Von gestern bis heute

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1 Industrie K u p p l u n g e n u n d B r e m s e n Dr.-Ing. Thomas Leiber ist Geschäftsführer der LSP Innovative Automotive Systems GmbH in Unterföhring. Dipl.-Ing. (FH) Christian Köglsperger ist Leiter Entwicklung Antriebs- und Regelsysteme bei der LSP Innovative Automotive Systems GmbH in Unterföhring. Dipl.-Ing. Valentin Unterfrauner ist Leiter Konstruktion Mechatronik bei der LSP Innovative Automotive Systems GmbH in Unterföhring. 466 autoren Von gestern bis heute Schon 1936 gab es von Bosch ein Patent [1] auf eine Vorrichtung zum Verhüten des Festbremsens der Räder eines Kraftfahrzeugs, also ein erstes Antiblockiersystem (ABS). Das heute weltweit eingesetzte ABS wurde 1965 erfunden und 1995 mit dem Fahrdynamikregelungssystem ESP erweitert. In einer Baueinheit sind Ventilblock, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (EC-Motor), Bremsflüssigkeitspumpe, 8 bis 12 Magnetventile, Speicher und Druckmessgeber (DG) mit dem elektronischen Steuergerät (ECU) zusammengefasst und separat zum Bremskraftverstärker (BKV) im Motorraum verbaut. Konzepte, bei denen die gesamte Hydraulik funktion inklusive BKV integriert ist, waren in den 1980er-Jahren am Markt, konnten sich aber aus Kostengründen nicht durchsetzen [2, 3]. Durch die Optimierung der Verbrennungs motoren benötigt heute nicht nur der Dieselmotor eine Vakuumpumpe für den BKV [4]. Auch bei Hybridantriebsfahrzeugen muss diese elektrisch angetrieben sein genügend Motivation für das neue Konzept eines integrierten BKV-Systems mit ABS/ESP-Funktion, wie es das Unternehmen LSP Innovative Automotive Systems mit dem neuen integrierten modularen Bremssystem (IBS) umgesetzt hat. Das Titelbild zeigt die erheblichen Vorteile des IBS im Vergleich mit einem System des heutigen Stands der Technik hinsichtlich Bauvolumen, Gewicht und Einbauaufwand, wobei zusätzlich die Funktionalität herausragend ist. Funktionsweise 1 zeigt, das konventionell und auch bei der EHB, je Radbremse ein Einlass- (EV) und ein Auslassventil (AV) zur Druckmodulation verwendet werden, 1 (oben). Der Druckabbau erfolgt in die Speicherkammer (SpK). Die Rückförder(RF)-Pumpe fördert das entsprechende Volumen zum Hauptzylinder (HZ) zurück, was zum bekannten pulsierenden Pedal führt. Die Ventilsteuerung geschieht über eine aufwendige und eingeschränkt genaue Zeitsteuerung, wie folgt: Regelventile mit Drossel bestimmen den Druckgradienten (Fahrzeuganpassung). Die Druckänderung Δp erfolgt über die Zeitsteuerung Δt von den Magnetventilen (MV).

