Seit der Erfindung des Automobils spielt das Bremssystem eine entscheidende Rolle für die Fahrzeugsicherheit. In den letzten Jahren ist diese Bedeutung mit den Fortschritten in der Fahrzeugtechnologie und den gestiegenen Fahrzeuggeschwindigkeiten immer deutlicher geworden. Es gibt viele Arten und Bauformen von Kfz-Bremssystemen. Zu den traditionellen Bremssystemen zählen mechanische, pneumatische, hydraulische und Luft-Flüssigkeits-Hybridsysteme. Ihr Funktionsprinzip ist im Wesentlichen gleich: Sie nutzen die beim Bremsen entstehende Reibungswärme, um die kinetische Energie des Fahrzeugs schrittweise abzubauen und so eine Bremsverzögerung oder sogar ein Anhalten zu erreichen. Mit der Forschung und Entwicklung energiesparender und emissionsarmer Fahrzeuge haben sich die Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen grundlegend verändert, was zu vielen neuen Struktur- und Funktionsformen geführt hat. Das Aufkommen neuer Antriebssysteme erfordert auch entsprechende Anpassungen der Struktur- und Funktionsformen von Bremssystemen. Beispielsweise fehlt Elektrofahrzeugen ein Verbrennungsmotor und sie können keine Vakuumquelle für einen Bremskraftverstärker bereitstellen; eine Lösung ist der Einsatz einer elektrischen Vakuumpumpe. Die Entwicklung von Kfz-Bremssystemen ist eng mit der Verbesserung der Fahrzeugleistung und den Veränderungen der Fahrzeugstruktur verbunden; jede Komponente des Bremssystems hat sich grundlegend weiterentwickelt. 1. Aufbau des Kfz-Bremssystems Das Bremssystem besteht im Wesentlichen aus vier Teilen: (1) Energieversorgungseinrichtung: Sie stellt die Bremsenergie bereit und umfasst die Bereitstellung und Regelung der zum Bremsen benötigten Energie sowie verschiedene Komponenten. Der Teil, der die Bremsenergie erzeugt, wird als Bremsenergiequelle bezeichnet. (2) Steuergerät: Es umfasst Komponenten, die die Bremswirkung erzeugen und steuern. (3) Übertragungseinrichtung: Sie umfasst verschiedene Komponenten, die die Bremsenergie an die Bremse weiterleiten. (4) Bremse: Sie erzeugt eine Kraft, die der Bewegung oder Tendenz des Fahrzeugs entgegenwirkt, und umfasst auch Komponenten des Hilfsbremssystems. Moderne Bremssysteme beinhalten zudem Hilfseinrichtungen wie Bremskraftversteller, Alarmeinrichtungen und Druckschutzeinrichtungen. 1.1 Entwicklung der Energieversorgungseinrichtung Die Energieversorgungseinrichtung bezieht sich hauptsächlich auf die Bremsenergie. Bremsenergie wird durch manuelles Bremsen, Servobremsen, Kraftbremsen oder eine Kombination dieser Verfahren erzeugt. Manuelles Bremsen war die Bremsenergiequelle in den Anfängen der Bremssysteme. Es gibt zwei Formen: mechanisches und hydraulisches Bremsen. Mechanisches Bremsen wird hauptsächlich in Feststellbremssystemen eingesetzt. Feststellbremssysteme benötigen eine mechanische Verriegelung, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug unter keinen Umständen wegrollt. Die hydraulische Bremsung erfolgt durch Betätigung des Bremspedals und damit des Hauptbremszylinders, wodurch die Bremse aktiviert wird. Die Servobremsung kombiniert menschliche und motorische Kraft zur Bremsenergieerzeugung. Normalerweise wird die Bremsenergie vom Servosystem bereitgestellt. Fällt das Servosystem aus, kann die Bremsenergie manuell zugeführt werden; in diesem Fall wird die Servobremsung zur manuellen Bremsung. Servobremsen können pneumatische, Vakuum- (negative pneumatische) und hydraulische Energie als Servoenergie nutzen, um verschiedene Arten von Bremskraftverstärkern zu bilden. Servobremssysteme verwenden eine motorbetriebene Öl- oder Luftpumpe als Bremsenergiequelle, wobei die menschliche Kraft lediglich als Steuerung dient. Diese Systeme lassen sich in pneumatische, lufthydraulische und hydraulische Bremsen unterteilen. Die pneumatische Bremse ist die älteste entwickelte Art von Servobremssystemen. Sie nutzt einen Luftkompressor zur Erzeugung von Luftdruck, während die lufthydraulische Bremse den Luftdruck nutzt, um die hydraulische Wirkung zu erzeugen. Die hydraulische Bremse ist heutzutage ein weit verbreitetes Bremssystem mit ausgereifter Technologie. Aktuell in Entwicklung befindliche elektrohydraulische Hybridbremsen und elektronische Bremsen nutzen einen Elektromotor als Bremsenergiequelle, wobei die Betätigung des Bremspedals durch den Menschen erfolgt. 