BreMsen - Deutsches Zentrum für Technik Pädagogik

© Deutsches Zentrum für Technikpädagogik
teCHnisCHe sYsteMe
erKunden: BreMsen
die PÄdagOgisCHen und didaKtisCHen ÜBerlegungen
Jugendliche können heute über Medien auf umfangreiches
onsmodells, grundlegende Zusammenhänge eines technischen
Detailwissen zu technischen Alltagsgegenständen zurückgrei-
Systems zu untersuchen. Der flankierende Blick auf reale Technik
fen. Wie Studien (z. B. von Acatech) zeigen, bauen sie dabei aber
ermöglicht ihnen auf der inhaltlichen Ebene, den Unterschied
kein Strukturwissen auf – ihre Kenntnisse bleiben vereinzelt und
zwischen Modell und Realität zu erkennen und auf der methodi-
können nicht auf andere Bereiche übertragen werden. In diesem
schen Ebene, ein Verfahren zur Entwicklung von Lösungen eigen-
Lernmodul lernen Schüler(innen) beim Entwickeln eines Funkti-
ständig anzuwenden.
die ZielsetZungen
Im Einzelnen sollen die Schüler(innen) …
>
>
ein funktionstüchtiges Modell einer Festsattelbremse
an realen technischen Umsetzungen aufzeigen und
bauen,
>
Einflussgrößen und Fehlerquellen bestimmen und
beschreiben,
>
die im Modellbau erfahrenen technischen Wirkstrukturen
beschreiben,
>
eigene Problemlösungen mit realen Umsetzungsvarianten
vergleichen.
ihr ursprüngliches Modell optimieren,
die raHMenBedingungen
>
Zeitbedarf: 9 Schulstunden (inkl. Lerngang)
und ca. 10 mm, Kabelbinder, Silikonspray oder Glycerin,
>
Material: Lochrasterplatten, Lochstreifen, M3-Schrauben
evtl. flache Schalen und Wasser.
und Muttern, Unterlegscheiben, Einwegspritzen ca. 2 mm
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Verlauf
Phase 1: Modellbau
Ablauf: Die Schüler(innen) erhalten den Auftrag, aus den bereit-
gung vom Bremshebel auf das Rad über die beiliegenden Sprit-
liegenden Materialien das Modell einer Bremse zu bauen. Hier
zen und Schläuche erfolgen soll.
sind Alternativen möglich. Die Aufgabe kann offen, ohne weitere
Hinweise, gestellt werden. In diesem Fall müssen alle Lösungen
Die Schüler(innen) werden verschiedene Lösungen finden. In
unterrichtlich ernst genommen, also diskutiert werden. Besser
folgender Abbildung sind vier Varianten aufgeführt:
wäre, einleitend darüber zu informieren, dass die Kraftübertra-
A
Bremse wirkt direkt auf Lauffläche ein. Einfache Lösung,
die zu einer großen Abnutzung am Reifen und zu einem
Verschmieren des Bremsbelags mit Gummi führen würde. Wurde beim Fahrrad als „Löffelbremse“ oder bei Kutschen
als „Klotzbremse“ eingesetzt.
B
Bremse wirkt auf eine gesonderte Reibfläche ein, auf
die Bremsscheibe. Reibfläche und Bremsbelag können
materialtechnisch
werden. Abgenutzt wird nicht das Laufrad selbst.
C
Bremse wirkt direkt auf das Laufrad ein, beim Fahrrad
beispielsweise auf die Felge.
optimal
aufeinander
abgestimmt
B+C Es wird von zwei Seiten gebremst. Die Bremsbeläge
müssen so justiert werden, dass sie gleichmäßig
eingreifen.
Reflexion
In der Besprechung sollten die Schüler(innen) zunächst beschreiben: Was unterscheidet die Varianten? Wo wirkt die Bremskraft
ein? Wie ist das Gestell konstruiert? Wie sind die umlaufenden
und festen Bauteile gelagert bzw. befestigt?
In einem zweiten Schritt sollen Vermutungen dazu geäußert werden, welche Probleme bei den einzelnen Lösungen im Betrieb
entstehen können. Dabei werden sie ihr Wissen vom Fahrrad
oder aus dem Spielzeug-Modellbau einbringen.
