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Sicherheit

Fahrwerk

 

Fahrdynamiksysteme / Elektronisches Bremsenmanagement

 

Elektronisches Bremsen Management EBM - Fahrdynamiksysteme am Beispiel von BMW

System zur Optimierung von Fahrstabilität, Traktion und Bremsfunktion - von BMW

Moderne Automobile wie hier von BMW sind heute mit einer Vielzahl von Systemen zur Fahrerunterstützung ausgestattet. Durch die Verknüpfung von Schlupfregel-, Brems- und Fahrstabilitätssystemen gelingt es, die aktive Sicherheit und den Fahrkomfort zu steigern und so den Fahrer zu entlasten. Funktionen wie ABS, ASC und DSC helfen dem Fahrer, sein Fahrzeug auch in kritischen Situationen sicher zu beherrschen, nehmen ihn aber nicht aus seiner Verantwortung.

Der durchschnittliche Autofahrer, der sein Fahrzeug nur in Ausnahmefällen bis an die physikalischen Grenzen bewegt, wird von den unsichtbaren Helfern kaum etwas bemerken. Sie treten erst dann in Aktion, wenn die Reifen Gefahr laufen, die Haftung zu verlieren, das heißt bevor die Räder durchdrehen, rutschen oder blockieren.

Alle Fahrdynamiksysteme können und sollen den Fahrer nur unterstützen, ihn aber nicht seiner Verantwortung entbinden.

Die Elektronik soll dem Fahrer helfen, sein Fahrzeug in kritischen Situationen sicher zu steuern, zu bremsen und zu beschleunigen.

Doch Vorsicht: Auch die vielfältigen Möglichkeiten, die die moderne Technik den Fahrzeugentwicklern heute bietet, die Grenzen der Physik können sie nicht verschieben.
Kräfte am Kfz
Kräfte am Kfz

Elektronisches Bremsen Management EBM

Hinter der Bezeichnung Elektronisches Bremsen Management EBM verbirgt sich bei BMW die Integration aller Regelsysteme zur Verbesserung der Bremseigenschaften und Erhöhung der Fahrstabilität. Ziel der Entwicklung ist eine System-Architektur, die sowohl Hard- als auch Software aller bisherigen Bremskomponenten und Regelsysteme zusammen fasst und ohne zusätzliche Infrastruktur eine weitere Steigerung von aktiver Sicherheit und Fahrkomfort zulässt. Ein einziges Steuergerät beinhaltet alle Funktionen: ABS, ASC, DSC und DBC.

Antiblockiersystem ABS

Das erste Schlupfregelsystem, das vor über 20 Jahren bei BMW im 745i eingesetzt wurde, war das Antiblockiersystem (ABS). Radsensoren überwachen, wie schnell sich die Räderwährend des Bremsvorganges drehen. Neigt ein Rad zum Blockieren, wird – ausgelöst vom ABS-Steuergerät – automatisch der Bremsdruck am entsprechenden Radbremszylinder soweit verringert, bis das Rad wieder unter optimalem Schlupf läuft. Das Ziel ist dabei, den Schlupf so einzustellen, dass möglichst hohe Bremskräfte übertragen werden können. Der Fahrer spürt den Regelvorgang als Pulsieren des Bremspedals. Durch die individuelle Steuerung des Bremsdrucks für jedes einzelne Rad wird auch bei unterschiedlich rauhem Fahrbahnbelag die maximale Brems- und Seitenführungskraft aufgebaut.

So kann der Fahrer auch bei einer Vollbremsung auf glatter Fahrbahn bei meist deutlich kürzerem Bremsweg noch Hindernissen ausweichen. Während ABS vor zwei Jahrzehnten als Sonderausstattung nur Modellen der Oberklasse vorbehalten war, ist es bereits seit 1991 serienmäßig bei allen BMW Fahrzeugen und heute auch bei kleineren Fahrzeugen weitverbreitet. Auf der Infrastruktur der ABS-Bremsanlage und der Vernetzung verschiedener Systeme bauen eine Vielzahl von Funktionen wie ASC, CBC, DBC oder DSC auf, die die Fahrstabilität nicht nur beim Bremsen erheblich verbessern.

