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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Bremsscheibenreibring und einem Bremsscheibentopf, bestehend aus einem Topfring und Ausdehnungselementen, die radial am Topfring, vorzugsweise am äußeren Umfang des Topfringes, angeordnet und an ihrem dem Topfring abgewandten Ende mit dem Bremsscheibenreibring formschlüssig verbunden sind. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe, bei dem Ausdehnungselemente formschlüssig in einem Bremsscheibenreibring, der über Reibflächen verfügt, und einem Topfring, der über Auflageflächen verfügt, umgeben werden.
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Bremsvorgänge haben in der Regel eine starke Erhitzung des Bremsscheibenreibringes zur Folge. Aus dem Temperaturgefälle in Richtung des Bremsscheibentopfes, das zum Schutz vor thermischen Belastungen des Radlagers vonnöten ist, resultieren hohe thermomechanische Spannungen zwischen Bremsscheibentopf und Reibring. Bei einteiligen Bremsscheiben führen diese zur Schirmung des Bremsscheibenreibringes, das wiederum die Ursache für das sogenannte Bremsrubbeln ist.
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Zur Vermeidung dieses Effektes ist aus der
DE 10 2007 013 512 A1 eine Verbundbremsscheibe bekannt, die einen radial inneren Topf und eine radial äußere Reibscheibe aufweist, wobei die Reibscheibe über Verbindungsstege verfügt, die formschlüssig und ohne Stoffschluss in einem Gießvorgang mit dem radial inneren Topf vergossen sind.
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Aus der
DE 103 52 327 A1 ein Verbund aus einer Bremsscheibe mit Nabe beschrieben. Der Verbund weist umfangsseitig zueinander benachbarte Stege zwischen der Bremsscheibe und der Nabe auf. Dabei sind die an der Bremsscheibe verankerten Stege an der Nabe befestigt. Ferner sind wenigstens zwei in Umfangsrichtung zueinander benachbarte Stege gemeinsame einstückig aus einem gebogenen Profil gebildet.
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Nachteilig hierbei ist, dass die Schirmung des Bremsscheibenreibrings nicht ausschließlich durch eine primär erwünschte radiale Verschiebung der Reibscheibe zum inneren Topf kompensiert wird, sondern ebenfalls eine axialparallele Verschiebung stattfindet, die nur schwer zu steuern ist und zwangsläufig zu einer geringen Schirmung führt.
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Des weiteren erweist sich als nachteilig, dass beim Gießvorgang unbedingt darauf zu achten ist, dass das Tragteil ohne Stoffschluss mit den radial inneren Enden der Verbindungsstege vergossen ist. Nur dann ist es gewährleistet, dass sich die Verbindungsstege bei einer sich wärmebedingt radial ausweitenden Reibscheibe gegenüber dem Tragteil radial verschieben können, um kritische Wärmespannungen zu vermeiden. Diese unbedingte Voraussetzung der Stoffschlussvermeidung schränkt die freie Materialwahl für die Verbindungsstege sowie das zu gießende Bauteil stark ein. Selbst bei differierenden Schmelzpunkten der Verbindungsstege und des zu umgießenden Materials ist ein Stoffschluss nicht zwangsläufig ausgeschlossen, sondern bedarf spezieller Maßnahmen im Rahmen des Gießvorgangs sowie eine aufmerksame Überwachung desselben.
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In Anbetracht dessen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Bremsscheibe zum Beispiel für ein Personen-, Nutz- oder Schienenfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe zu schaffen, bei welcher der Bremsscheibenreibring auf einfache und somit kostengünstige Art und Weise mit dem Bremsscheibentopf verbunden ist, thermomechanische Spannungen zwischen den beiden Bauteilen während des Bremsvorganges weitgehend ausgeschlossen sind und durch eine relativ freie Materialwahl der Einzelkomponenten Gewichtseinsparungen erzielt werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bremsscheibe sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Außerdem weist die Bremsscheibe Ausdehnungselemente auf, die länger sind als der kürzeste Abstand zwischen Topfring und Bremsscheibenreibring und die Ausdehnungselemente radialelastisch ausgebildet sind und sich an die thermische Ausdehnung des Bremsscheibenreibringes anpassen. Dadurch werden thermomechanische Spannungen zwischen Bremsscheibenreibring und Bremsscheibentopf stark reduziert. Der Bremsscheibenreibring kann seinen Radius bei Erwärmung frei vergrößern bzw. bei Abkühlung frei verkleinern, da er nicht direkt mit dem Topfring gekoppelt ist, sondern indirekt über die Ausdehnungselementen, die radialelastisch ausgebildet sind und sich somit durch eine reversible Längenveränderung an den temperaturabhängigen Radius des Bremsscheibenreibrings anpassen. Somit ist eine Schirmung des Bremsscheibenreibringes weitgehend ausgeschlossen, da die thermomechanischen Spannungen vorzugsweise durch eine ausschließlich radiale Verschiebung zwischen Bremsscheibenreibring und Topfring kompensiert werden. Eine unter Umständen stattfindende axialparallele Verschiebung zwischen Bremsscheibenreibring und Topfring kann durch die entsprechende Formgebung der Ausdehnungselemente, die länger sind als der kürzeste Abstand zwischen Topfring und Bremsscheibenreibring, dahingehend gesteuert werden, dass sie vernachlässigbar gering wird. Des weiteren wird durch die thermische Entkopplung des Bremsscheibenreibrings vom Topfring durch die Ausdehnungselemente das Radlager besser vor Hitze geschützt, da durch die verlängerte Wärmeübertragungsstrecke weniger Wärmeenergie vom Bremsscheibenreibring an den Topfring übertragen wird.
