Bremsenhandbuch. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Fahrdynamik. ATZ-MTZ-Fachbuch. Bert Breuer/ Karlheinz H. Bill (Hrsg.)

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1 Bert Breuer/ Karlheinz H. Bill (Hrsg.) Bremsenhandbuch Grundlagen, Komponenten, Systeme, Fahrdynamik 2., verbesserte und erweiterte Auflage Mit 480 Abbildungen ATZ-MTZ-Fachbuch vieweg

2 XIII 1 Zur Geschichte der Kraftfahrzeugbremse Mechanisch betätigte Fahrzeugbremsen Die hydraulisch betätigte Vierradbremse Die Bremse mit innerer Verstärkung Mehrkreis-Bremsanlagen Von der Muskelkraft- zur Fremdkraftanlage Die hydraulisch betätigte Scheibenbremse Elektronische Bremsregelsysteme 8 2 Der Bremsvorgang - Ablauf, Einflüsse und Anforderungen Bremsung als Fahraufgabe Besonderheiten des Bremsvorgangs Bremswege Bremsstabilität Ausfallsicherheit 15 3 Fahrzeugtechnische Anforderungen Leistung Bremsweg Standfestigkeit Unebenheit der Straße Reibwertabhängigkeit Fahrzeugverhalten Stabilität Aufbaunicken Betätigung/Bedienung Ansprechen und Dosierbarkeit Kräfte, Wege, Kennung Package/Einbausituation Baugrößen und Einbauverhältnisse Massen Energieversorgung Bremskraftverstärkung Thermische Randbedingungen Umgebungsbedingungen Geräusche und Schwingungen (NVH) Vibrationen Geräusche Crashanforderungen Umweltschutz Bremsbeläge Korrosionsschutz Bremsflüssigkeit Energierückgewinnung 36 4 Menschliche Anforderungen Einleitung Bremssituation Informationsaufnahme Informationsverarbeitung i. e. S Reaktion Zeitlicher Ablauf des Informationsverarbeitungsprozesses beim Bremsen 42

3 XIV 4.3 Bremshandlung Fußbewegung Betätigung des Bremspedals Ergonomische Bremsengestaltung Geometrie Pedalkennlinien Alternative Konzepte Bremsassistenten 46 5 Interaktion Fahrbahn-Reifen-Bremse Einleitung Kraftübertragung Reifen - Fahrbahn Gummireibung Wechselwirkung Reifen-Fahrbahn Aufbau Reifenkräfte Bremskräfte/Umfangskräfte Schräglauf; Kräfte und Momente Interaktion Reifen-Bremse Reifenmodelle Dynamische Umfangskraft-Schlupf-Charakteristik des Reifens beim Bremsen Umfangskräfte beim ABS-Bremsen Kombinierte Umfangs- und Seitenkraft, Bremsen bei Seitenkraftbedarf Integration des Reifens in das Gesamtsystem Fahrzeug Produktoptimierung Reifen - ABS-Regelung am Beispiel Winterreifen Ausblick 61 6 Auslegung und Simulation von Pkw-Bremsanlagen Grundlagen der Bremsdynamik Grundlagen der Bremsenberechnung Pedaleinheit Unterdruckverstärker mit Hauptbremszylinder Bremse Scheibenbremse Trommelbremse Bremssystem-Auslegung Bremskreisaufteilung Auslegungskriterien für Bremssysteme Auslegung von Radbremsen Bremsleistung Thermische Auslegung Lebensdauer/Verschleiß Komfort Kosten Gewicht Auslegung von Bremsregelsystemen Auslegungskriterien für ABS-Anlagen Auslegungskriterien für die Antriebsschlupfregelung Auslegungskriterien für die Fahrdynamikregelung Auslegungskriterien von Elektro-Hydraulischen Bremssystemen Simulation von Bremssystemen Bremssystem-Auslegung Analyse der Bremssystemkomponenten mit der Finite-Elemente-Methode Simulation von Bremssystemkomponenten Gesamtsystem-Simulation 84 7 Aufbau und Komponenten von Pkw-Bremsanlagen Einführung Grundlagen 86

