DE10125111A1 - Zweiteilige Bremsscheibe mit radialer Verzahnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremseinheit, die einen Reibring und ein Halteteil umfasst, wobei der Reibring und das Halteteil ein Verzahnungsprofil aufweisen, über das eine radiale Sicherung und Kraftübertragung erfolgt, wobei der Reibring am Halteteil in mindestens eine axiale Richtung durch einen umlaufenden Sicherungsring formschlüssig fixiert ist und der Sicherungsring in einer Nut im Reibring und/oder im Halteteil geführt ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verzahnungsprofil in Form einer Evolventenverzahnung ausgestaltet ist und das Halteteil einen Absatz aufweist, der den Reibring in eine axiale Richtung gegen Verschieben sichert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremseinheit nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.

Ein überwiegender Teil der in Kraftfahrzeugen eingesetzten Bremsscheiben sind einteilig aus Graugussmaterial hergestellt. Dieses Material weist eine für viele Fälle ausreichende thermi­ sche Beständigkeit und Verschleißbeständigkeit auf. Ein wesent­ licher Nachteil des Graugusses besteht dennoch in seinem hohen spezifischen Gewicht. Das führt zu hohen ungefederten Massen im Fahrwerk, die den Federungskomfort negativ beeinflussen. Ferner kommen Bremsscheiben aus Grauguss bei hochmotorisierten Fahr­ zeugen oftmals an die Grenzen der thermischen Belastbarkeit, was zur Gewährleistung der Sicherheitsansprüche einen hohen konstruktiven Aufwand verursacht.

In den letzen Jahren sind mehrere alternative Bremsen- Werkstoffe entwickelt worden wie sie z. B. in der DE 197 10 105 A1 oder der US 5 535 857 beschrieben werden. Hierbei handelt es sich um faserverstärkte Keramiken, metallinfiltrierte Keramiken oder Metall-Matrix-Composites. Derartige Werkstoffe weisen zwar bessere thermische Eigenschaften und bessere Verschleißeigen­ schaften auf als der herkömmliche Grauguss, ihre Formgebung gestaltet sich jedoch aufwendiger und somit teurer. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die Bremseinheit mehrteilig, insbeson­ dere zweiteilig in Form eines Reibrings und eines Halteteils auszugestalten.

Die DE 197 51 522 beschreibt ein Verbindung zwischen einem Reibring und einem rohrförmigen Halteteil mit einem Verzahnungsprofil wobei die Verzahnung des Halteteils mit radialen Löchern und einer axialen Sicherung durch einen umlaufenden Si­ cherungsring versehen ist. Eine derartige Anordnung ist zwar kostengünstig, die radiale Kraftübertragung durch die beschrie­ bene Verzahnung ist jedoch nicht für hohe Bremsmomente geeignet und die hieraus resultierende radiale Sicherung ist nicht aus­ reichend spielfrei.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine mehrteilige Brems­ einheit der oben genannten Art darzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik die Übertragung höherer Bremsmomente zulässt, nahezu kein Spiel zwischen Reibring und Halteteil aufweist und kostengünstig herzustellen ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung nach Patentanspruch 1 besteht in einer Bremseinheit die ein Halteteil, einen Reibring und einem Sicherungsring umfasst. Das Halteteil weist eine radial umlau­ fende Nut auf, in der ein Sicherungsring geführt ist und einen radial umlaufenden Absatz. Der Reibring ist durch einen Absatz und durch den Sicherungsring in beide axialen Richtungen gegen­ über dem Halteteil gesichert. Der umlaufende Absatz kann durch­ laufend geschlossen oder in mehrere Teilabschnitte unterbrochen sein.

Eine radiale Sicherung und eine Übertragung eines Bremsmomentes erfolgt durch eine Verzahnungsprofil, das durch den inneren Um­ fang des Reibrings und den äußeren Umfang des Halteteils gebil­ det wird. Wesentlich an dem Verzahnungsprofil ist, dass es sich um eine Evolventenverzahnung, mit Evolventenflanken handelt.

