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Ausblick

Antiblockiersystem

Früher lernte man in der Fahrschule, dass in Gefahrensituationen zum Abbremsen des Autos die sogenannte "Stotter-Bremsung" eingesetzt werden sollte. Darunter versteht man, dass die Bremse solange und so stark betätigt werden sollte, bis die Reifen gerade blockieren. Anschließend sollte man den Bremsdruck erniedrigen und dann den Vorgang wiederholen. Hinter dem gut gemeinten Rat verbirgt sich die folgende physikalische Erkenntnis: Solange sich die Reifen noch drehen ist das Auto lenkbar (man kann somit einem Hindernis noch ausweichen), außerdem vermeidet man den Gleitprozess, beim dem in der Regel die Bremskräfte kleiner sind als bei einem Rad, das sich gerade noch dreht. Es zeigte sich aber, dass nur wenige Fahrer in einer Notsituation so kühlen Kopf behalten und die Intervallbremsung einsetzen.

Im Jahre 1978 stellte Mercedes-Benz das erste Antiblockiersystem in einem Serienauto vor. Es greift automatisch helfend ein und verhindert das Blockieren der Räder beim Bremsen.

Ermöglicht wird dies durch an den Rädern angebrachte Sensoren, die Signale an ein Steuergerät senden. Das Steuergerät regelt den Bremsdruck und kann das Blockieren einzelner Räder verhindern. Automatisches Lösen und Anziehen der Bremse wechseln dabei ab, und bewirken, dass das Fahrzeug trotz Vollbremsung durch den Fahrer lenkbar bleibt. Kommt ABS zum Einsatz, spürt der Fahrer dies durch ein Pulsieren des Bremspedals sowie durch ein lautes, tackerndes Geräusch. Drei Schritte sind beim Bremsen mit ABS zu berücksichtigen: Stark Bremsen, auf der Bremse bleiben und dabei um das Hindernis herum lenken.

Ein Hinweis zum ABS: Auf bestimmten Untergründen wie z.B. Schotter oder auf festem Untergrund liegendem Schnee kann ABS dazu führen, dass sich der Bremsweg verlängert.

Induktion beim ABS

In der nebenstehenden Abbildung ist die Radnabe eines VW-Polo mit eingebautem ABS-Sensor zu sehen. Während der Fahrt rotiert das Sensorzahnrad am Dauermagneten des Sensors vorbei. In einer um den Magneten gewickelten Spule (durch weiße Querstriche angedeutet) wird dabei eine Wechselspannung induziert.

Die induzierte Wechselspannung kommt durch ein sich änderndes Magnetfeld in der Spule zustande. Das die Spule durchsetzende Magnetfeld hängt nämlich davon ab, ob sich ein Zahn des Rades vor dem Sensor befindet oder nicht.

Die folgenden Versuche stützen obige Aussage: In zwei getrennten Versuchen wird einmal nur ein Stabmagnet über einen Satz von Kompassnadeln gelegt, das andere Mal der Stabmagnet und ein davor befindliches Eisenstück. Die nebenstehende Aufnahme entstand durch Überlagerung der beiden Versuchsfotos.

Untersuche, welche der beiden Stellungen 1 oder 2 der Kompassnadel dem Fall entspricht, dass sich vor dem Magneten das Eisenstück befindet.

 

Abbildung 2

Abbildung 1

Der magnetische Fluss nimmt bei der Vorbeibewegung eines Zahnes des Sensorrades zunächst zu und dann wieder - wenn eine Zahnlücke vor dem Magneten steht - wieder ab. Es bildet sich eine Wechselspannung aus, die für zwei verschiedene Drehgeschwindigkeiten des Rades in den beiden Oszillogrammen dargestellt ist.

  1. Entscheide, welches der beiden obigen Oszillogramme zur höheren Drehfrequenz des Rades gehört. Berechne jeweils die Drehfrequenzen des Autorades (das Sensorrad des VW-Polo besitzt 43 Zähne).

  2. Erläutere, wie es zu den unterschiedlichen Amplitudenwerten bei den Oszillogrammen kommt. Gib hierfür eine qualitative Erklärung. Versuche mit Hilfe der Ergebnisse der ersten Teilaufgabe auch eine quantitative Betrachtung. Tipp: Betrachte die Aufgabe zur rotierenden Induktionsspule.

  3. Der Durchmesser des Polo-Rades ist \(0,54\rm{m}\). Berechne die Radumfangsgeschwindigkeit in Abbildung 2.

  4. An der Induktionsspule des Sensors entsteht bei einem bestimmten Bewegungsvorgang der nebenstehende Signalverlauf. Charakterisiere den Bewegungsvorgang in zwei Sätzen.

 

Der Schlupf

Wenn das Rad frei rollt, also keine Beschleunigung bzw. Verzögerung des Fahrzeuges stattfindet, ist die Radumfangsgeschwindigkeit vu gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit vf. Andernfalls unterscheidet sich vu von vf, man sagt es tritt ein "Schlupf" auf. Blockieren z.B. die Reifen, so ist \({{v_u} = 0}\), während die Fahrzeuggeschwindigkeit noch ungleich Null sein kann. Man definiert als Schlupf s
\[s = \frac{{{v_f} - {v_u}}}{{{v_f}}}\]
Stimmen Fahrzeuggeschwindigkeit und Radumfangsgeschwindigkeit überein (z.B. freies Rollen), so beträgt der Schlupf 0%; ist die Radumfangsgeschwindigkeit 0 (z.B. Blockieren), so beträgt der Schlupf 100%.

Je nach Reibwert zwischen den Reifen und der Fahrbahn liegen die besten Bremskräfte bei einem Schlupf von 8% - 35% . Das Antiblockiersystem versucht in diesem Bereich zu arbeiten. Dazu wird laufend die Fahrzeuggeschwindigkeit (meist wird ein Durchschnittswert der vier Achsengeschwindigkeiten verwendet) mit der Radumfangsgeschwindigkeit verglichen. Stellt die Elektronik fest, dass z.B. der Schlupf zu groß ist, so wird der Bremsdruck verkleinert, so dass die Geschwindigkeit vu wieder größer werden kann.

Hinweis: Die Bilder für diese Seite verdanken wir den Herren Dr. Berger und Nitz von der Universität Kassel.