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Des Weiteren weisen die Ausdehnungselemente am dem Bremsscheibenreibring zugewandten Ende einen Hammerkopf auf. Dadurch ist bei Zug- oder Druckbelastung eine feste Verankerung im Bremsscheibenreibring gewährleistet. Der Hammerkopf hat über dies hinaus den weiteren Vorteil, dass er sehr einfach durch beispielsweise Schneiden oder Stanzen aus einem planen Blechrohling hergestellt werden kann.
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Um beispielsweise eine Radialelastizität der Ausdehnungselemente zu begünstigen weisen die Ausdehnungselemente mindestens einen, vorzugsweise zwei, durch den Querschnitt bestimmte Soll-Biegebereiche auf, in denen die Ausdehnungselemente in Axial- und/oder Radialrichtung der Bremsscheibe gebogen sind. Vergrößert sich beim Bremsvorgang aufgrund der daraus resultierenden thermomechanischen Belastung der Durchmesser des Bremsscheibenreibringes, so kompensiert die Formgebung der Ausdehnungselemente die unerwünschten thermomechanischen Spannungen zwischen Bremsscheibenreibring und Bremsscheibentopf durch eine reversible radiale Längenvergrößerung der Ausdehnungselemente. Im Idealfall resultiert aus der spezifischen Formgebung der Ausdehnungselemente eine ausschließlich radiale Verschiebung des Bremsscheibenreibringes. Unter Umständen kann jedoch auch eine geringe parallele Verschiebung in Axialrichtung des Bremsscheibenreibringes stattfinden, die jedoch durch die Biegungen in Axial- und Radialrichtung bzw. durch die Formgebung der Ausdehnungselemente dahingehend gesteuert werden können, dass die zu reduzierende axialparallele Verschiebung vernachlässigbar gering wird. Beide Verschiebungsvarianten vermeiden weitgehend eine Schirmung des Bremsscheibenreibrings.
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Ferner ist der Hammerkopf zwischen Verbindungselementen sowie Reibbändern des Bremsscheibenreibrings positioniert, so dass die außen stehenden Enden des Hammerkopfs formschlüssig in die Reibbänder eingreifen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl der an dem Bremsscheibentopf angeordneten Ausdehnungselemente eine Primzahl ist und die Bremsscheibe dadurch mindestens drei, vorzugsweise 19, Ausdehnungselemente aufweist. Auf diese Weise können die Eigenschaften der Bremsscheibe hinsichtlich Festigkeit, Gewicht, Radialelastizität, Schwingungs- und Dämpfungsverhalten ideal beeinflusst werden, um hervorragende Bremseigenschaften bei zugleich maximalem Bremskomfort erzielen zu können. In Bezug auf das Schwingungsverhalten ist eine Primzahl als Anzahl der Ausdehnungselemente deshalb von Vorteil, da eine Anregung des Bremsscheibenreibrings im Bereich seiner Eigenfrequenz nahezu ausgeschlossen ist. Alternativ kann natürlich die Anzahl der Ausdehnungselemente auch eine andere Zahl als eine Primzahl sein. Durch die Anzahl der Ausdehnungselemente verändern sich außerdem die axialparallelen Verschiebungseigenschaften des Bremsscheibenreibrings gegenüber dem Topfring. Durch eine gezielte Variation der Verbindungselementenanzahl kann diese Eigenschaft dahingehend verändert werden, dass die axialparallele Verschiebung stark reduziert wird.
