Integrierte Bremssysteme

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1 425 Integrierte Bremssysteme Hans-Jörg Feigel, Anton van Zanten, Heinz Leiber, Thomas Leiber, Christian Köglsperger und Valentin Unterfrauner.1 Motivation für neue Bremssysteme Technik der integrierten Bremssysteme Integriertes Bremssystem MK C Integriertes Bremssystem IBS Systemfunktion Druckmodulation Aufbau und Modularität Anforderungen an das zukünftige Bremsenmanagement Zusammenfassung 438 Literatur 438 B. Breuer, K. H. Bill (Hrsg.), Bremsenhandbuch, ATZ/MTZ-Fachbuch, DOI / _, Springer Fachmedien Wiesbaden 12

2 426 Kapitel Integrierte Bremssysteme.1 Motivation für neue Bremssysteme Seit der Markteinführung von ABS im Jahre 1978 beruhen Druckmodulationssysteme für die Bremse auf überwiegend dezentral aufgebauten Systemen. In einer Baueinheit sind Ventilblock, Elektromotor, Pumpe, 8 12 Magnetventile, Speicher und Druckgeber mit dem elektronischen Steuergerät (ECU) zusammengefasst und separat zum Bremskraftverstärker (BKV) im Motorraum platziert [1, 2]. Weiterhin benötigen konventionelle Systeme eine leistungsfähige Unterdruckversorgung des Bremskraftverstärkers. Durch die Optimierungen an den Verbrennungsmotoren benötigen heute nicht nur Dieselmotoren eine Vakuumpumpe für den Bremskraftverstärker. Bei Hybridfahrzeugen muss diese elektrisch angetrieben sein. Konzepte, bei denen die gesamte Hydraulikfunktion inkl. Bremskraftverstärker integriert ist, waren bereits in den 1980er Jahren am Markt, konnten sich aber aus Kostengründen nicht durchsetzen. Der zunehmende Bedarf an rekuperationsfähigen Bremssystemen für Elektro- und Hybridfahrzeuge, der wachsende Markt für immer vielfältigere Assistenzfunktionen auf der Basis der Bremsregelsysteme als auch die immer aufwendiger werdende Vakuumenergieversorgung der klassischen Unterdruckbremskraftverstärker fördern die Entwicklung einer neuen Gattung von Bremssystemen, die integrierten Bremssysteme. Anstelle der bisher etablierten modularen Funktionserweiterung der Bremsanlage, bei der die evolutionäre Weiterentwicklung der Funktionsumfänge zu einer schrittweisen Hardwareerweiterung führte, kommt bei den integrierten Bremssystemen eine konsequent auf eine umfangreiche Basisfähigkeit optimierte und weitgehend neue Bremssystem-Architektur zur Anwendung. Das technische Hauptmerkmal integrierter Bremssysteme ist die Zusammenführung der Bremsbetätigung, deren vakuumunabhängige Energieversorgung und der Komponenten des Stabilitätsregelsystems in einer Baugruppe. Das integrierte Bremssystem wird an der Stelle im Fahrzeug angeordnet, an der heute üblicherweise der Vakuumbremskraftverstärker installiert ist. Die Integration macht sich auch im Gesamtgewicht solcher Anlagen bemerkbar, wobei im Vergleich zu konventionellen Bremssystemen eine Reduzierung von bis zu 4 kg erreichbar ist. Wie bei allen Neuentwicklungen sind Kostenund Gewichtseinsparpotentiale die Haupttreiber für derartig signifikante Veränderungen der Bremssystem-Architektur. Auch tragen die systembedingten Funktionsverbesserungspotentiale (z. B. die hochdynamische Fremdbremsfähigkeit für den aktiven Fußgängerschutz) dazu bei, die Attraktivität dieses Ansatzes zu erhöhen. Als wesentliche Voraussetzung für die breite erfolgreiche Einführung dieser Technologie ist die inzwischen in den relevanten Märkten nahezu vollständig erreichte Vollausstattung der Fahrzeuge mit einem Stabilitätsregelsystem zu nennen. Dadurch ist die kommerzielle Basis gegeben. Die Einführung eines integrierten Bremssystems wird weiterhin besonders dort interessant, wo der Einsatz einer elektrisch angetriebenen Vakuumpumpe erforderlich ist und/ oder eine effiziente Rekuperationsfähigkeit angestrebt wird. Beide Randbedingungen werden durch die zunehmende Verbreitung der neuen Antriebskonzepte (Ausschalten des Verbrennungsmotors während der Fahrt, Hybrid- und Elektrofahrzeuge) unterstützt. Die Kosteneinsparpotentiale ergeben sich zum einen aus dem Integrationsansatz, bei dem weniger Komponenten benötigt werden (Anzahl Energieversorgungen/ Motoren, ECUs, Gehäusen, etc.) und zum anderen aus den Vorteilen einer einfacheren Installation ins Fahrzeug (weniger Halterungen, Verbindungsleitungen, etc.)