Technik Thema Bremsen, ABS, ASR

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1 Thema Bremsen, ABS, ASR Im November 2006 Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 1 von 17

2 INHALTSVERZEICHNES 1. BREMSE ALLGEMEIN AUFGABE UND DEFINITION FUNKTION 3 2. BREMSENARTEN MECHANISCHE BREMSEN KLOTZBREMSE (BACKENBREMSE) BANDBREMSE KEILBREMSE TROMMELBREMSEN (IM AUTO HYDRAULISCH) SCHEIBENBREMSE (IM AUTO HYDRAULISCH) DRUCKLUFTBREMSE (PNEUMATISCHE BREMSE) MAGNETSCHIENENBREMSE GLEISBREMSE ELEKTROMAGNETISCHE BREMSEN WIRBELSTROMBREMSE ELEKTROHYDRAULISCHE BREMSE LUFTWIDERSTANDSBREMSE / BREMSFALLSCHIRM MOTORBREMSEN GEGENTRIEBBREMSEN 6 3. BREMSSYSTEME DIE SEILZUGBREMSE HYDRAULISCHES BREMSSYSTEM HYDRAULISCHES EINKREIS-BREMSSYSTEM HYDRAULISCHES ZWEIKREIS-BREMSSYSTEM BESTANDTEILE EINER HYDRAULISCHEN BREMSE BREMSKRAFTVERSTÄRKER HAUPTBREMSZYLINDER RADBREMSE BREMSBELAG DIE BREMSFLÜSSIGKEIT PNEUMATISCHES BREMSSYSTEM ANTIBLOCKIERSYSTEM (ABS) ANTRIEBSSCHLUPFREGELUNG (ASR) QUELLENANGABEN 17 Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 2 von 17

3 1. Bremse allgemein 1.1. Aufgabe und Definition Bremsen werden zur Verringerung der Umdrehungsgeschwindigkeit von rotierenden Teilen verwendet. Sie funktionieren durch die Umwandlung von Bewegungsenergie über Reibung in Wärmeenergie. Diese Umwandlung ist immer deutlich effektiver und schneller als deren Umkehrung (Verbrennungsmotor). Deshalb kann ein Fahrzeug immer besser bremsen als beschleunigen. Eine Bremse ist eine Vorrichtung zum Verlangsamen / Verringern oder Anhalten einer Bewegung von einer Welle, Achse oder einem Rad. Bremsen haben folgende Aufgaben: die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu verringern, ein Fahrzeug zum Stillstand zu bringen oder ein Fahrzeug im Stillstand zu halten. Bremsen finden sich in den unterschiedlichsten Bereichen wieder, z.b. in Fahrzeugen (z.b. Fahrräder, Motorräder, Pkws, LKWs, Eisenbahnen, Schiffen, Flugzeugen, ) Maschinen (z.b. Kreissägen, Motorsägen, ) 1.2. Funktion Bei der Bremse steuert der Druck auf den Bremshebel die Bremswirkung, d.h. je stärker der Druck desto höher die Reibung. Durch Betätigen des Bremshebels werden mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch die Bremsbeläge auf die sich drehende Bremsscheibe gedrückt. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 3 von 17

