Mit hohem Tempo braust der gelbe VW Golf heran, als der Fahrer plötzlich kraftvoll in die Eisen tritt. Bremsen quietschen, der Wagen geht in die Knie, als wolle er sich gegen das abrupte Bremsmanöver stemmen. Am Fahrbahnrand zufriedene Gesichter, als der Wagen schließlich steht. 30 Meter brauchte das Testfahrzeug der Firma Continental, um von Tempo hundert auf Null abzubremsen – ein neuer Rekord und fast 9 Meter weniger, als ein Serienfahrzeug desselben Typs benötigt hätte. Mit der Demonstration des „30-Meter-Autos” Ende letzten Jahres wollte der Hannoveraner Hersteller von Reifen und Fahrwerk-Komponenten zeigen, daß beim Bremsweg der heute angebotenen Fahrzeuge noch einiges herauszuholen ist. Dazu hatten die Techniker bei Continental den Golf mit modernster Technik ausgerüstet: mit einer elektrohydraulischen Bremsanlage, einem mit Luftfedern ausgestatteten Fahrwerk, verstellbaren Stoßdämpfern – und einem Satz „intelligenter” Reifen. Die stellen selbst fest, welche Kräfte beim Fahren auf sie wirken und teilen dies der Bordelektronik mit. Mit diesen Informationen bremst das Fahrzeug besonders wirkungsvoll.
Das Geheimnis der „Intelligenz” der Reifen liegt in einem Magnetpulver, das dem Gummi in der Reifenseitenwand beigemischt ist. Bei der Herstellung werden die Magnetpole des präparierten Gummis entlang des Reifenumfangs abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen orientiert. Zwei Magnetfeldsensoren am Fahrwerk auf der Radinnenseite – einer nahe am Scheitelpunkt des Reifens, der andere auf der Höhe der Felge – messen, wie sich die Magnetfeldrichtung bei der Umdrehung des Reifens ändert. Wirken keine Kräfte auf den Reifen, wechselt die Polung an den beiden Sensoren im Gleichtakt. Während des Bremsens oder Beschleunigens aber passieren die Grenzen zwischen den unterschiedlich orientierten magnetischen Bereichen die Meßfühler zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Aus der Zeitdifferenz berechnet ein Mikrochip, welche Brems- oder Antriebskräfte auf den Reifen wirken. Querkräfte, wie sie etwa bei einer Kurvenfahrt auftreten, werden an den Sensoren aus dem Unterschied in der Magnetfeldstärke bestimmt. Dieser kommt durch seitliche Neigung des Reifens zustande. Bis die mit solchen „ Seitenwand-Torsionssensoren” ausgestatteten Reifen serienreif sind, muß man sich freilich noch eine Weile gedulden. „Das System wird voraussichtlich frühestens in zwei bis drei Jahren in Serie gehen”, kündigt Lars Döhmann an, Pressesprecher bei Continental. Noch etwas länger werden sich die Autofahrer wohl gedulden müssen, bis sie ein weiteres Exemplar von intelligenten Reifen aufziehen können: eine Entwicklung vom Fachgebiet Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Darmstadt. Sein Vorteil: Die Meßfühler sind in das Reifenprofil integriert. Das macht sie zu besonders empfindlichen, präzisen und vielseitigen Spionen für die Vorgänge an der Nahtstelle zwischen Fahrzeug und Straße.
„Alle für das Fahren eines Kraftfahrzeugs erforderlichen Kräfte müssen über die Kontaktfläche zwischen Reifen und Fahrbahn übertragen werden”, sagt Fachgebietsleiter Prof. Bert Breuer. „ Die Vorgänge in dieser Kontaktzone sind daher für die Fahrdynamik und die Sicherheit eines Fahrzeugs von herausragender Bedeutung.” Die Reibung zwischen Fahrbahn und Reifen begrenzt die mögliche Beschleunigung sowie die Geschwindigkeit, mit der das Fahrzeug eine Kurve nehmen kann, und sie hat entscheidenden Einfluß beim Bremsen. Wie wichtig die schwarzen Gummiüberzüge an den Rädern sind, ist den meisten Autofahrern kaum bewußt. Doch auch Fahrerassistenz-Systeme wie das Antiblockier-System ABS, die Antischlupfregelung ASR oder das Elektronische Stabilitäts-Programm ESP „wissen” kaum etwas von den Vorgängen an der Kontaktstelle zwischen Reifen und Fahrbahn. So können diese Systeme die vorhandenen Reserven an Bodenhaftung nur indirekt, ungenau und zeitverzögert aus der Rotation der Räder und dem Fahrverhalten des Wagens berechnen – und das erst dann, wenn sich die Räder langsamer oder schneller drehen oder das Fahrzeug instabil werden will. Daher könnte eine genaue Kenntnis der Kräfte an den vier Reifen die elektronischen Assistenten deutlich zuverlässiger, schneller und wirkungsvoller machen. Bert Breuer sieht deshalb die wichtigste Aufgabe des intelligenten Reifens darin, Fahrerassistenz-Systeme permanent mit möglichst genauen und aktuellen Daten zu füttern.
