Die heutigen Bremssysteme und Bremsassistenzsysteme sind unglaublich beeindruckend. Die Hersteller übertreffen sich mit Ideen, die nicht nur die Bremsleistung, sondern auch den Bremskomfort verbessern. Der Weg zu den heutigen technischen Errungenschaften war jedoch ziemlich lang.
Die Ursprünge der Bremssysteme
In modernen Autos ist die Rolle der Bremsen unbestritten. Es ist eines der wichtigsten Systeme. Bremsen waren jedoch nicht immer so wichtig. In den Anfängen des Automobils haben die Erfinder eher darüber nachgedacht, wie man das Auto in Bewegung setzen kann, als darüber, wie man es anhalten kann. Die Rolle der Bremsen wurde daher durch den hohen Innenwiderstand der Maschinen und einfache Mittel übernommen. Die ersten Wagen wurden mit Hebeln angehalten, die einen Holzklotz gegen die Felge drückten oder mit anderen Systemen, die bei Kutschen verwendet wurden. Im Wesentlichen ähnelten die damaligen Fahrzeuge den Kutschen und hatten daher viele konstruktive Lösungen mit ihnen gemeinsam.
Es wurde jedoch schnell festgestellt, dass die provisorischen Bremsen nicht sehr effektiv waren. Die Holzklötze verschlechterten sich schnell im Kontakt mit dem Rad und boten bei steilen Abfahrten keine ausreichende Bremskraft. Und die Leute wollten schneller fahren. Also experimentierten sie mit allen möglichen Lösungen, die kinetische Energie auf effizientere Weise in Wärme umwandeln würden. Es kamen immer effektivere Bremsbeläge auf, z. B. Kupferbeläge, die die Reibungskraft erhöhten, aber sie hatten einen großen Nachteil – sie waren sehr laut, wenn sie mit dem Metallrad in Kontakt kamen. Sie wurden daher mit weichen, abrasiven Materialien, z. B. Asbest, Baumwolle oder Gummi, überzogen. Diese Lösungen waren ausreichend, da die Autos ohnehin keine sehr hohen Geschwindigkeiten erreichten.
Reifen – eine neue Herausforderung für Fahrzeugbremsen
Die Entwicklung von Bremsen wurde stark von Luftreifen beeinflusst. Diese boten mehr Komfort auf Bodenwellen und ermöglichten höhere Geschwindigkeiten, funktionierten aber nicht sehr gut mit primitiven Bremsen. Den Bremsklotz direkt gegen den Reifen zu drücken, funktionierte gut bei einem Fahrrad, aber nicht bei einem viel schwereren Auto. Daher wurde eine neue Art von Bremse entwickelt, die im Inneren des Rades verborgen ist. Entgegen dem Anschein fielen die Entwicklung der modernen Trommelbremse und die der Scheibenbremse zusammen.
Die erste Scheibenbremse wurde 1902 entwickelt und von dem englischen Ingenieur Frederick William Lanchester erfunden. Die Trommelbremse hingegen wurde im selben Jahr von Louis Renault patentiert. Frühere Trommelbremsen waren unter anderem von Gottelieb Daimler und Wilhelm Maybach erprobt worden, aber die Konstruktion des französischen Ingenieurs war perfekter. Anstelle einer gusseisernen Trommel, die mit Seilen umwickelt war, verwendete er eine viel effizientere Lösung, nämlich Bremsbacken, die die Trommel spreizen. Diese Art von Bremse hat, natürlich in abgewandelter Form, bis heute überlebt.
Hydraulik in Bremssystemen
Die ersten Autobremsen waren rein mechanisch und wurden nur durch die Muskelkraft des Fahrers betätigt. Zunächst wurden nur die Hinterräder gebremst, und ein Auto mit Bremsen an allen vier Rädern erschien erst 1909. Dies war auf technische Mängel zurückzuführen, die es schwierig machten, Bremsen zu entwickeln, die dem Auto Stabilität verleihen würden. Die über Stahlseile gesteuerten Bremsstrommeln arbeiteten mit unterschiedlichem Kraftaufwand, und die Synchronisierung der vier Bremsbackenpaare stellte ein großes Problem dar.
Der Durchbruch in der Bremsenentwicklung gelang 1917 mit der Patentierung der hydraulischen Bremsen durch Malcolm Loughead, später bekannt als Lockhead. Hydraulische Bremsen waren bereits 1895 bekannt, aber die Erfindung des Deutschen Hugo Meyer setzte sich damals noch nicht durch. Erst als die Lockhead-Bremsen in Serie gingen, wurden sie verfügbar. Die Verwendung von Hydraulikflüssigkeit hat sich stark verändert. Sie erhöhte die Bremskraft, beseitigte das Problem der gebrochenen und sich lösenden Züge und machte die Bremsen komfortabler zu bedienen. Das Problem bei den ersten Konstruktionen waren natürlich Undichtigkeiten, aber die Ausfallrate von hydraulischen Bremsen war viel geringer als bei mechanischen Konstruktionen.
Nicht viel später, im Jahr 1928, wurde ein zusätzlicher Komfort eingeführt – der Bremskraftverstärker. Der Bremskraftverstärker nutzte den im Ansaugsystem erzeugten Unterdruck, um die Bremskraft zu erhöhen. Wenn das Bremspedal betätigt wird, wird der Hauptzylinder aktiviert und gleichzeitig öffnet sich ein Ventil, damit der Unterdruck aus dem Verteiler wirken kann. Der Druckunterschied zwischen dem einen und dem anderen Teil der Membrane erzeugt eine Kraft, die den Pumpenkolben weiter unterstützt. Diese Kraft ist direkt proportional zu dem Grad, in dem das Bremspedal betätigt wird, so dass der Fahrer die Bremskraft leicht modulieren kann. Und da die Bremsen immer effektiver werden, können die Autos immer schneller fahren.
