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Lager Ein besseres Lenkgefühl dank spezieller Verbundlager

| Autor/ Redakteur: Alfred Lethbridge / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Brummt oder vibriert das Lenkrad im Fahrzeug, ist das gute Lenkgefühl dahin. Unter Automobilisten absolut verpönt – deshalb müssen Komponenten her, die dies vermeiden.

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Werden in der Entwurfsphase keine Maßnahmen ergriffen, kann das Lenkrad vibrieren, während das Fahrzeug in Bewegung ist. Dies führt zu hör- und spürbaren Schwingungen, die der Fahrer als unangenehm empfinden kann.
Werden in der Entwurfsphase keine Maßnahmen ergriffen, kann das Lenkrad vibrieren, während das Fahrzeug in Bewegung ist. Dies führt zu hör- und spürbaren Schwingungen, die der Fahrer als unangenehm empfinden kann.
(Bild: Saint-Gobain)

Lärm und Vibration sind Schlüsselfaktoren, mit denen Fahrer die Qualität ihres Fahrzeugs bewerten. Rasseln, Quietschen und Vibrationen können sich negativ auf die Wahrnehmung auswirken. Deshalb sollten OEM-Hersteller die Geräusch-, Vibrations- und Rauhigkeitseigenschaften (NVH = noise, vibrations & harshness) jeder Komponente des Fahrzeugs richtig einstellen.

Nirgends spielen die NVH-Werte und ihre Auswirkung auf die Markenwahrnehmung eine größere Rolle als beim Lenkgefühl. Wenn in der Entwurfsphase keine Maßnahmen ergriffen werden, kann das Lenkrad vibrieren, während das Fahrzeug in Bewegung ist. Dies führt zu hör- und spürbaren Schwingungen, die der Fahrer als unangenehm empfinden kann.

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An der Zahnstange montierte elektrische Servolenkung

Die Hersteller großer Luxusfahrzeuge verwenden oft eine an der Zahnstange montierte elektrische Servolenkung (R-EPS = steering rack mounted electric power steering) als Ideallösung zur Behebung des NVH-Problems und zur Optimierung des Lenkgefühls. Aufgrund der hohen Kosten dieser Komponenten ist diese Lösung allerdings keine Option für Kleinwagen des A- und B-Segments.

Die in der Lenksäule montierte elektrische Servolenkung (C-EPS = column mounted electric power steering) ist bei diesen Fahrzeugen der häufigste Servolenkungstyp. Sie ist weitaus kosteneffizienter als R-EPS, da sich der Elektromotor hinter der Spritzwand weitaus näher am Lenkrad und dem Fahrer befindet. Somit muss der Elektromotor nicht den hohen Temperaturen des Motorraums standhalten und kann aus leichteren und kostengünstigeren Materialien in ebenso kostengünstigeren Verfahren hergestellt werden. Allerdings kann diese Lösung in einigen Fällen ein Schwingen im Lenkrad erzeugen, was sich ungünstig auf die Qualitätswahrnehmung der Marke auswirken kann. Dies wirft die Frage auf: „Wie können NVH-Probleme kosteneffizient gelöst und lästige Lenkradschwingungen vermieden werden?“

Die Quelle der Schwingungen finden

Der erste Schritt zur Lösung dieses Problems ist es, zu verstehen, was C-EPS ist und wie es funktioniert. Im Großen und Ganzen liegt seine Hauptfunktion darin, den Kraftaufwand des Fahrers beim Drehen des Lenkrads zum Bewegen der Räder zu reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass die passende Menge an zusätzlichem Drehmoment in Abhängigkeit des Eingangsdrehmoments vom Lenkrad erzeugt wird.

Für das richtige Gleichgewicht ist es wichtig, das Eingangsdrehmoment zu messen. Hierzu muss das Zusammenspiel mehrerer Bestandteile der Lenksäule berücksichtigt werden. Einer dieser Bestandteile ist der Bereich der Lenksäule, der sich vor dem Motor befindet. Dieser ist zweigeteilt und wird durch einen kleineren, flexibleren Schaft verbunden, auch „Hohlwelle“ oder „Torsionsstab“ genannt. Die Hohlwelle ist klein genug, dass sie sich unter den entgegengesetzten Kräften der oberen und der unteren Säule dreht. Während die obere Säule durch den Fahrer gedreht wird, hält die untere Säule der Bewegung aufgrund der Reibung zwischen den Reifen und der Straßenoberfläche stand. Diese Funktion hat den Vorteil, dass sie eine messbare Verlagerung ermöglicht, womit das richtige, vom Elektromotor zu erzeugende Drehmoment berechnet werden kann.

