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In Berlin und anderen deutschen Städten sieht man immer häufiger elektrische Lieferräder, die wie paketbeladene, programmierbare Fahrzeuge über die Straßen gleiten. Der deutsche Hersteller Schaeffler sieht darin eine Chance: Er führt einen neuen Generator ein, der das Herzstück eines CAN-basierten intelligenten Antriebskonzepts bildet. Manche Beobachter nennen es Bike-by-Wire, eine Variante von Ride-by-Wire. Heute, im Allgemeinen, ein wenig über den für noch viele unbekannten Bus.
Auf den ersten Blick verkompliziert dies ein Fahrrad, das eigentlich ein recht einfaches Gerät ist. Betrachtet man jedoch die Neuartigkeit der CAN-Bus-basierten Lösung, so profitiert sogar die Luft- und Raumfahrtindustrie davon. Kehren wir kurz zu den Ursprüngen zurück.
Vorteile der klassischen Bildung
In den 1970er Jahren fuhren in Polen stolz Benzinautos mit einer elektrischen Ausrüstung herum, die aus einem Anlasser, einer Zündanlage, einem Öldrucksensor, einem Flüssigkeitstemperatursensor und einigen anderen sowie einem Drehzahlmesser bestand.
Die Entwicklung der Autoelektrik schritt jedoch sehr schnell voran, die Komponenten wurden immer kleiner, billiger und leistungsfähiger, und wenn all die neuen Geräte durch elektrische Leitungen miteinander verbunden würden, entstünde ein riesiges Kabelgewirr.
Damals ahnte kaum jemand etwas von den großen Fortschritten in der Elektrik und Elektronik, aber die Ingenieure erkannten, dass es von allem immer mehr geben würde, und dank der Vorteile einer klassischen Ausbildung waren sie durchaus in der Lage, allgemeine Entwicklungen vorherzusehen. Technologische Innovationen wie ABS oder elektronische Verriegelungen konnten nur zunehmen. Mit ihnen musste auch die Zahl der notwendigen Verkabelungen wachsen. Der deutsche Unternehmer Robert Bosch und sein Unternehmen bescherten der Welt einen visionären Leckerbissen.
Neue Kommunikationsstandards
Die Arbeiten am CAN-Bus begannen 1983 bei der Robert Bosch GmbH. Das Protokoll wurde 1986 offiziell vorgestellt. Die ersten CAN-Chips wurden 1987 von Intel eingeführt, kurz darauf kam Philips hinzu.
Der Mercedes-Benz W140 von 1991 war das erste Serienfahrzeug, das ein CAN-basiertes Multiplex-Verkabelungssystem verwendete. Bosch arbeitet weiterhin aktiv an der Erweiterung der CAN-Standards.
Im Jahr 2012 veröffentlichte sie CAN FD 1.0 oder CAN mit flexibler Datenrate. Die Spezifikation verwendet ein anderes Rahmenformat, das unterschiedliche Datenlängen sowie die optionale Umschaltung auf eine höhere Baudrate bei einer Arbitrierungsentscheidung ermöglicht. Für die Kompatibilität wurde gesorgt, da CAN FD mit bestehenden CAN 2.0-Netzwerken kompatibel ist, so dass neue CAN FD-Geräte im selben Netzwerk arbeiten können. Der CAN-Bus ist auch eines der Protokolle, die im OBD-II-Standard für die On-Board-Diagnose verwendet werden, und für die EU-Länder gelten ebenfalls verbindliche Bestimmungen.
Was ist ein CAN-Bus?
Das Hauptanwendungsgebiet für den CAN-Bus ist die Automobilelektronik. CAN ist ein serieller Multi-Master-Bus-Standard für die Verbindung elektronischer Steuergeräte (ECU), die auch als Knotenpunkte bezeichnet werden. Für die Kommunikation in einem CAN-Netzwerk sind zwei oder mehr Knoten erforderlich. Ein Knoten kann mit Geräten verbunden werden, die von einfacher digitaler Logik, z.B. PLD (programmable logic device), über FPGA (field-programmable gate array) bis zu eingebetteten Computern mit umfangreicher Software reichen. Ein solcher Computer kann auch ein Gateway sein, das es einem Allzweckcomputer (z. B. einem Laptop) ermöglicht, über USB oder Ethernet mit Geräten im CAN-Netz zu kommunizieren.
CAN-Bus-Anwendungen:
- Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse (Benzin- und -Elektrofahrzeuge).
- -Landwirtschaftliche Geräte.
- -Elektronische Geräte für Luftfahrt und Navigation.
- -Industrielle Automatisierung und mechanische Steuerungen.
- -Aufzüge und Rolltreppen.
- -Gebäudeautomatisierung.
- -Medizinische Instrumente und Geräte.
- -Pedelecs (eine Art elektrisches Fahrrad).
- -Eisenbahnmodelle.
- -Wasserfahrzeuge (um die Definition einzugrenzen).
- -Beleuchtungssteuerungssysteme.