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Bevorzugt ist es, wenn der Topfring und die Ausdehnungselemente aus dem gleichen Werkstoff und/oder einteilig hergestellt sind. Hierdurch kann im Rahmen eines Fertigungsprozesses durch ein oder mehrere Trenn-, Umform- und Urformverfahren sehr einfach und kostengünstig aus beispielsweise einem Blech ein Einlegeteil hergestellt werden, das über variierende Blechstärken verfügen könnte und vorzugsweise in einem darauffolgenden Gießvorgang mit einem Bremsscheibenreibring formschlüssig verbunden wird. Hieraus entsteht eine leistungsstarke Verbundbremsscheibe, die sich des weiteren durch geringe Herstellungskosten auszeichnet. Durch die variierende Blechstärke kann die Radialelastizität der Ausdehnungselemente positiv beeinflusst werden sowie die axialparallele Verschiebung des Bremsscheibenreibrings gegenüber des Topfrings gesteuert werden.
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Alternativ ist es ebenso vorteilhaft, wenn der Topfring und die Ausdehnungselemente aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Abhängig von den spezifischen Anforderungen der einzelnen Bauteile können auf diese Art und Weise die günstigsten Materialien gewählt werden, um beispielsweise eine ideale Radialelastizität der Ausdehnungselemente sowie ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit des Topfrings zu gewährleisten.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Ausdehnungselemente mit dem Bremsscheibenreibring und/oder dem Topfring stoffschlüssig verbunden sind. Somit ist bei einer sich wärmebedingt radial ausweitenden Reibscheibe ein Lösen der Ausdehnungselemente vom Bremsscheibenreibring und/oder Topfring nahezu ausgeschlossen, da in Radialrichtung größere Zugkräfte von der form- und stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Ausdehnungselementen und dem Bremsscheibenreibring und/oder dem Topfring aufgenommen werden können. Selbiges trifft bei Bremsvorgängen zu, bei denen die Ausdehnungselemente auf Zug belastet werden. Der Stoffschluss ist zwar aufgrund des vorausgesetzten Formschlusses für eine sichere Verbindung nicht zwangsläufig notwendig, jedoch begünstigt er des weiteren eine freiere Materialwahl der Ausdehnungselemente sowie des Topfrings und/oder Bremsscheibenreibrings, da die miteinander zu verbindenden Bauteile bei erlaubtem Stoffschluss größeren Schmelzpunkttoleranzen unterliegen dürfen.
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Dadurch, dass die Radialelastizität der erfindungsgemäß zugrundeliegenden Verbundbremsscheibe durch die Verbindungselemente selbst realisiert wird und nicht wie bei Lösungen des Stands der Technik durch einen unbedingt zu vermeidenden Stoffschluss, der gießtechnisch nur sehr schwer zu steuern ist, vereinfacht sich des weiteren der Herstellprozess einer solchen Verbundbremsscheibe.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausdehnungselemente im Bereich der formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit dem Bremsscheibenreibring und/oder dem Topfring eine radiale und eine axiale Breite aufweisen, die zueinander nicht identisch sind. Durch die radiale bzw. axiale Breite der Ausdehnungselemente im Bereich der formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung kann das radiale bzw. axiale Widerstandsmoment beeinflusst werden. Je breiter die Ausdehnungselemente in der entsprechenden Dimension ausgeführt sind, umso größer ist auch das entsprechende Widerstandsmoment. Zur Reduktion der axialparallelen Verschiebung des Bremsscheibenreibrings und zur Begünstigung der Radialelastizität desselben, ist es besonders vorteilhaft, wenn die axiale Breite der Ausdehnungselemente im Bereich der formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung mit dem Bremsscheibenreibring und/oder Topfring groß und die radiale Breite klein gewählt wird.
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Um eine möglichst ideale Radialelastizität der Ausdehnungselemente zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn jeweils zwei benachbarte Ausdehnungselemente beabstandet voneinander angeordnet sind. Dieser Abstand zwischen zwei benachbarten Ausdehnungselementen begünstigt über dies hinaus die Kühlung des Bremsscheibentopfes sowie eine reduzierte Wärmeübertragung des Bremsscheibenreibrings an den Topfring bzw. an das vor Wärme zu schützende Radlager.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente im Längs- und/oder Querschnitt eine Freiformgeometrie aufweisen, da hierdurch in Abhängigkeit von der Belastungssituation sehr einfach maximale Festigkeiten der Ausdehnungselemente erzielt werden können, die alternativ durch dickere Querschnitte der Ausdehnungselemente und folglich größerem Gewicht erkauft werden müssten. Die Ausdehnungselemente können sowohl konkave als auch konvexe Freiformgeometrien aufweisen. Zusätzlich kann durch die entsprechend versteifende Formgebung der Ausdehnungselemente die axialparallele Verschiebung des Bremsscheibenreibrings gegenüber dem Topfring auf einen vernachlässigbar geringen Wert reduziert werden.
