Sicherheit durch ESP

ESP verhindert das Ausbrechen in schneller Kurvenfahrt.

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Mit dem Elektronischen Stabilitätsprogramm ESP wird ein Ausbrechen des Fahrzeugs in schneller Kurvenfahrt verhindert - natürlich nur soweit es die physikalischen Gesetze noch zulassen.

Diese Stabilisierung muss selbstverständlich automatisch geschehen, denn ein Fahrer wäre mit solchen Bremseingriffen, die in Sekundenbruchteilen ablaufen und präzise nachgeregelt werden müssen, völlig überfordert (s. Abb. 2).

Ein erhebliches technisches Problem bei der praktischen Umsetzung des ESP besteht darin, die Schleuderbewegung des Autos präzise zu bestimmen, also die unerwünschte Drehung um die Hochachse, die zusätzlich zur gewollten Kurvenfahrt tritt. Dafür müssen Drehratensensoren entwickelt werden. Ein Beispiel für einen solchen Sensor, hergestellt in Mikrosystemtechnik, zeigt Abb. 3

Dynamische Kräfte beim Kurvenlenken mit ESP

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Querdynamik bei einem Pkw mit ESP. (1) Fahrer lenkt, Seitenkraftaufbau; (2) drohende Instabilität, ESP-Eingriff vorne rechts; (3) Pkw bleibt unter Kontrolle; (4) drohende Instabilität, ESP-Eingriff vorne links; schließlich kommt es zur vollständigen Stabilisierung. Die grünen Pfeile weisen auf die Bremskrafterhöhung hin, b ist der Winkel zwischen der Längsachse des Fahrzeugs und seiner Bewegungsrichtung.

Das Herz des ESP ist eine hochkomplexe, nur etwa 1 mm2 große mikromechanische Struktur. Die kreisförmige Struktur mit den flügelähnlichen seitlichen Ansätzen ist nicht flächig mit dem Untergrund verbunden, sondern nur über eine Feder im Zentrum gelagert. Deshalb kann sie in ihrer Ebene eine Drehschwingung durchführen, wie wir es von der Unruh einer mechanischen Uhr her kennen. Die Schwingung ist jedoch sehr schnell - 2000mal in der Sekunde - und die Auslenkung beträgt jeweils nur etwa 10-20 µm. Auf die schwingende Struktur wirkt bei äußerer Bewegung eine Coriolis-Kraft ein, die zusätzlich eine Kippschwingung des Drehschwingers hervorruft. Um diese Kippbewegung nachzuweisen, sind die schwingende Struktur und die Substratoberfläche als einander gegenüberliegende Platten eines Kondensators angelegt. Aus der ebenfalls äußerst kleinen Kapazitätsänderung dieses Kondensators kann die Drehbewegung des Autos errechnet werden.

Realisierung eines Drehratensensors in Mikrosystemtechnik

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Realisierung eines Drehratensensors in Mikrosystemtechnik. Die gesamte Struktur ist nur etwa 1 mm2 groß und schwingt 2000-mal je Sekunde in einer Drehschwingung um die Hochachse. Die Gitterstruktur im Innenbereich ist fertigungsbedingt.

Die Realisierung dieses Sensors erfordert den intensiven Einsatz der Physik und ihrer Methoden. Dabei werden verschiedene Gebiete der Physik eng miteinander verknüpft (s. Abb. 4). Jedes Element des Drehratensensors kann einzeln relativ einfach optimiert werden. Diese lokale Optimierung hat jedoch zumeist Auswirkungen darauf, wie das Gesamtsystem funktioniert. Schnelle und kostengünstige Optimierung des gesamten Sensors kann mit Hilfe von Modellbildung und Simulation erreicht werden. Damit lässt sich z. B. die Empfindlichkeit der Konfiguration des Sensors gegenüber Fertigungstoleranzen untersuchen: Welches Design arbeitet stabil im technisch beherrschten Toleranzbereich - oder anders gefragt: Welche Anforderungen stellt der Sensor an die Fertigungsgenauigkeit? Die Simulation beantwortet auch die Frage, wie die Viskosität der Luft die Schwingungsbewegung des Sensors dämpft und wie stark der Sensor angetrieben werden muss, um die Energieverluste bei der Schwingung zu kompensieren.

Der Drehratensensor verknüpft Mechanik, Elektrodynamik, Fluiddynamik, Elektronik

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Oben: Mechanik, Elektrodynamik, Fluiddynamik, Elektronik sind beim Drehratensensor aufs Engste verknüpft. (Bosch, Stuttgart)

Unten: Elemente der Modellbildung für den Drehratensensor. Geringe Änderungen eines Parameters wirken auf viele andere Parameter und beeinflussen in nur schwer vorhersehbarer Weise die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems.

Die Verkopplung aller wichtigen Größen und Effekte in einem Modell, das dann auch das untersuchte System realitätsnah beschreibt, ist eine Stärke der Physiker: Sie haben gelernt, mit Modellen umzugehen, auch kleine Randaspekte zutreffend auf ihre Wirkungen hin abzuschätzen und immer die Grenzen ihrer Modellsysteme im Auge zu behalten.