Druck
Unterdruck

Thema: Bremskraftverstärkung durch Unterdruck

unterdruck

Einsatz der Folie

In den üblichen Physikbüchern gibt es zu dem Thema "Schweredruck in Flüssigkeiten und Gasen" kaum technische Beispiele. Mit dem auf der Folie erklärten Bremskraftverstärker, der ebenfalls atmosphärischen Druck nutzt, kann ein Beispiel aus der Technik im Unterricht behandelt werden, das die Schülerinnen und Schüler motiviert. Der Vorgang der Bremsunterstützung für den Fahrer durch die Wirkung des äußeren Luftdrucks wurde auf der Folie für das Verständnis der Schüler vereinfacht.

Oben und Mitte:
Man erkennt auf den vereinfachten Darstellungen den sogenannten Unterdruck-Bremskraftverstärker sowie das Bremspedal und links den Hauptbremszylinder mit der Druckleitung zu den Fahrzeugbremsen.

    Die Rohrleitung an der linken Kammer des Bremskraftverstärkers ermöglicht den Unterdruck gegenüber der Außenluft:
  • Beim Ottomotor verbindet sie die Kammer mit dem Ansaugrohr des Motors hinter dem Luftfilter. So entsteht bei laufendem Motor dort ständig ein mehr oder weniger starker Unterdruck, da der arbeitende Motor die Wirkung einer Luft absaugenden Kolbenpumpe hat.
  • Beim Dieselmotor entstünde an derselben Stelle nicht genügend Unterdruck, da dessen Leistung nicht mit einer Drosselklappe im Ansaugkanal, sondern durch die Menge des von der Einspritzpumpe eingespritzten Kraftstoffes gesteuert wird. Deswegen wird beim Dieselmotor die linke Kammer des Bremskraftverstärkers über die erwähnte Leitung mit einer separaten Unterdruckpumpe verbunden, die vom Motor angetrieben wird.

Die drei dargestellten Dosenbarometer zeigen die jeweiligen Druckverhältnisse im System an. Zusätzlich ist geringerer Druck an einer helleren Farbgebung zu erkennen.

Das obere Bild zeigt den Zustand "Fahrer bremst nicht". Das Ventil auf der rechten Seite schließt die Öffnung zur Außenluft ab und gibt die Öffnung zum Unterdruckbereich frei. Infolgedessen herrscht auf beiden Seiten des Arbeitskolbens der gleiche Druck, nämlich der Unterdruck, den das System erzeugt. Es wirkt keine Kraft auf den Arbeitskolben und damit auch nicht auf den Kolben im Hauptbremszylinder.

Das mittlere Bild zeigt den Zustand einer Vollbremsung: Der Fahrer tritt das Bremspedal voll durch und erzeugt zum einen über die Druckstange Kraft auf den Kolben des Hauptbremszylinders. Zum anderen schiebt er das oben erwähnte Ventil nach links. Dadurch wird die Öffnung zwischen der rechten und linken Kammer des Bremskraftverstärkers geschlossen und die Öffnung zwischen der rechten Kammer und der Außenluft geöffnet. Die unter normalem Luftdruck stehende Außenluft dringt nun in die rechte Kammer ein. Da die linke Kammer nach wie vor unter Unterdruck verbleibt, wirkt eine zusätzliche Kraft von rechts auf den Arbeitskolben bzw. die Druckstange, und verstärkt bei entsprechend großer Fläche des Arbeitskolbens deutlich die Kraft des Fahrers. Bei einer normal starken Bremsung reagiert der echte Bremskraftverstärker mit einer angemessenen Unterstützung. Die Vorgänge sind allerdings zu kompliziert, um sie in dieser vereinfachten Version darstellen zu können.

bremsver

Links:
Die technische Abbildung zeigt den Schülerinnen und Schülern wie ein Unterdruck-Bremskraftverstärker tatsächlich aussieht.

Kopiervorlage 5 enthält eine quantitative Aufgabe zu der Wirkung des oben beschriebenen Bremskraftverstärkers. Die verwendeten Daten sind reale Fahrzeugdaten. Für die Schüler verblüffend ist, welche zusätzliche Bremswirkung der nicht stark vom normalen Luftdruck abweichende Unterdruck hervorrufen kann. Im oberen Teil der Kopiervorlage 5 werden den Schülerinnen und Schülern weitere Informationen zum Thema "Verwendung des atmosphärischen Unterdrucks im Kraftfahrzeug" gegeben. Wenn es sich zeitlich ergibt, kann dieses Thema Inhalt eines Referats für einen interessierten Schüler werden. Im unteren Teil der Kopiervorlage folgt eine quantitative Aufgabe, die den Schülern deutlich macht, wie sehr die Wirkung des Unterdrucks den Bremsvorgang unterstützt.

    Lernziele: Die Schüler sollen

  • ihre Kenntnisse über den atmosphärischen Druck vertiefen und seine prinzipielle Nutzanwendung beim Kraftfahrzeug (ohne zuviel Details!) beschreiben können.
  • Sachaufgaben zu diesem Thema korrekt bearbeiten und richtig lösen können.

Definition Überdruck/Unterdruck:

Überdruck pe = pabs - pamb
pabs ist der absolute Druck. Der absolute Druck bezieht sich auf den Luftdruck des Universums.
pamb ist der atmosphärische Luftdruck. Der atmosphärische Luftdruck gibt die Gewichtskraft einer Luftsäule über einer Querschnittsfläche an und ist definiert als Quotient aus Kraft und Fläche. Der atmosphärische Luftdruck beträgt auf Meereshöhe im Mittel 1 013,25 hPa.
pe ist die atmosphärische Druckdifferenz (auch Überdruck). Sie ist definiert als Differenz zwischen dem absoluten Druck und dem atmosphärischen Luftdruck.

Der Überdruck ist positiv, wenn pabs > pamb und negativ, wenn pabs < pamb ist (Unterdruck).
Beispiel: Autoreifen, pe = 2 200 hPa; pamb = 1 000 hPa; pabs = ?
pabs = pe + pamb = 2 200 hPa + 1 000 hPa = 3 200 hPa = 3,2 · 105 Pa

Hinweis:
Dieses Beispiel ist nach dem am 20. Mai 2019 in Kraft getretenen Internationalen Einheitensystem (SI) formuliert. Alternativ kann das Beispiel auch noch mit der Einheit „bar“ notiert werden. Es gilt: 1 bar = 105 Pa.