Druckmesssensoren für Traktorenbremsen

Dipl.-Ing. (FH) Walter Felber, Projektmanager Messtechnik, Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW)

Bremsanlagen der Großtraktoren von AGCO mit seiner Premiummarke Fendt sind mit Druckmesssensoren aus dem M01-Baukasten – einem modular aufgebauten Drucksensoren-Programm – der Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) in Kaufbeuren ausgestattet. Aufgrund des Einsatzgebietes bestehen aus Sicht der funktionalen Sicherheit hohe Anforderungen, da besonders in Bremssystemen ein Verlust der Genauigkeit, ein Funktionsausfall der Druckmessung oder sogar ein Bruch von Druckmesssensoren nicht akzeptabel sind. In einem einzigen Bremssystem befinden sich daher bis zu sechs Druckmesssensoren mit unterschiedlichen Druckbereichen, Druckanschlüssen, Ausgangssignalen und -steckern. Gefragt ist auch eine ausgeprägte Fähigkeit zur Selbstdiagnose, ausgedrückt durch den Diagnosedeckungsgrad (Diagnostic Coverage) der angibt, welcher Anteil an möglichen Fehlern vom Sensor selbst erkannt wird, so dass fehlerhafte Messwerte vermieden werden können.

Der im Fendt-Schlepper verwendete M01-Sensor erreicht unter den dort herrschenden Voraussetzungen bezüglich des Diagnosedeckungsgrades einen bemerkenswerten Wert von mehr als 70 % und eine mittlere Zeit bis zum gefahrbringenden Ausfall (MTTFd) von mehr als 250 Jahren. Dabei gilt: Lieber gar keinen Messwert als einen falschen Messwert anzeigen.

Dies ist umso mehr ein Vorteil, weil die Druckmesssensoren an den Druckleitungen des Bremssystems montiert und dadurch oft direkt dauerhaften Verschmutzungen, Salzwasser, großen Temperaturschwankungen und starken Vibrationen ausgesetzt sind. Gefordert sind also Druckmesssensoren, die gegen alle Arten von Umwelteinflüssen äußerst robust sind. Gleichzeitig muss die Messung des Druckes mit einer Genauigkeit von ±1 % oder besser erfolgen. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit – auch unter extremen Bedingungen – sind unverzichtbar und kennzeichnen sowohl die Komponente Druckmesssensor als auch das Gesamtprodukt: den Schlepper.

Der Aufwand, einen Sensor gemäß den harten Anforderungen zu qualifizieren, ist nicht unerheblich. Um die geforderte mechanische Robustheit zu belegen, wurden die Transmitter deswegen unter anderem einem besonders harten Vibrationstest unterzogen. Die Normen ISO 16750-3 und DIN EN 60068-2-80 schreiben einen Test über die Gesamtdauer von 282 h vor – inklusive Vibrationen mit 18-facher Erdbeschleunigung, in allen drei Achsen und bei gleichzeitig 70 Temperaturzyklen zwischen -40 und +125 °C. Was während und nach solch einem Test funktioniert, darf getrost als ‚äußerst robust‘ bezeichnet werden. Ebenfalls qualifiziert werden müssen EMV/ESD-Eigenschaften: Tests nach 2009/64/EG, DIN EN 55025, ISO 7637, ISO 16750-2, ISO 10605 und UN/ECE R.10 sind Standard – aufwendig und damit langwierig.

Alleine der hohe Aufwand für solche Tests macht es erforderlich, die Ergebnisse auf möglichst viele Komponenten übertragbar zu machen – keine einfache Aufgabe angesichts der entstehenden, unerwünscht hohen Variantenvielfalt. So kommen Drucksensoren in verschiedenen Schlepper-Modellen zum Einsatz – sowohl mit pneumatischen als auch hydraulischen Bremssystemen. Darüber hinaus müssen sie unterschiedliche Druckbereiche beherrschen und geeignete Druckanschlüsse, Ausgangsstecker und -signale bieten. Änderungen an der Konfiguration sind dabei aufwendig und schaffen weitere Varianten. Aus Weiterentwicklungen wie beispielsweise dem ‚brake by wire‘ kann zudem der Bedarf des Umstiegs von einem analogen Ausgangssignal auf einen digitales über den CAN-Bus-Ausgang entstehen. Auch der Einsatz in weiteren sicherheitskritischen Anwendungen, wie etwa in Lasthebevorrichtungen von Nutzfahrzeugen, würde weiteren Entwicklungs- und Zertifizierungsaufwand der Komponenten erfordern – zumal trotz der enormen Auswahl auf dem Markt Sensoren nicht sofort zu finden sind, die alle genannten Kriterien erfüllen.

