Giermomentaufbauverzögerung

ABS-Symbol im Cockpit

Das Antiblockiersystem (ABS), in der StVZO „Automatischer Blockierverhinderer“ (ABV) genannt, ist ein in Verkehrsmitteln verwendetes technisches System zur Verbesserung der Verkehrssicherheit. Es wirkt bei starken Bremsungen insbesondere auf nasser oder verdreckter Fahrbahn, indem es einem möglichen Blockieren der Räder durch Regelung des Bremsdrucks in kurzen Intervallen entgegenwirkt.

Dies bewirkt in erster Linie nicht eine Verkürzung des Bremsweges, der sich in manchen Fällen sogar verlängern kann, sondern sorgt hauptsächlich dafür, dass das Fahrzeug während des Bremsvorgangs lenkbar bleibt und nicht ausbricht. Prinzipiell kann auch durch manuell angepasstes Bremsen die Lenkbarkeit des Fahrzeuges bei Bremsen erhalten werden, doch das durchschnittliche menschliche Reaktionsvermögen reicht in aller Regel nicht aus, um in gefährlichen Situationen die Bremskraft exakt zu dosieren. Das ABS in modernen Kraftfahrzeugen ist dagegen in der Lage, das Bremsverhalten jedes einzelnen Rades jederzeit nahezu optimal zu steuern.

Prinzip

ABS baut auf der physikalischen Erkenntnis auf, dass eine maximale Bremsverzögerung je nach Fahrbahnzustand bei etwa 10–30 % Radschlupf erreicht wird. 20 % Bremsschlupf bedeuten, dass im selben Zeitraum, in dem das Fahrzeug einen Weg von einem Meter zurücklegt, die Räder nur 0,8 Meter abrollen. Wird die maximal übertragbare Bremskraft überschritten, wächst der Bremsschlupf, bis das Rad schließlich blockiert (= 100 % Bremsschlupf). Im blockierten Zustand wird nur mehr über Gleitreibung abgebremst, die typischerweise um 15 bis 20 Prozent unter der Haftreibung (je nach Reifentyp) liegt. Überdies kommt es beim Blockieren zu einseitigem Abrieb am Reifen (Bremsplatten), das Fahrzeug ist kaum noch steuerbar. Das ABS reguliert die Bremskraft an jedem Rad so, dass der Schlupf während des Bremsvorganges jederzeit möglichst nahe an der optimalen Grenze bleibt.

Aufbau und Wirkungsweise

4-Kanal-ABS in einem 1995er Fiat Punto.

Die ersten ABS-Anlagen waren als Dreikreis-System ausgeführt, d.h. der Bremsdruck konnte nur für beide Hinterräder gemeinsam geregelt werden. Ausschlaggebend war das Hinterrad, welches zuerst die Blockiergrenze erreicht. Oft waren diese Wagen noch mit Trommelbremsen an der Hinterachse ausgestattet.

Beim aktuell (2005) üblichen Standard kommt bei Pkw ausschließlich das 4-Kanal-ABS zum Einsatz, das alle Räder getrennt erfasst und regelt.

Hierzu befindet sich an jedem Rad ein Inertialsensor zur Messung der Drehzahl. Die Informationen werden an ein elektronisches Steuergerät weitergeleitet. Die vom Hauptbremszylinder zu den einzelnen Bremssätteln bzw. Radbremszylindern führenden Bremsleitungen werden im ABS-Gerät in je zwei getrennte Kanäle aufgespalten, von denen jeder mit einem schnellwirkenden Elektromagnetventil verschlossen werden kann. Vier der acht Ventile sind im Normalzustand ständig geöffnet, die anderen ständig geschlossen. Aus Sicherheitsgründen sorgen Druckfedern dafür, dass sie auch bei Ausfall der Stromversorgung in diesen Zuständen bleiben. Beim mäßigen Bremsen im normalen Fahrbetrieb wirkt das Bremssystem wie eine normale Zweikreis-Anlage. Der Bremsdruck vom Hauptzylinder wirkt über die offenen Kanäle direkt auf die Radzylinder.

