DE2954462C2 - Fahrzeugrad mit Scheibenbremse, die nach dem Prinzip der Wärmerohre kühlbar ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugrad mit Scheibenbremse, die nach dem Prinzip der Wärmerohre kühlbar ist, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE-OS 22 14 995 als bekannt hervorgeht

Wärmerohre sind an sich bekannt. Hierunter soll ein evakuierter oder im wesentlichen mit einem Inertgas gefüllter, hermetisch dicht verschlossener, aus gut wärmeleitendem Material gebildeter Hohlraum verstanden werden, der mit einem verdampfbaren und kondensierbaren Wärmeträgermedium zu einem Bruchteil gefüllt ist. Meist ist das Wärmerohr im Innern teilweise mit einer Kapillarstruktur zum Rücktransport des kor.denciprten \A/ärmAträ£y*»rmi»Hiiimc vr\Tl

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anderes ähnliches Metall bzw. eine Legierung aus ihnen mit ähnlichen Eigenschaften vorgesehen. An der heißen Stelle des Wärmerohres, an der Wärmeenergie zugeführt wird, verdampft das eingegebene Medium und breitet sich rasch im Innern des Wärmerohres aus. An wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres schlägt sich das verdampfte Medium nieder und kondensiert unter Abgabe seiner Wärme an die Wandung des Wärmerohres. Bei normalen Wärmerohren kriecht das Konto densat durch Kapillarwirkung zu den Wärmezufuhrstellen zurück; bei der vorliegenden Anwendung wird für den Rücktransport des Kondensates die Fliehkraft der rotierenden Bremsscheibe ausgenützt weshalb der kondensierte wärmeabgebende Teil der Wärmerohre auf einem kleineren Durchmesser angeordnet ist als der wärmeaufnehmende Teil. Die an der Kondensatseite vom Medium an die Wandung des Wärmerohres abgegebene Wärmemenge wird auf der Außenseite durch Strahlung, Konvektion oder durch Wärmeleitung abgeführt Da an den wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres eine Zustandsänderung des Wärmeträgermediums stattfindet, wird im wesentlichen die für die Zustandsänderung erforderliche Umwandlungsenergie in Wärmeform übertragen. Da die Umwandlungsenergien, bezogen auf die Masse des Wärmeträgermediums, wesentlich größer sind als die durch Aufhuzung eines Mediums speicherbaren Energiemengen, kann durch den Transport relativ kleiner Mengen an Wärmeträgermedium eine große Wärmemenge auch über größere Entfernungen hinweg und bei relativ kleinem Temperaturgefälle übertragen werden. Durch Aufprägen eines bestimmten Druckes auf das Innere des Wärmerohres kann im übrigen auch dafür gesorgt werden, daß die Wärmeübertragung innerhalb eines bestimmten Temperaturniveaus stattfindet.

Bei der eingangs zitierten vorbekannten Scheibenbremse sind radialstehende Wärmerohre im Innern der Bremsscheibe angeordnet, die die Bremswärme radial nach innen übertragen. Durch diese zentripetale Wärmeabfuhr kommt es nicht nur zu einer örtlichen Energieverdichtung im Zentrumsbereich der Scheibenbremse, sondern im Gefolge dessen auch zu einer Temperaturanhebung. Der Nabenteil der Scheibenbremse hat daher die Tendenz in Richtung auf eine höhere Temperatur als der Bremsflächenanteil. Außerdem besteht die Gefahr einer Aufheizung der Radnabe und deren Lagerung. Diese Gefahr ist auch deswegen besonders groß, weil die zentrumsnahen Bereiche der Radlagerung besonders schlecht von Umgebungsluft beaufschlagt sind und es aufgrund dessen zu einem Wärmestau kommen kann.

Die DE-PS 20 32 580 zeigt ebenfalls eine durch Wärmerohre kühlbare Scheibenbremse, bei der die Wärme der Bremsscheibe mittels an den Bremsflächen schleifender wärmeleitender Kissen durch Wärmeleitung zunächst auf einen stillstehenden Teil übertragen und von diesem dann mittels Wärmerohren auf eine größere wärmeabgebende Fläche verteilt wird. Die zuletzt erwähnte Bremsscheibenkühlung vermeidet zwar gegen-

