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Eine neue Generation elektro-hydraulischer Servolenkungen

Elektro-hydraulische Lenksysteme sind seit etwa sechs Jahren erfolgreich am Markt etabliert. Die Vorteile liegen zum einen in ihrem modularen Aufbau mit geprüften Einheiten sowie in der vom Verbrennungsmotor unabhängigen und energiesparenden Funktionsweise. Aufgrund strengerer Abgasrichtwerte werden auch an Nebenaggregate weiter steigende Anforderungen an den Energieverbrauch gestellt. Im Rahmen der Fahrsicherheit steigen ebenfalls die Ansprüche an das dynamische Verhalten von Lenksystemen. Dies führt vor allem bei elektro-hydraulischen Lenksystemen zu einem Zielkonflikt. Der Beitrag erläutert die wichtigsten Systemparameter und zeigt anhand einer Produktneuentwicklung von TRW Automotive auf, wie sich niedriger Energieverbrauch und sehr hohe Dynamik vereinbaren lassen.

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Die Autoren 1 Funktionsweise elektrohydraulischer Lenksysteme

Die wesentlichen Bauteile eines elektrohydraulischen Lenksystems sind: ■ Lenkzylinder mit einem auf geringe Volumenströme optimierten Lenkventil ■ Motor-Pumpen-Aggregat (MPA) ■ Lenkratensensor ■ Vorlauf- und Rücklaufleitung. Das Prinzip dieser Lenkungstechnologie besteht darin, dass die Lenkunterstützung bedarfsgerecht gesteuert werden kann, da die hydraulische Druckversorgung (MPA) unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ist. Damit wird ein großes Energieeinsparungspotenzial genutzt (bis zu 80 % gegenüber der konventionellen hydraulischen Lenkung). Zur Bestimmung der Servounterstützung wird die Solldrehzahl des Motor-Pumpen-Aggregates, die den hydr. Volumenstrom bestimmt, aus den Signalen Fahrzeuggeschwindigkeit und Lenkwinkelrate berechnet, Bild 1 (Lenkungskennfeld). Im Allgemeinen wird für steigende Lenkwinkelraten ein wachsender Volumenstrom benutzt. Ferner wird bei kleinen Lenkwinkelraten oder hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten die Solldrehzahl erheblich reduziert, um eine Energieeinsparung zu ermöglichen bzw. ein „direkteres“ Fahrgefühl aufgrund der reduzierten Servounterstützung einzustellen. Das Lenkungskennfeld kann aus Gründen des Fahrgefühls, aus Energieverbrauchsgründen und/oder unter akustischen Gesichtspunkten entsprechend der Kundenwünsche einfach und individuell parametriert werden.

Für kostensensitive Anwendungen besteht ferner die Möglichkeit, das MotorPumpen-Aggregat ohne Lenkratensensor bzgl. seiner Drehzahl zu steuern. Dann wird eine zur Last proportionale Größe verwendet, um das Motor-Pumpen-Aggregat in verschiedenen Modi zu betreiben (Low Speed, High Speed, Ultra High Speed). Bild 2 zeigt eine EPHS-Serienanwendung im Ford Focus mit Angabe der typischen Eckdaten. Bei diesem Lenksystem handelt es sich um ein sogenanntes „Remote-System“, das heißt, das Motor-Pumpen-Aggregat ist im Bereich hinter dem Frontscheinwerfer abseits des eigentlichen Lenkzylinders montiert.

Dipl.-Ing. Alexander Wiertz ist Leiter der Produktentwicklung Elektro-hydraulische Lenksysteme bei der TRW Automotive GmbH in Düsseldorf. Dr.-Ing. Jochen Gessat ist Teamleiter Core Development Elektrohydraulische Lenksysteme bei der TRW Automotive GmbH in Düsseldorf.