Wesentliche Vorteile einer Zahnwellenverbindung mit Evolven­ tenflanken gegenüber dem Stand der Technik mit einer Keilwel­ lenverbindungen bestehen darin, dass zum einen hohe, wechselnde und stoßartige Drehmomente übertragen werden können. Die Ver­ bindung ist zudem selbstzentrierend und verursacht geringere Kerbspannungen in einem Zahnfußbereich. Das Zahnwellenprofil mit Evolventenflanken ist genormt und kann in spanlosen und spanenden Fertigungsverfahren wirtschaftlich hergestellt wer­ den.

Ein weitere Vorteil der erfindungsgemäß ausgestalteten Brems­ einheit liegt darin, dass sich der Reibring bei Erwärmung radi­ al ausdehnen kann. Hierdurch wird ein Schirmen der Brems­ einheit, also ein axiales Verbiegen des Reibrings gegenüber dem Halteteil, unterbunden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform besteht in einer, in der Regel regelmäßigen Unterbrechung des Zahnwellenprofils, wobei gleichzeitig im Halteteil und/oder im Reibring, vorzugs­ weise im Halteteil Aussparungen vorgenommen sind. Durch die Aussparungen entsteht ein Freiraum zwischen dem Reibring und dem Halteteil, der sich positiv auf die Kühlung der Bremsein­ heit, insbesondere auf die Kühlung des Halteteils auswirkt. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn das Halteteil eine Radnabe ist, da die thermischen Belastung der Radlager, die sich in der Radnabe befinden, deutlich verringert wird (An­ spruch 2).

Ein geschlossener Sicherungsring nach Anspruch 3 kann höhere a­ xiale Belastungen aufnehmen als ein offener Sicherungsring und ist wirksamer gegen selbständiges Lösen gesichert.

Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Sicherung ist es zweck­ mäßig, den Sicherungsring gegen radiales Verdrehen zu sichern (Anspruch 4).

Ferner ist es vorteilhaft, den Sicherungsring in Form einer Tellerfeder auszugestalten. Somit wird der Reibring federnd an den Absatz im Halteteil gedrückt, was zu einer spielfreien axi­ alen Sicherung führt (Anspruch 5).

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in ei­ ner Bremseinheit nach Patentanspruch 6. Die Bremseinheit be­ steht analog zum Anspruch 1 aus einem Halteteil und einem Reibring, die durch ein Verzahnungsprofil verbunden sind. Die axiale Sicherung zwischen Reibring und Halteteil erfolgt durch Schraubelemente und/oder Nietelemente, im folgenden Sicherungs­ elemente genannt. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass die Sicherungselemente nahezu keiner Scherungsbelastung ausgesetzt sind, da die Kraftübertragung fast ausschließlich durch das Verzahnungsprofil erfolgt. Das Verzahnungsprofil ist vorteil­ hafterweise als Evolventenverzahnung ausgebildet.

Die Sicherungselemente verlaufen durch axiale Bohrungen, wobei die Bohrungen radial geteilt sind. Eine Teilbohrung befindet sich im Halteteil und eine Teilbohrung im Reibring. Hierbei ist eine Teilbohrung bevorzugt im Zahnkopf des Reibring bzw. des Halteteils angeordnet, die andere Teilbohrung befindet sich im korrespondierenden Zahnfuß. Im montagefertig gefügten Zustand des Reibrings und des Halteteils bilden die Teilbohrungen eine passgenaue Gesamtbohrung. Eine Anordnung der Bohrung in den Zahnflanken ist ebenso denkbar (Anspruch 7).