..2 Technik der integrierten Bremssysteme Derzeitig sind zwei integrierte Bremssysteme bekannt, deren Funktionsweise sich insbesondere bzgl. der Realisierung der Bremsdruckregelfunktionen unterscheiden, aber Gemeinsamkeiten bei der Bremsdruckbereitstellung und der Rückfallebene haben. Unter der Bezeichnung MK C1,. Abb..1, wurde von der Firma Continental auf der IAA 11 ein integriertes Bremssystem vorgestellt, bei dem der Tandem-Hauptbremszylinder (THz), der zugehörige Simulator, der Bremsdruckgeber und die Regelventile des ESC-Systems zusammen in einem Gehäuse integriert sind [3]. Die Fa. LSP entwickelt unter der Bezeichnung IBS ein integriertes Bremssystem, das im Juni 10 auf einem Fachkongress erstmalig vorgestellt wurde [4]. Hierbei ist ebenso ein hydraulisches Ventilsystem, eine ECU, ein elektromechanischer Antrieb in Verbindung mit einem Pedalsimulator zusammengefasst,. Abb..2, (s. auch [5]). Beiden Systemen gemeinsam ist, dass die Normalbremsfunktion mittels eines elektrischen Zentraldruckaktuators realisiert wird, der aus einem hochdynamischen elektrisch kommutierten (bürstenlosen) DC- Motor und einem über einen Kugelgewindetrieb linear

3 427.2 Technik der integrierten Bremssysteme. Abb..1 Integriertes Bremssystem MK C1 (Fa. Continental). Abb..2 Integriertes Bremssystem IBS (Fa. LSP) angetriebenen Kolbenverdränger besteht. Mit diesem technischen Grundkonzept wird ein absolut pulsationsfreier Druckaufbau möglich, der auch bei fremdangesteuerten Assistenzfunktionen, wie z. B. Stauassistent, eine völlig vibrations- und geräuschfreie Druckmodulation gewährleistet. Diese NVH-Eigenschaften sind die Grundvoraussetzung für integrierte Bremssysteme, denn sie werden unmittelbar an die Spritzwand des Fahrzeugs montiert, wo häufig günstige Voraussetzungen für die Übertragung von Körperschall gegeben sind. Im Unterschied zu Hochdruckspeicher-Bremssystemen (z. B. EHB) sind die hier beschriebenen Integrierten Bremssysteme Power-On-Demand-Systeme, das heißt, es wird immer nur so viel Energie aus dem Bordnetz entnommen, wie es für den jeweiligen Bremsvorgang erforderlich ist. Die Wirkungsgrade sind zudem recht hoch, wozu auch der Einsatz der Kugelgewindetriebe erheblich beiträgt. Beide Systeme zählen zu den elektrohydraulischen Brake-by-Wire Systemen, bei denen das Pedalgefühl mittels Simulator dargestellt wird. Durch die hydraulische Trennung von Fahrer- Pedalsimulatorbetätigung und Aktuator-Radbremsenbetätigung wird es ermöglicht, dass jegliche Raddruckmodulationsaktivitäten, wie sie zum Beispiel bei ABS-Regeleingriffen erforderlich sind, für den Fahrer nicht durch eine Pedalmodulation spürbar werden. Diese prinzipielle Isolation der Raddruckmodulation ist eine sehr gute Voraussetzung für die Darstellung einer besonders effektiven Rekuperationsfähigkeit, bei der für den Fahrer nicht transparent werden soll, ob der elektrische Fahrantrieb im Generatorbetrieb bremst und damit die Batterie lädt oder die Reibungsbremse. Ebenso bleiben Schaltvorgänge während einer Generatorbremsung, bei denen die Reibungsbremse hochdynamisch die kurzzeitigen Bremsmomenteinbrüche kompensieren muss, für den Fahrer unbemerkt. Vorteilhaft ist der Einsatz eines Pedalsimulators auch immer dann, wenn es zu einer Überlagerung eines autonomen Bremseneingriffs mit der Bremsbetätigung des Fahrers kommt. Bei Komforteingriffen wie ACC oder Seitenwindkompensation bleiben die automatischen Aktivitäten des Bremsaktuators für den Fahrer unsichtbar und führen damit nicht zur Irritation. Für den Fahrzeughersteller eröffnet sich zudem noch ein gern genutzter Freiheitsgrad bezüglich der weitgehend freieren Gestaltung des statischen und dynamischen Pedalweg-Pedalkraft-Fahrzeugverzögerungs-Zusammenhangs (Pedalgefühl). Durch die größere Unabhängigkeit von der Volumenaufnahme der