Neigt ein Rad zum Blockieren, wird zunächst das offene Ventil geschlossen und der bis dahin erreichte Bremsdruck konstant gehalten. Dieser Eingriff ist praktisch geräuschlos und wird vom Fahrer normalerweise nicht bemerkt. Lässt die Blockierneigung nicht nach, wird das andere (bis dahin geschlossene) Ventil geöffnet. Dieser Kanal führt innerhalb des ABS-Geräts zu einer elektrisch angetriebenen Rückförderpumpe, die gleichzeitig mit dem Öffnen des Ventils anläuft. Die Pumpe fördert die durch das offene Ventil zurückströmende Bremsflüssigkeit in den Kanal zwischen Hauptbremszylinder und geschlossenem Ventil. Der Bremsdruck am Radzylinder sinkt. Gleichzeitig wird damit ein Durchsacken des Bremspedals verhindert, da der Druck gegenüber dem Hauptzylinder aufrechterhalten bzw. leicht erhöht wird. Steigt die Raddrehzahl wieder an, d.h. wurde das Blockieren erfolgreich verhindert, wird das erste Ventil wieder geöffnet, das zweite geschlossen und der Regelvorgang beginnt ggf. erneut.

Die Intervalle richten sich je nach System und Hersteller, beim Pkw typischerweise 8 bis 12 Regelvorgänge pro Sekunde, bei Motorrädern bis 15 pro Sekunde. Das Antiblockiersystem wird systembedingt unterhalb einer Fahrgeschwindigkeit von 6 km/h abgeschaltet. Das typische Pulsieren am Bremspedal entsteht durch die kurzen Druckschwankungen während der Regelung durch das Zurückfördern der Pumpe. Gleichzeitig ist ein rhythmisches Geräusch zu hören im Takt mit den Schaltvorgängen der Rückförderpumpe.

Da es in den meisten Pkw zwei getrennte Bremskreise gibt, sind auch zwei Rückförderpumpen vorhanden, die jedoch über eine Welle vom selben Elektromotor angetrieben werden. Die trägheitsbedingte Intervallfrequenz von ca. 10/s bedingt einen relativ großen Regelbereich, der schon bei 20 Prozent Schlupf beginnt und bis ungefähr 40 Prozent reicht. Ein System mit höherer Regelfrequenz könnte die Wirkung erheblich verbessern. Derzeit arbeiten verschiedene Hersteller an der Entwicklung einer vollelektrischen Bremse, die ein solches ABS-Bremssystem aufgrund der direkten elektrischen Steuerung an den Radbremszylindern ermöglichen würde.

Bei Lkw mit Druckluftbremsanlagen wirkt das ABS nach dem gleichen Prinzip, allerdings können die Rückförderpumpen entfallen, da die Luft zu den Bremshebelventilen direkt am Rad gesteuert wird, also ins Freie entweichen kann. Luft kann wegen seiner Trägheit durch Kompression nicht über lange Leitungswege in Bruchteilen von Sekunden geregelt werden, dies geht nur bei hydraulischen Bremsen wie im Pkw.

Bremskraftverteilung

Neuere Versionen des ABS übernehmen auch die Bremskraftverteilung (sog. elektronische Bremskraftverteilung – EBV) zwischen Vorder- und Hinterachse (4-Kanal-Systeme) und ersetzen damit früher übliche mechanische Regler (Bremskraftverteiler), die teilweise noch bei Lkw verbaut werden. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile:

• Optimale Ausnutzung des Kraftschlussbeiwertes an beiden Achsen – inkl. diagonaler Radlasten, das sich mit mechanischen Reglern nicht optimal darstellen ließ.
• Schon bei leichten Bremsungen wird die Hinterachse mitgebremst und ein bekanntes Problem beseitigt: Bei der mechanischen Bremskraftverteilung konnte es vorkommen, dass die Bremsscheiben an der Hinterachse zu selten durch eine Bremsung gereinigt wurden und so Korrosion an der Oberfläche oder Schmutz die Bremswirkung reduzierte.

Weiterhin gehört zu neueren Systemen auch die Notraderkennung. Noträder haben einen kleineren Abrollumfang und drehen sich schneller, so dass das ABS im Falle einer Vollbremsung die Rückmeldung von dessen Drehzahlsensor korrekt verarbeiten kann.

Inzwischen wird ABS zunehmend durch ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) ergänzt.

Giermomentenabschwächung

μ-Split

Wenn sich das Fahrzeug auf einer Fahrbahn mit unterschiedlichen Reibwerten zwischen der rechten und linken Seite befindet (beispielsweise Schnee oder nasses Laub am Fahrbahnrand), würde bei einer plötzlichen Vollbremsung und einem positiven oder negativen Lenkrollradius das Lenkrad sofort einschlagen, weil die Fahrzeugseite auf dem griffigen Untergrund stärker gebremst wird, als die Fahrzeugseite auf dem glatten Untergrund. Bei der Fahrzeugabstimmung des ABS sorgen die Hersteller dafür, dass der Bremsdruck des Rades auf griffigem Untergrund nicht so schnell stark ansteigt, wie es physikalisch möglich wäre. Dadurch erhält der Fahrer zusätzliche Reaktionszeit, um auf den selbsttätigen Lenkeinschlag durch Gegenlenken zu reagieren. Die Zeit, die das ABS braucht, um auf griffigem Untergrund zur vollen Bremsleistung zu kommen, ist abhängig von der Herstellerphilosophie. Sie ist bei sportlichen Fahrzeugen üblicherweise kürzer als bei Limousinen. Durch den verlangsamten Aufbau der Bremskraft verlängert sich auch der Bremsweg.

