Betriebsbremse

Die Bremse ist ein technisches System zur Verzögerung und Verhinderung von Rollbewegungen eines Kraftfahrzeugs. Zusammen mit ihren Übertragungs- und Betätigungseinrichtungen wird sie als Bremsanlage bezeichnet.

Beim Bremsvorgang wird durch Reibung oder adäquate Vorgänge die kinetische Energie (Bewegungsenergie) in Wärmeenergie umgewandelt, weshalb der Materialauswahl und der Kühlung der Bremse eine erhöhte Bedeutung zukommt. Neuere Ansätze erlauben das Rückgewinnen von Energie durch das Bremsen. Die meisten KFZ verfügen neben der regelbaren Betriebsbremse auch über eine arretierende Feststellbremse zum Parken.

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 ungefähr 15 % schlechter gebremst wird, das Fahrzeug nicht mehr lenkbar ist und zum Ausbrechen neigt.

Die Haftreibungsgrenze besagt, dass die Bremskraft $m \cdot a$ nicht größer als die Haftreibung $m \cdot g \cdot \mu$ sein darf. Dabei ist m die Fahrzeugmasse, a die Bremsverzögerung, g die Erdbeschleunigung und μ der Haftreibungskoeffizient.

Für Gummi auf trockenem Asphalt liegt μ 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 μ 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.

Durch die Tatsache, dass die Bremskraft bei einem PKW üblicherweise unterhalb des Schwerpunkt ansetzt, wirkt aufgrund der Massenträgheit ein Drehmoment um den Schwerpunkt, wodurch die Vorderachse zusätzlich belastet und die Hinterachse entlastet wird. Somit wird die Blockiergrenze an der Hinterachse schon bei einer viel geringeren Bremskraft erreicht, als an der Vorderachse. Folglich wird (nicht nur) bei einer Vollbremsung mit ABS an der Vorderachse eine viel höhere Bremskraft aufbracht als an der Hinterachse. Dies berücksichtigen Fahrzeughersteller u. a. mit an der Vorderachse größeren Bremsscheiben als hinten.

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 (Zweikreisbremsanlage) ausgeführt und darüber hinaus eine Hilfsbremseinrichtung (z. B.: Handbremse) vorhanden sein muss. Die bestimmungsgemäße Funktion der Bremsen von Kraftfahrzeugen werden auf dem Bremsenprüfstand geprüft.

Bremspedal

Fußraum eines PKW, mittig befindet sich das Bremspedal

Das Bremspedal (auch Fußbremshebel) dient beim Kfz als erstes Element der mechanischen Kraftübersetzung und -übertragung.

Hier wird die Fußkraft des Fahrers das erste Mal verstärkt, denn diese ca. 300 Newton reichen nicht aus, um ein Fahrzeug zu bremsen oder zum Stehen zu bringen. Diese Verstärkung wird durch das Hebelsystem des Fußbremshebels erzeugt.
Bei optimalen Dimensionen erreicht man hier bereits eine 5-fache Verstärkung der Fußkraft.

Aus der Tatsache, dass die Momente im Gleichgewicht stehen müssen, resultiert:

$F_p \times r_1 = F_{hz} \times r_2$

F_p = Pedalkraft in N

F_hz = Kraft zum Hauptzylinder in N

r₁ = Hebelarm vom Pedal zum Drehpunkt in mm

r₂ = Hebelarm von der Kolbenstangenachse zum Drehpunkt in mm

Eine weitere Verstärkung erfolgt in modernen Fahrzeugen dann mit einem Bremskraftverstärker.

Bremssysteme

Keramikbremse an einem Porsche Carrera GT

Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen werden in Betriebs-, Dauer- und Feststellbremsen unterschieden.

Betriebsbremse

Die Betriebsbremse bremst bei PKW ein jedes Rad, bei LKW mit mehr als zwei Achsen werden in der Regel alle Räder gebremst. Größere Anhänger haben eine an das Bremssystem des Zugfahrzeuges gekoppelte Bremse. Es ist für die Bremswirkung unerheblich, ob ein Antriebs- oder ein Laufrad abgebremst wird.

