Pictures of the Future Herbst 2005
Das mitdenkende Auto – Wunderkeil
Der Wunderkeil
In der Bremsentechnik bahnt sich eine Revolution an. Siemens entwickelt die elektronisch geregelte Keilbremse zur Serienreife, mit der Fahrzeuge aller Art schneller, sicherer und kostengünstiger gebremst werden können – mit deutlich weniger Energie als bisher und ohne jede Hydraulik.
Glühende Scheibe: Die elektronische Keilbremse im Labor. Hier wird eine dreimalige Vollbremsung aus 210 km/h ausprobiert. Das System meistert die Aufgabe spielend
Bernd Gombert dreht an der Kurbel und versetzt eine Metallscheibe in Drehung. "So, jetzt drücken Sie mal hier drauf und bremsen", sagt er. Ein starker Druck der Handfläche auf einen Bremsklotz aus Kunststoff bringt die Scheibe langsam zum Stillstand. "Reibung", konstatiert der Maschinenbauingenieur trocken. "So bremsen Autos heute. Und nun probieren Sie mal den Keil aus", fährt er fort und dreht wieder an der Kurbel, diesmal stärker. Der kleine Keil sitzt seitlich, zwischen einem parallel zur Scheibe angebrachten Metallstift und einer Führung. Jetzt rotiert die Metallscheibe kräftig. Ein Stups mit dem Zeigefinger reicht aus, und der Keil wird förmlich an das Rad herangerissen. Es steht sofort. "So haben früher Pferdekutschen gebremst." In Gomberts Augen blitzt es auf: "Vom Prinzip her funktioniert so auch die Bremse der Zukunft! Mit wenig Energieaufwand, einfacher mechanischer Konstruktion und geringen Kosten." Freilich propagiert der Entwicklungsleiter der elektronischen Keilbremse (EWB – Electronic Wedge Brake) von Siemens VDO Automotive (SV) nicht die Rückkehr zu antiker Bremstechnik, wo einst ein Keil die Räder effektiv, aber unkontrollierbar blockierte – eine unbehagliche Vorstellung für heutige High-tech-Autos. "Der Unterschied ist, dass bei uns der Keil nicht blockiert, weil wir verhindern, dass er überhaupt zwischen Befestigung und Bremsscheibe hineingezogen wird", erklärt Gombert. Der Trick ist, den Keil beim Abbremsen gerade so stark hineinziehen zu lassen, bis sich das gewünschte Bremsmoment eingestellt hat, was eine ausgeklügelte Sensorik und exakt steuerbare Elektromotoren ermöglichen (siehe Kasten).
Wenige Mikrometer entscheiden
Schema der EWB: Die Bremsscheibe (1) wird durch einen Klotz (2) abgebremst, der von Elektromotoren (3, 4) über mehrere Rollen (5) an keilförmigen schrägen Flächen (6) entlang bewegt wird
An jedem Rad sitzt bei der elektronischen Keilbremse eine eigene Kontrolleinheit (siehe Schema oben). Sie besteht aus dem Bremsklotz, einer mechanischen Übertragung, zwei Elektromotoren für die exakte Steuerung und einer Sensorik zur Erfassung der auftretenden Bewegungen und Kräfte. Etwa 100-mal in der Sekunde messen vier Sensoren die Radumdrehung und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die an der Bremse herrschenden Zuspannkräfte und die Position des Keils. Drückt der Autofahrer auf den Bremshebel, überträgt das System die Kraft elektromechanisch auf die elektronisch miteinander vernetzten Räder. Abhängig von den Sensorwerten und dem ankommenden Bremssignal bewegen nun die beiden Elektromotoren den Bremsklotz über mehrere Rollen entlang einer schrägen Fläche – dem eigentlichen Keil. Die Lage der Rollen auf der Schräge bestimmen den Anpresspunkt des Bremsklotzes. Der Klotz drückt dann auf die Scheibe, die sofort abgebremst wird. Sobald der Klotz durch stärker werdende Reibung höhere Bremsmomente erzeugt, halten ihn die Elektromotoren fest oder ziehen ihn über das Rollenlager in eine optimale Lage zurück. Die dabei zurückgelegten Strecken bewegen sich im Bereich von Mikrometern; die Steuerzeiten im Bereich von Millisekunden. Zur Bewegung der Motoren reicht das 12-V-Bordnetz aus. Eigentlich würde sogar eine Taschenlampenbatterie genügen.