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den zur wärmeaufnehmenden Stelle versehen; dieses kann z. B. in Form einer Auskleidung des Rohres mit einem Siebgewebe oder durch eine Rillenstruktur der inneren Rohroberfläche geschehen. Die Auswahl des Wärmeträgermediums richtet sich nach dem Temperaturniveau, bei dem Wärme übertragen werden soll. Als Füllung für die Wärmerohre sind für die vorliegenden Zwecke beispielsweise Natrium oder Kalium oder ein aufheizung, jedoch ist die Wärmeabfuhr über wärmeleitende Kissen von der rotierenden Bremsscheibe auf stillstehendeTeile in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt;der erzielbare Nutzen steht in keinem ausgewogenen VerhältniszudemdafürerforderlichenAufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bremscheibenkühlung nach dem Prinzip des Wärmerohres anzugeben, die bei hoher Kühlleistung eine Aufheizung der Radnabe

oder einen Wärmestau vermeidet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Dank der Hindurchführung des Wärmeroh'systems bis auf die freie Radaußenseite und dank der thermischen Kopplung mit der Radzierkappe wird die abgeführte Bremswärme zügig und ohne Wärmestau an die Umgebungsluft übertragen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile des Anmeld-jngsgegenstandes können den Unteransprüchen bzw. der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen entnommen werden. Dabei zeigt

F i g. 1 einen radialen Schnitt durch ein Fahrzeugrad mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung gekühlten Bremsscheibe und

F i g. 2 eine ähnliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles.

Das in F i g. 1 gezeigte Fahrzeugrad weist eine auf einem Radlagerzapfen 4 drehbar gelagerte Nabe 5 mit einem Nabenflansch 8 sowie eine daran durch Verschraubung (Befestigungsschrauben 7) befestigte Radfelge 3 sowie eine Bremsscheibe 1 auf. Über den Scheibenteil 14 der Bremsscheibe greift ein Bremssattel 2 hinweg; mit ihm können hydraulisch Bremskräfte auf die Bremsflächen 17 ausgeübt werden. Die freiliegende Seite der Radfelge ist durch eine Radzierkappe 6 überdeckt Zur genauen zentrischen Ausrichtung der Bremsscheibe und der Radfelge auf der Radnabe weist diese eine Zentrieschulter 9 auf.

Die Bremsscheibe ist in ihrem radial innerhalb der Bremsfläche liegenden Teil 15 schüsseiförmig ausgebildet Am SchUsselteil seinerseits ist der radial nach innen ragende Bremsscheibenflansch 16 angeordnet, der die Bremsscheibe trägt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein einheitliches Wärmerohrsystem 18 nicht nur im Scheibenteil 14 und im Schüsselteil 15 der Bremsscheibe vorgesehen, sondern es erstreckt sich durch die Felge 3 hindurch bis auf die Radaußenseite. Der wärmeaufnehmende Teil des Wärmerohrsystems liegt im Scheibenteil 14 und der wärmeabgebende Teil des Wärmerohrsystems ist im Schüsselteil 15 sowie vor allem in den außenliegenden Ansätzen 32 angeordnet. Der Schüsselteil der Bremsscheibe ist bereits von Umgebungsluft beaufschlagt und die äußere Umfangsfläche des Schüsselteiles ist demgemäß mit einer einen Wärmeübergang an die Umgebungsluft begünstigenden Verrippung 27 versehen. Der Schüsselteil enthält einen ringförmigen Hohlraum, der radial nach außen und zum Scheibenteil 14 hin leicht konisch ansteigend verläuft, um einen Kondensatrückfluß durch Fliehkrafteinfluß zu begünstigen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist sowohl der Flansch- und Schüsselteil 16/15 als auch der Scheibenteil 14 in Form eines einteiligen Gußstückes ausgebildet Grauguß hat erfahrungsgemäß die besten, zumindest aber bewährte Reib- und Verschleißeigenschaften, weshalb zumindest der Scheibenteil aus Grauguß besteht. Gußteile lassen sich am haltbarsten durch eine Hartverlötung miteinander verbinden. Eine Teilung der Bremsscheibe kann zur Urzeugung der das Wärmerohrsystem 18 bildenden Hohlräume erforderlich sein. Die die beiden Bremsflächen 17 tragenden Wandungen des Scheibenteiles sind axial gegenseitig durch Abstützstege 28 abgestützt, so daß hohe axiale Bremskräfte ohne Deformation der Bremsscheibe ausgeübt werden können. Am Außenumfang der Bremsscheibe weist der Rohkörper öffnungen auf, die durch einen hart aufgelöteten bandageartigen Verschlußstreifen 19 hermetisch verschlossen sind. Die radialen öffnungen am Rohling des Scheibenteiles dienen zur Durchführung der Kernabstützung. Denkbar wäre auch eine in Umfangsrichtung einheitliche öffnung, die ebenfalls durch einen Abdeckstreifen 19 verschließbar ist wie dies das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 zeigt Anstelle einer Gußausführung des Schüssel- und Flanschteiles der Bremsscheibe kann auch eine geschweißte Ausführung aus Stahl

