CH619290A5

CH619290A5 -

Info

Publication number: CH619290A5
Application number: CH63477A
Authority: CH
Inventors: Heinz Prof Dr Gallus; Willy Klein; Hans Dr Zeuner
Original assignee: Bergische Stahlindustrie
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1977-01-19
Publication date: 1980-09-15
Also published as: SE447364B; DK47077A; SE7701341L; BR7700845A; FR2341071A1; US4083435A; ES455792A1; ATA68677A; IT1086767B; NL7701394A; DK153101B; FI770435A; HU175047B; DE2605333C3; BE851291A; YU20477A; DK153101C; DE2605333B2; NL184581B; NL184581C

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe mit Ventilationskühlung, bestehend aus einem Bremsring, der im Inne- 35 ren durch Rippen gebildete, radial verlaufende Kanäle aufweist, bei der die kühlende Luft von den Rippen gefördert am nabenseitigen Innenumfang des Bremsrings in die Kanäle ein- und am Aussenumfang des Bremsrings austritt.

Die bekannten Bremsscheiben für Schienenfahrzeuge be- 40 sitzen eine selbstwirkende Ventilationskühlung, indem die innenliegenden Kanäle bei rotierender Bremsscheibe von Luft durchströmt werden. Gleichgültig, ob die Bremsscheiben aus Stahlguss oder aus einer Stahlgussnabe mit gusseisernem Bremsring bestehen, ist bei der Gestaltung des 45 Ventilationsraums bisher angestrebt worden, soviele radiale luftfördernde Rippen wie nur giesstechnisch möglich, anzuordnen und gleichzeitig deren Wanddicke dünn auszuführen. Es wurde angenommen, dass eine grosse Anzahl Ventilationsrippen auch eine grosse Luftmenge durch die Kühl- 50 kanäle der Bremsscheibe fliessen lässt. Die kleine Wanddicke der Rippen ergab sich dabei aus konstruktiven Gründen von selbst.

Bei der Abbremsung höherer Wagengewichte, der Benutzung kleinerer Räder und damit kleinerer Bremsscheiben, 55 beim Bremsen aus hohen Fahrgeschwindigkeiten sowie mit grösserer Bremshäufigkeit im schnellfahrenden Nahverkehrsbetrieb stellte man einen Nachteil der bekannten Ventilationskühlung fest, weil sich immer schwerer die Betriebstemperatur so gestalten liess, dass mit organisch gebundenen 60 Reibbelägen einwandfrei sowie mit ausreichender Lebensdauer der Bremsbeläge gebremst werden konnte. Es ist zweckmässig, eine mittlere Bremsscheibentemperatur von etwa 375° C nicht zu überschreiten, um Temperaturfading und unzulässig hohen Belagverschleiss zu vermeiden. Es ist 65 festgestellt worden, dass jede Erniedrigung der mittleren Bremsscheibentemperatur bis zu etwa 280° G mit einer sehr wesentlichen Minderung des Belagverschleisses verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Bremsscheiben zu vermeiden und durch eine Neugestaltung des Kühlraums eine Verbesserung der Ventilationslcühlung zu erzielen.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass zusätzlich zu den Schaufelrippen, welche eine etwa der gesamten Breite des Bremsrings entsprechende Länge besitzen, Wärmeflussrippen vorgesehen sind, welche zur Erhöhung der Turbulenz im Bremsradius ein prozentuales Verhältnis der Rippenfuss-breite zur Rippenteilstrecke von mehr als 60 % und am Innenumfang des Bremsrings ein prozentuales Verhältnis zwischen 80 und 100 °/o und zusätzlich eine Ausnehmung besitzen, und dass zur Vergrösserung des Luftdurchsatzes ein Verhältnis von Lufteintritts- zu Luftaustrittsquerschnitt von mehr als 1:2 bis höchstens 1:1 eingehalten wird.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung verjüngen sich Schaufel- und/oder Wärmeflussrippen bis zur Mitte zwischen den Reibringen keilförmig.

