DE10125111B4

DE10125111B4 - Zweiteilige Bremsscheibe mit radialer Verzahnung

Info

Publication number: DE10125111B4
Application number: DE10125111A
Authority: DE
Inventors: Muharrem Dipl.-Ing. Er; Peter Staudenecker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: DE10125111A1

Abstract

Bremseinheit, die einen Reibring und ein Halteteil umfasst, wobei der Reibring und das Halteteil ein Verzahnungsprofil aufweisen und eine Sicherung und Kraftübertragung über eine Zahnwellenverbindung erfolgt, wobei der Reibring am Halteteil in mindestens eine axiale Richtung durch einen umlaufenden Sicherungsring formschlüssig fixiert ist und der Sicherungsring in einer Nut oder Nuten im Reibring und/oder im Halteteil geführt ist, wobei
• das Verzahnungsprofil in Form einer Evolventenverzahnung ausgestaltet ist und
• die Verzahnung in Verzahnungssegmente unterbrochen ist,
• das Halteteil und/oder der Reibring mit Aussparungen versehen sind/ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
• der Sicherungsring (6) Flanken (35-39) aufweist, die ausgehend von den Aussparungen (14) in die Nut (8) oder Nuten (8) eindrehbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft Bremseinheiten nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4.
Ein überwiegender Teil der in Kraftfahrzeugen eingesetzten Bremsscheiben ist einteilig aus Graugussmaterial hergestellt Dieses Material weist eine für viele Fälle ausreichende thermische Beständigkeit und Verschleißbeständigkeit auf. Ein wesentlicher 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 Fahrzeugen 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. Hierbei handelt es sich um faserverstärkte Keramiken, metallinfiltrierte Keramiken oder Metall-Matrix-Composites. Derartige Werkstoffe weisen zwar bessere thermische Eigenschaften und bessere Verschleißeigenschaften auf als der herkömmliche Grauguss, ihre Formgebung gestaltet sich jedoch aufwendiger und somit teurer. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die Bremseinheit mehrteilig, insbesondere zweiteilig in Form eines Reibrings und eines Halteteils auszugestalten.

Die DE 197 51 522 C1 beschreibt eine Verbindung zwischen einem Reibring und einem rohrförmigen Halteteil mit einem Verzah nungsprofil, wobei die Verzahnung des Halteteils mit radialen Löchern und einer axialen Sicherung durch einen umlaufenden Sicherungsring versehen ist. Eine derartige Anordnung ist zwar kostengünstig, durch die beschriebene Verzahnung ist sie jedoch nicht für hohe Bremsmomente geeignet und die hieraus resultierende Sicherung ist nicht ausreichend spielfrei.

Aus der US 6135247 A sind Reibring und Bremsnabe bekannt, wobei die Verzahnung zwischen dem Reibring und der Bremsnabe durch ein evolventenförmiges Verzahnungsprofil erfolgen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine mehrteilige Bremseinheit 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 einen Sicherungsring umfasst. Das Halteteil weist eine umlaufende Nut auf, in der ein Sicherungsring geführt ist, und einen umlaufenden Absatz. Der Reibring ist durch einen Absatz und durch den Sicherungsring in beide axialen Richtungen gegenüber dem Halteteil gesichert. Der umlaufende Absatz kann durchlaufend geschlossen oder in mehrere Teilabschnitte unterbrochen sein.

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

Wesentliche Vorteile einer Zahnwellenverbindung mit Evolventenflanken gegenüber dem Stand der Technik mit einer Keilwellenverbindung bestehen darin, dass zum einen hohe, wechselnde und stoßartige Drehmomente übertragen werden können. Die Verbindung 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 werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß ausgestalteten Bremseinheit liegt darin, dass sich der Reibring bei Erwärmung radial ausdehnen kann. Hierdurch wird ein Schirmen der Bremseinheit, 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, vorzugsweise im Halteteil Aussparungen vorgenommen sind. Durch die Aussparungen entsteht ein Freiraum zwischen dem Reibring und dem Halteteil, der sich positiv auf die Kühlung der Bremseinheit, insbesondere auf die Kühlung des Halteteils auswirkt. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn das Halteteil eine Radnabe ist, da die thermische Belastung der Radlager, die sich in der Radnabe befinden, deutlich verringert wird.

Ein geschlossener Sicherungsring nach Anspruch 2 kann höhere axiale Belastungen aufnehmen als ein offener Sicherungsring und ist wirksamer gegen selbständiges Lösen gesichert.

Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Sicherung ist es zweckmäßig, den Sicherungsring gegen Verdrehen zu sichern.