4 2. Bremsenarten Es gibt viele verschiedene Bremsenarten, welche sich in die Bereiche mechanische Bremsen, elektromagnetische Bremsen, Strömungsbremsen, Motorbremsen und Gegentriebbremsen unterteilen Mechanische Bremsen Klotzbremse (Backenbremse) Klotzbremsen werden hauptsächlich in Schienenfahrzeugen oder bei älteren Fahrrädern eingesetzt. Bei der Klotzbremse wird entweder über eine mechanische, pneumatische oder hydraulische Vorrichtung ein Bremsklotz an das bewegliche Teil gedrückt. Oft drückt der Bremsklotz direkt auf die Lauffläche von Rädern. So beispielsweise bei Eisenbahn-Güterwaggon, bei neueren Modellen ist der Bremsklotz nicht mehr aus Metall, sondern aus einem Kunstharz-Verbundwerkstoff. Bei Fahrrädern ist heute die Felgen- oder Scheibenbremse Standard Bandbremse Eine Bandbremse (Außentrommelbremse) ist eine mechanische Bremse, bei der im Gegensatz zur Backenbremse ein Band um eine Trommel geschlungen wird. Das Band kann ein Stahl-, Textil- oder Lederband, aber auch ein Seil oder ein profiliertes Band ähnlich einem Keilriemen sein. Dabei wird jeweils ein Ende an einem Festpunkt befestigt und am anderen Ende durch ein Gewicht oder durch eine Feder belastet Keilbremse Bei der Keilbremse auch elektronisch geregelte Keilbremse schiebt ein kleiner Elektromotor einen Bremsbelag mit keilförmigem Rückenprofil zwischen Bremsbacken und Bremsscheibe. Die Anpresskraft (Bremskraft) zwischen Belag und Scheibe wird dabei aus der Bewegung der Scheibe gewonnen. Die konventionelle Keilbremse (nicht elektronisch geregelt) hat den Nachteil, dass das Rad schnell blockiert und die Bremse (je nach mechanischer Konstruktion) erst wieder im Stillstand lösbar ist. Deswegen wurde sie nur eingesetzt, um bei Pferdekutschen die Räder zu blockieren. Der Kutscher rammt dabei einen Keil zwischen Rad und Radkasten Trommelbremsen (im Auto hydraulisch) Die Bremsbeläge der Trommelbremse sind in einem Gussgehäuse, das direkt mit dem Rad verbunden ist. Durch das Drücken des Bremspedals wird mit Hilfe des Spreizmechanismus, die Bremsbeläge an die Bremstrommel gedrückt. Die Bremstrommel ist starr mit der Achse verbunden. Die Räder sind auf die Bremstrommel montiert. Das Fahrzeug wird abgebremst. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 4 von 17

5 Scheibenbremse (im Auto hydraulisch) Die Scheibenbremse ist ähnlich wie die Trommelbremse, nur das nicht mit Hilfe einer Trommel gebremst wird, sondern mit Hilfe einer Scheibe. Diese Scheibe ist mit der Achse fest verbunden. Auf der Scheibe ist das Rad fest angeschraubt. Im Bremssattel sind die Bremsbeläge montiert, welche auf die Scheibe drücken. Wenn man jetzt bremst werden die Bremsbelege von innen wie auch von außen an die Scheibe gedrückt. Das Fahrzeug wird abgebremst Druckluftbremse (pneumatische Bremse) Lkws und Omnibusse haben zusätzlich 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 Magnetschienenbremse Eine Magnetschienenbremse ist eine Bremse für Schienenfahrzeuge. Sie besteht aus eisernen Schleifschuhen mit eingebauten Elektromagneten. Bei Stromdurchfluss durch den Elektromagneten wird der Schleifschuh an die Schiene gezogen. Dadurch entsteht hauptsächlich eine bremsende Reibungskraft Gleisbremse Die Gleisbremse dient dazu, Führerlose Waggons auf Rangierbahnhöfen an der richtigen Stelle abzubremsen. Unten am Güterwaggon ist eine Schiene. Mit Hilfe der Bremsbeläge wird diese Schiene eingeklemmt. Dadurch entsteht Reibung und der Güterwaggon wird abgebremst. Solche Bremsen findet man auch an Achterbahnen. Am Ende der Strecke wird der Achterbahnzug mit Hilfe der Gleisbremse abgebremst. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 5 von 17