4 XV Physikalische Grundlagen Arten von Bremsanlagen Bremskraftverteilung Pedalcharakteristik (Ergonomie) Betätigung Tandem-Hauptzylinder Ausgleichbehälter Bremskraftverstärker Vakuum-Bremskraftverstärker Weitere Bauformen von Vakuum-Bremskraftverstärkern Spezifische Themen und Begriffe rund um den Verstärker Vakuumpumpe Funktionserweiterte Vakuum-Bremskraftverstärker Bremskraftverteiler Übertragungseinrichtungen Radbremse Trommelbremsen Bauarten Bremstrommeln Nachstellung Feststellbremsen Scheibenbremsen Sattelbauarten Bremsscheiben Sattel-Werkstoffe Spezifische Themen und Begriffe rund um die Scheibenbremse Elektronische Regelsysteme Allgemeines.' Physikalische Grundlagen Sensoren für elektronische Brems-Regelsysteme Raddrehzahlsensoren Wegsensor in der Betätigung Beschleunigungsschalter/Beschleunigungssensor Lenkradwinkelsensor Querbeschleunigungssensor Gierratensensor Drucksensor Hydraulisch/elektronische Regeleinheit für das elektronische (Brems-)Regelsystem Bremsen mit Antiblockiersystem (ABS) ABS-Funktionalität Arbeitsbereich des ABS Elektronische Bremskraftverteilung (EBV) Erweitertes Stabilitäts-Bremssystem Antriebsschlupfregelung (ASR) ASR-Funktionalität Bremsenregelung der ASR (BASR) Motorregelung der ASR (MASR) Motor-Schleppmomenten-Regelung (MSR) Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) Bremssysteme und Bremsverhalten von Nutzfahrzeugen und Zügen Auslegung einer Bremsanlage Fahrzeugstabilität beim Bremsen Verteilung der Bremskräfte auf die Achsen Der Bremsvorgang im Bremskraftverteilungsdiagramm Bremskraftsteuerungen (ALB) Bremskraftbegrenzer Bremskraftminderer 124

5 XVI Einfluss von Motorbremsmomenten, Massenträgheitsmomenten und Bremsmomenten von Dauerbremsanlagen Ermittlung von Kennwertschwankungen und ihr Einfluss auf die Bremskraftverteilung Bremskreisaufteilungen und Bremskreisausfall Bremsanlagen für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge Bremsanlagenaufbau Radbremsen und Betätigungskomponenten Dauerbremsanlagen Motorbremssysteme Retarder Brems- und Antriebsschlupf-Regelsysteme Antiblockiersysteme Traktionsregelungen Elektronisches Bremsenmanagement Integration von Dauerbremsanlagen Stabilitätsregelung mit integrierter Überschlagverhinderung Optimierung der Kompatibilität zwischen Zug- und Anhängefahrzeug Bremsassistent Rückrollsperre : Bremsbelagverschleißregelung Abstandsregeltempomat Systeme zur automatischen Fahrzeugführung Systemintegration und elektronische Vernetzung Zusammenfassende Betrachtung von X-by-wire-Systemen Nutzfahrzeugbremsen Bauarten von druckluftbetätigten NfZ-Bremsen Trommelbremsen Scheibenbremsen Aufbau und Wirkungsweise der druckluftbetätigten Schiebesattel-Scheibenbremse Betätigungssystem Betriebsbremse Feststell- und Hilfsbremse Automatisches Verschleißnachstellsystem Nachstellverhalten Bedeutung des Lüftspieles Leistungs- und Lebensdauerverhalten Auslegungsdaten Dauerhaltbarkeit Dauerbremsleistung Reibkörper Bremsbeläge Bremsscheibe Entwicklung und Erprobung von Bremse und Reibkörpern Anhängerbremsen Anhängerspezifische Besonderheiten Anhängerspezifische Vorschriften Anhängerspezifische Bremsanlagen Kompatibilität in Zügen Gesetzgebung Zugabstimmung Ursachen und Folgen unzureichender Kompatibilität Bremsverhalten und Bremsen von Einspurfahrzeugen Fahrdynamik von Einspurfahrzeugen Bremsverhalten von Einspurfahrzeugen Typische Fahrfehler beim Bremsen 171

