Der Fahrpedal­sensor im Kfz

Früher war das Gaspedal über einen Seilzug direkt mit der Drosselklappe oder der Einspritzpumpe verbunden. Bei modernen Fahrzeugen gibt es diese mechanische Verbindung nicht mehr. Ein Fahrpedalsensor, auch Pedalwertgeber genannt, misst die Stellung des Pedals und schickt sie als elektrisches Signal an das Motorsteuergerät. Man spricht von E-Gas oder Drive-by-Wire.

Der große Vorteil: Das Steuergerät entscheidet, wie es den Fahrerwunsch umsetzt. So lassen sich Verbrauch, Abgas, Fahrkomfort und Sicherheitssysteme optimal aufeinander abstimmen. Tippe auf eine Karte, um zu sehen, welche Systeme das Pedalsignal nutzen.

Der Sensor sitzt heute fast immer direkt im Pedalmodul, zusammen mit Pedalhebel, Rückstellfedern und gegebenenfalls einem Kickdown-Element. Wird der Sensor defekt, tauscht man meist das ganze Modul. Drei Messprinzipien sind verbreitet:

Alle drei Bauformen liefern dem Steuergerät am Ende meist dasselbe: eine Spannung zwischen etwa 0,5 und 4,5 V, die mit dem Pedalweg ansteigt. Manche berührungslosen Sensoren übertragen den Wert stattdessen digital, zum Beispiel als PWM- oder SENT-Signal.

Ein fehlerhaftes Pedalsignal kann gefährlich sein: Das Fahrzeug könnte ungewollt beschleunigen. Deshalb enthält jedes Fahrpedalmodul zwei voneinander unabhängige Sensoren. Jeder hat seine eigene Versorgung, seine eigene Masse und seine eigene Signalleitung. Am Stecker findet man daher meist sechs Anschlüsse.

Die beiden Signale verlaufen bewusst unterschiedlich. Häufig steigt das zweite Signal nur halb so steil wie das erste. Bei VW heißen die beiden Geber zum Beispiel G79 und G185. Das Steuergerät vergleicht beide Signale laufend. Passen sie nicht zueinander, weiß es, dass ein Fehler vorliegt, auch wenn jedes Signal für sich plausibel aussieht.

Im Simulator trittst du das Pedal und siehst beide Signalspannungen auf ihren Kennlinien. Schalte anschließend verschiedene Fehler dazu und beobachte, wie das Steuergerät reagiert. Probiere auch aus, was passiert, wenn du gleichzeitig bremst.

Beachte: Die Kennlinien beginnen nicht bei 0 V und enden nicht bei 5 V. Dadurch kann das Steuergerät eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss sofort vom Pedal in Ruhestellung oder Vollgas unterscheiden. Warum das so ist, wird im Kapitel 9 genauer erklärt.

Erkennt das Steuergerät einen Fehler am Fahrpedalsensor, schaltet es in einen Notlauf. Wie stark es eingreift, hängt davon ab, wie viel Information noch verlässlich ist:

Bremse hat Vorrang

Werden Fahrpedal und Bremspedal gleichzeitig betätigt, reduzieren moderne Steuergeräte das Motormoment auf Leerlauf. Diese Brems-Übersteuerung verhindert, dass ein klemmendes Pedal oder ein fehlerhaftes Signal das Fahrzeug gegen die Bremse antreibt. Je nach Hersteller greift die Funktion erst oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit oder nach kurzer Verzögerung, damit zum Beispiel das Anfahren am Berg mit beiden Füßen möglich bleibt.

1. Fehlerspeicher und IstwerteBeide Pedalwerte in Prozent oder Volt anzeigen lassen und das Pedal langsam durchtreten. Beide Werte müssen gleichmäßig und ohne Sprünge steigen.
2. SichtprüfungStecker auf Korrosion und Feuchtigkeit prüfen. Im Fußraum kommen nasse Fußmatten und Streusalz vor, dazu mechanische Beschädigung durch Füße und Fußmatten.
3. Versorgungen messenStecker abziehen, Zündung ein: An beiden Versorgungspins gegen die jeweilige Masse etwa 5 V.
4. Signale messenStecker aufgesteckt, von hinten oder mit Messadapter messen. Leerlaufstellung und Vollgas mit den Sollwerten vergleichen und das Verhältnis der beiden Signale prüfen.
5. Leitungen zum SteuergerätAlle sechs Leitungen auf Durchgang und Kurzschluss prüfen, auch untereinander.
6. Grundeinstellung nach dem TauschViele Fahrzeuge verlangen nach dem Tausch des Pedalmoduls eine Anpassung oder das Einlernen von Leerlauf- und Kickdown-Position mit dem Diagnosegerät.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Ein Potentiometer ist ein Spannungsteiler. Liegt an der Widerstandsbahn die Referenzspannung U_ref an und steht der Schleifer beim Anteil x der Bahn, gilt im unbelasteten Fall:

Das Signal ist also ratiometrisch: Es hängt nicht nur von der Pedalstellung, sondern auch von der Referenzspannung ab. Schwankt die 5-V-Versorgung um 2 %, schwankt das Signal ebenfalls um 2 %. Das Steuergerät misst das Signal deshalb mit einem Analog-Digital-Wandler, der dieselbe 5-V-Referenz nutzt. Im Verhältnis U_S/U_ref kürzt sich die Schwankung heraus.

Belastung und Kontaktprobleme

Wird der Schleiferabgriff belastet, etwa durch den Eingangswiderstand des Steuergeräts oder eines Messgeräts, verbiegt sich die Kennlinie etwas. Deshalb sind die Eingänge sehr hochohmig. Wichtiger in der Praxis ist der Verschleiß: An Stellen, die das Pedal häufig anfährt, etwa im Teillastbereich, nutzt sich die Bahn ab. Der Kontaktwiderstand steigt, das Signal springt oder bricht kurz ein. Solche Fehler sind mit dem Multimeter kaum zu sehen, weil es zu träge misst. Mit dem Oszilloskop sieht man sie beim langsamen Durchtreten als Einbrüche im Signal.

Hall-Winkelsensor

An der Pedalwelle sitzt ein diametral magnetisierter Magnet. Darunter misst ein Hall-IC die beiden Komponenten des Magnetfelds in der Chipebene, B_x und B_y. Dreht sich der Magnet um den Winkel φ, gilt B_x ~ cos φ und B_y ~ sin φ. Der IC berechnet daraus den Winkel:

Der Winkel wird im IC in die gewünschte Ausgangskennlinie umgerechnet. Anfangs- und Endwert, Steigung und Ausgangsart sind bei der Herstellung programmierbar. So kann derselbe Chip in vielen Pedalmodulen eingesetzt werden. Für die Redundanz enthalten die Module entweder zwei Chips oder einen Doppel-IC mit zwei getrennten Kanälen.

Induktiver Positionssensor

Hier gibt es keinen Magneten. Auf einer Leiterplatte sind eine Erregerspule und zwei Empfangsspulen aufgedruckt. Die Erregerspule wird mit einer hochfrequenten Wechselspannung betrieben. Über der Leiterplatte dreht sich ein metallischer Rotor. Darin entstehen Wirbelströme, die das Feld abhängig von der Rotorstellung schwächen. Die beiden Empfangsspulen liefern dadurch sinus- und kosinusförmige Signale, aus denen der Winkel berechnet wird. Solche Sensoren sind unempfindlich gegen äußere Magnetfelder und sehr temperaturstabil.

Digitale Ausgänge

Neben der klassischen Analogspannung können berührungslose Sensoren ihr Signal als PWM oder im SENT-Protokoll übertragen. Digitale Übertragung ist unempfindlicher gegen Spannungsfall auf der Leitung und kann eine Prüfsumme sowie Diagnoseinformationen des Sensors mitliefern.

Das Fahrpedal gehört zu den sicherheitsrelevanten Funktionen eines Fahrzeugs. Die Überwachung ist deshalb nach den Regeln der funktionalen Sicherheit (ISO 26262) aufgebaut und besteht aus mehreren unabhängigen Prüfungen.

Bereichsprüfung

Der nutzbare Signalbereich liegt bewusst zwischen etwa 0,5 und 4,5 V. Eine Spannung nahe 0 V deutet auf eine Unterbrechung oder einen Kurzschluss nach Masse, eine Spannung nahe 5 V auf einen Kurzschluss nach Plus oder eine fehlende Masse am Sensor. Beides wird sofort erkannt, weil kein intaktes Pedal solche Werte liefern kann. Würde die Kennlinie von 0 bis 5 V reichen, wäre ein Kabelbruch nicht von einem losgelassenen Pedal zu unterscheiden.

Gleichlaufprüfung

Beide Signale werden laufend ineinander umgerechnet und verglichen. Weichen sie um mehr als eine Toleranz voneinander ab, liegt ein Fehler vor. Damit fallen auch Fehler auf, bei denen ein Signal zwar im gültigen Bereich bleibt, aber falsch ist, zum Beispiel durch einen erhöhten Übergangswiderstand.