Die Sicherungselemente weisen an ihren Enden flanschartige Er­ weiterungen auf, die das Verzahnungsprofil sowohl des Halte­ teils als auch des Reibrings zumindest teilweise überdecken und eine Sicherung von Reibring und Halteteil in axialer Richtung gewährleisten. Die Flanschartigen Erweiterungen sind bei Schrauben bevorzugt die Schraubenköpfe bzw. die Mutern. Bei Be­ darf können zusätzliche Beilagscheiben oder Tellerfedern zwi­ schen dem Verzahnungsprofil und dem Schraubenkopf bzw. Mutter zweckmäßig sein. Bei der Verwendung von Nieten dient ein Niet­ kopf bzw. ein Falz am Nietfuß zur axialen Sicherung. Beide Va­ rianten sind bezüglich der Montage als auch bezüglich der verwendeten Teile sehr kostengünstig (Anspruch 8).

Das Halteteil kann durch die Radnabe gebildet werden, wodurch ein sonst übliches, topfförmiges Halteteil eingespart wird. Dies führt zu einer Massereduzierung im Fahrwerk und somit zu einer Verbesserung des Federungskomforts (Anspruch 9).

Eine weitere Reduzierung der Fahrwerksmasse entsteht, wenn das Halteteil aus Aluminium oder anderen Leichtmetallen - wie Titan- oder deren Legierungen - besteht, was ebenfalls zu einer Erhö­ hung des Federungskomforts führt (Anspruch 10).

Eine weitere Massereduzierung sowie eine Erhöhung der Ver­ schleißbeständigkeit wird durch den Einsatz von Metall-Keramik- Verbundwerkstoffen für den Reibring erzielt (Anspruch 11).

Dies gilt insbesondere für Verbundwerkstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid und intermetallischen Phasen, die zusätzlich eine hohe thermische Beständigkeit aufweisen. Ferner sind als Mate­ rialien faserverstärkte Keramiken auf Silizium- und Kohlen­ stoff-Basis, sowie partikelverstärkte Leichtmetalle vorteilhaft (Anspruch 12).

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den fol­ genden Figuren dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Bremseinheit mit einem Sicherungsring,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch die Bremseinheit entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3a einen segmentartigen Ausschnitt aus der Bremseinheit mit einem Sicherungsring, der gegen radiales Verdrehen gesichert ist,

Fig. 3b eine vergrößerte Darstellung des Details IIIb der Ver­ drehsicherung in Fig. 3a,

Fig. 3c eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in Fig. 3a,

Fig. 3d eine Bremseinheit mit einem zur Montage vorbereiteten Sicherungsring,

Fig. 4a einen segmentartigen Ausschnitt aus der Bremseinheit mit einem Sicherungsring, der gegen radiales Verdrehen gesichert ist,

Fig. 4b eine vergrößerte Darstellung des Details IVb der Ver­ drehsicherung in Fig. 4a,

Fig. 4c eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV in Fig. 4a,

Fig. 5 eine Bremseinheit, die axial durch Verschraubung gesi­ chert ist,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Verzahnung mit Evolven­ tenflanken.

Fig. 1 zeigt eine Bremseinheit mit einem Reibring 2, der an einem Halteteil, hier eine Radnabe 4 angeordnet ist und durch einen Sicherungsring 6 gegen axiales Verschieben gesichert ist. Die Kraftübertragung erfolgt über ein Verzahnungsprofil 7 mit Evolventenflanken. Die Radnabe 4 weist an ihrem äußeren Umfang Segmente 10 mit Verzahnungsprofil 7 auf (Verzahnungssegmente), die in die korrespondierenten Verzahnungen am inneren Umfang des Reibrings fassen. Die Verzahnungssegmente 10 der Radnabe 4 stehen über den eigentlichen Umfang der Radnabe 4 hervor, wo­ durch Aussparung 14 entstehen, die eine gute Luftzirkulation zulassen und somit zu einer verbesserten Kühlung der Radnabe 4 und der darunter befindlichen Lager führt.

