Elektronisches Stabilitäts-Programm (ESP)
Vor 25 Jahren: Serienpremiere des Elektronischen Stabilitäts-Programms ESP
Text und Fotos: Daimler AG (CR36/S58)
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Die technische Sensation verbirgt sich hinter einem sachlichen Kürzel: ESP® steht für Elektronisches Stabilitäts-Programm. Es unterstützt in fahrdynamisch kritischen Situationen, indem es gezielt ein oder mehrere Räder abbremst und – falls notwendig – das Motordrehmoment anpasst. So kann das Fahrzeug der über den Lenkeinschlag vorgegebenen Richtung folgen. Im Mai 1995 feiert ESP® im Mercedes-Benz Coupé der Baureihe 140 die Serienpremiere.
Eine wichtige Episode vorweg: Der rasante Aufstieg des Assistenzsystems zum weltweiten Standard folgt ab Oktober 1997. Beim Test einer Mercedes-Benz A-Klasse der Baureihe 168 durch einen schwedischen Motorjournalisten wird bei einem abrupten Ausweichmanöver, dem sogenannten „Elchtest“, der fahrdynamische Grenzbereich überschritten, und das Kompaktfahrzeug fällt auf die Seite. Was zunächst wie ein Rückschlag wirkt, geht das Unternehmen konstruktiv an: Die Auslieferung der A-Klasse wird für zwölf Wochen unterbrochen und das Assistenzsystem ESP® in dieser Zeit als serienmäßige Komponente in allen Fahrzeugen nachgerüstet. Das Ergebnis überzeugt: Die A-Klasse erfüllt nun auch Extremtests besser als der Wettbewerb. 1999 ist Mercedes-Benz dann die erste Marke, die alle Pkw-Modelle serienmäßig mit dem Fahrsicherheitssystem ausstattet. Dieser Schritt hat eine branchenweite Signalwirkung.
Das ESP® baut auf den erfolgreichen Technologien Antiblockiersystem (ABS) und Antriebsschlupfregelung (ASR) auf, verwendet jedoch eine nochmals erheblich umfangreichere Sensorik. Dazu zählen insbesondere Lenkwinkel-, Querbeschleunigungs- und Gierratensensoren. Ein Schlüsselelement für den Erfolg des ESP® ist der von Bosch produzierte Gierratensensor. Er erfasst präzise die Drehbewegungen des Fahrzeugs um seine Hochachse – so kann die Elektronik zum Beispiel Schleuderbewegungen erkennen. Auf der Grundlage dieser Daten errechnet das System in Millisekunden korrigierende Bremsreaktionen.
Entwickelt wird die Innovation von Daimler-Benz und Bosch. Die ersten Entwicklungsschritte machen beide Unternehmen in den 1980er-Jahren noch unabhängig voneinander: Die Vorentwicklungsbereiche der beiden Unternehmen suchen nach Lösungen, um in kritischen Fahrsituationen eine größere Fahrstabilität zu ermöglichen. Im Jahr 1992 bündeln beide ihre Entwicklungen in einem gemeinsamen Team. Die Ergebnisse der Arbeit werden 1994 unter dem Namen Fahrdynamik-Regelung (FDR) vorgestellt.
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Die Markteinführung des ESP® erfolgt dann als Elektronisches Stabilitäts-Programm ESP® ab Mai 1995 im S 600 Coupé der Baureihe 140, das es als Serienausstattung erhält. Die gleichfalls mit V12-Motor ausgestatteten S 600 Limousinen und der SL 600 folgen ab September 1995. Ab diesem Zeitpunkt ist es zudem in den S-Klasse Limousinen und Coupés mit V8-Motor und der SL-Klasse optional erhältlich. Ab der Markteinführung im Januar 1996 ist es dann auch für den E 420 der Baureihe 210 lieferbar.
Neben Gurt, Airbag und ABS hat sich ESP® seit Mitte der 1990er-Jahre als das mit Abstand wichtigste Sicherheitssystem moderner Personenwagen etabliert. Zunächst führt Mercedes-Benz als weltweit erster Hersteller das ESP® konsequent für alle eigenen Baureihen als Serienausstattung ein. Danach reduziert sich der Anteil von Mercedes-Benz Personenwagen an folgenschweren Fahrunfällen in der Unfallstatistik um mehr als 42 Prozent, bei Modellen anderer Marken dagegen nur um 13 Prozent.
Diese Wirksamkeit überzeugt: Bald ziehen immer mehr Hersteller nach. Und gemäß einer EU-Verordnung müssen seit November 2011 sämtliche in der Europäischen Union neu zugelassenen Personenwagen- und Nutzfahrzeugtypen serienmäßig mit ESP® ausgestattet werden. Die Mercedes-Benz A-Klasse ist ein Trendsetter. Die Demokratisierung von in der Oberklasse etablierter Hochtechnologie über das Spektrum ganz verschiedener Personenwagen-Baureihen hinweg spiegelt sich in der Ausstattung der aktuellen Baureihe 177 wider.
Denn die A-Klasse mit ihren Derivaten zeichnet sich nicht nur durch das wegweisende Multimediasystem MBUX (Mercedes-Benz User Experience) aus, sondern bietet auch die aktuellsten Assistenzsysteme von Mercedes-Benz Intelligent Drive mit Funktionsumfängen, wie sie auch für alle anderen Fahrzeuge bis hin zur modellgepflegten S-Klasse der Baureihe 222 zur Verfügung stehen – inklusive teilautomatisiertem Fahren in bestimmten Situationen.