2 Modulares Bremssystem mit integrierten Funktionen Seit Ende der 1970er-Jahre sind Antiblockiersysteme und seit den 1990ern ESP-Systeme am Markt, um das Bremsverhalten und die Fahrdynamik von Fahrzeugen zu verbessern. Mit dem neuen integrierten modularen Bremssystem (IBS) von LSP Innovative Automotive Systems ist es möglich, solche Systeme kompakter, leichter und einfacher aufzubauen. Eine sehr genaue Drucksteuerung ist realisierbar. Aufwendige Simulationsmodelle für die PWM-Steuerung; diese ist nichtlinear und abhängig von Spulentemperatur (Bestromung der Spulen), Druckänderung Δp, Viskosität (Temperatur) und Toleranzen in den MV sowie vom Druckniveau. Beim neuen IBS, 1 (unten), bewegt der EC-Motor über eine Spindel den HZ-Kolben, welcher das Volumen zum Druckaufbau und -abbau zu den Radzylindern (RZ) fördert. Zwischen HZ und jedem RZ ist ein Schaltventil (SV) angeordnet, welches zur Drucksteuerung geschaltet wird. Hierbei können die RZ-Drücke nacheinander (sequentiell), aber auch gleichzeitig (simultan) gesteuert werden. Das IBS hat folgende Merkmale: ein Schaltventil ohne Drossel, das heißt der EC-Motor mit Kolbensteuerung, bestimmt den Druckgradienten hohe Druckab- und -aufbaugradienten möglich individuelle Fahrzeuganpassung erfolgt über die Software. Der große Unterschied in der Drucksteuerung des IBS zu konventionellen Systemen besteht darin, dass die beim IBS vom ABS-Regler vorgegebene Druckänderung über eine Druck-Volumen-Kennlinie gesteuerte Positionsregelung des HZ-Kolbens umgesetzt wird. Somit ist eine sehr genaue Drucksteuerung möglich, bei der zusätzlich der Druckgradient um Faktoren größer gewählt werden kann als bei konventionellen Systemen. 1 Drucksteuerung des neuen integrierten modularen Bremssystems IBS (unten) im Vergleich mit einem herkömmlichen ABS- ESP-System (oben) Regelung mehrerer Radbremsen 2 zeigt schematisch den Systemaufbau für die Drucksteuerung der Radbremsen im IBS. Ein hoch dynamischer EC-Motor bewegt den HZ-Kolben für die sequentielle radindividuelle Drucksteuerung. Die- 06I Jahrgang 467

3 Industrie K u p p l u n g e n u n d B r e m s e n 2 Grundlagen der hoch dynamischen Drucksteuerung (HDS) ses sogenannte Multiplex-Verfahren wurde in den 1980er-Jahren mit hydraulischen und pneumatischen Verstärkern untersucht. Geräuschprobleme, nicht ausreichende Dynamik und die fehlende Möglichkeit des simultanen Druckabbaus ließen beide Ansätze scheitern. Im Teil rechts oben von 2 ist die Systemdynamik gezeigt, wobei der Motor in weniger als 4 ms 2000/min Drehzahl und in wenigen Millisekunden die Drehzahlumkehr erreicht. Die Drücke in HZ und RZ zeigen die entsprechend hohe Dynamik der Drucksteuerung. Vom ABS-Regler erhält der Motor einen Sollwert für den RZ-Druck. Über ein Druckmodell steuert der Motor die entsprechende Kolbenposition mit definiertem Zeitverhalten an. Hierbei entstehen im Vergleich mit dem heutigen System erheblich geringere Druckschwingungen. Die heutigen Ventile EV und AV sind mit Drosseln ausgeführt, die fahrzeugspezifisch die Druckgradienten bestimmen. Beim IBS sind die Ventile ungedrosselt. Somit bestimmt die Kolbengeschwindigkeit den Druckgradient, der für jede Druckänderung gewählt werden kann. Messergebnisse 3(a) zeigt einen Druckabbau-Vergleich der repräsentativ für