Einfaches Modell einer Scheibenbremse
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Phase 2: Analyse von Bremssystemen
Medien: Fahrrad, Kfz-Bremse, Abbildungen
>
Wie können die starren und beweglichen Bauteile am
Der Modellbau in diesem Lernmodul hat keinen Selbstzweck, er
Fahrzeug so befestigt werden, dass sie die Kräfte trotz der
dient dem Einstieg in die Auseinandersetzung mit dem techni-
Erschütterung und der Erwärmung des Systems aufneh men
schen System Bremse. Die physikalische Wirkstruktur ist relativ
können?
einfach und wird durch den Energieerhaltungssatz beschrieben:
>
Wie wird die Kraft vom Hebel bzw. dem Pedal an die
Energie kann nicht verloren gehen oder aus dem Nichts entste-
Wirkstelle weitergeführt?
hen, sondern ist in verschiedene Formen umwandelbar. Beim
>
Wie kann die Bremskraft möglichst gleichmäßig an die
Bremsen wird Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewan-
Wirkstelle weitergegeben werden?
delt.
>
Wie kann das selbsttätige Rückstellen der Bremse verwirk-
licht werden?
Nun sind Bremsen keine Anwendung dieses Wissens – es gab sie
schon bei den Phöniziern vor ca. 3.000 Jahren, bevor der Satz
Die Elemente des Lernmoduls legen eine Übertragung auf Brems-
der Energieerhaltung bekannt war. Moderne Bremsanlagen nut-
anlagen im Kfz-Bereich nahe, die Analyse kann aber genauso gut
zen das Wissen um die Energiewandlung, indem Werkstoffe und
an der Bremsanlage eines Fahrrads durchgeführt werden. Hier
Bauformen gewählt werden, die Wärme gut aufnehmen und ab-
wird die Besprechung folgender Problembereiche empfohlen,
führen. An den Modellen der Schüler(innen) können spezifisch
weil sie sich am Modell gut nachvollziehen lassen.
technische Probleme von Bremsanlagen handelnd erfahren werden. Beispielhaft seien hier einige aufgeführt (siehe unten: Hintergrundwissen):
Medium der Kraftweiterleitung
Beim Fahrrad wird die Kraft vom Bremshebel auf das Laufrad
den, der bei den Modellen deutlich wird: Das Pedal (der Kolben
über Stahlseilzüge, Drehbolzen und den hebelförmig gestalte-
der manuell betätigten Spritze) wird gedrückt, der Bremskolben
ten Bremsarm übertragen. Beim Kfz wird durch das Treten des
(Kolben der pneumatisch bewegten Spritze) fährt aber nur ver-
Bremspedals im Hauptbremszylinder Druck aufgebaut, der dann
zögert heraus. Das Füllen der Bremsschläuche des Modells mit
auf mehrere Bremszylinder an den Rädern verteilt wird. Als Medi-
Wasser würde diesen Effekt verringern. Er erfordert Geschick, ist
um wird in aller Regel eine Flüssigkeit eingesetzt, weil sich Flüs-
aber für Kinder gut leistbar.
sigkeiten nicht komprimieren lassen. So wird der Effekt vermie-
Wirkstelle
Bei leichteren Fahrzeugen wirken die Bremsbeläge direkt auf ein
greifen die Bremsbeläge auf Bremsscheiben zu, die eine hohe
Gehäuseteil des Laufrads oder auf das Laufrad selbst ein. Beim
Wärmeleitfähigkeit haben und die teilweise mit Löchern verse-
Fahrrad dient dazu meistens die Felge, manchmal auch eine
hen sind, um das Abkühlen durch vorbeiströmende Luft zu ver-
Bremsscheibe oder -trommel. Bei Kraftfahrzeugen mit großer
bessern. Bei einfachen Bremsanlagen wirkt ein Bremsbelag pro
Masse und hohen Geschwindigkeiten muss eine hohe Energie
Scheibe, es können aber auch mehrere sein.