Betriebsbremsen sind alle Bauteile einer Bremse, die unter direktem Einfluss des Fahrers zum Verringern der Fahrgeschwindigkeit, zum sicheren Anhalten und zum Halten der Geschwindigkeit dienen. Dabei ist das Erhöhen oder Verringern der Bremswirkung von der Einwirkung auf die Bedienelemente (Bedienkraft) abhängig. Über ein Pedal, Hebel und/oder Seilzüge werden Betriebsbremsen mechanisch , hydraulisch (Flüssigkeitsbremse) oder pneumatisch (Druckluftbremsen bei Lkw und in der Eisenbahntechnik) betätigt. Systeme, die rein elektrisch betätigt werden, sind zur Zeit in der Entwicklung (Stand 2006). Übliche Bauarten für Betriebsbremsen sind:

• Trommelbremsen mit Innenbacken in Simplex- und Duplexausführung einschließlich ihrer Unterarten. Angewendet werden Trommelbremsen z. B. bei Mopeds oder als Hinterradbremsen in leistungsschwachen PKW. Bei Nutzfahrzeugen (z. B. Anhänger, Traktoren, Baufahrzeuge) finden sie wegen ihrer geringen Bedienkraft und der Schmutzunempfindlichkeit regen Einsatz.
• Scheibenbremsen als Schwimmsattel- oder Festsattelbremse. Scheibenbremsen zeichnen sich durch eine hohe gleichmäßige Bremsleistung bei geringem Gewicht aus. Sie werden zum Beispiel bei Motorrädern, PKW, Nutzfahrzeugen und Rennfahrzeugen benutzt.

Mit dem Einsatz von Zwei- oder Mehrkreisbremsanlagen werden innerhalb der Betriebsbremse redundante Systeme als Ausfallsicherung etabliert. So ist das sichere Anhalten auch bei Ausfall eines der Systeme gewährleistet. Der Fahrer wird heute von einer Vielzahl von Hilfssystemen wie Bremskraftverstärker, ABS und Bremsassistenten unterstützt.

Speziell in Hybridfahrzeugen gewinnt zunehmend an Bedeutung das Prinzip des Bremsens mit Energierückgewinnung, auch rekuperatives Bremsen genannt. Hier wird durch Betreiben eines Generators gebremst, der seinerseits die gewonnene Energie in die Batterie für den Elektroantrieb einspeist.

Bei Großmaschinen wie z. B. Radladern, kommt vornehmlich die hydraulisch betriebene Lamellenbremse zum Einsatz. Die weitere Einteilung der Bremsanlagen wird oft nach der Art ihrer Betätigung vorgenommen:

Hydraulisch betätigte Bremse

Scheibenbremse an einem Pkw

Bis Anfang der 1960er Jahre wurden Pkw mit mechanisch betätigter Seilzugbremse hergestellt (VW Käfer - Standardmodell bis März 1962). Die Bremse war wartungsintensiv, da bei Verschleiß der Beläge eine ungleichmäßige Bremswirkung auftrat. In der Regel werden bei Pkw daher hydraulische Bremsen für die Betriebsbremse verwendet, da diese immer einen gleichmäßigen Bremsdruck an allen Rädern gewährleisten. Durch Betätigen des Bremspedals wird ein Hydraulikkolben im Hauptbremszylinder bewegt, der die Kraft über die Bremsflüssigkeit in der Hydraulikleitung auf die Kolben in den Radbremszylindern und dadurch die Bremsklötze (Scheibenbremse) oder die Bremsbacken (Trommelbremse) bewegt. Gesetzlich vorgeschrieben müssen Pkw mindestens zwei voneinander unabhängige Bremskreise besitzen. Diese sind entweder auf Vorder- und Hinterachse oder diagonal aufgeteilt. Als Besonderheit gibt es noch das Dreiecksbremssystem (z. B. Volvo 240) bei dem jeder der zwei Bremskreise beide Vorderräder (über getrennte Bremskolben) und jeweils ein Hinterrad bremst somit werden selbst bei Totalausfall immer noch drei der vier Räder gebremst und es steht noch 80 % der gesamten Bremsleistung zur Verfügung. Eine Weiterentwicklung der hydraulischen Bremse stellt die elektrohydraulische Bremse dar.