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 axialen Sicherung führt.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einer Bremseinheit nach Patentanspruch 4. Die Bremseinheit besteht 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 Sicherungselemente genannt. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass die Sicherungselemente nahezu keiner Scherungsbelastung ausgesetzt sind, da die Kraftübertragung fast ausschließlich durch das Verzahnungsprofil erfolgt. Das Verzahnungsprofil ist vorteilhafterweise 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 Reibrings 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.

Die Sicherungselemente weisen an ihren Enden flanschartige Erweiterungen auf, die das Verzahnungsprofil sowohl des Halteteils 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 Muttern. Bei Bedarf können zusätzliche Beilagscheiben oder Tellerfedern zwischen dem Verzahnungsprofil und dem Schraubenkopf bzw. der Mutter zweckmäßig sein. Bei der Verwendung von Nieten dient ein Nietkopf bzw. ein Falz am Nietfuß zur axialen Sicherung. Beide Varianten sind bezüglich der Montage als auch bezüglich der verwendeten Teile sehr kostengünstig.

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.

Eine weitere Reduzierung der Fahrwerksmasse entsteht, wenn das Halteteil aus Aluminium oder anderen Leichtmetallen -wie Titan oder dessen Legierungen – besteht, was ebenfalls zu einer Erhöhung des Federungskomforts führt.

Eine weitere Massereduzierung sowie eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit wird durch den Einsatz von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen für den Reibring erzielt.

Dies gilt insbesondere für Verbundwerkstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid und intermetallischen Phasen, die zusätzlich eine hohe thermische Beständigkeit aufweisen. Ferner sind als Materialien faserverstärkte Keramiken auf Silizium- und Kohlenstoff-Basis sowie partikelverstärkte Leichtmetalle vorteilhaft.

Bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den folgenden Figuren dargestellt.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Bremseinheit mit einem Sicherungsring,
2 eine Schnittdarstellung durch die Bremseinheit entlang der Linie II-II in 1,
3a einen segmentartigen Ausschnitt aus der Bremseinheit mit einem Sicherungsring, der gegen Verdrehen gesichert ist,
3b eine vergrößerte Darstellung des Details IIIb der Verdrehsicherung in 3a,
3c eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie III-III in 3a,
3d eine Bremseinheit mit einem zur Montage vorbereiteten Sicherungsring,
4a einen segmentartigen Ausschnitt aus der Bremseinheit mit einem Sicherungsring, der gegen Verdrehen gesichert ist,
4b eine vergrößerte Darstellung des Details IVb der Verdrehsicherung in 4a,
4c eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV in 4a,
5 eine Bremseinheit, die axial durch Verschraubung gesichert ist,
6 einen Querschnitt durch eine Verzahnung mit Evolventenflanken.
1 zeigt eine Bremseinheit mit einem Reibring 2, der an einem Halteteil, hier an einer 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, wodurch Aussparungen 14 entstehen, die eine gute Luftzirkulation zulassen und somit zu einer verbesserten Kühlung der Radnabe 4 und der darunter befindlichen Lager führen.
In 2 ist die Wirkungsweise der axialen Sicherung des Reibrings 2 gegenüber der Radnabe 4 dargestellt. In eine Richtung 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 Richtung 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 ein geschlossener Sicherungsring 6 anwendbar. Ein offener Sicherungsring wird bei der Montage aufgespannt und in die Nut 8 eingeschnappt. Eine Rotationssicherung eines offenen Sicherungsrings kann durch Absätze in der Nut 8 oder durch Flanken am Sicherungsring erfolgen.
Eine Rotationssicherung eines geschlossenen Sicherungsrings 6 ist in den 3a bis 3d dargestellt. Eine Bremseinheit nach 1 mit dem Reibring 2, der Randnabe 4, den Verzahnungssegmenten 10 und Aussparungen 14 wird durch einen Sicherungsring 6 axial gesichert. Der Sicherungsring 6 weist ebenso viele Flanken 35 – 39 (3d) auf, wie die Radnabe Verzahnungssegmente 10 aufweist. Zur Montage wird der Sicherungsring 6 so positioniert, dass die Flanken über den Aussparungen 14 der Radnabe 4 liegen. Hierzu wird der Sicherungsring 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 angeordnet (3d). In dem dargestellten Beispiel werden die Flanken in der Reihenfolge 35, 38, 36, 39, 37 in die Nut 8 eingedreht.
Zur Sicherung weist der Sicherungsring am Verzahnungsprofil Nasen 18 und 20 auf (3b), die beim Verdrehen des Sicherungsrings an einem Zahn 19 des Verzahnungsprofils 7 der Radnabe einrasten (3c). Die Verdrehsicherung kann an einem oder mehreren Verzahnungssegmenten 10 angebracht sein.
Eine weitere Ausgestaltung zur Sicherung des Sicherungsrings 6 ist in den 4a – 4c dargestellt. Der Aufbau der Bremseinheit und die Montage des Sicherungsrings erfolgt analog den 3a – 3d. Der Sicherungsring weist jedoch eine Nase 22 auf, die eingeschnitten ist (4b) und geringfügig axial gebogen ist, sowie eine Nase 24 auf, die am äußersten Zahn 19a des Verzahnungssegmentes 10 der Radnabe 4 um 90° umgebogen ist. Der Abstand zwischen den Nasen 22 und 24 ist so gewählt, dass sich die Nase 22 direkt vor einem Zahn 19b befindet, wenn die Nase 24 am Zahn 19a anliegt (4c).
In 5 ist ein Bremseinheit dargestellt, die einen Reibring 2' und ein Halteteil 4' umfasst, die über ein Verzahnungsprofil 7' mit einer Evolventenverzahnung kraftschlüssig verbunden sind. In Zähnen 32 des Halteteils sind im Zahnkopf Teilbohrungen 26 eingebracht, die sich im gefügten Zustand der Bremseinheit 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', so dass ein axiales Verschieben zwischen Reibring 2' und Halteteil 4' verhindert wird.
Die Kraftübertragung und somit die Übertragung des Bremsmomentes erfolgt nahezu ausschließlich über die Evolventenverzahnung. Die Schrauben 28 werden demnach nahezu ausschließlich axial verspannt und werden nur in geringem Maße auf Scherung belastet.
In 6 ist eine Evolventenverzahnung schematiseh mit Flankenzentrierung dargestellt, wie sie in 1 bis 5 angewendet wird. Bei dieser Verbindung dienen die Zahnflanken sowohl zur Mitnahme als auch zur Zentrierung bei geringem Flankenspiel. Die Flankenzentrierung eignet sich besonders gut zur Übertragung wechselnder und stoßhafter Drehmomente. Eine für die neuerungsgemäße Bremseinheit tragfähige Evolventenverzahnung nach 6 hat einen 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 α liegt zwischen 10° und 20°. Alle genannten Werte sind abhängig von dem zu übertragenden Bremsmoment und können sowohl über als auch unter den angegebenen Bereichen liegen.

