Der Retarder – nicht nur eine Dauerbremse

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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.

Video zum hydrodynamischen Prinzip:

 

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.

IInline-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.

 

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.

Video Animation zum MAN Pritarder

 

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Johannes Wiesinger
bearbeitet: 05.09.2011
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