2 Anforderungen an heutige Lenksysteme

Pkw-Lenksysteme gehören zu den sicherheitskritischen Fahrwerksteilen und unterliegen besonderen Anforderungen hinsichtlich: ■ Sicherheit: Ein Ausfall der Servounterstützung darf nicht zum Blockieren, Selbstlenken etc. führen. ■ Funktionalität: Hierzu zählen die Sicherstellung eines feinfühligen Lenkgefühls, ein hoher Wirkungsgrad, niedriger Energieverbrauch, Vernetzungsfähigkeit, Riemenantriebsunabhängigkeit etc. ■ Bauraumbedarf: Dieser muss möglichst gering sein. Eine flexible Unterbringungsmöglichkeit ist von Vorteil. ■ Fahrkomfort: Es soll generell die Möglichkeit der Lenkmomentbeeinflussung in Abhängigkeit des Fahrzustandes gegeben sein und ein vertrautes, feinfühliges Lenk-

gefühl realisiert werden. Ferner dürfen keine störenden Nebengeräusche auftreten. ■ Wirtschaftlichkeit: Aufgrund der in der Automobilindustrie realisierten hohen Stückzahlen müssen niedrigstmögliche Kosten erzielt werden. Neben den oben genannten grundsätzlichen Vorgaben an ein Lenksystem treten jüngst zwei Anforderungen verstärkt in den Vordergrund, die einen Zielkonflikt darstellen können: ■ geringer Energieverbrauch als Beitrag zur Kraftstoffverbrauchsminderung und Reduktion aller relevanten Emissionen (insbesondere CO2) ■ hohe Dynamik zur Erzielung verbesserter Fahrdynamik insbesondere in kritischen Situationen (etwa Ausweichmanöver im Stadtverkehr).

1 Funktionsweise elektro-hydraulischer Lenksysteme

Bild 1: Links: Funktionsweise von EPHS (Electrically Powered Hydraulic Steering / elektro-hydraulisches Lenksystem), rechts: Lenkungskennfeld zur Drehzahlsteuerung (beziehungsweise Volumenstromsteuerung) des Motor-Pumpen-Aggregates (Beispiel Gen C mit 1,9 cm3 Pumpe) Figure 1: Working principle of EPHS (Electrically Powered Hydraulic Steering), steering map for speed demand of MPU (Motor Pump Unit), (Example Gen C with 1.9 cm3 Pump)

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1 Funktionsweise elektro-hydraulischer Lenksysteme

Bild 2: Beispiel Ford Focus-C-Max-Serienanwendung, EPHS Generation B (68-B) Figure 2: Example of Ford Focus C-Max series application, EPHS Generation B (68-B)

Die Leistungsaufnahme eines EPHS, das heißt, der Strom am MPA-Stecker, steigt progressiv mit wachsendem Stand-by Volumenstrom, der wiederum linear von der Drehzahl abhängig ist (Konstant-Pumpe). Daher liegt der Grund für den oben genannten Zielkonflikt darin, dass die auf Volumenstrom- bzw. Drehzahlreduzierung basierende Energieeinsparung nicht zulasten der Fahrsicherheit gehen darf, wenn zum Beispiel in einer Ausweichsituation plötzlich ein sehr hoher Kolbenvolumenstrom am Lenkzylinder gefordert wird. Das Motor-Pumpen-Aggregat muss dann in einem sehr kurzen Zeitintervall (Δt < 100 ms) auf seinen maximalen Volumenstrom beschleunigen können. 3 Systemauslegung und dynamisches Verhalten

Nachfolgend wird anhand von Simulationsergebnissen der Weg von der stationären Systemauslegung zur dynamischen Betrachtung des Lenksystems beschrieben und die verbesserten Eigenschaften der neuen EPHS Generation (GEN C) werden erörtert [1]. 3.1 Stationäre Systemauslegung

Die Aufgabe der Systemauslegung besteht darin, den Zusammenhang zwischen maximal erreichbarer Zahnstangenkraft und Lenkwinkelgeschwindigkeit zu ermitteln. In der linken Bildhälfte von Bild 3 ist die Systemgrenze des elektro-hydraulischen Lenksystems mit den Ein- und Ausgangsgrößen dargestellt. Die rechte Bildhälfte zeigt die prinzipielle Vorgehensweise, die in zwei Schritten erfolgt:

