Auslegung eines Automatischen Lastabhängigen Bremskraftreglers (ALB)

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1 Auslegung eines Automatischen Lastabhängigen Bremskraftreglers (ALB) 30. September 010 Inhaltsverzeichnis 1 Das wichtigste Vorab 1 Motivation.1 Warum einen Lastabhängigen Bremskrafregler? Ist-Zustand Messen der wichtigen Parameter am LKW Die Achslasten der einzelnen Achsen Federkonstante der Hinterachsfeder Das Regelverhältnis: Die Untersetzung des ALB 5 5 Konkrete Einstellwerte des ALB Ermittlung der Gestängelänge Zusammenfassung der Werte zur Anfertigung eines ALB-Schildes 9 1 Das wichtigste Vorab Einen Fehlerfreien Text gibt es nicht! Selbst wenn ein Text in sich wahrhaftig keine Fehler aufweist, so gibt es noch immer überabzählbar viele Möglichkeiten, ihn falsch zu interpretieren. Daher kann auch dieser Text niemals frei von Fehlern bzw. Missverständnissen sein. Nun handelt er aber von Bremsanlagen, von deren Fehlerfreiheit das Leben von Menschen abhängt. Und hier geht es nicht um einfache Montagearbeiten wie das Austauschen von Bremsklötzen, hier geht es um Grundlegende Änderungen an der Anlage. Sicherheit kann man nur durch zwei Dinge erreichen: Prüfung dessen, was sich mit vertretbarem Aufwand messen lässt. Und zu dem die zweite (dritte und vierte...) Meinung eines Sachverständigen! Das ist wirklich kein Feld für Selbstüberschätzungen, hier benötigt es professionelle Teamarbeit. Sollte ein ähnlicher Umbau geplant sein, so besprecht das unbedingt im Vorfeld mit dem TÜVer eures Vertrauens. Holt euch ruhig eine weitere Meinung eines Meisters o.ä. ein. Prüft die Funktion der Bremse gründlich und lasst die Geschichte unbedingt im Anschluss Prüfen und Abnehmen. Auch ich habe alles mehrfach überprüfen, bewerten und natürlich im Anschluss abnehmen lassen, auch wenn ich mich subjektiv recht sicher in der 1

