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X-by-Wire: Wenn nur noch die Elektronik steuert

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ZF hat branchenweit das größte Portfolio an By-Wire-Technologien. Welche Vorzüge bringt es, wenn die Elektronik das Kommando über Bremse, Lenkung und andere Systeme im Auto hat – ohne mechanische Verbindung zum Fahrer?
Andreas Neemann,
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Andreas Neemann hat seinen ersten ZF-Magazintext im Jahr 2001 zum 6HP-Automatgetriebe geschrieben. Seither begleitet der Automotive-Autor mit Faible für komplexe Themen den Konzern in vielen Publikationen für interne wie externe Leser.
Um einen Pkw zu lenken oder zu bremsen, brauchte es vor einigen Jahrzehnten noch richtig Muskelkraft. Nach 1980 machten elektrohydraulische Helfer das Autofahrerleben leichter. Erst senkten Servolenkungen und Bremskraftverstärker den Kraftaufwand beim Lenken und Verzögern. Später erhöhten weitere Systeme die Sicherheit: ABS (Antiblockiersystem) und ESC (Elektronische Stabilitätskontrolle) gewährleisteten, dass der Bremseneinsatz nicht auf Kosten der Spur- bzw. Fahrzeugstabilität ging.

Eines änderte sich nie: Es gab immer eine direkte mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderrädern auf der einen sowie zwischen Bremspedal und Betriebsbremse auf der anderen Seite. Diese Verbindung zum Menschen hinter dem Steuer war so etwas wie die letzte Rückfallposition in Sachen Sicherheit: Fallen alle elektronischen oder hydraulischen Systeme aus, kann dank dieser Verbindung auch noch mit reiner Muskelkraft gelenkt oder gebremst werden.

Trends beleben By-Wire-Lösungen

Trends beleben By-Wire-Lösungen

Diese Zeiten neigen sich ihrem Ende zu. Lenkungen und Bremsen werden in naher Zukunft ausschließlich von elektronischen Steuerimpulsen plus Aktuatoren bewegt, also „by Wire“. Lenkrad und Bremspedal gibt es zwar weiterhin, aber sie funktionieren wie ein „Joystick“: Bediengeräte, mit denen der Mensch die elektronischen Impulse nur mehr auslöst.
Solche By-Wire-Systeme sind kein technisches Neuland – da sie neben Bremse und Lenkung noch viele weitere Systeme umfassen, spricht man von „X-by-Wire“. Nicht jedes System hatte eine mechanische Verbindung zum Fahrer. Die Hinterachslenkung AKC (Active Kinematics Control) von ZF beispielsweise war seit jeher rein softwaregesteuert, gleiches gilt für die semiaktive Dämpfung CDC (Continuous Damping Control), die Wankstabilisierung oder die Luftfederung. All diese Systeme steigerten Sicherheit, Komfort oder Fahrdynamik.
Dass sich nun auch bei Bremse und Lenkung By-Wire-Systeme durchsetzen, liegt an zwei unaufhaltsamen Trends: der Elektromobilität und dem autonomen Fahren.

„Beim automatisierten Fahren ab Level 2 und höher übernimmt der Computer die Kontrolle über Längs- und Querdynamik des Fahrzeugs – daher muss er auch vollständig auf die Lenkung und auf die Bremse zugreifen können. By-Wire-Systeme sind deutlich besser auf eine reine Software-Regelung ausgelegt als Systeme, in denen es auch noch einen mechanischen Durchgriff geben muss“, erklärt Manfred Meyer, Leiter Engineering des Geschäftsfelds Aktive Sicherheit, Bremssysteme & Lenkungssysteme von ZF.
Die Entkopplung von Mechanik und Elektronik macht außerdem neue Funktionen möglich, die auch die Autofahrerinnen und Autofahrer schätzen werden. Beispiel ist eine Steer-by-Wire-Lenkung, wie sie ZF ab 2023 in Serie bringen wird. „Dank Softwaresteuerung können wir die Lenkübersetzung je nach Fahrsituation vollkommen variabel gestalten – im Gegensatz zu den fest eingestellten Lenkübersetzungen, die bei einer mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderrädern zum Einsatz kommen“, so Meyer. Ein und dieselbe Lenkung ist also bei einer dynamischen Landstraßenfahrt sehr agil und feinfühlig; geht es dagegen ums Einparken, sind nur wenige Umdrehungen mit dem Lenkrad für einen maximalen Lenkeinschlag notwendig. Das ist nicht nur ein Komfort-Thema. Auch der hohe Anteil so genannter „Bagatell-Unfälle“ wie sie regelmäßig beim Einparken vorkommen, weil Fahrerinnen und Fahrer ihren Lenkeinschlag falsch einschätzen, könnte auf diese Weise gemindert werden.
„Dank Softwaresteuerung können wir die Lenkübersetzung je nach Fahrsituation vollkommen variabel gestalten – im Gegensatz zu den fest eingestellten Lenkübersetzungen, die bei einer mechanischen Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderrädern zum Einsatz kommen.“
Manfred Meyer, Leiter Engineering des Geschäftsfelds Aktive Sicherheit, Bremssysteme & Lenkungssysteme