In Fig. 2 ist die Wirkungsweise der axialen Sicherung des Reibrings 2 gegenüber der Radnabe 4 dargestellt. In eine Rich­ tung erfolgt die axiale Sicherung durch einen Absatz 12. Dieser ist in diesem Ausführungsbeispiel als Erhöhung von Zahnflanken des Verzahnungsprofils 7 ausgestaltet. Ein umlaufender Absatz kann ebenfalls zweckmäßig sein. In die entgegengesetzte Rich­ tung ist der Reibring 2 durch einen Sicherungsring 6 gesichert, der in einer umlaufenden Nut 8 in der Radnabe 4 geführt ist. In der beschriebenen Ausführung ist sowohl ein offener als auch geschlossener Sicherungsring 6 anwendbar. Ein offener Siche­ rungsring wird bei Montage aufgespannt und in die Nut 8 einge­ schnappt. Eine Rotationssicherung eines offenen Sicherungsrings kann durch Absätze in der Nut 8 oder durch Flanken am Siche­ rungsring erfolgen.

Eine erfindungsgemäße Rotationssicherung eines geschlossenen Sicherungsrings 6 ist in den Fig. 3a bis 3d dargestellt. Ei­ ne Bremseinheit nach Fig. 1 mit dem Reibring 2, der Radnabe 4, dem Verzahnungssegmente 10 und Aussparungen 14, wird durch ei­ nen Sicherungsring 6 axial gesichert. Der Sicherungsring 6 weist ebenso viele Flanken 35-39 (Fig. 3d) auf, wie die Rad­ nabe Verzahnungssegmente 10 aufweist. Zur Montage wird der Si­ cherungsring 6 so positioniert, dass die Flanken über den Aussparungen 14 der Radnabe 4 liegen. Hierzu wird der Siche­ rungsring axial über die Radnabe 4 bis zur Nut 8 geführt und die Flanken 35-39 des Sicherungsrings 6 werden in die Nut 8 gedreht. Zur besseren Einführung der Flanken 35-39 sind diese in unterschiedlichen Abständen zu den Verzahnungssegmenten an­ geordnet (Fig. 3d). In dem dargestellten Beispiel werden die Flanken in der Reihenfolge 35, 38, 36, 34, 37 in die Nut 8 ein­ gedreht.

Zur radialen Sicherung weist der Sicherungsring am Verzahnungs­ profil Nasen 18 und 20 auf (Fig. 3b), die beim Verdrehen des Sicherungsrings an einem Zahn 19 des Verzahnungsprofils 7 der Radnabe einrasten (Fig. 3c). Die Verdrehsicherung kann an ei­ nem oder mehreren Verzahnungssegmenten 10 angebracht sein.

Eine weitere Ausgestaltung zur radialen Sicherung des Siche­ rungsrings 6 ist in den Fig. 4a-4c dargestellt. Der Aufbau der Bremseinheit und die Montage des Sicherungsrings erfolgt a­ nalog den Fig. 3a-3d. Der Sicherungsring weist jedoch eine Nase 22, die radial eingeschnitten ist (Fig. 4b) und geringfü­ gig axial gebogen ist, sowie eine Nase 24 auf, die am äußersten Zahn 19a des Verzahnungssegmentes 10 der Radnabe 4 um 90 umge­ bogen ist. Der Abstand zwischen den Nasen 22 und 24 ist so ge­ wählt, dass sich die Nase 22 direkt vor einem Zahn 19b befindet, wenn die Nase 24 am Zahn 19a anliegt (Fig. 4c).

In Fig. 5 ist ein Bremseinheit dargestellt, die einen Reibring 2', eine Halteteil 4' umfasst, die über ein Verzahnungsprofil 7' mit einer Evolventenverzahnung kraftschlüssig verbunden sind. In Zähnen 32 des Halteteils sind im Zahnkopf Teilbohrun­ gen 26 eingebracht die sich im gefügten Zustand der Bremsein­ heit mit, hier nicht näher dargestellten Teilbohrungen in Nuten des Reibrings zu Bohrungen ergänzen.