Als erster Motorradhersteller der Welt führte BMW 1989 ein elektronisches Antiblockiersystem (ABS) ein.

Automatische Stabilitäts Control ASC

Ein weiterer Schritt zu mehr Fahrstabilität war die Einführung der Antriebsschlupfregelung ASC. Diese Stabilitätskontrolle sorgt dafür, dass die Antriebskraft beim Beschleunigen mit minimalem Schlupfübertragen wird. ASC lässt unabhängig von der Stellung des Gaspedals nur soviel Motorleistung zu, wie in der momentanen Fahrsituation ohne durchdrehende Räder möglich ist. So kann auch auf regennasser oder schneebedeckter Fahrbahn mit dem maximal möglichen Anfahrmoment beschleunigt werden, ohne ein ausbrechendes Fahrzeugs befürchten zu müssen. Wie beim Bremsen mit ABS, erkennt ASC über die Erfassung der Radgeschwindigkeiten per Sensor, ob die Rädersicher greifen. Neigen die angetriebenen Räder zum Durchdrehen, löst die Steuerelektronik einen Regelvorgang aus. Durch die Vernetzung über Daten-Bus-Systeme greift sie in das Motormanagement ein und nimmt unabhängig von der momentanen Gaspedalstellung das Drehmoment zurück. Selbst wenn der Fahrer noch Vollgas geben sollte, werden Drosselklappenstellung, Zündwinkel und Einspritzmenge soweit zurückgenommen, bis die Antriebsräder wieder greifen. Reicht selbst die Zündausblendung einzelner Zylinder nicht mehr aus, werden die Antriebsräder durch den automatischen Eingriff der Radbremsen am Durchdrehen gehindert.

Steht das Fahrzeug mit einem der beiden angetriebenen Rädern auf griffigem, mit dem anderen aber auf glattem Untergrund, neigt ein Rad beim Anfahren zum Durchdrehen. Ähnlich der Funktion eines geregelten Sperrdifferentials wird das Traktionsproblem gelöst, indem das Rad, das zum Durchdrehen neigt, automatisch soweit abgebremst wird, bis das zweite Antriebsrad genügend Drehmoment zum Anfahren übertragen kann. So sichert die Schlupfregelung das spurtreue Anfahren auch bei kritischen Fahrbahnverhältnissen. Jeder Regeleingriff des ASC wird dem Fahrer durch eine blinkende Anzeigenlampe (Blinkleuchte) im Kombiinstrument angezeigt. Zum Anfahren in tiefem Schnee, auf sehr lockerem Untergrund oder bei Fahren mit Schneeketten empfiehlt es sich, die ASC-Funktion per Knopfdruck auszuschalten, weil hier hoher Schlupf den Vortrieb verbessert.

Motorschleppmomentenregelung MSR

Wenn der Motor beim Herunterschalten zu viel Bremsmoment auf die Antriebsräder aufbringt, besteht besonders auf glatter Fahrbahn die Gefahr, dass die Antriebsräder blockieren. Dadurch kann der Wagen ins Rutschen kommen und instabil werden. Die MSR, eine sinnvolle Erweiterung der ASC erkennt solche Grenzsituationen durch die Auswertung der Signale von den Raddrehzahlsensoren. Über den Datenaustausch von Motor- und Getriebesteuerung wird eine Gegenmaßnahme eingeleitet und umgekehrt wie beim ASC-Einsatzetwas Gas gegeben, bis die Räder wiederrutschfrei rollen. Bei Automatikgetrieben werden Schaltvorgänge solange unterdrückt, bis die kritische Situation bereinigt ist. Nicht nur beim Herunterschalten, sondern auch beim schnellen Gaswegnehmen auf glatter Fahrbahn erweist sich die MSR als segensreiche Erweiterung der ASC-Funktion.

