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Um den Fahrer zu entlasten, kommen in Bau- und Landmaschinen hydrostatische Lenkungen zum Einsatz. - Bild: © hppd - Fotolia.com

Da es beim Ausfall der Lenkung zu potenziell gefährlichen Situationen kommen kann, steigen auch die Sicherheitsanforderungen an derartige Lenksysteme. Was bei der Entwicklung beachtet werden muss.

Bei der Entwicklung einer elektrohydraulischen Überlagerungslenkung für Traktoren müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. So muss das Lenksystem alle Sicherheitsmerkmale erfüllen, die eine Straßenzulassung bis zu einer Maximalgeschwindigkeit von 60 km/h ermöglichen. Fehler im elektrohydraulischen Teil konventioneller Überlagerungslenkungen, die mit einem 4/3- Wegeventil ausgestattet sind, sind meistens sicherheitskritisch. Daher sind aktive Lenksysteme bisher auf den Off-Road-Einsatz beschränkt. Um Überlagerungslenkungen auch in anderen Bereichen einsetzen zu können, werden individuell steuerbare Zu- und Ablaufventile eingeplant. Aufgrund dieser Ansteuerstrategie ist es möglich, Einzelfehler innerhalb des Systems zu verhindern beziehungsweise die Auswirkungen zu reduzieren. So werden Lenkassistenzfunktionen auch für die Straßenfahrt nutzbar.

Systemstruktur und Modellvalidierung

Darstellung des Verhaltens im Fehlerfall
Darstellung des Verhaltens im Fehlerfall eines konventionellen Überlagerungslenksystems und einer Überlagerungslenkung in aufgelöster Bauweise.

Da mobile Arbeitsmaschinen in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, gibt es vielfältige sicherheitskritische Betriebszustände. Mit der Einführung elektrohydraulischer Stellgrößen kommt es außerdem zu neuen Ausfall- und Fehlerszenarien. Um den Überblick bei der steigenden Systemkomplexität zu behalten, unterstützt die Systemsimulationssoftware SimulationX Konstrukteuren bei der Entwicklung. Basis für die Entwicklung ist ein komplexes physikalisches Gesamtmodell des Lenksystems, der Maschinenumgebung und der umgebenden Prozessbedingungen.

Das Lenksystem besteht aus einem konventionellen Lenkventil mit parallel angeordneter Ventilarchitektur. Das Lenkventil (LAG) ist ein Drehschieberventil und sorgt sowohl für die Dosierung als auch die Steuerung des Lenkvolumenstroms. Durch eine interne hydraulisch-mechanische Folgeregelung stellt sich ein Volumenstrom proportional zur Lenkraddrehzahl ein. Bei Ausfall der Hydraulikversorgung kann mit Hilfe des Lenkventils ein Notlenkbetrieb aufrechterhalten werden.

Überlagerungslenkung
Aufbau der elektrohydraulischen Überlagerungslenkung. - Bild: TU Dresen

Die Ventilstruktur in aufgelöster Bauweise umfasst vier elektrohydraulische 2/2-Proportional-Wegeventile und dient der Überlagerung des LAG-Volumenstroms. Ein Steuergerät (ECU) wertet Lenkrad- und Radwinkel aus und generiert anhand definierter Lenkfunktionen die Stellwerte der Zu- und Ablaufventile. So wird beispielsweise eine geschwindigkeitsabhängige Lenkverstärkung realisiert, die einen guten Geradeauslauf bei hohen Geschwindigkeiten sowie ein komfortables Handling bei langsamer Fahrt ermöglicht. Die in der ECU hinterlegten Ansteueralgorithmen laufen auf einer Soft-SPS und können über eine Co-Simulation mit dem hydraulisch-mechanischen Systemmodell interagieren. Über ein Schaltventil kann die Überlagerung zu- und abgeschaltet werden. Die für das Lenksystem wichtigen Prozessgrößen werden mit Hilfe verschiedener fahrdynamischer Modelle abgebildet. Über die Lenkkinematik, die als Mehrkörpermodell in der Simulationsumgebung integriert ist, wirken sich diese Umgebungseinflüsse auf das elektrohydraulische Lenksystem aus.

Mit Hilfe eines Prüfstandes, an dem das Lenksystem in der realen hydraulisch-mechanischen Maschinenumgebung erprobt werden kann, erfolgt die Validierung des Simulationsmodells. Der am Prüfstand aufgeprägte Lenkzyklus dient dabei als Eingangsgröße für die Simulation. Dabei zeigen die simulierten und gemessenen Verläufe ein nahezu identisches Systemverhalten. Dies gilt sowohl für die sich einstellende Lenkbewegung als auch für die gemessenen Drücke. Das Simulationsmodell bildet die Realität gut ab und wird für weiterführende Untersuchungen herangezogen.