Die meisten Bremsen bei Kraftfahrzeugen beruhen auf der Bremswirkung durch Reibung. Je nach Fahrzeugtyp werden aber verschiedene Systeme verwendet, die Bremsen zu betätigen.
Allgemeines
Die Wirkung einer Bremsanlage wird über die Bremsverzögerung definiert, die als Abnahme der Geschwindigkeit pro Zeit definiert wird. Die Bremsverzögerung wird üblicherweise positiv angegeben und ist als negative Beschleunigung des Fahrzeugs zu verstehen.
Aufgrund gesetzlicher Anforderungen sind Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen in der Regel überdimensioniert (ausgenommen werden in der Regel sehr langsame Kraftfahrzeuge), was sich durch Vergleich der Bremsleistung mit der Motorleistung überprüfen lässt. Die maximal erreichbare Bremsverzögerung ist in der Praxis nicht durch die Bremsanlage, sondern durch die Haftung der Reifen auf dem Boden begrenzt (siehe Haftreibung) und stark witterungs- und fahrbahnabhängig. Wenn die Bremse zu kräftig betätigt wird und kein Antiblockiersystem (ABS) die Bremskraft regelt, dann wird die Haftreibungsgrenze überschritten, die Räder blockieren und das Fahrzeug beginnt zu rutschen, wobei unter Gleitreibung schlechter gebremst wird, das Fahrzeug nicht mehr lenkbar ist und zum Ausbrechen neigt.
Die Haftreibungsgrenze besagt, dass die Bremskraft m•a nicht größer als die Haftreibung m•g•¼ sein darf. Dabei ist m die Fahrzeugmasse, a die Bremsverzögerung, g die Erdbeschleunigung und ¼ der Haftreibungskoeffizient.
Für Gummi auf trockenem Asphalt liegt ¼ knapp unter 1, man kann also ein Fahrzeug mit bis zu ungefähr einem g abbremsen (die Werte liegen beim Nutzfahrzeug etwas niedriger). Auf nasser Fahrbahn sinkt ¼ auf einen Wert von circa 0,5, auf Eis sogar auf 0,1, was gegenüber trockenem Asphalt zu einer Verdoppelung bzw. Verzehnfachung des Bremsweges führt.
Fällt die Bremse eines KFZ aus, besteht bei Bergabfahrten als ultima ratio die Möglichkeit einer Blechbremsung (Fahrzeug an den Fahrbahnrand steuern und über Kontakt mit der Fahrbahnbegrenzung bremsen). Normalerweise kommt es jedoch kaum zu einer solchen Situation, weil eine KFZ-Bremse mindestens Zweikreisig ausgeführt und darüber hinaus eine Hilfsbremseinrichtung (z. B.: Handbremse) vorhanden sein muss.
Bremssysteme
Als Betriebsbremsen kommen im Fahrzeugbereich vor allem Scheibenbremsen und Trommelbremsen zur Anwendung.
Die Einteilung der Bremsanlagen wird im Kraftfahrzeug oft nach der Art ihrer Betätigung vorgenommen:
Bei Pkw werden in der Regel hydraulische Bremsen verwendet. Durch Druck auf das Bremspedal wird ein Hydraulikkolben im Hauptbremszylinder mechanisch bewegt, der über die Hydraulikleitung wiederum auf die Kolben in den Radbremszylindern auf die Bremsklötze bei Scheibenbremsen oder die Bremsbacken bei Trommelbremsen drückt. PKW müssen mindestens zwei voneinander unabhängige Bremskreise besitzen. Diese sind entweder auf Vorder- und Hinterachse, oder diagonal aufgeteilt. Eine Weiterentwicklung der hydraulischen Bremse stellt die elektrohydraulische Bremse dar.
Ein Bild von einer Tuningbremse
Mechanisch betätigte Bremse
Bei der mechanischen Feststellbremse (auch Handbremse) wird vom Bedienhebel die Bremskraft über einen Seilzug auf die beiden hinteren Räder übertragen, wo die Bremsbacken auseinander oder Bremsklötze zusammengedrückt werden. Mercedes und einige Modelle von Audi, BMW und VW benutzen ein Pedal zum Anziehen der Bremse. In einigen neuen Modellen der oberen Mittel- und Oberklasse kommen elektromechanische Feststellbremsen zum Einsatz. Bei diesen werden die Bremsbacken mittels Knopfdruck an die Bremsscheibe herangeführt.
