Power für die Lenkung

Der Autor Mathias Würges ist Manager Engineering Steering Systems bei der NSK Deutschland GmbH, Ratingen

Was die Leistung und Leistungsdichte von C-EPS weltweit betrifft, setzt NSK mit dem Lenksystem für den neuen Toyota Sienna den Maßstab. Dieses System bringt eine Lenkunterstützung von 12,5 kN auf und ist damit ein klassisches Beispiel für die Substitution von hydraulischer Lenkunterstützung sowie von R-EPS. Es basiert auf einer Entwicklungsplattform, die in diversen Fahrzeugklassen eingesetzt werden kann: von kleinen Fahrzeugen bis zum Pkw mit über 3 l Hubraum.

Der Ausstattungsgrad von Fahrzeugen mit elektrischer Lenkung beziehungsweise Lenkunterstützung (EPS/EPAS) nimmt kontinuierlich zu. Nach einer Marktstudie, die Frost & Sullivan im Jahr 2009 veröffentlicht hat, waren 2007 rund 40 % und ein Jahr später rund 45 % aller Neufahrzeuge in Europa mit EPS ausgestattet. Nächstes Jahr sollen es bereits 65 % sein und 2015 rund 75 %. Die Gründe für diese Entwicklung liegen auf der Hand: Der Wunsch nach komfortabler Lenkunterstützung auch bei kleineren Fahrzeugen wächst, zugleich soll diese Komfortfunktionen ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch realisiert werden. Genau betrachtet speist sich der Trend also aus dem höheren Ausstattungsgrad bei kleineren Fahrzeugen und der Substitution von hydraulischen beziehungsweise elektrohydraulischen Lenkunterstützungen bei größeren Fahrzeugen, die für einen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch bis zu 0,25 l pro 100 km sorgen.

Den Fahrzeugherstellern stehen verschiedene Bauarten von EPS-Systemen zur Verfügung: Der Elektromotor, der das Drehmoment für die nötige Lenkunterstützung liefert, ist entweder am Lenkgetrieberitzel angebracht (Pinion-EPS oder P-EPS), an der Zahnstange (Rack-EPS, R-EPS) oder an der Lenksäule (C-EPS).

Das C-EPS ist vorherrschend bei kleinen Fahrzeugen und bietet unter anderem den Vorteil, dass das „Packaging“ im Motorraum nicht eingeschränkt wird. Die NSK-Business Unit Automotive Steering hat das derzeit kleinste am Markt verfügbare System entwickelt, das im Toyota iQ zum Einsatz kommt. Bei dieser Lenkung wurde erstmals die Drehmomentsensorik, die der Servo-unterstützung das Eingangssignal liefert, als Baueinheit mit der zentralen Steuereinheit (ECU) konstruiert. Durch die Integration von Elektromotor, ECU und Drehmomentsensorik konnte das Gewicht des Lenkmoduls um 12 % und sein Energiebedarf um 6 % reduziert werden. Als Antrieb der Servoeinheit wird ein Hochleistungs-Elektromotor verwendet, dessen Leistungsdichte im Vergleich zu konventionellen Bürstenmotoren um 60 % höher ist. Aufgrund der kompakten Konstruktion des Lenkgetriebes konnte der vordere Überhang des Toyota iQ nochmals verkürzt werden.

Bauartbedingt ist das Drehmoment, das ein C-EPS dem Fahrer zur Lenkunterstützung bieten kann, begrenzt, auch wenn diese Grenze in den vergangenen Jahren immer weiter nach oben verschoben wurde. Das mit 8,5 kN leistungsstärkste C-EPS auf dem europäischen Markt wurde ebenfalls von NSK entwickelt und kommt unter anderem im Renault Mégane Scenic zum Einsatz.

Was die Leistung und Leistungsdichte von C-EPS weltweit betrifft, setzt NSK mit dem Lenksystem für den neuen Toyota Sienna den Maßstab. Dieses System bringt eine Lenkunterstützung von 12,5 kN auf und ist damit ein klassisches Beispiel für die Substitution von hydraulischer Lenkunterstützung sowie von R-EPS. Es basiert auf einer Entwicklungsplattform, die in diversen Fahrzeugklassen eingesetzt werden kann: von kleinen Fahrzeugen bis zum Pkw mit über 3 l Hubraum.

Die Plattform kann individuell an die Anforderungen der jeweiligen Märkte angepasst werden. So entspricht die Lenkcharakteristik der für den Toyota Sienna entwickelten Lenkunterstützung den Wünschen des japanischen Marktes. Sie verfügt über eine um 23 % höhere Leistungsdichte als das bisher leistungsstärkste Serien-C-EPS, das im Toyota RAV-4 eingesetzt wird und ebenfalls von NSK stammt. Genau wie beim Toyota iQ, wird durch die Integration von Motor und ECU ein sehr dichtes Packaging erreicht: Das System ist 800 g leichter und 11 % kompakter. Die kabellose Bauart erlaubt zugleich eine höherer Effizienz.

