Unsere Autos werden immer schneller, leichter und komfortabler. Wie sieht es denn im Bereich unserer Bremsen aus? Hersteller hochwertiger Sportwagen und Limousinen der Oberliga haben die Antwort schon lange gefunden. Belüftete Bremsscheiben sind die Formel nach der Automobilhersteller heute ihre gesamte Produktpalette ausrüsten. Um mit dem Entwicklungsstand Schritt halten zu können, bieten Bremsenfachhändler heute bereits hocheffektive Bremsanlagen an, die für eine "kühle Bremsscheibe" sorgen. Zur weiteren oder begleitenden Optimierung der Bremsanlage sind nachrüstbare Luftleitsysteme im Handel, die den Kühleffekt der belüfteten Bremsscheiben maximieren und das Thema Fading fast vergessen lassen.

Die Belüftung der Bremsscheiben ist die Antwort auf die immer höher werdenden Temperaturen, die in modernen Bremsanlagen herrschen.

Grundsätzlich gilt: Die Belüftung der Bremsscheiben dient der schnelleren Abfuhr von Wärmeenergie, die beim Bremsvorgang freigesetzt wird. Hierbei gilt: Je mehr Material zur Verfügung steht (Bremsscheibe, Topf etc.) umso mehr Energie kann aufgenommen werden.

Um nun zur Eliminierung der Bremswärme nicht immer dickere Bremsscheiben verbauen zu müssen, hat man sich für deren Belüftung entschieden. Die Optimierung der Belüftung stellt die Zufuhr von Fahrtwind dar. Das Grundprinzip ist einfach: Fahrtwind wird, kanalisiert über Leitbleche, Luftkanäle oder spezielle Achskonstruktionen (z. B. Porsche), direkt auf die Bremsscheibe und ggf. dem Bremssattel geführt. Der Luftstrom nimmt Wärme auf und führt diese schnell an die Umgebungsluft ab. Die Bremsscheibe wird in diesem Luftstrom gekühlt und bleibt länger unterhalb der kritischen Temperaturbereiche, die sich schädlich auf Material und Bremsbeläge auswirken.

Wie ist eine belüftete Bremsscheibe aufgebaut, wie sieht sie aus?

Im Gegensatz zu einer massiven Bremsscheibe verfügt eine belüftete Bremsscheibe über Luftkanäle, die zwischen den beiden Reibflächen (innen und außen) verlaufen. Kühlkanäle ermöglichen den Durchsatz von Luft/Fahrtwind und vergrößern die kühlbaren Flächen beträchtlich. Diese Kanäle werden bereits im Fertigungsprozess gegossen und arbeiten im Fahrbetrieb wie Luftschaufeln einer Turbine. Je höher die Bremsscheibe beschleunigt wird, umso stärker ist die Zentrifugalkraft, die frische Luft "einsaugt- und Bremswärme abführt".

Ähnlich wie bei einer Turbine, ist die Form der Luftkanäle und die Wölbung der Schaufeln maßgebend für die Richtung und die Intensität des Luftstromes. Gerade im Bereich der Formgebung von Kanälen und Schaufeln wird viel experimentiert und untersucht. So schwören einige Hersteller auf gerade Kanäle und Schaufeln, andere wiederum favorisieren gebogene Linien.

Neue Forschungen im Bereich der optimalen Kanalisierung von Abwärme haben wieder eine andere Variante auf den Markt gebracht, die "Kangaroo Paw" von dba und die PVT-Variante von Brembo, die darauf setzen, die Abwärme an möglichst vielen Punkten der Bremsscheibe aufzunehmen und somit die Kühlung gleichmäßig zu gestalten. Die labyrinthähnliche Anordnung der Noppen in den Kanälen soll für eine schnellere und gleichmäßigere Abkühlung der Bremsscheibe sorgen und die Kühlfläche um ein Vielfaches erhöhen. Die punktuell vorhandenen Noppen dienen gleichzeitig der kontrollierten Verteilung von Bremswärme, wodurch eine höhere Formtreue der Bremsscheibe erzielt wird.

Verschiedene Bauformen und Luftführungsarten

Radial verlaufende Luftkanäle führen, aufgrund der Zentrifugalkraft, die Bremswärme vom Zentrum der Bremsscheibe nach außen ab. Je schneller das Rad sich dreht, umso höher wird die Zentrifugalkraft, welche einen ständigen Luftzug von der Topfmitte nach außen garantiert. So ist die permanente Wärmeabfuhr gewährleistet.