6 2.2. Elektromagnetische Bremsen Wirbelstrombremse Bewegt sich eine Metallplatte in einem Magnetfeld, werden in ihr Wirbelströme induziert. Die Ströme erzeugen selbst wieder ein Magnetfeld, das dem äußeren entgegenwirkt. Der elektrische Widerstand der Metallplatte wirkt gegen die Wirbelströme, somit wird die Metallplatte abgebremst Elektrohydraulische Bremse Grundlegendes Merkmal einer Elektrohydraulische Bremse ist die Erzeugung der Bremskraft durch eine elektrische Hydraulikpumpe und die elektronische Steuerung des Bremsdrucks. Das Bremspedal dient nur noch als Eingabegerät für die Stärke der gewünschten Bremskraft. Auch Fahrerassistenzsysteme wie ABS, ASR und ESP können in das Bremssystem eingreifen Luftwiderstandsbremse / Bremsfallschirm Bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen, insbesondere der Luft- und Raumfahrt, werden Bremsschirme und Bremsklappen verwendet um den Luftwiderstand zu erhöhen und die Geschwindigkeit zu verringern. Auch Bremsklappen dienen ähnlichen Zwecken. Beim Fallschirm ist es das gleiche Prinzip. Wenn man den Fallschirm aufmacht wird durch das Aufblasen vom Fallschirm gebremst Motorbremsen Die Motorbremse bezeichnet die Nutzung des inneren Widerstands der mitlaufenden Antriebsmaschine (Verbrennungsmotor, Dampfmaschine, Elektromotor als Generator) und des Antriebsstranges für die Abbremsung. Mit der Motorbremse können Lastwagen mit einem Regler die Auspuffleitung schließen damit in den Zylindern ein Gegendruck ensteht der als Bremse auf den Motor einwirkt Gegentriebbremsen Eine Gegentrieb-Bremse wird in Schiffen und Flugzeugen verwendet. Bei Schiffen wird einfach der Rotor in die andere Richtung gedreht und dadurch abgebremst. Bei Flugzeugen werden nach dem Landen die Turbinen in die andere Richtung gedreht. Das nennt man Gegentrieb. Es hat den gleichen Effekt wie beim Schiff. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 6 von 17

7 3. Bremssysteme So etwa sieht eine gute Bremsanlage im Jahr 1960 aus: Es gibt weder Scheibenbremsen noch Bremskraftverstärker. Auch von einem Zweikreissystem keine Spur. Die Fahrzeuge im unteren Preissegment haben in den letzten zwei Jahrzehnten die Seilzugbremse überwunden, mit all ihren Nachstell- und Standzeitproblemen. Die Hydraulik garantiert absolut gleiche Kraftverteilung. Man denkt zu dieser Zeit noch nicht an den möglichen Ausfall eines Bremskreises. Die Trommelbremse vorne hält die Betätigungskräfte in Grenzen. Ein Bodenventil am Hauptbremszylinder sorgt für einen gewissen Vordruck im System, damit die Bremsbacken schon ein wenig anlagen und verkürzt damit den Ansprechweg der Bremse. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 7 von 17

8 3.1. Die Seilzugbremse Die Seilzugbremse unterscheidet sich nur bei der Spreizvorrichtung von der Hydraulischen Bremsanlage. Mittelpunkt der Seilzugbremsanlage ist die Bremsdruckschiene, die sich im Vorderteil des Rahmentunnels aufhält. Vorn in ihrem Kopf, zwischen den beiden Tragrohren der Vorderachse, sind die vier Bremsseile eingehängt, die durch die Seilzughüllen rückwärts zu den Rädern laufen. Das Hinterteil der Schiene stützt sich auf einen kurzen Hebel, der auf der Bremsfußhebelwelle sitzt. Dann weicht die Druckschiene der Übermacht und gleitet vorwärts, mit allen 4 Seilzügen im Schlepp. Deren Zug setzt sich fort bis zu den Radbremsen. Zwischen den freien Enden der zwei Bremsbacken steckt ein Bügel (Nr. 1). Dieser hängt an einem Ende (mit einer Kerbe) in der einen Backe; sein anderes Ende ist zwar auch geschlitzt, dient aber nur als Drehund Lagerpunkt für Nr.2. Die Nr.2 ist kürzer, nur etwa halb so lang wie Nr.1, hört also in der Mitte zwischen den beiden Backenenden auf. An ihrem freien Ende greift parallel zur Radachse das Bremsseil an. Zieht man nun an dem Seil, wird Nr.2 gegen die eine Bremsbacke gedrückt. Dadurch, das Nr.1 mit Nr.2 verbunden ist, wird Nr.1 gegen die andere Bremsbacke gedrückt. So werden beide Räder abgebremst und der Bremsdruck auf beide Räder gleichmäßig verteilt. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 8 von 17

