ABS

Themen:

Geschichte
Ziel
Gesundheitliche Vorteile
Geschwindigkeitssensoren
Hydroaggregat
Hydraulikkreislauf
ABS-Regelzyklus
Kontrollprinzipien zur Vermeidung von µ-Split
Messungen eines Fahrzeugs mit und ohne ABS

Geschichte:
ABS (eine Abkürzung für Anti-Blockier-System) Bereits 1961 experimentierte der Reifenhersteller Dunlop erfolgreich mit ABS beim Formel-99-Rennwagen Ferguson P1. Das ist ungefähr vierzehn Jahre, bevor etwas Ähnliches bei „normalen“ Autos eingeführt wurde. Heutzutage sind alle Neuwagen mit ABS ausgestattet.

Ziel:
Der Zweck von ABS besteht darin, während der Fahrt eine maximale Haftung zwischen Reifen und Fahrbahnoberfläche zu erreichen. Das ABS sorgt außerdem dafür, dass die Fahrstabilität erhalten bleibt. Das beinhaltet:

Lenkstabilität: Bei aktiviertem ABS bleibt das Fahrzeug lenkbar. Beim Durchdrehen eines Rades rutscht das Fahrzeug in eine Richtung und die Lenkbewegungen können nicht auf die Fahrbahn übertragen werden.
Kursstabilität: Wenn ein Rad blockiert, kann das Fahrzeug einen anderen Kurs einschlagen. Beispielsweise kann ein blockierendes Hinterrad dazu führen, dass sich das Fahrzeug um seine Achse dreht und das Fahrzeug rückwärts auf der Straße landet.

Operation:
Das Bremssystem ist für das Abbremsen der Räder zuständig. Auf keinen Fall darf das Rad blockieren, da es sonst die Bodenhaftung verliert. Das Rad rutscht dann über den Asphalt, wodurch Lenkbewegungen nicht mehr übertragen werden können. In diesem Fall ist das Fahrzeug unkontrollierbar. Das ABS-System verhindert ein Blockieren des Rades.
Droht das Rad zu blockieren, sorgt das ABS-System dafür, dass der Bremsdruck (der Bremsflüssigkeitsdruck an den Radbremszylindern) am betreffenden Rad reduziert wird. In diesem Moment spielt es keine Rolle, wie stark Sie mit dem Fuß auf das Bremspedal treten. Das ABS-System reguliert den Bremsdruck, damit das Rad nicht durchrutscht. Ab einem bestimmten Punkt wird das ABS-System den Druck nach und nach wieder aufbauen, denn das Rad muss natürlich möglichst stark abgebremst werden. Dies geschieht so lange, bis die Schlupfgrenze wieder erreicht wird; dann wird der Druck wieder reduziert. Dieser Vorgang dauert einige Millisekunden. Dann ist eine Vibration im Bremspedal zu spüren. Die ABS-Pumpe ist oft hörbar.

Das Bild unten zeigt eine Übersicht der Komponenten des ABS-Systems.

Das Bild oben zeigt zwei rote Rohre. Diese verlaufen vom Hauptbremszylinder zum Hydraulikaggregat. Hydroaggregat ist ein anderes Wort für die ABS-Pumpe. Die beiden roten Linien haben mit dem separaten Bremssystem zu tun; links vorne mit rechts hinten und rechts vorne mit links hinten. Wenn beispielsweise am linken Vorderrad eine Undichtigkeit vorliegt und die gesamte Bremsflüssigkeit ausläuft, können Sie trotzdem mit dem anderen Bremskreis bremsen. Orangefarbene Leitungen verlaufen von der Hydraulikeinheit zu allen Rädern. In der Hydraulikeinheit kann die Bremskraft pro Rad eingestellt werden.