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1. Aus der elektrischen Eingangsleistung am Motor-Pumpen-Aggregat (Strom und Spannung am MPA-Stecker) wird die hydraulische Ausgangsleistung (Druck und Volumenstrom) generiert. Wichtig ist insbesondere die Vereinbarung der elektrischen Leistungszuführung, das heißt, welcher Strom steht bei welcher Spannung an welchem Übergabepunkt zur Verfügung. Je nach Anwendung müssen Kabellängen, Steckerwiderstände oder Ähnliches berücksichtigt werden. 2. Aus der hydraulischen Ausgangsleistung (Druck und Volumenstrom) wird unter Berücksichtigung des (geringen) Anteils, den der Fahrer mechanisch am Lenkrad einsteuert, die mechanische Ausgangsleistung an der Zahnstange berechnet. Die korrespondierenden Arbeitspunkte des MPA- und des Lenksystemleistungsdiagramms sind farblich gekennzeichnet. Bild 4 zeigt ein Berechnungsbeispiel zweier Motor-Pumpen-Aggregate mit identischer Maximalleistung (695.6 W), die sich aber hinsichtlich ihrer Maximaldrehzahlen unterscheiden. Damit kann die mechanische Ausgangsleistung bzw. die Zahnstangenkraft als Funktion der Lenkwinkelgeschwindigkeit dargestellt werden. Hier sind wiederum die beiden MotorPumpen-Aggregate gleicher Maximalleistung in zwei sonst identischen Lenksystemen verwendet worden. Daher laufen die Kurven der mechanischen Leistung bzw. die Zahnstangenkraft als Funktion der Lenkwinkelrate bis zu einer bestimmten Lenkwinkelrate (900 °/s) deckungsgleich. Für größere Lenkwinkelraten ist lediglich das mit dem Motor-Pumpen-Aggregat mit höherer Endrehzahl (5500 /min, siehe Le-

gende) ausgestattete Lenksystem in der Lage, eine große mechanische Lenkleistung abzugeben. Die beschriebene Vorgehensweise kann auch in umgekehrter Reihenfolge durchschritten werden, um zum Beispiel die hydraulische Kennlinie für ein Motor-Pumpen-Aggregat oder die Drehmomentkennlinie für den Elektromotor zu bestimmen. Bei der Entwicklung der Generation C haben dabei Fahrzeugmessungen (Kraft, Lenkwinkelgeschwindigkeit) für unterschiedliche Fahrmanöver eine wichtige Rolle gespielt, um in bestimmten Lastbereichen Verbesserungen der Lenkleistung zu erzielen. 3.2 Dynamische Betrachtung anhand eines Ausweichmanövers

Eine umfassende Bewertung des Systemverhaltens muss das dynamische Verhalten einbeziehen, da eine Betrachtung des stationären Systemverhaltens allein keine ausreichende Differenzierung ermöglicht wie am Beispiel der beiden in Bild 4 betrachteten Lenksysteme deutlich wird, die eine identische (stationäre) Lenkleistung bis zirka 900 °/s ermöglichen. In einem dynamischen Lenkvorgang wird in der Regel von Null ausgehend auf eine hohe Lenkwinkelrate gelenkt. Es spielen dann eine Reihe von Trägheitseffekten sowie die Steuerung des Motor-PumpenAggregates eine wichtige Rolle für das Dynamikverhalten. Wichtige Einflüsse sind dabei: ■ Das Motor-Pumpen-Aggregat muss von Stand-by auf seine maximale Drehzahl hoch laufen (insbesondere mechanische Trägheit des Elektromotors).

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■ Es wird ein Teil des Volumenstroms zur Expansion der Schläuche verbraucht und steht nicht als Nutzvolumenstrom zur Verfügung. ■ Das Ventil ist nicht in einer festen Position, sondern ändert seine wirksamen Steuerquerschnitte während des Lenkvorgangs. ■ Es gibt Verzögerungszeiten innerhalb der Signalverarbeitung (in der Regel klein gegenüber mechanischen Zeitkonstanten).

Um diese Effekte zu berücksichtigen, wird ein Lenksystemmodell verwendet, das alle relevanten Komponenten beinhaltet, Bild 5. Diese sind insbesondere: ■ hydraulische Kapazitäten, Abbildung der Hydraulikleitungen ■ mechanische Trägheit des Motor-Pumpen-Aggregates ■ Lenkungskennfeld ■ Signalverarbeitungszeit.

