Sicheres Fahren

Wie viel Mechatronik steckt in einer Bremse?

Dass die Elektronik zunehmend mechanische Systeme ergänzt beziehungsweise ersetzt, zeigt sich vor allem in der Automobilbranche. Mechatronische Systeme ermöglichen im Auto nämlich nicht nur zusätzliche Funktionen, sie erhöhen auch Sicherheit und Komfort.

Bild: NorGal / Shutterstock.comRichtlinie-VDI-2206-Bremstechnik-T4_702x363

Erinnern Sie sich noch an Ihr erstes Auto mit elektrischen Fensterhebern und Servolenkung? Was war das damals doch für ein Luxus! Heute zählt das nicht einmal mehr zur Sonderausstattung, denn wir Autofahrer sind mittlerweile ganz schön verwöhnt und anspruchsvoll. Ist aber auch kein Wunder, denn ein erhöhter Anteil von Elektronik im Auto hat viele Vorteile. Zum einen verringern elektronische Systeme im Vergleich zu ihren mechanischen Pendants das Fahrzeuggewicht, wodurch sich wiederum der Kraftstoffverbrauch reduzieren lässt. Zum anderen erhöht die Elektronik die Effizienz mechanischer Systeme und macht vor allem Funktionen erst möglich, die Sicherheit und Komfort steigern. Bestes Bespiel dafür ist wohl die Bremse.

Bereits 1978 zog mit dem Antiblockiersystem (ABS) die Elektronik in die Bremsanlage ein. Damals wurden die mechanischen Funktionen durch Sensoren ergänzt, die mit elektronischen Wirkprinzipien arbeiteten. Elektronische Steuergeräte dienten der Informationsspeicherung und -verarbeitung, und elektronisch betätigte, hydraulische Schaltventile steuerten als Aktoren den Bremsdruck in den einzelnen Radbremszylindern. Eine Erweiterung des Sensorkonzepts sowie die Möglichkeit, unabhängig vom Fahrer einen hydraulischen Druck in einzelnen Radbremszylindern aufbauen zu können, war die Einführung der Fahrdynamikregelung (ESP) im Jahre 1995. Im Jahr darauf wird der Erkenntnis, dass die meisten Autofahrer in kritischen Fahrsituationen zwar schnell, aber nicht kräftig genug auf das Bremspedals treten, mit der Einführung eines Bremsassistenten (BAS) in die Bremsanlage Rechnung getragen. Mit ihm wurde bereits ein mechatronisches System integriert, das sowohl für eine funktionale als auch räumliche Integration der Sensorik und Aktorik steht. Die Informationsverarbeitung ist allerdings noch separat in einem eigenständigen Steuergerät ausgeführt. Eine zentrale mechatronische Steuereinheit war das Herzstück des nächsten Innovationsschritts im Jahr 2001: In der elektrohydraulischen Bremse (EHB) wurde die hydraulische Verbindung zwischen dem Bremspedal und den Radbremsen getrennt. Dieses interdisziplinäre Zusammenspiel von Maschinenbau, Elektro- und Informationstechnik ermöglichte ein völlig neuartiges, hochdynamisches Bremsenmanagement. Die elektromechanische Bremse (EMB) ging 2006 noch einen Schritt weiter und verzichtet auf Bremszylinder, -leitungen und -schläuche, die durch elektrische Kabel ersetzt werden. Hier verringert die Elektronik nicht nur den Wartungsaufwand, auch auf die teure Entsorgung der Bremsflüssigkeit kann verzichtet werden.

Anpassung der Ausbildung
Die Entwicklung der Bremse ist nicht nur beispielhaft für den Werdegang der Mechatronik (Kunstwort aus Mechanik und Elektronik). Sie zeigt auch die Auswirkungen auf das Berufsbild des einstigen Kfz-Mechanikers. Diese Bezeichnung ist mittlerweile ausgestorben, denn wer sich für eine Lehre in einem Kfz-Betrieb entscheidet, macht nun eine Ausbildung zum Mechatroniker. Diese berücksichtigt auch elektronische und informationsverarbeitende Komponenten in der Produktion und bei der Instandhaltung. Auch die Ingenieurausbildung hat dieser Trend maßgeblich verändert. Konstrukteure berücksichtigen schon in der frühen Entwicklungsphase integrative Methoden, um die verschiedenen Komponenten zu einem mechatronisch optimalen Gesamtsystem zu verbinden. Viele Produktfunktionen können heute mittels IT-Technologie erst einmal simuliert werden, um ihre Tauglichkeit für die angestrebte Lösung zu testen. Simulationsmodelle ersetzen so einen zeit- und kostenaufwendigen Prototypenbau. Allerdings ist die Komplexität bei der Entwicklung mechatronischer Systeme nicht zu unterschätzen. Hier sind viel Know-how bei den Ingenieuren und eine gut funktionierende Team-Arbeit gefragt. Die Richtlinie VDI 2206 hilft dabei, die Struktur mechatronischer Systeme zu verstehen und bietet ein methodisches Entwicklungsmodell an, um die Komplexität bei der Entwicklung solcher Systeme/Produkte zu beherrschen.

