Bremsen und Retarder: Wenn Sie anhalten müssen

Das Bremssystem eines Sammelwagens wird jede Woche unter schwierigsten Bedingungen und Umständen stark beansprucht. Der Lkw muss normale Bremsfunktionen aufrechterhalten, und das unter Verkehrsbedingungen, die von der Autobahn über den dichten Stadtverkehr bis hin zum wiederholten Stop-and-Go auf der Sammelroute reichen. Mit jedem Stopp erhöht sich das Gewicht des LKWs, bis er seine Nutzlast erreicht – mit der Erwartung, dass die Bremseigenschaften des LKWs von leer bis voll ziemlich gleich bleiben. Hinzu kommt die Notwendigkeit, unerwartete Panikstopps für den Autofahrer zu machen, der plötzlich vor dem Lkw abbiegt, oder für das Kind auf einem Dreirad, das ungesehen zwischen zwei geparkten Autos hervorlugt, um den „großen Lkw“ zu sehen, und man braucht ein System, das ausfallsicher ist.

Zusammengefasst funktionieren Brems- und Retardersysteme nach dem Konzept, einem sich bewegenden Bauteil, entweder an einem sich drehenden Rad oder einer sich drehenden Welle, einen selektiven Widerstand in Form einer Reibungskraft zu bieten, die gleich und entgegengesetzt zur Bewegung ist, bis das Objekt anhält. Als Ergebnis der Bremsfunktion wird die im sich bewegenden Objekt enthaltene Energie in Wärme umgewandelt, die anschließend in die Atmosphäre abgeleitet wird. Bremssysteme sind in erster Linie mechanischer Natur, während Retardersysteme entweder durch den Widerstand einer Flüssigkeit oder durch elektromagnetische Kräfte arbeiten. Retarder werden verwendet, um das Hauptbremssystem zu ergänzen, indem sie den Kraftaufwand reduzieren, den das primäre Bremssystem aufbringen muss, um ein Fahrzeug zum Stillstand zu bringen.

Eine Einführung in die Bremssysteme

Bei einem Müllfahrzeug besteht das Bremssystem aus zwei Untersystemen: der Betriebsbremse, die so konzipiert ist, dass sie über das Fußpedal bedient und während des normalen Betriebs des Fahrzeugs betätigt wird, und der Feststellbremse, die ein mechanisches System ist, das die Bremsen hält, wenn das Fahrzeug geparkt und der Motor ausgeschaltet ist. In Situationen, in denen der Fahrer wiederholt aus dem Fahrzeug aussteigen muss, während das Fahrzeug geparkt ist, kann ein Arbeitsbremssystem, das die Eigenschaften der Betriebsbremse und der Feststellbremse kombiniert, verwendet werden, ohne dass ein erheblicher Verschleiß an der federbetätigten Feststellbremse auftritt.

Bremssysteme arbeiten entweder mit Hydraulikflüssigkeit oder Luft. Während beide Systeme in verschiedenen Fahrzeugen Anwendung finden, werden die primären Bremssysteme in Müllsammelfahrzeugen mit Luft betrieben. Dies erfordert einen Kompressor zur Erzeugung von Luft mit dem richtigen Druck und einen Speicherbehälter für die Druckluft. Die Luft wird dann aufbereitet, um Feuchtigkeit zu entfernen, die die Wirksamkeit der Bremssysteme beeinträchtigen kann. Das Bremssystem ist oft in Schaltkreise unterteilt, die so ausgelegt sind, dass sie eine Redundanz für das System darstellen. Diese Redundanz soll es dem Fahrzeug ermöglichen, im Falle eines Kreislaufausfalls mehr als 50 % seiner Bremsfunktion beizubehalten. Jeder Kreislauf verfügt über ein entsprechendes Ventilsystem, das die Luft auf die Fundamentbremsen an jeder Radbaugruppe verteilt.