Bestandteile der hydraulischen Fahrzeugbremse:

• Bremspedal mit mechanischer Verbindung zum
• Hauptbremszylinder
• Bremskraftverstärker
• Bremsflüssigkeitsbehälter
• Bremsdruckverteiler (neigungsabhängig)
• Rohrleitungssystem aus Metall mit T- und Verbindungsstücken
• Bremsschläuche
• Radbremszylinder
• Entlüftungsventile

Druckluftbremse

Lkw und Omnibusse haben eine pneumatische Bremse. Bei reinen Druckluftbremsen, wie sie bei Fahrzeugen ab etwa 7,5 t 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 (Antriebsschlupfregelung) und teilweise auch ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm). Das Nutzfahrzeug war bei diesen brake-by-wire-Systemen wegbereitend, lange vor dem PKW. Darüber hinaus regelt das ALB-Ventil den Bremsdruck abhängig von der Last, dies wird zum Beispiel über ein Gestänge gesteuert.

LKW bis etwa 7,5 t Gesamtgewicht verfügen häufig über gemischte Systeme (Flüssigkeitsbremse mit Betätigung durch Druckluft).

LKW-Anhänger sind bei durchgehender Bremsanlage 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 Anhängern, die mit EBS ausgerüstet sind, gibt es als Ergänzung zur pneumatischen Steuerleitung eine elektronische Steuerleitung.

Bis in die 1980er Jahre gab es Einleitungs-Bremsanlagen für Anhänger. Diese sind heute nur noch für landwirtschaftliche Anhänger bis 25 km/h zugelassen. Hier dient ein und dieselbe schwarz markierte Schlauchverbindung zur Druckversorgung und Steuerung der Anhängerbremse. Bei gelöster Bremse liegt ein Druck von 5,3 bar an, welcher beim Bremsen abgebaut wird. Das Anhänger-Bremsventil erlaubt dann umgekehrt proportional einen Druckaufbau aus dem Vorratsbehälter in den Bremszylindern des Anhängers. Nachteil dieses Systems ist, dass bei Luftmangel kein Bremsen mehr möglich ist. Beim Zweileitungs-System dagegen löst ein Absinken des Drucks im „roten“ Anschluss von normal 7,3 bar eine Zwangsbremsung des Anhängers aus, bis wieder ausreichend Luft vom Motorwagen eingespeist wurde.

Dauerbremse

Dauerbremsen arbeiten mit Motorschleppmoment, einer Motorstaudruckbremse (z. B. Auspuffklappe), einem hydrodynamischen Retarder oder einer Wirbelstrombremse. Sie schützen die Betriebsbremse vor Überlastung (Fading) und verringern deren Verschleiß, etwa bei langen Bergabfahrten. Die wesentlichen Merkmale einer Dauerbremse sind die verschleißfreie Bauart und die Auslegung auf Dauerbetrieb. Da sich bei pneumatischen Bremsen durch häufiges Betätigen der Luftvorrat erschöpfen kann, ist an Bussen und schweren LKW zusätzlich zur Betriebsbremse eine Konstant- oder Dauerbremse vorgeschrieben.

→ siehe auch Hauptartikel: Dauerbremse

Feststellbremse

Feststellbremsen halten zweispurige Fahrzeuge auch in Abwesenheit des Fahrers sicher im Stillstand. An Zweirädern werden sie selten eingesetzt. Bei Pkw wird in der Regel die Seilzugbremsen als Feststellbremse verwendet. Die Betätigung erfolgt direkt mittels eines Hebels oder Pedals mechanisch oder hydraulisch, elektrisch oder elektrohydraulisch. Als Feststellbremsen können Scheibenbremsen ebenso wie Trommelbremsen mit Innen- oder Außenbacken verwendet werden. Bei Verwendung von Trommelbremsen werden häufig Teile der Betriebsbremse als Feststellbremse mitbenutzt. Die auch als Handbremse bezeichnete Einrichtung wirkt so in der Regel auf die Betriebsbremse der Hinterachse. Vom Bedienhebel wird die Bremskraft über einen Seilzug auf die beiden Räder übertragen, wo die Bremsbacken auseinander oder Bremsklötze zusammengedrückt werden. Alternativ zur Handbremse kann die Betätigung auch mit dem Fuß auf ein Pedal erfolgen (Fußfeststellbremse), wie in den meisten Modellen von Mercedes und einigen Modellen von Audi, BMW und VW. In einigen neuen Modellen der oberen Mittel- und Oberklasse kommen elektromechanische Feststellbremsen zum Einsatz. Bei diesen werden die Bremsbacken über Stellmotoren an den hinteren Bremssätteln 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 Land Rover)

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!