4 428 Kapitel Integrierte Bremssysteme. Abb..3 Vergleich der Pedalkraft-Pedalweg-Fahrzeugverzögerungs-Kennlinie für Normalbetrieb und hydraulischer Rückfallebene für ein Beispielfahrzeug mit einem Gewicht > 2 t Radbremse, die stark auch durch die Gewichtsklasse des Fahrzeugs beeinflusst wird, kann der Fahrzeug- Hersteller nun wesentlich leichter und besser über alle Fahrzeugklassen hinweg für seine Marke dieses wichtige Mensch-Maschine-Interface gemäß seiner Vorstellungen einheitlich prägen. Die Grenzen in der Freiheit der Auslegung des Simulators liegen im Wesentlichen im Zusammenspiel mit der hydraulischen Rückfallebene begründet. Die Charakteristik der hydraulischen Rückfallebene stellt eine weitere Gemeinsamkeit der vorgestellten integrierten Bremssysteme dar. Um bei Ausfall der elektrischen Energieversorgung dem Fahrer weiterhin einen gut beherrschbaren Notbetrieb der Bremsanlage zu ermöglichen, ist eine unmittelbare Druckbeaufschlagung der Radbremsen mittels pedalbetätigten Tandemhauptbremszylinder vorgesehen. Der Durchmesser des Hauptbremszylinders ist im Vergleich zu denen der konventionellen Vakuumbremskraftverstärker deutlich kleiner gewählt, wodurch mit vergleichsweise geringen Pedalkräften auch ohne Verstärkung nennenswert hohe Verzögerungswerte erreicht werden können. Ein häufig gewähltes Auslegungsziel ist hierbei mit 500 N Pedalkraft eine Fahrzeugverzögerung von 6,4 m/s² zu erreichen. Damit würde dann sogar die gesetzliche Mindestverzögerung einer Betriebsbremsanlage erreicht werden, was dazu führt, dass in einigen Ländern eine Warnung mittels gelber Warnlampe ausreichend wäre.. Abb..3 zeigt eine Messung der Verzögerung als Funktion der Pedalkraft in einem Fahrzeug der gehobenen Fahrzeugklasse mit einem Gewicht von > 2 t. Es zeigt beispielhaft, dass hier mit der in der MK C1 gewählten Auslegung eine Verzögerung von 0,7 g mit 500 N Fußkraft und einem Pedalweg von ca. 100 mm erzielbar ist..3 Integriertes Bremssystem MK C1 Die Funktionsweise der MK C1 wird im Folgenden anhand des Schaltplans im. Abb..4 erläutert. Die Pedalbetätigung durch den Fahrer bewirkt eine Verschiebung des Primär-Kolbens des THzs. Diese Bewegung wird von einem redundant ausgebildeten Pedalwegsensor erfasst. Sobald eine Bewegung detektiert wird, werden zwei stromlos offene Trennventile, die den Fahrer hydraulisch von den Radbremsen abtrennen, geschlossenen, zwei stromlos geschlossene Verbindungventile, die den Zentralaktuator mit den Radbremsen verbinden, geöffnet und das stromlos geschlossene Simulatorventil geöffnet. Die weitere Bewegung des THz-Kolbens führt zu einer Verdrängung der Bremsflüssigkeit durch das Simulatorventil in die Simulatorkammer. Das Federelement auf der Rück-

5 429.3 Integriertes Bremssystem MK C1. Abb..4 Hydraulischer Schaltplan der MK C1 seite des Simulatorkolbens ist so ausgebildet, dass die Pedalkraft-Pedalwegkennlinie in etwa der üblichen Charakteristik einer konventionellen Bremsanlage entspricht. Zur Ermittlung des Fahrer-Verzögerungswunsches wird neben der Position des Primärkolbens auch noch das Signal eines Drucksensors im Sekundärkreis herangezogen. Entsprechend des gewünschten Bremskraftverstärkungsfaktors wird daraus ein Sollwert für die Aktuator-Druckregelung errechnet. Der Ist-Druck in den Radbremsen wird mit einem zweiten Drucksensor gemessen. Die Druckstellung erfolgt mit der Ansteuerung des BL-Motors, dessen Rotationsbewegung mittels einer Gewindespindel in eine lineare Kolbenbewegung umgesetzt wird. Die hohe Stellgenauigkeit dieses Aktuators ermöglicht eine präzise Druckstellung des Radbremsdruckes. Der Druckabbau innerhalb der Normalbremsfunktion erfolgt durch das Rückstellen des Aktuatorkolbens. Die Auslegung des Aktuators erfolgt in der Regel mit der Zielsetzung mindestens die Bremsdruckaufbaudynamik einer konventionellen Bremsbetätigung zu erreichen. Mit einer Dimensionierung des Antriebs für ein Betriebsspannungsniveau von 10,8 V und den vergrößerten Ventilquerschnitten werden daher selbst für Fahrzeuge der Luxusklasse Bremsdruckaufbauzeiten von rund 150 ms erreicht. Da diese auch ohne Fahrerenergie im Fremdbremsmodus abrufbar sind, eignet sich die MK C1 ebenfalls für alle autonomen hochdynamischen Notbremsfunktionen, wie sie z. B. für die Erfüllung des gesetzlich