Brummen im Bremspedal: Ursachen und Lösungen bei E-Fahrzeugen
In einer Zeit, in der Elektromobilität nicht mehr nur als technologische Neuerung gilt, sondern zunehmend als Standard für zukünftige Mobilität verstanden wird, rücken Aspekte der Fahrkomfortqualität verstärkt in den Fokus der Nutzererwartungen. Während Verbrennungsmotoren früher durch ihr charakteristisches Geräuschniveau die akustische Fahrzeugumgebung prägten, bieten Elektrofahrzeuge (EVs) eine nahezu geräuschlose Fahrt – besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten. Diese akustische Reinheit birgt jedoch eine besondere Herausforderung: jedes mechanische Geräusch, jeder unerwartete Vibrationseffekt wird nun deutlich hör- und spürbar. Insbesondere im Bereich des Bremsens, wo Fahrer eine hohe Sensibilität für Pedalgefühl und akustische Rückmeldungen besitzen, kann bereits eine minimale Störung die subjektive Wahrnehmung der Fahrzeugqualität erheblich beeinträchtigen.
Ein aktuelles Forschungsprojekt unter der Leitung von Jun Zhang vom Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd. beleuchtet genau dieses Phänomen und liefert eine detaillierte Analyse eines spezifischen NVH-Problems (Noise, Vibration, Harshness) in einem kompakten reinen Elektrofahrzeug. Die Studie, veröffentlicht in der April-Ausgabe der Fachzeitschrift Noise and Vibration Control, untersucht das Phänomen eines deutlich spürbaren Bremspedalzitterns, begleitet von einem „klickenden“ Geräusch, das sich bei moderatem Bremsen unterhalb von 30 km/h zeigt. Auffällig ist, dass das Fahrzeug dabei keine Fahrunruhe aufweist – die Beschleunigung bleibt konstant, es gibt kein Ruckeln oder Blockieren der Räder. Die Ursache liegt demnach nicht in der Fahrzeugdynamik, sondern in der Wahrnehmung durch den Fahrer: eine klassische NVH-Herausforderung, die direkt mit der subjektiven Komfortqualität verknüpft ist.
Das untersuchte Fahrzeug ist mit einem hochintegrierten „Drei-in-Eins“-Vorderelektroantrieb ausgestattet und nutzt ein nicht entkoppeltes elektronisches hydraulisches Bremssystem (EHB). Dieses System kombiniert die Vorteile der regenerativen Bremsung – also der Energierückgewinnung durch den Elektromotor – mit einem hydraulischen Bremsassistenten, um die Bremskraft präzise und schnell bereitzustellen. Der Bremsvorgang wird dabei von einem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESC) gesteuert, das sowohl die elektrische als auch die hydraulische Bremskraft koordiniert. Dieses sogenannte CRBS (Cooperative Regenerative Brake System) soll einen nahtlosen Übergang zwischen beiden Bremsquellen gewährleisten und gleichzeitig ein konsistentes Bremsgefühl vermitteln. Doch genau an dieser Schnittstelle entstehen, wie die Studie zeigt, die kritischen Störungen.
Zhang und sein Team begannen ihre Untersuchung mit einer systematischen Diagnose auf der Teststrecke. Um die Quelle der Vibrationen zu lokalisieren, wurden an strategischen Stellen des Fahrzeugs verschiedene Sensoren angebracht: Beschleunigungssensoren am ESC-Gehäuse, an den hydraulischen Leitungen, am Bremsmasterzylinder, am Bremspedal selbst sowie an der Verbindung zum Fahrzeugboden. Zusätzlich wurde ein Mikrofon in der Nähe des linken Ohres des Fahrers positioniert, um die akustische Wahrnehmung im Innenraum zu erfassen. Die Testfahrt war klar definiert: Beschleunigung auf 30 km/h, Auskuppeln des Antriebs, gefolgt von einem schnellen, aber moderaten Bremsmanöver. Alle Daten wurden synchron aufgezeichnet.
Die Ergebnisse der Messungen waren eindeutig. Der höchste Beschleunigungswert wurde direkt am ESC-Gehäuse gemessen – mit Spitzenwerten von fast 7 g. Dies ist ein außergewöhnlich hoher Wert für ein serienmäßiges Fahrzeug und deutet auf eine starke interne dynamische Belastung hin. Die hydraulischen Leitungen, insbesondere die zwischen Masterzylinder und ESC, zeigten ebenfalls deutliche Schwingungen mit Spitzen um 2 g. Im Vergleich dazu waren die Werte an anderen Bauteilen wie dem Fahrzeugboden oder dem Pedalarmaturenträger deutlich geringer. Diese Diskrepanz legt nahe, dass das ESC nicht nur ein Empfänger, sondern die primäre Quelle der Vibrationen ist.