Die langsame Dämmerung der Trommelbremsen
Trommelbremsen dominierten jahrzehntelang den Automobilbau. Sie sind auch heute noch an der Hinterachse von kleinen und nicht sehr leistungsstarken Fahrzeugen, wie z. B. Stadtautos, zu finden. Ihr unbestrittener Erfolg war kein Zufall. Die stark ummantelten Bremstrommeln sind widerstandsfähig gegen die Straßenverhältnisse und entgegen dem Anschein nicht so unwirksam, wie man meinen könnte. Die eigentliche Frage ist, wie sie mit hohen Temperaturen zurechtkommen.
Die geschlossene Bremstrommel an sich erschwerte die Wärmeabfuhr. Das Spreizen der Bremsbacken erforderte einen hohen Kraftaufwand, und eine große und schwere Bremstrommel ist notwendig, um eine ausreichende Wirkung zu erzielen. Auch die Ausfallrate von Trommelbremsen könnte ein erhebliches Problem darstellen. Trotz ihrer relativ einfachen Konstruktion und geschlossenen Bauweise kam es häufig zum Festfressen der Bremsbacken, was zu einer Überhitzung der Bremse führte. Eine überhitzte Bremse verliert ihre Wirkung und ein plötzlicher Verlust der Bremskraft kann sehr gefährlich sein. Zum Glück gibt es inzwischen eine raffiniertere Alternative – Scheibenbremsen.
Kompression – ein Rezept für Scheibenbremsen
Wie viele andere Erfindungen im Automobilbau kamen auch die ersten modernen Scheibenbremsen aus dem Motorsport. 1953 wurde der Jaguar XK für das 24-Stunden-Rennen von Le Mans mit vier Dunlop-Scheibenbremsen ausgestattet. Mit der neuartigen Bremse gewinnt das Auto das Rennen. Der Weg war frei für eine Revolution der Bremssysteme.
Im Gegensatz zu den Kupferbremsbelägen von 1902 quietschen die modernen Bremsbeläge nicht und nutzen sich nicht so schnell ab. Die nahe Zukunft wird auch verbesserte Reibbelagmaterialien wie Keramik, Halbmetallverbindungen und Kevlar bringen. Asbest, dessen krebserregende Eigenschaften zu einem großen Problem werden, wird der Vergangenheit angehören. Alle Bremsbeläge profitieren jedoch vom grundsätzlichen Vorteil der Scheibenbremse, nämlich dem höheren Wirkungsgrad, auch bei dynamischer Fahrweise.
Die Wärmeableitung von Scheibenbremsen ist hier ein wichtiger Aspekt. Sie werden durch den Wind gekühlt, geben die Wärme an die Felgen ab und können auch spezielle Lüftungslöcher haben. Sie funktionieren gut in bergigen Gegenden, eignen sich für dynamische Fahrten und zeigen bessere Leistungen bei Notbremsungen. Kolben, die Druck auf die Bremsbeläge und damit auf die Bremsscheibe ausüben, können auch besser mit Fahrerassistenzsystemen wie ABS oder ESP zusammenarbeiten. Die Kompression erweist sich als bessere Methode, ein Auto zu bremsen als die Spreizung. Die Bremssättel sind den Bremsbacken überlegen.
Die Zukunft der Autobremsen
Die Forschungs- und Entwicklungszentren arbeiten unermüdlich an der Entwicklung noch leistungsfähigerer Bremsen. Werkstoffe, Systeme und Bremsanlagen sind im Wandel. Immer mehr Hersteller verwenden das sogenannte Schorchen, d. h. die kurzzeitige Erwärmung der Bremsbelagoberfläche auf 600-800 °C. Damit soll die Beständigkeit gegen das sogenannte Fading, d. h. die Abnahme der Bremsbelagleistung unter dem Einfluss der Bremstemperatur, erhöht werden. Auch der Reduzierung von Bremsenvibrationen und -quietschen wird immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Bei hochwertigen Bremsbelägen gibt es eine Zwischenschicht, die Geräusche isoliert und Vibrationen reduziert.
Vieles deutet jedoch darauf hin, dass es nicht mehr lange dauern wird, bis das Bremssystem viel weniger zu tun hat als heute. Die Entwicklung von Hybrid- und Elektroautos bedeutet, dass regenerative Bremssysteme eine zunehmend ernst zu nehmende Alternative zu Bremsen darstellen. Regenerative Systeme, die bis vor kurzem noch aus der Formel 1 bekannt waren, werden von Jahr zu Jahr beliebter. Die beim Bremsen erzeugte Energie wird nicht mehr in Wärme umgewandelt und geht unwiederbringlich verloren, sondern wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Energierückgewinnung kann natürlich nicht die klassischen Scheibenbremsen ersetzen und reicht auch nicht bei starken Bremsungen aus. Es kann jedoch den Verschleiß von Bremsscheiben und -belägen bei ruhiger, alltäglicher Fahrt leicht verringern. Wir werden bald herausfinden, ob die Vorhersagen der Experten richtig sind.