9 3.2. Hydraulisches Bremssystem Hydraulisches Einkreis-Bremssystem Funktion Der Druck wird ganz oder zum größten Teil von der Fußkraft erzeugt. Dieser wirkt mechanisch auf den ersten Kolben im Hauptbremszylinder und hydraulisch auf den zweiten. Der Druck verteilt sich gleichmäßig durch Metallleitungen und Schläuche auf die einzelnen Kolben in den Radbremszylindern. Bei den meisten Fahrzeugen wird heute ein Bremskraftverstärker zur Erleichterung der Bremswirkung eingesetzt. Neben dem Bremskraftverstärker gibt es heute eine Vielzahl von elektronischen Regelsystemen für die hydraulische Bremse, z.b. ABS Antiblockiersystem ASR Antischlupfregelung ESP Elektronische Stabilitätsprogramm (Fahrdynamikregelung) etc. Wichtig: Der Bremskreislauf muss entlüftet sein. Es darf sich keine Luft im Kreislauf befinden, da diese negative Auswirkungen auf die Bremskraft hat. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 9 von 17

10 Hydraulisches Zweikreis-Bremssystem Das Zweikreis-Bremssystem wird heute überwiegend in Fahrzeugen eingebaut. Es bietet eine erhöhte Sicherheit, da bei Ausfall eines Bremskreises das Fahrzeug nach wie vor über den zweiten Bremskreislauf zum Stillstand gebracht werden kann. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 10 von 17

11 3.3. Bestandteile einer hydraulischen Bremse Bremskraftverstärker Der Bremskraftverstärker verstärkt die Fußkraft, die beim Betätigen der Bremse aufgebracht werden muss, und verringert damit den erforderlichen Kraftaufwand Hauptbremszylinder Der Bremsvorgang wird über den Hauptzylinder eingeleitet und gesteuert. Er erfüllt folgende Aufgaben: Druckerzeugung in jedem Bremskreis Ausgleichsmöglichkeit für die Bremsflüssigkeit bei Temperaturänderung Rascher Druckabbau zum schnellen lösen der Bremse. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 11 von 17

12 Radbremse Trommelbremse In einer mit dem Rad verbundenen Trommel aus Gusseisen oder Stahl werden zwei sichelförmige Bremsbacken durch einen Spreizmechanismus nach außen bewegt. Mit ihren Belägen sorgen sie für Reibung an der Innenseite der Trommel. Da die Beläge über die Ankerplatte mit der Radaufhängung verbunden sind, wird die Trommel und damit das Rad abgebremst. Scheibenbremse Auf eine mit dem Rad verbundene Scheibe (meist aus Grauguss, Grafitguss, Stahl oder Kohlefaser-Werkstoffen) drückt beim Bremsen je ein Bremsbelag von innen und außen. Da der Zangenmechanismus mit der Radaufhängung verbunden ist, werden die Bremsscheibe und damit das Rad abgebremst. Die Betätigung erfolgt bei der Handbremse meist über Seilzüge und Hebelgestänge, bei der hydraulischen Fußbremse über Bremsflüssigkeitsdruck auf einen oder mehrere Kolben und Zylinder. Bei der Scheibenbremse gibt es keine Selbstverstärkung. Deshalb sind z.b. die Kolben und damit die Betätigungskräfte höher. Durch die offene Bauweise kann die Wärme besser abgeführt werden. Innen-/Außenbelüftung der Bremsscheibe steigert diesen Effekt. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 12 von 17