eine Geradeausbremsung auf Eis ist, indem die Druckabbauzeit bei IBS von 10 auf 5 bar von heute 60 ms ohne Geräuschnachteile um den Faktor 4 verkürzt ist. Dies äußert sich auch vorteilhaft beim schnellen Anbremsen auf Eis. 3(b) zeigt eine IBS-Regelung mit rein sequentieller Drucksteuerung beim schnellen Anbremsen auf Eis mit einem mittleren Blockierdruck von 6 bar. Beim IBS entsteht durch die höheren Druckabbaugradienten anfänglich ein Δv von nur 3 Vollbremsung geradeaus auf Eis mit IBS 468

4 bis zu 20 % mit zusätzlich verbesserter Fahrstabilität gemessen. Dabei sind Geräusch und Pedalrückwirkung kaum wahrnehmbar. Der Vergleich Ist- mit Soll- Druck zeigt, dass die hochdynamische Drucksteuerung sehr schnell und genau dem Solldruck folgt, was sich auch in den kleinen Radbeschleunigungen ausdrückt. Von einer elektromechanischen Bremse (EMB) [5] oder voll elektrischen Bremse ( Keilbremse ) sind keine besseren Ergebnisse bekannt. 3(c) zeigt die Bordnetzbelastung die unabhängig von der Pedalkraft ist. Mit steigenden Pedalkräften zieht das konventionelle ABS höhere Ströme bis mehr als das Fünffache. 4 IBS-Bremsenmanagement für Fahrzeuge mit Hybridantrieb (* zusätzliche Potenziale/Funktionen sind grün gekennzeichnet) Anforderungen an das Bremsenmanagement 3 km/h. Der nachfolgende Ablauf zeigt noch kleinere Regelabweichungen Δv von nur 1,3 km/h, was mit kleinen Druckänderungen von 3 bar korrespondiert. Gestrichelt eingezeichnet ist der typische Ablauf beim konventionellen ABS. Verglichen mit dem konventionellen ABS wurden Bremswegverkürzungen von 4 zeigt das Bremsenmanagement des IBS, wie es für Hybridantriebsfahrzeuge [6] und Assistenzsysteme geprägt sein könnte. Bei diesen Fahrzeugen erzeugt der Generator zur Rekuperation der Bremsenergie ein

5 Industrie K u p p l u n g e n u n d B r e m s e n Pedalcharakteristik 5 Aufbauvarianten der drei Module I, II und III des IBS Bremsmoment, das stark schwankend und begrenzt ist, wobei das Bremsenmanagement dem Fahrerwunsch entsprechend dem IBS einen komplementären Solldruck vorgibt. Dabei gibt der Fahrer durch Pedalweg und -kraft den Sollwert der Abbremsung vor. In 4 sind zusätzliche Potenziale/ Funktionen grün gekennzeichnet, zum Beispiel dass Fahrzeugverzögerung, Fahrzeuggewicht und Anhängerlast mitgerechnet werden, sodass der Fahrer seine Pedalkraft und -weg nicht mehr beispielsweise an die unterschiedliche Bremswirkung bei Fading anpassen muss. Auch kann für kleinere Menschen mit in der Regel kleinerer Fußkraft die Verstärkung variabel angepasst werden. Bekanntlich lösen sich die Bremsbeläge im Normalfall, zum Beispiel ohne forcierte Kurvenfahrt, nicht voll von der Bremsscheibe und erzeugen ein nicht vernachlässigbares Restreibmoment, was einen höheren CO 2 -Ausstoß zur Folge hat. Beim IBS kann durch eine entsprechende Kolben- und Ventilsteuerung ein kleines Lüftspiel erzeugt werden, was das Restmoment nennenswert reduziert. 