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Im Hinblick auf eine kostengünstige Bremsscheibe ist es von Vorteil, wenn die Ausdehnungselemente aus Stahlblech hergestellt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Ausdehnungselemente durch einfache Umform- und Trennverfahren in die gewünschte Form gebracht werden können, die eine ausreichende Festigkeit und zugleich eine ideale Radialelastizität bei thermomechanischer Belastung gewährleistet. In einer bevorzugten Ausführungsvariante bestehen die Ausdehnungselemente aus Edelstahlblech, da dies den weiteren Vorteil der Korrosionsbeständigkeit in sich birgt.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente punkt- und/oder achsensymmetrisch angeordnet sind, da bei einer thermischen Verformung des Bremsscheibenreibringes eine gleichmäßige zentrische Verschiebung des Bremsscheibenreibringes begünstigt und somit eine Schirmung oder unregelmäßige Deformation des Bremsscheibenreibrings vermieden wird.
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Alternativ kann es bei speziellen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, wenn die Ausdehnungselemente asymmetrisch angeordnet sind. Auf diese Art und Weise ist eine besondere Einflussnahme auf das Schwingungsverhalten der Bremsscheibe möglich, so dass eine Anregung im Bereich der Eigenfrequenz der Bremsscheibe weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die Bremsscheibe eine primäre Drehrichtung aufweist und die dem Topfring abgewandten Enden der Ausdehnungselemente in und/oder gegen die primäre Drehrichtung der Bremsscheibe zeigen. Somit ist es möglich, in Abhängigkeit der beiden Belastungsfälle Vorwärts- und Rückwärtsfahrt durch eine spezifische Ausrichtung der Ausdehnungselemente eine ideale Festigkeit zu erzielen, indem die Ausdehnungselemente auf Druck und/oder Zug belastet werden. Des weiteren ist es möglich, durch eine entsprechende Ausrichtung der Ausdehnungselemente das Schwingungsverhalten und das Dämpfungsverhalten der Bremsscheibe positiv zu beeinflussen. Im Hinblick darauf, dass der Topfring und die Ausdehnungselemente des Bremsscheibentopfes in einer bevorzugten Ausführung aus dem gleichen Werkstoff und einteilig hergestellt sind, ist es von Vorteil, wenn alle Ausdehnungselemente in dieselbe Drehrichtung ausgerichtet sind. Somit wird bei der Herstellung des Bremsscheibentopfes aus beispielsweise einem einzigen Blech die zur Verfügung stehende Fläche des Rohbleches ideal ausgenutzt und eine maximal mögliche Anzahl an Ausdehnungselementen erreicht.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn sich der Querschnitt der Ausdehnungselemente ausgehend von dem Topfring zugewandten Ende bis hin zum Topfring abgewandten Ende verändert, insbesondere verkleinert. Dies begünstigt eine ideale Radialelastizität der Ausdehnungselemente, ohne Einbußen der Festigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente eine kaltluftzuführende Formgebung aufweisen, so dass das Radlager nicht nur durch die thermische Entkopplung von Bremsscheibenreibring und Topfring, sondern zusätzlich noch durch die Ausnutzung der Konvektion vor Überhitzung geschützt wird.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Ausdehnungselemente an dem Bremsscheibenreibring zugewandten Ende eine Hinterschneidung, insbesondere einen Hammerkopf, aufweisen, so dass bei Zug- oder Druckbelastung eine feste Verankerung im Bremsscheibenreibring gewährleistet ist. Es sind jedoch auch alternative Hinterscheidungsformen denkbar, wie beispielsweise Pfeilspitze, Trapez oder Kugelkopf.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente nach Festigkeits- und Ausdehnungserfordernissen und nach ästhetischen Gesichtspunkten geformt sind, so dass sie beispielsweise bei grobspeichigen Felgen zu einem anmutigen Erscheinungsbild des Gesamtfahrzeugs beitragen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die formschlüssige Verbindung zwischen den Ausdehnungselementen und dem Bremsscheibenreibring und/oder dem Topfring gießtechnisch hergestellt ist. Dies stellt eine einfache, schnell herstellbare und kostengünstige Verbindung dar, die keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise Bolzen oder Schrauben, benötigt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das zu gießende Bauteil, der Bremsscheibenreibring und/oder der Topfring, aus Grauguss oder Edelstahlguss besteht. Grauguss eignet sich insbesondere aufgrund seiner hervorragenden Reibeigenschaften als Gussmaterial, wobei Edelstahlguss noch den zusätzlichen Vorteil der Korrosionsbeständigkeit aufweist.