Das hohe Drehmoment wird unter anderem durch ein optimiertes Motorwickelverfahren und eine neuartige Motorregelung erreicht. In der ECU sind Kontrollalgorithmen hinterlegt, die die mechanischen Impulse verringern und die Lenkreaktionskraft kompensieren.

Diese Beispiele zeigen, dass die Elektronik wichtige Impulse zur Verbesserung von EPS-Systemen gibt. Um diese Möglichkeiten optimal auszuschöpfen, hat NSK im September 2010 gemeinsam mit Toshiba ein Joint Venture gegründet: Die ADTech Corporation, Tokio, wird die Entwicklung elektrischer Lenksysteme vorantreiben. NSK bringt dabei die Kompetenz in der Mechatronik ein, Toshiba die umfassende Expertise Halbleiter-Entwicklung und -Produk- tion. Das neue Unternehmen hat die Aufgabe, die Elektronik und Software von EPS weiter zu verbessern. Unter anderem bildet die Integra- tion der Signale von Fahrerassistenzsystemen einen Schwerpunkt.

Trotz aller Globalisierung der Automobilmärkte und dem Wunsch nach Vereinheitlichung gibt es in den Einzelmärkten unterschiedliche Anforderungen an Lenksysteme – und jeweils individuelle Anforderungen der OEMs an die Lenkcharakteristik. Um diese in der Zusammenarbeit mit den europäischen Automobilherstellern umzusetzen, hat NSK schon vor Jahren das European Technology Center (ETC) gegründet. Dort sind die europäischen Entwicklungskapazitäten konzentriert, und es stehen moderne Prüfstände zur Verfügung, auf denen die Lenksysteme umfassend getestet werden können.

Aufgrund der steigenden Nachfrage der europäischen OEMs nach elektrisch unterstützten Lenksystemen wird das ETC zurzeit stark ausgebaut und kann immer größe Entwicklungsumfänge einschließlich der dazu gehörigen Testreihen übernehmen. Damit kann NSK Europe den Kunden sehr viele Engineering-Dienstleistungen bieten, ohne den „Umweg“ über die japanischen Entwicklungszentren gehen zu müssen. Das verkürzt Abstimmungsprozesse und Entwicklungszeiten und intensiviert die gemeinsame Entwicklungsarbeit mit den Kunden.

Der Ausbau des ETC geht einher mit den Markterfolgen von NSK bei den europäischen Autoherstellern. Dass auch die im ETC (mit)entwickelten Lenksysteme nach den strengen Qualitätsvorschriften entwickelt und gefertigt werden, zeigt beispielhaft der „Volkswagen Group Award 2010“, den NSK für das elektrisch unterstützte Lenksystem des VW Polo Global erhielt. Dieses System wird künftig – entsprechend modifiziert und angepasst – auch in anderen Fahrzeugen der Volkswagen AG eingesetzt. Bei der Entwicklung und Abstimmung arbeiteten die Ingenieure der VW-Zentrale in Wolfsburg eng mit den NSK-Entwicklern in Maebashi/Japan und dem ETC in Ratingen zusammen.

Nach aktueller Einschätzung von NSK wird sich die Leistungsgrenze von C-EPS nicht noch weiter nach oben verschieben und bei Zahnstangenkräften ab etwa 10 kN werden in Europa weiterhin R-EPS und vor allem P-EPS dominieren. Auch bei diesen EPS-Bauarten hat NSK Lösungen entwickelt, die eine hohe Leistungsdichte aufweisen und sehr kompakt bauen. Die Prognose von NSK: C-EPS wird bei einer Lenkkraftunterstützung bis 8 kN dominieren, R-EPS bei Fahrzeugen, die bis zu 15 oder 16 kN benötigen.

NSK; Telefon: 02102 481-0; E-Mail: info-de@nsk.com

Dass NSK sein European Technology Center (ETC) in Ratingen stark ausbaut, hat auch mit der rasanten Entwicklung des Geschäftes mit elektrischen Lenksystemen in Europa zu tun. In Japan sind an zwei F&E-Standorten mehr als 1000 Entwickler tätig, die die Grundlagen- und Vorentwicklung übernehmen. Mit der zunehmenden Bedeutung des europäischen Marktes wird jedoch der Aufbau europäischer F&E-Kapazitäten immer wichtiger, die das „Tuning“ der Entwicklungsplattformen und deren Anpassung an die hersteller- und modellspezifischen Anforderungen übernehmen.

Daher hat NSK vor zwei Jahren damit begonnen, das Equipment und Personal aus mehreren europäischen Standorten in Ratingen zu konzentrieren. Zurzeit arbeiten dort 45 Mitarbeiter, denen modernste Entwicklungs-Tools und umfassende Testeinrichtungen zur Verfügung stehen. Klauspeter Noack, European Engineering Director und Leiter des ETC: „Unser Ziel ist es, vollständige EPS-Evaluationen durchzuführen und unsere europäischen Kunden noch besser zu unterstützen. Deshalb suchen wir Entwicklungsingenieure unter anderem in den Bereichen Testing, Hardware-in-the-Loop und System-Engineering.“