Der wirtschaftliche Druck auf das
Transportgewerbe innerhalb der EU nimmt seit Jahren mehr und
mehr zu. Um wettbewerbsfähig bleiben zu können, müssen deshalb
größere Nutzlasten bei höheren Laufleistungen und
Durchschnittsgeschwindigkeiten bewältigt werden (Bild 1). Die
Motorleistungen werden kontinuierlich erhöht. Hier stoßen auch
die Betriebsbremsen an ihre Grenzen. Ein physikalisches Gesetz
besagt bekanntlich, dass bei doppelter Geschwindigkeit ein
Vierfaches an kinetischer Energie beim Bremsen in Wärme
umgewandelt werden muss. Je länger der Bremsvorgang und je höher
die Geschwindigkeit und je schwerer das Fahrzeug, desto mehr
Wärme wird erzeugt. Bei längerem Einsatz erreichen
Reibungsbremsen Temperaturen von bis zu 1.000° C. Dadurch fällt
ihre Bremswirkung rapide ab, Risse können entstehen, Bremsbeläge
verschleißen. Die Folge: Die Sicherheit für Fahrer, Fahrzeug und
Ladung bliebe auf der Strecke.
Bild 1 (MAN) Der MAN TGA verwendet als
Dauerbremse einen Aquatarder.
Aus diesem Grunde sieht der Gesetzgeber
Dauerbremsen vor. Eine Dauerbremse ist bei nach
§ 41 StVZO für Busse über 5,5 t und Lkw über 9 t zulässiger
Gesamtmasse vorgeschrieben. Die Dauerbremse soll das voll
beladene Fahrzeug bei einem Gefälle von 7 % und 6 km Länge auf
einer Fahrgeschwindigkeit von 30 km/h halten können. Eine
Dauerbremse ist somit eine Einrichtung, die länger andauerndes
Bremsen ermöglicht, ohne in ihrer Bremsleistung nachzulassen.
Während eine normale Betriebsbremse nicht zum Dauerbetrieb
geeignet ist und bei längerem Betrieb zur Überhitzung und zum
Bremsversagen neigt (Fading), hat die Dauerbremse eine
unterstützende Funktion, um die Betriebsbremse zu entlasten.
Bei Dauerbremsen unterscheidet man zum
einen Motorstaubremsen mit Auspuffklappen und zum anderen
hydrodynamische und elektrodynamische Retarder.
Motorstaubremse
Die reine Motorbremse, also
das Wegnehmen des Gaspedals mit Zurückschalten, erreicht nicht
die gesetzlichen Vorgaben der StVZO. Bei der Motorstaubremse
wird die Auspuffleitung mittels Klappe durch ein fußbetätigtes
Magnetventil verschlossen. Gleichzeitig wird die Regelstange der
Einspritzpumpe in Stoppstellung gebracht. Diese Variante wird
bei Lkws und Bussen am häufigsten verwendet und erreicht eine
Bremsleistung von 14 - 20 kW je Liter Hubraum. Bei der Variante
mit Auspuffklappe und Konstantdrossel wird zusätzlich durch ein
Ventil die gezielte Dekompression des 2. und 3. Arbeitstaktes
zur Bremsleistung herangezogen. Die erreichbaren Bremsleistungen
liegen hier bei 30 - 40 kW je Liter Hubraum. Auf eine nähere
Beschreibung der Motorstaubremse wird in diesem Artikel
verzichtet. Es soll dafür auf den Retarder genauer eingegangen
werden.
Hydrodynamischer Retarder
Der Begriff Retarder stammt aus dem
Lateinischen und bedeutet soviel wie "zurückhalten". Es
werden hydrodynamische und elektrodynamische Retarder
unterschieden. Der hydrodynamische Retarder ist eine
verschleißfreie Fahrzeugbremse, die auch als Strömungsbremse
bezeichnet wird. Der Retarder arbeitet vom Prinzip mit einer
abgeänderten Flüssigkeitskupplung (Föttinger-Kupplung) auf
der Antriebswelle und wandelt dabei die mechanische Energie
der hydraulischen Flüssigkeit in thermische Energie um.