ίο bzw. Stahlblech vorgesehen werden, wie das Ausführungsbeispiel nach Fig.2 zeigt Im Schüssel- und Flanschteil sind keine werkstoffmäßigen Rücksichten auf die Reibeigenschaften zu nehmen; hier kommt es lediglich auf eine ausreichende Festigkeit und auf ein gutes Wärmeleitvermögen an. Im Schüsselteil sind lediglich Torsionskräfte zu übertragen, die ohne weiteres auch von der radial innenliegenden Wandung innerhalb des Schüsselteiles alleine übernommen werden können. Zur Erhöhung der Festigkeit zeigt das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 im axialen Bereich des Bremsnabenflansches 16' noppenartige durch Punktschweißen geschaffene Verbindungen zwischen der radial äußeren und radial inneren Wandung, die den Schüsselteil 15' der Bremsscheibe Γ bilden.

Übereinstimmend bei den dargestellten Bremsenkühlungen ist, daß bei beiden gezielt die Radzierkappe 6 bzw. 6' mit in die Wärmeabfuhr von Bremswärme einbezogen ist weshalb in beiden Fällen das Wärmerohrsystem sich bis auf die freiliegende Seite der Radfelge durch diese hindurcherstreckt und eine steckbare wärmeleitende Kontaktierung 31 bzw. 31' zwischen Radzierkappe 6 bzw. 6' einerseits und den Wandungen des Wärmerohrsystems andererseits vorgesehen ist. Für eine gute zentrifugale Durchlüftung des von der Radzierkappe und der Felge 3 bzw. 3' eingeschlossenen Raumes weist die Radzierkappe im zentrumsnahen Bereich als auch im Bereich des Außenumfanges Luftdurchtrittsöffnungen 33 auf. Zur Begünstigung einer zentrifugalen Durchströmung des eingeschlossenen Raumes können auf der Innenseite der Radzierkappe oder auch auf der freiliegenden Außenseite der Felge förderwirksame Vorsprünge nach Art von Beschaufelungen eines Kreiselgebläserades vorgesehen sein. Zwar ist eine möglichst leichte Gestaltung der Bauteile anzustreben, insbesondere dann, wenn sie keine tragende Funktion, sondern nur eine Zierfunktion wie z. B. die Radzierkappe haben. Wegen der Einbeziehung der Radzierkappe in die Wärmeabfuhr ist jedoch der zentrumsnahe Bereich, an dem die Kontaktierung mit dem Wärmerohrsystem

so vorhanden ist, zur Begünstigung eines guten Wärmeabflusses mit einer größeren Wandstärke d, auszuführen; die an der Kontaktierung aufgenommene Wärme muß möglichst rasch durch Wärmeleitung sich auf eine größere Fläche verteilen können. Im Bereich des Außenumfanges kann die Radzierkappe eine geringere Wandstärke d„ aufweisen, weil hier der zu erwartende Wärmefluß nur noch sehr gering ist.

Der schüsseiförmige Teil der Bremsscheibe nach F i g. 1 erstreckt sich axial über den Nabenflansch 8 hinweg, so daß der radial nach innen ragende Bremsscheibenfiansch auf der von der Bremse äbgcwandien aüßenliegenden Seite des Nabenflansches angeschraubt werden kann. Durch diese Anordnung wird zum einen ein Austausch der Bremsscheiben ohne Demontage der Radnaben erleichtert. Außerdem ergibt sich eine wärmeleitende Kontaktierung zwischen Bremsscheibe einerseits und Radfelge 3 andererseits, so daß die Radfelge 3 mit in die Wärmeabfuhr der Bremswärme an die

Umgebungsluft einbezogen ist. Dadurch wird ein Wärmeübergang an die Radnabe reduziert.