Dynamische Stabilitäts Control DSC 

(bekannt auch als ESP von Bosch, s.a. Bericht zum ESP)

Die DSC, als neue, zusätzliche Funktion integriert mit ABS, ASC und MSR, erhöht die Fahrsicherheit bei abrupten Ausweichmanövern oder plötzlichen Gefahrensituationen bei Kurvenfahrt. Sie überwacht alle Betriebszustände des Autos auf sichere Spurhaltung und Fahrstabilität. Durch den gezieltenselektiven Einsatz der einzelnen Radbremsen und den Eingriff in die Antriebssteuerung verhindert die DSC das Ausbrechen (s.a. Übersteuern oder Untersteuern?) eines Fahrzeugs im Grenzbereich. Es unterstützt den Fahrer bei seiner Aufgabe, den Wagen auch auf schnee- und eisglatter Fahrbahn sicher auf Kurs zu halten. Die DSC besteht im wesentlichen aus den zusätzlichen Sensoren zum Erfassen der Fahrzustände, dem Hydrauliksystem zum Aufbau der Bremskräfte und der Software. Wer die Funktion des DSC verstehen will, sollte sich etwas mit der Physik eines Fahrzeugs im Grenzbereich auseinandersetzen.

Cornering Brake Control CBC

Eine Erweiterung des ABS, das die Fahrstabilität besonders beim Bremsen in Kurven erhöht, ist die Cornering Brake Control CBC. Bremsmanöver in der Kurve können mit dem Risiko verbunden sein, dass das Fahrzeug durch die Verlagerung der Radlasten instabil wird. Deshalb sorgt CBC schon bei Bremsdrücken unterhalb der ABS-Regelschwelle durch unterschiedlich hohe Bremsdrücker rechts und links für stabilisierende Gegenmomente. Dadurch, dass die kurveninneren Räder schwächer abgebremst werden als die auf der Außenseite, entsteht ein Moment, das der eindrehenden Gierbewegung beim Kurvenbremsen entgegenwirkt.

Auch wenn das Fahrzeug so starkabgebremst wird, dass das ABS arbeitet, achtet die CBC darauf, dass die Bremskräfte so verteilt sind, dass der Wagen wie vom Fahrer gewünscht in die Kurve gelenkt und stabilisiert wird.

Dynamische Bremsen Control DBC

Mit dem Modelljahr 1999 wurde die DSC bei den BMW der 5er- und 7er-Reihe um eine weitere Funktion zur Verbesserung der aktiven Sicherheit erweitert. Durchschnittliche Autofahrerverschenken in der Regel wichtigen Bremsweg, da sie nicht kräftig genug die Bremse betätigen, um an allen vier Rädern die bestmögliche Verzögerung zu erzielen. Oft sind es auch nur die Bremsen an der Vorderachse, die durch das leichte Pulsierendem Fahrer signalisieren, dass das ABS aktiv ist. Anstatt den Druck weiter zu verstärken, um auch die Bremse an der Hinterachse in den Regelbereich zu bringen, verringern viele Autofahrer den Druck aufs Pedal und verschenken so die vielleicht entscheidenden Meter Bremsweg. Die Dynamische Bremsen Control unterstützt den Fahrer aktiv bei Gefahrenbremsungen, indem die Bremskraft unabhängig vom Pedaldruck soweit erhöht wird, bis die bestmögliche Verzögerung erzielt ist.

Das elektronische Bremsen Management EBM, das die Funktionen ABS, ASC, DSC und DBC verknüpft, erkennt daraus, wie schnell und stark der Fahrer das Pedal betätigt, ob es sich um eine normale oder Notbremsung handelt. Die Software veranlasst den schnellstmöglichen Druckaufbau, um so rasch wie möglich die maximale Bremskraft zur Verfügung zu stellen. Bei einer Notbremsung wird der Druck an allen vier Radbremsen bis zum Regelbereich des ABS erhöht, um die optimale Verzögerung zu erreichen. Im Gegensatz zu pneumatisch verstärkten Systemen ist mit der hydraulischen Bremskraftverstärkung eine Vollbremsung wesentlich besser zu dosieren.

Für die Umsetzung der DBC-Funktion sind keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, denn zum Druckaufbau wird die Hydraulikeinheit der DSC, zur Erkennung des Fahrerwunsches, der DSC-Drucksensor mitbenutzt.