Von der Modellbildung bis zur Validierung
Das Vorgehensmodell stützt sich im Wesentlichen auf folgende Elemente: allgemeiner Problemlösungszyklus auf der Mikroebene, V-Modell auf der Makroebene, vordefinierte Prozessbausteine zur Bearbeitung wiederkehrender Arbeitsschritte bei der Entwicklung mechatronischer Systeme und der integrative Entwurf von Produkt und Produktionssystem. Da die Gesamtfunktion eines mechatronischen Systems erst durch das Zusammenwirken der involvierten Fachdisziplinen erfüllt wird, besteht die Notwendigkeit, die Modelle der Teildisziplinen zusammenzuführen. Deshalb begleitet die Richtlinie in dem Kapitel zum modellbasierten Systementwurf sehr ausführlich durch Modellbildung und Modellanalyse. Auch die notwendigen Werkzeuge, eingeteilt in verschiedenen Klassen, werden umfangreich erläutert. Und weil eben so viele Disziplinen an der Mechatronik beteiligt sind, was dieses Thema sehr komplex und theoretisch erscheinen lässt, widmet die Richtlinie fast 40 Seiten Beispielen aus der Praxis, in denen die vorgestellte Entwicklungsmethode unterschiedlich geprägt ist. So stehen die Phasen Systementwurf und anfängliche Modellbildung beim Entwurf der Antriebseinheit einer Lackieranlage im Vordergrund, während bei dem aktiven Feder-/Neigemodul der Schwerpunkt auf der Modellbildung, der Strukturierung mechatronischer Systeme, dem Regelentwurf und der anschließenden Systemverifikations/-validierung in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung liegt. Die Besonderheiten der räumlichen Integration beschreibt der Entwurf von integrierten Mehrkoordinatenantrieben. Und wer noch einmal die ungebremste Entwicklung der Mechatronik in der Kraftfahrzeugbremsanlage sehen möchte, der kann im vierten Beispiel die detaillierten Veränderungen der letzten 120 Jahre verfolgen.

Und wie wird sich die Bremse weiterentwickeln?
Das Ziel der Automobilbranche ist das „Vernetzte Auto“, das sowohl die Kommunikation von Fahrzeug-zu-Fahrzeug (V2V) als auch von Fahrzeug-zu-Infrastruktur (V2I) erlaubt. Die erhöhte, drahtlose Konnektivität bietet vor allem im Bereich Advanced Driver Assistance System (ADAS) einen echten Mehrwert, darunter den Sicherheits-Bremsassistent (EBA, Emergency Brake Assist). Dieser erkennt an der Geschwindigkeit, mit der der Fahrer das Bremspedal betätigt, ob es sich bei dem Bremsvorgang um eine ‚echte Notbremsung‘ handelt. Ist dies der Fall, baut das System den vollen Bremsdruck auf, auch wenn der Fahrer das Pedal noch nicht vollständig durchgetreten hat. Das hilft im Notfall, den Bremsweg entscheidend zu verkürzen. Noch weiter geht der autonome Notbremsassistent (AEB): Er erkennt, ob ein Unfall droht und greift durch selbstständige Bremsbetätigung ein, um den Aufprall zu verhindern oder die Folgen zu mindern.

Übrigens findet an der TU Dresden alle zwei Jahre die VDI-Mechatroniktagung statt. Der Call for Papers für die nächste Veranstaltung am 9. und 10. März 2017 hat bereits begonnen.

Iris_LindnerAutorin: Iris Lindner
Die Diplom-Ingenieurin (FH) ist für uns in Sachen Berichterstattung rund um die VDI-Richtlinien in den sozialen Netzwerken unterwegs.

Kommentare & Pingbacks

2 Gedanken zu “Wie viel Mechatronik steckt in einer Bremse?

  1. So viel Mechatronik steckt in einer Bremse?! Hier kann man sich echt den Kopf zerbrechen:) Bremsen vertraue ich nur den fachlichen Händen an https://www.willfurth.at Sicher fühle ich mich nach der Überprüfung von jedem Modul. Bei der Freundin wurden die schon gewechselt, eine Weile gequietscht, aber nach den ersten Kilometern schon weg. Die neuen Bremsen muss man ja doch einfahren! Danke für Tipps!

  2. Wer kennt die alten Fensterkurbeln aus den früheren Baujahren nicht? Ich bin interessiert eventuell eine Ausbildung oder Studium im Bereich der Mechatronik zu absolvieren. Ich interessiere mich vor allem für die Automobilbranche. Dabei scheint die immer zunehmende Technologisierung der Autos vor allem im Bereich der Vernetzung wie Sie erwähnen interessant. Vielen Dank für die Inspiration zur Orientierung in meiner Berufswahl!

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