Als Eingangsgrößen stehen das Lenkmanöver, das heißt der Lenkwinkel oder die Lenkwinkelgeschwindigkeit als Funktion der Zeit, und die Zahnstangenkraft als Funktion des Hubes zur Verfügung. Mit dem Lenkwinkel als Funktion der Zeit entsteht daraus die Zahnstangenkraft als Funktion der Zeit, siehe Bild 5 oben rechts. Das Eingangssignal der Lenkwinkelgeschwindigkeit erreicht sein Maximum bei

3.1 Stationäre Systemauslegung

Bild 3: Systemgrenze (links), von der hydraulischen Ausgangsleistung des MPA zur mechanischen Ausgangsleistung des Lenksystems (rechts) Figure 3: System boundaries (left), from the hydraulic output power of the MPU to the mechanical output power of the steering system (right)

Bild 4: Berechnungsbeispiel – Vergleich zweier MPA mit unterschiedlicher Maximaldrehzahl und identischer Maximalleistung Figure 4: Calculation example - comparison of two MPU with different maximum speed and identical maximum power

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Lenkung

3.2 Dynamische Betrachtung anhand eines Ausweichmanövers

Bild 5: Berechnung eines dynamischen Lenkmanövers, Parameter, Eingangs- und Ausgangsgrößen Figure 5: Calculation of a dynamic steering maneuver, parameters, input and output variables

800 °/s. Mit einer maximalen Kraft von Fmax = 4.5 kN entspricht dies einer geforderten mechanischen Leistung von zirka 500 W an der Zahnstange. Zur Bewertung der Lenksystemperformance wird das maximale Drehmoment, das der Fahrer aufzubringen hat, herangezogen, Bild 5 oben links. Für ein Berechnungsbeispiel werden wiederum die Lenksysteme gleicher Maximalleistung benutzt (Motor-Pumpen-Aggregate mit gleicher Maximalleistung, aber unterschiedlichen Maximaldrehzahlen). In dieser Parameterstudie werden neben den Enddrehzahlen, die Startdrehzahl sowie das Motorträgheitsmoment variiert. Bild 6 zeigt zusammenfassend eine Auswertung hinsichtlich des maximalen Lenkraddrehmomentes bei einem Ausweichmanöver.

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Als Referenz wurde hier ein Außenläufer-Elektromotor mit hoher mechanischer Rotorträgheit herangezogen (linker Balken). Die wichtigsten Aussagen sind: ■ Mit Hilfe eines neuen Motorkonzeptes (Innenläufer, Generation C) kann die Zeitkonstante erheblich reduziert werden, so dass zirka 10 Nm weniger Drehmoment am Lenkrad benötigt werden. ■ Wird zusätzlich die Enddrehzahl erhöht, ergibt sich eine weitere deutliche Absenkung des maximalen Lenkraddrehmomentes, da mehr hydraulische Leistung im unteren Druckbereich (bis 40 bar) zur Verfügung steht. ■ Ist die Dynamik des Elektromotors ausreichend hoch, so kann ohne Nachteile die Startdrehzahl erheblich abgesenkt werden,

was zur Energieverbrauchseinsparung genutzt werden kann. 4 Vorteile und Eigenschaften der neuen Generation C

Die erläuterten Systemeigenschaften sind in der Produktneuheit – Generation C – umgesetzt worden. Neu sind dabei der hochdynamische Elektromotor (Innenläufer) mit sensorloser Steuerung sowie die hohe Integration der hydraulischen Bauelemente. Dies führt zu einer Reihe von Vorteilen, die nachfolgend erörtert werden. 4.1 Verbesserte Fahrsicherheit