6 XVII 10.4 Bremssysteme von Einspurfahrzeugen Der Bremssattel Bremsscheiben Bremsbeläge Auslegung des Bremssystems Integralbremssysteme und Bremsregelsysteme Antiblockiersysteme (ABS) Bestandteile des ABS Der ABS-Regelvorgang Arbeitsprinzipien Integralbremssysteme Brake-by-Wire Auflaufbremsanlagen Einleitung Aufbau und Wirkung der Bremsanlage Komponenten Auflaufeinrichtung Übertragungseinrichtung Radbremse Funktionen Betriebsbremse Vorwärtsfahrt Rückfahrautomatik Rückwärtsfahrt Feststellbremse Abreißbremse Auslegung der Bremsanlage Zuordnungsberechnung gemäß Richtlinie 71/320/EWG Kraftschlussausnutzung ABS-Verträglichkeit Wartung - Pflege Wartung Nachstellung Neue Entwicklungen Bremsen von Off-Road Radfahrzeugen Historische Entwicklung der Bremsen in Off-Road Fahrzeugen Überblick über nationale und internationale Rechtsvorschriften für Bremsanlagen Verkehrsgesetze in der Bundesrepublik Deutschland (StVZO) Richtlinien der Europäischen Gemeinschaften (EG) Regelungen der Economic Commission for Europe (ECE) Normen der Society of Automotive Engineers (SAE) Technische Ausführungen und Dimensionierung Trommelbremse Scheibenbremse Lamellenbremse Aufbau einer Lamellenbremse Berechnung des Bremsmoments Reibeigenschaften Verlustleistung und Wirkungsgrad Bremsprüfung und Bremswirkung Prüfungen im Laborbereich Nachweis der Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften Lebensdauer- und Verschleißprüfungen Prüfungen im Fahrzeug Abbremsung bei kalter Bremse (Typ 0) Abbremsung bei heißer Bremse (Wärmefading) Vergleich der Vorschriften 213

7 XVIII 12.5 Ausblicke und Tendenzen Die Radbremse im Zusammenspiel mit anderen Bremssystemen im Fahrzeug (Bremsenmanagement Umweltschutz durch neue Bremskonzepte Bremsen für Kettenfahrzeuge Einleitung Besondere Anforderungen an Kettenfahrzeugbremsen Mechanische Bremsen für Kettenfahrzeuge Mechanische Reibungsbremsen Nasslaufende Lamellenbremsen Trockenlaufende Ein- und Mehrscheibenbremsen Die Ansteuerung von mechanischen Bremsen Kombinationsbremssysteme Kombination mit Primärretarder Kombination mit Hochleistungssekundärretarder Andere Kombinationen Abnahme von Kettenfahrzeugbremsen Zusammenfassung und Ausblick Flugzeugbremsen Allgemeine Beschreibung eines Flugzeugbremssystems Mechanische Ansteuerung Elektronische Ansteuerung (Brake-by-wire) Untersysteme des Bremssystems (Subsystems) Antiblockiersystem (Anti-skid System) Automatisches Bremskontrollsystem (Auto-braking System) Parkbremssystem (Parking brake System) Notbremssystem (Emergency braking System) Bremsenkühlungssystem (Brake cooling System) Anzeige- und Überwachungssystem (Indicating and monitoring System) Auslegungskriterien für militärische und zivile Flugzeuge Qualifikationsrichtlinien Zivile Luftfahrtbestimmungen Militärische Luftfahrtbestimmungen Simulationsverfahren Aufbau und Komponenten eines Bremssystems Pedalbaugruppe (Pedal assembly) Bremssteuergerät (Brake Control Unit, BCU) Ventile (Valves) Bremsventil (Brake control valve) Absperrventile (Shut off valves) Sicherheitsventile (Hydraulic fuses) Sensoren Wärmesensor (Thermocouple) Bremsmomentsensor (Brake torque transducer) Tachogenerator (Wheel speed sensor) Radbremsen (Wheel brakes) Reibwerkstoffe Kühlung und Temperaturüberwachung Thermische Belastungen Kühlung Temperaturüberwachung Ausblick, Perspektiven Bremssysteme für Rennwagen Einführung Leistungsfähigkeit eines Bremssystems für Rennwagen 238

