Fahrphysik für Einsatzfahrer: Bremsen, Reibung und Kurven

Grundlagen: Masse, Kraft, Geschwindigkeit

• Masse: Ein Pkw wiegt etwa 1,5 t, ein HLF 20 etwa 15,5 t. 1 kg Masse entspricht etwa 10 N Gewichtskraft.
• Geschwindigkeit: v = s : t. Umrechnung: 1 m/s sind 3,6 km/h.
• Leistung setzt sich aus Kraft mal Geschwindigkeit zusammen. 1 PS sind 0,735 kW. Ein beladenes Fahrzeug braucht am Berg mehr Leistung als ein leeres.
• Fahrwiderstände, die der Motor überwinden muss: Rollwiderstand, Steigungswiderstand, Beschleunigungswiderstand und Luftwiderstand.
• Rollwiderstand entsteht durch Verformung von Reifen und Fahrbahn. Er ist auf Asphalt klein und auf Schotter, Erdweg und Acker deutlich größer. Zu niedriger Reifendruck erhöht ihn.
• Steigungswiderstand: je steiler und schwerer, desto größer. 100 % Steigung sind 45°. Beispiel: 25 m Höhe auf 200 m Strecke sind 12,5 %.
• Beschleunigungswiderstand: folgt aus der Massenträgheit. Ein beladenes Fahrzeug beschleunigt langsamer.
• Luftwiderstand: wächst überproportional mit dem Tempo. Beispiel: bei 60 km/h etwa 20 kW, bei doppeltem Tempo etwa 110 kW.

Reibung, Kraftschluss und Schlupf

• Kraftschluss nennt man Kraftübertragung durch Haft- und Reibungskräfte, zum Beispiel am Reifen auf der Fahrbahn. Ohne Kraftschluss gibt es kein Beschleunigen, Lenken oder Bremsen. Formschluss ist dagegen eine feste Verbindung wie bei Zahnrädern oder der Anhängerkupplung.
• Reibbeiwert µ: Maß für die Haftung. Übertragbare Kraft = µ mal Radlast. Beispiel: Radlast 10 kN, µ = 0,5 ergibt 5 kN.
• Schwerer heißt nicht besser bremsen: Mehr Gewicht überträgt mehr Bremskraft, muss aber auch mehr Masse bremsen.
• Typische Werte (grob): trocken auf Beton etwa 0,9, Makadam 0,8, Asphalt 0,7, Kopfsteinpflaster 0,6, Erdweg 0,5. Nass etwa 0,3 bis 0,6. Schnee etwa 0,2, Eis etwa 0,1.
• Neue Fahrbahn: In den ersten 4 bis 8 Wochen schwitzen Bindemittel aus, das mindert die Griffigkeit. Tempolimits an solchen Stellen sind begründet.
• Am schlimmsten ist Eis mit Tauwasser: Der Wasserfilm ist sofort da. Der Reibbeiwert beträgt dann nur noch etwa ein Hundertstel des trockenen Wertes, Bremsweg und fehlende Lenkbarkeit vervielfachen sich.
• Haftreibung und Gleitreibung: Haftreibung gilt bei Stillstand und rollenden, nicht blockierten Rädern. Gleitreibung gilt bei blockierten Rädern. Auf nasser oder rutschiger Fahrbahn ist die Gleitreibung nur halb so groß. Deshalb: Blockieren vermeiden.
• Reifendruck: Falscher Druck verkleinert die Aufstandsfläche, erhöht den Flächendruck und die Wärme und senkt den Kraftschluss deutlich. Reifen haben ein „Erinnerungsvermögen“: Schäden durch zu wenig Luft zeigen sich teils erst Monate später in der Notsituation. Häufig kontrollieren, die optische Kontrolle genügt nicht.
• Schlupf: Jedes gebremste oder angetriebene Rad schlüpft ein wenig über die Fahrbahn. Beispiel: Bremsweg 15 m, das Rad rollt nur 12 m ab, also 20 % Schlupf. 0 % Schlupf überträgt keine Kraft, 100 % Schlupf heißt blockierte Räder (Gleitreibung). Die besten Bremskräfte und kürzesten Bremswege gibt es in einem mittleren Schlupfbereich. Ein Fahrer kann ihn nicht dauerhaft halten. Das ABS tut es und erhält zugleich die Lenkbarkeit.