Moderne Retarder erreichen dabei ein Bremsmoment von 4.000
Nm. Als echte Dauerbremsen bieten sie auf anspruchsvollen
Gefällestrecken, auf Autobahnen und im städtischen
Stop-and-go-Verkehr enorme Sicherheitsreserven. Denn sie
bremsen nahezu verschleißfrei und bleiben auch auf langen
Gefällestrecken immer voll einsetzbar. Mit bis zu 700 kW
liefern Retarder bei hohen Geschwindigkeiten eine enorm hohe
Bremsleistung. Mit ihrem hohen Bremsmoment bei geringem
Aggregatgewicht setzen sie in kurzer Zeit große
Energiemengen wirkungsvoll um. Und weil der Retarder über
eine eigene Ölversorgung verfügt, kann das Betriebsmedium Öl
bis in höchste zulässige Betriebstemperaturbereiche
beansprucht werden.
Ein Retarder ergänzt
sich ideal mit der Motorbremse, denn ihre Bremswirkungen
addieren sich. So verfügt man sowohl bei niedrigen als auch bei
hohen Geschwindigkeiten über die optimale Bremswirkung. Übrigens
lassen sich mit den leistungsstarken Dauerbremsen bis zu 90%
aller Bremsungen durchführen, was die herkömmliche Bremse
schont.
Funktionsprinzip Hydrodynamischer Retarder
Beim hydrodynamischen Retarder stehen
sich zwei Schaufelräder einander gegenüber. Der bewegliche Rotor
ist über die Retarderantriebswelle mit der Gelenkwelle des
Fahrzeugs verbunden, der feststehende Stator mit dem
Retardergehäuse. Im Bremsbetrieb, sprich bei Retarderbetätigung,
wird Öl in den Arbeitsraum zwischen den Schaufelrädern gedrückt.
Der Rotor muss die Flüssigkeit in seine Drehbewegung einbeziehen
und diese beschleunigen. Das Öl wird durch die Zentrifugalkraft
nach außen gedrückt und durch die Form der Rotorschaufeln in den
Stator übergeleitet (Bild 2).
Bild 2 (Voith) Die Flüssigkeit wird im Rotor
beschleunigt, im Stator wieder abgebremst und umgelenkt wieder
dem Rotor zugeführt. Durch Es entsteht ein Bremsmoment, das auch
das Fahrzeug abbremst.
Da sich der Stator nicht bewegt, wird das
Öl wieder abgebremst. Im Stator wird die Flüssigkeit umgelenkt
und im Innendurchmesser des Arbeitsraums wieder dem Rotor
zugeführt. Durch die Umströmung der Rotorschaufeln entsteht ein
Drehmoment, das der Bewegungsrichtung des Rotors entgegenwirkt.
Durch die Verzögerung im Rotor wird somit auch das Fahrzeug
abgebremst. Wie allen Bremsen gemein, wird durch die Reibung die
Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt.
Die zum Beschleunigen der Flüssigkeit
erforderliche Energie wird der Bewegungsenergie des Fahrzeugs
entnommen und wirkt dadurch bremsend. Die anfallende
Strömungsenergie wird in Wärme umgewandelt. Die Bremswärme wird
über die Fahrzeugkühlanlage schnell und wirkungsvoll abgeführt
(Bild 3).
Bild 3 (Voith) Beim Bremsen wird kinetische
Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Bremswärme wird über
die Fahrzeugkühlanlage schnell und wirkungsvoll abgeführt
Die Betätigung des Retarders erfolgt
automatisch über das Fußbremspedal oder alternativ über den
Bremstempomathebel am Lenkrad. Die Ansteuerung des Retarders
geschieht grundsätzlich über eine Druckluftsteuerung. Zum
Aktivieren wird der Retarder mit Öl aus einem Vorratsbehälter
geflutet, welches bei Druckabbau durch die Schaufelräder
selbsttätig wieder zurückgepumpt wird. Bei den heutigen
Fahrzeuggenerationen ist der Retarder üblicherweise in das
Bremsenmanagement des Fahrzeugs integriert und wird über den
Fahrzeugrechner in Abhängigkeit von der Fahr- und
Betriebssituation aktiviert.