2 Materie fühle. Bei zweitem Lesen ist aufgefallen, dass der Text sehr knapp gehalten ist, und dem ein oder anderen erklärende Hinweise fehlen werden. Daher sind diese kursiv gesetzten Erklärungen in möglichst einfacher Sprache hinzugekommen. Motivation.1 Warum einen Lastabhängigen Bremskrafregler? Bei einem mehrspurigen Kraftfahrzeug (PKW = zweispurig) müssen die Bremsen der Vorderachse immer vor den Bremsen der Hinterachse blockieren. Der Grund ist einfach: Blockieren die Vorderräder, rutscht das Fahrzeug lediglich geradeaus weiter. Der Fahrer hat eine Chance, durch Lösen der Bremse, das Fahrzeug wieder unter Kontrolle zu bekommen. Blockiert die Hinterachse während die Vorderachse noch fest Bodenkontakt hat, so gerät das Fahrzeug sofort ins Schleudern. Die Hinterachse bricht zu Seite aus und das Fahrzeug schleudert ohne eine Chance für den Fahrer, die Fuhre wieder unter Kontrolle zu bekommen. Das quer schleudernde Fahrzeug wird zudem mit einer viel höheren Wahrscheinlichkeit ein Hindernis treffen, als ein geradeaus rutschendes, schlicht weil quer die Silhouette breiter ist. Je rutschiger die Fahrbahn ist, um so geringer ist die notwendige Geschwindigkeit für solch ein Szenario. Aus der Forderung, dass die Vorderachse zu erst blockieren muss folgt, dass die Abbremsung der Hinterachse schwächer seien muss, als die der Vorderachse. Da die Abbremsung das Verhältnis aus Bremskraft pro Gewichtskraft ist, ergibt sich, dass die Last einer Achse direkt die Abbremsung dieser Achse beeinflusst. Je weniger Gewicht desto mehr Abbremsung. Und das ist das Einsatzfeld für lastabhängige Bremskraftregler: Bei sinkender Hinterachslast verhindern, dass die Abbremsung der Hinterachse größer als die der Vorderachse wird, und damit, dass das Fahrzeug bei einer Vollbremsung ins Schleudern gerät.. Ist-Zustand Beinah alle Einsatzfahrzeuge, wie sie gerne als Reise-LKW umgebaut werden, sind ohne Bremskraftregelung ausgeliefert worden. Dieses hat Kosten bei Herstellung und Wartung gespart. Möglich war dieses zum einen, weil die Fahrzeuge eine nahezu konstante Beladung haben, zum anderen, weil die gesetzlich geforderte Mindestabbremsung geringer war, als heute gefordert. Man hat damals einfach sehr kleine Radbremszylinder in der Hinterachse montiert und damit die Hinterachse so wenig bremsen lassen, dass sie unter normalen Bedingungen nicht vor der Vorderachse blockieren kann. Sie bremst dann zwar weniger, als an sich möglich wäre, aber für eine Zulassung hat das immer noch ausgereicht. Die zivilen Brüder der Einsatzfahrzeuge hatten mit ihrer wechselnden Beladung natürlich schon lange Bremskraftregler. In dem Moment, wo so ein LKW sein Zweites Leben als Reisefahrzeug antritt, passiert jedoch etwas sehr gefährliches: Die feste Beladung wird von dem LKW herunter genommen und durch einen prinzipiell immer leichteren Reiseaufbau ersetzt. Der Hersteller ist bei der Auslegung (und dem Nachweis) der Bremsanalge jedoch von einer konstant hohen Beladung der Hinterachse ausgegangen. Diese Mindestlast auf der Hinterachse fehlt nun, damit ist die Bremse der Achse viel zu stark. Eine Vollbremsung schon auf nasser Fahrbahn kann direkt zu einem unkontrollierbaren Schleudern des LKW führen. Erschwerend kommen hinzu, dass an der Hinterachse oft auch die

3 Federn zu hart, keine Stoßdämpfer vorhanden und die Beläge der Bremsen überaltert oder verölt sind. Ich selbst durfte 001 einen Unfall aufgrund einer überbremsenden Hinterachse mit schweren Verletzungen überleben, bei dem zum Glück keine weiteren Personen zu Schaden gekommen sind. 3 Messen der wichtigen Parameter am LKW 3.1 Die Achslasten der einzelnen Achsen Die Achlast beträgt im teilbeladenen Zustand wie zum Prüfzeitpunkt inklusive Fahrer an der Vorderachse 4040Kg und an der Hinterachse 4160Kg. Ermittelt mit einer Fahrzeugwaage, zum Beispiel auf einem Schrottplatz oder einem Baustoffhändler. 3. Federkonstante der Hinterachsfeder Es muss herausgefunden werden, bei welcher Last die Hinterachsfeder um welchen Weg einfedert; also die Federkonstante. Die Federkonstante der Hinterachsfeder wurde an einer Kranbahn ermittelt, welche mit einer Waage ausgerüstet ist. Hierzu wurde das Fahrzeug am Heck am Ende des Kofferaufbaus angehoben. Dabei wurde die jeweilige Kraft, um welche angehoben wird und der Abstand zwischen Achse und Rahmen aufgezeichnet. Weiter wurde kontrolliert, ob das ALB-Gestänge noch weitere Bewegungen in andere Richtungen macht, welche den Winkel des Gestänges verfälschen. Solche Bewegungen waren jedoch nicht zu erkennen. Zur Kontrolle sind die Messwerte der Gestängeauslenkung jedoch im Folgenden mit dokumentiert. Dei Einfederung ließe sich auch mit einer definierten Beladung des LKW ermitteln, eine Kranwaage ist aber sehr komfortabel, wer stapelt schon gerne eine Tonne Backsteine ins Auto, wenn es sich vermeiden lässt? Die ganzen Rechnungen bis zum ersten Diagramm dienen übrigens nur dazu, herauszufinden, bei welcher Last am Heck des LKW die Hinterachse um wie viel entlastet ist. Weil wird das LKW-Heck um eine Tonne angehoben, so sinkt die Achslast der Hinterachse um mehr als eine Tonne, da sich das Gewicht beim Anheben zusätzlich auf die Vorderachse verlagert. Kranlast F k Abstand Feder/Rahmen Abstand Gestänge/Traverse 0 kn 70 mm 76 mm 4.37 kn 78 mm 73.5 mm 8.35 kn 87.5 mm 68.5 mm 1.60 kn 94 mm 6.8 mm Tabelle 1: Die Messwerte der vier Messungen Aus diesen Messwerten wurde die Federkonstante k = 0, 133 wie folgt ermittelt: Das Drehmoment M g um die Vorderachse ist gleich der Gewichtskraft F g = 8 kn der Fahrzeugmasse multipliziert mit dem Hebelarm des Abstands des Schwerpunkts zur Vorderachse l g = 1870 mm. Der Abstand l g errechnet sich aus den Achlslasten (vorne 40kN und hinten 4kN) sowie dem Radstand von 3650 mm. M g = F g l g 3

