Regensburg, 2. April 2007
Ab dem Jahr 2010 wird die Elektronische Keilbremse von Siemens VDO serienreif sein. Dann können Automobilhersteller bei der Wahl des Bremssystems für neue Fahrzeugmodelle von der hydraulischen zur By-wire-Bremse wechseln. Doch wie funktioniert die elektronisch geregelte Keilbremse (EWB, Electronic Wedge Brake) eigentlich?
Die Radbremse setzt kinetische Energie, jene Energie, die sich aus der Bewegung des fahrenden Autos ergibt, in Reibungswärme um. Heute werden hierfür unterschiedlich dimensionierte Bremsen mit verschiedensten Bremsbelägen genutzt.
Das Grundprinzip der hydraulischen Bremse
Heute verbreitet sind hydraulische Bremssysteme. Das Grundprinzip dieser Bremsen ist dabei immer gleich: Setzt der Fahrer seinen Fuß auf das Bremspedal und drückt durch, wird die Bremsflüssigkeit durch ein Leitungssystem gepresst und sorgt schließlich dafür, dass an allen Rädern eine Bremsscheibe von Bremsklötzen in die Zange genommen wird. So wird das Fahrzeug zum Stehen gebracht. Eine elektronische Bremskraftunterbrechung verhindert das Blockieren und sorgt als Anti-Blockier-System (ABS) und Elektronisches Stabilitätsprogramm sogar für ein gezieltes Abfangen eines Fahrzeuges im physikalischen Grenzbereich.
Die Grenzen der Hydraulik
Der schmale Grat zwischen Unfall und "gerade noch einmal gut gegangen" hängt oftmals davon ab, wie schnell ein Auto heruntergebremst werden kann. Zwar ist in der aus der Fahrschule bekannten Formel für den Bremsweg ("1/10 der gefahrenen Geschwindigkeit mal 1/10 der gefahrenen Geschwindigkeit") genügend Sicherheitsreserve enthalten, doch sind alle Automobilhersteller bestrebt, die Bremsleistungen ihrer Fahrzeuge weiter zu verbessern. Derzeit erreichen moderne Autos mit Hydraulikbremsanlagen unter idealen Bedingungen Bremswege von knapp unter 40 Metern aus 100 Stundenkilometern oder von knapp unter 70 Metern aus 130 Stundenkilometern. Um aus dem Bremsimpuls des Fahrers tatsächlich Bremskraft aufzubauen, vergeht jedoch bei der prinzipbedingt trägen hydraulischen Bremse kostbare Zeit, die den Anhalteweg verlängert. Wenn bei einer Notbremsung die optimale Verzögerung und gleichzeitige Spurtreue erreicht werden soll, setzt das ABS ein. Dieses System passt bis zu 100 mal pro Sekunde die maximale Bremskraft an die Straßenhaftung an, um zu verhindern, dass ein einzelnes Rad blockiert. Auch hier macht sich die Trägheit des hydraulischen Systems bemerkbar. Die Entwicklung der Hydraulikbremse beschäftigt sich daher heute zu einem großen Teil mit der Umgehung der Trägheit eines hydraulischen Bremssystems. Zwar kann der so genannte Bremsassistent die Reaktion des Fahrers verstärken und so die "Gedenksekunde" verkürzen, doch die Wirkung der Bremse selbst verbessern diese Systeme nicht. Zusätzlich erhöhen sie die Gesamtkosten der Bremsanlage.