Vorteilhaft besitzt die Ausnehmung an den Wärmeflussrippen eine sich trichterförmig radial nach aussen verengende Form, welche mindestens die Hälfte, jedoch nicht mehr als 8/4 der radialen Rippenlänge einnimmt.

Bei der erfindungsgemässen Gestaltung des Ventilationsraums ist darauf geachtet worden, dass die durch diesen Raum fliessende Luft die Wärme von der Rückseite der die Reibfläche tragenden Reibringe und aus den Rippen abführen muss. Dazu ist eine möglichst grosse Luftmenge erforderlich, die die von den Rippen gebildete Kühlkanäle turbulent, am besten mit möglichst geringer Druckänderung und damit möglichst geringer Geschwindigkeitsänderung durchströmt. Wegen des reversierenden Betriebs von Scheibenbremsen kann eine gekrümmte Gestalt der Ventilationsrippen zwecks besserer Luftförderung nicht angewendet werden; es sind nur radiale Rippen anwendbar.

Die Menge der durch die Bremsscheibe zu führenden Luft hängt in erster Linie von der Grösse des Lufteintrittsquerschnitts am Innenumfang der Bremsringe ab. Je grösser dieser Ansaugquerschnitt ausgelegt werden kann, desto mehr Luft lässt sich durch die Ventilationskanäle schicken. Dabei sollte der Luftaustrittsquerschnitt höchstens doppelt so gross wie der Lufteintrittsquerschnitt sein. Die am inneren Umfang eintretende Luft erwärmt sich beim Durchströmen der Kühlkanäle und erfährt eine dementsprechende Volumen-vergrösserung. In Verbindung mit dem vorgenannten Verhältnis der Kühlkanalquerschnitte gewährleistet die thermische Volumenvergrösserung der durchströmenden Luft, dass nur unwesentliche Druck- und damit Geschwindigkeitsänderungen beim Durchströmen der Bremsscheiben-Kühlkanäle auftreten.

Eine turbulente Strömung der Kühlluft, welche für den Wärmeübergang von den Oberflächen der Kühlkanäle an die durchströmende Luft grosse Bedeutung hat, tritt durch die Gestaltung der Wärmeflussrippen mit den beschriebenen Ausnehmungen in besonderem Masse ein.

Bei der Gestaltung der Rippen ist beachtet worden, dass die während der Energieumwandlung an den Reibflächen erzeugte Wärme durch die Wanddicke der Reibringe an die Kühlraumoberfläche unter Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit von Gusseisen mit einem in axialer Richtung fallenden Gradienten fliesst. Dort, wo die Wärme auf den Fuss einer Rippe trifft, strömt die Wärme lokal in die Rippe. Um viel Wärme aus den Reibringen in die Rippen fliessen zu lassen, muss der Fuss der Rippen im Verhältnis zur axialen Rippenlänge breit sein.

Die Vorteile der neuen erfindungsgemässen Gestaltung des Ventilationsraums einer Bremsscheibe werden anhand der nachstehend aufgeführten Versuchsergebnisse dargestellt, wobei eine bekannte Bremsscheibe mit einer gleichen nach

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der Erfindung umgestalteten Bremsscheibe verglichen wird.

Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht von einer bekannten Bremsscheibe; 5

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II—II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III—III der Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einer Bremsscheibe nach der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V—V der Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI—VI der Fig. 4;

Fig. 7 eine vergrösserte, teilweise geschnittene Seitenansicht von einer Bremsscheibe nach der Erfindung.