4 Abbildung 1: Der Aufbau der Messung der Federkonstante mittels einer Kranwaage. a 1 = 75 mm Abstand Messpunkt/Drehachse des ALB in Richtung Reglergestänge a = 65 mm Abstand Achse/Traverse (siehe Zeichnung zum Bremskraftregler der Fa. WABCO) Wenn das Heck mit einem Kran angehoben wird, verteilen sich die Kräfte auf die Hinterachse F ha und den Kranhaken F K entsprechend dem Abstand der Hinterachse zur Vorderachse (dem Radstand) l ha = 3650 mm und dem Abstand des Anschlagpunktes des Kranseils (Hinterkante Kofferaufbau) zur Vorderachse l K = l ha mm = 5350 mm. M g = F ha l ha + F K l K Damit ergibt sich für die Hinterachslast (F k = Kranlast aus Tabelle 1): F ha = (M g F K l K ) = (F gl g F K l K ) = (8 kn1870 mm) (F K5350 mm) l ha l ha 3650 mm = 153, 34 knm (F K5350 mm) = 1, 466F K + 4, 01kN 3650 mm Mit dieser Funktion kann aus den Messwerten errechnet werden, welche Last auf der Hinterachse gelegen hat. Der Plot in Abbildung 3 zeigt die Einfederung der Hinterachse in Abhängigkeit der Hinterachslast. Die Konstanten k und l F der eingezeichneten lineare Funktion für die Ausfederung l F in Abhängigkeit von der Achslast F achse wurden nummerisch ermittelt. 3 s l f = kf ha + l F = 1, kg F achse 4