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Ist der Bremsscheibenreibring massiv ohne Zwischenräume ausgeprägt, so ist er vorteilhafterweise nicht so korrosionsanfällig. Alternativ ist es in besonderen Anwendungsfällen vorteilhaft, wenn der Bremsscheibenreibring aus einem Bremsscheibenreibbandpaar besteht, das über Segmente, insbesondere in primärer Drehrichtung zeigende Kühlrippen, miteinander verbunden ist. Somit kann die Erhitzung des Bremsscheibenreibringes durch Ausnutzung der Konvektion reduziert werden. Die Segmente sind idealerweise symmetrisch angeordnet, um bei thermischer oder mechanischer Belastung ein unkontrolliertes Deformieren der Bremsscheibe zu vermeiden.
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Des weiteren erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Ausdehnungselement formschlüssig mit einem der Segmente verbunden ist. Hierdurch wird eine sehr feste Verbindung zwischen Ausdehnungselement und Bremsscheibenreibring gewährleistet, da das gesamte Verbindungsende des Ausdehnungselements, das vorzugsweise als Hammerkopf ausgeformt ist, formschlüssig vom Segment umgeben ist. Insbesondere bei Zugbelastung verhindert diese Verbindung ein Herausrutschen des Ausdehnungselementes aus dem Bremsscheibenreibring.
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Alternativ oder zusätzlich ist es ebenso vorteilhaft, wenn mindestens ein Ausdehnungselement zwischen zwei Segmenten und zwischen dem Bremsscheibenreibbandpaar angeordnet und formschlüssig mit mindestens einem der Segmente verbunden ist. Hierdurch können die Segmente relativ schlank ausgebildet werden, so dass durch die verminderten Massenanhäufungen sogenannte Hot Spots vermieden werden. Gleiches wird dadurch bewirkt, indem in einer besonders vorteilhaften Weise mindestens ein Ausdehnungselement zwischen zwei Segmenten und zwischen dem Bremsscheibenreibbandpaar angeordnet und formschlüssig mit dem Bremsscheibenreibbandpaar verbunden ist.
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Bevorzugt ist es, wenn der Bremsscheibentopf aus mehreren Bauteilen besteht, da im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen des Topfrings und der Ausdehnungselemente verschiedene Materialien verwendet werden können, um die Gesamteigenschaften des Bremsscheibentopfes hinsichtlich Radialelastizität, Festigkeit, Schwingungsverhalten und Dämpfungsverhalten zu optimieren.
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Insbesondere bei Nutz-, Schienen- und hoch motorisierten Personenfahrzeugen ist der Bremsscheibentopf sehr starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn der Bremsscheibentopf aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Stahlblechen besteht.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Bremsscheibentopf aus einem gegossenen Topfring und einem oder mehreren mit dem Topfring formschlüssig verbundenen Ausdehnungselementen aus Stahlblech besteht. Hierdurch können sowohl die Dämpfungs- als auch die Schwingungseigenschaften der Bremsscheibe beeinflusst sowie eine optimale Gewichtsverteilung bewirkt werden.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe werden vorteilhafterweise die radial inneren Enden der Ausdehnungselemente formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Topfring und die radial äußeren Enden der Ausdehnungselemente mit dem Bremsscheibenreibring vergossen, wobei der gegossene Bremsscheibenreibring und der Topfring mit einer oder mehreren Verbindungen, welche den Bremsscheibenreibring und den Topfring steif miteinander verbinden, in einem Stück gegossen werden. Anschließend werden die durch die Verbindungen steif miteinander verbundenen Reibflächen des Bremsscheibenreibringes und die Auflagefläche des Topfringes plangedreht, dass ein ruhiger Lauf und ein ruckelfreies Bremsen der Bremsscheibe gewährleistet ist. Danach werden zur Fertigbearbeitung der Bremsscheibe die Verbindungselemente zwischen Bremsscheibenreibring und Topfring abgetrennt, so dass der Topfring und der Bremsscheibenreibring ausschließlich durch die Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Neben der schnellen und kostengünstigen Fertigung der Bremsscheibe hat das Verfahren den weiteren Vorteil, dass durch die temporäre Verbindung des Topfringes und des Bremsscheibenreibring über die Verbindungselemente eine effektive und effiziente Bearbeitung der Reibflächen und der Auflageflächen erfolgen kann, ohne eine gravierende Axialbelastung auf die Ausdehnungselemente aufbringen zu müssen. Somit sind die Ausdehnungselemente während des gesamten Bearbeitungsprozesses vor einer axialen Überbelastung geschützt.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Bremsscheibentopfes,
