DE4041010A1

DE4041010A1 - Quietschunterdrueckungsvorrichtung fuer scheibenbremsen

Info

Publication number: DE4041010A1
Application number: DE19904041010
Authority: DE
Inventors: Mikio Matsuzaki; Toru Yoshino; Toshitaka Izumihara
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Akebono Research and Development Centre Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Akebono Research and Development Centre Ltd
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1991-07-04
Also published as: GB2239685B; JPH03189431A; GB2239685A; GB9027538D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum wirksa men Unterdrücken bzw. Vermeiden von Quietschgeräuschen bei einer Scheibenbremse während des Bremsvorganges.

Es ist bekannt, daß bei einer Scheibenbremse, deren Scheiben rotor sich zusammen mit einer Achse dreht und durch Reibbe läge geklemmt wird, die von einer hydraulischen Betätigungs einrichtung o. dgl. zum Bremsen eines Fahrzeuges beaufschlagt werden, ein sehr unangenehmes hochfrequentes Geräusch, wel ches als Quietschen bezeichnet wird, infolge der Härte des Scheibenrotors, des Zusammenhanges zwischen den Eigenschaften des Rotors und den Belägen usw. erzeugt wird, wenn der Rotor durch die Beläge während des Bremsvorganges geklemmt wird. Es hat sich bestätigt, daß, wenn die Reibbelänge ein organi sches Material aufweisen, dessen Hauptbestandteil Asbest ist, die Richtung der Schwingung des Scheibenrotors und jener der Ausbreitung der Schwingungswelle sowie die Biegeschwingung oder Torsionsschwingung einer Platte miteinander übereinstim men, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, wobei insbesondere die Hauptkomponente der Schwingung des Scheibenrotors eine Trans versalschwingung ist. Fig. 11 zeigt die Charakteristika der Querschwingung des Scheibenrotors, um die Resonanzstellen be züglich der Transversalschwingung des Rotors zu verdeutlichen. Fig. 12 zeigt die Frequenz und die Stärke des Quietschens der Scheibenbremse während des tatsächlichen Bremsvorganges für den Fall, daß die Reibbeläge ein organisches Material auf weisen. Aus den Fig. 11 und 12 ergibt sich, daß einige der Quietschgeräusche den Resonanzpunkten vierter Ordnung, fünf ter Ordnung und siebter Ordnung bei der Transversalschwin gung zugeordnet sind. Um diese Quietschgeräusche in üblicher Weise zu verhindern, wird ein ringförmiges Metallteil pas send auf der Umfangsfläche eines Scheibenrotors angebracht, um die Resonanzpunkte zu verschieben, wie dies in der US-PS 32 86 788 und der GB-PS 9 34 096 gezeigt ist, oder es wird ei ne Mehrzahl von Öffnungen oder Ausnehmungen in den Bremsflä chen eines Scheibenrotors vorgesehen, um die Resonanzpunkte zu verschieben, wie dies in der japanischen Gebrauchsmusteran meldung (OPI) No. 1 08 880/79 gezeigt ist. (Die Bezeichnung "OPI" bedeutet eine "ungeprüfte veröffentlichte Anmeldung").

Da jedoch in jüngster Zeit die Reibbeläge ein halbmetallisches oder ein asbestfreies Material aufweisen, lassen sich die Quietschgeräusche bei einer Scheibenbremse nicht in ausrei chendem Maße durch die üblichen und vorstehend genannten Ge genmaßnahmen zur Transversalschwingungsunterdrückung verhin dern. Fig. 10 zeigt die Frequenz und die Stärke der Quietsch geräusche bei einer Scheibenbremse mit Reibbelägen, die ein halbmetallisches oder asbestfreies Material aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß der Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Stärke der Quietschgeräusche weitgehend jenem (der in Fig. 9 gezeigt ist) zwischen der Frequenz und der Stärke der Längsschwingung des Scheibenrotors der Bremse angenähert ist, wobei der Rotor in dieser Längsschwingungsrichtung Ex pansionen und Kontraktionen in Richtung der Dicke der Schei ben erfährt, und sich die Schwingungswelle in Umfangsrich tung des Rotors senkrecht zur Dickenrichtung desselben fort pflanzt. Wie sich aus der Gegenüberstellung der Fig. 9 und 10 ergibt, gibt es Resonanzpunkte bei 8,4 kHz (zweite Ord nung), 12,6 kHz (vierte Ordnung) und 17,6 kHZ (sechste Ord nung) hinsichtlich des Frequenzverhaltens sowohl bezüglich der Quietschgeräusche als auch der Längsschwingung. Hieraus läßt sich schließen, daß die Quietschgeräusche bei Scheiben bremsen mit Reibbelägen, die halbmetallisches oder asbest freies Material aufweisen, im wesentlichen auf der Längs schwingung des Scheibenrotors basieren.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, das Auftreten von Quietsch geräuschen aufgrund von Längsschwingungen des Scheibenrotors einer Scheibenbremse zu verhindern, bei welcher Reibbeläge ein gesetzt werden, die ein halbmetallisches oder asbestfreies Ma terial aufweisen, und die gegen den Scheibenrotor bzw. die Bremsscheibe zum Ausführen eines Bremsvorganges gedrückt wer den.