Bremsen mit dem Keil
Die Elektronische Keilbremse (EWB) von Siemens VDO benötigt zum Bremsen keine Hydraulik mehr. Im Auto werden die Signale elektronisch übermittelt, so dass von einer "By-wire-Bremse" gesprochen wird – vergleichbar mit der modernen Luftfahrt. Hier werden Befehle aus dem Cockpit elektronisch an die Flügel gegeben ("Fly-by-wire"), um zum Beispiel die Landeklappen zu betätigen. Die EWB nutzt die Selbstverstärkung eines Bremskeils, um aus der Bewegungsenergie des Fahrzeugs Bremskraft zu erzeugen. So wird ohne großen Energieaufwand schnell Bremskraft aufgebaut. Der Bremsimpuls des Fahrers wird elektronisch an die Bremsen weitergegeben. Die intelligente Ansteuerungselektronik der Bremsaktuatoren sorgt dafür, dass die Räder auch bei einer Vollbremsung nicht blockieren. Dies wird über eine sehr schnelle Bremsenregelung erreicht, die 1000 mal pro Sekunde die Position des Bremsklotzes überprüft. So kann jederzeit die bestmögliche Verzögerung erreicht werden. DEKRA-Tests bescheinigen der EWB bereits im Prototypen-Stadium auf Eis einen um rund 15 Prozent verkürzten Anhalteweg im Vergleich zu heutigen Hydraulikbremsen.
Das Herz der Elektronischen Keilbremse
Die EWB von Siemens VDO besteht radseitig aus fünf Hauptbestandteilen, wobei Bremszange, Bremsscheibe und Bremsklötze auch in der neuen Bremsengeneration ihre Aufgaben behalten:
Die Bremszange. Sie umgreift die Bremsscheibe von zwei Seiten.
Die Bremsscheibe: Sie nimmt die Bewegungsenergie auf und wird bei der Umwandlung der Bewegungsenergie des Autos in Reibung heiß.
Die Bremsklötze: Die Bremsscheibe wird von einem feststehenden Bremsklotz auf der einen Seite und einem beweglichen Bremsklotz auf der anderen Seite "in die Zange" genommen.
Der elektrische Motor: Über ihn wird die Position des beweglichen Bremsklotzes kontrolliert.
Das Keillager: Eine besondere geometrische Form erreicht die Selbstverstärkung der Bremse. Dabei übernimmt das Keillager die Verbindung zwischen der Bremszange und dem beweglichen Bremsklotz.
Das Herz der EWB ist das Keillager. Kontrolliert von einem Elektromotor bewegt sich dabei ein Bremsklotz über ein Rollenlager hinweg. Das Rollenlager ist dabei mit einer spitz zulaufenden Berg- und Talbahn im Miniaturformat zu vergleichen, in dessen "Tälern" in Ruheposition die Metallrollen liegen. Kommt der Bremsbefehl, bewegt der Elektromotor den Bremsklotz auf dem Rollenlager in die jeweilige Fahrtrichtung. Dabei drehen sich die Rollen im Rollenlager "zu den Bergspitzen" hinauf. Sobald der Bremsklotz die Bremsscheibe berührt, wird er durch die so genannte Umfangskraft mitgezogen. Die Reibung zwischen Bremsscheibe und Bremsklötzen wandelt die Bewegungsenergie in Wärme um – der Wagen wird gebremst. Der Elektromotor hält dabei den Bremsklotz auf dem Rollenlager in jener Position, die gerade so viel Bremskraft aufbaut, wie gewünscht ist. Der kleine und präzise arbeitende Elektromotor muss dabei nur wenig Energie aufwenden, um auch schwerste Fahrzeuge sicher aus Höchstgeschwindigkeiten heraus zum Stillstand zu bremsen. Die besondere Konstruktion der Keillagerung macht schließlich die effektive Bremskrafterzeugung auch bei niedrigen Geschwindigkeiten möglich.
Die Elektronische Keilbremse im Auto der Zukunft
Mit der Elektronischen Keilbremse EWB bereitet Siemens VDO nicht nur den Weg für modernes Brake-by-Wire in neuen Autos, sondern ist auch Bestandteil des eCorner-Konzepts. Siemens VDO integriert darin Antrieb, Lenkung, Dämpfung und Bremse direkt in die Räder der Autos von Morgen. Den Designern zukünftiger elektrisch angetriebener und elektronisch gesteuerter Autos gewährt das eCorner völlig neue Gestaltungsfreiheiten.