An jedem Rad ist ein Geschwindigkeitssensor montiert. Dadurch kann die Geschwindigkeit aller vier Räder kontinuierlich überwacht werden. Die blauen Leitungen sind Signalleitungen, die mit dem Geschwindigkeitssensor verbunden sind. Von jedem Rad verläuft eine Signalleitung zum Steuergerät. Auch die Signale vom Bremspedal und vom Hydraulikaggregat gehen an das Steuergerät. Im abgebildeten Fahrzeug befindet sich diese unter dem Sitz im Innenraum des Fahrzeugs. Heutzutage sieht man immer häufiger, dass das Steuergerät an der Hydraulikeinheit befestigt ist. Es ist dann ein Ganzes. Liegt ein Fehler im System vor, beispielsweise aufgrund eines defekten oder verschmutzten Sensors, eines defekten Kabels oder eines Defekts an der Hydraulikeinheit, leuchtet eine Fehlerleuchte im Armaturenbrett auf. Der Fehler kann dann mit Diagnosegeräten ausgelesen werden.

Geschwindigkeitssensoren:
Das Bild unten zeigt den induktiven Geschwindigkeitssensor im montierten Zustand. Dies ist ein Foto eines McPherson-Federbeins an der Vorderradaufhängung. Auch der Zahnkranz, an dem der Sensor die Geschwindigkeit misst, ist hier zu sehen.

Ein ABS-Sensor kann als induktiver Sensor (siehe Bild oben), als magnetoresistiver Sensor (MRE-Sensor) oder als Hall-Sensor (siehe Bild rechts) ausgeführt sein. Die Funktionsweise dieses Sensors wird auf der Seite dargestellt Hallsensor beschrieben. Letzterer Sensor wird für den ABS-Magnetring verwendet, der im verbaut ist Radlager verarbeitet wird.

Dabei können die Signale der Induktiv- und Hallsensoren genutzt werden Oszilloskop werden gemessen. Beispiele für diese Messungen werden im Folgenden gezeigt und beschrieben.

Induktiver Geschwindigkeitssensor:
Der induktive Geschwindigkeitssensor besteht aus einem Permanentmagneten mit einer Spule um ihn herum. Die magnetische Feldstärke ändert sich, wenn sich ein Zahn des Zahnkranzes (an der Antriebswelle befestigt) durch das Magnetfeld des Permanentmagneten bewegt. Durch die Änderung des Magnetfeldes entsteht in der Spule eine Spannung. Jede Periode im Geschwindigkeitssignal entspricht dem Durchgang eines Zahns am Sensor vorbei. Die Anzahl der Zähne am Ring und die Drehzahl der Antriebswelle bestimmen die Frequenz und Amplitude des Signals.

Hallsensor:
Auch beim magnetoresistiven Sensor (MRE-Sensor) bzw. Hall-Sensor bewegt sich ein Metallring mit Magneten entlang des Sensors. Der Magnetring befindet sich auf der Antriebswelle oder drin Radlager. Die Frequenz der Blockspannung hängt von der Drehzahl und der Zähnezahl des Metallrings ab. Die Amplitude (die Höhe des Signals) bleibt gleich.

MRE-Sensoren benötigen zum Betrieb eine Stromversorgung. Allerdings verfügen diese Sensoren oft nur über zwei Drähte (und damit zwei Anschlüsse). Der Sensor sendet das Signal über das Minuskabel an das ABS-Steuergerät. Das Signal entsteht, weil sich der elektrische Widerstand der Halbleiterplatten ändert, wenn sie einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt werden.

Die Signale der Geschwindigkeitssensoren werden an das ABS-Steuergerät übermittelt. Die Signale von vier Rädern werden miteinander verglichen. Wenn das Fahrzeug durch eine Kurve fährt, ist die Geschwindigkeit der kurveninneren Räder geringer als die der kurvenäußeren Räder. Das ist gemessen, liegt aber natürlich deutlich im Rahmen.
Sollten sich die Geschwindigkeiten beim Bremsen zu stark unterscheiden, sorgt das ABS-Steuergerät dafür, dass die Hydraulikeinheit den Bremsdruck am betreffenden Rad reduziert (zu starkes Bremsen). Wenn beim Beschleunigen ein zu großer Geschwindigkeitsunterschied auftritt, wird die Motorleistung durch das Motormanagementsystem abrupt reduziert.