Inzwischen wird auch daran gearbeitet, die Giermomentenabschwächung durch einen automatischen Eingriff in die Lenkung zu ersetzen. Bei einem aktiven Gegenlenken mittels einer Überlagerungslenkung (Aktivlenkung) entfällt die Verlängerung des Bremsweges durch die Giermomentenabschwächung.

ABS plus

Vorteil des ABS plus

Das ABS plus ist ein in Fahrzeugen von Volkswagen verfügbares weiterentwickeltes ABS, das die bisherige systembedingte Bremswegverlängerung auf losem Untergrund (Kies, Sand, Schotter, Matsch, Tiefschnee usw.) weitgehend aufhebt. Durch intervallartiges Blockieren eines oder mehrerer Räder widerspricht das neue System zwar dem ABS-Prinzip, ist aber auf losem Untergrund von Vorteil, denn beim Blockieren sammelt sich je nach Untergrund Schotter, Sand, Kies usw. vor dem blockierenden Rad und erzeugt somit eine Keilwirkung, was den Bremsweg entscheidend reduziert. Auf üblichem Fahrbahnbelag wie Asphalt, Kopfsteinpflaster usw. oder auch auf Gras arbeitet das ABS plus wie das herkömmliche ABS. Es wurde erstmals ab 2006 im VW Touareg eingesetzt.

Regelverfahren des ABS plus

Das ABS plus ist standardmäßig auf normalen Fahrbahnbelag kalibriert. Jedoch erkennt das System binnen Sekundenbruchteilen mittels Raddrehzahlsensoren die erreichte (IST)-Verzögerung und mittels Drucksensor im Hauptbremszylinder die gewünschte (SOLL)-Verzögerung und somit eine Bremsung auf losem Untergrund. Auch die Daten von Lenkwinkelsensor und Giermomentmesser fließen in die Berechnung mit ein. Das ABS-Steuergerät wertet anhand der gesammelten Daten und regelt – unter ständiger Berechnung der optimalen Bremskraft – den Bremsdruck an jedem Rad individuell mit kurzfristigem Radblockieren und gleichzeitigem Stabilisieren des Fahrzeuges. Je nach Hersteller kann das ABS plus auch mittels Tastendruck auf losen Untergrund vorkalibriert werden.

Geschichte

Ursprünglich stammt das Prinzip aus der Luftfahrt. Bereits 1920 setzte der französische Automobil- und Flugzeugpionier Gabriel Voisin einen hydraulisch funktionierenden Blockierverhinderer ein. Hier wurde mittels mechanischer Systeme verhindert, dass die Räder blockierten, damit das Flugzeug bei der Landung sicher in der Spur blieb. 1928 erhielt der Deutsche Karl Wessel ein Patent auf einen Bremskraftregler für Automobile, allerdings kam er über das Papierstadium nicht hinaus. 1936 gab es von Bosch ein Patent auf eine Vorrichtung zum Verhüten des Festbremsens der Räder eines Kraftfahrzeuges. Die Geräte bestanden aus etwa 1000 analogen Bauteilen und waren noch sehr unhandlich und langsam. Durch die Digitaltechnik konnte die Menge der Bauteile auf etwa 140 Stück reduziert werden. Damit war ABS serienreif.

1969 wurde die erste Generation eines ABS (elektronisch geregelten Anti-Blockier-Systems) auf der Internationalen Automobilausstellung vom amerikanischen Unternehmen ITT Automotive ehemals Alfred Teves präsentiert (siehe auch Personal luxury cars – erste Verwendung in Serienfahrzeugen).

