Das Antiblockiersystem (ABS) überwacht die Parameter der Fahrzeugbewegung anhand der Messwerte von Sensoren, die an einem oder mehreren Rädern installiert sind.Erfahren Sie im Artikel, was ein ABS-Sensor ist und warum er benötigt wird, um welche Typen es sich handelt, wie er funktioniert und auf welchen Prinzipien seine Arbeit basiert.
Was ist ein ABS-Sensor?
Der ABS-Sensor (auch Automotive Speed Sensor, DSA) ist ein berührungsloser Sensor für die Drehzahl (oder Geschwindigkeit) des Rades von Fahrzeugen, die mit verschiedenen elektronischen aktiven Sicherheitssystemen und Hilfssteuersystemen ausgestattet sind.Geschwindigkeitssensoren sind die wichtigsten Messelemente, die den Betrieb des Antiblockiersystems (ABS), des Stabilitätskontrollsystems (ESC) und der Traktionskontrolle sicherstellen.Außerdem werden Sensorwerte in einigen Automatikgetriebe-Steuerungssystemen, Reifendruckmessungen, adaptiver Beleuchtung und anderen verwendet.
Alle modernen Autos und viele andere Radfahrzeuge sind mit Geschwindigkeitssensoren ausgestattet.Bei Pkw sind Sensoren an jedem Rad verbaut, bei Nutzfahrzeugen und Lkw können Sensoren sowohl an allen Rädern als auch in Antriebsachsdifferenzialen (einer pro Achse) verbaut werden.Somit können Antiblockiersysteme den Zustand aller Räder oder der Räder der Antriebsachsen überwachen und basierend auf diesen Informationen Änderungen am Betrieb des Bremssystems vornehmen.
Arten von ABS-Sensoren
Alle bestehenden DSAs sind in zwei große Gruppen unterteilt:
• Passiv – induktiv;
• Aktiv – magnetoresistiv und basierend auf Hall-Sensoren.
Passive Sensoren benötigen keine externe Stromversorgung und haben den einfachsten Aufbau, weisen jedoch eine geringe Genauigkeit und eine Reihe von Nachteilen auf, sodass sie heute kaum noch von Nutzen sind.Aktive ABS-Sensoren benötigen zum Betrieb Strom, sind etwas komplexer im Aufbau und teurer, liefern aber die genauesten Messwerte und sind zuverlässig im Betrieb.Daher sind heute in den meisten Autos aktive Sensoren verbaut.
DSA aller Art gibt es in zwei Versionen:
• Gerade (Ende);
•Ecke.
Direktsensoren haben die Form eines Zylinders oder einer Stange, an deren einem Ende ein Sensorelement und am anderen Ende ein Stecker oder ein Kabel mit Stecker installiert ist.Winkelsensoren sind mit einem Winkelstecker oder einem Kabel mit Stecker ausgestattet und verfügen außerdem über eine Kunststoff- oder Metallhalterung mit Bolzenloch.
Aufbau und Funktionsweise von ABS-Induktivsensoren
Dies ist der einfachste Geschwindigkeitssensor in Design und Betrieb.Es basiert auf einem mit einem dünnen Kupferdraht umwickelten Induktor, in dessen Inneren sich ein ziemlich starker Permanentmagnet und ein Eisenmagnetkern befinden.Das Ende der Spule mit Magnetkern befindet sich gegenüber dem Metallzahnrad (Impulsrotor), das starr auf der Radnabe montiert ist.Die Rotorzähne haben ein rechteckiges Profil, der Abstand zwischen den Zähnen ist gleich oder geringfügig größer als ihre Breite.
Die Funktionsweise dieses Sensors basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion.Im Ruhezustand fließt in der Sensorspule kein Strom, da sie von einem konstanten Magnetfeld umgeben ist – am Ausgang des Sensors liegt kein Signal an.Während sich das Auto bewegt, bewegen sich die Zähne des Impulsrotors in der Nähe des Magnetkerns des Sensors, was zu einer Änderung des durch die Spule fließenden Magnetfelds führt.Dadurch wird das Magnetfeld alternierend, was nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion einen Wechselstrom in der Spule erzeugt.Dieser Strom variiert nach dem Sinusgesetz und die Frequenz der Stromänderung hängt von der Drehzahl des Rotors, also von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, ab.
Induktive Geschwindigkeitssensoren haben erhebliche Nachteile: Sie beginnen erst bei Überschreiten einer bestimmten Geschwindigkeit zu arbeiten und erzeugen ein schwaches Signal.Dies macht den Betrieb von ABS und anderen Systemen bei niedrigen Geschwindigkeiten unmöglich und führt häufig zu Fehlern.Daher weichen heute passive DSAs vom induktiven Typ durch fortschrittlichere aktive DSAs.
Aufbau und Betrieb von Geschwindigkeitssensoren auf Basis des Hall-Elements
Auf Hall-Elementen basierende Sensoren sind aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit am häufigsten.Sie basieren auf dem Hall-Effekt – dem Auftreten einer transversalen Potentialdifferenz in einem ebenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet.Ein solcher Leiter ist eine quadratische Metallplatte, die in einem Mikroschaltkreis (Hall-IC) untergebracht ist, der auch eine Auswerteelektronik enthält, die ein digitales Signal erzeugt.Dieser Chip ist im Geschwindigkeitssensor verbaut.