- 2 einen Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der der Bremsscheibentopf formschlüssig mit dem Verbindungssegment des Bremsscheibenreibringes verbunden ist,
- 3 und 4 jeweils im Halbschnitt eine Verbundbremsscheibe, bei der der Bremsscheibentopf mit den Bremsscheibenreibbandpaaren verbunden ist,
- 5 einen Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der der Bremsscheibentopf mit jeweils zwei Segmenten des Bremsscheibenreibringes verbunden ist,
- 6 einen Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der die Ausdehnungselemente aus Stahlblech mit einem gegossenen Topfring und einem gegossenen Bremsscheibenreibring aus Grauguss verbunden sind, und
- 7 eine Draufsicht sowie
- 8 und 9 einen Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der zwei Bremsscheibentöpfe mit dem Bremsscheibenreibring verbunden sind.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bremsscheibentopfes 2, der einen Topfring 3 und Ausdehnungselemente 6 aufweist. Der Topfring 3 verfügt über eine mittig angeordnete Zentrierung 4 und Anschraublöcher 5, so dass eine zentrierte Befestigung des Bremsscheibentopfes an einer Achse vorgenommen werden kann. Die Ausdehnungselemente 6 sind aus dem gleichen Werkstoff wie der Topfring 3 einteilig hergestellt. Sie sind am äußeren Umfang des Topfringes 3 angeordnet und die Verbindungselemente 6 sind voneinander durch Materialfreiräume 11 getrennt und zeigen mit ihrem dem Topfring 3 abgewandten Ende in die primäre Drehrichtung der Verbundbremsscheibe 1. Somit wird gewährleistet, dass die Ausdehnungselemente 6 beim Bremsvorgang primär auf Druck belastet werden. Des weiteren kann durch die einheitliche Anordnung aller Ausdehnungselemente 6 in eine Drehrichtung eine ideale Materialausnutzung bei der Herstellung des einteiligen Bremsscheibentopfes 2 durch beispielsweise Schneiden oder Stanzen der Materialfreiräume erzielt werden.
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Alternativ können unter Beibehaltung der Symmetrie einzelne Ausdehnungselemente 6 gegen die primäre Drehrichtung ausgerichtet sein, um auch bei Bremsvorgängen aus einer schnellen Rückwärtsfahrt eine ausreichend hohe Festigkeit des Bremsscheibentopfes 2 zu gewährleisten.
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Die Ausdehnungselemente 6 weisen Verjüngungen 7 auf, bei denen sich der Querschnitt der Ausdehnungselemente 6 verringert. Durch diese Verjüngungen 7 werden Soll-Biegebereiche der Ausdehnungselemente 6 bestimmt. In diesen Bereichen werden die Ausdehnungselemente 6 bei der Herstellung des einteiligen Bremsscheibentopfes 2 in besonderer Art und Weise gebogen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Ausdehnungselemente 6 im Bereich der Verjüngung 7a in axialer Richtung und im Bereich der Verjüngung 7b in radialer Richtung nach außen gebogen. Des weiteren besitzt jedes Ausdehnungselement 6 an seinem Ende einen Hammerkopf 10, der einen hervorragenden Formschluss zwischen den Ausdehnungselementen 6 und dem Bremsscheibenreibring 8 gewährleistet.
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2 zeigt wie dieser in 1 beschriebene Bremsscheibentopf 2, der in einem Trenn- und Umformverfahren materialeinheitlich und einstückig hergestellt ist, mit einem radial außen angeordneten Bremsscheibenreibring 8 zu einer Verbundbremsscheibe 1 verbunden ist. Der Bremsscheibenreibring 8 weist zwei in Axialrichtung parallel angeordnete Reibbänder 14a und 14b auf, die über Verbindungssegmente 9 verbunden sind. Der Bremsscheibenreibring 8 ist aus einem Werkstoff und einteilig hergestellt. Der Hammerkopf 10 der Ausdehnungselemente 6 des einstückigen Bremsscheibentopfes 2 ist formschlüssig mit einzelnen Verbindungssegmenten 9 verbunden, die an ihrem radial inneren Ende stabiler ausgeführt sind. Alle weiteren Verbindungssegmente 9, die keine Verbindung mit einem der Hammerköpfe 10 eingehen, sind dagegen leichter und materialsparender ausgeprägt.
