Zentimetergenaue Bremswegmessung an Fahrzeugen und Maschinen

Im Ernstfall entscheidet bei einem Bremsvorgang jeder Zentimeter. Das gilt nicht nur im Straßenverkehr. Überall dort, wo sich mobile Maschinen, Agrar-, Nutz- und Schienenfahrzeuge oder gar elektrisch betriebene Rollstühle bewegen, ist ein kurzer Anhalteweg lebenswichtig. Dementsprechend entwickeln Hersteller immer leistungsfähigere Bremssysteme. Um deren Verzögerungswirkung zu testen, werden hochgenaue Sensoren benötigt.

Fachbeitrag im Original

Um den Bremsweg präzise zu erfassen, sind berührungslose und schlupffreie Messungen notwendig. Denn nur so lässt sich der reale Bremsweg eines Fahrzeuges ermitteln. Jedoch wird der tatsächliche Anhalteweg eines Fahrzeugs nicht nur durch die reine Vorwärtsbewegung generiert. Ein Fahrzeug
»verlängert« seinen eigentlichen Bremsweg zusätzlich durch eine vorwärts gerichtete Einnickbewegung. Je höher das Fahrzeug ist und je größer sein Einfederweg ist, desto länger ist dieser Vorwärtsdrang und damit der Anhalteweg. Doch nicht nur die Bewegungen des Fahrzeugs erschweren die Messbarkeit eines Bremsweges, auch Umweltbedingungen können die Ergebnisse beeinflussen. Um auf unterschiedlichsten Oberflächen wie Teer, Beton, Schotter, Schnee oder Eis verlässlich messen zu können, ist es wichtig, dass der Sensor von diesen Einflüssen nicht beeinträchtigt wird.

Sensortechnologien zur Bremswegerfassung

Das Angebot an Sensoren zur Weg und Geschwindigkeitsmessung ist vielfältig. Eine der ältesten Technologien ist das sogenannte 5. Rad, bei dem ein zusätzliches Messrad am Fahrzeug angebracht wird. Lange Rüstzeiten und ein kompliziertes Handling sowie ungenaue Ergebnisse durch ein blockierendes oder springendes Rad führten dazu, dass die Sensoren heutzutage kaum noch Verwendung finden.
GPS-Systeme dagegen sind schnell und einfach zu montieren und arbeiten oberflächenunabhängig. Voraussetzung für eine zuverlässige Messung ist jedoch eine gute bis sehr gute Satellitenabdeckung. Abschattungen durch Brücken, Tunnel, Häuser und Bewaldung grenzen die Einsatzumgebungen ein. Zusätzlich zu den Umgebungseinflüssen, verfälschen Karosseriebewegungen wie Nicken und Wanken das Geschwindigkeitssignal und somit im Ergebnis die Wegmessung.
Eine weitere, seit langem am Markt erhältliche Lösung, sind Radarsensoren. Diese arbeiten berührungslos und ohne Stützsignale von Satelliten und werden daher häufig an Schienenfahrzeugen eingesetzt. Bedingt durch das Messprinzip (Doppler-Effekt) ist dieser Sensortyp jedoch anfälliger für Störungen und Ausfälle bei Verschmutzung und Vereisung. Wechselnde Untergründe können zudem zu Signalausfällen bzw. Fehlmessungen führen.
Als Alternative haben sich optische Messverfahren etabliert, die mittels reflektiertem Licht und einer speziellen Optik arbeiten. Optische Sensoren arbeiten ebenfalls berührungslos und ohne Stützsignale. Sie zeichnen sich vor allem durch ein einfaches Handling und einen weiten Geschwindigkeitsmessbereich aus und werden daher sowohl im Bahn- als auch im Automobilbereich eingesetzt. Jedoch können auch bei dieser Sensortechnologie wechselnde Untergründe und
anspruchsvolle Umgebungsbedingungen wie Schnee, Eis und Nässe zur Verschlechterung der Messsignale führen. Darüber hinaus beeinflussen Nick- und Wankbewegungen der Fahrzeugkarosserie die Genauigkeit der Messung.

Mit Synergie zur Präzision

Neue moderne Sensoren, wie der LUXACT®-Sensor, lösen diese Herausforderungen durch die Synergie von optischem und inertialem Messprinzip.
So werden Nick- und Wankbewegungen durch eine integrierte vollwertige Inertial-Plattform IMU (Inertial Measurement Unit) erkannt und intern mit dem optisch gemessenen Weg verrechnet. Integrierte Algorithmen bedienen sich der leistungsstarken DSP- und FPGA-Technologie und kompensieren sowohl optische Phantomgeschwindigkeiten als auch das Driften von Inertialsignalen.
Im Ergebnis sorgt dies für präzise Weg- und Geschwindigkeitsmessungen mit einer Genauigkeit von <0,1 %. Ergänzend werden die Winkelgrößen und Beschleunigungen der Fahrzeugkarosserie in allen 3 Achsen gemessen und als CAN-Signale ausgegeben. Eine blendenfreie Optik in Verbindung
mit der NIR-Technologie misst auf nahezu allen Oberflächenzuständen. Der hohe Arbeitsabstand lässt einen Einsatz in unwegsamem Gelände genauso zu wie wechselnde Arbeitsabstände ohne Aussetzer im Sensor-Signal. Ebenfalls arbeitet der LUXACT®-Sensor autark und umgebungsunabhängig, das bedeutet, er ist auf keinerlei Stützsignale von außerhalb angewiesen.
LUXACT®-Sensoren sind universell einsetzbar, durch ihren großen Arbeitsabstandsbereich (bis zu 1000 mm) und den weiten Geschwindigkeitsbereich beginnend von 0,1 km/h bis hin zu Geschwindigkeiten von 500 km/h bei einer Datenausgaberate über CAN von bis zu 1000 Hz.

