Leistungsstarke Lenkhilfe

Gleichstrommotoren – Hochdynamische Drei-Phasen Innenläufermotoren eignen sich für automobile und industrielle Applikationen.

12. November 2008

Eine Folge der immer flexibleren Automatisierung in der industriellen Fertigung sind die immer kürzeren Lebenszyklen der hergestellten Produkte. Bei der Suche nach geeigneten technischen Lösungen wird es deshalb immer wichtiger, Synergieeffekte durch Know-how-Transfer aus verwandten Bereichen zu nutzen. Ein Beispiel für diese Entwicklung ist der Einsatz von elektronisch kommutierten Innenläufer-Gleichstrommotoren nicht nur in industriellen Einsätzen, sondern auch in einer automatischen Lenkhilfe für Kraftfahrzeuge.

Diese Motoren ermöglichen eine automatische Anpassung der Lenkausschläge der Räder an die jeweilige Fahrsituation. So sollten etwa bei Tempo 200 auf der Autobahn die Lenkradbewegungen aus Stabilitätsgründen nur minimal an die Räder weitergegeben werden, während beim Rangieren in eine Parklücke der Lenkwinkel groß sein kann. Ideal ist also ein Lenkgetriebe mit variabler Übersetzung. Dazu erhält die herkömmliche, servounterstützte Lenkung zusätzlich ein Planeten- oder Harmonic-DriveÜberlagerungsgetriebe mit zwei Eingängen für die manuelle Betätigung über das Lenkrad beziehungsweise über den Elektromotor, das die beiden Eingangsdrehzahlen in eine Ausgangsdrehzahl umsetzt. Die mechanische Koppelung von Rädern und Lenkrad über den zentralen Getriebeeingang ermöglicht dabei eine authentische Rückmeldung des Fahrbahnkontakts über das Lenkrad.

Abhängig von der manuellen Vorgabe des Fahrers und den Zuständen des Fahrzeuges gibt dabei eine elektronische Steuerung über den Elektromotor die Drehzahl und die Drehrichtung in das Getriebe ein.

Angepasster Lenkausschlag

Bei langsamer Fahrt wird der Elektromotor so angesteuert, dass sich dessen Drehzahl gleichsinnig mit der des Lenkrades addiert: Die Lenkung erreicht so schneller den maximalen Lenkausschlag, zudem reduzieren sich die notwendigen Lenkbewegungen im unteren Geschwindigkeitsbereich deutlich. Bei hohen Geschwindigkeiten ab etwa 120 km/h arbeitet der Motor der Drehrichtung des Fahrers entgegen, sodass sich die Ausgangsdrehzahl und damit der Lenkwinkel am Getriebeausgang reduziert. Die Folge ist ein sicherer Geradeauslauf sowie ein »indirektes « Lenkgefühl für entspanntes Autobahnfahren. Mit Hilfe von Gier- und Querbeschleunigungssensoren ermöglicht die elektronische Steuerung zudem ein automatisches Gegenlenken, beispielsweise bei Fahrfehlern.

Herzstück der Lenkhilfe ist ein hochdynamischer elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (BLDC-Motor) aus der Serie ECI des Antriebsspezialisten EBM-Papst in St. Georgen. Die bürstenlosen Kompaktantriebe eignen sich für vielfältige Aufgaben und lassen sich auch auf extreme Anforderungen hin maßschneidern. Als dezentrales Antriebselement erleichtern die Motoren dem Entwickler die Arbeit, weil sie ohne aufwendige mechanische Übertragungselemente die nötige Arbeitsleistung vor Ort erbringen.

Robust und spielfrei

Die innovative Lösung arbeitet nach dem Prinzip eines dreiphasig permanentmagneterregten Synchronmotores mit vierpoligem Innenläufer und einem sechsnutigen Stator mit Sinusbestromung. Die konzentrierte Statorwicklung ohne Spulenüberkreuzungen kombiniert dabei geringe Kupferverluste mit einem robusten Aufbau. Einen absolut spielfreien Betrieb trotz der Materialausdehnung im Betriebstemperaturbereich von –40 bis +125 Grad Celsius erreicht der Elektromotor durch eine federbelastete, um wenige Grad schwenkbare Rotorwelle, die die Schneckenwelle des Motors ständig in spielfreiem Kontakt zum Schneckenrad des Überlagerungsgetriebes hält. Ein integrierter Drehgeber stellt sicher, dass der Regler die nötigen elektrischen Kenndaten zur exakten Ansteuerung des Motors erhält.