Personenkraftwagen

Der erste Pkw mit mechanischem ABS war der Jensen FF mit Dunlop-Maxaret-ABS aus dem Jahr 1966. 1978 wurde das elektronische ABS von Bosch auf den Markt gebracht; gleichzeitig wurde der Begriff ABS von Bosch rechtlich geschützt. Andere Hersteller bezeichnen ihre Systeme teilweise als ABV (Automatischer Blockierverhinderer). Zunächst war ABS für die S-Klasse W116 von Mercedes-Benz erhältlich, dann für den BMW 7er der Baureihe E23. 1985 war der Ford Scorpio der erste PKW, der serienmäßig über ABS verfügte. Ab 1987 waren bei Volkswagen auch der VW Golf, Passat (ab 1988) und der Transporter T3 gegen hohe Aufpreise mit dem System erhältlich (Golf: 1800 DM, Passat: 2200 DM, Transporter: 3720 DM, Preise 1989). Ende 2003 hatten etwa 90 Prozent der zugelassenen Neufahrzeuge in Deutschland ABS. Aufgrund einer Selbstverpflichtung der europäischen Automobilindustrie (ACEA) werden seit dem 1. Juli 2004 alle Fahrzeuge mit weniger als 2,5 t zulässigem Gesamtgewicht serienmäßig mit ABS ausgestattet. Die japanischen Automobilverbände haben gleichlautende Verpflichtungen abgegeben.

Lastkraftwagen

Mercedes-Benz bietet seit 1981 das ABS für Druckluftbremsen an, entwickelt zusammen mit der Firma WABCO. Seit 1987 sind alle Reisebusse und seit 1991 auch alle LKW mit ABS ausgerüstet. Seit Januar 1991 dürfen LKW mit über 3,5 t zulässigem Gesamtgewicht und Busse mit mehr als acht Sitzplätzen nur noch mit ABS zugelassen werden.

Motorräder

ABS-Vorderradsensor einer BMW K 1100 LT

Der erste Hersteller von ABS für Motorräder war die Firma FTE automotive mit Sitz in Ebern/Unterfranken (damals noch eine Sparte der Firma FAG Kugelfischer).^[1] Dieses ABS wurde 1988 zuerst bei den BMW-K-Modellen als Option eingeführt und kostete damals 1980 DM Aufpreis. Heute liefern auch Bosch, Nissin, Continental-Teves und Brembo ABS. Das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung empfiehlt, ABS gesetzlich vorzuschreiben. Gleiches fordern die Vertreter der deutschen Delegation in einer Arbeitsgruppe der Wirtschaftskommission für Europa. Die wissenschaftliche Basis der Forderung ist eine Studie der Bundesanstalt für Straßenwesen. Die Art und Weise des Vorhabens stößt zuweilen auf Kritik.^[2] Mehrere Motorräder sind inzwischen in Deutschland nur mit ABS erhältlich (etwa die Kawasaki ZZR 1400). Jüngste Studien der Versicherungswirtschaft gehen in Hochrechnungen von 100 überlebenden Motorradfahrern pro Jahr aus, wäre ihr Motorrad mit ABS ausgestattet. Mittlerweile nimmt das Angebot an Motorrädern und Motorrollern zu, die mit ABS ausgestattet sind oder werden können. Die Studien bestätigen ferner das Kaufinteresse an ABS, Verfügbarkeit und wirtschaftliche Vertretbarkeit vorausgesetzt. Der Aufpreis beträgt 600 bis 1050 Euro. Hinzu kommen modellspezifisch unterschiedlich erhöhte Wartungskosten gegenüber konventionellen Bremsanlagen. Zudem können manche Systeme nur in einer Vertragswerksatt mit Spezialgeräten ordnungsgemäß gewartet werden.^[3]

Das Motorrad-ABS ist bis jetzt (Stand 2008) nur geeignet, die Seitenführungskraft bei Geradeausvollbremsungen aufrechtzuerhalten. Die Systemeigenschaften und die den Systemen innewohnenden Phänomene der jeweiligen ABS-Bremsanlagen sind unterschiedlich. Auch der Komfort der ABS-Regelung ist bei jedem System anders, eine grobe Regelung beeinträchtigt die Fahrzeugstabilität.^[4] Bislang ist kein System kurventauglich und es wird auch nicht mit einem kurventauglichen ABS vor 2009 gerechnet.^[5]

Fahrräder

Im Jahre 2004 stellte die Firma Biria ein Antiblockiersystem für Fahrräder vor, das darauf beruht, über Seilzugsysteme die Bremskräfte gleichmäßig auf Vorder- und Hinterrad zu verteilen.

Die italienische Firma Brovedani hatte 1995 eine ABS-Bremse im Cantilever-Stil im Angebot. Das Prinzip ist, durch auf der Felge mitlaufende Rollen die über einen Unwuchthebel mit dem Bremsschuh gekoppelt sind, dessen Abstand zur Felge stetig zu verändern und damit eine beschleunigungsunabhängige ABS-Wirkung zu erreichen.