Früher gab es als Feststellbremse auch die so genannte Kardanbremse. Hier wurde ein Bremsband über einer Scheibe auf der Kardanwelle oder beim Getriebeausgang verwendet. (z. B. Fiat 600 oder Landrover)
Druckluftbremse
Lkw und Omnibusse haben eine pneumatische Bremse. Bei reinen Druckluftbremsen, wie sie bei Fahrzeugen ab etwa 7,5t Gesamtgewicht Verwendung finden, werden die Radbremsen durch Druckluft und nicht durch Bremsflüssigkeit wie beim Pkw zugespannt. Damit ist die erzielte Bremskraft nicht mehr direkt von der am Bremspedal vom Fuß des Fahrers aufgebrachten Kraft abhängig; der Fahrer steuert diese nur über den Pedalweg. Als Zuspannelemente kommen meist Membranzylinder zum Einsatz. Bei neueren Fahrzeugen erfolgt die Regelung der Zylinderdrücke elektronisch durch ein sogenanntes EBS (Elektronisches Bremssystem), welches alle modernen Funktionen der aktiven Sicherheit beinhaltet, wie z. B. ABS (Antiblockiersystem), ASR (Antriebbsschlupfregelung) und teilweise auch ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm). Das Nutzfahrzeug war bei diesen -brake by wire- Systemen wegbereitend, lange vor dem PKW. Darüberhinaus regelt das ALB-Ventil den Bremsdruck abhängig von der Last, dies wird zum Beispiel über ein Gestänge gesteuert.
LKW bis etwa 7,5t Gesamtgewicht verfügen häufig über gemischte Systeme (Flüssigkeitsbremse mit Betätigung durch Druckluft).
Die Federspeicherbremse dient als Feststellbremse bei Bus, LKW oder Anhänger. Bei betätigter Bremse wird die Radbremse durch Federkraft zugespannt. Zum Lösen der Bremsen muss mit Druckluft die Federkraft überwunden und dadurch die Bremse gelöst werden.
LKW-Anhänger sind mit Druckluftbremsen ausgestattet, die im Prinzip genau so funktionieren wie am LKW. Die notwendige Druckluft wird über Verbindungsschläuche vom Zugfahrzeug bezogen. Zwei Schlauchverbindungen sind notwendig: eine rot markierte Versorgungsleitung, die zur dauernden Luftversorgung des Anhängers dient, und eine gelb markierte Bremsleitung, welche für die Steuerung des Bremsvorganges am Anhänger verantwortlich ist. Bei neueren Hängern, die mit EBS ausgerüstet sind, gibt es als Ergänzung zur pneumatischen Steuerleitung eine elektronische Steuerleitung.
Dauerbremse
Bei Bussen und schweren LKW ist zusätzlich eine Dauerbremse vorgeschrieben, zum Beispiel eine Motorstaubremse, Wirbelstrombremse oder Retarder. Diese dient dem Abbremsen beispielsweise bei Bergabfahrten, führt aber nicht zum Stillstand. Sie entlastet die normalen Betriebsbremsen und verhindert damit verbundenes Fading, wie es bei mit Reibung arbeitenden Bremsen vorkommen kann. (Erklärungen kommen weiter unten)
Bremsen für Anhänger
Zu den verbreitetsten Arten einen Anhänger hinter einem Zugfahrzeug zu bremsen, gehören diese:
Ungebremste Anhänger
Der Anhänger schiebt das Zugfahrzeug und dessen Bremsen müssen auch den Anhänger verzögern. Dieses System hat zwei Nachteile:
* Der Bremsweg verlängert sich erheblich, da die maximal möglichen Bremskräfte alleine vom Gewicht des Zugfahrzeuges abhängen, die schiebende Wirkung des Gespannes aber vom Gewicht des Zugfahrzeuges und des Anhängers abhängt.