1.2 Entwicklung von Steuergeräten Die ersten manuellen Bremssysteme erzeugten die Bremswirkung durch mechanische Verbindungen. Bei der manuellen Bremsung wird das Bremspedal betätigt, um den Bremsvorgang einzuleiten. Die Bremskraft wird dann über ein Kraftübertragungsgerät an einen Bremskraftverstärker weitergeleitet. Dieser verstärkt die Kraft, die anschließend an den Hauptbremszylinder übertragen wird, um hydraulischen Druck zu erzeugen. Dieser hydraulische Druck wird dann über den Ölkreislauf an die einzelnen Radbremszylinder weitergeleitet und leitet so den Bremsvorgang ein. Mit der Forschung und Anwendung von Fahrzeugen mit sauberer Energie und Elektrofahrzeugen sowie der weitverbreiteten Nutzung elektronischer Technologie in Automobilen schreitet auch bei den Steuergeräten von Bremssystemen die Entwicklung hin zur Elektronik voran. Die elektrische Bremsung verändert die Steuerung und das Management von Bremssystemen grundlegend und revolutioniert die Kfz-Bremstechnik. Sie nutzt eine elektronische Steuerung, die ein präziseres und effizienteres Bremsen ermöglicht. 1.3 Entwicklung von Übertragungsvorrichtungen Im Zeitalter der manuellen Bremsung wurden mechanische Übertragungsvorrichtungen verwendet. Die pneumatische (hydraulische) Bremsung nutzte pneumatischen (hydraulischen) Druck und Verbindungsleitungen, um die Bremskraft auf die Bremse zu übertragen. Die elektronische Bremsung hingegen nutzt einen Bremsmotor, um die Bremskraft zu erzeugen, die direkt auf die Bremse wirkt. Das Steuersignal stammt vom Steuergerät (ECU) und überträgt Bremssignale und Bremskraftinformationen über Signalleitungen. 1.4 Entwicklung von Bremsen Bremsen sind die Hauptkomponente von Bremssystemen. Die meisten Kfz-Bremsen sind heutzutage Reibungsbremsen, die anhand der rotierenden Elemente im Reibpaar in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Trommelbremsen und Scheibenbremsen. Trommelbremsen gibt es in verschiedenen Bauformen, darunter Vorlauf- und Nachlaufbremsen, Doppelvorlaufbremsen, Doppelvorlaufbremsen, Doppelnachlaufbremsen, unidirektionale selbstverstärkende und bidirektionale selbstverstärkende Bremsen. Scheibenbremsen werden in Festsattel- und Schwimmsattelbauweise unterteilt. Zu den Schwimmsattelbauweisen gehören Gleitsattel- und Pendelsattelbremsen. Gleitsattelbremsen sind derzeit die am weitesten verbreitete Art von Scheibenbremsen. Scheibenbremsen sind weit verbreitet, da sie im Vergleich zu Trommelbremsen eine bessere thermische und Wasserbeständigkeit sowie eine höhere Fading-Resistenz aufweisen und zudem eine höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten. Scheibenbremsen weisen jedoch einen geringeren Wirkungsgrad auf, können Staub und Rost nicht vollständig verhindern und erfordern als Feststellbremse einen komplexeren, manuell betätigten Mechanismus, was ihren Einsatz an den Hinterrädern einschränkt. Viele Fahrzeuge verwenden ein System mit Scheibenbremsen vorn und Trommelbremsen hinten. Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge verfügen über regenerative Bremsmotoren, die Bremsenergie zurückgewinnen und so einen neuen Bremsentyp einführen. Dieser neue Bremsentyp führt unweigerlich zu einer Revolution im Bremsendesign. Elektrische Bremssysteme basieren auf herkömmlichen Bremsen und werden in elektrische Scheibenbremsen und elektrische Trommelbremsen unterteilt. Aufgrund von Nachteilen wie dem starken Bremsfading werden elektrische Scheibenbremsen zukünftig der primäre Bremsentyp in Automobilen sein. 2. Entwicklungstrends von Bremssystemen: Hydraulische Bremsen sind heute eine ausgereifte Technologie mit weit verbreiteter Anwendung. Mit steigenden Anforderungen an die Bremsleistung werden Funktionen wie Antiblockiersysteme (ABS), Traktionskontrollsysteme (TCS), elektronische Stabilitätskontrollprogramme (ESP) und aktive Kollisionsvermeidungssysteme zunehmend in Bremssysteme integriert. Dies erfordert den Einbau zahlreicher zusätzlicher Komponenten in das Bremssystem, was die Systemstruktur verkompliziert, die Wahrscheinlichkeit von Leckagen im Hydraulikkreislauf erhöht und Montage und Wartung erschwert. Bremssysteme benötigen daher einfachere Strukturen, umfassendere Funktionen und höhere Zuverlässigkeit. Auch das Bremssystemmanagement ist zu einem entscheidenden Faktor geworden, und der Einsatz elektronischer Technologie ist unaufhaltsam. Betrachtet man die Entwicklung der vier Komponenten eines Bremssystems – Stromversorgung, Steuergerät, Kraftübertragung und Bremse –, so zeigt sich, dass alle einen unterschiedlichen Grad an Elektronikierung erreicht haben. Der Mensch, der als Steuerenergiequelle fungiert, aktiviert das Bremssystem und signalisiert die Bremsabsicht. Die Bremsenergie stammt aus Batterien oder anderen Energiequellen. Ein neues elektronisches Bremssystem, gesteuert von einem zentralen Steuergerät (ECU), regelt das gesamte Bremssystem, wobei jede Bremse über ein eigenes Steuergerät verfügt. Mechanische Verbindungen werden schrittweise reduziert; die Kraftübertragung zwischen Bremspedal und Bremse wird durch elektrische Verbindungen ersetzt. Die Leitungen übertragen Energie, die Datenleitungen Signale; daher wird diese Art des Bremsens auch als Brake-by-Wire bezeichnet. Dies stellt einen weiteren Fortschritt bei Bremssystemen seit der weitverbreiteten Einführung von ABS in Automobilen dar. Elektrohydraulische Hybridbremssysteme bilden einen effektiven Übergang von der traditionellen zur elektronischen Bremstechnik und kombinieren hydraulische und elektrische Bremskomponenten. Dieses System nutzt die traditionelle hydraulische Bremse, um ausreichende Bremsleistung und Sicherheit zu gewährleisten, während ein regenerativer Bremsmotor Bremsenergie zurückgewinnt und Bremsmoment erzeugt. Dies verbessert die Kraftstoffeffizienz und reduziert Emissionen und Umweltbelastung. Die gleichzeitige Nutzung zweier Bremssysteme führt jedoch zu einer komplexen Struktur und höheren Kosten. Diese strukturelle Komplexität erhöht zudem die Wahrscheinlichkeit von Systemausfällen und Fehlfunktionen, was Wartung und Instandhaltung erschwert. 3. Vorteile, Nachteile und Probleme der elektrischen Bremsung Die elektronische Bremsung wurde erstmals in der Luftfahrt eingesetzt und befindet sich derzeit in der Forschungs- und Entwicklungsphase für den Einsatz im Automobilbereich. Mit dem technologischen Fortschritt werden verschiedene Probleme schrittweise gelöst, und elektrische Bremssysteme werden schließlich die traditionellen hydraulischen Bremsregelungssysteme und elektrohydraulischen Hybridbremssysteme ersetzen. Die elektrische Bremsung, auch Brake-by-Wire (BBW) genannt, ist die Zukunft der Bremssystementwicklung. Die elektrische Bremse, das elektrische Bremssteuergerät und der Bremskraftsimulator sind wichtige Komponenten, die dem Bremspedal eine Rückmeldung der Bremskraft geben und so ein spürbares Bremsgefühl erzeugen. Eine mögliche Struktur einer elektrischen Bremse ist in Abbildung 4 dargestellt. Strukturell bietet die elektrische Bremse gegenüber herkömmlichen Bremssystemen unübertroffene Vorteile: 1) Einfacherer Aufbau, wodurch das Systemgewicht und die Gesamtmasse des Fahrzeugs deutlich reduziert werden; 2) Kürzere Bremsreaktionszeit, was die Bremsleistung verbessert und den Bremsweg verkürzt; 3) Kein Bremsflüssigkeitsbedarf, was die Wartung vereinfacht und die Verwendung elektrischer Leitungen eine hohe Systemlebensdauer gewährleistet; 4) Schnellere Fertigung, Montage, Fehlersuche und Kalibrierung