umgewandelt und damit viel Wärme abgeführt werden. Dort
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Verteilung der Kräfte
Durch das Aufdrücken der Bremsklötze auf die Bremsscheibe
werden, z. B. bei Festsattelbremsen am Kfz oder den Felgen-
erhält diese einen seitlichen Schub. Dies kann dadurch ausgegli-
bremsen am Fahrrad.
chen werden, dass von beiden Seiten Bremsbeläge aufgedrückt
Abdichtung des Systems
Am Fahrrad dringt Regenwasser und Schmutz zwischen die
Bei dem Modell des Lernmoduls stellt das Abdichten der Schläu-
Außenzüge und die Bremszüge. Dies führt im Lauf der Zeit dazu,
che eine große Herausforderung dar. Fehlende Dichtigkeit führt
dass sich die Bremse schwerer betätigen lässt oder dass sie nicht
dazu, dass die Zylinder nicht mit der ganzen Kraft ausgedrückt
mehr vollständig zurückgestellt wird. Beim Kfz dringt Feuchtig-
werden. Beim Zurückziehen macht sie sich besonders bemerk-
keit in das Bremssystem ein, weil Bremsflüssigkeit hygroskopisch
bar, weil hier Luft von außen nachgezogen wird.
ist. Daher muss sie regelmäßig ausgetauscht werden. Die dabei
eingebrachte Luft muss entfernt werden („Bremsanlage entlüften“).
Befestigung der Bremse am Gestell
Beim Kfz wird der Bremssattel an der Aufnahme für das Federbein des Fahrwerks befestigt. Am Fahrrad geschieht das am Rahmen oder, bei Scheiben- und Trommelbremsen, an der Nabe.
Eine schlechte Montage führt zu Bremskraftverlust und einseitigem Verschleiß. Im Modell sollte das Gestell durch Streben ausgesteift werden. Eine Strebe stellt ein Rahmendreieck dar – eine
konstruktiv steife Bauweise.
Instabiler und ausgesteifter Rahmen (mit „statischem Dreieck“
durch Verstrebung)
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Phase 3: Optimierung des Modells
Mit den Kenntnissen aus der Analyse können nun die Modelle
nicht direkt anwenden, sie müssen sie auf die Besonderheiten
verbessert werden. Ziel ist ein funktionssicheres System. Die
der zur Verfügung stehenden Baukastenelemente übertragen.
Schüler(innen) können das Wissen über die realen Sachverhalte
Medium der Kraftweiterleitung
Die Modelle funktionieren mit einer Luftfüllung in den Schläu-
Spritzen entnommen werden. Diese Arbeiten sollten in einem
chen nur bedingt. Das Ausfahren des Kolbens ist gut erreichbar,
Waschbecken oder mit geeigneten Schalen durchgeführt wer-
das Zurückziehen klappt nur bei guter Abdichtung (siehe unten).
den.
Beim Auffüllen der Schläuche mit Wasser sollten die Kolben der
Wirkstelle
Es wird hier empfohlen, analog zu Kfz-Bremsen die Bremsbe-
farbige Scheiben gewählt, können die Wirkelemente gut durch
läge nicht an der Lauffläche des Reifens oder am Radkörper
Fotos dokumentiert werden.
ansetzen zu lassen, sondern an gesonderten Scheiben. Werden
Verteilung der Kräfte
Mit nur einem Bremszylinder lässt sich das Verschieben des Lauf-
Bauteil) als auch das Betätigen mit zwei Bremszylindern (Sprit-
rades gut erkennen. Sowohl das Gegenlagern mit einer festen
zen) lässt sich gut realisieren. Als Verteiler können T-Stücke aus
Bremsbacke (fest montierte zweite Spritze oder entsprechendes
der Aquaristik verwendet werden.
Abdichtung des Systems
Schwachstellen sind die Abdichtungen der Kolben der Spritzen
jeder Apotheke), Silikonspray oder Armaturenfett, das auf die
und die Anschlussstellen der Schläuche an die Düsen der Sprit-
Anschlussstellen aufgetragen wird.
zen. Gute Dienste erweisen beim Kolben Glycerin (erhältlich in
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Befestigung der Bremse am Gestell
Hier weicht das Modell komplett von der realen Bremsanlage ab.
