Bei der Klotzbremse werden ein oder mehrere Bremsklötze an das rotierende Gegenstück gedrückt. Die Betätigung erfolgt manuell mittels Handkurbel (vgl. Handbremse), mittels Druckluftzylinder bzw. Vakuumzylinder oder durch ein Bremssolenoid. Die Bremskraft entsteht durch Gleitreibung. Sie ist abhängig von der Gleitgeschwindigkeit, den verwendeten Materialien, dem Anpressdruck und der Temperatur.

In der Regel drücken die Bremsklötze direkt auf die Lauffläche der Räder bzw. Radreifen. Verwirklicht wurden auch Klotzbremsen, bei welchen die Bremsklötze auf spezielle Bremstrommeln auf der Achswelle wirken. Dadurch sind die Räder einer geringeren Abnützung ausgesetzt.

Um das Auswechseln abgenutzer Teile zu vereinfachen kamen mit der Zeit zweiteilige Bremsklötze auf. Diese bestehen aus einem Sohlenhalter und einer Bremssohle als Verschleisselement. Die Bremssohle bestand früher in der Regel aus Grauguss. Heute sind Bremssohlen aus Sintermetall oder Kunststoff am weitesten verbreitet.

Klotzbremsen sind bei modernen Strassenbahnen und Reisezugwagen nicht mehr üblich, da sie einem hohen Verschleiss unterliegen und unterhaltsaufwändig sind. Hingegen sind sie bei Eisenbahn-Güterwagen noch nicht wegzudenken.

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