13 Beispiel einer Hightech-Bremse vom Porsche Cayenne und eines Ferrari Formel1-Rennwagens: Porsche Cayenne Ferrari Formel Bremsbelag Ein guter Bremsbelag soll ein optimaler Reibungspartner für die Bremsscheibe oder -trommel auch bei Nässe sein und trotzdem einen nicht zu großen Abrieb haben. Bei seiner Arbeit muss er Temperaturen evtl. bis zum Glühen der Scheibe (800 C) aushalten und auch nach zehn Vollbremsungen noch akzeptable Verzögerungswerte bieten. Wichtig ist auch eine gute Vorsorge gegen Quietschen Die Bremsflüssigkeit Die Bremsflüssigkeit ist Öl. Sie ist deswegen Öl weil sie einen sehr hohen Siedepunkt hat (238C ), Metal oder Gummi nicht angr eift und kein Wasser aufnehmen kann. Nehme man anstatt Öl jetzt Wasser würde das Wasser anfangen zu sieden, weil beim Bremsen die Temperatur bis über 100C werden kann. Das Wasser hat seinen Siedepunkt bei ca.100c. Das heißt das Wasser würde verdunsten und Luft würde in die Bremsleitung kommen. Wenn dies passiert kann man nicht mehr optimal bremsen. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 13 von 17

14 3.4. Pneumatisches Bremssystem Im Prinzip funktioniert das pneumatische Bremssystem ähnlich dem hydraulischen Bremssystem. Allerdings wird anstelle der Bremsflüssigkeit die Bremswirkung durch Druckluft erzeugt, daher spricht man auch von einer Druckluftbremse. Druckluftbremsen werden überwiegend bei der Eisenbahn verwendet. Die Druckluft wird im Triebfahrzeug erzeugt, sämtliche Waggons sind hinter einander (in Reihe) mit dem Triebfahrzeug verbunden. Wird Druckluft in die Hauptluftleitung gepresst füllen sich die Bremszylinder. Dadurch wird ein Kolben in Bewegung gesetzt. Über ein Gestänge wird der Bremsklotz an das Rad gedrückt. Wird der Bremszylinder über das Steuerventil geöffnet, lässt der Druck nach und der Bremsklotz wird über eine Federvorrichtung zurückgezogen. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 14 von 17

15 4. Antiblockiersystem (ABS) Das ABS erfüllt beim Bremsen von Fahrzeugen zwei Aufgaben: es verhindert das Blockieren der Räder (kontrolliertes Bremsen) und schwächt die Tendenz eines Fahrzeuges ab, sich bei unterschiedlichen Reibwerten der beiden Fahrbahnseiten um die eigene Hochachse zu drehen. Das Antiblockiersystem wirkt vor allem in Gefahrsituationen, indem es bei starkem Bremsen (Vollbremsung) der Blockierneigung der Räder durch Regelung des Bremsdrucks in kurzen Intervallen entgegenwirkt. Das durchschnittliche menschliche Reaktionsvermögen reicht in aller Regel nicht aus, um in gefährlichen Situationen die Bremskraft richtig zu dosieren. Das ABS in modernen Kraftfahrzeugen ist in der Lage, das Bremsverhalten jedes einzelnen Rades nahezu optimal zu steuern. Es sorgt dafür, dass das Fahrzeug während des Bremsvorgangs vollständig steuerbar bleibt und nicht ausbricht. ABS baut auf der physikalischen Erkenntnis auf, dass eine maximale Bremsverzögerung kurz vor dem Blockieren erreicht wird, wenn also die Radreifen gerade eben noch auf der Fahrbahn haften. Wenn diese Grenze überschritten wird, die Räder also nicht mehr abrollen, sondern auf der Fahrbahn gleiten (Schlupf), dann wird das Fahrzeug nur mehr über die Gleitreibung abgebremst, die typischerweise um 15 bis 20 Prozent unter der Haftreibung (je nach Reifentyp) liegt. Das ABS reguliert die Bremskraft an jedem Rad so, dass der Schlupf während des Bremsvorganges jederzeit möglichst nahe an dieser optimalen Grenze bleibt. Das Fahrzeug bleibt beim Bremsen am besten steuerbar, wenn die Bremskraft an allen Rädern gleichermaßen nach diesem Prinzip geregelt wird. Für Fahrzeuge mit ABS bedeutet dies: das Fahrzeug bleibt richtungsstabil, das Fahrzeug bleibt lenkbar, bei Fahrzeugkombinationen bzw. Gelenkfahrzeugen bricht der Anhänger nicht aus, bei einer Vollbremsung lassen sich optimale Verzögerungswerte erreichen und, bei einseitig glatter Fahrbahn muss der Fahrer weniger gegensteuern. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 15 von 17