Für das Gestell sind Lochblechstreifen oder einfache Konstruktionen aus Holz erprobt. Eine gute Funktionalität bietet das UMTSystem der Firma LPE. Die Spritzen lassen sich mit Klebeband,
besser mit Kabelbindern befestigen.
Ein funktionstüchtiges Modell könnte folgendermaßen aussehen:
Prinziplösung einer Festsattelbremse mit zwei Bremskolben
Phase 4: Erkundung der technischen Realität
Es wird dringend empfohlen, diese letzte Phase nicht zu über-
eingesetzt, aber auch bei Achterbahnen und Freifalltürmen auf
gehen, auch wenn sie mit Organisationsaufwand verbunden ist.
Jahrmärkten.
Bislang haben die Schüler(innen) ein technisches Detailproblem
untersucht und eigene Lösungen entwickelt. Ihr Orientierungs-
Um den Schüler(innen) die Möglichkeit zu geben, ihre Kenntnis-
system war dabei die Schule, was beinhaltet, dass sie mit den
se aus der Modellentwicklung und -herstellung verallgemeinern
Medien und Einrichtungen gearbeitet haben, die dort zur Verfü-
zu können, sollte daher an die Phase der Modellarbeit eine Be-
gung stehen.
gegnung mit realer Technik anschließen. Dies kann durch eine
Erkundung eines Betriebs geschehen oder durch einen Experten,
Lernen sollte aber nicht nur „Schulwissen“ aufbauen. Die Ju-
der in den Unterricht eingeladen wird. In beiden Fällen sollten
gendlichen sollten vielmehr in die Lage versetzt werden, mithilfe
Teilprobleme und Fragen, die in der Modellarbeit aufgeworfen
des in der Schule Gelernten die reale Welt strukturiert wahrneh-
wurden, in der technischen Wirklichkeit betrachtet werden.
men und besser verstehen zu können. Sie sollten Unterschiede
zwischen ihren Problemlösungen auf der Modellebene und real
Ob dies am Beispiel einer Kfz- oder Fahrrad-Werkstatt geschieht,
verwirklichten Lösungen erkennen.
an einem Unternehmen, das direkt Bremsen herstellt oder ein
technisches System, bei dem Bremsen eine zentrale Funktion
Technik ist die Reaktion auf einen menschlichen Bedarf. Die Ge-
darstellen (z. B. ein Aufzughersteller oder ein Hersteller von Lo-
staltung realer Bremsen lässt sich nur von dem konkreten Bedarf
komotiven), ist zweitrangig. Hier müssen die Bedingungen und
her erklären. So sieht die Bremsanlage eines Citybikes anders
Möglichkeiten vor Ort berücksichtigt werden.
aus als die eines Crossbikes, mit dem durch Morast und über
Waldboden gefahren wird. Die Bremse eines leichten Pkw ist
Bewährt hat sich das Sammeln interessanter Fragen während
vom Prinzip her dieselbe wie die eines schweren Fahrzeugs. Sie
der Modellbauphase auf einem Plakatbogen.
unterscheiden sich aber durchaus voneinander in Bezug auf die
Materialien und Dimensionen der Bauteile.
Besonders deutlich wird der Zusammenhang zwischen Zweck
und Lösung, wenn man Bremssysteme bei Transportmitteln
betrachtet, die nicht auf der Straße fahren. Flugzeuge müssen
neben den Radbremsen über die Schubumkehr abbremsen,
Schiffe durch eine gegenläufige Drehrichtung der Schrauben.
Wirbelstrombremsen funktionieren über Wirbelströme in Mag-
Das würde uns noch interessieren:
• Wie sieht ein Bremssattel
am Auto aus?
• Darf man Bremsen selber
reparieren?
•
netfeldern, die bewegte Metallkörper abbremsen. Sie werden
z. B. beim ICE zum Bremsen unter hohen Geschwindigkeiten
Fragen für die Erkundung
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Hintergrundwissen
Bremsanlagen
Bremsen haben die Aufgabe, einen bewegten Körper bis zum
Beim Fahrrad sind zwei getrennten Bremsen vorgeschrieben.
