DE102006009565A1

DE102006009565A1 - Bremsscheibe , insbesondere für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102006009565A1
Application number: DE102006009565A
Authority: DE
Inventors: Johann Baumgartner; Wolfgang Pahle; Johann Iraschko
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2006-09-28

Abstract

Eine Bremsscheibe, insbesondere für ein Fahrzeug, mit mindestens einer an einer vorzugsweise an beiden Außenseiten vorgesehenen, ringförmigen Reibfläche (1), an die zum Bremsen ein Bremsbelag andrückbar ist, wobei die Reibfläche (1) aus einer Vielzahl von durch Dehnungsfugen (5) zumindest teilweise stofflich voneinander getrennten Teilsegmenten (2, 3, 4, 6) besteht, ist so ausgebildet, dass die Tiefe der Dehnungsfugen (5) größer ist als das zulässige Verschleißmaß (8) der Reibfläche (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere für ein Fahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bremsscheiben finden in vielen Anwendungsbereichen Verwendung. Insbesondere werden sie in Fahrzeugen eingesetzt, wobei sie in Nutzfahrzeugen einer besonderen Beanspruchung unterliegen.
Durch das reibende Anpressen der üblicherweise beidseitig an die Bremsscheibe angreifenden Bremsbeläge entsteht Reibungshitze, die zu einem Anstieg der Temperaturen in den Bremsbelägen und in der Bremsscheibe führt.
Da die Reibungswärme an der Bremsfläche entsteht, ergibt sich zur Mitte der Bremsscheibe hin ein Temperaturgefälle, das besonders bei sogenannten innenbelüfteten Bremsscheiben besonders ausgeprägt ist. Dabei gilt, je schneller die Wärme an der Bremsfläche entsteht, desto größer ist das Temperaturgefälle.
Die Temperaturunterschiede können sich aber auch direkt in der Bremsfläche ergeben, deren Ursache der inhomogene Kontakt der Reibflächen vom anliegenden Bremsbelag und der Bremsscheibe ist. Dabei entstehen an den Stellen mit hoher Flächenpressung höhere Temperaturen als an den Stellen mit geringerer Flächen pressung. Die Stellen unterschiedlicher Temperatur können durchaus sehr nahe beieinander liegen.
Diese unterschiedlichen Temperaturen bewirken hohe mechanische Spannungen in der Bremsscheibe, die durch unterschiedliche temperaturbedingte Materialausdehnungen hervorgerufen werden. In der Folge kann es zu Rissbildungen in der Bremsfläche kommen, die bei häufiger hoher thermischer Belastung im Extremfall sogar zu einem Reißen der Bremsscheibe führen.
Da die Temperaturerhöhung beim Bremsen sehr schnell erfolgt, kann sich keine homogene Wärmeverteilung einstellen. Dies ist sowohl in Quer- wie auch in Längsrichtung zur Bremsfläche der Fall. Partiell kommt es in der Bremsfläche durch die örtlich auftretende hohe Temperatur zu plastischen Verformungen. Beim Abkühlen der Bremsscheibe schrumpft das Material. Auf die zuvor plastisch verformten Stellen wirken nun hohe Zugspannungen, die durch die umgebenden, nicht plastisch verformten Stellen auf der Bremsfläche erzeugt werden. Diese Zugspannungen können größer sein als die Zugfestigkeit des Werkstoffs, was insbesondere dann zu den geschilderten Problemen der Rissbildung führt, wenn die Bremsscheiben, wie im Regelfall, aus Gusseisen hergestellt sind.

Um eine Kühlung zu erreichen, ist es aus der DE 23 08 256 A bekannt, die Reibfläche mit Rillen zu versehen, durch die verhindert wird, dass sich bei Nässe ein geschlossener Wasserfilm bildet.

Die Rillen weisen jedoch eine geringe Tiefe auf, die zwar zur Unterbrechung eines Wasserfilms ausreichend sind und aufgrund einer gebildeten größeren Oberfläche eine gewisse Verbesserung der Wärmeabfuhr bewirken, die jedoch nicht im Sinne von Dehnungsfugen fungieren, durch die das unterschiedliche Wärmeausdehnungsverhalten der Teilsegmente ausgeglichen werden könnte.

In diesem Sinne stellt sich auch eine aus der DE 195 12 934 A1 bekannte Bremsscheibe dar, bei der ebenfalls Rillen vorgesehen sind, die der Kühlung und Unterbrechung eines Wasserfilms dienen.

Als Vorteil wird dabei herausgestellt, dass die Tiefe der Rillen der Dicke der Reibfläche entspricht, so dass nach Abnutzung dieser Reibfläche die Rillen nicht mehr als solche erkennbar sind und die Bremsscheibe insgesamt ausgetauscht werden muss.