16 5. Antriebsschlupfregelung (ASR) Die Antischlupfregelung sorgt dafür, dass die Räder beim Beschleunigen nicht durchdrehen. Beim Anfahren mit viel Gas oder bei schlechtem Untergrund wie Eis, Schnee, Rollsplitt, nassem Kopfsteinpflaster kann ein oder beide Räder durchdrehen und das Fahrzeug seitlich wegrutschen. Droht ein zu starker Schlupf der Antriebsräder, wird das Antriebsmoment durch gezielten Brems- oder/und Motoreingriff reguliert. Der Motoreingriff bringt generell die Fahrstabilität über den gesamten Geschwindigkeitsbereich. Es war das erste Fahrerassistenz-System, das unabhängig vom Fahrer Bremsdruck aufbaute. Dieses sorgte für eine angemessene Fahrstabilität in kritischen Fahrsituationen. Während der Fahrt überwachen die Drehzahlsensoren zusammen mit dem Steuergerät das Schlupfverhalten der Antriebsräder (egal ob Front-, Heck- oder Allradantrieb). Wenn der Fahrer mehr Gas gibt, erhöht sich das Drehmoment und folglich auch das Antriebsdrehmoment an den Rädern. Ist das Moment gleich groß wie die Haftreibung der Reifen, dann beschleunigt das Fahrzeug optimal. Wird das Antriebsdrehmoment aber etwas höher, so entsteht ein zu großer Schlupf, und mindestens ein Rad neigt zum Durchdrehen. Abhängig von Straßenbelag und Schlupfrate können auch beide Räder betroffen sein. Sofort sinkt das übertragbare Antriebsmoment, evtl. wird das Auto durch den gleichzeitigen Verlust an Seitenführungskraft auch instabil. Jetzt wird das ASR aktiv und regelt das Antriebsmoment an den Rädern mit mehreren Maßnahmen. Bei folgenden Verkehrssituationen muß die Antriebsschlupfregelung das Durchdrehen der Räder beim Anfahren oder Beschleunigen verhindern: Auf einseitig oder beidseitig glatter Fahrbahn Beim Ausfahren aus vereisten Parkplätzen oder Haltebuchten Beim Beschleunigen in der Kurve Beim Anfahren am Berg (Regeln des Vortriebs mit Hilfe einer Bremsdrucksteuerung am durchdrehenden Rad). Durchdrehende Räder können wie blockierende Räder nur geringe Seitenführungskräfte übertragen; das Fahrverhalten wird instabil, und das Heck bricht aus. ASR hält das Fahrzeug unter Kontrolle und erhöht die Sicherheit. Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 16 von 17

17 6. Quellenangaben Internet: Literatur: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik Verlag: Europa Lehrmittel Fahrsicherheitssysteme Verlag: Vieweg Fahrdynamikregelung (ESP) Herausgeber: Robert Bosch GmbH Florian Vetter, Klasse 9a, Riegelhof Realschule Seite 17 von 17