geforderten Fußgängerschutzes Verwendung finden sollen. Die radindividuellen Bremsdruckregelungen, wie sie z. B. für die Schlupfregelfunktionen ABS, ESC und TCS erforderlich sind, erfolgen in der MK C1 mittels je einem Einlassventil und einem Auslassventil pro Radkreis, so wie sie sich grundsätzlich in konventionellen ESC-System bewährt haben. Damit ist weiterhin gewährleistet, dass ohne zeitlichen Verzug entsprechend der Anforderungen uneingeschränkt an beliebigen Radkreisen Bremsdruck gleichzeitig abgebaut als auch aufgebaut werden kann. Vorteile gegenüber den konventionellen Systemen ergeben sich u.a. aus der direkten Anbindung der Auslassventile an den Behälter. Hierdurch kann der Bremsdruck noch schneller abgesenkt werden, was eine optimale Regelung auf Niedrig-Reibwerten (z. B. Eis) erlaubt. Sollte insgesamt ein extrem hoher Druckabbauvorgang anstehen, wie er bei besonders hohen Reibwertsprüngen vorkommen könnte, so kann das ohnehin schon sehr gute Druckabbauverhalten zusätzlich noch durch ein sehr schnelles Zurückfahren des Aktuator-Kolbens unterstützt werden, indem über die Einlassventile Bremsflüssigkeitsvolumen aus den Radkreisen abgesaugt wird. Dies ist bei konventionellen Bremssystemen nicht möglich, da hier die Einlassventile eingangsseitig direkt mit dem Fahrer hydraulisch in Verbindung stehen. Bei einem erneuten Bremsdruckaufbaubedarf werden die Einlassventile geöffnet und Bremsflüssigkeitsvolumen wird vom Bremsdruckaktuator bereitgestellt. Sollte im Laufe eines sehr langen Regelvorgangs das im Aktuator-Kolbenraum gespeicherte Volumen sich einer Erschöpfung nähern, so wird der Raum mit

6 430 Kapitel Integrierte Bremssysteme. Abb..5 Reduzierungen der Einbaukomplexität mit Integrierten Bremssystemen. Abb..6 Bauraum-Bedarf der MK C1 (blau) im Vergleich zur konventionellen 8"/9" Tandem-Vakuumbremskraftverstärker-Betätigung (grau) und die verkürzte relevante Crash-Länge einem sehr schnellen Nachsaugvorgang wieder gefüllt und die Regelung wird ohne Verzögerungsverlust entsprechend der Bedarfe fortgesetzt. Gegenüber den bisher bekannten Brake by Wire Systemen (EHB/SBC) besitzt die MK C1 eine hochpräzise Diagnosefähigkeit hinsichtlich Leckagen und Lufteinschlüsse. Zusammen mit den bei Bedarf aktivierbaren Spülmechanismen erlangt das System eine hohe Gebrauchsrobustheit. Mit ihren äußeren Abmessungen ist die MK C1 einbaukompatibel zu konventionellen Bremskraftverstärkern und eignet sich daher grundsätzlich auch für den Mischverbau innerhalb einer Fahrzeugplattform. Die Vorteile ihrer kompakten Bauart werden aber erst bei einer 100 % Ausrüstung nutzbar, wenn nicht auch der Bauraum für die verschiedenen Komponenten des konventionellen Systems (inkl. ESC-Gerät und EVP) vorgehalten werden muss,. Abb..5. Dann kann z. B. auch die sehr kurze Gesamtbaulänge des Gerätes ausgenutzt werden, die im Einzelfall das Potential einer Verkürzung der Fahrzeuglänge beinhalten kann,. Abb Integriertes Bremssystem IBS. Abb..7 zeigt im Vergleich zum heutigen System die erheblichen Fortschritte in Bauvolumen, Gewicht und Einbauaufwand. Dabei deckt das integrierte

7 431.4 Integriertes Bremssystem IBS. Abb..7 Vergleich Umfang konventionelles Bremssystem mit IBS. Abb..8 Grundlagen der hochdynamischen Drucksteuerung (HDS) Bremssystem IBS alle Anforderungen eines zukünftigen Bremssystems ab..4.1 Systemfunktion Systemkonzept Kern des IBS ist ein hochdynamischer EC-Motor welcher über einen Kugel-Gewinde-Trieb (KGT) den Druckstangenkolben eines Tandem-Hauptbremszylinders (THz) antreibt und die BKV-Funktion übernimmt (. Abb..8). Zum Druckhalten ist zwischen dem Hauptzylinder (HZ) und dem Radzylinder (RZ) für jedes Rad ein elektromagnetisches Schaltventil (SV) angeordnet. An dieser Stelle sei bereits erwähnt, dass dieses Ventil keine Regelfunktion bei der Druckmodulation übernimmt. Aus diesem Grund ist es ungedrosselt und ermöglicht eine sehr hohe Anbremsdynamik (. Abb..9). Bei der BKV-Funktion wird in einer Vorsteuerung der Druckstangenkolben über den KGT vom EC-Motor entsprechend der Druck-Volumen- Kennlinie des Bremssystems definiert vorgeschoben. Für die Rückführung des eingestellten Drucks in der BKV-Funktion wird der Druck im Hauptzylinder mittels Druckgeber (DG) gemessen. Die Position des