Grundprinzip der Keilbremse: Im offenen Zustand läuft die Bremsscheibe frei (links). Beim Bremsen genügt schon ein leichter Druck des Keils auf die Scheibe (rechts), weil deren Drehbewegung den Keil "mitnimmt" und zusätzlich bremst
"Mit dem intelligent kontrollierten Keil wandeln wir die kinetische Energie des Fahrzeugs direkt in Bremsenergie um", sagt Gombert. Durch diese Selbstverstärkung benötigt die EWB nur ein Zehntel der Energie einer heutigen hydraulischen Bremse und ist dabei auch noch deutlich schneller. Aufgrund des wesentlich höheren Wirkungsgrads wird die EWB kleinere Abmessungen haben und damit einiges Gewicht sparen. Zudem fallen alle Bremsleitungen, Bremskraftverstärker und Bremsflüssigkeitsbehälter weg, was im Motorraum ein Volumen von etwa 22 l räumt und Designern neue Spielräume eröffnet. "Und wir brauchen keine Handbremse mehr", ergänzt Karsten Hofmann, bei SV zuständig für Produktmarketing Chassis. Auch das heute nahezu universelle Antiblockiersystem (ABS) und das weniger verbreitete elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) werden durch die im EWB-System integrierte Software abgelöst. "Wir haben einen eigenen Algorithmus entwickelt, der diese Funktionen übernimmt", sagt Hofmann und fügt hinzu: "Zudem sind wir viel schneller." Die Ansprechzeit, also die Zeit, die ein herkömmliches ABS zur vollen Bremsleistung benötigt, beträgt 140 bis 170 ms. Die EWB benötigt dafür nur etwa 100 ms – ein Zeitvorteil, der bei kritischen Situationen entscheidend sein kann. Die Entwickler erwarten, dass die schnellere Reaktionszeit vor allem Vorteile bei unregelmäßiger Fahrbahn oder Glatteis haben wird. "Rascher als jede Hydraulik können wir die Räder einzeln ansteuern und so sauberer die Spur halten", sagt Hofmann.
Mit der EWB rüstet sich Siemens VDO für eine Zukunft, in der elektrisch angetriebene Fahrzeuge einen wesentlich höheren Marktanteil haben werden. Hybrid-Systeme sind schon heute erfolgreich, etwa der Toyota Prius, der von europäischen Magazinen zum Auto des Jahres 2005 gewählt wurde und der in Kalifornien bereits Kultstatus genießt. Denkbar ist, dass irgendwann jedes Rad seinen eigenen Antrieb hat. Der Vorteil wäre ein wesentlich höheres Drehmoment direkt am Reifen und damit mehr verfügbare Kraft für die elektrische Beschleunigung des Fahrzeugs. Möglich wäre außerdem eine Rückgewinnung der Bewegungsenergie, wenn der Elektromotor am Rad beim Bremsen als Generator arbeitet und damit Strom erzeugt, der zurück in die Batterie fließt.
Brake by wire. Die EWB wäre daher eine ideale Ergänzung, da sie die restlichen Komfort- und Notbremsfunktionen übernimmt. Mit ihr können bereits in konventionell angetriebenen Fahrzeugen solche Funktionen "by wire", also elektronisch, umgesetzt werden, wie etwa ein Anfahr-Assistent am Berg per Software-Steuerung oder ein weiches Abbremsen. Dabei reduziert das System unmittelbar vor dem Anhalten die Bremskraft, so dass der Stopp sanfter wird. Am Berg hindert das System den Pkw automatisch am Zurückrollen, was wohl vor allem Fahrschüler aufatmen lässt. Die elektronische Bremse muss immer unter Spannung stehen, dennoch meistert ein EWB-System auch Probleme mit der Stromversorgung. "Wenn der Stromkreis zu einem Rad unterbrochen wird, bleiben noch drei übrig", beruhigt Hofmann. "Das System verteilt dann die Wirkung so, dass der Ausfall kompensiert wird." Für den Fall, dass die gesamte Stromversorgung des Fahrzeugs zusammenbricht, wird es eine Notbatterie geben, die vorübergehend die wichtigen Funktionen aufrechterhalten kann.
Erfinder am Teststand: Bernd Gombert hat mehr als 40 Patente für die Keilbremse
Gombert denkt ohnehin weniger an die Probleme als an die Chancen. Der frühere Top-Forscher am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) verfolgt das Projekt EWB seit dem Jahr 2000, als er die Firma eStop gründete, die 2005 von Siemens VDO übernommen wurde. Gombert hält knapp 120 Patente, 40 davon mit eStop für die EWB-Technik. Sein Team stellte das Prinzip auf der Internationalen Automobilausstellung im September 2005 in Frankfurt der Öffentlichkeit vor und erprobt derzeit ein Bremssystem in einem Pkw, der den Automobilherstellern Ende 2005 für Tests zur Verfügung steht. Pilotkunde ist ein großer europäischer Autohersteller. Wenn die weiteren Entwicklungen nach Plan verlaufen, dann wird 2009 das erste Fahrzeug serienmäßig mit der EWB auf der Straße fahren. Die Herausforderung ist groß, denn das völlig neue System muss gegen eine über 70 Jahre etablierte Bremsentechnik antreten und von Beginn an wirtschaftlich konkurrenzfähig sein.
Die Bremsen-Revolution bahnt sich indes nicht nur beim Pkw an. Großes Potential sieht Gombert auch beim Schwerverkehr. Lastwagen bremsen heute mit Luft. Bis das Bremssignal hinten am Anhänger angekommen ist, kann schon mal eine Sekunde vergehen. Mit der EWB könnte ein Anhänger rascher und auch kontrollierter abgebremst werden. Im Prinzip kann jedes sich bewegende Objekt mit der modernen Keil-Technik gebremst werden. Denkbar sind etwa neue Bremsensysteme für Hochgeschwindigkeitszüge, die heute extrem wartungsintensiv und damit teuer sind. Gombert denkt auch an die Automatisierungstechnik, wo es eine Vielzahl von Motoren gibt. Seine Vision: "Alles was angetrieben wird, wird künftig geregelt und effizient abgebremst."
Norbert Aschenbrenner