Kfz. - Sensoren

ABS, ASR und ESP zählen zu den sog. „Elektronischen Fahrwerkssystemen“.

Deren Aufgabe ist es, Fahrsicherheit und Fahrkomfort

zu steigern.

In heutigen Kraftfahrzeugen finden sich eine Vielzahl von Sensoren, Tendenz steigend.Die folgende Tabelle nennt einige Baugruppen (bzw. Unter-Baugruppen) von Kraftfahrzeugen und die dort verwendeten Sensoren.

Baugruppe Anwendung / Sensoren

Motor Erfassung der angesaugten Luftmenge mittels Luftmassensensors (Einspritzanlage);Drosselklappenwinkel

Abgasanlage Erfassung des Sauerstoff-Gehalts im Abgas als Maß für die Gemischzusammensetzung (Lamda-Sonde)

Komfortsysteme Außen- und Innentemperatur für Klimaanlage, Bordcomputer

Lenkung Lenkeinschlag (Lenkwinkelsensor)

Fahrwerk Raddrehzahlsensor

Antiblockiersystem (ABS)

Aufgabe:Das Antiblockiersystem (= ABS, engl. Antilock Braking System) soll ein Blockieren der Räder während des Bremsens verhindern und gleichzeitig die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs erhalten. Nur rollende Räder sind lenkbar und können Seitenführungskräfte übertragen.Wenn die Räder blockieren, können keine Seitenführungskräfte übertragen werden, das Fahrverhalten wird instabil und das Fahrzeug rutscht zum Kurvenäußeren.

Ziel ist es nicht, den Bremsweg zu verkürzen.Dieser kann sich auf unebenem Untergrund (z.B. Schnee, Schotter) sogar verlängern.Grund: Bei blockierenden Rädern bildet sich ein Keil vor dem Reifen, während ein mit ABS gebremstes Rad darüber hinwegrollt. Um die Arbeitsweise von ABS zu verstehen, ist es notwendig, einen wichtigen Grundbegriff einzuführen:

„Schlupf“:Schlupf (von "schlüpfen") bezeichnet im Allgemeinen das Verhalten eines technischen Elementes, das eigentlich synchronisiert in einem definiertem Drehzahlverhältnis zu einem anderen, rotierenden Element mitrotieren sollte, bei dem jedoch die Drehzahl - gewollt oder ungewollt - von diesem definierten Verhältnis abweicht. In der Regel "hinkt" dabei das eine Element dem anderen immer etwas "hinterher".

Anschaulich ist es, die Radumfangsgeschwindigkeit mit der Fahrzeuggeschwindigkeit zu vergleichen.

Man definiert Schlupf als:

Blockieren bei einer Vollbremsung ohne ABS die Räder, so beträgt der Schlupf 100 %, denn:Fahrzeuggeschwindigkeit z.B.: 13,9 m/s (50 km/h)Radumfangsgeschwindigkeit: 0,0 m/s

Während des Abrollens treten elastische Verformungen und Gleitvorgänge am Reifen auf.

Grundsätzlich gibt es keine Kraftübertragung am Reifen ohne Schlupf.Die folgende Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Schlupf und der am Reifen übertragbaren Brems- und Seitenführungskraft:

Unterschieden wird zwischen einem stabilen und einem instabilen Regelbereich. (siehe Grafik)Nur im „stabilen Regelbereich“ ist das Fahrzeug lenkbar und das Fahrverhalten stabil.

Aufbau und Wirkungsweise:

Das Antiblockiersystem besteht aus folgenden Komponenten:

Elektronisches Steuergerät Hydroaggregat (Hydraulikeinheit) Raddrehzahlsensor

Bei geringem Schlupf (leichte Bremsungen) ist das Antiblockiersystem nicht wirksam.Erst bei größerem Schlupf wird der ABS-Regelkreis eingeschaltet.Der Regelbereich liegt üblicherweise zwischen 8 und 35%.Unter 6 km/h schaltet das ABS generell ab, damit das Fahrzeug zum Stehen kommt. Damit das Steuergerät den Schlupf ermitteln und ggf. eingreifen kann, besitzt jedes Rad einen Drehzahlsensor.Häufig werden induktive Drehzahlsensoren verwendet.