* Der Anhänger schiebt beim Bremsen sehr stark. Dadurch reduziert sich die Richtungsstabilität des Gespanns, da es beim Bremsen zum Einknicken neigt. Wenn bei starkem Bremsen das Zugfahrzeug eindreht, verstärkt der Anhänger diesen Effekt.
Das zulässige Gesamtgewicht ungebremster Anhänger wird gesetzlich stark eingeschränkt.
Auflaufbremse
Auflaufbremsen werden für Pkw-Anhänger und Wohnwagen verwendet. Dabei wird die Massenträgheit des Anhängers ausgenutzt. Wenn das Zugfahrzeug gebremst wird, läuft der Anhänger auf das Zugfahrzeug auf. Von der Anhängerkupplung wird diese Kraft über mechanische Hebel auf die Bremsen des Anhängers übertragen. Die Bremskraft ist dabei abhängig von der Kraft, mit der der Anhänger gegen das Zugfahrzeug drückt.
Auch hier muss der Anhänger prinzipbedingt immer schieben, damit seine Bremsen wirken, weshalb auch hier der Anhänger die Stabilität des Gespannes verschlechtert. Verglichen mit dem ungebremsten Anhänger ist aber die schiebende Wirkung gering und regelt sich über die Bremsverzögerung automatisch ein.
Die zulässigen Gesamtgewichte der Anhänger bei auflaufgebremsten Anhängern werden gesetzlich ebenfalls beschränkt, liegen aber oberhalb von ungebremsten Anhängern.
Die wesentlichen Hersteller von Auflaufbremsanlagen in Europa sind:
* AL-KO
* BPW
* Knott
* Nico Fahrzeugteile
Durchgehende Bremsanlage
Bei durchgehenden Bremsanlagen (vor allem bei Lkw) betätigt der Fahrer nicht nur die Bremse des Zugfahrzeuges, sondern auch die des Anhängers. Die Art der Betätigung und der Kraftübertragung zu den Bremsen des Anhängers entspricht daher in der Regel denen des Zugfahrzeuges. Durch Voreilung der Bremswirkung kann der Anhänger zeitlich vor dem Zugfahrzeug und auch stärker gebremst werden, so dass das Gespann stets gestreckt und stabil bleibt. Die gesetzlich erlaubten zulässigen Gesamtgewichte von Anhängern können bei durchgehender Bremsanlage die der Zugfahrzeuge überschreiten.
Die Motorbremse bezeichnet die Nutzung des inneren Widerstands der mitlaufenden Antriebsmaschine (Verbrennungsmotor, Dampfmaschine, Elektromotor als Generator) und des Antriebsstranges für die Abbremsung.
Motorstaubremse
Speziell bei LKW und Autobussen gibt es das System Motorstaubremse (auch Auspuffklappenbremse genannt), bei dem die Bremsleistung in Verdichtungsarbeit ohne anschließende Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung umgesetzt wird. Während bei der Motorbremse ein Wegnehmen des Fußes vom Gaspedal genügt, muss die Motorstaubremse extra betätigt werden. Einmal angeschaltet, ist es besonders im dichten Verkehr sehr praktisch für den Fahrer, da er den Fuß nicht immer zwischen Gaspedal und Bremse hin und her wechseln muss, sondern bereits ein starker Bremseffekt durch bloße Wegnahme des Fußes vom Gas einsetzt. Beim Betätigen wird die Einspritzpumpe auf Nullförderung zurückgenommen und eine Klappe im Auspuff geschlossen. Die Bremsleistung kann über ein Ventil im Abgasstrang geregelt werden. Diese Form der Bremse wird vor allem bei Bergabfahrten verwendet. Es verringert die Belastung der konventionellen Bremsen, reduziert deren Erwärmung und verringert die Gefahr von Bremsfading.
Bei Neufahrzeugen ist es nicht mehr erlaubt, die Motorstaubremse so auszulegen, dass die Auspuffklappen komplett geschlossen werden und die Treibstoffzufuhr auf Null reduziert wird, da es sonst bei zu langem Betätigen dieser Bremse zum Absterben des Motors kommt und dabei alle Zusatzaggregate wie Servolenkung ausfallen und das Fahrzeug nur mehr sehr schwer zu manövrieren ist. Früher war das Absterben des Motors ein gewünschter Nebeneffekt, weil so die Motoren abgestellt wurden.