Vor allem aber erstreckt sich das Wärmerohrsystem 18 auch durch den Bremsscheibenflansch 16 radial hindurch; außerdem ist am Innenrand des Bremsscheibenflansches ein zylindrischer Ansatz 32 angeordnet, in den sich hinein ebenfalls das Wärmerohrsystem noch erstreckt. Der zylindrische Ansatz 32 weist auf seiner Außenseite eine Zentrierschulter 34 für die Radfelge 3 auf; die Zentrierschulter 9 auf der Nabe 5 dient also nur der unmittelbaren Zentrierung der Bremsscheibe 1. Auch hier ist die Kontaktierung auf einen möglichst schmalen und in der Umfangrichtung unterbrochenen Streifen zur Begrenzung der Wärmeabfuhr in die Nabe beschränkt. Die Kontaktierung 31 des Wärmerohrsystems zur Radzierkappe erfolgt an der außenliegenden Stirnseite des zylindrischen Ansatzes. Die Kontaktierung 31 weist zwei konzentrische zylindrische Stege auf, die mit leichtem Preßsitz auf die zylindrischen Flächen des Ansatzes 32 aufgeschoben werden. Der Vorteil einer solchen Ausführung liegt darin, daß eine besonders große Wärmeabfuhr von Bremswärme möglich ist weil sich das Wärmerohrsystem bis in Bereiche hineinerstreckt, in denen das Rad intensiv von Umgebungsluft beaufschlagt werden kann. Der zylindrische Ansatz 32 weist aufgrund seines kleinen Durchmessers und aufgrund seiner geschlossenen zylindrischen Gestalt eine hohe Festigkeit auf, so daß er ohne weiteres die Funktion einer Radzentrierung übernehmen kann.

In das an einer Stelle mit einer kleinen definierten Bohrung oder einem kleinen Einführrohr versehene einzige Wärmerohrsystem wird, nachdem es sorfältig gereinigt worden ist, eine definierte auf das Volumen des Wärmerohrsystems abgestimmte Menge an Natrium oder Kalium in metallischem Zustand eingegeben, der Hohlraum evakuiert und anschließend die Einfüllöffnung hermetisch verschlossen. Weil nur ein einziges Wärmerohrsystem vorhanden ist ist der Vorgang des Befüllens, Evakuierens und Verschließen nur ein einziges Mal vorzunehmen, so daß sich die Fertigung einer solchen Bremsscheibe wesentlich einfacher gestaltet Dieser Vorgang ist allerdings mit besonderer Sorgfalt vorzunehmen.

Die Wirkungsweise der Bremsscheibenkühiung ist nun kurz folgende: Durch die Reibungswärme wird das durch Fliehkrafteinfluß nach außen geschleuderte Metall nicht nur verflüssigt sondern auch verdampft wobei die für das Verdampfen erforderliche Wärme der Wandung der Bremsfläche 17 entzogen wird. Der Metalldampf breitet sich im Innern des Wämerohres bis in die Hohlräume des Schüsselteiles 15 und des Ansatzes 32 aus, wobei aufgrund der Beaufschlagung des Schüsselteiles und — mittelbar — auch des Ansatzes mit Umgebungsluft und aufgrund der geringeren Temperatur hier der Metalldampf sich an den Wänden kondensiert und dabei die aufgenommene Wärme an die Wandung des Ansatzes und des Schüsselteiles abgibt Aufgrund der Verrippung 27 auf der Außenseite des Schüsselteiles und aufgrund eines wärmeleitenden Kontaktes des Ansatzes 32 mit der Radzierkappe 6 wird die Bremswärme an die Umgebungsiuft zügig abgegeben. Das im Innern des Ansatzes 32 und des Schüsselteiles kondensierte Metall wird durch Fliehkrafteinfluß wieder in die Hohlraumanteile innerhalb des Scheibenteiles abgeschleudert, so daß dort erneut flüssiges Metall für eine weitere Verdampfung und Scheibenkühlung zur Verfügung steht Wegen einer gleichmäßigen Ausbreitung des Metalldampfes innerhalb des einzigen Wärmerohrsystemes kann sich keine Temperaturschichtung oder kein Temperaturprofil von störendem Ausmaß innerhalb der Bremsscheibe halten. An Stellen mit erhöhtem Wärmeeintrag wird auch vermehrt Metall verdampft und dementsprechend auch vermehrt gekühlt. Gleichwohl wird die Bremswärme in hohen Leistungsbeiträgen und bei geringem Temperaturgefälle an den Schüsselteil sowie die Ansätze 32 und von da an die Umgebungsluft abgeführt. Eine Aufheizung der Radnabe 5 ist wegen der