Strukturell ist DSA mit einem Hall-Element einfach: Es basiert auf einer Mikroschaltung, hinter der sich ein Permanentmagnet befindet, und um die herum sich ein Metallplatten-Magnetkern befinden kann.All dies ist in einem Gehäuse untergebracht, in dessen Rückseite sich ein elektrischer Stecker oder ein Leiter mit Stecker befindet.Der Sensor befindet sich gegenüber dem Impulsrotor, der entweder in Form eines Metallzahnrads oder eines Rings mit magnetisierten Abschnitten ausgeführt sein kann. Der Impulsrotor ist starr auf der Radnabe montiert.
Das Funktionsprinzip des Hall-Sensors ist wie folgt.Der integrierte Hall-Schaltkreis erzeugt ständig ein digitales Signal in Form von Rechteckimpulsen einer bestimmten Frequenz.Im Ruhezustand hat dieses Signal eine minimale Frequenz oder fehlt vollständig.Zu Beginn der Bewegung des Fahrzeugs passieren magnetisierte Abschnitte oder Rotorzähne den Sensor, was zu einer Änderung des Stroms im Sensor führt – diese Änderung wird von der Auswerteschaltung überwacht, die das Ausgangssignal generiert.Die Frequenz des Impulssignals hängt von der Raddrehgeschwindigkeit ab, die vom Antiblockiersystem verwendet wird.
DSA dieser Art weisen keine Nachteile induktiver Sensoren auf, sie ermöglichen die Messung der Drehzahl der Räder buchstäblich ab den ersten Zentimetern der Fahrzeugbewegung, sind präzise und zuverlässig im Betrieb.
Design und Betrieb anisotroper magnetoresistiver Geschwindigkeitssensoren
Magnetoresistive Geschwindigkeitssensoren basieren auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt, bei dem es sich um eine Änderung des elektrischen Widerstands ferromagnetischer Materialien handelt, wenn sich deren Ausrichtung relativ zu einem konstanten Magnetfeld ändert.
Das empfindliche Element des Sensors ist ein „Schichtkuchen“ aus zwei oder vier dünnen Permalloy-Platten (einer speziellen Eisen-Nickel-Legierung), auf denen Metallleiter aufgebracht sind, die die magnetischen Feldlinien auf eine bestimmte Weise verteilen.Die Platten und Leiter sind in einem integrierten Schaltkreis untergebracht, der auch die Auswerteschaltung zur Bildung des Ausgangssignals beherbergt.Dieser Chip ist in einem dem Impulsrotor gegenüberliegenden Sensor eingebaut – einem Kunststoffring mit magnetisierten Abschnitten.Der Ring ist starr auf der Radnabe montiert.
Der Betrieb von AMR-Sensoren läuft auf Folgendes hinaus.Im Ruhezustand bleibt der Widerstand der ferromagnetischen Platten des Sensors unverändert, sodass sich auch das vom integrierten Schaltkreis erzeugte Ausgangssignal nicht ändert oder ganz ausbleibt.Während sich das Auto bewegt, passieren magnetisierte Abschnitte des Impulsrings das Sensorelement, was zu einer gewissen Änderung der Richtung der Magnetfeldlinien führt.Dies führt zu einer Widerstandsänderung der Permalloy-Platten, die von der Auswerteschaltung überwacht wird – dadurch entsteht am Ausgang des Sensors ein gepulstes digitales Signal, dessen Frequenz proportional zur Geschwindigkeit des Autos ist.
Es ist zu beachten, dass Sie mit magnetoresistiven Sensoren nicht nur die Drehzahl der Räder, sondern auch deren Drehrichtung und den Zeitpunkt des Anhaltens verfolgen können.Dies ist durch das Vorhandensein eines Impulsrotors mit magnetisierten Abschnitten möglich: Der Sensor überwacht nicht nur die Richtungsänderung des Magnetfelds, sondern auch die Reihenfolge des Durchgangs der Magnetpole am Sensorelement vorbei.
DSAs dieser Art sind die zuverlässigsten, sie bieten eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Drehzahl der Räder und den effektiven Betrieb aktiver Fahrzeugsicherheitssysteme.
Das allgemeine Funktionsprinzip von Geschwindigkeitssensoren als Teil von ABS und anderen Systemen
Antiblockiersysteme haben unabhängig von den darin verbauten Sensoren das gleiche Funktionsprinzip.Das ABS-Steuergerät überwacht das von den Geschwindigkeitssensoren kommende Signal und vergleicht es mit vorberechneten Indikatoren für Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeugs (diese Indikatoren sind für jedes Auto individuell).Stimmen das Signal des Sensors und die im Steuergerät erfassten Parameter überein, ist das System inaktiv.Weicht das Signal eines oder mehrerer Sensoren von den Auslegungsparametern ab (d. h. die Räder sind blockiert), wird das System in das Bremssystem eingebunden und verhindert so die negativen Folgen eines Blockierens der Räder.
Weitere Informationen zur Funktionsweise des Antiblockiersystems und anderer aktiver Fahrzeugsicherheitssysteme finden Sie in anderen Artikeln auf der Website.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. August 2023