Radialer Bremssattel

Eine Scheibenbremse dient dazu, eine Drehbewegung abzubremsen oder eine Drehzahl zu reduzieren. Dabei wird die kinetische Energie an einer mit der Drehachse verbundenen Scheibe abgenommen und in Wärme umgewandelt. Scheibenbremsen werden vor allem in Fahrzeugen, aber auch in Maschinen und Anlagen sowie Flugzeugen eingesetzt.

Grundsätzlich besteht die Scheibenbremse aus der Bremsscheibe und dem Bremsträger, an welchem der Bremssattel befestigt ist. Dieser umgreift die Scheibe und enthält die Bremskolben, welche die Bremsbeläge gegen die Scheibe drücken. Als Erfinder der Scheibenbremse gilt der Brite Frederick W. Lanchester, der 1902 ein Patent auf die Scheibenbremse erhielt^[1].

Konstruktion

Perimeterbremse an einem Buell XB-Modell.

Scheibenbremsen eines Eisenbahn-Waggons.

Eine Scheibenbremse hat eine mit der Achse umlaufende Bremsscheibe, an die von beiden Seiten die Bremsbeläge gepresst werden. Diese sind im so genannten Bremssattel, auch Bremszange, angebracht, der die Scheibe umspannt. Die Scheibe kann in der Felge oder bei angetriebenen Achsen neben dem Getriebe angebracht sein (innenliegende Bremse).

Hauptvorteile der Scheibenbremse sind die freiliegenden Reibflächen die gegenüber einer Trommelbremse eine effektivere Kühlung ermöglichen und damit eine höhere Bremsleistung. Darüber hinaus kann durch eine hydraulische Betätigung die Normalkraft (also jene Kraft mit der die Backen die Scheibe klemmen) signifikant erhöht werden einerseits durch die Druckunempfindlichkeit der Scheibe, andererseits durch die hydraulische Übersetzung die einen großen Hebelweg des Betätigungshebels in einen kleinen Arbeitsweg des Backens in der Bremszange überträgt und damit zu einer enormen Kraftverstärkung führt, welche durch einen Seilzug nicht dargestellt werden kann (N.B.: Fahrräder mit seilzugbetätigten Scheibenbremsen haben eigentlich Scheibenbremsenimitate). Da die Scheibe rein dem Bremsen dient und nicht wie die Trommel der Trommelbremse Antriebs- u. Radlastkräfte übertragen muss, kann der Werkstoff der Scheibe ganz auf die Anforderungen der Bremse ausgelegt werden. Grundsätzlich kann man sagen, dass der Durchmesser der Scheibe das Bremsmoment und somit die Bremsleistung bestimmt. Bei leistungsstarken KFZ bestimmt der große Bremsscheibendurchmesser den Innendurchmesser der Felge und somit die Größe der Felge was der ursprüngliche Grund für große Felgen mit Niederquerschnittsreifen ist^[2].

Dabei wird zum einen zwischen Teil- und Vollscheibenbremsen unterschieden: Entweder steht nur ein Teil oder die gesamte Fläche der Scheibe als Reibfläche zur Verfügung. Vollscheibenbremsen sind selten, z. B. in Panzern, Flugzeugen oder Landmaschinen.

Man unterscheidet weiter zwischen Ein- und Mehrkolbensätteln sowie zwischen Fest- und Schwimmsattelbremsen:

Einkolbensättel haben nur einen Bremskolben, sie sind vor allem bei PKW sowie kleinen motorisierten Zweirädern oder bei Sportfahrrädern zu finden; diese Bauweise hat einen Schwimmsattel. Um den Anpressdruck gleichmäßiger über die Reibfläche zu verteilen und die Betätigungskräfte zu senken, gibt es gelegentlich mehrere Kolben pro Seite. Motorräder, ohne Bremskraftverstärker, haben daher meist 4-, bei Sportmodellen auch 6- und 8-Kolben-Bremsen. Mit Einzelbelägen pro Kolben (d. h. mehrere pro Seite) können Wirkung und Bremsverhalten weiter optimiert werden.