Diese Daten gewinnt der „intelligente” Reifen direkt am Ort des Geschehens. Seine wenige Millimeter kleinen Meßfühler – bis zu vier Stück pro Reifen – sind in das Profil des Reifengummis eingebettet. Bei jeder Radumdrehung bestimmen die Sensoren die Verformung des Profils, während der Reifen auf dem Asphalt abrollt. Aus der Deformation und ihrem Zeitverlauf lassen sich zahlreiche Größen ermitteln: Antriebs-, Brems- und Querkräfte, die Radlast, der Luftdruck im Reifen sowie der sogenannte Reibwert. Vor allem er bestimmt – neben der Radlast und der Art der Reifen und des Fahrzeugs selbst – die maximale Reibungskraft, die das Auto noch auf der Fahrbahn halten und ein Ausbrechen oder Schleudern verhindern kann. Je nach Fahrbahnzustand und Witterung kann sich der Reibwert plötzlich und sehr stark ändern. Auf trockener Straße ist er über zwanzigmal größer als auf einer nassen Eisoberfläche.
„Weil der Haftbeiwert durch den Sensor jederzeit bekannt ist, läßt sich beim Bremsen mit dem Antiblockier-System der Bremsweg deutlich verkürzen”, erklärt Thomas Strothjohann, Doktorand am Darmstädter Fachbereich Fahrzeugtechnik. Das ABS kennt aus den Daten schon vor Beginn einer Bremsung den Reibwert und kann so die Bremswirkung an den vier Rädern optimal auf die Fahrbahnverhältnisse abstimmen. Bisher erkennt die Regelung erst während einer ABS-Bremsung den Reibwert der Reifen auf dem Asphalt, indem die Bremsen zunächst stark betätigt und dann wieder gelöst werden. Dabei verlängert sich der Bremsweg um ein Stück, das im Ernstfall entscheidend sein kann. Die von den Reifensensoren gemessenen Querkräfte könnten dem ESP sowie künftigen elektrischen Lenksystemen zugute kommen. ESP hilft, durch gezieltes Bremsen einzelner Räder ein Schleudern des Wagens in kritischen Situationen zu verhindern. „Mit der Information über die Reifenkräfte könnte das ESP schneller und präziser als bisher reagieren”, sagt Strothjohann.
Der intelligente Reifen kann noch mehr: Wasser, das sich im Profil zu stauen beginnt, wird schon bei langsamer Fahrt lange vor dem Aufschwimmen des Reifens wahrgenommen. Außerdem kann die Auswerteelektronik aus den Meßdaten auf den Zustand der Fahrbahn schließen, also ob der Reifen auf griffigem Asphalt, auf Schnee oder auf Eis rollt. Gefahrensituationen lassen sich so frühzeitig erkennen, und der Fahrer kann vor drohendem Aquaplaning oder glatter Fahrbahn gewarnt werden. Warnungen vor einem gefährlichen Straßenzustand könnten zudem per Funk an andere Fahrzeuge oder an eine Verkehrsleitzentrale übermittelt werden. Während der vergangenen Jahre experimentierten die Fahrzeug-Ingenieure an der TU Darmstadt vor allem mit Hallsonden – Magnetfeld-Meßgeräten, die zusammen mit einem kleinen Magneten in den Reifengummi implantiert wurden und die in der Kontaktzone von Reifen und Fahrbahn wirkenden Kräfte aus der Verschiebung des Magneten bestimmten. Der Nachteil dieser Sensoren: Energie und Meßdaten müssen zum Beispiel über einen am Rad angebrachten Schleifring übertragen werden – eine für einen künftigen Serieneinsatz ungeeignete Lösung. Deshalb erforschen die Ingenieure nun eine weitere Variante mit passiven Oberflächenwellen (OFW)-Sensoren. Ihr Vorteil: Sowohl die Energiezufuhr als auch das Auslesen der Meßdaten finden per Funk statt (siehe Grafik).