Bei Störungen im ABS-System können die Signale mit dem Oszilloskop gemessen werden. Diese können am Rad, aber auch am Steuergerät gemessen werden. Durch eine Messung am Rad können Sie überprüfen, ob die ABS-Sensoren ordnungsgemäß funktionieren. Durch Messungen am Steuergerät kann ausgeschlossen werden, dass eine fehlerhafte Verkabelung die Ursache für die Störung ist.
Bei der Messung kann überprüft werden, ob Frequenz und Amplitude des induktiven Sensors korrekt sind. Mit dem Hall-Sensor können Sie während der Drehung des Rades überprüfen, ob die Frequenz des Signals stimmt. Drehen Sie dazu das Rad um volle Umdrehungen, damit eventuelle Defekte an den Zähnen schnell erkannt werden können. Bei beschädigten Zähnen wird eine Abweichung in der Reinheit der Sensorsignale sichtbar (denken Sie an eine Frequenz, die bei jeder Umdrehung breiter als vorgesehen ist).

Hydroaggregat:
Das Bild unten links zeigt einen Hydrogenerator mit eingebautem Steuergerät. Dies erkennt man unter anderem an der Vielzahl an Pins der Steckverbindung.
Auch die Anschlüsse der Leitungen vom Hauptbremszylinder und zu den Rädern sind hier sichtbar. Die getrennten Bremskreise (vorne links mit hinten rechts und vorne rechts mit hinten links) sind in dieser Pumpeneinheit integriert.

Wenn wir die Hydraulikeinheit auseinandernehmen, ist der Ventilblock zu sehen. Das Bild unten rechts zeigt das Innere des Hydrogenerators.

Hydraulikkreislauf:
Das folgende Hydraulikdiagramm zeigt die Komponenten in und um die Hydraulikeinheit. Um die Bedienung, Teile und Symbole zu verstehen, lesen Sie die Seite Grundprinzipien der Hydraulik werden konsultiert.
Das folgende Diagramm ist für ein Rad gezeichnet. Die Nummern 5, 6 und 9 sind intern. Ein anderes Rad verwendet bis auf die 2/2-Ventile (6) die gleichen Komponenten, nur mit unterschiedlichen Anschlüssen. Mit anderen Worten: Wenn man das Diagramm des kompletten Autos zeichnen würde, wären daneben sechs 2/2-Ventile mit jeweils eigenen Leitungen. Der Übersichtlichkeit halber wird jetzt nur noch der Schaltplan für einen Bremskreis dargestellt.

Situation 1: Ohne und stabile Bremsung:
Das Diagramm rechts zeigt die Situation ohne und mit stabiler Bremsung. Das Bremspedal (2) wird betätigt, wodurch Flüssigkeitsdruck vom Hauptbremszylinder (4) auf das linke 2/2-Ventil (6) ausgeübt wird. Dieses 2/2-Ventil hat eine offene Verbindung zum Bremssattel (7). Da der Flüssigkeitsdruck zum Bremssattel zunimmt, werden die Bremsbeläge gegen die Bremsscheibe gedrückt. Anschließend werden die Bremsen betätigt. Der Geschwindigkeitssensor (8) registriert die Anzahl der Radumdrehungen.

Situation 2: ABS aktiv, Bremsdruck aufrechterhalten:
Dieses Diagramm zeigt die Situation bei starker Bremsung und zu großer Radverzögerung. Der ABS-Sensor an der Bremse hat an Klemme 5 des Steuergerätes ein Geschwindigkeitssignal übermittelt, das niedriger ist als das der anderen Räder. Das Steuergerät reagiert darauf und schließt das System zum Bremssattel.
Dies geschieht wie folgt: An Pin 3 des Steuergeräts wird ein bestimmter Strom angelegt, der das Magnetventil am linken 2/2-Ventil bestromt. Das Ventil wird gegen die Federkraft nach links gedrückt. Dadurch wird der Zugang neuer Bremsflüssigkeit zum Bremssattel blockiert. Das rechte 2/2-Ventil bleibt in der gleichen Position, sodass keine Bremsflüssigkeit zur Bremse oder zurück gelangen kann. Dadurch bleibt der Druck konstant. Das Steuergerät prüft erneut, ob der Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem betreffenden Rad und den anderen Rädern zu stark abweicht. Wenn die gegenseitige Geschwindigkeitsdifferenz minimal ist oder aufgrund der Konstanthaltung des Bremsdrucks keine Geschwindigkeitsdifferenz mehr besteht, schaltet das Steuergerät den Strom von Pin 3 wieder ab. Das 2/2-Ventil springt in seine Ausgangsstellung zurück, sodass wieder Situation 1 vorliegt. Ändert sich der Geschwindigkeitsunterschied nicht oder wird er sogar größer, muss der Bremsdruck des betreffenden Rades reduziert werden. Dies geschieht in Situation 3.