Abb. 1: Die Messsoftware imc STUDIO führt Anwender Schritt für Schritt durch den Messprozess und liefert ein fertiges Protokoll der Bremswegmessung.

Vom Sensor bis zum Report

Neben der präzisen Erfassung der Weg- und Geschwindigkeitsinformationen benötigen Anwender eine leistungsfähige Datenerfassung und Messsoftware, um alle relevanten Größen aufzuzeichnen, auszuwerten und zu dokumentieren. imc bietet Anwendern ein Komplettpaket bestehend aus LUXACT-Sensor, imc Datenlogger und imc Software. Die Anbindung der LUXACT-Sensoren erfolgt komfortabel über die integrierte CAN-Schnittstelle. Durch intelligente Signalverrechnung und einen Trigger-Eingang am Sensor ist dieser in der Lage, relevante Bremswegsignale direkt auf dem CAN-Bus auszugeben. Diese beinhalten vStart, vStop, Bremsweg, Bremszeit und die mittleren Verzögerungen. Darüber hinaus erlauben die imc Messsysteme zusätzliche analoge Sensoren oder Feldbusse wie CAN, LIN, FlexRay etc. synchron mit aufzuzeichnen. Die Software führt Anwender Schritt für Schritt durch den Messprozess. Am Ende erhält der Messtechniker einen fertigen Report (siehe Abb. 1).

Abb. 2: LUXACT® 1D Neo zur präzisen Wegmessung an Zügen auf wechselnden Untergründen wie Schotter, Schienen, Zahnstangen und Schwellen.

Bremsversuche an Zügen

Viele namhafte Unternehmen aus der Bahnindustrie nutzen LUXACT®-Sensoren für die Entwicklung und Instandhaltung von Schienenfahrzeugen: So setzt z. B. die Prüfstelle Eisenbahnfahrzeugtechnik der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB), die spezialisiert ist auf Messungen im Bereich der Bremssysteme an Eisenbahnfahrzeugen, auf den LUXACT® 1D Neo Sensor. Für Bremsversuche auf einer Steilstrecke bei kritischen Adhäsionsbedingungen verwendet die Prüfstelle den LUXACT®-Sensor, um ein hochgenaues schlupffreies Weg-, bzw. Geschwindigkeitssignal auf verschiedenen, auch umweltabhängigen Untergründen zu erhalten.

"Die Prüfstelle Eisenbahnfahrzeugtechnik von SBB Personenverkehr entschied sich für den Geschwindigkeitssensor LUXACT, da dieser auf unterschiedlichsten Oberflächen und Oberflächenabständen eingesetzt werden kann und trotzdem eine Messgenauigkeit im Promillebereich aufweist. Die Oberflächenabstände ändern sich bei Bahnübergängen, Weichenherzstücken oder Zugsicherungsanlagen schlagartig um bis zu 30 cm."
Roman Zoller, Systemingenieur Bremssysteme und Bremsversuche, SBB Personenverkehr, Prüfstelle Eisenbahnfahrzeugtechnik

Abb. 3: LUXACT® 1D Compact Sensoren sind in wenigen Minuten am Fahrzeug angebracht und liefern neben präzisen Weg- und Geschwindigkeitsdaten auch Informationen über Nicken und Wanken.

Fahrdynamik-Untersuchungen im Automobilbereich

Die Hersteller und Entwickler von Kraftfahrzeugen sind stets bemüht, die Rolle des Innovators zu wahren. Die Entwicklung von neuen Antriebskonzepten, intelligenten Bremssystemen und Fahrwerken erfordern Messinstrumente, die wiederholgenau und präzise die Ergebnisse der aufwendigen Entwicklungsprozesse messen. So überprüfen beispielsweise Reifenhersteller neu entwickelte Gummimischungen sowohl subjektiv durch Testfahrer als auch objektiv durch umfassende Testmessung. Diese Messungen werden auf unterschiedlichsten Oberflächen, wie u. a. Asphalt, Beton oder Makadam durchgeführt, die in verschiedenen Zuständen befahren werden.
Der Sensor muss in trockenem Fahrbahnzustand, auf Nässe, Eis und Schnee, aber auch bei stehendem Wasser für Aquaplaning-Tests zuverlässig ohne Signaleinbrüche arbeiten. Der Sensor ist hierbei nicht nur wechselnden Oberflächen, sondern auch aufwirbelnder Gischt in seinem Sichtfeld ausgesetzt. Hier sorgt die optischinertiale Sensorsynergie von LUXACT für präzise Messergebnisse und eliminiert verfälschende Einflüsse auf dem gemessenen Bremsweg. Die typischen Schleuder-, Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeuges, die besonders auf Fahrbahnen mit niedrigem Reibwert auftreten, werden zuverlässig detektiert und verrechnet.

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