Von Autos zu Motorrädern
Bleiben wir bei den Anwendungen stehen, die für jeden geeignet sind, der ein Fahrrad besitzt und damit fahren kann. CAN ist die Antwort auf die Entwicklung elektronischer Komponenten in Autos und deren zunehmende Anzahl. Da es die Kommunikation zwischen Geräten ohne meterlange Kabel ermöglicht, können wir dank dieser Busse auch auf die Fahrradkette verzichten. Und warum? Weil an Bord eines Fahrzeugs, das mit einem CAN-Bus als Steuergerät ausgestattet ist, alle Geräte untereinander Nachrichten senden, zum Beispiel fragt ein Gerät ein anderes, ob es schon in Betrieb gehen kann.
Pionierska technologia ride-by-wire zastosowana w modelu motocykla Yamaha YZF-R6 w 2006 roku była częścią znacznej modernizacji japońskiego producenta, która obejmowała również nową kontrolę zarządzania silnikiem. Eliminuje ona mechaniczne połączenia pomiędzy pedałem gazu a przepustnicą. Fizyczne połączenie jest zastąpione czujnikami połączonymi przewodami, które decydują o tym, jaka ilość mieszanki paliwowo-powietrznej powinna dostać się do silnika motocykla.
Die Ride-by-wire-Technologie wurde von den Herstellern bei Motorrädern mit großem Hubraum eingesetzt, die für die Rennstrecke konzipiert waren – mit der Zeit wurde einer der Vorteile des Einsatzes bei Motorrädern die Gewissheit, dass die Maschine die immer strengeren Abgasnormen erfüllen würde. Da die Technologie nun auch in Straßenmotorrädern mit kleinerem Hubraum zu finden ist, muss jemand auf die Idee gekommen sein, dass sie auch für Fahrradbesitzer interessant sein könnte.
Ride-by-wire
Vernetzt, flexibel, langlebig und umweltfreundlich. Neue Trends in der Mobilität stellen hohe Anforderungen an Produkte und Technik. Der deutsche Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler präsentierte auf der Eurobike 2021 das neue Bike-by-Wire-System Free Drive als innovative Lösung für Fahrräder. Übrigens sollte man sich den Namen Eurobike merken – es handelt sich um eine jährlich in verschiedenen Städten stattfindende Messe der Fahrradbranche, die 2021 in Friedrichshafen stattfand, während die nächste Ausgabe in Frankfurt am Main stattfinden wird.
“Kettenlose” Antriebssysteme ermöglichen völlig neue Fahrraddesigns und, nach dem Vorbild des Autos, weniger Verschleißteile. Der E-Bike-Markt wächst stetig und Schaeffler hat bereits langjährige Erfahrung im E-Bike-Segment und präsentierte zuletzt 2016 die mechatronische Schaltautomatik VELOMATIC – ein automatischer Fahrrad-Kettenschaltung-Lenker. Zurück zu CAN.
Herzstück des Free Drive-Systems ist ein Schaeffler-Generator, der einen konstanten Widerstand auf das Pedal ausübt und gleichzeitig die Tretkraft des Radfahrers aufnimmt. Die regenerative Lösung ist ein serieller Hybridantrieb, der die durch das Treten erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Diese wiederum wird im Motor an der Radnabe wieder in mechanische Energie umgewandelt. Die überschüssige Energie wird in einer Batterie gespeichert. Scheinbar nichts Neues, aber wie im Auto kommunizieren alle Komponenten des Systems über eine CAN-Verbindung miteinander. Das optimierte Gesamtsystem erzeugt eine Dauerleistung von 250 Watt und besteht aus Pedalgenerator, Antriebsmotor, Powerpack-Batterie und dem so genannten Human-Machine-Interface (HMI).
Neue Chancen für die Zukunft
Worin besteht die Neuheit? Unabhängig davon, ob das System in Zwei-, Drei- oder Vierradanwendungen eingesetzt wird, ermöglicht Free Drive durch das Fehlen einer mechanischen Verbindung zwischen Generator und Motor eine maximale Flexibilität der Fahrradarchitektur und ein frei konfigurierbares Tretgefühl, das auf die Anforderungen des Fahrrads und die Bedürfnisse des Radfahrers zugeschnitten ist. Gleichzeitig sorgt es für einen minimalen Verschleiß der Komponenten. Die kompakten Abmessungen des Free Drive Systems erlauben es, den Standard-Millimeterabstand zwischen den beiden Pedalen beizubehalten. Zudem lässt sich das Free Drive System herstellerunabhängig an unterschiedliche Anwendungen anpassen. Vielleicht wird auch in der Fahrradindustrie ein ähnlicher Boom an elektrischen und elektronischen Anbauteilen stattfinden, wie er in der Geschichte der PKW und Motorräder stattgefunden hat.
Dann sind wir sicher froh über den CAN-Bus, weil wir uns nicht mehr um Dutzende von Kabeln kümmern müssen und uns Sorgen machen, dass eines davon abreißt und kaputt geht. Über CAN-Bus-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie wollen wir heute noch nicht sprechen, aber dort ist der Vorteil einer geringeren Anzahl von Drähten noch deutlicher zu spüren – ein Beispiel ist der Airbus A380, bei dem der Controller ein integraler Bestandteil der Schalttafel (ICP) ist. Wir dürfen auch nicht vergessen, dass weniger Verkabelung weniger Kupfer und weniger Kunststoff bedeutet und generell weniger Ärger bedeutet.
