobilherstellern unterstützen und beliefern“.

Das Software-definierte Chassis

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Steer-by-Wire

Wie intensiv ZFs Zusammenarbeit mit asiatischen Kunden sein kann, zeigte sich daran, dass der chinesische Automobilhersteller NIO sein neues Flaggschiff ET9 auf dem Tech Day zeigte – und zwar noch bevor das Fahrzeug offiziell der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Der trotz mehr als 2,5 t Gesamtgewicht rundum agile Wagen ist nämlich mit der Steer-by-Wire-Technologie von ZF ausgestattet – „als erster Technologielieferant überhaupt“, wie Dr. Holdmann betont. Und so kam es, dass ein Technik-Journalist mit der „First Edition Limited 1 of 999“ eine Probefahrt machen konnte. Das bestens ausgestattete Fahrzeug zeigte eindrucksvoll, was mit umfassender Sensorik inklusive Lidar und Steer-by-Wire (SbW) bei guter Funktionsumsetzung möglich ist. „Zwei weitere Aufträge für Steer-by-Wire-Technologie haben wir von asiatischen Herstellern gewinnen können“, ergänzt Peter Holdmann. „Sie werden uns jährlich ein zusätzliches Umsatzvolumen von 150 Millionen Euro bringen.“ Ab 2026 werde ZF dann auch an Mercedes-Benz seine Steer-by-Wire-Lösung in Serie liefern. Und „in Nordamerika sind wir mit Steer-by-Wire schon seit einiger Zeit im Markt etabliert“. Zudem habe der Zulieferer für Brake-by-Wire „einen Großauftrag für einen lokalen Volumenhersteller gewonnen“.

Aber was heißt das auf der technischen Seite? Bei der Steer-by-Wire-Technologie wird das Lenkgetriebe an den Vorderrädern rein digital gesteuert und nicht mehr durch eine mechanische Verbindung, die vom Lenkrad ausgeht; es gibt somit keine Lenksäule mehr. Ein mechatronischer Aktuator zwischen den Rädern erzeugt die Lenkkraft entsprechend den Steuerbefehlen, die rein elektronisch von einem Lenkrad-Aktuator mit integrierter Drehwinkel-Sensorik im Cockpit übermittelt werden. Am Lenkrad selbst gibt dagegen eine Drehmoment-Feedback-Unit auf Basis eines kleinen elektrischen Antriebs spezifische Rückmeldungen über die Fahrsituation oder die Fahrbahnbeschaffenheit.

Dabei ist Steer-by-Wire für ZF nichts völlig Neues, denn bereits 2013 ging deren Hinterachslenkung AKC in Serie, die schon damals rein digital und ohne mechanische Verbindung zur Lenksäule gesteuert wurde. AKC ermöglicht zwar nur Lenkwinkel von wenigen Grad, bringt aber gerade bei Fahrzeugen mit langem Radstand wie großen SUVs und Limousinen eine höhere Agilität sowie erheblich kleinere Wendekreise. ZF zufolge belieferte das Unternehmen 2024 „schon 73 Prozent des globalen Marktes für Hinterachslenkungen“

Steer-by-Wire für Level 4 und höher

Philippe Gasnier, Entwicklungsleiter der ZF-Division Chassis Solution, erklärt, warum Steer-by-Wire alles andere als nur eine technische Spielerei ist: „Es ist die geeignete Lenkung für höhere Automatisierungsstufen. Sie kann für aktive Eingriffe genutzt werden, von denen die Person hinter dem Lenkrad nichts mitbekommen soll.“ Dafür hat er auch gleich das Beispiel parat, bei dem das Assistenzsystem stärker gegenlenkt, weil der Fahrer auf ein plötzlich ausbrechendes Heck nicht angemessen reagiert hat, um Schleudern zu vermeiden. Außerdem ist die Automatisierung auf Level 4 und 5 nur mit Steer-by-Wire möglich.