5 Ausfederung Hinterachse [cm] Auslenkung Reglergestänge [Grad] Hinterachslast [kn] Abbildung : Plot der Messwerte durch dargestellt und der daraus ermittelten Federfunktion mit der Steigung k (Federkonstante) Auf Grund der Genauigkeit der Messwerte ergeben sich folgende nummerische Genauigkeiten für die ermittelten Konstanten: Final set of parameters Asymptotic Standard Error ======================= ========================== k = / (5.594%) lf = / (4.45%) In diesem Fall wurde das Programm Gnuplot verwendet, um aus dem Messpunkten die Federfunktion und damit die Federkonstante anzunähern. Wem das mit der Nummerik nicht so liegt, der kann dieses aber auch mit dem Taschenrechner oder einem Lineal auf Millimeterpapier durchführen. 4 Das Regelverhältnis: Die Untersetzung des ALB Die Radbremsylinder in diesem konkreten Fall haben an jedem Rad die Größe 9 und damit die selbe pneumatische Untersetzung. Der ALB wird so eingestellt, dass die Hinterachse 75% der Abbremsung der Vorderachse hat. Das heißt bei gleicher Achslast 5% weniger Bremskraft an der Hinterachse. Vorsicht: Wenn die Radbremszylinder von vorder- und Hinterachse unterschiedliche groß sind, so muss dieses entsprechend mit eingerechnet werden. Da der ALB die dynamische Achslastverschiebung (Das Einnicken beim Bremsen) nachregelt, genügt in allen Bremssituationen ein Sicherheitsabstand von 5% zur instabilen Kennlinie, damit auch bei ungleichen Kraftschlüssen (Fahrbahn ist unterschiedlich rutschig) oder dynamischen Störungen in der Achslast (unebene Fahrbahn oder Ähnliches) ein Überbremsen der Hinterachse prinzipiell ausgeschlossen ist. Eine solche Einstellung lässt sich auf den ALB-Schildern ähnlicher 5

6 Fahrzeuge nachvollziehen. Bei mir hat es drei Abende gedauert, bis ich den Inhalt aus dem Rest dieses Kapitels verstanden habe. Also besteht kein Grund für Selbstzweifel beim ersten Lesen. Der Inhalt dient im Endeffekt nur dem Nachweis, dass eine Abbremsung an der Hinterachse von dreiviertel der Abbremsung der Vorderachse eine gute Wahl ist. Die gewählte Abbremsung z ok liegt zwischen zwei Extremen, der idealen Abbremsung z instabil und der vorgeschriebenen Mindestabbremsung z min : Die Ideale Bremskraftverteilung: Die Abbremsung an der Vorderachse z va ist gleich der Abbremsung an der Hinterachse z ha. Bei einer solchen Bremskraftverteilung würde jedoch die kleinste Störung an der Hinterachse zu einem instabilen Fahrzustand (Schleudern) führen. z ha = z va Im Fall der idealen Bremskraftverteilung ist die summe der Abbremsung beider Achsen z gleich dem Kraftschluss k. z instabil = k Die gewählte Bremskraftverteilung: Um eine gegen Störungen robuste Einstellung zu erhalten, wurde ein Sicherheitsabstand von 5% zur instabilen Kennlinie gewählt. (Sehr starke Störungen z.b. auf unbefestigten Straßen erzeugen starke Schwingungen an der Hinterachse welche vom ALB entsprechend geregelt werden.) z ha = 0, 75z va Die gesamte Abbremsung des Fahrzeuges in Abhängigkeit vom Kraftschluss zur Fahrbahn k ist nun noch: z ok = k k k und damit geringer als k im Fall der idealen Bremskraftverteilung. Die (aktuell) vorgeschriebene Bremskraftverteilung: Nach Abschnit /30/EWG ist die geforderte Mindestabbremsung z in Abhängigkeit vom Kraftschluss z max z = 0, 1 + 0, 85(k 0, ) In Abbildung 3 lässt sich leicht ablesen, dass diese Forderung problemlos für alle Kraftschlüsse erfüllt wird. 6