Der Retarder wurde von der Voith AG in
Heidenheim an der Brenz entwickelt und 1968 erstmals in Bussen
eingesetzt. Heute werden Retarder als integraler Bestandteil von
Bremssystemen über die Fahrzeugelektronik in das
Bremsenmanagement des Fahrzeugs integriert. So kann
beispielsweise die Geschwindigkeit bei Bergabfahrt mit Hilfe des
Retarders konstant auf die vom Fahrer gewählte
Fahrgeschwindigkeit gehalten werden. Bei einer Dauerbremsung im
Gefälle unterstützt der Kraftfahrer die Bremswirkung durch
Herunterschalten und nützt dadurch die Leistungsfähigkeit des
Retarders voll aus. Grundsätzlich können fünf verschiedene
Bremsstufen angewählt werden, um die Geschwindigkeit an das
Gefälle anzupassen. Wird das Fahrzeug trotzdem schneller, muss
zusätzlich die Betriebsbremse betätigt werden. Bei unsicheren
Fahrbahnverhältnissen (Schnee/Eis/starke Regenfälle) muss der
Retarder vorsichtig und stufenweise eingesteuert werden. Bei
Fahrzeugen mit zusätzlichem Retarder-Hauptschalter muss dieser
ausgeschaltet werden. Bei ABS-Funktion wird der Retarder
abgeschaltet. Nach Beendigung des ABS-Regelvorgangs ist der
Retarder wieder wirksam.
Retarderarten
Es gibt beim Retarder
wie so häufig in der Kraftfahrzeugtechnik eine begriffliche
Vielfalt, die hier auch etwas gelichtet werden soll. Man liest
von Inline- und Offline-Retardern, von Primär- und
Sekundär-Retardern sowie von Pritardern, Intardern Aquatardern
und Magnetardern. Sowohl Offline- als auch Inline-Retarder
gehören zu den Sekundär-Retardern. Sie werden so bezeichnet, da
sie nach dem Getriebe angeordnet sind. Retarder die zwischen
Motor und Getriebe angebracht werden, nennt man dagegen
Primär-Retarder.
Inline-Retarder
Voith Inline-Retarder (Bild 4) werden
direkt an das Getriebe angebaut oder frei in den Antriebsstrang
eingebaut und sind mit der Gelenkwelle des Fahrzeugs verbunden
(Bilder 5a und b). Das Arbeitsmedium ist Öl, das aus einer
eigenen Ölversorgung kommt, als Steuermedium wird Druckluft
verwendet. Sie sind ideal für die Nachrüstung geeignet. Die
Gelenkwelle muss auf die geänderte Länge angepasst werden.
Bild 4 (Voith) Der Voith Inline-Retarder VR
133-2 ist für den Einsatz bei schweren Nutzfahrzeugen vorgesehen
1 Anschluss für Gelenkwellenflansch 2 Wärmetauscher 3
Kühlwasseraustritt 4 Temperatursensor (wasserseitig) 5
Temperatursensor (ölseitig) 6 Proportionalventil
Bild 5 a und b (Voith) Inline-Retarder
werden direkt an das Getriebe angebaut oder frei in den
Antriebsstrang eingebaut und sind mit der Gelenkwelle des
Fahrzeugs verbunden
Offline-Retarder
Im Gegensatz dazu
werden Offline-Retarder (Bild 6) „parallel“ am Getriebe angebaut
(Bild 7). Bei diesen Hochtriebsretardern wird die Drehzahl
gegenüber der Gelenkwellendrehzahl je nach Zahnradübersetzung
erhöht. Sie sind äußerst kompakt und haben bereits bei kleiner
Fahrgeschwindigkeit eine enorm hohe Bremswirkung. Arbeits- und
Steuermedium sind wie beim Inline-Retarder Öl und Druckluft. Die
Ölversorgung ist wie bei allen Voith Retardern vom Getriebe
unabhängig. Die Gelenkwelle kann hingegen unverändert bleiben.
Beim Offline-Retarder sind die Nebenantriebe frei zugänglich.
Bild 6 (Voith) Der Voith Offline Retarder VR
3250 wird bei Volvo eingesetzt.
Bild 7 (Voith) Schema Offline
Offline-Retarder werden „parallel“ am Getriebe angebaut Die
Drehzahl wird erhöht. Die Nebenantriebe frei zugänglich.