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Hier wird die formschlüssige Verbindung zwischen Bremsscheibentopf 2 und Bremsscheibenreibring 8 in einem Gießverfahren hergestellt. Hierbei wird der Bremsscheibentopf 2, der aus einem einzigen Werkstoff und einteilig hergestellt ist, zu Beginn vorgewärmt, um beim Gießvorgang Lunker zwischen der Verbindung des Bremsscheibentopfes 2 und des Bremsscheibenreibringes 8 zu vermeiden. Der Bremsscheibentopf 2 wird anschließend unter leichtem radialem Druck in eine Kokille gelegt und mit einem Gussmaterial, vorzugsweise Grauguss oder Edelstahlguss, umgossen. Durch das axial vorgespannte Eingießen des Bremsscheibentopfes 2 befindet sich dieser bei normaler Betriebstemperatur des Bremsscheibenreibrings 8 in Bezug auf die thermisch bedingte Radialausdehnung idealerweise in einer zug- und druckneutralen Stellung.
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Im Gegensatz zu vergleichbaren Verbundbremsscheiben des Stands der Technik besteht ein wesentliche Vorteil darin, dass bei der dargestellten bevorzugten Lösung nicht darauf zu achten ist, dass beim Formschluss zwischen Hammerkopf 10 und Verbindungssegment 9 eine stoffschlusslose Verbindung garantiert wird. Diese Voraussetzung ist jedoch bei vergleichbaren Verbundbremsscheiben unbedingt notwendig, um durch die daraus resultierende schwimmende Lagerung thermomechanische Ausdehnungen des Bremsscheibenreibrings zu kompensieren. Die Herstellung einer solchen stoffschlusslosen Verbindung ist jedoch gießtechnisch sehr schwer zu steuern und hat noch den weiteren Nachteil, dass die Materialien des Bremsscheibenreibrings 8 und des Bremsscheibentopfes 2 nicht frei wählbar sind, sondern auf ausreichend große Schmelzpunktunterschiede der beiden Bauteile zu achten ist.
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Im Gegensatz dazu ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Stoffschlussverbindung zwischen Bremsscheibentopf 2 und Bremsscheibenreibring 8 nicht nur technisch einfacher zu realisieren, sondern hat über dies hinaus noch den Vorteil, dass die Verbindung höhere Zugkräfte aufnehmen kann.
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Der Grund, weshalb die Verbindung sowohl mit als auch ohne Stoffschluss realisiert sein kann, besteht darin, dass die bei Erhitzung des Bremsscheibenreibringes 8 stattfindende radiale Ausdehnung durch die spezifische Form der Ausdehnungselemente 6 kompensiert wird und nicht wie bei bekannten Lösungen durch eine schwimmende Lagerung der Ausdehnungselemente. Die Ausdehnungselemente 6 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel länger als der kürzeste Abstand zwischen Topfring 3 und Bremsscheibenreibring 8 ausgeprägt, so dass durch die radial elastischen Eigenschaften der Ausdehnungselemente 6 thermomechanische Spannungen vermieden werden, indem die Ausdehnungselemente 6 eine thermisch bedingte Vergrößerung des Bremsscheibenreibringes 8 erlauben. Zugleich haben sie den Vorteil durch ihre Freiformgeometrie des radialen- und axialen Querschnitts, die Formgebung und die Ausrichtung in die primäre Drehrichtung großen mechanischen Belastungen standhalten zu können, ohne überaus massiv und somit schwer ausgebildet werden zu müssen.
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In den 3 und 4 ist eine erfindungsgemäße Ausführung einer Verbundbremsscheibe 1 gezeigt. Analog zu den 1 und 2 ist der Bremsscheibentopf 2 formschlüssig durch den Hammerkopf 10 mit dem Bremsscheibenreibring 8 verbunden. Im Unterschied zu den 2 und 4 ist der Hammerkopf 10 nicht mit einem Verbindungssegment 9 verbunden, sondern zwischen den Verbindungssegmenten 9a und 9b sowie den Reibbändern 14a und 14b positioniert, so dass die außen stehenden Enden des Hammerkopfes 10 formschlüssig in die Reibbänder 14a und 14b eingreifen. Bei dieser Lösung können die Verbindungssegmente 9 alle gleich dick ausgeführt werden. Auf diese Art und Weise können Massenanhäufungen im Bremsscheibenreibring 8 vermieden werden, aus denen Hot Spots resultieren würden.