Nach den Fig. 1—3 besteht die bekannte Bremsscheibe 15 aus der Nabe 11, welche in bekannter Weise auf der nicht dargestellten Welle befestigt werden kann. Die Nabe besitzt drei Klemmnuten 12 bildende Tragarme, wobei, die Verbindung zwischen Bremsring 13 und Nabe 11 durch die in den Nuten 12 eingeklemmten Führungsleisten 14 erfolgt, 20 welche die über den inneren Umfang des Bremsrings hinausgehende Verlängerung der Rippe 15 darstellt. Die Klemmnut 14 wird durch ein etwa tangential die Nut überspannendes Sicherungsstück 16 geschlossen. Der Bremsring 13 besteht nach Fig. 2 und 3 aus zwei Reibringen 13A und 13B, welche 25 auf der Aussenfläche die Reibfläche 17 tragen und durch auf der Rückseite angeordnete radiale Rippen 18 und 19 miteinander verbunden sind. Die Rippen 18 haben dabei eine Länge, welche etwa der Breite der Reibringe 13A und 13B entspricht, wohingegen die Rippen 19 kürzer sind. Die Rippen 30 18 und 19 sind über ihre gesamte axiale Breite gleich dick, wie Fig. 3 zu entnehmen ist.

Nach den Fig. 4—7 ist beispielsweise die Bremsscheibe nach den Fig. 1—3 entsprechend der Erfindung neu gestaltet, wobei die allgemeinen Abmessungen aber beibehalten wur- 35 den. Die Nabe 20 ist auf der nicht dargestellten Welle befestigt und besitzt nunmehr vier Klemmnuten 21, in denen zur Befestigung des Bremsrings 22 die als Verlängerung der Rippen 23 ausgebildeten Führungsleisten 24 eingeklemmt sind. Die Sicherungslaschen 25 überspannen tangential die 40 Klemmnut 21. Der Bremsring 22 besteht nach Fig. 5 und 6 aus zwei Reibringen 22A und 22B, welche auf der Rückseite durch Rippen 27 und 28 miteinander verbunden sind. Die Rippen 27 haben dabei eine Länge, welche etwa der Breite der Reibringe 22A und 22B entspricht und bilden zusammen 45 mit den Rippen 23 sogenannte Schaufelrippen, durch die die Luft gefördert wird. Die Rippen 28 tragen als sogenannte Wärmeflussrippen eine Ausnehmung 29, welche sich radial etwa trichterförmig verengend vom am inneren Umfang 30

des Bremsrings ligenden Ende der Rippen aus erstreckt.

Alle Rippen 23, 27 und 28 liegen mit einer breiten Fussfläche 31 an der Rückseite der Reibringe 22A und 22B an und verjüngen sich zur Mitte 32 zwischen den beiden Reibringen keilförmig. Das Verhältnis der Anzahl der Rippen 23 plus 27 zu den Rippen 28 beträgt 1:8.

Nach Fig. 7 beträgt die prozentuale Rippenfussbreite 31 je Teilstrecke 36 ca. 62 °/o, wobei die beiden Werte auf dem Bremsradius 35 gemessen worden sind. Das Verhältnis der Rippenfussbreite 31 zum Abstand 33 zweier benachbarter Rippen 28 oder 27 und 28 am inneren Bremsringumfang beträgt 1 und soll nicht wesentlich von diesem Wert abweichen.

Dabei ist der mittlere Bremsradius derjenige Radius, der für eine bestimmte Kreisringfläche für einen vorgegebenen Bremsbelag einen gleichmässigen Verschleiss des Bremsbelages ergibt.

