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Dynamische Sänfte

Tags: Autonomes Fahren, Sicherheit
Mit seinem neuen aktiven Dämpfungssystem sMOTION hebt ZF sowohl Fahrkomfort als auch Dynamik und
 Sicherheit auf ein neues Niveau. Ein wichtiger Beitrag bereits fürs hochautomatisierte Fahren.
Martin Westerhoff, 31. Juli 2018
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Martin Westerhoff studierte Technikjournalismus und schreibt seitdem über Fahrzeuge und Technologien. Er hat ein Faible für Motorsport und Rennwagen.
Wie überdimensionale Pflasterstreifen kleben lange Kunststoffschwellen auf dem Asphalt. Sie haben nur die eine Aufgabe: möglichst viel Unruhe in ein darüber fahrendes Auto zu bringen. Unbeirrt steuert der Fahrer seinen blauen Kompaktvan auf die Rüttelstrecke zu. Auf der Rücksitzbank umklammert einer der Passagiere den Haltegriff über dem Seitenfenster, während der Minivan mit unverminderter Geschwindigkeit über die Schwellen fährt. Im Fahrzeug ist davon nicht viel zu spüren. „Impressive!“, entfährt es ihm, während er den Griff wieder loslässt.

Aktiv für mehr Komfort und Sicherheit

Aktiv für mehr Komfort und Sicherheit

Sven Greger, der Mann hinter dem Steuer, lächelt zufrieden. Er ist Versuchsingenieur in der Grundlagenentwicklung semiaktiver und aktiver Fahrwerkskomponenten bei ZF. Er kennt diese Reaktion seiner Mitfahrer auf dem Testgelände, viele von ihnen Einkäufer oder Versuchsingenieure internationaler Autohersteller. „Unser vollaktives Fahrwerksystem sMOTION bietet neue Freiheitsgrade, um Bewegungen des Fahrzeugaufbaus entgegenzuwirken“, sagt er und ergänzt: „Damit ist es möglich, an jedem Rad eine individuelle aktive Gegenbewegung auszuführen, um Anregungen der Karosserie durch das Fahrgeschehen zu vermeiden.“ Analog zum Komfort profitieren auch Dynamik und Sicherheit noch einmal deutlich von sMOTION im Vergleich zu heutigen Systemen. In Kombination mit Kameras kann das Fahrwerksystem die Fahrbahnbeschaffenheit – etwa Schwellen oder Schlaglöcher sogar im Voraus erkennen – und sich noch besser darauf einstellen.
sMOTION kann die Räder aktiv nach oben ziehen oder nach unten drücken.
— Dr. Christoph Elbers, Vice President Car Chassis Technology Development

Ein Dämpfungssystem hat viele Situationen zu meistern. Fahrbahnunebenheiten führen zwangsläufig zu Stößen, und diese fängt die Federung auf. Überfährt ein Rad ein Hindernis, bewegt es sich nach oben. Dabei drückt es eine Feder zwischen Radaufhängung und Karosserie zusammen. Anschließend entspannt sich die Feder wieder. Die entstehende Schwingung möglichst schnell wieder abklingen zu lassen, ist Aufgabe des Dämpfers. Neben Stößen wirken zudem Antriebs-, Brems- und Fliehkräfte auf ein Fahrzeug ein. Diese Kräfte der Fahrdynamik können die Karosserie dazu anregen, sich in Richtung der drei Raumachsen zu bewegen. Die Herausforderung: Unterschiedliche Fahrsituationen erfordern jeweils eine spezifische Dämpfkraft. Um etwa in Kurven die Aufbaubewegungen möglichst gering zu halten, ist eine hohe Dämpfkraft nötig. Beim Überfahren von kleinen Unebenheiten genügt jedoch eine niedrige. Ein sicherer Bodenkontakt der Reifen verlangt nach einem mittleren Dämpfkraftniveau. „Ein konventioneller Dämpfer kann immer nur einen Kompromiss zwischen sportlich und komfortabel darstellen, wenn auch auf hohem Niveau“, sagt Dr. Christoph Elbers, Vice President Car Chassis Technology Development bei ZF.