5 zeigt die Modularität des IBS in einer möglichen Grundstruktur. Das IBS besteht aus: Modul I: Tandemhauptzylinder (THZ) mit Ventilblock (HCU) und ECU Modul II: EC-Motor und Spindel vorzugsweise mit Kugelgewindetrieb (KGT) Modul III: Pedalschnittstelle mit Übertragung zu Pedal-Wegsimulator und Sensoren. Hier ist auch ein Stößel untergebracht, welcher den Pedalstößel bei Ausfall des BKV mit den THZ-Kolben verbindet als Basis für eine Rückfallebene. Zurzeit wird eine Zwei-Modul-Struktur entwickelt. Von der ECU wird auch das Flüssigkeitsniveau vom Vorratsbehälter erfasst, sodass außer dem Leitungssatz zum Bordnetz (Stromversorgung, Bus und Raddrehzahlsensoren) keine weiteren externen Leitungssätze mehr notwendig sind. 6 zeigt den Bauraumvergleich vom Vakuum-BKV mit 8/9 Zoll Durchmesser in Relation zum IBS. Der Unterschied ist deutlich, was durch die koaxiale Anordnung beim IBS möglich wird. Die nun freien Räume im Motorraum, die sehr wertvoll sind, können für E/E-Komponenten genutzt werden. Denkbar ist, dass ECU aus dem Gepäckraum hier besser positioniert sind. 7(a) zeigt unterschiedliche Pedalcharakteristiken heutiger Fahrzeuge, die im Allgemeinen vom Fahrzeuggewicht abhängig sind. Dies ist damit begründet, dass das Volumen zum Betätigen der RZ in der Regel mit dem Fahrzeuggewicht ansteigt, weil mit dem Fahrzeuggewicht auch die Anpresskraft der RZ-Kolben wächst. Mit vorgegebenem Pedalweg, Pedalübersetzung und Volumen ergibt sich die Dimensionierung des THZ. Wegen Gesetzesvorschriften für den BKV-Ausfall kann der Pedalweg beim schweren Fahrzeug C nicht kürzer gewählt werden. Hier schreibt die UN/ECE-Regelung Nr. 13-H bei 500 N Fußkraft eine Mindestabbremsung von 2,44 m/s 2 vor. Danach richten sich zurzeit alle Dimensionierungen, sodass die Fahrzeuge größer der Klasse B um die 0,3 g Verzögerung erreichen. Auf dem Markt sind bereits Fahrzeuge mit deutlich steiferen Radbremsen und entsprechend kleineren Pedalwegen, was sich zum Beispiel in einem Gewinn an Fahrgastraumnutzung oder Fahrzeuglänge umsetzen lässt. Die fette Kurve in 7(a) entspricht der Pedalcharakteristik des IBS. Mit einem Pedalwegsimulator kann bekanntlich unabhängig vom Fahrzeuggewicht eine ideale Pedalcharakteristik realisiert werden. Vergleich von BKV-Konzepten 7(b) zeigt den Vergleich von konventionellem BKV mit sogenanntem Folgeverstärker (als A gekennzeichnet) und einem Brake-by-Wire-BKV mit Pedalwegsimulator ( B ). Die für den Fachmann bekannten Fakten sind auch dargestellt. Der BKV A unterliegt den geschilderten Modularität und Bauraumoptimierung 6 Bauraumvergleich für herkömmliches ABS und neues IBS (Maße in mm) 470

6 Zwangsbedingungen, die zur Dimensionierung von THZ und BKV führen. Der BKV B mit Pedalwegsimulator hat für die Dimensionierung des THZ den großen Vorteil der Entkopplung von Pedalweg und HZ-Kolbenweg. Deshalb können nennenswert kleinere THZ-Kolbendurchmesser eingesetzt werden. Das entsprechende Volumen wird über einen größeren THZ-Hub oder über Nachfördereinrichtungen bereit gestellt. Somit lassen sich für die Rückfallebene mit den vorgeschriebenen 500 N Fußkraft weit über 0,5 g (>Faktor 2) Verzögerung erzielen (UN/ECE: 2,44 m/s 2 ), was vom Fahrer sehr positiv bewertet wird. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zum konventionellen Unterdruck-BKV A die zusätzlichen Rückstellfedern und die Reibung beim Typ B entfallen, sodass der Pedalstößel in der Rückfallebene direkt auf den HZ wirkt. Die Kraft-Weg-Charakteristik bei Typ B ist mit und ohne Rückfallebene ähnlich, was für den Fahrer entscheidend ist. Nur die Zuordnung von Pedalkraft zu Fahrzeugverzögerung ist verändert, an die sich der Fahrer leicht anpassen wird. Es wird ihm ohnehin in der Anzeige dargestellt, dass eine Wartung fällig ist. Bisherige Brake-by-Wire-Systeme mit Pedalwegsimulator zeigen in Teilbereichen noch ein unerwünschtes synthetisches Pedalgefühl, was sich sicherlich bei der intensiven Weiterentwicklung erheblich verbessern lässt, weil unter anderem der hochdynamische EC-Motor weitere Potenziale bietet. Bekanntlich sind BKV mit EC-Motor als Typ A mit Folgeverstärker neuerdings auf dem Markt oder werden entwickelt, um unabhängig von der Bereitstellung eines Vakuums zu sein. Hier kann die Rückfallebene durch Einsatz der ESP-Pumpe zur Bremskraftverstärkung eingesetzt werden. Allerdings sind dann Kompromisse bei der gewohnten Pedalcharakteristik notwendig. Diese Verstärkerwirkung ist bei Ausfall des Bordnetzes u. a. beim Abschleppen nicht vorhanden. Die folgende Gegenüberstellung zeigt die Vorteile beider BKV-Typen: Vorteile des Typs BKV A: gewohnt gutes Pedalgefühl mit BKV der geübte Fahrer erkennt den Zustand der Bremse am Pedalweg. Vorteile des BKV B: kürzere Pedalwege, schnellerer Druckaufbau 06I Jahrgang variabler, adaptiver Drucksprung bei Bremsbeginn (Optimierung für die einzelnen Baureihen) bessere Rückfallebene bei Ausfall des BKV (gewohnte Pedalcharakteristik und kleinere Pedalkräfte) unveränderte Pedalcharakteristik bei Fading Besuchen Sie uns in Nürnberg: SENSOR + TEST Juni 2011 Halle 12, Stand ideal für Hybridantriebsfahrzeuge mit Rekuperation kein Pedaldurchfall bei Bremskreisausfall automatische Diagnose des Entlüftungszustands. Die schnelle, präzise und geräuscharme Drucksteuerung des IBS lässt sich auch Multi-Coil Resolver (MCR) für Hybrid- und EV-Applikationen TE Automotive ist einer der führenden Hersteller verschiedenster Sensoren und Module für Getriebeanwendungen im Automobil. Das Erweitern bekannter Getriebevarianten auf Hybrid-Getriebe mit leistungsstarken Elektromotoren führt zu einer Erhöhung aller Anforderungen, was wiederum neue technologische Entwicklungen erfordert. Das breite Produkt- und Prozess-Portfolio von TE Automotive bietet einen idealen Ausgangspunkt für die Entwicklung und Herstellung solcher Lösungen. Der TE Automotive Multi-Coil Resolver (MCR) wurde entwickelt, um bei synchronen Elektromotoren die Position des Rotors exakt bestimmen zu können. Er funktioniert in Drehzahlbereichen von über U/min in einem Temperaturbereich von 40 C bis +130 C. In Abhängigkeit unterschiedlicher Spezifikationen können gezielte Anpassungen diese Werte weiter erhöhen. Der Aufbau des MCR gewährleistet eine wettbewerbsfähige Kostenstruktur und macht es möglich, den Herstellungsprozess zu standardisieren. TE Automotive entwickelt den MCR als ein Plattform-Produkt, welches je nach Kundenanforderung in verschiedenen Applikationen für verschiedene Polpaarzahlen und Wellendurchmesser verwendet werden kann. Tyco Electronics AMP GmbH a TE Connectivity Ltd. company AMPèrestr Bensheim Tel. (06251) Fax (06251) TE (Logo), TE Connectivity und TE connectivity (Logo) sind Marken. TE s einzige Verpflichtungen sind diejenigen, welche in den Allgemeinen Geschäftsbedingungen (< dargelegt sind. TE lehnt ausdrücklich jede Haftung aufgrund stillschweigender Zusicherungen hinsichtlich der hier enthaltenen Informationen ab.