Situation 3: ABS aktiv, Bremsdruck reduzieren:
Um den Bremsdruck zu reduzieren, muss Bremsflüssigkeit in die Leitung zwischen 2/2-Ventil und Bremssattel abgepumpt werden. Dies geschieht im Diagramm oben.
Jetzt wird auch Pin 4 mit Strom versorgt, sodass das rechte 2/2-Ventil bestromt wird. Dieser wird nun ebenfalls in die linke Position bewegt und gibt so den Durchgang zwischen Bremssattel und Hydraulikpumpe frei. Zu diesem Zeitpunkt dreht sich der Pumpenmotor und pumpt die Bremsflüssigkeit vom Bremssattel zum Hauptzylinder. Die Flüssigkeit wird nun gegen die Kraft des Hauptbremszylinders zurück zum Vorratsbehälter gepumpt. Der Druck wird reduziert und das Rad beginnt sich wieder zu drehen.

In Summe:
Situation 1 gilt beim Fahren und leichtem Bremsen. Beim Bremsen droht das Rad zu blockieren, Situation 2, und der Druck muss aufgrund des blockierenden Rades reduziert werden, Situation 3. Beim Bremsen ändert sich die Situation ständig. Tritt Situation 3 ein, bei der Bremsflüssigkeit von der Bremse weggepumpt wird, muss das Rad erneut abgebremst werden. Andernfalls könnte das Fahrzeug nicht stark genug bremsen. Der Fahrer wechselt dann zurück zu Situation 1, dann wieder zu Situation 2 und dann wieder zu Situation 3. Dies geschieht so lange, bis der Fahrer aufhört zu bremsen, oder bis er auf einem anderen Untergrund fährt, der beispielsweise steifer ist (höherer Reibungskoeffizient). .

ABS-Regelzyklus:
Die folgende Grafik zeigt den Regelzyklus des ABS. Hinzu kamen verschiedene Faktoren wie die Fahrzeuggeschwindigkeit (A) mit der Radgeschwindigkeit, die Radumfangsbeschleunigung (B), die Aktivität des Systems (C) und der Bremsdruck (D).
Die Grafik ist außerdem in 9 Zeiträume unterteilt. In jeder Periode ist eine Veränderung sichtbar, da das System angepasst wird. Der Zeitraum beträgt insgesamt etwa 20 Millisekunden und ist in 9 ungleiche Abschnitte unterteilt. Unterhalb der Grafik finden Sie die Erläuterung der Linien.

A: Die schwarze Linie ist die Fahrzeuggeschwindigkeit, die grüne Linie ist die Radgeschwindigkeit und die rote Linie ist die Referenzgeschwindigkeit. Die Fahrzeuggeschwindigkeit nimmt ab (Periode 1), die Radgeschwindigkeit nimmt jedoch deutlich schneller ab. Die rote Referenzlinie wird geschnitten. Wenn die grüne Linie unterhalb der roten Linie liegt (ab Periode 2), kann es zu Radschlupf kommen. Das ABS wird daher eingreifen.

B: Die Linie gibt die Radumfangsbeschleunigung an. Ein Beispiel: Durch Drehen des Rades und langsames Abbremsen bleibt die Linie bei B nahe der Nulllinie. Indem man nun das Rad mit gleicher Geschwindigkeit dreht und kräftiger bremst, wird die Linie weiter nach unten verlaufen. Das passiert auch, wenn man es auf Hochtouren bringt; Wenn Sie das Rad sehr schnell von 0 auf 10 km/h drehen, schießt die Linie weiter nach oben, wenn Sie 5 Sekunden brauchen, um das Rad von 0 auf 10 km/h zu drehen. Kurz gesagt ist dies die Radumfangsbeschleunigung.