Problem: Nadellager stellt Metall-auf-Metall-Kontakt her

Damit der obere und der untere Teil der Säule auf diese Weise übereinander gleiten können, müssen sie von einem Lager getrennt werden. Hierzu wird üblicherweise ein Nadellager verwendet, welches einen Metall-auf-Metall-Kontakt herstellt. Genau dieser Metall-auf-Metall-Kontakt ist es, der das Schwingen erzeugt. Denn die Vibrationen der Straße und der Zahnstange können sich über die Säule und durch die Servolenkung ausbreiten.

Ein anderes Problem, das aus diesem Kontakt entstehen kann, ist die Schwingungskorrosion (Brinelling). Dies kann ungenaue Drehmomentmessungen verursachen und dadurch das Ansprechen der Steuerung negativ beeinflussen. Um dies zu vermeiden, muss die Welle hitzebehandelt und so die Härte erhöht werden. Dies jedoch führt wiederum zu höheren Kosten. Wie also können die NVH-Wahrnehmung und der resultierende Negativeffekt auf das Fahrgefühl verhindert werden?

Lösung: Verbundlager verwenden

Der Schlüssel liegt darin, einen Weg zu finden, den Metall-auf-Metall-Kontakt zu vermeiden, indem beispielsweise Verbundlager verwendet werden. Anstelle der Wälzkörper des Nadellagers verfügen Verbundlager über eine Gleitschicht aus Polymeren, zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE). Da diese Verbindung das Problem der Schwingungskorrosion löst, ist kein kostspieliges Härten mehr notwendig und es wird für eine Schwingungsdämpfung innerhalb des Systems gesorgt.

Die Leistung solcher PTFE-Verbundlager in C-EPS-Systemen wurde in ausgiebigen Geräuschmessungen in einem Akustiklabor ermittelt. Diese schaffen Umgebungen mit einem vernachlässigbaren Hintergrundrauschen was eine genaue Messung der hör- und spürbaren Lenksäulenschwingung ermöglicht, während sich das Fahrzeug in Betrieb befindet.

Schalldruckminderung dank PTFE-Verbundlager

Das Ergebnis eines aktuellen Tests von Saint-Gobain an seinem Norglide-SM075CG-PTFE-Verbundlager im Vergleich mit einem Nadellager zeigt, dass es während der Rotationsanregung der Lenksäule zu einer klaren Schalldruckminderung des Getriebezahnklapperns von fast 8 dB(A) kommt. Für den Kunden würde dies eine signifikante Verringerung der hör- und spürbaren Lenksäulenschwingung bedeuten – was die Qualitätswahrnehmung des Fahrzeugs deutlich verbessert.

Verbundlager bieten Fahrzeugherstellern noch weitere Vorteile, vor allem wenn es um den Einbauprozess geht. Sie helfen, Toleranzwerte von Gegenstücken zu kompensieren, sodass beispielsweise der Bedarf an einer kostspieligen Präzisionsgrundfläche an der Welle entfällt.

Bestmögliches Fahrgefühl erwünscht

Unabhängig von ihrem Budget ist es Autofahrern wichtig, dass ihr Fahrzeug das bestmögliche Fahrgefühl bietet. Nirgends ist dies wichtiger als beim Lenkgefühl – da die Hände des Fahrers die meiste Zeit während der Fahrt am Lenkrad sind. Ein übermäßiges Vibrieren wird sofort bemerkt.

Neuartige Lösungen, wie PTFE-basierter Verbundlager anstelle von konventionellen Alternativen, können Herstellern helfen, Geräusche und Vibrationen im Fahrzeuginnenraum zu reduzieren, sodass auch Fahrer von Kleinwagen ein gutes Lenkgefühl haben. Im Falle des Lenksystems funktioniert dies ohne jegliche Umgestaltung. Solche kleinen Veränderungen können einen großen Unterschied bei der Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs machen, mit Langzeitvorteilen für das Geschäft des OEM-Herstellers.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

* Alfred Lethbridge ist PhD NVH-Ingenieur bei Saint-Gobain.

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