Bremsscheiben, die mit kanalisierter Frischluft/Fahrtwind beströmt werden (vorzugsweise im Bereich der Topfmitte), nennt man zusatzbelüftet. Die Kanalisierung des Fahrtwindes erfolgt durch Hutzen oder Trichter im Frontspoiler. Die Luft wird über Leitbleche oder Luftkanäle direkt an die Bremsscheibe und an die Bremssättel geführt, wo sie die Kühlung unterstützt. Die Kühlluft wird zentrisch auf die Topfmitte geleitet, von wo aus die schaufelförmig ausgebildeten Kanäle die Bremswärme an die Außenluft befördern. Die Schaufeln arbeiten richtungsgebunden, was eine Laufrichtungsbindung der Bremsscheiben erklärt.

Gerade Luftkanäle vs. gebogene Luftkanäle

Jetzt geht es einmal kurz in die Welt der Naturgesetze, zu der Aerodynamik. Hier ist die deutliche Antwort zu finden: Der Sieger heißt "gebogener Luftkanal".

Gründe für die Entscheidung sind: Auf den gebogenen Kanälen legt die Kühlluft einen längeren Weg innerhalb der Bremsscheibe zurück, bis sie den Rand/Auslass erreicht. Daraus resultiert ein höheres Druckgefälle, was einen höheren Luftdurchsatz zur Folge hat. Dazu kommt noch die Diffusorwirkung, der sich zum Ausgang hin erweiternden Kanäle. Ein sich in Strömungsrichtung erweiternder Kanal erhöht die Strömungsgeschwindigkeit, "es bläst stärker" und die Bremsscheibe wird besser gekühlt.

"Belüftet- unbelüftet- innenbelüftet - außenbelüftet" Was steckt dahinter?

Eine massive Bremsscheibe nimmt die Wärmeenergie der Bremsvorgänge solange auf, bis ihre Kapazität erreicht ist. Sie ist unbelüftet, ihre Oberflächen, Reibflächen und Topf, stehen zur Abkühlung nur mit der Außenluft in Verbindung. Ist das Höchstmaß der Aufnahmefähigkeit von Wärmeenergie erreicht, lässt die Bremswirkung nach und das Fahrzeug muss, zum Abkühlen der Bremsanlage, aus dem Verkehr genommen werden, bzw. dürfen keine weiteren Bremsvorgänge erfolgen.

Eine aussterbende Spezies an der Vorderachse

Massive Bremsscheiben:

Belüftete Bremsscheiben sind heute auf der Vorderachse der meisten Fahrzeugen Standard. Massive Bremsscheiben sind bei Kleinwagen nur noch an der Hinterachse verbaut - an der Vorderachse so gut wie gar nicht mehr. Generell gilt: Massive Bremsscheiben erreichen in Dauerbremsphasen (z. B. Talfahrten) schnell ihr Wärmeaufnahmepotenzial und geben vermehrt Wärme an die Bremsbeläge ab, die darauf ab einer bestimmten Temperatur mit Ausgasen reagieren, was zu dem gefährlichen Fading (Nachlassen der Bremswirkung) führt. Im Bereich der hinteren Bremsen sind massive Bremsscheiben noch häufig zu finden, denn dort tritt nur ein Bruchteil der thermischen Belastung einer Vorderbremse auf.

Belüftete Bremsscheiben:

Belüftete Bremsscheiben sind zwischen den beiden Reibflächen mit Durchdringungen versehen, die eine Luftzirkulation ermöglichen. Die durchströmende Luft kühlt die Reibflächen unterstützend von innen. Die durch Rad-Rotation hervorgerufene Zentrifugalkraft befördert die erhitzte Luft zügig nach außen. Kühlkanäle in der Bremsscheibe vergrößern die Bremsscheibenoberfläche, um das Maß ihrer Dimensionierung und Ausführung. Grundsätzlich gilt: Je mehr Oberfläche mit der Außenluft in Verbindung steht, umso schneller erfolgt die Abkühlung des zu kühlenden Objekts. Erhöht sich also die kühlbare Oberfläche der Bremsscheibe, kühlt sie schneller ab und bleibt länger im unkritischen Temperaturbereich.

Innenbelüftete Bremsscheiben:

Innenbelüftete Scheibenbremsen saugen die erforderliche Kühlluft, an der Innenseite des Bremsscheibentopfes, fahrzeugseitig an.

Außenbelüftete Bremsscheiben:

Die Bezeichnung außenbelüftet besagt nichts anderes, als dass einer belüfteten Bremsscheibe, die kühlende Luft von der Außenseite des Topfs zugeführt wird.

Neue Bauformen:

Bauformen von dba und Brembo vereinen den Nutzen beider Varianten. Diese Bauformen sind innen belüftet und die Erweiterung der Oberfläche, durch Anbringen von Noppen in den Luftkanälen, optimiert die Wärmeabfuhr zusätzlich.