Eisenbahnen

Bei Schienenfahrzeugen sind seit mehreren Jahrzehnten als „Gleitschutz“ bezeichnete Systeme im Einsatz, die u. a. ein Blockieren der Räder beim Bremsen verhindern sollen. Dies geschieht primär jedoch nicht aus fahrdynamischen Überlegungen, sondern damit Rad und Schiene vor Verschleiß durch Gleiten geschützt werden.

Vor- und Nachteile

Der kleinst mögliche Bremsweg ergibt sich aus den physikalischen Gegebenheiten zwischen Bereifung und Fahrbahn. Zwar wird in manchen Fällen durch Blockieren der Räder der kürzestmögliche Bremsweg erreicht, doch die nur bei sich drehenden Rädern vorhandene Lenkfähigkeit ist in vielen Situationen ebenfalls entscheidend. Als Bremshilfe bietet hier ABS einen Kompromiss an: Zwar kann es mit ABS zu einer Verlängerung des Bremswegs kommen, doch das Blockieren mit seinen nachteiligen Folgen wird vermieden.

Vorteile (insbesondere beim Betrieb auf festem Untergrund)

• Das Fahrzeug bleibt auch bei Vollbremsungen lenkbar, so dass das Hindernis umfahren werden kann.
• Besonders auf nassen Straßen weist das Fahrzeug besseres Bremsverhalten und kürzere Bremswege auf.
• Schonung der Reifen, da sich die Reifenabnutzung gleichmäßig über den Umfang verteilt. Im Gegensatz dazu kann bei einer Blockierbremsung der Reifen an einer Stelle stark abgetragen werden. Dadurch entstehen so genannte Bremsplatten, welche einen unruhigen Lauf und starke Geräuschentwicklung verursachen.
• Bessere Lenkbarkeit auf unterschiedlich griffiger Fahrbahn durch Giermomentenabschwächung.
• Die Bremskraft kann radindividuell optimal geregelt werden

Nachteile

• Bei losem Untergrund, wie z. B. Sand, Schotter, Matsch oder Tiefschnee, verhindert ABS eine Keilbildung vor dem blockierten Rad. Ebenso wird ein Eingraben der Räder verhindert, was dazu führt, dass die Räder (etwa im Matsch) nicht in tieferen Bodenschichten auf einen festeren somit einen besseren Kraftschluss zulassenden Untergrund stoßen. Insbesondere der letztgenannte Effekte kann zu erheblichen Bremswegverlängerungen führen. In starkem Gefälle auf rutschigem Untergrund oder im Gelände kann der Wegfall dieses Effektes dafür sorgen, dass durch die ABS-Regelung das Fahrzeug immer schneller wird. Das gilt insbesondere dann, wenn das Fahrzeug einen ungebremsten oder auflaufgebremsten Anhänger hinter sich führt und die Bremskraft nicht zum Auslösen der Auflaufbremse ausreicht. Dieser Nachteil ist bei modernem ABS nahezu aufgehoben (siehe oberer Abschnitt „ABS plus“).

Literatur

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
• Robert Bosch (Hrsg): Autoelektrik Autoelektronik. 5. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-528-23872-8

Einzelnachweise

1. ↑ Interview mit FTE automotive Geschäftsführer Dipl.-Ing. Wolfgang W. Bruns, in: all4engineers, 26. Mai 2006
2. ↑ Jo Soppa: Sicherheitsdienst. In: MO. 04/06.
3. ↑ BMW Motorräder 13, MO Sonderheft, MO Medien Verlag GmbH
4. ↑ MOTORRAD 19/06
5. ↑ Clemens Gleich: Besser Bremsen II – Keine ABSolution. In: MO. 09/06.

Verweise

Motorrad-ABS

Gesetzliche Einführung

• Drucksache 15/3427 Deutscher Bundestag, S.47 (PDF)
• REPORT OF THE WORKING PARTY ON BRAKES AND RUNNING GEAR (GRRF) ON ITS FIFTY-EIGHTH SESSION (PDF)

Studien

• Schwerstunfälle mit Motorrädern - Analyse der Unfallstruktur und der Wirksamkeit, Dr. Johann Gwehenberger u. a. (PDF)

Siehe auch

• Antriebsschlupfregelung (ASR)
• Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP)
• Fuzzy-Logik
• Echtzeit
• CBS, Kombiniertes-Brems-System (HONDA-Motorrad-Bremssystem)
• Aktive Sicherheit

Weblinks

• Informationen zur Geschichte des PKW-ABS bei der Robert Bosch GmbH
• Frank Williams: Killer ABS. In: The truth about cars. 14. August 2006