Bremsen für Anhänger

Zu den verbreitetsten Arten, einen Anhänger hinter einem Zugfahrzeug zu bremsen, gehören diese:

Ungebremste Anhänger

Das ziehende KFZ verzögert und der Anhänger "drückt" auf die Anhängerkupplung des KFZ, 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 und beträgt beim PKW maximal 750 kg.

Auflaufbremse

Eine Auflaufbremse am Anhänger

Auflaufbremsen werden für Pkw-Anhänger, leichtere LKW-Anhänger und Wohnwagen verwendet. 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 davon abhängig, wie stark das ziehende KFZ verzögert. Der Anhänger drückt also auch dann gegen die Anhängerkupplung, wenn 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.

Ein großer Nachteil ergibt sich jedoch beim Rückwärtsfahren. Da in diesem Fall das "Zugfahrzeug" den Anhänger schiebt, also die Anhängerkupplung unter Druckspannung steht, würde ohne weitere Maßnahmen auch die Auflaufbremse aktiviert. Dies wird durch eine sogenannte Rückfahrsperre verhindert. Früher waren manuelle Rückfahrsperren gebräuchlich, bei denen ein Bolzen, ein Stift oder eine Sperrklinke eingelegt werden mussten, um das Betätigen der Bremse zu unterbinden. Moderne Anhänger verfügen über eine Rückfahrautomatik (automatische Rückfahrsperre), bei der die Außerbetriebnahme der Auflaufbremse bei Rückwärtsfahrt automatisch erfolgt.

Die zulässigen Gesamtgewichte der Anhänger bei auflaufgebremsten Anhängern werden gesetzlich ebenfalls beschränkt, liegen aber oberhalb von ungebremsten Anhängern. In Deutschland sind Auflaufbremsen generell bis 3,5 t Anhängergewicht zulässig, bei einer Höchstgeschwindigkeit bis 40 km/h (bei Allradbremse) bzw. bis 25 km/h (ohne Allradbremse) auch bis 8 t (verbreitet an landwirtschaftlichen Fahrzeugen).

Durchgehende Bremsanlage

Bei durchgehenden Bremsanlagen (vor allem bei Lkw, teilweise auch Pkw) betätigt der Fahrer nicht nur die Bremse des Zugfahrzeuges, sondern auch die des Anhängers. Die Art der Betätigung und der Kraftübertragung zu den Rädern des Anhängers entspricht daher in der Regel denen des Zugfahrzeuges. Durch Voreilung der Bremswirkung kann der Anhänger zeitlich vor dem Zugfahrzeug gebremst werden, so dass das Gespann stets gestreckt und stabil bleibt. Die gesetzlich erlaubte zulässigen Gesamtmasse von Anhängern darf bei durchgehender Bremsanlage das 1,5fache der zGM des ziehenden KFZ betragen.

Sonstiges

Als Ergänzung kann die Motorbremse eingesetzt werden, diese nutzt zumeist den inneren Widerstand des bergab im Leerlauf drehenden Motors, (meist mehrmaliges Herunterschalten), die vorwiegend bei Fahrzeugen mit Schaltgetriebe verwendet wird. Auch können in der Abgasanlage sogenannte Stauklappen verbaut sein, die über eine Betätigung geschlossen werden und einen Gegendruck aufbauen. Der Motor arbeitet fast wie ein Kompressor, dadurch wird eine recht hohe Bremswirkung bei hohen Drehzahlen (herunterschalten!) erreicht.

Literatur

• Horst Bauer (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. Robert Bosch GmbH. Vieweg-Verlag, Wiesbaden 2003. ISBN 3-528-23876-3
• Bert Breuer, Karlheinz H. Bill (Hrsg.): Bremsenhandbuch. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Fahrdynamik. Vieweg-Verlag, Wiesbaden 2003. ISBN 3-528-03952-3
• Autorenkoll. unter Ltg. Folkmar Kinzer: Kfz-Fahrwerk. 5. Auflage, 1987