Im Gegensatz zu einer Festsattelbremse hat die Schwimmsattelbremse einen Bremsträger, der am Radlagergehäuse angeschraubt ist. An diesem Träger ist der bewegliche Schwimmsattel befestigt. Kolben befinden sich nur auf einer Seite der Scheibe, der beweglich aufgehängte Sattel überträgt den Druck auf die andere Seite. Vorteile sind die geringere Baubreite und die preiswertere Herstellung. Nachteil ist die größere Verwindung und dadurch ungenauerer Druckpunkt und der ungleichmäßige Verschleiß der Beläge.

Bei der Festsattelbremse ist das Gehäuse des Festsattels gleichzeitig der Bremsträger, er ist unbeweglich und Bremskolben befinden sich auf beiden Seiten der Scheibe. Eine Festsattelbremse hat somit doppelt so viele Kolben. Bremsen für hohe Belastungen sind in der Regel Festsattelbremsen, bei denen der Sattel aus einem Teil gegossen oder gefräst wird, auch Monoblock-Bremse genannt. Schwimmrahmenbremsen haben zwei Kolben in einem am Radträger befestigen Zylinder, ein Bremsbelag wird direkt vom Kolben betätigt, der andere über den beweglich gelagerten, die Scheibe umgreifenden Schwimmrahmen. Vorteil dieser Bauart ist die geringe Breite an der Radaußenseite.

Die Bremse wird in der Regel durch den Hauptbremszylinder ausgelöst, der über ein Leitungssystem mit Hilfe einer Bremsflüssigkeit die Bremskolben hydraulisch bewegt. Das Verhältnis der Kolbendurchmesser bewirkt die Kraftübersetzung. Als Hydraulikflüssigkeit dient eine spezielle, hochsiedende Bremsflüssigkeit, meistens Glykol.

Weitere Konstruktionsvarianten sind die Compound-Bremse und die Keramikverbundbremse (z. B. Porsche PCCB), bei der der Reibring nicht aus Metall sondern aus einem Keramikverbundstoff besteht. Die Keramikbremsscheibe ist ca. 50 % leichter als eine gleich große Graugussscheibe (Reduzierung der ungefederten Massen), ist deutlich temperaturstabiler und damit fadingunempfindlicher. Darüber hinaus ist sie extrem verschleißarm, korrosionsfrei und hat ein besseres akustisches Dämpfungsvermögen. Allerdings sind die Kosten gegenüber Stahlscheiben um ein Vielfaches höher, was eine Massenanwendung derzeit verhindert.

Radialbremse

Bei der sogenannten Radialbremse handelt es sich um eine Scheibenbremse bei der die Bremssättel radial verschraubt sind. Die Bremswirkung (Funktionsweise) jedoch erfolgt nicht radial, sondern axial. Die Entwicklung stammt aus dem Rennsport und hat den Hintergrund, dass dort, je nach Strecke, Witterung, Temperatur und weiterer Parameter, Bremsscheiben mit verschiedenen Durchmessern gefahren werden. Mit radial verschraubten Bremssätteln brauchen trotz verschiedener Bremsscheibendurchmesser die Bremssättel und Bremssattelhalter nicht getauscht zu werden, sondern eine Anpassung (Abstand zwischen Radachse und Bremssattel) kann einfach mittels Unterlegscheiben erfolgen. Siehe dazu das unter „Weblinks“ angeführte Bild.

Bremskraft

Generell hängt die maximale Bremskraft von den Reibwerten der verwendeten Materialien, der aktuellen Temperatur und dem Druck, mit dem die Bremsklötze auf die Scheibe gedrückt werden, ab. In der Praxis spielen auch Verunreinigungen wie Staub, Nässe oder Ölrückstände eine Rolle. Um eine Verzögerung der Bremsung durch Wasser und Schmutz auf der Bremsscheibe zu verhindern, werden bei modernen Personenwagen während der Fahrt die Bremsbeläge automatisch von Zeit zu Zeit an die Bremsscheibe angelegt, um die Schicht mit den Verunreinigungen zu entfernen.

Belüftung

Stark gelochte Bremsscheibe an einem modernen Motorrad.