Bremsen

• Anhalteweg = Reaktionsweg + Bremsweg. Reaktionsweg ist Geschwindigkeit (m/s) mal Reaktionszeit. Die Reaktionszeit beträgt 0,6 bis 1,5 Sekunden. Bei Druckluftbremsen kommt noch eine halbe bis eine Sekunde bis zur vollen Wirkung hinzu.
• Bremsweg wächst im Quadrat: doppeltes Tempo ergibt den vierfachen, dreifaches den neunfachen Bremsweg. Eine Steigerung um nur 40 % (von 50 auf 70 km/h) verdoppelt bereits den Bremsweg.
• Beispielwerte auf trockener Fahrbahn (Verzögerung 6 m/s², Reaktionszeit 1 s):
• 30 km/h: 8,3 m plus 5,8 m, zusammen 14,1 m
• 40 km/h: 11,1 m plus 10,3 m, zusammen 21,4 m
• 50 km/h: 13,9 m plus 16,1 m, zusammen 30,0 m
• 60 km/h: 16,7 m plus 23,1 m, zusammen 39,8 m
• 70 km/h: 19,4 m plus 31,5 m, zusammen 50,0 m
• Begründung für Tempolimits: Ein schnelleres Fahrzeug hat dort, wo ein langsameres steht, noch Restgeschwindigkeit. Das lässt sich weder mit besserer Technik noch mit kürzerer Reaktionszeit überlisten.
• Lkw und Ungeschützte: Wegen Massenunterschied und fehlender Knautschzone sind schwerste Verletzungen schon bei niedrigem Tempo möglich.
• Achslastverschiebung: Beim Bremsen taucht der Bug ein, die Vorderachse wird be-, die Hinterachse entlastet. Bei einem Lkw trägt die Hinterachse stehend etwa 60 Prozent, bei Vollbremsung verlagern sich bis zu 20 Prozent auf die Vorderachse. Entlastete Hinterräder blockieren früher, deshalb gibt es Bremskraftregler, damit die Vorderräder zuerst blockieren.
• Was blockierende Räder bedeuten:
• Alle Räder blockieren: keine Seitenführung, das Fahrzeug kann schleudern. Bremse lösen, damit die Räder rollen.
• Nur die Vorderräder blockieren: Das Fahrzeug rutscht geradeaus, Lenken wirkt nicht. In der Kurve schiebt es über den Vorderwagen nach außen. Bremse kurz lösen, dann lenken.
• Hinterräder blockieren zuerst: gefährlich, das Heck bricht aus, Schleudern, Gegenverkehr, Kippen. Bremse lösen, gegenlenken. Ist Ausweichen unmöglich, volle Bremsung: Alle Räder blockiert ist meist besser als nur die Hinterachse, weil ein rutschendes Fahrzeug leichter zu beherrschen ist als ein schleuderndes.
• Bremsen bei ungleicher Reibung (links Asphalt, rechts Sand, Gras oder Schnee): Das Fahrzeug zieht zur Seite mit mehr Haftung. Gegenlenken nützt bei blockierten Rädern nicht, erst mit gelöster oder dosierter Bremse bleibt das Fahrzeug in der Spur.
• Bremsen im Gefälle: Dort wirkt die Hangabtriebskraft. Dauerbremsen mit der Betriebsbremse erhitzen die Bremsen, Fading droht. Vor dem Gefälle Tempo verringern, rechtzeitig herunterschalten, Dauerbremse (Retarder, Motorbremse) nutzen.
• Bremsenarten: Moderne Einsatzfahrzeuge haben meist Scheibenbremsen. Sie bieten gegenüber Trommelbremsen bis zu 20 % mehr Leistung bei kalter und bis zu 70 % mehr bei heißer Bremse, weil sie besser gekühlt werden und weniger fadingen.
• Dauerbremse: Pflicht bei Fahrzeugen über 9 t zulässigem Gesamtgewicht (§ 41 StVZO). Sie muss ein voll beladenes Fahrzeug bei 7 % Gefälle über 6 km mit 30 km/h halten. Motorbremse (Auspuffklappe) und Konstantdrossel sowie Retarder (hydro- oder elektrodynamisch, Verzögerung bis zu 15 %) sind Beispiele. Ist die Dauerbremse mit dem Bremspedal gekoppelt, muss man sie bei glatter Fahrbahn ausschalten können, sonst können die Antriebsräder blockieren.

Kurvenfahrt

• Schwerpunkt: Er liegt nicht in der Mitte, sondern dort, wo schwere Teile, Geräte und Wassertank sind. Beladen liegt er höher.
• Fliehkraft: Jede bewegte Masse will ihre Richtung behalten. Beim Lenken entsteht die Fliehkraft (am Schwerpunkt gedacht). Bei flotter Kurvenfahrt etwa 40 % des Gewichts, bei 18 t Fahrzeug etwa 72 kN (entspricht 7,2 t), die über die Reifen abgestützt werden müssen.
• Quadratisch: Doppeltes Tempo, vierfache Fliehkraft, dreifaches, neunfache. Schon leichtes Gasgeben kann zum Kippen oder Schleudern führen.
• Schleudern oder Kippen: Wird die Fliehkraft größer als die Reibkräfte, schleudert das Fahrzeug. Bei großen Reibkräften, aber hohem Schwerpunkt, kippt es über die Kippkante, bevor die Räder rutschen.
• Seitenkräfte entstehen auch durch Seitenwind und hängende Fahrbahn. Reicht die Seitenführung der Reifen nicht, wird das Fahrzeug aus der Spur gedrückt.

Was heißt das für dich?

• Tempo vor der Kurve und vor dem Gefälle abbauen.
• Doppeltes Tempo: vierfacher Weg, vierfache Fliehkraft.
• Blockiert, dann unlenkbar: Bremse lösen oder ABS arbeiten lassen.
• Reifendruck und Bremsen regelmäßig prüfen.

Siehe auch: Fahrertraining, Fahrzeug führen, Sicherheit am und im Fahrzeug, Fahrzeugkunde.

Reaktionszeit

0,6 bis 1,5 s

Druckluftbremse

weitere 0,5 bis 1 s bis zur vollen Wirkung

Anhalteweg

Reaktionsweg plus Bremsweg

Beispiel 50 km/h, trocken

13,9 m Reaktionsweg plus 16,1 m Bremsweg gleich 30,0 m

Beispiel 70 km/h, trocken

19,4 m plus 31,5 m gleich 50,0 m

Fliehkraft

wächst im Quadrat der Geschwindigkeit

Scheibenbremse

bis 20 % mehr Leistung kalt, bis 70 % heiß gegenüber Trommelbremse

Dauerbremse

Pflicht über 9 t zulässigem Gesamtgewicht

Dauerbremse Mindestleistung

7 % Gefälle, 6 km, 30 km/h, voll beladen

Umrechnung

1 m/s gleich 3,6 km/h