Diagramm DBC

Diagramm DBC

Active Cruise Control ACC 

Neben den Systemen zur Erhöhung der Sicherheit kann die Infrastruktur des EBM auch zur Komfortsteigerung eingesetzt werden. Eine der möglichen Anwendungen ist die Weiterentwicklung des Geschwindigkeitsreglers, die Active Cruise Control ACC. Die ACC unterstützt den Fahrer vor allem auf Autobahnen und Schnellstraßen bei der Einhaltung der situationsgerechten Abstände und Geschwindigkeiten. Über Tasten im Multifunktionslenkrad wird wie beim herkömmlichen Geschwindigkeitsregler die Wunschgeschwindigkeit eingestellt, die im Tachometer angezeigt wird.

Ein Radarsensor in der Fahrzeugfront sendet Radarsignale aus, die von vorausfahrenden Fahrzeugen reflektiert werden. Die ACC ermittelt daraus den Abstand zum Vordermann und die Relativgeschwindigkeit zwischen beiden Fahrzeugen, so dass bis zu einer Entfernung von rund 120 Metern auf den vorausfahrenden Verkehr reagiert werden kann. Ist der vorausfahrende Verkehr langsamer als die Wunschgeschwindigkeit, nimmt das System Gas weg und verzögert bei Bedarf die Geschwindigkeit durch automatischen Bremseingriff über das EBM so lange, bis ein der Situation angepasster Abstand zum Vordermannhergestellt ist. Der Fahrer kann das Abstandsregelverhaltendes Systems individuell variieren, ohne jedoch den gesetzlich zulässigen Bereich zu verlassen.

Setzt der Fahrer zum Überholen an und wechselt auf eine freie Spur, beschleunigt das System ohne Zutun des Fahrers wieder bis zur Wunschgeschwindigkeit. ACC bietet dem Fahrer mehr Komfort und entlastet ihn. In kritischen Situationen muss er aber nach wie vor durch Bremsen die Verantwortung übernehmen.

Blick in die Zukunft: Brake-by-Wire

Bei der praktischen Auslegung des Bremsen Managements haben die BMW Ingenieure neben der konventionellen Form auf hydraulischer Basis eine weitere Option: Die Brake-by-Wire-Technik. Dabei kann es sich um ein elektro-hydraulisches Systemhandeln, bei dem lediglich die Befehlsübertragung vom Bremspedal zur Hydraulikeinheit im Vergleich zu heutigen Anlagen durch elektronische Signale ersetzt wird. Ebenso ist aber auch eine rein elektrische Bremse denkbar, die über elektro-mechanisch betätigte Bremszangen verfügt. da wegen der Ausfallsicherheit zwei autonome Stromkreise zur Energieversorgung notwendig sind.

Das Integrierte Chassis Management ICM

Die Visionen der BMW Entwickler enden mit dem Elektronischen Bremsen Management noch längst nicht. Der nächste Schritt könnte das Integrierte Chassis Management ICM sein, das die EBM-Funktionen mit weiteren Fahrwerksregelsystemen vernetzt. Durch Verknüpfung der Schlupfregelfunktionen mit Systemen, wie der Elektronische Dämpfer Control EDC oder dem Wankausgleich, wie er im neuen Land Rover Discovery eingesetzt wird, lässt sich das Kraftschlusspotential der Reifen noch bessernutzen. Außerdem kann durch die Kombination der DSC-Funktion mit aktiven Lenkeingriffen an der Vorder- und Hinterachse die Fahrstabilität weiter verbessert werden. Der Einsatz moderner Technik ermöglichtes, bei gesteigerter aktiver Sicherheit komfortabler und entspannter ans Ziel zu kommen. Da sich der Fahrerstärker auf seine Aufgabe konzentrieren und in kritischen Situationen sein Fahrzeug besser beherrschen kann, rückt die Freude am Fahren noch mehr in den Vordergrund. Trotz der Unterstützung kann und will die Technik den Fahrer aber nicht aus seiner Verantwortung nehmen.