Die Druckluftbremssysteme sind die dominierende Plattform aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und der geringeren Wartungskosten. „Ein Druckluftbremssystem ist ein fehlerverzeihendes System“, erklärt Ron Bailey, technischer Verkaufsleiter für Bendix Spicer Foundation Brake LLC in Elyria, OH. „Sie können ein Druckluftbremssystem mit einer gewissen Leckage im System betreiben und Sie verlieren die Bremsanlage nicht. Ich meine, sowohl Luft- als auch Hydrauliksysteme haben eine Redundanz, d.h. wenn man einen Teil des Systems verliert, funktioniert die andere Hälfte des Systems. Ein Druckluftsystem kann jedoch auch mit einer kleinen Leckage im System funktionieren, während das bei einem Hydrauliksystem nicht möglich ist. Wenn man ein Leck in einem hydraulischen System hat, ist ein Teil des Systems verloren.“

Bremskomponenten für Sammelfahrzeuge müssen robust sein, um die schweren Fahrzeuge auf ihren täglichen Runden zu stoppen. Im Uhrzeigersinn von oben links sind eine Druckluft-Scheibenbremse, ein Ventilaktuator, der die Luft von den Feststellbremsen nutzt, um das Fußpedal während der Inspektionen betätigt zu halten, und ein Kompressor, der als Energiequelle genutzt wird, um die Luft für das Druckluft-Bremssystem zu laden. Rechts: Ein Techniker arbeitet an einer Druckluft-Scheibenbremse.

Fundamentbremsen können entweder aus Scheiben- oder Trommelbremsen bestehen. Die meisten Bremssysteme an Müllsammelfahrzeugen sind S-Nocken-Trommelbremsen, die aus einer Bremskammer und einem Gestängesteller bestehen, der einen S-förmigen Nocken dreht, der die Backen gegen die Trommel drückt, um die Bremskraft zu erzeugen. Scheibenbremsen verwenden einen Bremssattel, der den Druck über die Beläge auf einen Rotor ausübt. Trommelbremsen drücken nach außen gegen die Trommeloberfläche, die sich parallel zur Fahrbahnoberfläche bewegt, während Scheibenbremsen Druck auf eine Scheibe ausüben, die sich senkrecht zur Fahrbahnoberfläche dreht.

Bei den beiden Systemen gibt es laut Bailey einige markante Unterschiede. „Weniger als 2 % der schweren Fahrzeuge in den Staaten haben Druckluft-Scheibenbremsen“, sagt er. „Ich denke, der Hauptgrund dafür ist die Wirtschaftlichkeit. Scheibenbremsen sind im Allgemeinen in der Anschaffung teurer, aber wir glauben, dass es Zahlungen über die Lebensdauer gibt, die das reduzieren und es zu einer vernünftigeren Möglichkeit für Druckluft-Scheibenbremsen durch längere Lebensdauer der Beläge und einfachere Wartung machen. Im Vergleich dazu haben Trommelbremsen eine Reihe von Eigenschaften, die Scheibenbremsen nicht haben. Nummer eins ist die Stabilität. Es kann bis zu 30% Abweichung von rechts nach links geben. Scheibenbremsen haben von Natur aus viel mehr Stabilität – wahrscheinlich weniger als 10 % Abweichung von Bremse zu Bremse. Der andere Vorteil von Scheibenbremsen gegenüber Trommelbremsen ist das sogenannte Bremsfading, also der Verlust der Bremswirkung. Bei erhöhter Temperatur haben Trommelbremsen sicherlich Wirkungsgradverluste, wenn die Bremsen heiß werden. Bei einer Trommelbremse kann das Fading zwischen 30 % und 40 % liegen, wenn sie von einer kalten zu einer heißen Situation wechselt. Bei Scheibenbremsen beträgt die Schwankung zwischen kalt und heiß wahrscheinlich weniger als 10 %. Die Müllabfuhr gilt als Hochleistungs-Heißbremsbetrieb. Wir haben bei Mülltransporten bis zu 60 Stopps pro Meile gesehen. Wenn die Trommelbremsen heiß werden, lassen sie nach, die Bremswirkung lässt nach und der Belagverschleiß nimmt mit steigender Temperatur zu. Scheibenbremsen reagieren viel unempfindlicher auf diese Bedingungen und bieten eine Verbesserung des Belagverschleißes und eine viel schnellere Servicezeit, wenn die Beläge ausgetauscht werden müssen.“

Die Entscheidung, welche Art von Bremssystem (Scheibe oder Trommel) für eine bestimmte Anwendung geeignet ist, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, sagt John Hall, Vice President of Product Engineering bei Webb Wheel Products in Cullman, AL. Einige dieser Faktoren sind die Einschaltdauer, die Fahrgewohnheiten, die Art der Ladung, das Gewicht und die Kosten.