Ursachen und Preis für die resultierende Variantenvielfalt sind also bekannt: Jede Variante muss gesucht, ausgewählt, verhandelt, beschafft, gelagert und dokumentiert werden. Hohe Entwicklungs- und Qualifizierungskosten, aufwendigere Logisitk – sowohl in der Fertigung als auch bei der Ersatzteilversorgung – entstehen.

Sowohl Kunde als auch Lieferant haben deswegen ein nachvollziehbares Interesse, die Variantenvielalt einzudämmen. Wenn aber aus zwingenden technischen Gründen die Vorteile von Gleichteilen nicht nutzbar sind, ist die Verwendung eines modularen Systems die nächste und beste Alternative. Um die oben beschriebenen Aufwände möglichst zu minimieren, ist es wirtschaftlich und technisch unabdingbar, eine Baureihe von Drucksensoren zu verwenden, die alle Anforderungen erfüllt – der M01 mit seinen Millionen möglicher Varianten bietet die geforderten Eigenschaften:

Ein weiterer Vorteil ergibt sich auch während der Entwicklung: Durch die genaue Definition der Module des Baukastens kann bereits zu Beginn der Entwicklung des Endproduktes eine Sensorvariante ausgewählt werden, welche die hohen Anforderungen nachweislich erfüllen wird.

STW wurde auch deshalb Ende März von AGCO in Marktoberdorf als Zulieferer des Jahres in der Kategorie Qualität ausgezeichnet (Supplier of the Year Award 2017 – Quality). In seiner Laudatio würdigte Florian Kempf, Leiter Lieferantenbetreuung bei AGCO, vor allem den außergewöhnlichen Service, hervorragende ppm-Werte und damit niedrigste Ausfallzahlen. „Hinzu kommen die sehr kurze Reaktionszeit bei Problemen und die gelebte Eigeninitiative innerhalb des Unternehmens, wodurch STW aktiv den Anspruch von AGCO an ‚Null-Fehler-Lieferungen‘ für alle Produkte unterstützt.“ STW sei nicht nur Lieferant, sondern vor allen Dingen ein Partner. co

Komplexe Bremssysteme finden sich nicht nur im Pkw-Bereich, sondern auch in Nutzfahrzeugen, mobilen Arbeitsmaschinen und stationären Anlagen zur Personenbeförderung. Auch Fahrgeschäfte der Freizeitindustrie sind auf sicheres und exakt dosierbares Bremsen angewiesen. Bei pneumatisch betätigten Bremsen wird der Druck im Vorratsbehälter gemessen. Aber auch die aktuellen Bremsdrücke in den einzelnen Kreisen müssen erfasst werden, um die bewegten Massen feinfühlig und gleichmäßig zu verzögern. Durch die Druckmessung werden zusätzliche Komfort- und Sicherheitsfunktionen wie Antiblockiersysteme, Anfahrhilfen, Schlupfregelung, Handbremsassistent, Notbremssysteme, Spursysteme und vieles mehr ermöglicht. Zusätzlich gilt: Je genauer der Druck gemessen werden kann, umso energieeffizienter erfolgt die Druckerzeugung, umso komfortabler kann gebremst werden und umso genauer sind Aussagen über den technischen Zustand der Bremse möglich – denn Ausfälle der Druckmessung führen zu unterschiedlichsten Konsequenzen: vom Aufleuchten einer Warnlampe über einen erhöhten Energiebedarf zur Druckerzeugung oder die Deaktivierung einzelner Komfortfunktionen bis hin zur Festsetzung des Fahrzeuges oder der Anlage. Eine zuverlässige Druckmessung sichert also die Einsatzbereitschaft und Produktivität.