Der Intarder von ZF
ZF integrierte den Retarder in ein
Getriebe zum ersten Mal 1992 und nennt diesen Intarder (Bild 8).
Der Intarder von ZF arbeitet nach dem gleichen hydrodynamischen
Prinzip wie ein Retarder, nur dass der im Getriebe integrierte
Retarder seine Bremskraft direkt am Getriebeabtrieb entfaltet.
Die Bremsung erfolgt unabhängig von der Motordrehzahl. Es gibt
auch keine Bremskraftunterbrechung während des Kuppelns und
Schaltens. Der Rotor ist über eine Hochtreiberstufe an die
Abtriebswelle des Getriebes gekoppelt. Er wird von der Stufe mit
der doppelten Drehzahl des Getriebeabtriebs angetrieben. Eine
Hydraulikpumpe versorgt den Intarder mit der erforderlichen
Ölmenge aus dem gemeinsamen Ölhaushalt mit dem Getriebe. Der
Mitbewerber Voith bietet ebenfalls eine Getriebe-Retarder in
Mercedes Nutzfahrzeugen an, der jedoch über einen getrennten
Ölhaushalt verfügt.
Bild 8 (ZF) Intarder
Der Intarder wird entweder mit einem
elektrischen Bremsstufenschalter oder gekoppelt an die
Betriebsbremse aktiviert. Die Steuerung erfolgt über ein
elektronisches Steuergerät, das die verschiedenen Signale
(Drehzahlen, Temperaturen) empfängt und verarbeitet. Aufgrund
des Signals vom Steuergerät wird ein Proportional-Magnetventil
angesteuert, das das Schaltventil betätigt Durch eine exakt
steuerbare Ölmenge kann ein gewünschtes Bremsmoment für so
genannte Anpassungsbremsungen gewählt werden.
Während einer Bremsung läuft das Öl auf
kurzem Wege zwischen Intarder und Wärmetauscher um. Um den Motor
vor Überhitzung zu schützen, verfügt der Intarder über eine
Leistungsbegrenzung. Abhängig von der aktuell gemessenen
Kühlmitteltemperatur wird die Bremsleistung automatisch der
verfügbaren Kühlkapazität des Motor-Wärmetauschers angepasst.
Ist der Intarder ausgeschaltet, wird mit der Hydraulikpumpe das
Öl aus dem Getriebe direkt durch den Intarder-Wärmetauscher
geführt. Dadurch werden Temperaturspitzen im Getriebe vermieden
und im Mittel eine deutlich niedrigere Öltemperatur erreicht.
Dies führt insgesamt zu einer geringeren Ölalterung.
Die jüngste Version
der ZF-Getriebebremse erzielt eine um 25 Prozent höhere
Bremswirkung, wiegt aber weniger und arbeitet leiser als der
Vorgänger. Der Intarder lässt sich mit wesentlich vereinfachten
Anschlüssen an manuelle (ZF-Ecosplit-Getriebe) oder automatische
Getriebesysteme (AS Tronic) anbauen und optimal in das
Fahrzeug-Bremsenmanagement - so auch an die Tempomat-Funktion -
integrieren.
Videoanimation Intarder Funktion
Kühlen und Bremsen mit einem Kreislauf -
Voith Aquatarder
Der Voith Aquatarder (Bild 9) ist der
weltweit erste Wasserretarder für Nutzfahrzeuge. 2004 wurde
erstmals der Voith Aquatarder WR 190 speziell für MAN
eingesetzt. Die Besonderheit des Voith Aquatarders besteht
darin, dass das Betriebsmedium nicht Öl, sondern direkt das
Wasser-Glykol-Gemisch, kurz: das Kühlwasser, des Motors ist. Der
Aquatarder ist unmittelbar in das Kühlsystem eingebunden ohne
zusätzlichen Wärmeaustauscher. Der Voith Aquatarder ist am
Motorfrontend des MAN angebaut und direkt mit der Kurbelwelle
des Motors verbunden. Er gehört damit zu der Klasse der
Primär-Retarder (PriTarder). Das Aggregat besitzt wie bei
Retardern üblich 2 Schaufelräder (Rotor und Stator) in einem
Retardergehäuse und ein Steuerventil.