Claims

Bremseinheit, die einen Reibring und ein Halteteil umfasst, wobei der Reibring und das Halteteil ein Verzahnungsprofil aufweisen und eine Sicherung und Kraftübertragung über eine Zahnwellenverbindung erfolgt, wobei der Reibring am Halteteil in mindestens eine axiale Richtung durch einen umlaufenden Sicherungsring formschlüssig fixiert ist und der Sicherungsring in einer Nut oder Nuten im Reibring und/oder im Halteteil geführt ist, wobei • das Verzahnungsprofil in Form einer Evolventenverzahnung ausgestaltet ist und • die Verzahnung in Verzahnungssegmente unterbrochen ist, • das Halteteil und/oder der Reibring mit Aussparungen versehen sind/ist, dadurch gekennzeichnet, dass • der Sicherungsring (6) Flanken (35-39) aufweist, die ausgehend von den Aussparungen (14) in die Nut (8) oder Nuten (8) eindrehbar sind.
Bremseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring (6) ein geschlossener Ring (6) ist.
Bremseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring (6) in Form einer Tellerfeder (6) ausgebildet ist.
Bremseinheit, die einen Reibring (2') und ein Halteteil (4, 4') umfasst, wobei der Reibring (2') und das Halteteil (4, 4') ein Verzahnungsprofil (7') aufweisen und eine Sicherung und Kraftübertragung über eine Zahnwellenverbindung erfolgt, wobei • das Verzahnungsprofil (7') in Form einer Evolventenverzahnung ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die axiale Sicherung gegen Verschieben durch axial verlaufende Schraubelemente und/oder Nietelemente (28/30) erfolgt und • die Schraubelemente und/oder Nietelemente (28/30) durch Bohrungen (26) verlaufen, die axial durch Zähne (32) des Reibrings (2') und/oder des Halteteils (4, 4') angeordnet sind.
Bremseinheit nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Radnabe (4') als Halteteil (4') dient.
Bremseinheit nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil (4') aus Aluminium ausgestaltet ist.
Bremseinheit nach einem der vorhegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (2') aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besteht.
Bremseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (2') aus einem Verbundwerkstoff besteht, der intermetallische Phasen und Aluminiumoxid enthält.