Neben den Sicherheitsfeatures bietet Steer-by-Wire auch Komfortmerkmale: Dieselbe Lenkradbewegung kann je nach Fahrsituation variabel übersetzt werden: Eine direkte Übersetzung für mehr Agilität erfolgt beim Parken, eine indirekte für Stabilität und Komfort bei höheren Geschwindigkeiten. „Für die Hersteller bietet eine Steer-by-Wire-Lenkung massive Packaging-Vorteile in der Produktion“, führt Philippe Gasnier weiter aus: „Das liegt daran, dass die Lenkzwischenwelle wegfällt und dass Aktuatoren über Fahrzeugplattformen hinweg standardisiert werden können.“

Zudem ist die Anpassung an Märkte für Rechts- oder Linkslenkung ohne großen Aufwand möglich, während der Wegfall der Lenkzwischenwelle auch für eine Reduzierung der Geräuschübertragung sorgt und die passive Sicherheit erhöht. Zusätzlich sind neue Lenkrad-Geometrien oder zusammenklappbare Lenkradkränze möglich, und den maximalen Lenkwinkel am Lenkrad bestimmt jetzt die Software. Weil das Lenkverhalten rein Software-seitig angepasst wird, können die Hersteller ihre Markencharakteristik auch rein Software-basierend darstellen, was im Rahmen der Skalierbarkeit über die Modellpalette hinweg völlig neue Möglichkeiten eröffnet, während gleichzeitig die Kalibrierung des Fahrwerks einfacher wird: SDV eben!

Lenkwinkel bis 80 Grad – mit Steer-by-Wire

Ohne Steer-by-Wire-Technologie wäre zum Beispiel das ebenfalls neu vorgestellte System namens EasyTurn gar nicht komfortabel möglich. Mit EasyTurn verdoppelt ZF den maximalen Einschlagwinkel der Vorderräder von 40 auf 80 Grad, so dass sich der Wendekreis bei einem typischen Mittelklasse-Pkw von über zehn auf unter sieben Meter verkleinert. Mit der Steer-by-Wire-Technologie werden diese Manöver auch komfortabel möglich, weil sie die oftmals sehr kleinen Lenkradbewegungen beim Rangieren auf engstem Raum viel präziser und situationsgerechter umsetzen kann als eine elektrische Servolenkung (EPS). Zur Demonstration hatte ZF ein EasyTurn-System in einen beliebten Kleinbus mit E-Antrieb eingebaut, der sich im Schnelltest wunderbar leicht und wendig rangieren ließ, während gleichzeitig auch bei Landstraßengeschwindigkeit auf der Teststrecke ein präzises und leichtes Lenken möglich war.

„Solange wir auf mechanische Verbindungen angewiesen waren, stießen wir beim notwendigen Lenkeinschlag irgendwann an die physikalischen Grenzen“, erklärt Peter Kontermann, Projektleiter EasyTurn bei ZF. „Mit Steer-by-Wire ist das nicht mehr der Fall – hier reichen kleinste Lenkradbewegungen aus, um auf engstem Raum zu rangieren.“ ZF sieht die Anwendungen des Systems zunächst bei kleinen Stadtflitzern sowie Lieferfahrzeugen und People Movern im urbanen Setting, aber in Kombination mit der Hinterachslenkung AKC auch bei langen Limousinen oder Performance-Crossover-Modellen.

Brake-by-Wire

Bisher war es klar, dass ein Fahrzeug stets über eine hydraulische (nasse) Bremse verfügt, zumindest als Rückfallebene. „Gerade angesichts der Fortschritte bei hochautomatisierten Fahrassistenz-Features, elektrifizierten Antrieben und Fahrwerkvernetzung führt langfristig kein Weg an einem Brake-by-Wire vorbei“, konstatiert Philippe Gasnier. Bei einem „trockenen“ Brake-by-Wire-Bremssystem ist keinerlei Bremsflüssigkeit mehr notwendig, denn der Druck, mit dem die Bremsbacken in die Bremsscheibe greifen, wird nicht mehr über Flüssigkeiten im hydraulischen System erzeugt, sondern über Elektromotoren, die direkt am Rad sitzen. Auch die Übertragung der Bremssignale vom Pedal bis zum Aktuator erfolgt rein elektrisch. Die elektro-mechanische Bremse (EMB) ist damit reaktionsschneller und ermöglicht bei Fahrzeugen mit E-Antrieb eine optimierte Rekuperation sowie niedrigere Wartungskosten. Insbesondere bei hochdynamischen Manövern – wie bei gleichzeitigem Bremsen und Lenken – weisen trockene By-Wire-Lösungen Vorteile gegenüber traditionellen hydraulischen Bremsen auf. „Moderne Fahrzeuge werden immer schwerer; daher ist es umso wichtiger, dass der ideale Bremsdruck innerhalb von kürzester Zeit aufgebaut wird“, berichtet Danny Milot, Leiter Engineering Product Line Braking. „Genau das meistern unsere By-Wire-Systeme.“