Nachteilig bei den bekannten Bremsscheiben ist jedoch, dass die Ausdehnung der mit Reibungswärme beaufschlagten Teilsegmente sich bis in den Kernbereich der Bremsscheibe erstreckt, also bis in einen Bereich über die maximal nutzbare Dicke der Reibfläche hinaus.

Hierdurch kann es zu den beschriebenen Materialverformungen kommen, mit der Folge der Rissbildung.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bremsscheibe der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, dass ihre Standzeit mit konstruktiv geringem Aufwand wesentlich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Durch diese konstruktive Ausbildung kann sich jedes Teilsegment parallel der Bremsfläche in alle Richtungen ungehindert ausdehnen und zwar nicht nur innerhalb der Tiefe, die durch das zulässige Verschleißmaß der Reibfläche bestimmt wird, sondern darüber hinaus bis in den Kernbereich hinein. Die beschriebenen, plastischen Verformungen werden damit vermieden. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Teilsegmente jeweils entsprechend klein dimensioniert sind.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist diesbezüglich vorgesehen, dass die Teilsegmente im Querschnitt schlank gehalten sind, d.h., die Querschnittsflächen sind relativ schmal bei relativ großer Höhe, wodurch sich ein recht großes Widerstandsmoment ergibt, so dass sich auftretende Biegebeanspruchungen der Bremsscheibe nur in geringem Maße auswirken. Möglicherweise in den Reibflächen der Teilsegmente entstehende Wärmerisse werden somit nicht durch hohe mechanische Spannungen zusätzlich vergrößert. Darüber hinaus ist das Risswachs tum durch die Querschnittskontur des jeweiligen Teilsegmentes begrenzt. Ein in dem Teilsegment entstandener Wärmeriss kann sich nicht über dessen Kontur hinaus ausbreiten.

In vorteilhafter Weise sind die Dehnungsfugen und somit die Teilsegmente zur Erzielung eines gleichmäßigen Verschleißverhaltens von Bremsscheibe und Bremsbelägen so gestaltet, dass auf beliebigen Umfangslinien der Bremsscheibe gleiche Verhältnisse von Dehnungsfuge- zu Teilsegment-Breite vorliegen.

Einem z.B. durch Geometrie und Materialeigenschaften des Bremsbelages bedingten systematischen Ungleichverschleiß der Bremsscheibe kann durch eine entsprechende partielle Veränderung der genannten Verhältnisse von Dehnungsfuge – zu Teilsegment-Breite entgegengewirkt werden. Eine Vergrößerung der Dehnungsfuge führt zu einer Verringerung der Teilsegment-Breite, was zu einer Erhöhung des Bremsscheibenverschleißes führt. Entsprechend wird bei einer Vergrößerung der Teilsegment-Breite der Bremsscheibenverschleiß reduziert.

Neben der Minimierung der Gefahr von Hitzerissen wird durch die Erfindung auch ein günstigeres Temperaturverhalten erreicht, wobei die Bremsfläche durch die Wandungen der Dehnungsfugen eine größere Oberfläche aufweisen, durch die mittels Konvektion Wärme direkt an die Umgebung abgegeben wird.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tiefe der Dehnungsfugen das 1,5 bis 2-fache des zulässigen Verschleißmaßes beträgt. Bei einer Verschleißtiefe von beispielsweise 4 mm ist demnach die Tiefe der Dehnungsfugen etwa 6–8 mm.

Da durch die konstruktive Verbesserung der Bremsscheibe prinzipiell die Gefahr einer Rissbildung minimiert wird, sind die Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit und Warmfestigkeit des Bremsscheibenwerkstoffes ebenfalls reduziert, wodurch sich eine größere Auswahl an verwendungsfähigen Werkstoffen ergibt.

Auch hinsichtlich der Entwicklung von Bremsbelägen stellt die Erfindung eine wesentliche Verbesserung dar, da auf das Reißverhalten der Bremsscheibe nunmehr im geringeren Maße Rücksicht genommen werden muss. Dies schließt die Wahl der Belagqualitäten ein, da diese in größerem Umfang mit der neuen Bremsscheibe kompatibel sind.

Die Herstellung der neuen Bremsscheibe kann gegenüber der bekannten zumindest kostenneutral erfolgen, da lediglich eine entsprechende Gestaltung des Gussmodells erforderlich ist, wobei eine mechanische Bearbeitung unterbleiben kann.

