Elektromobilität erhöht den Druck
Während sich die Welt der „Nullemission” annähert, stehen Ingenieure im Transportwesen unter Druck, mit kreativen Ideen das Vertrauen der Fahrer in die sich verändernden Technologien zu erhalten.
Nehmen wir zum Beispiel die hydraulische Bremsanlage: Das derzeitige Hydrauliksystem ist wahrlich ein technisches Meisterwerk. Das zu entwickeln und zu vervollkommnen, was Fahrer als selbstverständlich ansehen, wenn sie das Bremspedal betätigen, hat Jahrzehnte in Anspruch genommen. Während das System, das das Fahrzeug verlangsamt, an sich schon eine komplexe technische Meisterleistung darstellt, ist die servounterstützte Pedalbetätigung durch den Fahrer nicht minder beeindruckend.
Wenn wir die durch den Fahrer eingesetzte Pedalkraft mit der Abbremsung des Fahrzeugs vergleichen, sehen wir, dass diese Abhängigkeit nichtlinear ist. Aufgrund des „Bremskraftverstärkers“ ist der erste Teil der Kurve steiler, sodass der Fahrer eine direkte Korrelation zwischen Pedaleinsatz und Abbremsung erfährt. An einem bestimmten Punkt, dem sogenannten Kniepunkt, wird die Unterstützung jedoch reduziert, um zu verhindern, dass der Fahrer versehentlich die Räder blockiert, wodurch die Bremswirkung herabgesetzt würde.
Obwohl Bremsenhersteller die Optimierung dieser Systeme perfekt beherrschen, liegt ein sehr schmaler Grat zwischen einer großartigen Bremsanlage und einer, die unter extremen Bedingungen gefährlich werden kann. Ein erfahrener Fahrer stellt dies oft bei einer Notbremsung fest: Das Fahrzeug wird zunächst wie erwartet langsamer – und Sekunden vor dem Unfall geht die Bremswirkung gegen null. Dies liegt in der Regel an zu einem starken Rückgang der Servounterstützung, die den Fahrer nötigt, in einer kritischen Fahrsituation übermäßigen und unerwarteten Druck auf das Pedal auszuüben.
Während dies ein Worst-Case-Szenario sein mag, kann ein grenzwertiges Bremssystem sogar unter alltäglichen Fahrbedingungen zu einem unbefriedigenden Nutzererlebnis führen: Verbraucher klagen in der Regel dann über ein mangelndes Bremsgefühl (Haptik), in der Branche allgemein auch als „hartes Bremspedal“ bekannt, wenn die aufgewendete Pedalkraft nicht mit der erwarteten Abbremsung einhergeht. In einer solchen Situation hat der Fahrer das Gefühl, vom Fahrzeug abgekoppelt zu sein.
Dennoch ist die Automobilindustrie nach jahrzehntelanger Verfeinerung des Systems gezwungen, alles zu überdenken, was sie im Zuge dessen gelernt hat: Elektrofahrzeuge definieren die Fahrzeugsteuerung neu.
Brake-by-Wire-System eines Formel 1-Rennwagens.
Bildquelle: https://www.formula1-dictionary.net
Das Bremssystem für Elektrofahrzeuge wird revolutioniert
Mit dem Einzug der Elektrifizierung werden herkömmliche Verbrennungsmotoren zum Auslaufmodell, was Konsequenzen hat: Für mechanische Komponenten, wie z. B. die Saugluftbremse, fällt eine verfügbare Leistungsquelle weg; dementsprechend müssen elektrisch angetriebene Pumpen und Motoren entwickelt werden, um die Steuersysteme anzutreiben.
Darüber hinaus werden im Rahmen der Integration automatisierter Fahrsysteme Bedienelemente zügig auf die Elektrik/Elektronik (E/E)-Architektur umgestellt; diese werden oft salopp als „X-by-Wire“-Bedienelemente bezeichnet.
Aber damit ein Brake-by-Wire-System sicher und effektiv funktionieren kann, muss die Mensch-Maschinen-Schnittstelle (MMI) vollständig und unverändert erhalten bleiben. Um dies zu bewerkstelligen, müssen Ingenieure beide Kräfte abbilden (hier gemessen in Kraft/Fläche oder Druck): die vom Fahrer aufgewendete Pedalkraft und der daraus resultierende Druck auf die Bremssattelkolben/Radzylinder in dem „traditionellen“ hydromechanischen System.
Nur qualitativ hochwertige Drucksensoren sind gut genug
Da die Glaubwürdigkeit dieser Daten für die erfolgreiche Entwicklung des E/E-Systems entscheidend ist, können nur qualitativ hochwertige Drucksensoren verwendet werden, die genaue und reproduzierbare Aufzeichnungen liefern.
Diese Sensoren müssen nicht nur in der Lage sein, hochpräzise Daten zu erfassen, sondern dies auch einer Umgebung bewerkstelligen, die aufgrund aggressiver Chemikalien, Hitze, Vibration und räumlicher Beschränkungen für sorgfältig kalibrierte Messgeräte eher ungünstig ist.
Aus diesem Grund verlassen sich Entwicklungsteams bei der Beschaffung von Messgeräten auf eine Handvoll bewährter Lieferanten von Qualitätsdrucksensoren.
Das Bremsgefühl steht im Mittelpunkt
Ausgerüstet mit Eingangs- und Ausgangsdrücken, müssen Ingenieure nun versuchen, das Bremsgefühl des traditionellen Systems nachzubilden; die Replikation der reinen Bremsleistung ist zweitrangig. Durch die Verwendung von Raddrehzahlsensoren kann die Abbremsung relativ einfach maximiert werden; etwas schwieriger gestaltet sich die Replikation des Fahrergefühls, wenn dieser bei niedrigen Geschwindigkeiten sanfte Testbremsungen durchführt.
An diesem Punkt sind reale Daten (Messergebnisse) Gold wert: Das Verhältnis von Pedalkraft zum Bremsdruck muss durch eine elektronische Steuereinheit repliziert werden, welche das Maß steuert, mit dem die Bremsen betätigt werden. Dies allein ist eine Mammutaufgabe, da Fahrer je nach Straßen-und Verkehrsbedingungen und persönlichen Vorlieben unterschiedlich stark bremsen: Ein Fahrer, der es eilig hat, bremst vielleicht erst in der letzten Minute und muss daher hart bremsen, während ältere Menschen ein weitaus gemächlicheres Bremsverhalten erwarten dürften.
Wie schwierig es ist, dieses Maß an Fahrerfeedback zu erreichen, kann anhand des Einsatzes des Systems in Formel 1-Rennwagen ermessen werden: Nach drei Jahren gibt es noch immer Teams, die es nicht schaffen, ihrem Fahrer ein Brake-by-Wire-System zur Verfügung zu stellen, das ihm genügend Bremsgefühl bietet, um schwere Bremsmanöver zu wagen.
Während es möglicherweise noch ein paar Jahre dauern wird, bis Brake-by-Wire-Systeme serienmäßig in kostengünstigen Massenfahrzeugen eingebaut werden, haben Bremsanlagenexperten mit Hilfe von Drucktransmitter bereits präzise gemessen, was genau dafür erforderlich ist.