Nach der Erfindung wird hierzu der Scheibenrotor so aufge teilt, daß die Frequenz der Resonanz zweiter Ordnung des Ro tors bezüglich der Längsschwingung größer als 15 kHz ist, wel ches den oberen Grenzwert für den menschlich hörbaren Fre quenzbereich darstellt. Genauer gesagt wird der Scheibenrotor durch ein ganzzahliges Vielfaches unterteilt, das man dadurch erhält, daß man den Dezimalteil eines Wertes n auf eine ganz zahlige Einheit erhöht, der sich aus der nachstehenden Glei chung ergibt, oder daß man eine Division mit einer ganzen Zahl vornimmt, die größer als die vorstehend angegebene ganze Zahl ist.

(X: Außendurchmesser (mm) des Rotors)
(E: Elstizitätsmodul (dyn/cm²) des Rotors)
(ρ: spezifisches Gewicht (g/cm³) des Rotors)

Je kleiner die abgewickelte Länge des Scheibenrotors der Schei benbremse nach der Erfindung ist, desto höher ist die Frequenz der Längsschwingung des Scheibenrotors. Ferner treten die Quietschgeräusche an der Resonanzstelle zweiter Ordnung, vierter Ordnung und sechster Ordnung bei der Längsschwingung auf. Aus diesen Gründen wird die Scheibe durch die vorstehend angegebene Zahl derart unterteilt, daß die Resonanzfrequenz zweiter Ordnung bei der Längsschwingung so verschoben wird, daß sie größer als 15 kHz ist, wobei dieser Wert der obere Grenzwert des menschlich hörbaren Frequenzbereiches ist. Als Folge hiervon sind die Quietschgeräusche für den Menschen nicht wahrnehmbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er geben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeich nung. Darin zeigt:

Fig. 1 ein experimentell erhaltenes Diagramm zur Ver deutlichung des Zusammenhangs zwischen den Ab messungen der Scheibenrotoren und den Durchmes sern bei der Ausbreitung der Längswellen,

Fig. 2, 3 und 4 Scheibenrotoren, die mittels Schlitzen unter teilt sind,

Fig. 5 eine belüftete Bremsscheibe bzw. ein belüfte ter Scheibenrotor, der mittels Schlitzen unter teilt ist,

Fig. 6 einen Scheibenrotor, der vollständig unter teilt ist und mit Hilfe von Stahlstücken ver bunden ist,

Fig. 7 einen Scheibenrotor, der vollständig unter teilt ist und dann die abgeteilten Teile des Rotors passend mit den anderen unterteilten Teilen desselben verbunden werden,

Fig. 8 eine prinzipielle Darstellung der Transver salschwingung,

Fig. 9 ein charakteristisches Diagramm zur Verdeut lichung des Zusammenhangs zwischen der Frequenz und der Stärke der Längsschwingung eines Scheibenrotors,

Fig. 10 ein charakteristisches Diagramm zur Verdeut lichung des Zusammenhangs zwischen der Fre quenz und der Stärke des Quietschens, welches beim tatsächlichen Bremsvorgang unter Verwendung von Reibbelägen aus einem halbmetallischen oder asbestfreien Material auftritt,

Fig. 11 ein charakteristisches Diagramm zur Verdeut lichung des Zusammenhangs zwischen der Fre quenz und der Stärke der Transversalschwin gung eines Scheibenrotors, und

Fig. 12 ein charakteristisches Diagramm zur Verdeut lichung des Zusammenhangs zwischen der Fre quenz und der Stärke des Quietschens, das beim tatsächlichen Bremsvorgang unter Verwen dung von Reibbelägen aus einem organischen Material auftritt.

Es ist bekannt, daß sich die Frequenz f (Hz) einer Längs welle, die sich in einem massiven Teil mit einer Länge l (cm) , einem Elastizitätsmodul E (dyn/cm²) und einer spezifischen Dichte ρ (g/cm³) ausbreitet, die sich in allgemeiner Weise durch die folgende Gleichung ausdrücken läßt:

In der Gleichung (1) bedeuten V, λ und p die Schallgeschwin digkeit (cm/s), die Länge (cm) der Längswelle und eine ganze Zahl, welche die Ordnungszahl (1, 2, 3, ... oder n) der Längs welle ist. Da der Scheibenrotor der Scheibenbremse nach der Erfindung kreisförmig ausgebildet ist und kein offenes Ende in Umfangsrichtung des Rotors hat, hat es sich aus Versuchen jedoch ergeben, daß die Frequenz einer Längswelle, die sich im Rotor fortpflanzt, nicht durch die Gleichung (1), sondern durch die folgende Gleichung ausdrücken läßt:

In der Gleichung (2) bedeutet p die Ordnungszahl der Längs welle, welche aber eine gerade Zahl, wie 2, 4 und 6 ist, und D bedeutet den Durchmesser (cm), an der sich die Welle am Scheibenrotor fortpflanzt. Auch hat sich aus Versuchen ge zeigt, daß der Durchmesser D und der Außendurchmesser X des Scheibenrotors untereinander einen Zusammenhang haben, der in Fig. 1 verdeutlicht ist.

Aus der Gleichung (2) läßt sich die Resonanzfrequenz eines Scheibenrotors, der für einen üblichen Personenwagen bestimmt ist und einen Außendurchmesser von 240 mm hat, ermitteln mit 8000 Hz, 12 000 Hz und 17 000 Hz für die Längswellen zweiter Ordnung, vierter Ordnung und sechster Ordnung des Scheibenro tors jeweils, und für die Resonanzfrequenz eines Scheibenro tors, der für einen üblichen Personenkraftwagen bestimmt ist und einen Außendurchmesser von 260 mm hat, ergibt sich 9500 Hz, 14 500 Hz und 19 000 Hz für die Längsschwingungen zweiter Ordnung, vierter Ordnung und sechster Ordnung des Scheiben rotors jeweils. Diese Frequenzen sind nahezu gleich jenen der Quietschgeräusche, die bei tatsächlichen Verhältnissen auftreten.

Aus einer näheren Betrachtung der Gleichung (2) ist zu erse hen, daß die Frequenz f größer wird, wenn die Längswellen fortpflanzungslänge L, die gleich π D ist, kleiner wird. So mit läßt sich die Ausbreitungslänge L, bei der die Resonanz frequenz der Längswelle zweiter Ordnung 15 kHz überschreitet, welcher Wert den oberen Grenzwert für den menschlich hörbaren Frequenzbereich darstellt, auf die folgende Weise bestimmen:

Diese Gleichung bedeutet, daß die Frequenz f größer als 15 kHz wird, wenn die Ausbreitungslänge L so vorgegeben wird, daß sie kleiner als √ / 15 000 ist. Aus diesem Grunde läßt sich eine minimale Unterteilungszahl n zur Unterteilung der Umfangslän ge π D für den Längswellenausbreitungsdurchmesser D des Schei benrotors mit einem Außendurchmesser X zur Erzielung einer ab gewickelten Länge jedes unterteilten Teils des Rotors von klei ner als L mit einer ganzen Zahl angeben, die man dadurch er hält, daß man den Dezimalteil des Wertes von π D/L auf eine Einheit erhöht. Wenn die Anzahl n gleich dem Wert π D/L ist, läßt sich diese Zahl auf die folgende Weise ausdrücken:

Die minimale Unterteilungszahl n zum Verhindern der Erzeugung von für den Menschen hörbare Quietschgeräusche läßt sich somit für Scheibenrotoren mit einem Außendurchmesser X von 240 mm und 260 mm für Personenkraftwagen beispielsweise wie folgt bestimmen:

n = 1,65 (für X = 240 mm)
n = 1,77 (für X = 260 mm)

In diesem Fall sind der Elastizitätsmodul E und das spezifische Gewicht ρ der Scheibenrotoren jeweils mit 12,8×10¹¹ dyn/cm² und 7,2 g/cm³ angenommen. Der Dezimalteil der minimalen Unter teilungszahl n wird auf einen ganzen Wert erhöht. Somit ergibt sich die Zahl 2.

Die Unterteilung dieser Scheibenrotoren wird in konkreter Weise nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3, 4, 5, 6 und 7 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Scheibenrotor 1, der mit zwei Schlitzen 2 versehen ist, die von der Bremsfläche 1a des Rotors ausgehen und sich zu der Nabe 1b desselben erstrecken und in einem Win kelabstand von 180 Grad angeordnet sind. Die Schlitze 2 haben eine übereinstimmende Formgestaltung.

Fig. 3 zeigt einen Scheibenrotor 1, der mit inneren und äußeren Schlitzen 3 und 3′ versehen ist, die in radialer Richtung des Rotors verlaufen und einen Winkelabstand von 180 Grad haben. Die äußeren Schlitze erstrecken sich von dem Umfangsrand des Scheibenrotors zu der Nähe der inneren Schlitze, die sich aus gehend von der Bremsfläche 1a des Rotors zu der Nabe 1b des selben erstrecken.