Der Einsatz am Fahrzeugboden erfordert zudem eine besonders robuste und zuverlässige Lösung. Auch erlauben die hohen Ansprüche an den Fahrkomfort nur minimale Drehmomentpulsationen und geringste Betriebsgeräusche bei häufig wechselnden Drehzahlen zwischen 0 und 6.000 U/min über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs. Daneben ist eine dezente Lenkunterstützung sowohl beim feinfühligen Einsatz mit minimalen Drehwinkeln gefragt wie auch beim dynamischen Hochlaufen im schnellen Wechsel, etwa in typischen Einparksituationen. Der Motor wird so ständig in allen vier Quadranten betrieben.

Damit die Motoren ein ganzes Autoleben lang problemlos funktionieren, unterziehen die Antriebsspezialisten aus dem Schwarzwald sie einer Vielzahl von vorbeugenden und produktbegleitenden Tests. Die Motoren werden dazu auf Halterungen geschraubt, die dem Flansch der Lenkgetriebe entsprechen. Dies gewährleistet, dass ein eventueller Wärmeverzug, die Wärmeleitung, Kondenswasserbildung usw. möglichst realistisch wie im späteren Autoleben abgebildet wird. Die Prüfung umfasst unter anderem Tests der Schwingfestigkeit auf dem Rütteltisch bei Temperaturen zwischen – 40 und + 130 Grad Celsius. Bei der Untersuchung der Temperaturwechselbeständigkeit muss der Motor bei Temperaturen von – 40 bis + 120 Grad Celsius seine Ausdauer beweisen. Zudem wird der Motor rund 100 Mal mit Schwallwasser auf 110 Grad aufgeheizt und mit Eiswasser in drei Sekunden abgekühlt. Erschwerend hinzu kommt, dass das Wasser zudem drei Prozent Arizonastaub als Abrasivmittel enthält.

Die Heißwasserstrahlprüfung mit einem Wasserduck von 100 bar sowie ein Tauchbad für fünf Minuten in 0 °C kaltem Salzwasser aus dem betriebswarmem Zustand simulieren eine Wagenwäsche mit dem Dampfstrahler. Dem Autoleben im Winter entspricht ein Salznebelsprühtest mit sechs Zyklen à acht Stunden mit jeweils vier Stunden Ruhepause. Die Wirkung verdünnter Gase wie Schwefeldioxid, Stickoxid und Chlor bei 75 Prozent Luftfeuchtigkeit überprüft ein 21 Tage dauernder Test.

Wichtig ist hier vor allem, dass die Steckerkontakte nicht korrodieren und der Übergangswiderstand um weniger als 15 Prozent ansteigt.

Die Resistenz gegenüber üblichen Motorchemikalien prüfen Tests bei 80 °C Lagertemperatur in Methanol, Benzin, Diesel, Biodiesel, Scheibenreiniger, Kaltreiniger, Spiritus, Wüstenstaub und Felgenreiniger. Die Wirkung höher siedender Stoffe wie Kühlerfrostschutz, Batteriesäure und Bremsflüssigkeit sowie Motor-, Getriebe- und Hydrauliköl und gängige Unterbodenschutzmittel wird bei 100 oder 125 °C getestet.

Zusätzlich zur Überprüfung der mechanischen Robustheit simuliert der elektrische Funktionstest rund 1,6 Millionen Lenkbewegungen oder 26 Millionen Umdrehungen des Elektromotors. Das System beschleunigt dazu in weniger als 200 Millisekunden auf Solldrehzahl, hält diese Drehzahl für einige Zeit und bremst in weniger als 200 Millisekunden bis zum Stillstand ab. Dabei wird nach jeweils 100.000 Testzyklen von Rechtslauf auf Linkslauf geschaltet.

Andreas Zeiff/bt

FAKTEN

- Die Gleichstrommotoren der Baureihe ECI von EBM-Papst arbeiten nach dem Prinzip des dreiphasigen permanentmagneterregten Synchronmotors in Innenläuferbauweise.

- Die Motoren bestehen aus einem sechsnutigen Stator und vierpoligen Rotor mit konzentrierter Statorwicklung. Eine gezielte Luftspalterweiterung im Rotor reduziert das Motorrastmoment.

Erschienen in Ausgabe: 08/2008