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August 11, 2017

Brake-by-wire… das system der zukunft?

Herkömmliche hydraulische Bremssysteme haben sich im Verlauf des letzten Jahrhunderts nur wenig verĂ€ndert. Technisch verbessert wurden sie durch den Umstieg von der Trommelbremse auf die Scheibenbremse und durch die EinfĂŒhrung der Antiblockiersysteme (ABS) und Elektronischen StabilitĂ€tskontrolle (ESP). Zu den neueren Entwicklungen, die Großserien-Reife erlangt haben, zĂ€hlen die Rekuperationsbremse und der Notbremsassistent (AEB). Diese Systeme wurden in der Hauptsache eingefĂŒhrt, damit das Fahren sicherer wird. Warum sollte man also an diesem Fundament rĂŒtteln?

Die technologie

Die Option, nicht lĂ€nger konventionelle mechanische BetĂ€tigungssysteme, sondern elektronisch gesteuerte Steuersysteme einzusetzen, wurde zunĂ€chst in der Luft- und Raumfahrtindustrie im Rahmen der Fly-by-Wire-Technologie untersucht. Die Steuersysteme fĂŒr die Lenkung, den Schubregler und die Bremsen wurden vollstĂ€ndig auf Elektrik umgestellt, sodass keine mechanischen Komponenten wie Kabel und GestĂ€nge mehr zum Einsatz kamen. Die Flugzeugtechniker stellten fest, dass sich durch den Wegfall dieser viel Platz beanspruchenden mechanischen Komponenten und den Einsatz elektronischer Systeme die ZuverlĂ€ssigkeit im Betrieb deutlich erhöhte und kompaktere Bauformen möglich wurden. Bisher hat die Automobilindustrie diese Neuerung elektronisch gesteuerter Systeme nur in Form der Throttle-by-Wire-Technologie ĂŒbernommen.

In der Automobilindustrie gibt es drei Arten von Brake-by-Wire-Lösungen, die bei der Weiterentwicklung von Bremssystemen eine Rolle spielen: die elektrohydraulische Lösung, die vollelektrische Lösung und eine Kombination aus beidem. Beim elektrohydraulischen System braucht es keinen BremskraftverstĂ€rker mehr. Das System arbeitet mit Sensoren und Stellgliedern, die den Druck messen, der vom Fahrer auf das Bremspedal ausgeĂŒbt wird. Diese Kraft wird vom Hauptbremszylinder ĂŒber die HydraulikflĂŒssigkeit und Nehmerzylinder auf alle Bremsen ĂŒbertragen. Durch Steuereinheiten und leistungsstarke Stellglieder kann der auf die Bremsen ausgeĂŒbte Druck viel höher ausfallen als bei konventionellen hydraulischen Bremssystemen (2000 psi gegenĂŒber 800 psi). Diese Technologie wurde in einigen Serienfahrzeugen von Mercedes Benz im Rahmen des Sensotronic Brake Control (SBC) genannten Systems verwendet. SBC war jedoch nur ein Episode: Es wurde nur 4 Jahre fĂŒr Massenmarkt-Fahrzeuge des Herstellers gefertigt, z. B. fĂŒr die E-Klasse (211) 2002-06. Das lag am System, das bei Ausfall der SBC zum Einsatz kam (lĂ€ngerer Bremsweg und höherer Bremspedaldruck ohne UnterstĂŒtzung eines BremskraftverstĂ€rkers), und der Tatsache, dass die elektrohydraulische Steuereinheit ein teures und wartungsintensives Bauteil war (Austausch nach einer definierten Anzahl BremsvorgĂ€nge). Allein das Bauteil kostete schon nahezu 1000 GBP!

Bei der zweiten Lösung handelt es sich um ein vollelektrisches Bremssystem, bei dem alle hydraulisch-mechanischen Komponenten durch elektrische ersetzt sind. An allen RĂ€der sind am Bremssattel ein SteuergerĂ€t und ein elektronisches Stellglied montiert. Über Buskabel werden von einer zentralen Steuereinheit Daten an die BremssĂ€ttel gesendet. Gesonderte Sensoren an jedem Bremssattel erfassen Temperatur, Schließkraft und Stellgliedposition. Fallen eine oder mehrere Bremssattel-Steuereinheiten aus, kann die zentrale Steuereinheit die SystemfunktionalitĂ€t dennoch weiterhin aufrechterhalten. Derzeit betrĂ€gt die Reaktionszeit der Systeme 90 ms gegenĂŒber 300 ms bei konventionellen hydraulischen Bremssystemen. Hier ist eine Weiterentwicklung fĂŒr halbautonome oder autonome Fahrzeuge denkbar. Da die Stellglieder an den BremssĂ€tteln vollelektrisch sind, können die Kolben bei Nichtgebrauch formschlĂŒssig eingefahren werden, sodass das Fahrzeug weniger Schleifwiderstand ausgesetzt ist, sich der Kraftstoffverbrauch verbessert und die Abgasemissionen – ganz wichtig – den gesetzlichen Vorgaben entsprechen. Eins der im Bereich der vollelektrischen Bremssysteme fĂŒhrenden Unternehmen ist Brembo, siehe die nachstehende Abbildung.

Das dritte System ist eine Mischung aus elektrohydraulischem und vollelektrischem System. Es verfĂŒgt ĂŒber elektrohydraulische Komponenten an der Vorderachse und vollelektrische Komponenten an der Hinterachse. Dieses kombinierte System kommt an Fahrzeugen zum Einsatz, deren Vorderradbremsen grĂ¶ĂŸer dimensioniert sind, da in diesem Fall die vollelektrischen Komponenten nicht direkt an den vorderen BremssĂ€tteln montiert werden können. 

Herkömmliche hydraulische Systeme haben ihre SchwĂ€chen, aber den Fahrern gibt das Wissen Sicherheit, dass sie im Fall eines Ausfalls im Bremssystem mit dem Pedal direkt auf alle vier Bremsen einwirken können, um das Fahrzeug zu verlangsamen oder komplett zum Stehen zu bringen. Das ist der Pferdefuß der Brake-by-Wire-Systeme, weshalb die Technologie seit 15 Jahren in der Entwicklung ist.  Brake-by-Wire-Systeme sind zwar fortschrittlich, eine separate Batterieversorgung ĂŒber die Hauptfahrzeugbatterie kann jedoch auch bei vollelektrischen Systemen aus GrĂŒnden der Ausfallsicherheit erforderlich sein. 

Potenziell bietet die Brake-by-Wire-Technologie dank der Möglichkeit, StabilitĂ€tsprogramme und weiterentwickelte ABS-Technik zu integrieren, mehr Sicherheit als herkömmliche hydraulische Bremssysteme. Aufgrund der vielschichtigen Problematik bei der Ausfallsicherheit geht jedoch eventuell noch etwas Zeit ins Land, bis diese Systeme die Normen der internationalen Verkehrssicherheitsvorschriften „Road Vehicle – Functional Safety“ erfĂŒllen. 

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