7 1 0.8 Stabilitäsgrenze z instabil Gewählte Bremskraftverteilung z ok Mindestabbremsung 71/30/EWG z k Abbildung 3: Die maximale Abbremsung z in Abhängigkeit vom Kraftschluss k 5 Konkrete Einstellwerte des ALB Da, wie bereits erwähnt, die wirkende Kolbenfläche an Vorder- und Hinterachse gleich ist, ergibt sich, dass bei gleicher Belastung der Druck an der Hinterachse p ha 0,75% des Druckes an der Vorderachse p va betragen sollte. Bei dem aktuellen Achslastverhältnis von M va(zgg) = 4400kg vorne und M ha = 4160kg hinten ergibt sich ein Druckverhältnis von p ha = M ha 0, 75p va = 4160 M va(zgg) , 75p va = 0, 709p va Für einen eingesteuerten Druck von 6,8 Bar sollten an der Hinterachse also bei dem aktuellen Achslastverhältnis 4,8 Bar anliegen. Jetzt ist es endlich konkret: Wenn die Länge des Hebels zum ALB korrekt eingestellt ist, muss man nur die Grundstellung des Hebels so einstellen, dass bei 6,8 Bar am Eingang des ALB 4,8 Bar am Bremszylinder der Hinterachse ankommen. 5.1 Ermittlung der Gestängelänge Die Gestängelänge wird mit dem Regelverhältnis i R über die Federdurchbiegung mit Hilfe des Wabco Nomogramm ermittelt. Das Regelverhältnis errechnet sich wie folgt ( Grundlehrgang Prüfung und Einstellung der (mech.) ALB, Wabco, pdf) Lässt sich bei Wabco-Inform herunterladen und durchlesen, das ganze ist dort von Wabco gut erklärt. i R = p ein (p d + 0, 3) p aus p d Mit einer Vorsteuerung von p d = 0, 8Bar und den Werten aus dem vorhergegangenden Abschnitt 7

8 Bar Bremsdruck Hinterachse kg Abbildung 4: Der Bremsdruck an der Hinterachse in Abhängigkeit der Achslast (p ein = p va = 6, 8Bar) ergibt sich: i R = p ein 1, 1 6, 8 1, 1 = p aus 0, 8 p aus 0, 8 = 5, 5 p aus 0, 8 Um die Auflöung des Nomogramms gut nutzen zu können wird ein vorgegebenes Regelverhältnis von i R =, 5 gewählt und die Federdurchbiegung diesem Regelverhältnis angepasst: (p aus 0, 8)i R = 5, 5 p aus 0, 8 = 5, 5 i R p aus = 5, 5 i R + 0, 8 Mit dem festen Regelverhältnis von i R =, 5 ergibt sich für den Druck an der Hinterachse: p aus = 5, 5 + 0, 8 =, + 0, 8 = 3Bar, 5 Diesem Wert für p aus ist die folgende theoretische Achslast zugeordnet: p aus = M ha M va(zgg) 0, 75p va = M ha , 75 6, 8 = M ha , 1 = M ha 86, 7 M ha = p aus 86, 7 = 3 86, 7 = 588kg Die Volllaststellung des ALB ist bei einer Hinterachslast von 5867kg erreicht. (Siehe u.a. Abbildung 3) Die Achlaständerung F achse = 588kg 5867kg = 379kg = 3160N Daraus ergibt sich eine Änderung der Federdurchbiegung l F gegenüber der Volllaststellung von: 3 s l F = 1, kg F 3 s achse = 1, N = 0, 0478m kg Mit Hilfe des Nomogramms der Fa. Wabco ergibt sich daraus eine Gestängelänge von 160 mm. 8

9 6 Zusammenfassung der Werte zur Anfertigung eines ALB-Schildes Wenn in einem LKW ein ALB verbaut ist, so muss auch ein ALB-Schild angefertigt werden. Dieses Schild enthält alle wichtigen Daten des ALB, damit dieser geprüft oder bei einer Änderung der Hinterachsfedern entsprechend eingestellt werden kann. Das Schild muss rechts in der Fahrertür bzw. um Fussraum angenietet werden. Es gibt von Bremsenherstellern dafür Rohlinge, welche sich mit Schlagzahlen ausfüllen lassen. ALB Nr Gestängelänge L = 160 mm Eingangsdruck = 6,8 Bar Achslast HA M ha (kg) Bremsdruck HA p aus (Bar) Einfederung HA (mm) 100 1, , , , , , , , , , , ,8 0 Tabelle : die Werte für den eingesteuerten Druck wurden p aus wurde mit der Formel aus Kap. 5. errechnet: p aus = M ha M va(zgg) 0, 75p va 9