 Diagramm Fahrdynamik Systeme

Diagramm Fahrdynamik Systeme

Übersteuern oder Untersteuern?

mehr beim ESP
 
Bricht bei einem Wagen das Heck aus, spricht man von Übersteuern. Der Wagen beginnt, sich um seine Hochachse zu drehen – der Fachmann spricht dann vom Gieren. Verursacht wird dies bei Heckantrieb unter anderem durch zu viel Antriebsmomentan der Hinterachse, bei Frontantrieb durch sehr plötzliches Gaswegnehmen. Um dieser Drehbewegung entgegenzuwirken, muss das kurvenäußere Rad abgebremst werden, um ein Korrekturmoment aufzubauen. Das Prinzip der entgegenwirkenden Drehbewegung lässt sich mit der Lenkung von Raupenfahrzeugenanschaulich darstellen. Um eine Pistenraupe nach links zusteuern, wird die linke Antriebskette abgebremst, während das rechte Gegenstück für den Antrieb sorgt. Das gleiche Phänomen lässt sich anwenden, um ausbrechende Fahrzeuge wieder unter Kontrolle zu bekommen.  Übersteuern
Übersteuern
Untersteuert ein Auto, geht die Seitenführung der Vorderräder verloren und das Fahrzeug schiebt über die Vorderräder geradeaus zum Kurvenausgang. Dies ist vor allem bei frontgetriebenen Fahrzeugen bei zu starker Beschleunigung der Fall. Um das Untersteuern zu vermeiden, müssen wie bei Kettenfahrzeugen die kurveninneren Räder abgebremst werden, um den Wagen durch das Gegenmoment in die Kurve zu lenken. Bei einem übersteuernden Wagen, der mit dem Heck zum Kurvenausgang drängt, wird durch Abbremsender kurvenäußeren Räder der Wagen in der Spur gehalten. Die Hinterräder bekommen in einer Rechtskurve wieder Seitenführung und die Ausbrechbewegung wird kompensiert, wenn die Räder auf der linken Seite abgebremst werden. Untersteuern
Untersteuern

Um solchen Instabilitäten schon im Ansatz entgegenzuwirken, kann das DSC-System ohne Zutun des Fahrers Gas wegnehmen und jedes einzelne der vier Räder gezielt abbremsen: Das Fahrzeug lenkt dann durch einseitiges Bremsen. Um festzustellen, ob das Auto stabil fährt oder mit Front oder Heck aus der Kurve drängt, muss das DSC-Steuergerät eine Reihe von physikalischen Größen kennen und auswerten.

Sensoren ermitteln die fahrdynamischen Bewegungen. Die sind unter anderem:

  • die Gierrate, die angibt, wie schnell sich das Fahrzeug um seine Hochachse dreht

  • die Querbeschleunigung, als Maß für Kurvenradius und -geschwindigkeit.

Zusätzlich wird der Fahrerwunsch aus

  • dem Lenkwinkel, der die gewünschte Richtung angibt, und

  • dem Bremsdruck, den der Fahrer über das Pedal ausübt, erkannt.

Darüber hinaus liefert das ABS die Information über die Drehzahl der einzelnen Räder.

Aus den zur Verfügung stehenden Messwerten wird im DSC-Rechner der Ist-Zustand ermittelt, in dem sich der Wagen im Moment bewegt. Dieser wird mit Sollwerten, die im Rechnergespeichert sind, verglichen. Weichen die aktuellen Ist-Werte vom Sollzustand (z.B. sichere Kurvenfahrt) ab, wird die DSC aktiv und greift direkt in das Bremssystem und die Motorsteuerung ein.

Mit einer Rückförderpumpe, unterstützt durch die Vorladepumpe, wird ohne Eingriff des Fahrers radindividuell Bremsdruck aufgebaut. Nicht nur bei Kurvenfahrt, sondern auch bei extremen Situationen, wie zum Beispiel beim Überfahren einer Eisplatte oder abrupten Ausweichmanövern, kann ein Fahrzeugschnell instabil werden. Auch dann unterstützt die Stabilitätskontrolleden Fahrer durch Bremseingriff.

Falls es erforderlich ist, greift die Steuerung zusätzlich in das Antriebsmanagement ein. Dabei wird das Drehmoment des Motors so weit wie nötig verringert. Darüber hinaus verhindert die DSC in diesen Grenzsituationen, dass das Automatikgetriebe schaltet und zusätzliche Laständerungen auf den Antriebsstrang wirken. Wie die ASC lässt sich auch DSC per Knopfdruck deaktivieren.

Quelle: BMW AG


Autor: Johannes Wiesinger
bearbeitet: 19.02.2015
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