Mittlerweile gibt es Systeme, die die Klappen nur bei einem der vier Motortakte öffnen, was einen ähnlichen Bremseffekt hat, jedoch wird dabei der Geräuschpegel spürbar gesenkt.
Die Motorstaubremse wurde in den 1970er Jahren von einem Amerikaner names Jacob erfunden, im Frankokanadischen heisst daher dieses Bremssystem "freins jacob". An vielen Ortseingängen in Québec wird darauf hingewiesen, dass die Benutzung solcher Bremsen wegen der starken Lärmentwicklung nicht erlaubt ist.
Wirbelstrombremsen werden in Fachkreisen Hysteresebremsen genannt. Bewegt sich eine Metallplatte in einem Magnetfeld, werden in ihr Wirbelströme induziert. Die Ströme erzeugen selbst wieder ein Magnetfeld, das dem äußeren entgegengesetzt ist. Der elektrische Widerstand der Metallplatte bildet für die Wirbelströme einen ohmschen Verbraucher, wodurch die Bewegungsenergie in Wärme umgesetzt wird. Die Magnetisierbarkeit der Metallplatte spielt keine Rolle, allein die elektrische Leitfähigkeit ist entscheidend.
Steuerung
Die Stärke der Bremswirkung ist von mehreren Parametern abhängig:
* Leitfähigkeit der Bremsscheibe: Eine Kupferscheibe wird beispielsweise stärker abgebremst als eine Stahlscheibe, da die induzierten Ströme aufgrund der besseren elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer höher sind.
* Richtung des Magnetfeldes: Die größte Bremswirkung wird erzielt, wenn das Magnetfeld die bewegliche Scheibe senkrecht durchsetzt.
* Luftspalt: Je größer der Luftspalt, desto kleiner ist die maximale Bremswirkung.
* Form der Scheibe: Scheiben mit kammförmigen Nuten verlieren ihre Bremswirkung, da sich die ringförmigen Wirbelströme nicht mehr großräumig ausbilden können.
* Fläche unter dem Erregerpol: Je kleiner die Fläche unter dem Pol ist, desto geringer ist die Bremswirkung.
* Geschwindigkeit: Die Bremswirkung ist stark von der Relativgeschwindigkeit zwischen Feld und Scheibe abhängig.
Bremst man eine rotierende Scheibe durch ein statisches Magnetfeld (z.B. Permanentmagnet), so wird die Scheibe immer langsamer, kommt aber theoretisch nie zum Stillstand, die Wirbelstrombremse eignet sich daher nicht als Feststellbremse. Umgekehrt bietet dieser Effekt ein natürliches ABS. Diese Eigenart lässt sich durch ein veränderliches Magnetfeld beeinflussen, dann lässt sich sogar Bewegung erzeugen, wie z.B. beim Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer.
Nutzfahrzeuge
Der Vorteil der verschleißlosen Dauerbremse wird auch im Nutzfahrzeugbereich für LKW ausgenutzt. Die bekanntesten Hersteller sind: Voith, Telma, Knorr. Als Alternative zur Wirbelstrombremse werden auch Retarder eingebaut, die hydraulisch arbeiten. Einige Hersteller versuchen, Lichtmaschine, Anlasser und Wirbelstrombremse in einem Aggregat zusammen zu fassen.
Ein Retarder ist eine verschleißfreie hydraulische Bremse und wird deswegen oft als Dauerbremse in LKW eingesetzt.
Funktionsprinzip
Ein Retarder besteht aus zwei Schaufelrädern, einem Stator und einem Rotor. Der Rotor beschleunigt zugeführtes Öl und die Zentrifugalkraft drückt es nach außen. Durch die Form der Rotor-Schaufeln wird das Öl in den Stator geleitet, der es dann wieder abbremst. Durch Reibung wird die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt, die durch einen Wärmetauscher abgeführt werden muss (meistens über das Kühlwasser des Motors).
Der Retarder wurde von der Voith AG in Heidenheim an der Brenz entwickelt. Eine neuere Entwicklungsstufe ist der Aquatarder, der Wasser statt Öl als Bremsflüssigkeit verwendet.