Die Grundrissform der Teilsegmente und damit der Verlauf und die Anordnung der Dehnungsfugen kann unterschiedlich sein. So können die Teilsegmente noppenartig in konzentrischen Kreisen verteilt ausgebildet sein, wobei die Grundrisskontur jedes Teilsegmentes rund, trapezförmig, rautenförmig, polygon oder in einer anderen geometrischen Form vorliegen kann. Dabei kann die Formgebung der Teilsegmente bestimmt sein von einer Optimierung der Kühlleistung oder von einer Optimierung der Herstellung. Denkbar ist auch, verschiedene Grundrissformen der Teilsegmente auf jeder Seite der Bremsscheibe zu kombinieren.

Die erfindungsgemäße Bremsscheibe kann in allen üblichen Ausführungsformen hergestellt werden, z.B. als sogenannten Hals- oder Topfscheibe, als Verbundguss-Bremsscheibe sowie als eine ebene Bremsscheibe.

Bei der letzteren Bauart bietet sich eine besonders rationelle Herstellung des Gussrohteils im sogenannten Stapelguss-Verfahren an. Hierbei werden mindestens zwei, vorzugsweise jedoch mehrere Bremsscheiben übereinander liegend hergestellt. Dabei liegt zwischen den Bremsscheiben jeweils eine Trennplatte aus Formstoff, die auch die Dehnungsfugenprofilierung in der Reibfläche beinhaltet. Mehrere Bremsscheiben werden hierbei wie in einer Säule übereinander gestapelt in einem einzigen Gieß-Arbeitsgang hergestellt.

Durch eine geeignete Gestaltung sowie Materialwahl der Formstoff-Trennplatten lässt sich eine schnellere Abkühlung der außen liegenden Teilsegmente gegenüber dem Bremsscheibenkern erreichen. Hierdurch können die Materialeigenschaften der Reibflächen einerseits und des Bremsscheibenkerns andererseits besonders beanspruchungsgerecht optimiert werden. Der Bremsscheibenkern bleibt duktil und behält eine hohe Zähigkeit zur Erfüllung der gestellten mechanischen Anforderungen. Die Reibflächen der Teilsegmente hingegen werden hart und besonders verschleißfest, ohne Nachteile für die mechanische Belastbarkeit.

Die Erfindung bietet vor allem dann große Vorteile, wenn die Bremsscheibe aus einem keramischen Werkstoff besteht, der naturgemäß eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei eine Innenbelüftung nur mit einem erheblichen, für ein Serienprodukt unakzeptablen Fertigungsaufwand zu realisieren ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
1, 3, 4 und 5 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe in einer Draufsicht
2 einen Teilausschnitt der Bremsscheibe nach 1 in einer Querschnittsdarstellung
In den 1, 3, 4 und 5 ist jeweils eine Bremsscheibe, insbesondere für ein Fahrzeug dargestellt, die beidseitig eine ringförmige Reibfläche 1 aufweist (2), an die zum Bremsen ein nicht dargestellter Bremsbelag andrückbar ist.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen sind die beiden Reibflächen 1 durch einen durchgehenden Bremsscheibenkern 7 miteinander verbunden, so dass die Bremsscheibe einstückig ist. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Bremsscheibe mit zwei thermisch voneinander getrennten Reibflächen 1 zu versehen, wobei dann die innenbelüftete Bremsscheibe zwischen den beiden Reibflächen 1 mit Kühlkanälen versehen ist.
Die Reibfläche 1 weist eine Vielzahl von zumindest teilweise stofflich voneinander getrennten Teilsegmenten 2, 3, 4, 5 auf, die, wie die 1, 3, 4, 5 bildlich zeigen, in ihrer Konturierung unterschiedlich sein können.
Die obere Hälfte der in der 1 gezeigten Bremsscheibe zeigt Teilsegmente 2, die eine im weitesten Sinn rombusförmige Kontur aufweisen und jeweils durch Dehnungsfugen 5 getrennt sind.
In der 1 im linken unteren Viertelkreis sind Teilsegmente 4 im Grundriss kachelförmig ausgebildet, während Teilsegmente 3 im rechten unteren Viertelkreis wabenförmig gestaltet sind.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 3 verlaufen die Dehnungsfugen 5 ebenso wie die Teilsegmente 6 gleichmäßig verteilt etwa radial und sichelförmig, wobei alle Teilsegmente 6 in Form und Abmaß gleich sind, ebenso wie alle Dehnungsfugen 5.
Bei dem in der 4 gezeigten Beispiel sind die Teilsegmente 6 im Grundriss rund und noppenartig ausgebildet. Dabei werden die Dehnungsfugen 5 durch die Abstände zwischen den einzelnen Teilsegmenten 6 gebildet.
Diese noppenartigen Teilsegmente 5 sind in mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei die Teilsegmente 5 jeweils eines Kreises gleich sind von außen nach innen, aber in ihrem Durchmesser kleiner werden.
In der 5 sind die Teilsegmente 6 in ihrem Grundriss zum Teil dreieck- und zum Teil rautenförmig gestaltet, jedoch immer abständig zueinander, wobei die Abstände die Dehnungsfugen 5 definieren.
Anstelle der hier gezeigten, lediglich beispielhaft zu sehenden Grundrisse, sind auch andere Grundrissformen der Teilsegmente denkbar, beispielsweise ellipsenförmige oder polygone. In jedem Fall bilden die stollenartig vorstehenden Teilsegmente in ihrer Gesamtheit eine insoweit plane Reibfläche.
Wie insbesondere 2 sehr deutlich zeigt, sind die die Teilsegmente 2, 3, 4, 6 seitlich begrenzenden Dehnungsfugen 5 beidseitig so weit in die Bremsscheibe eingefügt, dass im Mittenbereich ein umfänglich durchgehender Kern 7 verbleibt.
Erfindungsgemäß ist die Tiefe der Dehnungsfugen 5 größer als das zulässige Verschleißmaß der Reibfläche 1, das mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist.
Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Dehnungsfugen 5 etwa das 1,5 bis 2-fache des Verschleißmaßes 8.
Die Breite der Dehnungsfugen 5 ist so bemessen, dass eine ausreichende Lüftung zur Kühlung der Teilsegmente 2, 3, 4, 6 gewährleistet ist.