Zusammenfassung der belüfteten Bremsscheiben

Die Art der Führung des kühlenden Luftstromes wird zwischen Außen- und Innenbelüftung unterschieden. Bei der außenbelüfteten Bremsscheibe wird die Luft außen am Bremsscheibentopf (Zentrum) angesaugt, durch die Belüftungskanäle geleitet und an dessen Austrittsöffnungen nach außen abgeführt. Die kühlende Luft bei der innenbelüfteten Bremsscheibe wird an der inneren Seite des Topfes, fahrzeugseitig angesaugt. Innenbelüftete Bremsscheiben sind bautechnisch einfacher mit Frischluft zu versorgen als außenbelüftete Scheiben. Die äußere Zuführung, durch die Felgen auf die Bremsscheibenmitte, ist technisch aufwendig und kostenintensiv.

Was bewirkt die Luft an den Bremsscheiben, wie unterstützt sie die Wärmeabfuhr?

Dazu müssen wir einen kleinen Ausflug in die Physik bzw. in die Strömungslehre machen. Keine Sorge, das Prinzip ist schnell erklärt und anhand von einem Beispiel leicht durchschaubar.

Physikalisch betrachtet ist der Bremsvorgang bei einem Kraftfahrzeug ein Vorgang, bei dem die kinetische Energie des Fahrzeuges größtenteils in Wärme umgewandelt wird. Dieser Prozess passiert in der Bremse, die schon, während der Umwandlung der kinetischen Energie, mit der Wärmeabfuhr an die Umgebung beginnen muss. Die Rotation der Bremsscheibe und die als Schaufeln ausgebildeten Lufteinlasskanäle erzeugen eine Sogwirkung, welche die kühlende Luft von der Bremsscheibenmitte in die Belüftungskanäle saugt. Ein, den Topf abdeckendes Luftleitblech, sorgt dafür, dass beim Eintritt der Kühlluft keine Drosselung der Luftströmung, durch Verwirbelungen auftritt und die Luft direkt in die Bremsscheibe eingeleitet wird. Der Strömungsweg der Kühlluft verläuft, gelenkt durch die Luftleitscheibe, direkt in die Kanäle des Bremsscheibenrings, was verhindert, dass es zu einer vorzeitigen Entspannung der Kühlluft im Bereich des Bremsscheibentopfes kommt, was eine nachteilige Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit hervorrufen würde.

Circa 90 % der Bremswärme werden über Konvektion (Konvektion = hier als Mechanismus des Wärmetransportes zu sehen - thermische Energie) an die Außenluft abgegeben. Belüftete Bremsscheiben, die wie Radialventilatoren arbeiten, transportieren die Wärme als heißen Luftstrom ab. Sie erzeugen bei einsetzender Rotation (Fahrbetrieb) einen Luftstrom durch die Kühlkanäle, an die ein Großteil (ca. 90 %) der entstandenen Wärme an den Reibflächen, mittels Konvektion, isobar abgegeben wird. (isobar = isobare Zustandsänderung, in der Thermodynamik eine Zustandsänderung bei konstantem Druck)

Standard und Optimierung

Im Zusammenhang mit dem Thema "Belüftete Bremsscheiben" muss auch der Bereich "zusätzliche Luftzuführung" angesprochen werden, der oft für eine Verwechslung der Begriffe sorgt. Hiermit ist die Luftmenge und Geschwindigkeit gemeint, die einer belüfteten Bremsscheibe zusätzlich zugeführt wird, um den Kühleffekt zu verstärken. Konventionelle, serienmäßig verbaute belüftete Bremsscheiben sind in der Regel nicht damit ausgerüstet. In der Sportwagenfertigung hingegen ist die Extra-Luft ein alter Hut.

Das Prinzip ist einfach, die Ausführungen sehr facettenreich:

Durch Luftleitsysteme wird Fahrtwind den Bremscheiben (und ggf. auch den Bremssätteln) zugeführt. Diese zusätzliche Kühlung garantiert deutlich verbesserte Bremsleistungen und minimiert das Fading-Risiko. Aus den Erkenntnissen der Sportwagen-Konstruktion abgeleitet, stehen für viele andere Fahrzeuge nachrüstbare Bremsscheiben-belüftungssysteme und Lufteinlassführungen (Air-Duct) zur Verfügung. Sie sind individuell verwendbar und reichen von Spoilereinlasskanälen und Flex-Schläuchen bis hin zu Luftleitblechen und Zusatzaggregaten. Ziel der zusätzlichen Belüftung ist immer die vermehrte Zufuhr von kühlender Luft zu den Bremsen.

Fazit:

Der Einsatz von belüfteten Bremsscheiben beschleunigt die Abfuhr der Wärmeenergie eines Bremsvorgangs an der Bremsscheibe und wirkt sinnvoll dem Fading oder sogar einem Ausfall der Bremsanlage, infolge von Überhitzung, entgegen. Ganz einfach ausgedrückt: belüftete Bremsscheiben saugen über Belüftungskanäle Luft an, welche durch Kanäle nach außen befördert wird und die Bremswärme abführt. Im Bezug auf die Extra-Luft ist die Formulierung einer Regel einfach: Viel hilft viel!