8 432 Kapitel Integrierte Bremssysteme n rehzahl [U/min Dr [bar] Druck [ Zeit [ms] Zeit [ms]. Abb..9 Beispiel der hochdynamischen Drucksteuerung (HDS) Druckstangenkolbens wird mit Hilfe eines redundanten Drehwinkelgebers am EC-Motor berechnet. Pedalcharakteristik Entsprechend dem Fahrerwunsch wird vom Bremskraftverstärker der Druck im THz, wie oben beschrieben, eingestellt. Mittels eines Wegsimulators (WS), welcher auch das Pedalgefühl liefert, wird der Fahrerwunsch aus der Pedalbetätigung durch den Fahrer abgeleitet. Dabei sind bei der Auslegung der Bremse die Vorteile der Trennung der Pedalbetätigung von der Bremse bekannt.. Abb..10 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, da mit dem Fahrzeuggewicht auch die Anpresskraft der RZ-Kolben wächst. Mit vorgegebenem Pedalweg, Pedalübersetzung und Volumen ergibt sich die Dimensionierung des THz. Die fette Kurve entspricht der Pedalcharakteristik von IBS. Mit einem Wegsimulator kann bekanntlich unabhängig vom Fahrzeuggewicht eine ideale Pedalcharakteristik realisiert werden. Wegen der 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/s² vor. Danach richten sich z. Zt. alle Dimensionierungen, so dass die Fahrzeuge größer der Klasse B um die 0,3 g erreichen. Auf dem Markt sind bereits Fahrzeuge mit deutlich steiferen Radbremsen und entsprechend kleineren Pedalwegen was sich z. B. in einem Gewinn an Fahrgastraumnutzung oder Fahrzeuglänge umsetzen lässt. BKV mit Wegsimulator Ein Vergleich zwischen einem konventionellem BKV mit sogenanntem Folgeverstärker und Brake-by-Wire BKV mit koaxialem Wegsimulator zeigt die Unterschiede, wobei die Rückfallebene bei BKV-Ausfall besonders hervorspringt (. Abb..11). Die für den Fachmann bekannten Fakten sind auch dargestellt. Bei BKV A fehlt die erwähnte Trennung der Pedalbetätigung von der Bremse, sodass die Dimensionierung von THz und BKV nicht optimiert werden kann. Der BKV B mit Wegsimulator hat für die Dimensionierung des THz den großen Vorteil der Entkopplung von Pedalweg und HZ-Kolbenweg. Deshalb können nennenswert kleinere THz-Kolbendurchmesser eingesetzt werden, was unter Berücksichtigung der Rückfallebene bei BKV-Ausfall ein entscheidender Vorteil ist. Das entsprechende Volumen wird über einen größeren THz-Hub oder über Nachfördereinrichtungen bereit gestellt. Somit lassen sich für die Rückfallebene abhängig von der gewählten HZ-Dimension mit der vorgeschriebenen 500 N Fußkraft weit über 0,5 g ( > Faktor 2) Verzögerung erzielen (UN/ECE-Forderung: 2,44 m/s²), 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, so dass 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 im Display angezeigt, dass ein Service fällig ist. Es sind elektrohydraulische Bremssysteme bekannt [6], bei denen bei Pedalbetätigung Bremsflüssigkeit aus einem Bremskreis in den Wegsimulator verschoben wird. Fällt der Wegsimulator während der Bremsung aus, so fehlt die Bremsflüssigkeitsmenge die in den Wegsimulator verschoben wurde bei der Bremsung in der Rückfallebene. Die Folge ist ein Teilausfall des entsprechenden Bremskreises und eine verminderte Abbremsung in der Rückfallebene. Dieses Problem besteht nicht beim IBS. Durch die koaxiale Anordnung wird der Wegsimulator direkt mechanisch

9 433.4 Integriertes Bremssystem IBS. Abb..10 Pedalcharakteristik unterschiedlicher Fahrzeuge. Abb..11 Vergleich konventioneller BKV und BKV mit Wegsimulator vom Pedalstößel betätigt, und es geht kein Bremsflüssigkeitsvolumen in der Rückfallebene verloren. Die folgende Gegenüberstellung zeigt die Vorteile beider BKV-Typen. Vorteile BKV A: gewohnt gutes Pedalgefühl mit BKV der geübte Fahrer erkennt den Zustand der Bremse am Pedalweg Vorteile BKV B: kürzere Pedalwege, schnellerer Druckaufbau variabler, adaptiver Drucksprung bei Bremsbeginn (Optimierung für die einzelnen Baureihen) bessere Rückfallebene bei Ausfall BKV (gewohnte Pedalcharakteristik und kleinere Pedalkräfte) unveränderte Pedalcharakteristik bei Fading ideal für Hybridfahrzeuge mit Rekuperation kein Pedaldurchfall bei Bremskreisausfall automatische Diagnose des Entlüftungszustandes