Claims

Bremsscheibe, insbesondere für ein Fahrzeug, mit mindestens einer, an einer, vorzugsweise an beiden Außenseiten vorgesehenen, ringförmigen Reibfläche (1), an die zum Bremsen ein Bremsbelag andrückbar ist, wobei die Reibfläche (1) aus einer Vielzahl von durch Dehnungsfugen (5) zumindest teilweise stofflich voneinander getrennten Teilsegmenten (2, 3, 4, 6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Dehnungsfugen (5) größer ist als das zulässige Verschleißmaß (8) der Reibfläche (1).
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Dehnungsfugen (5) etwa das 1,5 bis 2-fache des zulässigen Verschleißmaßes der Reibfläche (1) beträgt.
Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beidseitigen Reibflächen (1) ein durchgehender Bremsscheibenkern (7) ausgebildet ist.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (2, 3, 4, 6) im Querschnitt schlank ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (2, 3, 4, 6) in ihrem Grundriss etwa rautenförmig ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (3) in ihrem Grundriss wabenförmig ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (4) kachelartig ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente planeben und in ihrer Höhe fluchtend zueinander ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsfugen (5) in ihrer Breite so bemessen sind, dass eine ausreichende Lüftung gegeben ist.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei beidseitiger Anordnung von Teilsegmenten (2, 3, 4) die Dehnungsfugen (5) in ihrer Tiefe so bemessen sind, dass sie abständig zu den gegenüber liegenden Dehnungsfugen (5) enden.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Gussmaterial, vorzugsweise Gusseisen besteht.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (6) stollenartig ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (6) bzw. die angrenzenden Dehnungsfugen (5) etwa radial sich erstreckend sichelförmig ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teilsegmente (6) bzw. alle Dehnungsfugen (5) in Kontur und Abmaß gleich sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (6) zylinderförmig ausgebildet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmigen Teilsegmente (6) in konzentrischen Kreisen angeordnet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmigen Teilsegmente (6) jedes konzentrischen Kreises in ihrem Durchmesser gleich groß sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmigen Teilsegmente (6) jedes konzentrischen Kreises gegenüber denen des benachbarten konzentrischen Kreises unterschiedlich sind, vorzugsweise von außen nach innen abnehmend.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (6) einen elliptischen, dreieckförmigen oder polygonen Grundriss aufweisen.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhältnisse von Lüftkanal- zu Teilsegment-Breite auf beliebigen Umfangslinien der Bremsscheibe gleich sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Hals- oder Topfscheibe, als Verbundguss-Bremsscheibe oder als ebene Bremsscheibe ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Gussrohteil im Stapelguss-Verfahren hergestellt wird, wobei mindestens zwei, vorzugsweise mehrere Bremsscheiben übereinander liegend hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die zu gießenden Bremsscheiben jeweils eine Trennplatte aus einem Formstoff gelegt wird, die die Teilsegment- bzw. Dehnungsfugenprofilierung der Reibfläche (1) der Bremsscheibe aufweist.