So genannte Innenbelüftete Bremsscheiben bestehen aus zwei Scheiben, die durch Stege miteinander verbunden sind. Damit wird die Fläche zur Abgabe der Wärme an die Luft vergrößert und durch die Zentrifugalkraft ein Luftstrom erzeugt (Prinzip eines Radiallüfters). Dadurch wird die Gefahr nachlassender Bremswirkung (Bremsfading) infolge steigender Temperatur reduziert. Nachteile sind die größere Baubreite und benötigte Festigkeit des Bremssattels und das höhere Gewicht, das die ungefederten Massen erhöht. Nicht selten zeigen innenbelüftete Bremsscheiben schwerer Lkw Hitzerisse, die bis zur Zerstörung der Bremsscheibe führen können.

Bremsscheiben für höhere Anforderungen, beispielsweise im Motorsport, sind häufig gelocht, das heißt, sie sind mit kleinen Bohrungen in der gesamten Fläche versehen. Dies hat einen positiven Effekt auf das Ansprechverhalten bei Nässe, da sich zwischen Bremsklotz und Bremsscheibe kein Dampfdruck durch das verdampfende Wasser aufbauen kann. Die thermischen Spannungen im Material durch den Wärmeeintrag bei einer Bremsung sind damit besser beherrschbar als bei Vollscheiben. Dieser Vorteil wird allerdings mit einem erhöhten Belagverschleiß erkauft. Durch die Kompressibilität des Belages (vor allem bei hohen Temperaturen) wird der Bremsbelag an den Bohrungen stärker abgerieben als bei ungelochten Bremsscheiben.

Geschlitzte Bremsscheiben tragen auf der Scheibenoberfläche schräg nach außen (bei Vorwärtsfahrt) verlaufende Nuten, um zum einen eine bessere Belüftung, zum anderen einen verbesserten Abtransport von Nässe und Bremsbelagabrieb zu erzielen. Auch geschlitzte Bremsscheiben sind in gelochter Ausführung erhältlich.

Moderne Werkstoffe

Keramikverbundbremse an einem Porsche Carrera GT.

In hochmotorisierten und hochpreisigen PKW der Luxus- und Sportwagenklasse werden inzwischen Bremsscheiben aus Carbon-Keramik, einer speziellen Variante der keramischen Faserverbundwerkstoffe angeboten, die neben Kohlenstofffasern auch Siliciumcarbid enthält. Diese Scheiben haben durch geringeren Verschleiß und bessere Korrosionsbeständigkeit eine höhere Lebensdauer und zeigen stabile Bremswerte, da bei steigender Betriebstemperatur die Bremsleistung kein Fadingverhalten zeigt. Wegen des im Vergleich zu Metallscheiben um 40 % reduzierten Gewichtes sind bei den Fahrzeugen die ungefederten Massen der Räder kleiner, wodurch das Fahrverhalten verbessert wird. Die höheren Betriebstemperaturen, die die Scheiben problemlos vertragen, sind begrenzt durch in der Nähe befindliche Stoffe wie zum Beispiel Reifen und Bremsflüssigkeit.

Ein ähnliches Material, nämlich mit Kohlenstofffasern verstärkter Kohlenstoff (Werkstoff C/C), wird als modernes Bremsscheibenmaterial schon länger wegen seines geringeren Gewichtes in Bremsscheiben von Passagierflugzeugen und im Automobilrennsport eingesetzt. Das C/C-Material zeigt allerdings erst nach kurzer Ansprechzeit gute Bremsleistungen, wenn nämlich durch die Erhitzung die Feuchtigkeit auf der Oberfläche entfernt worden ist. Feuchtigkeitshaltige Kohlenstoffoberflächen zeigen (Graphit dient als Trockenschmiermittel) nur geringe Reibungskoeffizienten.

Einzelnachweise

1. ↑ Chronik der Technik, Seite 359. Weltbild-Verlag 1997 ISBN 3-86047-134-1
2. ↑ BRAESS, H.-H. & SEIFFERT, U.: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik, Wiesbaden 2000 ISBN 3-528-03114-X

Siehe auch

• Scheibenbremse an Fahrrädern
• Bremsscheibe
• Radialbremse

Weblinks

Bild einer Radialbremse (Fabrikat Nissin)