10 434 Kapitel Integrierte Bremssysteme. Abb..12 Vergleich der hydraulischen Druckeinstellung Bisherige Brake-by-Wire-Systeme mit Wegsimulator zeigen noch in Teilbereichen ein unerwünschtes synthetisches Pedalgefühl, was sich sicherlich bei der intensiven Weiterentwicklung erheblich verbessern lässt, da u. A. hochdynamische EC-Motoren weitere Potenziale bieten. Bekanntlich sind BKV mit EC-Motor als Typ A mit Folgeverstärker neuerdings auf dem Markt oder werden entwickelt, um unabhängig vom Vakuum zu sein [7, 8]. Hier kann die Rückfallebene durch den Einsatz der ESP-Pumpe zur Bremskraftverstärkung eingesetzt werden. Allerdings sind dann Kompromisse bei der gewohnten Pedalcharakteristik notwendig. Diese Verstärkerwirkung ist beim Ausfall des Bordnetzes u. a. beim Abschleppen nicht vorhanden. IBS verfügt über einen redundanten Pedalstößelwegsensor. Durch die spezielle Ausgestaltung der Sensoren ist eine Berechnung der Pedalkraft möglich. Somit kann bei Ausfall des Wegsimulators die Bremskraftverstärkung durch Umschaltung auf einen Folgeverstärker weiter aufrecht erhalten werden, was deutlich vorteilhafter ist als Umschaltung auf eine Rückfallebene ohne Verstärkung..4.2 Druckmodulation Konzept der Druckmodulation Bei den Rückfördersystemen wird bei ABS der Druck in den Radzylindern mittels Regelventile eingestellt (Einlass- und Auslassventil). Bei IBS geschieht dies gänzlich anders, nämlich durch eine Verschiebung des DK-Kolbens.. Abb..12 zeigt im Vergleich einen Überblick der Druckeinstellung zwischen konventionellem ABS/ESP, auch EHB, zu IBS. Konventionell werden je Radbremse ein Einlass- (EV, häufig als lineares Magnetventil, LMV) und ein Auslassventil (AV, häufig als schaltendes Magnetventil, MV) zur Druckmodulation verwendet. Der Druckabbau erfolgt in die Speicherkammer. Die Rückförderpumpe fördert das entsprechende Volumen zum Hauptzylinder zurück, was zum bekannten pulsierenden Pedal führt. Die Ventilsteuerung geschieht über eine aufwändige und eingeschränkt genaue Zeitsteuerung, wie in der oberen Bildhälfte erläutert ist. Damit ist die Druckeinstellung, vor allem bei Aktiveingriffen (bei ASR und ESP), sehr ungenau, außer bei der EHB, bei der es eine Rückführung gemessener Radzylinderdrücke gibt. Dagegen bewegt beim IBS der EC-Motor über eine Spindel den HZ-Kolben, welcher das Volumen zum Druckaufbau und abbau zu den Radzylindern fördert. Zwischen HZ und jedem RZ ist ein Schaltventil angeordnet, welches zum Druckhalten geschaltet wird. Hierbei können die RZ-Drücke nacheinander (sequentiell), aber bei IBS auch gleichzeitig (simultan) geregelt werden. Der große Unterschied in der Druckeinstellung zu konventionellen Systemen besteht darin, dass die vom ABS-Regler vorgegebene Druckänderung über eine Druck-Volumen-Kennlinie geregelte- Positionsregelung des HZ-Kolbens vorgesteuert wird. Durch eine spezielle Ansteuerung des EC-Motors ist es möglich, mit dem Druckgeber die Radbremsdrücke zu messen, und eine Druckregelung umzusetzen. Somit ist eine sehr genaue Druckeinstellung möglich, bei der zusätzlich der Druckgradient um Faktoren größer gewählt werden kann als bei konventionellen Syste-

11 435.4 Integriertes Bremssystem IBS. Abb..13 Vollbremsung geradeaus auf Eis mit IBS men (durch die hohe Motordynamik und die geringe Drosselung der SV s). Druckregelung bei ABS Wie bereits oben beschrieben, bewegt der hoch dynamische EC-Motor des IBS den HZ-Kolben für die sequentielle radindividuelle Druckregelung. Dieses sogenannte hydraulische 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.. Abb..9 oben zeigt die Systemdynamik in dem der Motor in weniger als 4 ms 00 U/min und in wenigen Millisekunden die Drehzahlumkehr erreicht. Die Drücke in HZ und RZ zeigen die entsprechend hohe Drucksteuerdynamik. Vom ABS-Regler erhält der Motor einen Sollwert für den RZ-Druck. Über ein Druckmodell regelt der Motor die entsprechende Kolbenposition mit definiertem Zeitverhalten an. Hierbei entstehen im Vergleich