Erklärung anhand eines Motordrehzahlsensors:

Einschub Induktionsgesetz ___________________________________________________________________________

Wenn sich ein Dauermagnet relativ zu einer Spule bewegt, entsteht in dieser Spule eine Spannung.Die in einer Spule induzierte Spannung ist umso größer, je rascher sich das Magnetfeld in der Spule ändert, je mehr Windungen die Spule besitzt und je stärker das Magnetfeld ist.

Allgemein ist die induzierte Spannung proportional zur Änderung des magnetischen Flusses durch die Spule und zur Windungszahl der Induktionsspule.

Uind ... induzierte SpannungN ... Windungszahl

... Änderung des magnetischen Flussest ... Zeitintervall

Magnetischer Fluss

Das Produkt aus der magnetischen Induktion (d. h. Feldstärke) B und der vom Magnetfeld durchdrungenen und vom Leiter eingeschlossenen Fläche A bezeichnet man als magnetischen Fluss.

Magnetischer Fluss = B.AA ... FlächeB ... magnetische Induktion (magnetische Feldstärke)

Einheit: [ ] = 1Vs = 1Wb (Weber)

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Der Einfachheit halber soll die Erklärung anhand eines Motordrehzahlsensors erfolgen.Der Sensor ist am Schwungrad angebracht.

Der Sensor (siehe Abb. 3) besteht im Wesentlichen aus folgenden Bauteilen:

Dauermagnet (1) Weicheisenkern (4) Induktionsspule (5)

Weiters in der Grafik eingezeichnet: Induktivgebergehäuse (2) Motorgehäuse (3) Luftspalt (6) Zahnlücken (7)

Als Impulsgeber dient ein Zahnkranz, der am Schwungrad montiert ist.

In Abhängigkeit davon, ob ein Zahn oder eine Lücke am Zahnkranz passiert wird, ändert sich der magnetische Fluss. Ein Zahn bündelt den magnetischen Fluss, eine Lücke schwächt ihn.

Durch die Magnetfeldänderung wird in der Spule eine Spannung induziert.Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit ist ein Maß für die Drehzahl.

Zusätzlich sind Bezugsmarken möglich. Damit kann neben der Drehzahl auch die Position, d.i. die Stellung der Kurbelwelle (Kurbelwinkel) ermittelt werden.

Die Abbildung zeigt das Signal des Motordrehzahlsensors.

Eingezeichnet in der Grafik: Zahn (1) Zahnlücke (2) Bezugsmarke (3)

Raddrehzahlsensor:

In ähnlicher Weise funktioniert ein induktiver Raddrehzahlsensor.An jedem Rad läuft ein gezahnter Impulsring mit, der als Impulsgeber dient.

Bremsung allgemein:Tritt der Fahrer auf das Bremspedal, erhöht sich der Druck im Bremssystem:Zunächst verteilt der Tandem-Hauptzylinder die Bremsflüssigkeit auf die einzelnen Bremskreise (üblicherweise zwei).Der Druck im Radbremszylinder erhöht sich und das Rad wird gebremst, etwa indem – bei einer Scheibenbremse – der Bremsträger mit dem Bremsbelag gegen die Bremsscheibe gedrückt wird (siehe Abb. 6, Scheibenbremse).

Besonderheit des Antiblockiersystems:Die Hydraulikeinheit kann unabhängig vom Fahrer den Bremsdruck am Radbremszylinder verringern, halten und erhöhen.

Das Hydroaggregat (Hydraulikeinheit) wird dann angesteuert, wenn der Schlupf eine bestimmte Schwelle übersteigt.Man unterscheidet drei Regelphasen:

Druck halten Druck abbauen Druck abbauen

Das Antiblockiersystem verhindert, dass der ABS-Regelbereich - üblicherweise 8-35% - verlassen wird (siehe Abb. 7).