Auf dem Prüfstand hat der Oberflächenwellen-Reifensensor seine Funktionstüchtigkeit bereits unter Beweis gestellt. Außerdem dreht ein Prototyp des intelligenten Reifens auf dem Testparcour der TU Darmstadt seine Runden. „Mit dem Oberflächenwellen-Sensor existiert ein System, das grundsätzlich das Potential für eine Serienanwendung hat”, freut sich Strothjohann. Bei der Erforschung arbeiten die Darmstädter Wissenschaftler mit Partnern aus der Industrie zusammen: mit dem Automobilbauer BMW und mit Continental, die den Sensor in den Reifen integrieren, sowie mit der Siemens-Tochter Epcos, wo der Oberflächenwellen-Sensor gebaut wird. „Der größtmögliche Gewinn an Sicherheit, Komfort und Wirtschaftlichkeit wird sich erzielen lassen, wenn der Reifensensor mit anderen elektronisch geregelten Fahrzeugsystemen zusammenwirkt”, sagt Bert Breuer. Daher arbeiten er und seine Mitarbeiter eifrig daran, den Sensor mit einer elektromechanischen Bremse und einem adaptiven, also anpaßbaren Fahrwerk zu verbinden.
Bei der elektromechanischen Bremse fällt die in heutigen Fahrzeugen übliche hydraulische Übertragung der Brems-kraft über die Bremsflüssigkeit weg. Der Druck aufs Bremspedal wird statt dessen elektrisch per Kabel an die mechatronisch betätigten Bremsscheiben weitergegeben – das Prinzip „Brake-by-Wire”. Das adaptive Fahrwerk kann künftig während des Fahrens an die Fahrsituation angepaßt und etwa über Stellglieder härter oder weicher gemacht werden. „Die Kombination mit der Bremse und dem Fahrwerk eröffnet eine Fülle weiterer Anwendungsmöglichkeiten für den intelligenten Reifen”, sagt Breuer. So ließe sich der Bremsweg bei einer Notbremsung verkürzen, indem das Fahrwerk blitzartig versteift würde und die Bremsen rascher greifen könnten. Beim Bremsen in einer Kurve oder auf einer unterschiedlich griffigen Fahrbahn wäre es leichter, die Spur zu halten. Störungen beim Fahren durch Seitenwind oder eine quergeneigte Fahrbahn ließen sich durch eine Anpassung des Fahrwerks ausgleichen. Der Reifensensor würde dafür die notwendigen Daten liefern. Nicht zuletzt erspart der Reifensensor Reparaturen: Bei leichten Bremsma-növern könnten die Bremsen automatisch so geregelt werden, daß alle Bremsbeläge gleichmäßig verschleißen, und das adaptive Fahrwerk ließe sich so einstellen, daß sich das Profil an den Reifen möglichst wenig abnutzt. Preiswerter wird das Autofahren durch die Integration von „ intelligenten” Reifen natürlich nicht. Dennoch ist Bert Breuer optimistisch: „Der Reifensensor wird nicht wesentlich teurer sein als Sensoren, die bereits heute in einigen Oberklasse-Fahrzeugen eingesetzt werden, um an den Ventilen den Reifen-Luftdruck zu messen – dafür werden sie aber weitaus mehr Informationen liefern.”
Intelligenz aus dem hohen Norden Auch die finnische Firma Nokian wirbt mit der Entwicklung eines „intelligenten” Reifens. Er soll den Fahrer per Telefon informieren, wenn der Reifendruck zu gering ist oder der Gummi sich zu überhitzen droht. Dazu mißt ein Mikrochip Druck und Temperatur des Reifens und sendet gegebenenfalls eine Warnmeldung an das Handy des Fahrers im Auto. Voraussetzung: Das Mobiltelefon muß für die Funkübertragungstechnik Bluetooth tauglich sein. Noch dieses Jahr will Nokian das System auf den Markt bringen. Spätere Versionen sollen über weitere Funktionen verfügen und zum Beispiel die Abnutzung des Reifens messen, vor Aquaplaning warnen oder vor einem Autodiebstahl schützen.
Minispion: Der Ofw-Sensor Von einem Sender im Auto erhält der Sensor per Funk einen Hochfrequenzimpuls. Dieser wird in mechanische Wellen verwandelt, die sich entlang der Oberfläche eines Kristalls ausbreiten und an Reflektoren zurückgeworfen werden. Die reflektierten Wellen erzeugen ihrerseits ein Hochfrequenzsignal, das eine Antenne zurück ins Fahrzeug funkt. Entscheidend dabei: Jede Verformung des Reifenprofils ändert die Laufzeit der Wellen. Das Meßsignal gibt daher Auskunft über die Reifendeformation.
Bdw community INTERNET Institut für Fahrzeugtechnik der Technischen Universität Darmstadt http://www.tu-darmstadt.de/fb/mb/fzd/index.tud
Homepage der Firma Continental http://www.conti-online.com/index_uv.html
Artikel über den intelligenten Reifen von Continental in „ Technik und Leben” 1/2001 http://www.mscherhag.de/Technik%20und%20Leben/TuL1_2001/TuL01_01.pdf
Lesen Klaus Backfisch, Dieter Heinz Das neue Reifenbuch Motorbuch Verlag Pietsch, 2000 DM 49,80 Alles rund um Reifen und Reifentechnik
Ralf Butscher