Diese Bohrungen enthalten Schaftschrauben 28, die durch Muttern 30 axial gesichert sind. Die Köpfe der Schrauben 28 und die Muttern 30 überdecken das Verzahnungsprofil 7' dass ein axiales Verschieben zwischen Reibring 2' und Halteteil 4' verhindert wird.

Die Kraftübertragung in radialer Richtung und somit die Über­ tragung des Bremsmomentes erfolgt nahezu ausschließlich über die Evolventenverzahnung. Die Schrauben 28 werden demnach nahe­ zu ausschließlich axial verspannt und werden nur in geringem Maße auf Scherung belastet.

In Fig. 6 ist eine Evolventenverzahnung mit Flankenzentrierung dargestellt wie sie erfindungsgemäß in Fig. 1 bis Fig. 5 ange­ wendet wird. Bei dieser Verbindungen dienen die Zahnflanken so­ wohl zur Mitnahme als auch zur Zentrierung bei geringem Flan­ kenspiel. Die Flankenzentrierung eignet sich besonders gut zur Übertragung wechselnder und stoßhafter Drehmomente. Eine für die erfindungsgemäße Bremseinheit tragfähige Evolventenverzah­ nung nach Fig. 6 hat ein Bezugsdurchmesser 46 zwischen 150 mm und 180 mm. Die Zahnhöhe 42 beträgt zwischen 3 mm und 4 mm bei einem Kopfspiel zwischen 0,3 mm und 0,7 mm. Der Eingriffswinkel a liegt zwischen 10° und 20°. Alle genannten Werte sind abhän­ gig von dem zu übertragenden Bremsmoment und können sowohl über als auch unter den angegebenen Bereichen liegen.

Claims (12)

1. Bremseinheit, die einen Reibring und ein Halteteil umfasst, wobei der Reibring und das Halteteil ein Verzahnungsprofil aufweisen, über das eine radiale Sicherung und Kraftüber­ tragung erfolgt, wobei der Reibring am Halteteil in mindes­ tens eine axiale Richtung durch einen umlaufenden Sicherungsring formschlüssig fixiert ist und der Siche­ rungsring in einer Nut im Reibring und/oder im Halteteil geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verzahnungsprofil in Form einer Evolventenverzahnung ausgestaltet ist und
das Halteteil einen Absatz aufweist, der den Reibring in eine axiale Richtung gegen Verschieben sichert.

2. Bremseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung in Verzahnungssegmente unterbrochen ist und das Halteteil und/oder der Reibring mit Aussparungen verse­ hen sind/ist.

3. Bremseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring ein geschlossener Ring ist.

4. Bremseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring gegen eine radiales Verdrehen in der Nut gesichert ist.

5. Bremseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring in Form einer Tellerfeder ausgebildet ist.

6. Bremseinheit, die einen Reibring und ein Halteteil umfasst, wobei der Reibring und das Halteteil ein Verzahnungsprofil aufweisen, über das eine radiale Sicherung und Kraftüber­ tragung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verzahnungsprofil in Form einer Evolventenverzahnung ausgestaltet ist und
die axiale Sicherung gegen Verschieben durch axial verlau­ fende Schraubelemente und/oder Nietelemente erfolgt.

7. Bremseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubelemente und/oder Nietelemente durch Bohrungen verlaufen, die axial durch Zähne des Reibrings und/oder des Halteteils angeordnet sind.

8. Bremseinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubelemente und/oder Nietelemente an ihren Enden flanschartige Erweiterungen aufweisen, die sich zumindest teilweise über das Verzahnungsprofil des Reibrings und des Halteteils erstrecken.

9. Bremseinheit nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Radnabe als Halteteil besteht.

10. Bremseinheit nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil aus Aluminium ausgestaltet ist.

11. Bremseinheit nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff be­ steht.

12. Bremseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibring aus einem Verbundwerkstoff besteht, der inter­ metallische Phasen und Aluminiumoxid enthält.