ίο geschilderten verschiedenen Maßnahmen, die sich gewissermaßen als Wärmelabyrinth auswirken, nicht zu befürchten.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind für gleiche bzw. entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden, wobei bei abweichender Gestaltung von entsprechenden Teilen die Bezugszahlen mit einem hochgestellten Strich versehen sind, so daß insoweit auf die voraufgegangene Beschreibung verwiesen werden kann. Es sei nachfolgend lediglich noch auf die Besonderheit bzw. Abweichungen des Ausführungsbeispieles nach F i g. 2 eingegangen Die Besonderheit der Bremsscheibenkühlung nach F i g. 2 liegt darin, daß der Scheibenteil 14' aus Guß, der Schüssel- und Flanschteil 15' bzw. 16' jedoch aus Stahl gestaltet sind. Bei dieser Ausgestaltung ist überdies der Bremsscheibenflansch 16' auf der innenliegenden Seite des Nabenflansches 8' mittels im Nabenflansch versenkter Befestigungsschrauben T verschraubt. Es besteht kein unmittelbarer wärmeleitender Kontakt zwischen Schüssei- und Flanschteil der Bremsscheibe und Radfelge 3'. Diese wird mit gesonderten Radschrauben am Nabenflansch 8' befestigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist durch eine Reduzierung der Kontaktflächen zwischen Bremsscheibenflansch und Nabe — vgl. die axiale Ausnehmung 23, die radiale Ausnehmung 25 und die Tragstreifenbreite b — dafür gesorgt, daß möglichst wenig Bremswärme in die Nabe 5' abgeleitet wird.

Der Schüsselteil 15' der Bremsscheibe Γ nach Fig. 2 ist in dem Bereich zwischen dem Scheibenteil 14' und dem Bremsscheibenflansch 16' als geschlossener Zylinder ausgebildet In diesem Bereich können an einzelnen Umfangsstellen die beiden Wandungen des Schüsselteiles zur Erhöhung der Stabilität noppenartig miteinander verbunden sein. Zur Weiterleitung der Bremswärme an die Radzierkappe sind bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere einzelne Ansätze 29 am Schüsselteil 15' angebracht die sich durch entsprechende Durchbrüche 30 in der Radfelge bzw. im Nabenflansch hindurch bis auf die freiliegende Seite der Radfelge erstrecken. Die Ansätze 29 erstrecken sich über einen gewissen Winkelraum in Umfangrichtung und weisen zweckmäßigerweise — in axialer Ansicht — Kreisbogenprofil auf. Die stirnseitigen Enden der Ansätze können ebenfalls durch zwei konzentrische zylindrische Stege an der Innenseite der Radzierkappe mit leichtem Preßsitz übergriffen werden, so daß sich ein gut wärmeleitender Kontakt zur Radzierkappe ergibt Dieses Ausführungsbeispiel zeigt daß auch bei einer innenliegenden Befestigung des Bremsscheibenflansches an der Nabe eine Durchführung des Wärmerohrsystems auf die freiliegende mit Umgebungsluft besonders gut beaufschlagte Seite der Radfelge möglich ist Demgemäß ist auch bei einer Befestigungsart nach F i g. 2 eine hohe Wärmeabfuhrleistung an die Umgebungsluft möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Fahrzeugrad mit Scheibenbremse, enthaltend eine an einer Nabe befestigte Bremsscheibe, die nach dem Prinzip der Wärmerohre kühlbar ist, die im Innern der Bremsscheibe integriert sind und die im radialen Bereich der Bremsfläche ihren wärmeaufnehmenden und in einem radial innerhalb davon liegenden Teil der Bremsscheibe ihren von Umgebungsluft beaufschlagbaren wärmeabgebenden Teil aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsscheibe (1, V) axial verlaufende, die Radfelge (33') bis auf deren von der Bremsscheibe (1, V) abgekehrten — freiliegenden — Seite durchdringende Ansätze (32,29) aufweist, in die hinein sich das Wärmerohrsystem (18,18') der Bremsscheibe (1,1') erstreckt und daß eine auf der freiliegenden Seite der Radfelge angebrachte Radzierkappe (6,6') in gut wärmeleitendem Kontakt (31,3Γ) mit den Ansätzen (32,29) der Bremsscheibe (1,1') steht

2. Fahrzeugrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsscheibenfiansch mit dem Nabenflansch auf dessen zur Fahrzeugaußenseite weisenden axialen Seite verschraubt ist und daß der am Innenrand des Bremsscheibenflansches angebrachte Ansatz (32) zylindrisch ausgebildet und außer der wärmeübertragenden Kontaktierung (31) mit der Radzierkappe (6) auch der Zentrierung (34) der Radfelge (3) auf der Bremsscheibe (1) dient

3. Fahrzeugrad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß in Zentrumsnähe und am Außenumfang der Radzierkappe (6,6') Luftdurchtrittsöffnungen (33) für eine gute radiale Durchlüftung des von der Radzierkappe (6,6') und der Radfelge (3, 3') eingeschlossenen Raumes angeordnet sind.

4. Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Radzierkappen (6, 6') im zentrumsnahen Bereich eine größere Wandstärke (el·) als am Außenumfang aufweisen (Maß d_a).

5. Fahrzeugrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Radfelge zugekehrten Seite der Radzierkappe förderwirksame Vorsprünge nach Art einer Beschaufelung angeordnet sind.