Heute sind die Kosten für eine Druckluft-Scheibenbremse wesentlich höher als für eine Trommelbremse. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Komponenten einer Trommelbremse in viel größerer Stückzahl hergestellt werden als die Komponenten einer Druckluftscheibenbremse. Die Kosten der Komponenten sind extrem volumenabhängig. Wenn das Volumen der Komponenten für die Druckluft-Scheibenbremse zunimmt, wird der Unterschied zwischen den Kosten einer Druckluft-Scheibenbremse und denen einer Trommelbremse kleiner.

Die Lebensdauer von Ersatz-Bremstrommeln kann erhöht werden, indem die übliche Praxis des „Abrichtens“ einer neuen Bremstrommel vor der Inbetriebnahme nicht eingehalten wird. Heute bearbeiten die meisten Trommelhersteller die Trommel in einer Aufspannung. Dadurch kann der Rundlauf zwischen dem Bremsflächendurchmesser und dem Pilotdurchmesser minimiert werden. Die Praxis, eine Bremstrommel weiter zu bearbeiten, reduziert die Lebensdauer einer neuen Trommel, indem der Bremsflächendurchmesser vergrößert wird. Außerdem vergrößert diese Praxis in der Regel den Rundlauf des Bremsflächendurchmessers im Verhältnis zum Pilotdurchmesser, was zur Bildung von Wärmerissen auf der Bremsfläche beitragen kann. Dies kann letztendlich die Lebensdauer der Trommel verringern.

Die Verwendung von belüfteten Trommeln zusammen mit Bremsturbinen kann die Betriebstemperatur von Bremstrommeln im harten Einsatz reduzieren. Niedrigere Betriebstemperaturen korrelieren mit einer längeren Lebensdauer der Trommeln.

Durch die Ergänzung des Systems mit einer Arbeitsbremse kann das Bremssystem effizienter genutzt werden, sagt Chuck Eberling, Senior Staff Engineer bei Bendix Commercial Vehicle Systems. „Einer der größten Feinde eines Bremssystems an einem Müllfahrzeug ist die Betätigung der Feststellbremse bei Routinestopps von Haus zu Haus“, stellt er fest. „Durch Studien mit der Industrie haben wir gelernt, dass es für die Ladesysteme, die typischerweise an diesen Fahrzeugen verwendet werden, buchstäblich unmöglich ist, mit einer Route mit 800 bis 1.200 Stopps Schritt zu halten, bei der der Fahrer tatsächlich bei jedem Stopp die Feststellbremse betätigt. Es ist sehr wichtig, dass er eine so genannte Arbeitsbremse hat, die tatsächlich die Betriebsbremse einsetzt. Dadurch wird der Luftverbrauch um das Dreifache reduziert und damit die Möglichkeit geschaffen, dass das Ladesystem mit dem Bedarf Schritt halten kann. Wenn das Aufladesystem nicht mit dem Bedarf Schritt halten kann, wird das ganze System gesättigt und es gibt Probleme mit interner Korrosion, Einfrieren und dergleichen.“

Retarder unterstützen das Bremsen

Jeder, der schon einmal an einer bergab führenden Autobahnausfahrt gestanden hat, als ein schwerer Lkw langsamer wurde, hat das vertraute brummende Heulen eines Motor-Retarder-Systems gehört. In Verbindung mit Antriebsstrang- und Getrieberetardern sollen sie das vorhandene Bremssystem unterstützen, indem sie die vom Antriebsstrang des Fahrzeugs erzeugte Energie in ein Bremssystem umwandeln.