der Systembaugruppe sowie einfachere Integration modularer Strukturen; 5) Fehlertolerante, für die Automobilindustrie geeignete Netzwerkkommunikationsprotokolle wie TTP/C und FlexRay wurden entwickelt und können auf elektrische Bremssysteme angewendet werden; 6) Einfache Erweiterung und Verbesserung der Funktionalität sowie Integration in das CAN-Kommunikationsnetzwerk des Fahrzeugs für zentrales Management und Informationsaustausch. Für die meisten Menschen stellen elektrische Bremssysteme ein völlig neues Bremssystem dar und ebnen den Weg für zukünftige intelligente Fahrzeuge. Aufgrund des aktuellen Stands der Technik müssen vor dem flächendeckenden Einsatz elektrischer Bremsen noch zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden: 1) Antriebsenergie: Elektronische Bremsen benötigen eine erhebliche Menge elektrischer Energie. Eine einzelne Scheibenbremse benötigt eine Spitzenleistung von 1 kW, die das derzeitige 12-V-Bordnetz nicht bereitstellen kann. Zukünftige Fahrzeugantriebe werden Hochspannung benötigen, um die Energieversorgung zu erhöhen und den Energiebedarf verschiedener Systeme zu decken. Gleichzeitig müssen die Sicherheitsaspekte der Hochspannung berücksichtigt werden. 2) Ausfall des Bremssystems: Bei der Auslegung des Bremssystems muss ein möglicher Ausfall berücksichtigt werden. Elektrische Bremsen verfügen über kein aktives Notbremssystem. Unabhängig davon, ob das Steuergerät, die Sensoren, die Bremse selbst oder der Kabelbaum ausfallen, muss die grundlegende Bremsleistung aufrechterhalten werden. Neben einem redundanten Design des Steuergeräts ist die Erforschung und Anwendung von Informationsaustauschprotokollen wie TTP/C im Fehlerfall eine Schlüsseltechnologie für die Realisierung elektrischer Bremsen. 3) Die Integration mit anderen Steuerungssystemen des Fahrzeugchassis erfordert weitere Forschung. 4) Durch die Umstellung auf elektrische Bremsen wird zwar das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert, die ungefederten Massen können jedoch ansteigen. Dies ist zu beachten. 5) Bremsen erzeugen bei Dauer- oder Starkbremsungen hohe Temperaturen, was hohe Anforderungen an die Leistung und Wärmeableitung von Motor und Getriebe stellt. 6) Die Kosten sind höher als beim ursprünglichen hydraulischen Bremssystem. Die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des elektrischen Bremssystems ist daher eine Herausforderung. Mit dem technologischen Fortschritt werden die genannten Probleme schrittweise gelöst. DaimlerChrysler hat bereits ein elektrisches Bremssystem – das integrierte Mess- und Regelbremssystem – in Mercedes-Benz Pkw verbaut. Dieses leistungsstarke mechatronische System erfasst die Betätigung des Bremspedals während der Fahrt und übermittelt die entsprechenden Informationen an das Steuergerät. Dieses steuert daraufhin die Aktuatoren an, um jedes Rad einzeln abzubremsen. Anhand der Bremspedalbetätigung erkennt das System, ob der Fahrer eine Notbremsung durchführt, und reagiert schnell, wodurch der Bremsweg verkürzt wird. Das System erhöht das Sicherheitsgefühl und den Komfort des Fahrers und sorgt für einen sanfteren Bremsvorgang. Es ist absehbar, dass in naher Zukunft vermehrt elektrische Bremssysteme in Fahrzeugen verbaut und eingesetzt werden. 4. Fazit: Angetrieben durch die Trends der Fahrzeugmodularisierung, -integration, -elektrifizierung und Hochvolt-Fahrzeugversorgung entwickeln sich auch Fahrzeugbremssysteme in Richtung Elektrifizierung. Viele Automobil- und Komponentenhersteller haben Forschung und Entwicklung im Bereich elektrischer Bremssysteme betrieben. Unternehmen wie Bosch, Siemens und Tevis haben bereits erste experimentelle Ergebnisse erzielt. Elektrische Bremssysteme werden die herkömmlichen Bremssysteme unweigerlich ersetzen, die Fahrzeugchassis weiter integrieren und vereinheitlichen und so einen qualitativen Sprung in der Bremsleistung ermöglichen. (Quelle: 3see.com Mechanical Edition)