Bremse: Wie wird ein Auto angehalten?
Die Bremsanlage dient dazu, die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges kontrolliert zu verringern oder es im Stillstand zu halten. Sie umfasst einerseits die zur Geschwindigkeitsreduzierung auf sämtliche Räder wirkende Betriebsbremse (»Fußbremse«) sowie die von der Betriebsbremse unabhängige und in der Regel lediglich auf zwei Räder wirkende Feststellbremse (»Handbremse«). In Pkws erfolgt die Betätigung der Betriebsbremse hydraulisch, bei der Feststellbremse meist über einen Seilzug.
Pascalsches Gesetz
Die hydraulische Bremse nutzt das pascalsche Gesetz (nach Blaise Pascal, 1623-1662), das besagt, dass der auf eine eingeschlossene Flüssigkeit ausgeübte Druck sich nach allen Seiten gleichmäßig fortpflanzt. Die auf das Bremspedal ausgeübte Fußkraft wird somit über die Bremsleitungen und -schläuche in die einzelnen Radbremszylinder in gleicher Stärke übertragen. Die Weglänge des mit dem Fußpedal heruntergedrückten Kolbens im Hauptbremszylinder verteilt sich dabei auf die entsprechende Anzahl der Bremszylinder, d. h., die Kolben in den Bremszylindern legen jeweils eine entsprechend kleinere Weglänge zurück.
Heute kommen in Pkws vorwiegend hydraulische Zweikreisbremsanlagen zum Einsatz. Eine solche Anlage besteht aus zwei getrennten Druckräumen, sodass bei Betätigung des Fußpedals die Räder des einen Bremskreises getrennt vom anderen Bremskreis abgebremst werden.Gegenüber einer Einkreisbremsanlage besteht damit der Vorteil, dass bei Defekt eines Bremskreises die Bremsfunktion trotzdem erhalten bleibt.
Funktionsprinzip
Bei Betätigung des Bremspedals erzeugt die Fußkraft im Hauptbremszylinder einen hydraulischen Druck, der über die Bremsflüssigkeit in den Bremsleitungen an die Radbremszylinder (Scheiben- und Trommelbremse) weitergeleitet wird. Die Kolben in den Radbremszylindern werden auseinander gepresst und drücken die Bremsbeläge an die Reibungsflächen. Die durch die Reibung in Wärme umgewandelte Bewegungsenergie wird an die Umgebung abgeführt. Bei starker Beanspruchung der Bremsen (z.B. lange Talfahrt) kann die Bremswirkung nachlassen (»Fading«).
Je nach Angriffsrichtung der Bremskraft kann zwischen axialer (Scheibenbremse) und radialer (Trommelbremse) Bauweise unterschieden werden. Trommelbremsen, die die Bremskräfte an der inneren Oberfläche der Bremstrommel erzeugen, kommen bei Pkws nur noch an den Hinterrädern zum Einsatz.
Trommelbremse
Je nach Funktionsprinzip kann bei Trommelbremsen zwischen Simplex-, Duplex- Duoduplex- und (Duo-)Servobremsen unterschieden werden. Die einfachste Form der Trommelbremse ist die Simplexbremse, bei der durch den hydraulischen Druck in einem Radbremszylinder beide Bremsbacken gegen die umlaufende Bremstrommel gedrückt werden. Die zweiseitig wirkende Bremse presst die Enden der Bremsbacken (unten) gegen die Bremstrommel, sodass immer eine Backe aufläuft und die andere abläuft. Die ablaufende Bremsbacke wird beim Bremsvorgang gegen die Drehrichtung der Trommel gepresst und von der Bremskraft zwischen Belag und Trommel weggedrückt. Dadurch ist ihre Bremswirkung abgeschwächt. Aufgrund der Reibkraft der in Drehrichtung angepressten Auflaufbremsbacke entsteht eine zusätzliche Anpressung und damit eine unterstützende Selbstverstärkung.
Im Gegensatz dazu hat die Duplexbremse zwei gegenüberliegende, einseitig wirkende Radbremszylinder, sodass bei Vorwärtsfahrt zwei sich selbst verstärkende auflaufende Backen bereitstehen. Beim Rückwärtsfahren ist die Bremswirkung dieser Bremse jedoch schlechter als bei der Simplexbremse, da nur ablaufende Bremsbacken vorhanden sind. Diesen konstruktionsbedingten Nachteil gleicht die Duoduplexbremse dadurch aus, dass beide Radbremszylinder zweiseitig wirken und so unabhängig von der Fahrtrichtung zwei auflaufende Backen bereitstehen.
(Duo-)Servobremsen
Die höchste Bremswirkung bei Trommelbremsen haben Servobremsen, die wie Simplexbremsen einen zweiseitig wirkenden Radbremszylinder besitzen. Die Backen haben jedoch keinen Drehpunkt als Widerlager, sondern sind an dieser Stelle durch ein Gleitlager miteinander verbunden. Dadurch stützt sich bei einem Bremsvorgang in Vorwärtsrichtung die eine Backe auf das obere Ende der anderen Backe ab, die so ebenfalls zu einer auflaufenden Backe mit Selbstverstärkung wird. Da das Gleitlager im Rückwärtsgang blockiert, wirkt die Bremse in diesem Fall wie eine Simplexbremse. Bei der Duoservobremse kann sich das Gleitlager in beide Richtungen bewegen, sodass die Bremswirkung in beide Fahrtrichtungen gleich ist.