Fahrzeugdynamik: Bei diesen Bewegungen wird sMOTION aktiv

Evolution des CDC-Dämpfungssystems

Evolution des CDC-Dämpfungssystems

Diesen Zielkonflikt löst schon seit Jahrzehnten das semi-aktive Dämpfungssystem Continuous Damping Control (CDC) von ZF gut auf. Im Jahr 1997 ging dieses semiaktive Dämpfungssystem in Pkw in Serie. Durch die Signale von zwei Rad- und Aufbausensoren für alle drei Raumachsen sowie durch zusätzliche Informationen wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbeschleunigung und Lenkwinkel, die in einem Steuergerät zur Verfügung stehen, überwacht dieses kontinuierlich den Fahrzustand und errechnet für jedes Rad die optimale Dämpfkraft. Im Dämpfer können bis zu zwei elektronisch gesteuerte Magnetventile innerhalb von Millisekunden den Ölfluss beeinflussen und damit die Dämpfungshärte verstellen. ZF-Fahrwerksexperte Dr. Elbers erklärt: „Mit sMOTION gehen wir nun einen Schritt weiter. Auf Basis der bewährten CDC-Grundkonstruktion haben wir einen Dämpfer entwickelt, der das Rad aktiv nach oben ziehen oder nach unten drücken kann.“
Bislang waren Anregungen des Fahrzeugaufbaus in einem gewissen Maße toleriert oder sogar gewünscht, um dem Fahrer eine spürbare Rückmeldung über den Fahrzustand zu geben. Bei Fahrzeugen, die hochautomatisiert oder autonom unterwegs sind, werden jedoch alle Insassen zu Passagieren. „Jede Erschütterung, jeder Stoß, jedes Wanken und jedes Nicken stört beim Lesen oder Arbeiten. Es entstehen dabei Empfindungen, die „Motion Sickness“ genannt werden und den Insassen diese Tätigkeiten unmöglich machen“, sagt Dr. Elbers und ergänzt: „Diesen Effekt verstärken zusätzlich innovative Sitzpositionen, bei denen Fahrer und Passagiere zum Teil nicht mehr in Fahrtrichtung blicken.“ Für Abhilfe kann nur ein aktives Fahrwerk sorgen. Mit sMOTION bietet ZF eine Lösung für morgen, die schon heute mehr Fahrkomfort bringt: Beinahe ungestört vom Fahrgeschehen lässt sich als Passagier die Reisezeit zum Arbeiten oder Entspannen nutzen.

Kraftvolle Aktuatoren sorgen für Ruhe

Kraftvolle Aktuatoren sorgen für Ruhe

sMOTION ist in der Lage, Bewegungen mit einer Frequenz von bis zu fünf Hertz aktiv auszuregeln; das entspricht Schwingungen mit einer Dauer von 0,2 Sekunden. Im Versuchsfahrzeug erledigt dies an jedem Rad ein 2,5 Kilowatt starker Aktuator. Er besteht aus einer elektrischen Pumpe, die wahlweise über oder unter dem Kolben im Dämpfer den Öldruck erhöht und den Kolben damit aktiv bewegt. Für hochfrequente Anregungen – wie durch Kanaldeckel, Querfugen, rauen Asphalt oder Schotter – greift der sMOTIONDämpfer auf CDC-Ventile zurück.
13.6 PS
entsprechen der Gesamtleistung
der vier 2,5 Kilowatt starken Aktuatoren im sMOTION-Versuchsfahrzeug.

Das Team um den technischen Projektleiter von sMOTION, Dr. Achim Thomä, sah sich mit einer ungewöhnlichen Herausforderung konfrontiert. Wie lässt sich die Leistungsfähigkeit des Systems eindrucksvoll demonstrieren, wenn es während der Fahrt unauffällig Anregungen pariert und Mitfahrer deshalb kaum etwas spüren? Die Lösung war einfach. Über ein Tablet kann Sven Greger die Dämpfer nun zu Demonstrationszwecken im Stand ansteuern: einzeln, paarweise oder alle vier gemeinsam. Ein Fingertippen und der Van hebt und senkt sich, nickt, wankt oder schüttelt sich wie ein Pferd beim Rodeo. Im letztgenannten Fall haben im Fahrzeug sitzende Ingenieure allen Grund, sich im stehenden Fahrzeug an den Haltegriffen festzuhalten.
sMOTION auf der Teststrecke

In Kürze: Dank des vollaktiven Dämpfungssystems sMOTION wird das Fahren nicht nur komfortabler, sondern auch dynamischer und sicherer. Die Herausforderung: Unterschiedliche Fahrsituationen erfordern jeweils eine spezifische Dämpfkraft. Um etwa in Kurven die Bewegungen im Aufbau möglichst gering zu halten, ist eine hohe Dämpfkraft nötig. Beim Überfahren von kleinen Unebenheiten genügt jedoch eine niedrige. Ein sicherer Bodenkontakt der Reifen verlangt nach einem mittleren Dämpfkraftniveau. In Kombination mit Kameras kann das Fahrwerksystem die Fahrbahnbeschaffenheit – etwa Schwellen oder Schlaglöcher sogar im Voraus erkennen – und sich noch besser darauf einstellen. Somit trägt sMOTION auch zum hochautomatisierten Fahren bei.