8 XIX 15.3 Bremsanlage Bremszange Hauptzylinder Kühlung der Bremsanlage Reibungsmaterialien Herstellung von Karbon Grundlagen elektrisch betätigter Pkw-Bremssysteme Einleitung Definition von,brake-by-wire' Strukturierung elektrisch betätigter Bremssysteme Gestaltung der Betätigungseinrichtung Stellglied Basiseigenschaften Informationsrückmeldung Elektrohydraulische Bremssysteme EHB-Systeme mit Druckmodulator und Druckspeicher EHB-Systeme mit elektrohydraulischem Wandler Elektromechanische Bremssystejrie Elektrisch betätigte Fahrzeugbremsen Komponenten Betriebsarten - Interaktion der Komponenten Energiebedarf Betrieb elektrisch betätigter Radbremsen Bremssystemaufbau Fail-safe-Kotizept Konzeptvergleich.../ Hybride elektrisch^ Bremssysteme Perspektiven.../ Elektrohydraulisch betätigte Bremsen Zielkonflikte/und Einschränkungen konventioneller Bremsanlagen Konzeptvergleich verschiedener Bremssysteme Merkmale elektrohydraulisch betätigter Bremsanlagen System- und Komponentenbeschreibung Betätigungseinheit Hydraulikeinheit Steuergeräte und Sensorik Funktionale Systemeigenschaften Pedalgefühl Anhalteweg Fahrstabilität Mehrwert-Funktionen Elektromechanisch betätigte Bremsen Zielsetzung Systemaufbau - Zusammenwirken der Komponenten Betätigungseinrichtung Elektromechanische Radbremse Aktor Getriebesysteme Sensorik Regelkonzepte Energieversorgung Aspekte der passiven Sicherheit Elektrische Parkbremse (EPB) und Aktive Parkbremse (APB) Ausblick, Perspektiven 282

9 XX 19 Die Bremsanlage in Fahrerassistenzsystemen Übersicht, Funktion und Anforderungen an die Fahrerassistenzsysteme für Pkw Antiblockiersystem ABS Antriebsschlupfregelung ASR Elektronisches Stabilitätsprogramm ESP Fahrdynamikregler Bremsschlupfregler Antriebsschlupfregler Elektronische Bremskraftverteilung EBV Electronically Controlled Deceleration ECD Hilldescent HDC Bremsassistent BA Funktion der Bremsanlage in Fahrerassistenzsystemen Anforderungen der Fahrerassistenzsysteme an die Bremsanlage Ausführungen der Bremsanlage für die Fahrerassistenzsysteme Überwachung der Bremsanlage in Fahrerassistenzsystemen Ausblick und Perspektiven Die Bremse im mechatronischen Fahrwerk Einführung in die Mechatronik Darstellung einer mechanischen Fahrzeugecke Funktionsstruktur und Schnittstellen von Radaufhängungen Wechselwirkungen zwischen Bremse und Fahrwerk Darstellung von Fahrwerksparametern Grenzen mechanischer Systeme Einschränkungen konventioneller hydraulischer Radbremsen Dynamik Bremskomfort Konflikt zwischen Sicherheit und Komfort Lösungspotenzial durch Mechatronik Übersicht über mechatronische Fahrwerksysteme Adaptive Fahrwerklagerung Verstelldämpfer Elektromechanisch betätigte Teilbelagscheibenbremse mit Selbstverstärkung Intelligenter Reifen Ausblick Eigenschaften der Reibpaarungen im Bremsprozess Einführung Prüfmöglichkeiten, Belastungskenngrößen und Beurteilungskriterien Der Einlaufprozess : Funktionsmechanismus in der Kontaktfläche Modell zur Erklärung der Vorgänge in der Kontaktzone Einflussgrößen auf Reibung und Verschleiß Zur Auswahl und Dimensionierung von Reibsystemen, Schwingungen und Geräusche Definition Erscheinungsformen Niederfrequente Schwingungen und Geräusche Hochfrequente Geräusche Erregungsquellen Ursachen niederfrequenter Geräusche und Schwingungen Entstehungsmechanismen hochfrequenter Geräusche Auswirkungen Schwingungen Akustische Auswirkungen 336