Bild 9 (Voith) Die Besonderheit des Voith
Aquatarders besteht darin, dass das Betriebsmedium nicht Öl,
sondern direkt das Kühlwasser, des Motors ist.
Wie alle Voith Retarder arbeitet auch der
Aquatarder nach dem hydrodynamischen Prinzip. Hierbei wird das
Betriebsmedium „Kühlwasser“ in den Arbeitskreislauf durch den
von der Kurbelwelle des Motors angetriebenen Rotor beschleunigt
und im Stator wieder verzögert, entsprechend dem Füllungsgrad
zwischen Rotor und Stator wird das Bremsmoment aufgebaut. Das
Bremsmoment wirkt über den Rotor und die Kurbelwelle auf den
Antriebstrang des Fahrzeugs, das somit abgebremst wird. Die
dabei anfallende kinetische Energie wird im hydrodynamischen
Arbeitsraum des Retarders ausschließlich in Wärmeenergie
umgewandelt und direkt vom Kühlwasser aufgenommen. Das erwärmte
Kühlwasser wird über die Fahrzeugkühlanlage wieder gekühlt.
Bild 10 (Voith) Aquatarder ausgeschaltet -
Das Steuerschema zeigt, dass im Traktionsbetrieb der durch die
Wasserpumpe erzeugte Volumenstrom am Aquatarderkreislauf vorbei,
direkt zum Motor geführt wird.
Das in Bild 10 dargestellte Steuerschema
zeigt, dass im Traktionsbetrieb der durch die Wasserpumpe
erzeugte Volumenstrom am Aquatarderkreislauf vorbei, direkt zum
Motor geführt wird. Gemäß Bild 11 schaltet jeder Bremsbefehl das
Einschaltventil, so dass der Volumenstrom der Wasserpumpe zu
100% in den Retarderkreislauf geführt wird. Von dort ab
übernimmt der Retarder die Weiterförderung, da er selbst wie
eine Pumpe wirkt. Damit mit dieser Pumpleistung die gewünschte
Bremsleistung erbracht wird, muss der Retarder gegen einen hohen
Auslasswiderstand arbeiten. Diese Drosselstelle ist ein am
Aquatarderaustritt angebrachtes pneumatisch angesteuertes
Auslassregelventil, das der stufenlosen Regelung des
Bremsmomentes dient. Beim Ausschalten des Retarders werden die
beiden Ventile entlüftet und über Federkraft wieder in Ihre
Ausgangslage zurückgestellt. Folglich lässt das Einschaltventil
das Kühlwasser wieder am Retarder vorbeiströmen, während sich
dieser gegen die Schließkraft des Auslassregelventils entleert.
Bild 11 (Voith) Aquatarder ein - Jeder
Bremsbefehl schaltet das Einschaltventil, so dass der
Volumenstrom der Wasserpumpe zu 100% in den Retarderkreislauf
geführt wird. Von dort ab übernimmt der Retarder die
Weiterförderung, da er selbst wie eine Pumpe wirkt.
Der Aquatarder ist motordrehzahlabhängig und
hat ein maximales Bremsmoment von bis zu 1450 Nm. Mit einem
Gewicht von nur ca. 32 kg und ca. 300 kW maximaler Bremsleistung
ist er eine Hochleistungskomponente für ein verschleiß- und
wartungsfreies Nutzfahrzeugbremssystem. Der Voith Aquatarder
bildet zusammen mit der geregelten Motorbremse EVBec von MAN das
sogenannte PriTarder-Bremssystem und verfügt über eine
Bremsleistung von bis zu 600 kW, die nahezu konstant im
Geschwindigkeitsbereich von 10 bis 90 km/h zur Verfügung steht.
Das Bremsmoment ist mit ca. 2.400 Nm bei 2.500 min-1 an der
Kurbelwelle nicht so hoch wie beim Sekundär-Retarder, die
Bremswirkung bei mittlerer und niedriger Geschwindigkeit ist
allerdings besser. Der MAN PriTarder bietet sich deshalb
besonders bei Fahrzeugen im Verteiler- oder Baustellenbetrieb
an, da dort nur niedrige bzw. mittlere Geschwindigkeiten
gefahren werden. Die Anschaffungskosten gegenüber
Sekundär-Retardern sind geringer.