Fig. 4 zeigt einen Scheibenrotor 1, der mit zwei Schlitzen 4 und 4′ versehen ist, die ausgehend von der Bremsfläche 1a des Rotors zu der Nabe 1b desselben verlaufen und in einem Winkel abstand von 180 Grad angeordnet sind. Der Rotor 1 ist auch mit einem Schlitz versehen, der von dem Umfangsrand des Rotors aus geht und sich zu der Nähe des Schlitzes 4′ erstreckt.

Fig. 5 zeigt einen belüfteten Scheibenrotor 5, der mit Schlitzen versehen ist, die in der Innenseite 5a und 5b des Rotors an geordnet sind und ähnlich wie jene ausgelegt sind, die in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt sind. Der Winkelabstand zwischen den jeweiligen Schlitzen, die in der Innenseite 5a angeordnet sind, und jene, die in der Außenseite 5b angeordnet sind, kann sich entweder auf Null Grad oder auf 90 Grad belaufen.

Die Breite jedes Schlitzes, der in den Fig. 2, 3, 4 und 5 ge zeigt ist, hängt von der Größe und der Form des Scheibenrotors ab. Bevorzugt ist es jedoch, daß die Breite 4 mm oder kleiner ist.

Fig. 6 zeigt einen Scheibenrotor, der vollständig unterteilt ist und dann mit Hilfe von Metallstücken 6 verbunden ist, die in die unterteilten Teile des Rotors eingesetzt sind und dann mittels Verstemmen o. dgl. fest verbunden sind.

Fig. 7 zeigt einen Scheibenrotor, der vollständig unterteilt ist und dann mit Hilfe von Paßteilen 7 des unterteilten Teils des Rotors und dem anderen unterteilten Teil desselben verbun den ist.

Obgleich die jeweiligen Scheibenrotoren, die in den Fig. 2, 3, 4, 5, 6 und 7 gezeigt sind, derart unterteilt sind, daß die unterteilten Teile des Rotors gleich ausgelegt sind, können die Rotoren auf beliebige Weise unterteilt werden, voraus gesetzt, daß die abgewickelte Länge des unterteilten Teils des Rotors derart gewählt ist, daß die Resonanzfrequenz der Längs schwingung zweiter Ordnung im Rotor größer als 15 kHz ist.

Nach der Erfindung wird ein Scheibenrotor derart unterteilt, daß die Resonanzfrequenz der Längsschwingung zweiter Ordnung, die bei einem Bremsgeräusch als erstes beim Quietschen auf tritt, größer als der obere Grenzwert des menschlich hörbaren Frequenzbereiches ist, wobei man sich die Tatsache zunutze macht, daß die Resonanzfrequenz der sich in einem Körper ausbreitenden Längsschwingung größer wird, wenn die Länge des Körpers kleiner wird. Auf diese Weise wird das Quiet schen für das menschliche Gehör nicht wahrnehmbar.

Claims

1. Vorrichtung zum Verhindern des Quietschens einer Scheibenbremse, bei der Reibbeläge aus einem halbmetalli schen oder asbestfreien Material auf einen Scheibenrotor bzw. eine Bremsscheibe (1; 5) zum Ausführen eines Bremsens gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1; 5) derart unterteilt ist, daß die Reso nanzfrequenz zweiter Ordnung der Längsschwingung des Ro tors (1; 5) größer als 15 kHz ist.

2. Vorrichtung zum Verhindern des Quietschens einer Scheibenbremse, bei der Reibbeläge aus einem halbmetalli schen oder asbestfreien Material auf einen Scheibenrotor bzw. eine Bremsscheibe (1; 5) zum Ausführen eines Bremsens gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1; 5) in eine Mehrzahl von Teilen unterteilt ist, wobei die Anzahl der unterteilten Teile durch eine gan ze Zahl bestimmt wird, die man durch Erhöhen des Dezimalteils eines Werts n auf einen ganzen Wert erhält, oder durch eine ganze Zahl erhält, die größer als die vorstehend bestimmte ganze Zahl ist, wobei der Wert n den folgenden Zusammenhang erfüllt: wobei
X = Außendurchmesser (mm) des Rotors;
E = Elastizitätsmodul (dyn/cm²) des Rotors; und
ρ: spezifisches Gewicht (g/cm³) des Rotors.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenrotor (1; 5) mit Schlitzen (2; 3, 3′; 4, 4′) zur Unterteilung des Rotors (1; 5) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenrotor ein belüfteter Scheibenrotor (5) ist, der mit Schlitzen innenseitig (5a) und außenseitig (5b) des Rotors (5) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenrotor vollständig unterteilt und dann mit Hilfe von Stahlstücken (6) verbunden ist. (Fig. 6).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheibenrotor vollständig unterteilt und dann mit tels einer Passung des unterteilten Teils des Rotors mit den anderen unterteilten Teilen desselben verbunden ist. (Fig. 7).