7 Industrie K u p p l u n g e n u n d B r e m s e n 7 Vergleich eines konventionellen Bremskraftverstärkers (BKV) zu einem Bremskraftverstärker mit Pedalwegsimulator links: Pedalcharakteristik für drei Fahrzeuge und ein IBS-Fahrzeug; rechts: Aufbau und Kolbenkraft für eine druckunterstützte elektrische Parkierbremse (EPB) einsetzen. Wie bereits erwähnt, lassen sich die Bremsbeläge durch kurzzeitige Unterdrucksteuerung auf ein kleines Lüftspiel einstellen. Zusammenfassung Die Entwicklung des integrierten modularen Bremssystems (IBS) von LSP Innovative Automotive Systems wurde 2004 begonnen. Dabei halfen namhafte Pioniere (Heinz Leiber, Anton van Zanten et al.) aus der ABS- und ESP-Entwicklungsszene zusammen mit einem effektiven interdisziplinären Team. Modernste Entwicklungsmethoden und Tools wurden verwendet. Drei Wintererprobungen in Lappland zeigten die Potenziale und die Realisierbarkeit zur Serienreife. Die herausragenden Merkmale von IBS sind: hohe Funktionalität auch für alle bekannten Assistenzsysteme und mindestens gleich EHB oder EMB Gewichts- und Bauraumersparnis relativ geringe Komplexität und Aufbau mit bekannten Standardkomponenten hohe Fehlersicherheit und ausgezeichnete Rückfallebene; Diagnose aller sicherheitsrelevanten Funktionen möglich Potenzial für Zusatzfunktionen wie vereinfachte elektrische Parkierbremse und Belaglüftspielsteuerung Diese Merkmale zusammen mit den Erprobungsergebnissen im Fahrzeug und den Simulationen auf Prüfständen sollen dem OEM die Entscheidungsbasis für die Markteinführung des IBS liefern. Literaturhinweise [1] Antiblockiersystem. wiki/antiblockiersystem vom 24. März 2011 [2] Leiber, H.: ABS Vergleich separate und integrierte Systeme. VDI-ATG-Tagung, Wolfsburg, Dezember 1984 [3] van Zanten, A. T.; Erhardt, R.; Pfaff, G.: FDR Die Fahrdynamikregelung von Bosch. In: ATZ 96 (1994), Nr. 11, S [4] Breuer, B.; Bill, K. H. (Hrsg.): Bremsenhandbuch. Vieweg-Verlag, Wiesbaden, 2006 [5] Barthenheier, T.; Witte, B.: ebkv der Elektromechanische Bremskraftverstärker. VDI-Berichte Nr. 2014, 2007 [6] Pickenhahn, J.; Gilles, L.; Hönig, T.; Thomas, P.: Concepts for Regenerative Braking in Vehicles with Hybrid Propulsion Drive. In: XXVI. International µ-symposium, Bad Neuenahr, Germany, June 2006, ISBN X Download des beitrags read the english e-magazine order your test issue now: SAM-service@springer.com DOI: /s x 472 Sie wollen sich verändern oder suchen die erste Stelle, dann senden Sie bitte Ihre kompletten Bewerbungsunterlagen an: T L Engineering GmbH, Schönaustr. 11, Wiesbaden bewerbung@tlengineering.de - Tel.: Fax:

8 Lernen, forschen, leiten, machen, leben, wachsen, denken, verstehen. Der Faktor Mensch in der Automobilindustrie. Automotive Agenda 09 Peter ambros // stephan böhm // Gerald eifler // Vera erdmann // rita Forst Walter Friederichs // Fritz GairinG // ralph Göller // thorsten JunGMann alexander kickner // kerstin lauer // ulrich Mähr // WolFGanG Maus Guido Meier-arendt // horst neumann // leonardo uriona // dagmar Wilbs kai F. Wissler // Jakob, Felix, linus, Marc und Moritz März 2011 issn x Faktor Mensch Könner gesucht Automotive Agenda Wie fährt die Zukunft? Jetzt Vorzugsausgabe online bestellen: oder per Fax an:

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