Die tiefere Analyse mittels Zeit-Frequenz-Spektrogrammen zeigte, dass die dominante Frequenzkomponente am ESC bei etwa 2 000 Hz liegt. Diese Frequenz ist typisch für schnelle mechanische oder hydraulische Vorgänge innerhalb des ESC, wie etwa das Arbeiten einer Kolbenpumpe oder das schnelle Öffnen und Schließen von Magnetventilen. Im Gegensatz dazu zeigte das Bremspedal eine niedrigere Frequenz und eine leichte zeitliche Verzögerung gegenüber dem ESC-Signal. Diese Phasenverschiebung ist charakteristisch für die Ausbreitung einer Druckwelle durch ein hydraulisches System – die Vibration wird über die Bremsflüssigkeit übertragen, was eine gewisse Verzögerung verursacht. Dies bestätigt die Hypothese, dass das Pedalzittern nicht durch direkte mechanische Kopplung, sondern durch hydraulische Druckpulsationen verursacht wird.
Um die Übertragungswege zu identifizieren, führte das Team eine Reihe von Isolationsversuchen durch. Sie entfernten die Befestigungsschrauben zwischen dem ESC und dem Fahrzeugrahmen, lösten alle Halterungen der hydraulischen Leitungen vom Karosserierahmen, fügten Gummipuffer zwischen dem Bremskraftverstärker und der Fahrzeugwand ein und befestigten sogar zusätzliche Massenblöcke, um die lokale Steifigkeit zu verändern. Keine dieser Maßnahmen hatte jedoch einen spürbaren Einfluss auf das Pedalzittern oder das „klickende“ Geräusch.
Ein entscheidender Durchbruch kam jedoch, als das Team die starren Metallrohre, die den Bremsmasterzylinder mit dem ESC verbinden, durch flexible Gummileitungen ersetzte. In diesem Szenario war die Intensität der Vibrationen und das hörbare Klicken deutlich reduziert. Ein weiterer Hinweis ergab sich aus dem Prozess des Nachfüllens der Bremsflüssigkeit: Die subjektive Wahrnehmung des Problems war stark abhängig vom Vakuumgrad im System. Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass das Problem nicht auf einer strukturellen, sondern auf einer fluiddynamischen Unzulänglichkeit beruht: Druckpulsationen innerhalb des hydraulischen Kreislaufs sind die wahre Ursache, und ihre Übertragung wird durch die Steifigkeit und Dämpfung der Flüssigkeitsleitung beeinflusst.
Dies führte zu einer eingehenden Untersuchung der inneren Dynamik der hydraulischen Steuereinheit (HCU) im ESC. Die HCU verwendet einen Gleichstrommotor, der über eine exzentrische Welle eine Kolbenpumpe antreibt, sowie Hochgeschwindigkeits-Magnetventile, um den Bremsdruck zu erzeugen und zu regulieren. Beide Komponenten sind potenzielle Quellen für strömungsinduzierte Vibrationen. Die Kolbenpumpe erzeugt durch ihre Hubbewegung zwangsläufig Pulsationen im Volumenstrom, deren Amplitude und Frequenz von der Motordrehzahl und der Exzentrizität abhängen. Ähnlich erzeugen Magnetventile beim Öffnen und Schließen transiente hydraulische Kräfte, insbesondere wenn ein Druckunterschied über dem Ventil besteht. Diese Kräfte, die durch nichtlineare Strömungsdynamik bestimmt werden, können Resonanzen in den hydraulischen Leitungen und den angeschlossenen Komponenten anregen.
Während ideale Lösungen eine Neukonstruktion der Pumpe oder der Ventile beinhalten könnten – zum Beispiel durch die Verwendung mehrerer Kolben, die Optimierung der Ventilsitzwinkel oder die Integration interner Dämpfer – sind solche Änderungen in der Regel in der späten Phase der Fahrzeugentwicklung nicht praktikabel. Sie erfordern umfangreiche Neuzulassungen, enge Abstimmung mit Zulieferern und verursachen erhebliche Kosten und Verzögerungen. Stattdessen konzentrierte sich Zhangs Team auf einen realistischeren ingenieurtechnischen Ansatz: die Optimierung der Steuerstrategie.
Die Logik war einfach: Wenn die Anregung von Drucktransienten während des Übergangs von der regenerativen zur hydraulischen Bremsung stammt, könnte eine Modifikation des Zeitpunkts und der Intensität dieses Übergangs das Problem mildern. Die ursprüngliche CRBS-Strategie schaltete die volle Energierückgewinnung bei etwa 15 km/h ab. Zu diesem Zeitpunkt musste das hydraulische System plötzlich die gesamte benötigte Bremskraft bereitstellen, was zu einem starken Anstieg der hydraulischen Nachfrage führte. Dieser plötzliche Übergang zwang die Pumpe und die Ventile in einen Zustand hoher Transienten, was die Druckpulsationen verstärkte.
Die vorgeschlagene Lösung war, den Abschaltpunkt der Energierückgewinnung von 15 km/h auf 30 km/h zu verschieben. Dadurch verlässt sich das Fahrzeug bei höheren Geschwindigkeiten stärker auf die Reibungsbremse, wo Hintergrundgeräusche von Straße und Wind helfen, eventuelle Systemgeräusche zu maskieren. Noch wichtiger ist, dass dadurch der abrupte Übergang bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten, wo die Kabine am leisesten und die menschliche Wahrnehmung am empfindlichsten ist, vermieden wird. Zusätzlich reduzierte das Team die Drehzahl des ESC-Motors von 1 800 U/min auf 1 200 U/min, wodurch die Frequenz und Amplitude der von der Kolbenpumpe erzeugten Strömungspulsationen gesenkt wurden.