zum konventionellen System erheblich geringere Druckschwingungen. Die genaue Druckregelung ermöglicht weiter eine präzise Umsetzung der Solldrücke und damit auch eine ABS-Regelung mit geringen Regelabweichungen im Reifenschlupf. Wie bereits oben kurz beschrieben, sind die heutigen EV s und AV s Regelventile die mit Drosseln ausgestattet sind, die fahrzeugspezifisch die Druckgradientenfestlegen. Bei IBS sind die Ventile ungedrosselt. Somit bestimmt die Kolbengeschwindigkeit den Druckgradient, der für jede Druckänderung bedarfsgerecht gewählt werden kann. ABS-Regelung Die geringe Drosselwirkung der Schaltventile bei IBS erlaubt einen großen Druckabbaugradient bei low-µund bei Tieftemperaturbremsungen. Ein Vergleich zeigt den Druckabbau der repräsentativ für eine Geradeausbremsung auf Eis ist (. Abb..13a). Dabei ist die Druckabbauzeit bei IBS von 10 bar auf 5 bar von heute 60 ms mit einem Rückfördersystem ohne Geräuschnachteile um den Faktor 4 verkürzt. Dies äußert sich auch vorteilhaft beim schnellen Anbremsen auf Eis.. Abb..13b zeigt exemplarisch eine IBS-Regelung an einem Vorderrad mit rein sequentieller Ansteuerung des hydraulischen Multiplexers beim schnellen Anbremsen auf Eis mit einem mittleren Blockierdruck von ca. 6 bar. Bei IBS entsteht durch die höheren Druckabbaugradienten, anfänglich ein Δv

12 436 Kapitel Integrierte Bremssysteme. Abb..14 Aufbau des modularen IBS von nur 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 ist der typische Ablauf beim konventionellen ABS qualitativ eingezeichnet. Verglichen mit dem konventionellen ABS wurden Bremswegverkürzungen von bis zu % mit zusätzlich verbesserter Fahrstabilität gemessen. Dabei sind Geräusch und Pedalrückwirkung kaum wahrnehmbar. Die hochdynamische Druckregelung ist sehr schnell und genau, was sich auch in den kleinen Radbeschleunigungen ausdrückt. Von der EMB oder der Keilbremse (voll elektrische Bremse) die ohne Bremsflüssigkeit und deshalb ohne die Viskositätsprobleme bei Tieftemperaturen auskommen, sind keine besseren Ergebnisse bekannt.. Abb..13c zeigt die Bordnetzbelastung die unabhängig von der Pedalkraft ist. Im Vergleich dazu zieht das konventionelle ABS mit steigenden Pedalkräften immer höhere Ströme bis auf mehr als das 5-fache..4.3 Aufbau und Modularität Das modulare System in einer möglichen Grundstruktur zeigt. Abb..14: Modul I: THz mit Ventilblock (HCU) und ECU Modul II: EC-Motor und Spindel vorzugsweise mit KGT Modul III: Pedalinterface mit Übertragung zum Pedal-Wegsimulator und Sensoren. Hier ist auch ein Stößel untergebracht, welcher den Pedalstößel bei Ausfall der BKV mit den THz-Kolben verbindet als Basis für eine Rückfallebene. Von der ECU kann auch das Flüssigkeitsniveau vom Vorratsbehälter erfasst werden, so dass außer dem Leitungssatz zum Bordnetz (Stromversorgung, Bus und Raddrehzahlsensoren) keine weiteren externen Leitungssätze mehr notwendig sind. Diese Module lassen sich zu einem kompakten Packaging, kleiner als der konventionelle BKV mit THz, mit guter Zugänglichkeit zum Radzylinder und z. B. Austausch der ECU gestalten..4.4 Anforderungen an das zukünftige Bremsenmanagement IBS ist im Hinblick auf Fehlersicherheit optimiert. Bei allen bisher bekannten Bremssystemen erfolgt bei der Druckmodulation zum Druckabbau eine Öffnung des Bremskreises mit Verbindung zur Speicherkammer (bei dem bereits erwähnten Rückförderprinzip von ABS und ESP) oder fehlerkritisch in den Vorratsbehälter (offenes Bremssystem). Beim offenen Bremssystem hat ein AV-Fehler den Ausfall des Bremskreises zur Folge. Aus diesem Grund haben sich offene Bremssysteme nicht durchsetzen können. Bei IBS erfolgt die Druckmodulation über die HZ-Kolben im geschlossenen Bremskreis. Dadurch ist auch die Bremskreisausfallerkennung unmittelbar auswertbar. Hierzu wird der Kolbenweg mit der Druck-Volumen-Kennlinie des Bremssystems, unter Verwendung des DG-Signals, korreliert. Ähnliches gilt für die Erkennung des Ausfalls einer Radbremse: da der Radbremsdruck gemessen wird (auch bei ABS, wie oben erklärt), kann auch hier der Kolbenweg mit der Druck-Volumen-