Wenn die Drosselklappe eines Sammel-LKWs niedergedrückt wird, beschleunigt der Motor, da Kraftstoff durch die Zylinder gedrückt und gezündet wird, wodurch Arbeit entsteht. Wenn die Drosselklappe losgelassen wird, trudelt der Motor aus. Ein Motorretarder fängt die Abgase des Motors auf und komprimiert sie, so dass der Motor härter arbeiten muss, um das Gas aus den Zylindern zu drücken, und er bremst daher den Motor durch Widerstand ab. Dadurch wird das Fahrzeug langsamer und benötigt weniger Bremskraft an den Betriebsbremsen, um das Fahrzeug zum Stillstand zu bringen.

Getriebe-Retarder erfüllen eine ähnliche Funktion, indem sie die Rotationskräfte des Antriebsstrangs verlangsamen, indem sie einen Widerstand im Getriebe erzeugen. Steve Spurlin, Chefingenieur bei Allison Transmissions in Indianapolis, IN, beschreibt, wie das System funktioniert: „Der Retarder besteht aus einem mit Flügeln versehenen rotierenden Element, dem Rotor. Auf beiden Seiten des Rotors befinden sich schaufelförmige Elemente, die sich nicht drehen und Statoren genannt werden. Der Hohlraum zwischen dem Rotor und den Statoren wird mit Öl unter Druck gesetzt. Der Rotor ist mit der Ausgangswelle des Getriebes verzahnt. Das unter Druck stehende Öl, das zwischen dem Rotor und dem Stator arbeitet, bremst das Fahrzeug ab, wenn der Fahrer eine Verzögerung anfordert. Der Retarder pumpt bis zu 60 Gallonen Öl pro Minute und bezieht es aus der normalen Getriebeölversorgung.“

Antriebsstrangretarder werden zwischen dem Getriebe und dem hinteren Ende des Staplers installiert und nutzen elektromagnetische Energie, um der Energie im rotierenden Antriebsstrang entgegenzuwirken, ähnlich wie ein Elektromotor. „Auf dem Müllmarkt werden sie in erster Linie zur Verlängerung der Lebensdauer der Bremsen gekauft“, sagt Joe Gawlik, regionaler Verkaufsleiter der Telma Inc. aus Elk Grove Village, IL, einer Tochtergesellschaft der Valeo-Gruppe. „In Anbetracht der vielen Bremsarbeiten, die im Müllmarkt durchgeführt werden, spart es die Lebensdauer der Bremsen und die damit verbundenen Kosten sowie die Lebensdauer der Reifen. zwei Rotoren, die am Antriebsstrang befestigt sind und sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Antriebsstrang drehen. Der Stator ist mit der Rahmenschiene verschraubt und steht still. Wenn der Retarder aktiviert wird, wird durch Wirbelströme ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das die Drehung der Rotoren verlangsamt, was bedeutet, dass der Lkw verlangsamt wird, ohne die Bremsen zu benutzen. Laut John Gillespie, Geschäftsführer von Telma, „ist keine andere Zusatzbremstechnologie so gut für die Müllindustrie geeignet wie die elektromagnetische. Wir haben mit dieser Technologie eine fünffache Verlängerung der Lebensdauer der Bremsen und eine Verringerung der hitzebedingten Reifenausfälle festgestellt.“

Zwei Gründe sprechen laut Spurlin für jede Art von Retardersystem an einem Sammelfahrzeug. „Einer davon ist die Geschwindigkeitskontrolle an Steigungen, wofür ein Müllsammelfahrzeug eigentlich nicht geeignet ist“, sagt er. „Der zweite Zweck besteht darin, das Fahrzeug zusätzlich abzubremsen, um die normalen Betriebsbremsen zu schonen und so die Lebensdauer der Bremsen zu verlängern. Der Hauptnutzen liegt in einem Beruf mit hohem Stopp-/Startaufkommen wie bei einem Müllwagen. Bei der normalen Hausmüllabfuhr, egal ob es sich um einen Seitenlader, Hecklader oder sogar einen Frontlader handelt, werden Sie bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht viel Nutzen aus einem Retarder ziehen, da Sie mit niedrigen Geschwindigkeiten fahren. Die Bremsenergie, die Sie in die Betriebsbremsen stecken, ist sehr gering, weil die Geschwindigkeit niedrig ist. Aber jeder dieser LKWs fährt aus der Nachbarschaft heraus. Sie fahren im normalen Verkehr und in den meisten Fällen fahren sie mehrmals am Tag mit hoher Geschwindigkeit auf der Autobahn zu Mülldeponien oder Umladestationen. Sie würden von dem Retarder in Bezug auf Bremseneinsparungen profitieren, da sie jetzt mit höheren Geschwindigkeiten fahren und mehr Bremsenergie in die Betriebsbremsen geht. Wenn der Retarder diese Energie im Vergleich zu den Betriebsbremsen absorbieren kann, dann verlängert das die Lebensdauer der Bremsen.“