Die Ergebnisse dieser softwarebasierten Kalibrierung waren beeindruckend. Subjektive Bewertungen durch erfahrene Testfahrer bestätigten, dass das Pedalzittern und das „klickende“ Geräusch nicht mehr wahrnehmbar waren. Objektive Messungen zeigten eine deutliche Reduzierung der Vibrationswerte am ESC und am Pedal, insbesondere in den Frequenzbändern, die mit der hydraulischen Anregung assoziiert waren. Entscheidend war, dass die Bremsleistung und das Pedalgefühl innerhalb akzeptabler Grenzen blieben, und der Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz war minimal, da die Energierückgewinnung bei Geschwindigkeiten unter 15 km/h nur einen geringen Beitrag zur Gesamtenergiebilanz leistet.
Diese Fallstudie verdeutlicht einen breiteren Trend im Automobilengineering: Während Fahrzeuge zunehmend elektrifiziert und softwaredefiniert werden, verschwimmt die Grenze zwischen Hardware- und Softwareleistung. Was früher als mechanischer Defekt angesehen wurde, wird heute oft durch intelligente Steuerungsalgorithmen und Kalibrierungstuning gelöst. Sie unterstreicht auch die Bedeutung des systemorientierten Denkens in der NVH-Entwicklung. Statt Komponenten isoliert zu betrachten, müssen Ingenieure die Wechselwirkungen zwischen Antrieb, Bremssystem, Fahrgestell und Steuerungen berücksichtigen, insbesondere in transienten Betriebszuständen.
Darüber hinaus betont die Studie den Wert der frühen Integration und des Testens. Wie Zhang anmerkt, könnten viele dieser Probleme bereits in der Entwurfsphase durch Hardware-in-the-Loop-(HIL)-Simulationen gemildert werden, bei denen Steuerstrategien an realistischen Modellen der hydraulischen Dynamik validiert werden, bevor physische Prototypen gebaut werden. Dieser proaktive Ansatz verbessert nicht nur die Qualität, sondern reduziert auch die Notwendigkeit kostenintensiver und zeitlich aufwändiger Korrekturen in der späten Entwicklungsphase.
Die Implikationen dieser Forschung gehen über ein einzelnes Fahrzeugmodell hinaus. Mit dem weiteren Wachstum des globalen EV-Marktes steigen auch die Erwartungen der Verbraucher an Komfort und Raffinesse. Automobilhersteller, die subtile NVH-Probleme nicht angehen, riskieren, ihren Markenwert zu beschädigen, selbst wenn die zugrunde liegende Funktionalität einwandfrei ist. In diesem Kontext bieten Studien wie die von Zhang nicht nur eine technische Lösung, sondern auch einen strategischen Rahmen für das Management des komplexen Zusammenspiels zwischen Elektrifizierung, Leistung und Nutzererlebnis.
Sie spiegelt auch die wachsende technische Raffinesse der chinesischen Automobilindustrie wider. Geely, als Teil des Zeekr- und Volvo-Ökosystems, investiert massiv in Kern-Technologien, einschließlich fortschrittlicher Bremssysteme. Die Fähigkeit, derartige differenzierte Probleme intern zu diagnostizieren und zu lösen, demonstriert eine Reifung der technischen Kompetenz, die einheimische Hersteller zu ernstzunehmenden Wettbewerbern im globalen EV-Markt macht.
Ausblickend werden die Herausforderungen nur noch komplexer. Mit der Einführung von Brake-by-Wire-Systemen, bei denen das Bremspedal vollständig von der hydraulischen Einheit entkoppelt ist, erhalten Ingenieure eine größere Kontrolle über das Pedalgefühl und die Systemreaktion. Dies bringt jedoch auch neue Fehlermodi und sensorische Diskrepanzen mit sich, die sorgfältig verwaltet werden müssen. Zukünftige Forschung könnte die Nutzung aktiver Vibrationskompensation, prädiktiver Steuerungsalgorithmen oder sogar haptischer Feedback-Systeme untersuchen, um den Bremskomfort weiter zu verbessern.
Zusammenfassend bietet die Arbeit von Jun Zhang ein überzeugendes Beispiel dafür, wie sorgfältige Tests, tiefes Systemverständnis und intelligente Kalibrierung reale NVH-Probleme in modernen Elektrofahrzeugen lösen können. Sie erinnert daran, dass die Verfolgung einer stillen, sanften und nachhaltigen Mobilität nicht nur eine technische, sondern auch eine kulturelle Aufgabe ist – eine Aufgabe, bei der Aufmerksamkeit für Details nicht nur ein Luxus, sondern eine zwingende Notwendigkeit ist.
Jun Zhang, Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Noise and Vibration Control, DOI: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.02.046