Das Innenläuferkonzept des neuen Elektromotors mit verbesserter Motorsteuerung

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bedeutet eine signifikante Reduktion der Antwortzeit im Falle einer Drehzahlanforderung von Stand-by auf Maximalgeschwindigkeit, wie dies in Ausweichmanövern gefordert wird. Dies führt zu der bereits erwähnten Reduktion des erforderlichen maximalen Drehmomentes am Lenkrad. Die das Lenksystem betreffenden dynamischen Anforderungen, wie sie mit Hilfe der Simulation erörtert wurden, können auf einen Komponententest überführt werden. Die in Bild 6 mit laufender Zeit steigende Kraft und Lenkwinkelgeschwindigkeit können in die hydraulischen Größen Druck und Volumenstrom übersetzt werden. Der äquivalente Lastwiderstand wird dann von einer Blende repräsentiert (Wurzelförmiger Zusammenhang zwischen Druck und Volumenstrom). Im Versuch wird die Sprungantwort gegen diesen Lastwiderstand gefahren und die Zeitspanne gemessen, nach der zum Beispiel 90 % der Volumenstromdifferenz zwischen Start- und Endwert erreicht sind. Bild 7 zeigt den Vergleich der Antwortzeiten zwischen der Neuentwicklung und dem Serienprodukt (62 ms Generation C vs. 228 ms Generation B). Die erhöhte Enddrehzahl, d. h. erhöhter maximaler Volumenstrom, bringt ferner den Vorteil eines reduzierten Lenkraddrehmomentes bei einem sehr schnellen Umlenkmanöver, wie es beispielsweise der VDA Spurwechseltest erfordert [1]. 4.2 Energieverbrauch

Zur Beurteilung des Energieverbrauchs muss die Leistungsaufnahme anstelle des Wirkungsgrades betrachtet werden, da überwiegend sehr geringe Lenkleistung verlangt wird [2], [3]. Da die Systemverluste progressiv mit wachsendem Volumenstrom steigen, ist der Betrieb bzw. die Systemauslegung auf niedrigen Volumenstrom generell günstig. Aufgrund des hochdynamischen Elektromotors besteht die Möglichkeit, die Grunddrehzahl ohne Verluste fahrdynamischer Ansprüche stark abzusenken. Damit ergibt sich eine Energieeinsparung von über 80 % gegenüber einer konventionellen hydraulischen Lenkung, Tabelle 1. Der für Gen C angegebene Stromverbrauch von I = 2 A im Lenksystem bezieht sich auf einen Stand-by Volumenstrom von 2.4 l/min. Eine weitere Drehzahlabsenkung führt zu einem Stromverbrauch von unter 1 A bei 1.5 l/min (zirka 1000/min bei Verwendung einer 1.5 cm3 Pumpe). 4.3 Lenkmomentbeeinflussung

Bei hydraulischen Lenksystemen hängt die Servounterstützung von dem durch das

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Lenkventil hindurchgehenden Volumenstrom ab. Die bei der neuen Generation realisierte Drehzahlspreizung, (= Volumenstom-Bandbreite) ist erheblich erweitert worden, Bild 8. Damit ergibt sich automatisch eine größere Drehmomentspreizung, was zur Gestaltung des Fahrgefühls (Lenkungskennfeld) oder für Komfort- und Sicherheitsoptionen genutzt werden kann. Zu den Komfortoptionen gehören insbesondere:

■ Größerer nutzbarer Lenkmomentbereich (Spreizung 1 Nm bis 5 Nm) für den Fahrbetrieb (SpeedPro), Realisierung eines kleinen Parkiermomentes (bis 3.2 Nm) ■ Unterstützung individueller, wählbarer Fahrzeugabstimmungen (Komfort, Standard, Sport), sogenannte Personalisierung [4]. Neben der Reduzierung des Kraftaufwandes bei Ausweichmanövern wie oben beschrieben (Anreißen des Lenkrades) kann

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3.2 Dynamische Betrachtung anhand eines Ausweichmanövers

durch schnelle Drehzahländerung die hydraulische Unterstützung stark verändert werden, was als haptisches Feedback in Form einer wahrnehmbaren Lenkmomentänderung genutzt werden kann [4] 4.4 Leistungsspektrum

Bild 6: Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse (Lenkgetriebe: 50 mm/U, 845 mm2, Schlauchdehnung 27 % bei 75 bar) Figure 6: Summary of calculation results (steering gear: 50 mm/rev, 845 mm2, hose expansion 27 % at 75 bar)