Die bei den miteinander verglichenen Bremsscheiben vorhandenen Unterschiede sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

alte Bauweise neue Bauweise

Lufteintrittsquerschnitt

455 cm2

630 cm2

Luftaustrittsquerschnitt

1035 cm2

865 cm2

Gesamtrippenzahl

60 Stück

72 Stück

Führungsleisten

3

4

Führungsleistenbreite

50 mm

35 mm

Gewicht

135 kg

144 kg

Durchmesser der Bremsscheibe

660 mm

Breite der Bremsscheibe

110 mm

Reibringdicke

20 mm

Folgende Prüfungen wurden durchgeführt: a) Dauerbremsung

Als Prüfprogramm zur Ermittlung der Bremsscheiben-beharrungstemperatur bei Dauerbremsung wurden ohne Unterbrechung und Zwischenabkühlung über einen Zeitraum von 6 h kontinuierlich Bremsungen mit 20, 30 und 40 kW Bremsleistung bei jeweils vier verschiedenen Geschwindigkeiten (100, 75, 50 und 25 km/h) gefahren. Die Einzelheiten des Programms sind der folgenden Tabelle 2 zu entnehmen.

Tabelle 2

Bremsleistung

N in kW

20

30

40

Bremszeit t in min/

60

30

Drehzahl n in U/min

577

433

289

144

692

577

462

346

692

577

462

Geschwindigkeit bei Rad- 0 = 920 in km/h

100

75

50

25

120

100

80

60

120

100

80

Bremsmoment

Mb in daNm

34

45

67

135

42

51

63

85

56

68

84

Der nach diesem Programm durchgeführte Vergleich zwischen der alten und der erfindungsgemässen Bremsscheibe führte zu dem in Tabelle 3 zusammengestellten Ergebnis.

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Tabelle 3

Bremsleistung kW

Geschwindigkeit km/h

Bremsscheibenbeharrungs-temperatur in 0 C

alte Bauweise neue Bauweise

Differenz der Beharrungstemperaturen in °C

100

206

Ì84

— 22

75

249

228

— 21

20

50

302

279

— 23

25

389

359

— 30

120

312

243

— 69

100

315

283

— 32

30

80

349

306

— 43

60

399

371

— 28

120

373

311

— 62

40

100

410

383

— 27

80

448

393

— 55

Besonders deutlich ist der Einfluss der verbesserten Ventilationskühlung bei steigender Bremsleistung zu erkennen. Ebenso ist dieser Effekt bei konstanter Bremsleistung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Absenk- 25 fahrten (siehe Bremsleistung 30 und 40 kW) erkennbar.

Stellt man der Geschwindigkeit, bei welcher die Dauerbremsung ausgeführt wird, die jeweilige Dauerbrems-leistung'bei einer Beharrungstemperatur von 375° C gegenüber, so findet man, dass die nach der Erfindung gestaltete 30 Bremsscheibe bei 100 km/h eine Dauerbremsleistung von 40,5 kW erbringt, wohingegen die bekannte Bremsscheibe nur eine Leistung von 37 kW erreicht.

b) Stoppbremsung im Nahverkehrsbetrieb 35

Hierbei wurde eine vorgegebene Beanspruchung auf dem Dynamometer simuliert, wobei unter den verschiedensten Bedingungen jeweils soviele Bremsungen ausgeführt wurden, bis die Beharrungstemperatur sich in der Bremsscheibe einstellt. Dabei zeigt sich die verbesserte Ventilationskühlung 40 der erfindungsgemässen Bremsscheibe besonders deutlich,

wenn man in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindig-keit den kleinstmöglichen Haltestellenabstand betrachtet, der bei einer Beharrungstemperatur der Bremsscheibe von 375° Celsius für eine beliebige Anzahl von Stoppbremsungen ein- 45 gehalten werden kann. Die Verkürzung des kleinstmöglichen Haltestellenabstandes beträgt bei Stoppbremsungen aus 55 km/h = 200 m = Verbesserung um 23,80 % aus 60 km/h = 240 m = Verbesserung um 21,81 % aus 65 km/h = 260 m = Verbesserung um 19,54 % 50

Bei einem konstanten Haltestellenabstand von 1000 m treten unter den gleichen Bedingungen folgende in Tabelle 4 zusammengefassten Beharrungstemperaturen in#den Bremsscheiben auf: 55 Tabelle 4

Die nach dieser Tabelle 4 festgestellte durchschnittlich um 45° C geringere Betriebstemperatur der neuen Bremsscheibe verbessert sehr wesentlich das Verschleissverhalten der Bremsbeläge, wie einleitend dargestellt wurde.

c) Stoppbremsungen im Schnellverkehrsbetrieb

Bei diesen Versuchen sind im Geschwindigkeitsbereich von 60 bis 240 km/h je Geschwindigkeit drei Stoppbremsungen bei unterschiedlicher Verzögerung mit verschiedenen Radfahrmassen ausgeführt und dabei die Bremsscheibentemperaturen ermittelt worden.