Gradientenprüfung

Ein Fuß kann das Pedal nicht beliebig schnell bewegen. Springt ein Signal schneller, als physikalisch möglich, wird es als gestört bewertet.

E-Gas-Überwachungskonzept

Im Motorsteuergerät ist die Überwachung in drei Ebenen aufgeteilt, ein Konzept, das von deutschen Fahrzeugherstellern gemeinsam standardisiert wurde:

• Ebene 1, Funktion: berechnet aus dem Pedalwert das Solldrehmoment und steuert den Motor.
• Ebene 2, Funktionsüberwachung: berechnet unabhängig ein zulässiges Drehmoment und vergleicht es mit dem tatsächlichen. Bei Überschreitung greift sie ein.
• Ebene 3, Rechnerüberwachung: ein eigener Überwachungsbaustein stellt dem Hauptprozessor Fragen und prüft die Antworten. So wird sichergestellt, dass die Hardware der Ebene 2 selbst richtig arbeitet.

Das Steuergerät setzt den Pedalwert nicht eins zu eins um. Über ein Pedalkennfeld wird daraus ein Drehmomentwunsch berechnet, der zusätzlich von Drehzahl, Gang und gewähltem Fahrprogramm abhängt. Im Eco-Programm steigt die Kurve flacher an, im Sport-Programm steiler. Das Fahrzeug fühlt sich im Sport-Modus spritziger an, obwohl bei Vollgas in allen Programmen dasselbe Moment zur Verfügung steht.

Die Lastschlagdämpfung sorgt dafür, dass bei plötzlichem Gasgeben oder Gaswegnehmen das Moment nicht schlagartig ansteigt oder abfällt. Ohne sie würde der Antriebsstrang ruckartig gespannt und das Fahrzeug nach vorne und hinten schaukeln, das sogenannte Ruckeln. Das Steuergerät begrenzt deshalb die Änderungsgeschwindigkeit und kann zusätzlich aktiv gegen die Schwingung des Antriebsstrangs arbeiten.

Kickdown

Beim Automatikgetriebe signalisiert der Kickdown den Wunsch nach maximaler Beschleunigung. Früher gab es dafür einen eigenen Schalter. Heute enthält das Pedalmodul meist nur ein mechanisches Druckelement, das kurz vor dem Anschlag einen spürbaren Widerstand erzeugt. Überwindet der Fahrer diesen Druckpunkt, bewegt sich das Pedal ein Stück über die Vollgasstellung hinaus. Das Steuergerät erkennt den Kickdown am Signal, das dann einen festgelegten Schwellwert überschreitet. Deshalb muss die Kickdown-Position nach einem Pedaltausch oft neu eingelernt werden.

Pedalgefühl

Ohne Seilzug fehlt die natürliche Rückmeldung der Mechanik. Das Pedalmodul erzeugt sie künstlich: Zwei Rückstellfedern sorgen für die Kraft und für Sicherheit, falls eine bricht. Ein Reibelement erzeugt eine Hysterese: Man braucht beim Durchtreten mehr Kraft als beim Halten. Dadurch kann der Fuß das Pedal entspannt in einer Stellung halten, ohne ständig nachzuregeln.

Aktives Fahrpedal

Einige Fahrzeuge besitzen ein Fahrpedal mit eingebautem Elektromotor. Es kann dem Fahrer über einen fühlbaren Gegendruck oder ein kurzes Vibrieren Hinweise geben, etwa auf einen verbrauchsgünstigen Pedalbereich, einen zu geringen Abstand zum Vorausfahrenden oder eine Geschwindigkeitsbegrenzung. Die Entscheidung bleibt beim Fahrer, er kann den Gegendruck jederzeit überwinden.

OBD-II-Fehlercodes

Die Pedalsensoren werden in der OBD-Norm als Sensor D und E bezeichnet. P2120 bis P2124 betreffen Sensor D, P2125 bis P2129 Sensor E, jeweils mit Stromkreis-, Bereichs- und Spannungsfehlern. P2138 beschreibt die Spannungskorrelation zwischen D und E, also den Gleichlauffehler.

Profitipps

• Bei einem Gleichlauffehler immer zuerst die gemeinsamen Punkte prüfen: Stecker, Masseverbindungen und die 5-V-Versorgung des Steuergeräts, die oft auch andere Sensoren speist.
• Fällt die 5-V-Versorgung durch einen Kurzschluss in einem anderen Sensor zusammen, können gleichzeitig Fehler an Pedal, Drosselklappe und Drucksensoren auftreten.
• Ein neues Pedalmodul vor dem Einbau mit dem alten vergleichen: Es gibt Varianten mit und ohne Kickdown und mit unterschiedlichen Kennlinien.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.