Bremsend Strom erzeugen

Bremsend Strom erzeugen

Die Automobilhersteller profitieren ebenfalls von der By-Wire-Technologie. Werden Steer-by-Wire-Lenkungen eingebaut, sinkt der Montageaufwand, der heute noch für den Bau von Rechts- und Linkslenkern desselben Pkw-Modells notwendig ist. Und weitere konstruktive Freiheiten ergeben sich mit Blick auf künftige Pkw-Modelle, die ab Werk hochautomatisiertes und autonomes Fahren nach Level 3 und höher bieten: Steer-by-Wire erlaubt bei Lenkrädern ganz neue Designs, so dass sie sich komplett einklappen oder beiseite schieben lassen. Die Fahrer haben dann mehr Platz, wenn der Computer das Fahrzeug lenkt und sie sich auf andere Dinge konzentrieren wollen. „Solche flexiblen Konstruktionen ließen sich mit einer konventionellen Lenkung mit Lenkstange nicht umsetzen“, so Meyer.
Für die Bremse bieten By-Wire-Lösungen ebenfalls Vorzüge – und zwar gerade für das anbrechende Zeitalter der Elektromobilität. E-Fahrzeuge können auf zweierlei Art verzögern – mittels Betriebsbremse oder durch den generatorischen Betrieb der E-Maschine. Bei letzterem wird elektrische Energie zurück in die Batterien gespeist, also rekuperiert. „Mit Brake-by-Wire-Lösungen können wir das Bremsenmanagement optimal auf möglichst hohe Rekuperationsanteile auslegen“, so Meyer. „Das bringt unterm Strich mehr Reichweite, schont den Verschleiß der Betriebsbremse und senkt damit den Feinstaubanteil.“

Absolute Ausfallsicherheit bei Lenkung und Bremse

Absolute Ausfallsicherheit bei Lenkung und Bremse

Eine wesentliche Voraussetzung für alle By-Wire-Systeme ist die Eigensicherheit: Lenkung und Bremse im Pkw dürfen nie versagen, das Fahrzeug muss auch bei einem Ausfall eines Teils der Elektronik beherrschbar bleiben. Da in By-Wire-Systemen die mechanische Verbindung zum Menschen als letzte Rückfallposition fehlt, müssen die elektronischen Steuerungen redundant ausgelegt werden, also mitsamt ihrer Steuerelektronik doppelt im Fahrzeug verbaut sein. Die Steuerungssoftware muss die Szenarien, wann das Ersatzsystem zum Einsatz kommt, entsprechend vorsehen. „Eine solche Ausfallsicherheit zu gewährleisten, ist nicht gerade trivial – darauf konzentriert sich bei der Entwicklung von Steer-by-Wire und Brake-by-Wire ein bedeutender Teil unserer Entwicklungsressourcen“, so Meyer. Diese umfassenden, bei Bremse und Lenkung notwendigen Sicherheitsarchitekturen für By-Wire-Technologien reichen von der Lieferantenstruktur für Zulieferteile bis zum Thema Cybersecurity – denn logischerweise dürfen auch nicht Fremde ein Auto „hacken“ und an Stelle des Fahrers Lenkung und Bremse bedienen. „Diese Komplexität beherrschen nicht viele Unternehmen. Es hat einen Grund, warum es aktuell neben ZF nur wenige serienreife Steer-by-Wire- und Brake-by-Wire-Systeme auf dem Markt gibt“, so Meyers Fazit.

Mehr Sicherheit durch Vernetzung

Mehr Sicherheit durch Vernetzung

By-Wire-Technologie bietet allerdings auch ein Sicherheitsplus. Allein schon mittels Steer-by-Wire lässt sich durch unmerkliche kurze Lenkbewegungen ein Fahrzeug stabilisieren, bevor überhaupt ein anderes System wie die „Schleuderbremse“ ESC eingreift. Davon bekommen Fahrer und Insassen nichts mit. Ein Regelverbund mit weiteren Systemen kann dieses Sicherheitsplus noch verstärken, insbesondere weil X-by-Wire-Systeme optimale Möglichkeiten der Vernetzung bieten. „Die Ingenieure haben nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, die Längs-, Quer- und Vertikaldynamik so zu regeln, dass sich Fahrstabilität, Fahrsicherheit und Fahrkomfort erhöhen“, sagt Dr. Christoph Elbers, Vice President Car Chassis Technology bei ZF. „Dabei geht es nicht nur um die Frage, welche Aktuatoren im kritischen Moment eingreifen und regeln. Auch die fahrphysikalische Charakteristik eines Fahrzeugs kann durch aktive By-Wire-Systeme spezifisch definiert werden.“ Ein Beispiel ist die dynamische Radlastverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse. Sie hat maßgeblich Einfluss auf die Kontaktfläche der Reifen zur Fahrbahn und bestimmt damit, wie ein Fahrzeug überhaupt in den Grenzbereich kommt. Die Art und Weise, wie eine Wankstabilisierung ausgelegt ist, gibt den proaktiv regelnden X-by-Wire Systemen mehr Einflussmöglichkeiten. „Die Fahrer spüren zwar nicht, wie die Systeme regeln, nehmen das Verhalten ihres Fahrzeugs dennoch als angenehm dynamisch und komfortsteigernd wahr“, so Elbers. In Zeiten des hochautomatisierten und autonomen Fahrens kann ein solcher Regelverbund kompromisslos auf Komfort ausgerichtet werden. Dies ist notwendig, weil dann die Passagiere durch andere Tätigkeiten abgelenkt sind und nicht mehr aus dem Fenster schauen. In solchen Situationen führt eine eher „unruhige“ Fahrt – aufgrund von Bodenwellen oder hektischen Brems- und Beschleunigungsmanövern – zu Übelkeit.
X-by-Wire-Systeme dürften also ein Grund dafür sein, dass uns das Autofahren auch dann noch Spaß macht, wenn wir gar nicht mehr selbst fahren.