Übersteigt der Schlupf eine gewisse Schwelle und die Blockierneigung nimmt zu, wird auf Druck halten geschaltet.Nimmt die Blockierneigung – und somit der Schlupf – weiter zu, schaltet das Hydroaggregat auf Druck abbauen.Wird eine definierte Schwelle unterschritten, baut das Hydroaggregat den Druck wieder auf. (Druck aufbauen)

Dieser Vorgang wiederholt sich etwa sechs- bis zehnmal pro Sekunde, und zwar solange der Fahrer das Bremspedal betätigt.

Funktion des Hydroaggregats:

Um den Bremsdruck am Radbremszylinder verändern zu können, sind pro Rad ein Ein- und Auslassventil vorhanden (vgl. Abb. 8).

Druck halten:Das Einlassventil wird geschlossen, das Auslassventil bleibt geschlossen.Die Verbindung zwischen Hauptzylinder und Radbremszylinder ist unterbrochen.Der aufgebaute Druck im Bremskreis bleibt gleich.

Druck abbauen:Das Auslassventil wird geöffnet.Eine Rückförderpumpe (Hydraulikpumpe) pumpt die Bremsflüssigkeit zurück in den Bremskreis. Um einen schnellen Druckabbau zu ermöglichen, steht ein Druckspeicher zur Verfügung. Damit das Bremspedal nicht durchsackt, bleibt das Einlassventil geschlossen.In dieser Regelphase kann sich das Bremspedal etwas nach oben bewegen.

Druck aufbauen:Das Einlassventil wird wieder geöffnet, das Auslassventil wird geschlossen.Der Druck am Radbremszylinder erhöht sich wieder.

ABS als Regelkreis:Das Antiblockiersystem lässt sich als Regelkreis darstellen:

Elemente des Regelkreises:

Regelstrecke Reibpaarung zwischen Reifen und Fahrbahn

Störgrößen Fahrbahnverhältnisse, Reifenzustand, Zustand der Bremsen, Gewichtsverteilung

Regler Steuergerät (vergleicht Ist-Schlupf und Soll-Schlupf)

Regelgröße Raddrehzahl

Führungsgröße Bremsdruck (wird durch den Druck am Bremspedal verändert)

Stellgröße Bremsdruck im Bremszylinder (wird vom Hydroaggregat verändert)

Antriebsschlupfregelung (ASR)

Die Antriebsschlupfregelung (ASR; engl. TCS = traction control system) ist eine von Bosch erfundene Weiterentwicklung von ABS.

Aufgabe:

Es soll ein Durchdrehen der Antriebsräder beim Anfahren und Beschleunigen – vor allem mit kräftigen Motoren – verhindert werden. Dadurch bleiben Lenkfähigkeit und Fahrstabilität insbesondere auf rutschiger Fahrbahn erhalten.

Aufbau und Wirkungsweise:

Raddrehzahlsensoren, Steuergerät und Hydroaggregat werden sowohl von ABS, als auch von ASR (und ESP) gemeinsam genutzt.

Grob gesagt, stellt ASR eine Software-Erweiterung dar.

Beim Durchdrehen der Räder beträgt der Schlupf 100%. (Radumfangsgeschwindigkeit = 0, Fahrzeuggeschwindigkeit > 0; siehe Formel aus Kapitel 2)Es kann keine Seitenführungskraft mehr übertragen werden und das Fahrzeug bricht aus.

Erkennt das Steuergerät einen starken Drehzahlanstieg, greift das Steuergerät ein.Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten:

Bremseneingriff: Dazu wird das Hydroaggregat des Antiblockiersystems genutzt, um die Antriebsräder zu bremsen.

Motoreingriff: Das ABS/ASR/ESP - Steuergerät liefert ein Signal an das Motorsteuergerät, um das Antriebsmoment zu reduzieren.