Scheibenbremse
Bei der Scheibenbremse liegt die Bremsscheibe zwischen zwei zangenartig angeordneten Bremsbelägen. Der Bremssattel kann als Fest- oder Schwimmsattel ausgebildet sein. Bei der Festsattelbremse drücken zwei Radbremszylinder von beiden Seiten auf die Bremsscheibe. Bei Schwimmsattelbremsen sind zwei Grundausführungen zu unterscheiden: Schwimmrahmensattel und Faustsattel. Bei beiden Bauarten umfasst ein axial verschiebbarer Sattel einen Teil der Bremsscheibe und es wird nur ein Radbremszylinder eingesetzt. Bei Betätigung der Bremse wirkt der hydraulische Druck auf den Kolben, wodurch der auf der Fahrzeuginnenseite liegende Bremsbelag (links) direkt gegen die Bremsscheibe gepresst wird. Gleichzeitig wird der Druck auch auf das Gehäuse (Faust) ausgeübt, sodass sich dieses im Träger entgegengesetzt zum Kolben bewegt und dadurch den anderen Bremsbelag gegen die Bremsscheibe zieht. Da sich Scheibenbremsen nur bedingt als Feststellbremsen eignen, werden sie, meist an den Hinterrädern, mit zusätzlichen Trommelbremsen ergänzt.
Bremskraftverstärker
Durch die fehlende Selbstverstärkung ist bei Scheibenbremsen zusätzlich ein Bremskraftverstärker notwendig, der die Fußkraft beim Bremsen unterstützt. Die beiden gebräuchlichsten Formen sind der Unterdruck- und der Hydraulikbremskraftverstärker. Unterdruckbremskraftverstärker nutzen den im Saugrohr des Motors herrschenden Unterdruck, um die Fußkraft zu entlasten. Bei Ausfall des Unterdrucks, z. B. bei Motorschaden, bleibt die Bremsanlage voll einsatzfähig. Demgegenüber verwenden Hydraulikbremskraftverstärker als Kraftquelle ein bereits im Fahrzeug eingebaute Hydraulikaggregat (z.B. für die Servolenkung). Dem Vorteil eines geringeren Einbauraums und einer niedrigeren erforderlichen Fußkraft steht ein meist »schwammiges« Pedalgefühl gegenüber.
Antiblockiersystem
Normalerweise ist die Verteilung der Bremskraft auf Vorder- und Hinterachse unveränderlich, was häufig aufgrund unterschiedlicher Belastung der Räder zu deren Blockieren und damit zur Beeinträchtigung der Lenkfähigkeit oder gar zum Schleudern des Fahrzeuges führt. Neben herkömmlichen Bremskraftreglern, die nach Erreichen eines bestimmten Drucks im Bremssystem einen weiteren Druckanstieg in den Radbremszylindern der Räder, und damit auch deren Blockieren, verhindern sollen, wurde das Antiblockiersystem (ABS) entwickelt. Es bremst in jeder Fahrsituation (Glatteis, trockene Fahrbahn etc.) die Räder bis an die Blockiergrenze ab, ohne dass diese zu rutschen beginnen. Das Fahrzeug bleibt damit auch bei einer Vollbremsung weiter lenkbar und wird gleichzeitig optimal gebremst. Möglich wurde der Bau von ABS-Anlagen für Pkws erst durch die Entwicklungen in der Halbleitertechnik; das erste großserienreife ABS wurde 1978 vorgestellt.
Das ABS besteht aus den Drehzahlfühlern, die die Drehgeschwindigkeiten der einzelnen Räder messen, dem elektronischen Steuergerät sowie einem Hydroaggregat. Im Steuergerät werden die Signale der Drehzahlfühler ausgewertet und der für eine optimale Bremsung notwendige Bremsdruck berechnet. Meldet einer der Fühler, dass die Drehzahl des Rades abfällt (Gefahr des Blockierens), wird der Bremsdruck des entsprechenden Rades nicht weiter erhöht. Verringert sich die Raddrehzahl trotzdem weiter, erfolgt sogar eine Drucksenkung im Bremszylinder, sodass das Rad weniger stark gebremst wird. Bei einer Beschleunigung des Rades wird der Bremsdruck wieder erhöht und ein neuer Regelzyklus beginnt. Das ABS ist damit vom Prinzip her eine schnelle »Stotterbremse«, wobei die Elektronik jedem Rad einen anderen Stotterrhythmus erlaubt.
Antriebsschlupfregelung
Eine logische Umkehr des ABS ist die Antriebsschlupfregelung (ASR), durch die ein Durchdrehen der Räder beim Anfahren oder Beschleunigen verhindert werden soll, um die Spurtreue und Lenkfähigkeit des Fahrzeugs zu erhalten. ASR werden in zwei Ausführungen gebaut: Bei der einen Bauart erfolgt die Regelung ausschließlich über einen Motoreingriff, z.B. eine zusätzliche Drosselklappe, Zündfunkenunterdrückung oder eine Leistungsreduzierung, bei der anderen Bauart wird darüber hinaus über die Bremsen in die Radbeschleunigung eingegriffen. Zur Steuerung der Bremskraft nutzen diese ASR die bereits im Fahrzeug eingebauten ABS-Komponenten, wobei während des ASR-Regelvorgangs ein elektronisch gesteuerter Bremsdruck auf die Radbremszylinder ausgeübt wird, ohne dass der Fahrer das Bremspedal betätigt.
Kombinierte ABS-/ASR-Anlagen erlauben heute eine Beherrschbarkeit von Fahrzeugen bei unterschiedlichsten Straßenbedingungen und damit eine deutliche Verbesserung der Sicherheit.