4.1 Verbesserte Fahrsicherheit

Zur Bedienung der Fahrzeugsegmente bis hin zum C/D/Mini-Van-Segment wurden vier Leistungsklassen entsprechend der hydraulischen Ausgangsleistung definiert: ■ 580 W / 58-C / Imax = 85 A ■ 650 W / 65-C / Imax = 85 A ■ 710 W / 71-C / Imax = 85 A ■ 830 W / 83-C / Imax = 99 A. Mit der höchsten Leistungsstufe wird eine neue Klasse von EPHS eröffnet, mit der auch Vorderachslasten bis zu 1.4 t bedient werden können. Für noch höhere Leistungsanforderungen besteht die Möglichkeit, ohne große Änderungen rein hydraulische Systeme kompatibel innerhalb einer Plattform einzusetzen. 4.5 Einbau

Das Gewicht (< 4.5 kg) und der Bauraumbedarf der Generation C sind gegenüber bestehenden Anwendungen reduziert worden. Neben der flexiblen Unterbringungsmöglichkeit im Motorraum ist die Einbaulage frei wählbar (horizontal oder vertikal). 5 Zusammenfassung

Bild 7: MPA Test – Hochrampen gegen hydraulischen Lastwiderstand, Generation C vs. Generation B Figure 7: MPU ramp up test against hydraulic load, Generation C vs. Generation B

4.2 Energieverbrauch Tabelle 1: Energieverbrauch und CO2-Emissionen (ECE-Test) Table 1: Energy consumption and CO2 emission (ECE Test)

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Elektro-hydraulische Lenksysteme haben mittlerweile eine feste Marktposition erreicht. Ihre Vorteile sind das gute Kosten/Nutzenverhältnis insbesondere in Bezug auf fahrdynamische Ansprüche und die Nutzbarmachung eines Energieeinsparungspotenzials. Den gestiegenen Anforderungen bzgl. der Fahrdynamik und bzgl. des Energieverbrauchs wird durch eine Produktneuheit – Generation C – Rechnung getragen. Mit Hilfe von Systemauslegungsbetrachtungen wurde deutlich gemacht, dass zur Verbesserung der Lenksystemperformance in Ausweichsituationen neben einem hochdynamischen Elektromotor eine Leistungsanhebung im unteren Lastbereich notwendig ist und dass dies nicht zwangsläufig die Erhöhung der Maximalleistung bedeutet. Das neue Motor-Pumpen-Aggregat erlaubt eine erheblich kleinere Grunddrehzahl (bzw. Stand-by Volumenstrom), so dass ein Energieeinsparungspotenzial in der Größenordung von elektromechanischen Lenkungen genutzt werden kann. Unter Beibehaltung der bei hydraulischen Lenksystemen bekannten Merkmale des guten Lenkgefühls und des hohen Sicherheitsstandards wird die Anwendung von

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4.3 Lenkmomentbeeinflussung

Bild 8: Lenkungskennfelder zur Definition des Lenkgefühls, Generation C vs. Generation B Figure 8: Steering maps (definition of steering feel), Generation C vs. Generation B

EPHS auf schwerere Fahrzeugklassen erweitert. Der Serienstart der Generation C bei TRW erfolgt 2006. Literaturhinweise [1]

[2]

[3]

[4]

Dynamisches Verhalten von elektro-hydraulischen Lenksystemen, Gessat-J, Simulation in der Fahrzeugdynamik, Seminar im Haus der Technik, 10./11. Mai 2005, Essen Energy Consumption of Electro-Hydraulic Steering Systems, Peter E. Pfeffer, D. Nigel Johnston, Matija Sokola, Univ. of Bath; Manfred Harrer, BMW Group SAE 2005 World Congress & Exhibition, April 2005, Detroit, MI, USA Energiesparende hydraulische Lenksysteme, Wiertz-A, Gessat-J, Pkw-Lenksysteme, Seminar im Haus der Technik, Essen, 26./27. April 2005 Vorteile der EHPAS gegenüber der HPAS Technologie aus Sicht des Fahrzeugherstellers, Urhahne-J (Ford AG), Gessat-J (TRW); Müller-J (TRW) Pkw-Lenksysteme, Seminar im Haus der Technik, ‚Essen, 26./27. April 2005

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