Außerdem reduziert Brake-by-Wire (BbW) die Restschleifmomente, die bei konventionellen Bremssystemen durch ein minimales Anliegen der Bremsklötze auf den Bremsscheiben entstehen, auf nahezu null (true zero drag). Somit entstehen noch weniger Feinstaub-Emissionen durch Abrieb der Bremsbeläge. Dieser geringere Widerstand beim Fahren hilft bei Autos mit E-Antrieb zudem, Energieverluste beim Rekuperieren zu vermeiden, was beispielsweise bei Batterie-elektrischen Fahrzeugen die Reichweite erhöht. Selbstverständlich gelten auch für Steer-by-Wire und Brake-by-Wire die Safety-Anforderungen gemäß ASIL-D im Rahmen der ISO26262, für die unter anderem zwei voneinander unabhängige elektrische Stromversorgungen an jedem By-Wire-System erforderlich sind.

ZF ist sich sicher: Für Hersteller sinken mit BbW-Systemen Kosten und Aufwand. Weil weniger Teile benötigt werden, verschlankt sich die Logistik, und auch die Montage gestaltet sich einfacher und schneller. „Gerade im asiatischen Markt ist die Nachfrage nach solchen trockenen Systemen in den letzten Jahren stark gestiegen“, berichtet Philippe Gasnier.

Während der asiatische Markt zunehmend auf trockene By-Wire-Bremsen setzt, etablieren sich in den USA – vor allem bei sehr großen Pick-Ups und SUVs – die hybriden Bremslösungen, bei denen meist die Hinterachse mit einem trockenen System ausgestattet ist, während an der Vorderachse eine konventionelle hydraulische Bremse agiert.

Smart Chassis Sensor

In der neuen Generation seines Smart Chassis Sensor integriert ZF einen Beschleunigungssensor. Im Rahmen des „Chassis 2.0“-Ansatzes, bei dem sich der Zulieferer dem Zusammenspiel von Sensorik, Software und Aktuatorik im Fahrwerk widmet, ermöglicht dieser Sensor auch eine „Chassis Health“ genannte Funktion. „Mit den Beschleunigungsdaten aus dem Smart Chassis Sensor können wir die Impulse auf Fahrwerk und Fahrzeugaufbau permanent dokumentieren“, erklärt Philippe Gasnier. „Wir können in Echtzeit hochrechnen, welche Auswirkungen das auf die Funktion des Fahrwerks hat. Das ist wie ein digitaler Fitnesstracker, in diesem Fall für das Fahrwerk.“

In einem Praxistext entfernte der Autor dieser Zeilen eine Radmutter (von fünf) und lockerte eine weitere. Dann ging es auf die Teststrecke, und obwohl sich dieses Fahrzeug für den Fahrer ganz normal anfühlte, meldete die Chassis-Health-Funktion bereits die lose Radmutter. Die zusätzlichen Daten vom Smart Chassis Sensor liefern zudem Inputs für die Torque-Feedback-Unit am Steer-by-Wire-Lenkrad, damit die Person hinter dem Steuer das Gefühl hat „als hätte die Lenkung noch eine mechanische Verbindung zur Fahrbahn“, wie Philippe Gasnier betonte.

Kalibrierung

Um das Zusammenspiel verschiedener Aktuatoren wie Bremse, Lenkung, Dämpfungssysteme, aber auch Antrieb effektiv kalibrierbar zu machen, hat ZF die Software cubiX entwickelt, die mittlerweile sowohl bei der Kalibrierung der Einzel-Aktuatoren im Entwicklungsprozess hilft als auch beim Zusammenspiel im Gesamtsystem über mehrere Tausend Parameter hinweg. Die jeweilige „Marken-DNA“ des Herstellers oder Modells lässt sich so über dieses intuitiv bedienbare Tool einstellen. Das Besondere daran: cubiX steuert auch Aktuatoren von Mitbewerbern an. Während die Algorithmen sich um das Finden von grundlegenden Parametern kümmern, kann der Ingenieur mit Feingefühl die Fahrdynamik applizieren, sodass deutlich früher eine Applikationsreife erreicht werden kann“, erläutert Philippe Gasnier. „Unsere Kunden können Fahrwerk-Parameter auf dem Vehicle-Dynamics-Level anpassen und müssen nicht bis auf den Algorithmus-Level herunter“, ergänzt André Engelke, Leiter Systemhaus Vehicle Motion Control bei ZF. Phillipe Gasnier geht sogar noch einen Schritt weiter: „Wir können mit cubiX Tuner Einfluss auf die Fahrwerkauslegung nehmen und damit die komplexe Welt der Fahrzeugdynamik beherrschbar machen.“

 (se)

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* Dipl.-Ing. Alfred Vollmer, freier Journalist und Autor

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