Die Aktivierung von Retarder-Systemen kann je nach den Bedürfnissen des Betriebs eingestellt werden. „Die Fahrer und die Unternehmen haben die Wahl, wie sie das System einrichten wollen“, sagt Gawlik. „Die meisten Geräte, die auf dem Müllmarkt eingesetzt werden, sind mit Fußsteuerung, d. h. sobald der Fahrer die Bremse betätigt, wird der Retarder in vier verschiedenen Stufen mit 25 % für jede Stufe aktiviert. Die Aktivierung erfolgt über einen Luftdruckschalter und wird bei 3, 5, 7 und 10 Pfund Luft in den Bremsleitungen aktiviert. Das ist die beliebteste Option auf dem Müllmarkt. Es gibt jedoch auch andere Optionen, wie z. B. die Off-Throttle-Steuerung. Einige Müllfirmen wählen diese Option, bei der ca. 25 % oder 50 % der Leistung aktiviert werden, sobald das Gaspedal losgelassen wird, wobei die zusätzlichen Stufen über das Bremspedal aktiviert werden.

Zukunftssysteme

Zurzeit müssen alle Bremssysteme die Anforderungen der National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) erfüllen oder übertreffen, um ein Fahrzeug der Klasse 8 aus 60 Meilen pro Stunde in 355 Fuß zum Stillstand zu bringen. Die NHTSA verfolgt derzeit ein neunstufiges Programm, um die Zahl der Todesopfer im Zusammenhang mit schweren Nutzfahrzeugen bis zum Jahr 2010 um 50 % zu reduzieren. „Eine der wichtigsten Maßnahmen ist die Reduzierung des erforderlichen Bremswegs von derzeit 355 auf 248 Fuß“, sagt Bailey. „Trommelbremsen können dieses Niveau vielleicht erreichen, aber hier kommt der Effektivitätsfaktor ins Spiel, wenn man anfängt, viel größere Trommelbremsen an den Vorderachsen einzusetzen. Scheibenbremsen können das bewältigen. Wir haben Informationen, die zeigen, dass der Anhalteweg eines typischen Traktors mit Scheibenbremsen bis zu 185 bis 215 Fuß beträgt.“

Da die Aktivierung von Bremssystemen zu Stabilitäts- und Fahrverhaltensproblemen führen kann, insbesondere bei schlechtem Wetter oder bei Panikeinsätzen, werden zukünftige Systeme Funktionen wie Stabilitätskontrollen und fortschrittlichere automatische Bremssysteme enthalten. „Die fortschrittlichen Systeme, über die wir hier sprechen, sind eigentlich diejenigen, die man eher in einem vollelektronischen Bremssystem finden würde, das in Europa ziemlich verbreitet ist“, sagt Eberling. „Aufgrund des fehlenden kürzeren Bremswegs und der Kosten, die mit einem vollelektronischen Bremssystem mit der gesetzlich vorgeschriebenen pneumatischen Redundanz verbunden sind, haben wir die fortschrittlichen Funktionen eines vollelektronischen Bremssystems in die aktuelle Antiblockiersystem-Plattform integriert. Wir denken, dass unser System mit diesen fortschrittlichen Konzepten der Wankstabilität und der verbesserten elektronischen Stabilität so weit ist, dass ein vollelektronisches Bremssystem keinen wirklichen Wert mehr hat.“