13 .4 Integriertes Bremssystem IBS 437. Abb..15 Zukünftiges Bremsenmanagement Kennlinie jeder einzelnen Radbremse korreliert werden. Bei einem Ausfall durch Undichtheit außerhalb der HCU, kann das Schaltventil zum ausgefallenen Radzylinder geschlossen werden, und, wie bei der EHB, mit 3 RZ statt mit 2 weiter gebremst werden. Dies ist ein deutlicher Sicherheitsgewinn. Die geringe Anzahl von Komponenten lassen eine hohe Zuverlässigkeit erwarten. Dabei verwendet IBS Komponenten, die sich bereits millionenfach in Sicherheitssysteme bewährt haben. Unter Verwendung der vorhandenen Sensorik und des EC-Motorstroms ist eine lückenlose Überwachung aller Komponenten möglich. Wie bereits erwähnt, wird bei Ausfall des Wegsimulators auf eine Bremskraftverstärkung mit Folgeverstärker umgeschaltet. Bei Ausfall der BKV ist in der Rückfallebene eine hohe Fahrzeugverzögerung bei einer Fußkraft von 500 N möglich (weit über 0,5 g). Seit 11 ist ESP in Europa und in den USA als Serienausstattung für neue Fahrzeugmodelle Pflicht. Diese Funktionalität erfüllt das IBS bereits (. Abb..15). Das zukünftige Bremsenmanagement wird deshalb durch den Einfluss von Hybridfahrzeugen und Assistenzsystemen geprägt. Bei Hybridfahrzeugen erzeugt zur Rekuperation der Bremsenergie der Generator ein Bremsmoment, das stark schwankend und begrenzt ist, wobei das Bremsenmanagement entsprechend des Fahrerwunsches dem IBS einen komplementären Solldruck vorgibt [6, 8]. Dabei gibt der Fahrer durch Pedalweg und kraft den Sollwert der Fahrzeugverzögerung vor. Grün gezeichnet sind zusätzliche Potenziale, z. B. dass Fahrzeugverzögerung, Fahrzeuggewicht und Anhängerlast mitgerechnet werden, so dass der Fahrer seine Pedalkraft und weg nicht mehr z. B. der unterschiedlichen 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, z. B. 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 entsprechende Kolben- und Ventilsteuerung ein kleines Lüftspiel erzeugt werden, was das Restmoment nennenswert reduziert. Ein vergrößertes Lüftspiel kann bekanntlich auch durch einen verstärkten Rollback im Radzylinder erzeugt werden, wie auch anfangs bei der EHB eingesetzt. Nachteilig sind die vergrößerten Pedalwege in der Rückfallebene, welche bei IBS nicht auftreten. Die schnelle, präzise und geräuscharme Druckregelung des IBS lässt sich auch für eine druckunterstützte elektrische Parkbremse (EPB) einsetzen.

14 438 Kapitel Integrierte Bremssysteme.4.5 Zusammenfassung Die herausragenden Merkmale von IBS sind: hohe Funktionalität auch für alle bekannten Assistenzsysteme und mindestens gleich EHB oder EMB Gewichts- und Bauraumersparnis kompaktes Packaging für alle Fahrzeuge relativ geringe Komplexität und Aufbau mit bekannten Standardkomponenten hohe Fehlersicherheit und ausgezeichnete Rückfallebene. Diagnose aller sicherheitsrelevanten Funktionen ist möglich Potenzial für Zusatzfunktionen wie vereinfachte elektrische Parkbremse und Belaglüftspielsteuerung Literatur 1. Leiber, H.: ABS Vergleich separate und integriertesysteme. VDI-ATG-Tagung, Wolfsburg, Dez (1984) 2. van Zanten, A.T., Erhardt, R., Pfaff, G.: FDR Die Fahrdynamikregelung von Bosch. ATZ 11, (1994) 3.»Brake system concepts for hybrid vehicles«, Dr. Hans- Jörg Feigel, Scott Ross, Stefan Linkenbach, IQPC 6th International Congress «Intelligent Braking 11« , Köln 4. Modulares integriertes ESP mit hochdynamischer Drucksteuerung, Dr. Thomas Leiber, 14. Internationaler Fachkongress»Fortschritte in der Automobil-Elektronik«, 15./16.Juni 10, Ludwigsburg 5. Leiber, T., Köglsperger, C., Unterfrauner, V.: Modulares Bremssystem mit integrierten Funktionen. ATZ 06, (11) 6. Soga, M., Obuchi, Y., Sakai, A., Niwa, S.: Development of Toyota s hybrid brake system. In XXV. Internationales µ-symposium, Juni, 05,Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 597, S Barthenheier, T., Witte, B.: ebkv der Elektromechanische Bremskraftverstärker. VDI-Berichte (14, 07) 8. Pickenhahn, J., Gilles, L., Hönig, Th., Thomas, P.: Concepts for regenerative braking in vehicles with hybrid propulsion drive. In: XXVI. International µ-symposium, Bad Neuenahr, Germany, 6/06, ISBN X