Kapitel 1Einführung

a) Fahrdynamikregelung mit ESP

Das „Elektronische Stabilitätsprogramm“ bzw. „Electronic Stability Program“ (= ESP) ist eine Fahrdynamik – Regelung und gehört zur Gruppe der elektronischen Fahrwerk – Regelsysteme

Da „ESP“ ein geschützter Begriff der DaimlerChrysler AG ist, finden sich Fahrdynamik – Regelungen (Allgemeine Abkürzung: FDR) anderer Hersteller unter anderen Bezeichnungen:

Bezeichnung Marke

VDC Alfa Romeo

DSC BMW

PSM Porsche

CST Ferrari

MSP Maserati

VSC Toyota, Lexus

VSA Honda

Das elektronische Stabilitätsprogramm hat die Aufgabe, ein Ausbrechen des Fahrzeuges (im fahrphysikalischen Grenzbereich) bei Kurvenfahrt zu verhindern.

Das wird durch Abbremsen einzelner Räder (Bremseingriff) oder Eingriff in das Motormanagement

erreicht.

Dadurch erreicht man eine Quer- und Längsstabilisierung und ein Drehen um die Hochachse (siehe unten Kapitel 2) wird verhindert.

Das ESP regelt den Querschlupf, das ist der Verlust an Seitenführungskraft. (ABS und ASR regeln den Längsschlupf.)

Systeme

Beim Elektronischen Stabilitätsprogramm wirken mehrere Systeme zusammen ([2], S. 473): Antiblockiersystem (ABS) Antriebsschlupfregelung (ASR) Motorschleppmomentregelung (MSR) Giermomentregelung (GMR) Automatische Bremskraftverteilung (ABV)

Der Funktionsumfang des ESP - Systems hängt von der verwendeten Software ab. So stellt etwa die Antriebsschlupfregelung nur eine Software - Erweiterung des Antiblockiersystems dar.Das ESP – System beinhaltet als übergeordnetes System sowohl ABS als auch ASR. Unter ESP im engeren Sinn versteht man eine Giermomentregelung.

Fahrsituationen im Grenzbereich

Übersteuern

Beim Übersteuern (auch: „Schleudern“) verlieren die Hinterräder den Kontakt zur Fahrbahn, das Heck bricht aus. Das Fahrzeug dreht sich um die Hochachse in die Kurve hinein ([4]).

Übersteuern tritt vorwiegend bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb auf.Untersteuern

Beim Untersteuern (auch: „Schieben“) verlieren die Vorderräder den Kontakt zur Fahrbahn. Das Fahrzeug „folgt“ dem Lenkeinschlag nicht (Es schiebt über die Vorderachse hinaus). Das Auto dreht sich um die Hochachse aus der Kurve heraus.

Übersteuern tritt vor allem bei Fahrzeugen mit Vorderradantrieb auf. Fahrwerke moderner Kraftfahrzeuge werden häufig so konstruiert, dass das Fahrzeug im Grenzbereich zum Untersteuern (oder neutralem Fahrverhalten) neigt.

Wirkungsweise

Komponenten, verwendete Sensoren

Ein funktionierendes ESP - System benötigt folgende Komponenten (einschließlich Sensoren), wovon einige (z.B. Motorsteuerungsgerät) weitere Funktionen erfüllen und nicht ausschließlich für ESP zuständig sind:

Hydraulikeinheit (Hydroaggregat) Steuergerät Motorsteuerungsgerät

Raddrehzahlsensoren Lenkwinkelsensor Gierratensensor Querbeschleunigungssensor Bremsdrucksensor E-Gas – Sensor

Alle Komponenten sind über ein Bussystem (üblicherweise CAN-Bus im Automobilbereich) miteinander vernetzt.

Die Hydraulikeinheit kann unabhängig vom Fahrer den Bremsdruck am Radbremszylinder verringern, halten und erhöhen (Regelkreis mit den Regelphasen Druck halten, Druck abbauen

Sensoren

und Druck aufbauen).