• Generell ist diesen Versuchen zu entnehmen, dass die besser belüftete Bremsscheibe nach der Erfindung bei Bremsungen aus hohen Geschwindigkeiten eine um 30 bis 50° Celsius geringere Temperatur als die bekannte Bremsscheibe aufweist. Daraus resultiert beispielsweise für eine Verzögerung von 0,8 m/s2 bei einer 8-t-Achsfahrmasse, dass bis zur Erreichung der Belaggrenztemperatur von 375° C mit der besser belüfteten Bremsscheibe Stoppbremsungen aus 239 km/h möglich sind, während mit der alten Bremsscheibe bei gleichen Bedingungen Stoppbremsungen nur aus 216 km/h möglich sind. Das entspricht zwar einer Geschwindigkeitssteigerung von nur 10,6 °/o, bedeutet aber für die Energieumwandlung eine Leistungssteigerung von 22 °/o. Bei einer Verzögerung von 1,0 m/s2 ergibt sich eine Leistungssteigerung von 29 «/o und bei 1,2 m/s2 ergibt sich eine Leistungssteigerung von 34 0/0.

Es wurden also insgesamt bedeutende Verbesserungen mit einer Bremsscheibe nach der Erfindung erzielt.

Stojppbremsung aus Beharrungstemperatur (°C)

Geschwindigkeit der Bremsscheibe km/h alte Bauweise neue Bauweise 60

50 290 255

55 354 300

60 395 345

65 — 390 Û*

M

2 Blatt Zeichnungen

Claims

619 290 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Bremsscheibe mit Ventilationskühlung, bestehend aus einem Bremsring, der im Innern durch Rippen gebildete, radial verlaufende Kanäle aufweist, bei der die kühlende Luft von den Rippen gefördert am nabenseitigen Innenum- 5 fang des Bremsrings in die Kanäle ein- und am Aussenum-fang des Bremsrings austritt, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Schaufelrippen (23, 27), welche eine etwa der gesamten Breite des Bremsrings (22) entsprechende Länge besitzen, Wärmeflussrippen (28) vorgesehen sind, welche zur lö Erhöhung der Turbulenz im Bremsradius (35) ein prozentuales Verhältnis der Rippenfussbreite (31) zur Rippenteilstrecke (36) von mehr als 60 % und am Innenumfang (30) des Bremsrings ein prozentuales Verhältnis zwischen 80 und 100 % und zusätzlich eine Ausnehmung (29) besitzen, und 15 dass zur Vergrösserung des Luftdurchsatzes ein Verhältnis von Lufteintritts- zu Luftaustrittsquerschnitt von mehr als 1:2 bis höchstens 1:1 eingehalten wird.

2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich Schaufel- und/oder Wärmeflussrippen bis zur 20 Mitte zwischen den Reibringen keilförmig verjüngen.

3. Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung an den Wärmeflussrippen eine sich radial nach aussen trichterförmig verengende Form besitzt und mindestens die Hälfte, jedoch nicht mehr 25 als SU der radialen Rippenlänge einnimmt.

4. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite des Rippenfusses zur Breite der Rippenmitte zwischen den Reibringen bei 4:1 bis

2:1 liegt, das Ganze derart, dass einem grösseren Reibring- 30 abstand ein kleineres Breitenverhältnis zugeordnet ist.