C: Diese Linie zeigt an, wo der Druck im System stabilisiert ist; dann ist das ABS in Betrieb. Wenn die Linie bei C niedrig ist (an der Nulllinie), ist das ABS-System nicht in Betrieb. In der Periode 7 wird das ABS pulsierend angesteuert, damit die Radgeschwindigkeit nicht zu schnell abnimmt.

D: Diese Linie zeigt den Bremsdruck an. Der Bremsdruck erhöht sich, bis die grüne Radgeschwindigkeitslinie (A) die rote Referenzlinie schneidet. Das ABS tritt in Aktion (C) und sorgt dafür, dass die Radumfangsbeschleunigung nicht zu gering wird. Die Radumfangsbeschleunigung liegt in Periode 4 auf der Nulllinie; genau der Moment, in dem die Radgeschwindigkeit in (A) von negativ auf positiv übergeht. Der Druck wird dabei konstant gehalten. In Periode 7 ist die pulsierende Steuerung deutlich sichtbar. Der Bremsdruck wird nun vorsichtig erhöht, damit das Rad nicht zu schnell abbremst.

Kontrollprinzipien zur Vermeidung von µ-Split:
Anhand dieser Informationen kann das ABS individuell pro Rad eingestellt werden. Die Raddrehzahlsensoren erfassen die Geschwindigkeit jedes Rades. Dies ist notwendig, da in allen Situationen der maximal erreichbare Reibwert gegen die Lenkbarkeit des Fahrzeugs abgewogen werden muss. Wenn das Fahrzeug mit den linken Rädern auf trockenem Asphalt und mit den rechten Rädern auf dem weichen Straßenrand fährt und die Bremsen mit voller Bremskraft betätigt werden, gerät das Fahrzeug außer Kontrolle und dreht sich um die eigene Achse. Der Unterschied in der Bremskraft zwischen den Rädern auf Asphalt und auf Eis verursacht ein Giermoment, das eine Abweichung vom Kurs verursacht. Diese Situation wird µ-Split-Situation genannt. Das µ wird als „mu“ ausgesprochen. Um dieses Szenario zu verhindern, werden eine Reihe von Kontrollprinzipien angewendet:

Die Einzelsteuerung (IR): Der Bremsdruck wird auf den maximalen Reibwert jedes Rades eingestellt. Dadurch können hohe Giermomente entstehen, es werden jedoch maximale Bremskräfte erreicht.
Die Select-Low-Regelung (SL): Das Rad mit dem niedrigsten Reibwert bestimmt den Bremsdruck für das andere Rad. Die maximal erreichbare Bremskraft wird nicht ausgenutzt, das Giermoment ist jedoch gering.
Die Select-High-Regelung (SH): Das Rad mit dem höchsten Reibwert bestimmt den Bremsdruck für das andere Rad. Das Select-High-Schema wird nur für ASR-Schemata verwendet.
Die Select-Smart- oder Modifizierungssteuerung: Beim Bremsen wechselt die Steuerung von Select-Low zur Einzelsteuerung. Dadurch kann ein Kompromiss zwischen Giermomenten und maximalen Bremskräften erzielt werden. Dieses Schema wird häufig auf Nutzfahrzeuge angewendet.

Üblicherweise ist die Bremsanlage eines Pkw diagonal (kreuzlinks) getrennt. Ein Beispiel hierfür ist im Bild unten dargestellt. Dargestellt ist das rote Bremssystem für links vorne und rechts hinten und das blaue Bremssystem für rechts vorne und links hinten.

Die Bremsen der Vorderräder werden mit der Einzelsteuerung (IR) gesteuert. Der Bremsdruck eines Vorderrads wird auf den maximalen Reibwert des anderen Vorderrads eingestellt. Bei einem Notstopp suchen die Vorderräder einzeln nach der maximal erreichbaren Bremskraft.
Die Bremsen der Hinterräder werden nach dem Select-Low-Prinzip (SL) gesteuert. Der eingestellte Bremsdruck des Hinterrads mit dem geringsten Reibungskoeffizienten bestimmt den Bremsdruck des anderen Hinterrads. Das Bremsmoment beider Hinterräder bleibt gleich.