Der Zugriff auf das Motorsteuergerät wird etwa benötigt, um die Motordrehzahl zurückzunehmen.

Das Steuergerät (ESP – Steuergerät; in modernen Kraftfahrzeugen existiert eine Vielzahl von Steuergeräten) führt Soll-/Ist – Vergleiche (etwa 25-mal pro Sekunde) durch. Entspricht der Soll-Kurs nicht dem Ist-Kurs (Abweichung), greift das ESP ein. Durch die Empfindlichkeit der Sensoren kann das ESP schneller als ein geübter Fahrer auf Gefahrensituationen reagieren. Die zur Berechnung benötigten Daten werden von den Sensoren geliefert (siehe unten).

Jedes Rad besitzt einen eigenen Raddrehzahlsensor (passiver induktiver oder aktiver Sensor, der nach dem Hall-Prinzip funktioniert). Das Steuergerät erkennt Abweichungen, z.B. ein Ansteigen der Drehzahl bei Abnahme der Bodenhaftung.

Der Lenkwinkelsensor wird benötigt, um die Soll – Fahrtrichtung des Fahrzeugs zu berechnen (gemeinsam mit den Werten für die Fahrgeschwindigkeit).

Der Gierratensensor misst die Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges um seine Hochachse. Gemeinsam mit den Signalen vom Querbeschleunigungssensor wird die Ist-Fahrtrichtung berechnet.

Gegenmaßnahmen bei Übersteuern

Neigt das Fahrzeug zum Übersteuern (das Heck bricht aus), wird kurvenäußere Vorderrad abgebremst. Dadurch entsteht ein Giermoment, das dem Übersteuern entgegenwirkt.

Gegenmaßnahmen bei Untersteuern

Erkennt das Steuergerät untersteuernde Tendenzen, wird das kurveninnere Hinterrad abgebremst. Das dadurch erzeugte Giermoment dreht das Fahrzeug um die Hochachse und wirkt dem Untersteuern entgegen

Optionale Zusatzfunktionen

Je nach verwendeter Software, kann ein ESP – System verschiedene Zusatzfunktionen enthalten. Häufiger verfügbare Zusatzfunktionen werden in der folgenden Tabelle detaillierter erklärt.

Zusatzfunktion Aufgabe

BAS

Bremsassistent; Greift der Bremsassistent ein, so ist ein geringerer Bremsdruck notwendig, um eine Vollbremsung auszulösen. Das System erkennt die Gefahrensituation – in der Fahrer häufig zu sanft bremsen – an der Geschwindigkeit, mit der das Bremspedal niedergedrückt wird.

EBV

Elektronische Bremskraftverteilung; Optimiert die Leistung des Antiblockiersystems (ABS), indem es die Bremskraft zwischen Vorder- und Hinterachse verteilt. Die Bremskraft hängt von der Beladung und den Straßenverhältnissen ab.

RSCRoll Stability Control; Verhindert ein Überschlagen des Fahrzeuges.

Anhänger – ESP Verhindert ein Schleudern des Anhängers.

Bremsbereitschaft

Geht der Fahrer abrupt vom Gas, werden die Bremsbeläge schon leicht an die Bremsscheibe (Scheibenbremse) gelegt, um bei einer folgenden Bremsung die Ansprechzeit zu verkürzen.

TrockenbremsenDie Bremsbeläge werden bei Nässe in regelmäßigen Abständen an die Bremsscheibe gelegt, um eine optimale Bremsverzögerung zu erreichen.

Anfahrassistent

Verhindert ein Zurückrollen des Fahrzeuges beim Anfahren an Steigungen, indem nach dem Loslassen des Bremspedals das Fahrzeug noch kurze Zeit gebremst wird.

Fading – KompensationTritt Fading (Nachlassen der Bremswirkung bei starker Erwärmung) auf, ist trotzdem kein höherer Pedaldruck notwendig.