10 XXI 22.5 Prüf- und Beurteilungsmethoden Simulation Prüfstandsuntersuchungen Fahrversuche Maßnahmen zur Reduzierung bzw. Vermeidung Maßnahmen an der Erregungsquelle Maßnahmen an den Übertragungsstrecken Einsatz von Sekundärmßnahmen Ausblick, Perspektiven Reibbeläge Einführung Anforderung an Reibbeläge Materialkonzepte Ökologie Rohstoffe und ihre Eigenschaften in Reibbelägen Fertigungsverfahren Ausblick Bremsflüssigkeiten Bremsflüssigkeitstypen ' Bremsflüssigkeiten auf Basis von Glykolen, Glykolethern und deren Borsäureester Bremsflüssigkeiten auf Basis von Silikonestern Bremsflüssigkeiten auf Basis von Mineralölen Nationale und internationale Normen Bremsflüssigkeitseigenschaften Fahrzeugspezifische Eignung Verträglichkeit mit anderen Bremsflüssigkeiten Physikalische Kennwerte Umgang mit Bremsflüssigkeiten Handhabung Lagerung Entsorgung von Bremsflüssigkeiten Bremsenprüfstände Grundlagen und Aufgabenstellung Rollen-Bremsprüfstände Rollen-Bremsprüfstand für die Autowerkstatt Rollen-Brems- und ABS-Prüfstand für die Serienprüfung am Bandende Reibwert-Prüfstand zur Gütesicherung in der Belagproduktion Schwungmassen-Bremsenprüfstand für das F- und E-Prüffeld Schwungmassen-Bremsengeräusch-Prüfstand Fahrzeug-Bremsen NVH-Prüfstand Simulation anstatt Trial and Error" auf dem Bremsenprüfstand Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bremsanlagen Die Bremse als Fehlerquelle Sicherheitsbetrachtungen an konservativen Bremsanlagen Sicherheitsbetrachtungen an Bremssystemen neuerer Technologien Zuverlässigkeit von Systemen Verfügbarkeit von Systemen Anforderungen an sicherheitsgerichtete elektronische Systeme Schlankes Testen ( Lean Testing") in der Fahrzeugindustrie Begleitung der Entwicklungsphase Die Homologation (Typbegutachtung) Erfahrungen aus dem Feld 370

11 XXII 26.3 Entwicklung von Test- und Prüfgrundlagen Weiterentwicklung der Hauptuntersuchung Die zukünftige Typbegutachtung Regelwerke und Prüfverfahren Zulassungsverfahren in Europa und den USA Entwicklung von Vorschriften in Europa und den USA Entwicklung der Vorschriften in der EU Entwicklung der Vorschriften bei der UN-ECE Entwicklung der Vorschriften in den USA Europäische Vorschriften für Straßenfahrzeuge Allgemeine Vorschriften, ECE-Regelung 13 und EU-Richtlinie 71/320/EWG Wirkvorschriften Bremskraftverteilung und Kompatibilität zwischen Zugfahrzeug und Anhänger Vorschriften für ABS-Systeme Vorschriften für komplexe elektronische Systeme Prüfung von Ersatzreibbelägen US-amerikanische Bremsenvorschriften FMVSS Hydraulische Bremsanlagen FMVSS Pneumatische Bremsanlagen FMVSS Bremsschlauchleitungen FMVSS Bremsflüssigkeiten für Kraftfahrzeuge Weltweite Harmonisierung FMVSS 135 und ECE R.13H Harmonisierung, ein Ausblick Wartung und Diagnose von Bremsanlagen Einfluss von Normen, Regeln und Gesetzen in der Praxis Bremsendiagnose Geräusche und Vibrationen Pedalbox Bremskraftverstärker Hauptbremszylinder Rohrleitungen und Bremsschläuche Bremsen Scheibenbremsen Trommelbremsen Druckregler Bremsflüssigkeit ABS, BA, EHB, VSC und weitere Umwelt- und zeitwertgerechte Reparatur und Wartung Testgeräte Entwicklungstendenzen und Zukunftsaspekte Gesellschaftliche und wirtschaftliche Tendenzen Die Fahrzeugführungsaufgabe heute und morgen Entwicklungssprünge durch neue Technologien Grenzen der Hilfskraft-, Potenziale der Fremdkraftanlagen Die Mensch-Maschine-Schnittstelle Beispiele für By-wire-Technologien und Assistenzsysteme im Chassisbereich Throttle-by-wire (E-Gas) Shift-by-wire Steer-by-wire Brake-by-wire (EHB und EMB) Energiemanagement im Auto von morgen: das 42-Volt-Bordnetz 401

12 XXIII 29.7 Global Chassis Control, die Vernetzung der Assistenz- und Chassissysteme ESP II - Vernetzung mit fremdansteuerbarer Überlagerungslenkung Elektronisches Luftfederfahrwerk, Dämpfer- und Stabilisatorverstellung Technische und wirtschaftliche Notwendigkeiten Der umfassende Sicherheitsgedanke Fernziel Unfallvermeidung 406 Sachwortverzeichnis 408