Messungen eines Fahrzeugs mit und ohne ABS:
Um einen guten Eindruck vom Einfluss des ABS-Systems auf ein Fahrzeug zu bekommen, zeigt dieser Abschnitt zwei Messdiagramme, die den Unterschied zwischen einem bremsenden Fahrzeug ohne und mit ABS veranschaulichen.

Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Radgeschwindigkeit ohne ABS:
Die Grafik rechts zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit im Vergleich zur Radgeschwindigkeit.
Ab t = 0 Sekunde beträgt die Fahrzeuggeschwindigkeit 15 Meter pro Sekunde. In diesem Moment wird das Bremspedal maximal durchgetreten. Die Fahrzeuggeschwindigkeit nimmt zwischenzeitlich linear auf 0 m/s ab
t = 2,75 und 3,00 Sekunden. Zwischen t = 0,5 und 1,0 Sekunden fällt die Radgeschwindigkeit vollständig auf 0 m/s ab. Das bedeutet, dass das Rad bereits eine Geschwindigkeit von 0 m/s hat, also stillsteht, während sich das Fahrzeug noch bewegt. In diesem Moment ist ein Rad blockiert. Das Rad rutscht auf der Fahrbahnoberfläche, während das Fahrzeug noch nicht steht. In dieser Situation ist das ABS nicht in Betrieb.

Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Radgeschwindigkeit mit ABS:
In der Grafik rechts ist die blaue Linie dieselbe; Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 15 m/s erfolgt die maximale Bremsung auf 0 m/s. Dies geschieht erneut in einem Zeitraum von 3 Sekunden. Da nun das ABS in Betrieb ist, sinkt die rote Linie bei t = 0,3 Sekunden nicht auf 0 m/s, sondern die Geschwindigkeit des Rades steigt wieder an. Dies ist an der roten Linie zu erkennen, die zunächst nach unten verläuft und kurz vor t = 0,5 Sekunden wieder ansteigt. Bei einer Geschwindigkeit von 7,5 m/s wird der Bremsdruck durch das ABS reduziert. Die Geschwindigkeit der anderen Räder entspricht der Fahrzeuggeschwindigkeit und damit der blauen Linie. Der ABS-Sensor des linken Vorderrads registriert die Verzögerung. Der ABS-Computer erkennt den Geschwindigkeitsunterschied und greift ein. Der Bremsdruck wird mit der Hydraulikeinheit reduziert, bis die blaue und rote Linie wieder gleich sind. In diesem Moment wird der Bremsdruck wieder konstant gehalten. Bis zum Stillstand des Fahrzeugs regelt das ABS weiterhin die Geschwindigkeit des durchdrehenden Rades.

Der Druck im Hauptbremszylinder im Vergleich zum Radbremszylinder ohne ABS:
Die auf das Bremspedal ausgeübte Kraft wird durch Flüssigkeitsverdrängung im Hauptbremszylinder in Bremsdruck umgewandelt. Dieser Bremsdruck wird in der Grafik unten mit der blauen Linie dargestellt.
Unabhängig davon, ob das Rad durchrutscht oder nicht, bleibt der Bremsdruck im Radbremszylinder (rote Linie) gleich dem Druck im Hauptbremszylinder. Das ist also die Situation ohne ABS.

Der Druck im Hauptbremszylinder im Vergleich zum Radbremszylinder mit ABS:
In der Situation, in der das ABS zum Einsatz kommt, sind die Drücke im Hauptbremszylinder und im Radbremszylinder nicht mehr gleich. Der Druck im Hauptbremszylinder bleibt hoch, da der Fahrer das Bremspedal gedrückt hält. Im Diagramm nimmt die rote Linie bei t = 0,3 Sekunden ab; Dabei reduziert das ABS den Bremsdruck. Durch die Reduzierung des Bremsdrucks rollt das Rad wieder. Ab t = 0,4 Sekunden wird der Bremsdruck wieder schrittweise erhöht, bis die Geschwindigkeit des Rades mit der der anderen Räder übereinstimmt. Dies ist bei t = 2,35 Sekunden der Fall.