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Elektronisches Stabilitätsprogramm ESP
Text: Jürgen Hachtel | Bildmaterial: Robert Bosch GmbH und Daimler AG (CR20/S76)
Das Elektronische Stabilitätsprogramm ESP ist die Weiterentwicklung des Antiblockiersystems (ABS) und der Antischlupfregelung (ASR). Die Robert Bosch GmbH und die Daimler AG entwickelten dieses Bremsenregelsystem gemeinsam bis zur Serienreife 1995. ESP ist ein eingetragenes Warenzeichen der Daimler AG.
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Während das ABS-System das Blockieren der Räder beim Bremsen verhindert und somit die Lenkfähigkeit des Fahrzeugs während einer Vollbremsung verbessert, verhindert das ASR-System das Durchdrehen der Antriebsachse(n) beim Beschleunigen. Diese beiden Systeme verbessern somit deutlich die Fahrstabilität eines Fahrzeugs. ESP verhindert nun auch das sogenannte Gieren (Drehung um die Hochachse) des Fahrzeugs. Hierbei unterscheidet man zwischen einem übersteuernden und einem untersteuernden Fahrzeug (siehe Bild 2, 3).
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Durch aktiven Druckaufbau in einzelne Räder wird ein Übersteuern oder Untersteuern innerhalb der physikalischen Grenzen verhindert. Dies reduziert die sehr gefährlichen Schleuderunfälle. Um dieses Gieren verhindern zu können, sind zusätzliche Sensoren notwendig. Die Raddrehzahlfühler sind auch beim ABS/ASR-System bereits notwendig, um instabile Radzustände erkennen zu können. Ein ESP-System benötigt zusätzlich noch einen Lenkwinkelsensor, einen Querbeschleunigungssensor und einen Drehratensensor, um das Fahrverhalten des Fahrzeugs elektronisch zu erfassen.
Damit ESP auf kritische Fahrsituationen reagieren kann, vergleicht das System permanent (bis zu 150-mal pro Sekunde) den Fahrerwunsch mit dem Fahrzustand. Der Lenkwinkelsensor liefert den Fahrerwunsch hinsichtlich der Fahrtrichtung. Motormanagement, die ABS -Drehzahlsensoren und der Gierratensensor (Gierrate = Drehung des Fahrzeugs um die Hochachse) liefern die Signale zur Interpretation des Fahrzeugverhaltens. Wenn eine wesentliche Abweichung des berechneten Fahrzustandes vom Fahrerwunsch festgestellt wird, greift das System ein. Das Fahrzeug baut einen sogenannten Schwimmwinkel β auf.
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Der Schwimmwinkel β ist der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs im Schwerpunkt und der Fahrzeuglängsachse (siehe Bild 5). Bei hohen Querbeschleunigungen gilt der Schwimmwinkel β als Maß für die Beherrschbarkeit von Fahrzeugen. Bei einem Schwimmwinkel unter 5 Grad gilt das Fahrverhalten noch als stabil.
Bei größeren, kontrollierten Schwimmwinkeln spricht man im Motorsport von driften.
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Ein Übersteuern wird durch Abbremsen des kurvenäußeren Vorderrades, ein Untersteuern durch Abbremsung des kurveninneren Hinterrades korrigiert. Die Radposition spielt dabei eine doppelte Rolle: Einerseits erzeugt die Bremskraft auf der kurveninneren Seite ein Giermoment, das das Eindrehen unterstützt, und umgekehrt. Andererseits verliert ein gebremstes Rad an Seitenführungsfähigkeit, d. h. Bremskraft an der Hinterachse unterstützt das Eindrehen, und umgekehrt. Einseitige Bremseingriffe an der Vorderachse können am Lenkrad spürbar sein.
Zusätzlich kann ESP auch die Motorleistung drosseln, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu verringern und ein Durchdrehen der Antriebsräder zu verhindern. Von Beginn an wurden die ESP-Systeme auch mit einer Traktionskontrolle (ASR) verbunden, die ein durchdrehendes Antriebsrad abbremst und so das Antriebsmoment auf das andere Rad verlagert. Neben der zusätzlichen Sensorik ist für das ESP die Trennung aller Radbremskreise erforderlich, damit jedes Rad einzeln abgebremst werden kann.
Beispiel:
Ein PKW fährt eine Rechtskurve. Droht ein Ausbrechen des Hecks nach links durch eine Lastwechselreaktion, durch ein Aufschaukeln des Fahrzeugs nach schneller Lenkwinkeländerung, durch starke Leistungserhöhung bei heckgetriebenen Fahrzeugen (Leistungsübersteuern), durch einen technischen Defekt (zum Beispiel Platzen eines Hinterreifens) oder durch eine Änderung des Reibwerts im Kurvenverlauf, bremst das ESP das Rad vorne links ab. Dadurch wird ein Giermoment nach links erzeugt, das dem Übersteuern des Fahrzeugs entgegenwirkt. Das Rad vorne links und damit die Vorderachse verlieren außerdem durch die Bremsung an Seitenführungskraft, was das Einlenkmoment und damit das Übersteuern des Fahrzeugs zusätzlich abschwächt.
Links und Quellen:
- http://www.kfztech.de/kfztechnik/sicherheit/ESP.htm
- Weiterführende Literatur:
- Bosch Kraftfahrzeugtechnik „Sicherheits- und Komfortsysteme“ Funktion, Regelung und Komponenten, Vieweg Verlag. ISBN 3-528-13875-0
- Robert Bosch (Hrsg): Autoelektrik Autoelektronik. 5. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-528-23872-8
- Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
Vortrag ESP Grundlagen
Die hier zur Verfügung gestellte Präsentation war Teil eines Vortrags, den Jürgen Hachtel (RT Heilbronn) am 09.11.2024 in Oppenweiler gehalten hat.