Stillstand zu verlangsamen bzw. einen Körper am Wegrollen zu
Als Bremsanlage werden alle Baugruppen bezeichnet, die benö-
hindern. Im Kfz-Bereich sind aus Sicherheitsgründen mehrere
tigt werden, um ein Fahrzeug bremsen zu können. Dazu gehören
Bremsanlagen vorgeschrieben:
Bremsscheiben, Bremsbeläge, Baugruppen, die die Bremsbeläge
>Die Betriebsbremse ist diejenige, die mit dem Bremspedal aufnehmen (Bremsbeläge, Bremssattel, Bremsschuhe …), Bau-
betätigt wird. Hier müssen i. d. R. zwei getrennte Kreisläufe gruppen zum Übertragen der Kraft (Bremszylinder und -kolben,
vorhanden sein.
Bremsleitungen und -schläuche, Bremsflüssigkeit, Bremszüge),
>Die Feststellbremse soll verhindern, dass ein abgestelltes Hebel bzw. Pedale, Bremskraftverstärker, Kühlelemente usw.
Fahrzeug ins Rollen kommt. Beim Auto ist das die Hand-
bremse.
>
Bei Lkw und Bussen müssen wegen der großen Masse
zusätzlich verschleißfreie Dauerbremsanlagen eingesetzt werden.
Bauformen
Die am häufigsten vorkommende Bauart ist die Scheibenbremse, gefolgt von der Trommelbremse. Bei Scheibenbremsen werden über Druckzylinder Bremsbeläge gegen eine Bremsscheibe
gepresst.
Der Druck wird vom Bremspedal auf den Hauptbremszylinder
übertragen, von dort aus über den Bremssattel an die Bremszylinder direkt am Rad. Zur Übertragung wird Bremsflüssigkeit verwendet, weil sich Flüssigkeiten nicht komprimieren lassen.
Schema einer Scheibenbremse (links Vorderansicht,
rechts Seitenansicht)
Beim Fahrrad gibt es ebenfalls Scheibenbremsen. Häufiger sind
aber Felgenbremsen, bei denen die Bremsschuhe über Seilzüge
gegen die Felge gepresst werden.
In Trommelbremsen werden sichelförmige Bremsbeläge von
innen gegen die Bremstrommel gedrückt.
Schema eine Trommelbremse (Vorderansicht)
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Wäre Technik eine Anwendung physikalischer Wirkprinzipien,
sollen Fahrzeuge mit großer und kleiner Masse, mit hohen und
müssten im Grunde alle Bremsen gleich gebaut sein. Technik
niedrigen Geschwindigkeiten, in Matsch und auf Asphalt fahren-
hat ihren Ursprung jedoch in Bedürfnissen des Menschen, und
de, billige und teure usw. Je nach Anforderungen sind bestimmte
die sind sehr vielfältig. Auf Bremsen bezogen: Gebremst werden
Bremsenarten zweckmäßiger als andere.
Vorteile
Nachteile
Scheibenbremse
Trommelbremse
>
Großer Bremsdruck
>Nachstellbar
>
Gute Selbstreinigung und Kühlung
>Selbstverstärkend
>
Gleichmäßige Bremswirkung auf eine Ach se
>
Beläge nutzen stärker ab
>
Ungleichmäßige Bremswirkung auf
>
Starke Verschmutzung
einer Achse
>
Anfällig gegen Salz und Schmutz
>
Aufwendiger Belagwechsel
>
Hoher Verschleiß
>
Überhitzung und Bremsfading
>Flugrost
Bewertung von Scheiben- und Trommelbremse (Auswahl)
Selbst bei einer Art von Bremsen gibt es unterschiedliche Ge-
Da der Bremssattel beweglich gelagert ist, verschiebt er sich
staltungen. Scheibenbremsen können einen festen Bremssattel
auf die gegenüberliegende Seite. Der dort befestigte Belag wird
haben, bei dem Kolben von beiden Seiten Bremsbeläge andrü-
ebenfalls gegen die Bremsscheibe gedrückt. In der folgenden
cken – sogenannte Festsattelbremsen. Bei Schwimmsattelbrem-
Abbildung ist das dargestellt.
sen drückt ein Kolben gegen den Bremsbelag auf seiner Seite.
Vergleich zweier Bauformen von Scheibenbremsen
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