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Alternativ hierzu ist gemäß der 5 eine weitere Verbundbremsscheibe gezeigt, bei der die Hammerköpfe 10 der Ausdehnungselemente 6 zwischen zwei benachbarten Verbindungssegmenten 9a und 9b des Bremsscheibenreibringes 8 sowie zwischen den in Axialrichtung parallel angeordneten Reibbändern 14a und 14b angeordnet sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 und 4 sind die Enden des Hammerkopfes 10 des Ausdehnungselementes 6 formschlüssig mit den Verbindungssegmenten 9a und 9b verbunden.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die dem Bremsscheibenreibring 8 zugewandten Enden der Ausdehnungselemente 6 mit Widerhaken ausgeführt, die in Verbindungsöffnungen des Bremsscheibenreibringes 8 eingeklippst sind, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen Bremsscheibentopf 2 und Bremsscheibenreibring 8 entsteht. Diese Verbindungsvariante hat den Vorteil, dass der Bremsscheibenreibring 8 nicht in einem Gießverfahren mit dem Bremsscheibentopf 2 formschlüssig verbunden werden müsste, sonder nachträglich in den bereits vorhandenen Bremsscheibenreibring 2 eingeklippst werden könnten. In diesem Fall könnten vorteilhafter Weise für den Bremsscheibenreibring 8 alternative Materialien wie beispielsweise Kohlefaser oder Keramik verwendet werden, die bezüglich ihrer Reibeigenschaften und dem Gesamtgewicht der Verbundbremsscheibe eine Verbesserung darstellen würden.
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6 und 7 zeigen eine Verbundbremsscheibe, bei welcher der Bremsscheibentopf2 nicht wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen aus dem gleichen Material und einteilig hergestellt ist, sondern der Topfring 3 sowie die Ausdehnungselemente 6 einzelne Bauteile darstellen. Des weiteren weist der Topfring 3 eine zu bearbeitende Auflagefläche 13 und der Bremsscheibenreibring 8 eine zu bearbeitende Reibfläche 12 auf. Zur Herstellung der in 6 dargestellten Verbundbremsscheibe werden zunächst die, aus vorzugsweise Edelstahlblech bestehenden, Ausdehnungselemente 6 unter leichtem Radialdruck in eine Kokille gelegt. Die radial innen liegenden Enden der Ausdehnungselemente 6 werden formschlüssig mit dem Topfring 3, der vorzugsweise aus Graugussmaterial besteht, umgossen. Analog werden die radial äußeren Enden der Ausdehnungselemente 6 mit dem Bremsscheibenreibring 8 formschlüssig umgossen. Bei diesem Gießvorgang werden des weiteren redundante Verbindungselemente 15 zwischen dem Topfring 3 und dem Bremsscheibenreibring 8 gegossen wie in 7 gezeigt. Diese versteifen die beiden Bauteile und entlasten somit die Ausdehnungselemente 6. Durch diese Verbindungen ist es möglich, in einem weiteren Arbeitsschritt die Auflagefläche 13 sowie die Reibfläche 12 durch beispielsweise Drehen oder Schleifen nach zu bearbeiten, ohne dabei in Axialrichtung zu starke Kräfte auf die Ausdehnungselemente 6 aufbringen zu müssen, durch die die Ausdehnungselemente 6 Schaden nehmen könnten. Danach wird die Verbundbremsscheibe durch das Abstanzen der Verbindungselemente zwischen Topfring 3 und Bremsscheibenreibring 8 fertiggestellt.
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Die 8 und 9 zeigen eine Verbundbremsscheibe 1 mit einem Bremsscheibentopf 2, der aus zwei separaten Bremsscheibentöpfen 2a und 2b besteht, wobei Bremsscheibentopf 2b über dem Bremsscheibentopf 2a angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für Nutzfahrzeuge, damit der Bremsscheibentopf 2 höheren mechanischen Belastungen standhalten kann. In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die Ausdehnungselemente 6 der beiden Bremsscheibentöpfe 2a und 2b in entgegengesetzter Axialrichtung gebogen und bilden somit zusammen eine bauchige Form aus. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform sind die beiden Bremsscheibentöpfe gleich geformt und in Axialrichtung gegeneinander verdreht angeordnet. Alternativ können für eine derartige Verbundbremsscheibe mehr als zwei Bremsscheibentöpfe 2 verwendet werden.