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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, mit einem Bremsscheibenreibring und einem Bremsscheibentopf,
bestehend aus einem Topfring und Ausdehnungselementen, die radial
am Topfring, vorzugsweise am äußeren Umfang des
Topfringes, angeordnet und an ihrem dem Topfring abgewandten Ende
mit dem Bremsscheibenreibring formschlüssig verbunden sind.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung einer solchen Bremsscheibe, bei dem Ausdehnungselemente formschlüssig
in einem Bremsscheibenreibring, der über Reibflächen
verfügt, und einem Topfring, der über Auflageflächen
verfügt, umgeben werden.
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Bremsvorgänge
haben in der Regel eine starke Erhitzung des Bremsscheibenreibringes
zur Folge. Aus dem Temperaturgefälle in Richtung des Bremsscheibentopfes,
das zum Schutz vor thermischen Belastungen des Radlagers vonnöten
ist, resultieren hohe thermomechanische Spannungen zwischen Bremsscheibentopf
und Reibring. Bei einteiligen Bremsscheiben führen diese
zur Schirmung des Bremsscheibenreibringes, das wiederum die Ursache
für das sogenannte Bremsrubbeln ist.
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Zur
Vermeidung dieses Effektes ist aus der
DE 10 2007 013 512 A1 eine
Verbundbremsscheibe bekannt, die einen radial inneren Topf und eine
radial äußere Reibscheibe aufweist, wobei die
Reibscheibe über Verbindungsstege verfügt, die
formschlüssig und ohne Stoffschluss in einem Gießvorgang
mit dem radial inneren Topf vergossen sind.
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Nachteilig
hierbei ist, dass die Schirmung des Bremsscheibenreibrings nicht
ausschließlich durch eine primär erwünschte
radiale Verschiebung der Reib scheibe zum inneren Topf kompensiert
wird, sondern ebenfalls eine axialparallele Verschiebung stattfindet,
die nur schwer zu steuern ist und zwangsläufig zu einer
geringen Schirmung führt.
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Des
weiteren erweist sich als nachteilig, dass beim Gießvorgang
unbedingt darauf zu achten ist, dass das Tragteil ohne Stoffschluss
mit den radial inneren Enden der Verbindungsstege vergossen ist. Nur
dann ist es gewährleistet, dass sich die Verbindungsstege
bei einer sich wärmebedingt radial ausweitenden Reibscheibe
gegenüber dem Tragteil radial verschieben können,
um kritische Wärmespannungen zu vermeiden. Diese unbedingte
Voraussetzung der Stoffschlussvermeidung schränkt die freie
Materialwahl für die Verbindungsstege sowie das zu gießende
Bauteil stark ein. Selbst bei differierenden Schmelzpunkten der
Verbindungsstege und des zu umgießenden Materials ist ein
Stoffschluss nicht zwangsläufig ausgeschlossen, sondern
bedarf spezieller Maßnahmen im Rahmen des Gießvorgangs
sowie eine aufmerksame Überwachung desselben.
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In
Anbetracht dessen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, eine Bremsscheibe zum Beispiel für ein Personen-,
Nutz- oder Schienenfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Bremsscheibe zu schaffen, bei welcher der Bremsscheibenreibring
auf einfache und somit kostengünstige Art und Weise mit
dem Bremsscheibentopf verbunden ist, thermomechanische Spannungen zwischen
den beiden Bauteilen während des Bremsvorganges weitgehend
ausgeschlossen sind und durch eine relativ freie Materialwahl der
Einzelkomponenten Gewichtseinsparungen erzielt werden können.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Bremsscheibe sowie durch
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe mit den
Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß weist
die Bremsscheibe Ausdehnungselemente auf, die länger sind
als der kürzeste Abstand zwischen Topfring und Bremsscheibenreibring
und die Ausdehnungselemente radialelastisch ausgebildet sind und
sich an die thermische Ausdehnung des Bremsscheibenreibringes anpassen.
Dadurch werden thermomechanische Spannungen zwischen Bremsscheibenreibring
und Bremsscheibentopf stark reduziert. Der Bremsscheibenreibring
kann seinen Radius bei Erwärmung frei vergrößern
bzw. bei Abkühlung frei verkleinern, da er nicht direkt
mit dem Topfring gekoppelt ist, sondern indirekt über die
Ausdehnungselementen, die radialelastisch ausgebildet sind und sich
somit durch eine reversible Längenveränderung
an den temperaturabhängigen Radius des Bremsscheibenreibrings
anpassen. Somit ist eine Schirmung des Bremsscheibenreibringes weitgehend
ausgeschlossen, da die thermomechanischen Spannungen vorzugsweise durch
eine ausschließlich radiale Verschiebung zwischen Bremsscheibenreibring
und Topfring kompensiert werden. Eine unter Umständen stattfindende axialparallele
Verschiebung zwischen Bremsscheibenreibring und Topfring kann durch
die entsprechende Formgebung der Ausdehnungselemente, die länger
sind als der kürzeste Abstand zwischen Topfring und Bremsscheibenreibring,
dahingehend gesteuert werden, dass sie vernachlässigbar
gering wird. Des weiteren wird durch die thermische Entkopplung
des Bremsscheibenreibrings vom Topfring durch die Ausdehnungselemente
das Radlager besser vor Hitze geschützt, da durch die verlängerte Wärmeübertragungsstrecke
weniger Wärmeenergie vom Bremsscheibenreibring an den Topfring übertragen
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl der an dem Bremsscheibentopf
angeordneten Ausdehnungselemente eine Primzahl ist und die Bremsscheibe
dadurch mindestens drei, vorzugsweise 19, Ausdehnungselemente aufweist.
Auf diese Weise können die Eigenschaften der Bremsscheibe
hinsichtlich Festigkeit, Gewicht, Radialelastizität, Schwingungs-
und Dämpfungsverhalten ideal beeinflusst werden, um hervorragende
Bremseigenschaften bei zugleich maximalem Bremskomfort erzielen zu
können. In Bezug auf das Schwingungsverhalten ist eine
Primzahl als Anzahl der Ausdehnungsele mente deshalb von Vorteil,
da eine Anregung des Bremsscheibenreibrings im Bereich seiner Eigenfrequenz
nahezu ausgeschlossen ist. Alternativ kann natürlich die
Anzahl der Ausdehnungselemente auch eine andere Zahl als eine Primzahl
sein. Durch die Anzahl der Ausdehnungselemente verändern
sich außerdem die axialparallelen Verschiebungseigenschaften
des Bremsscheibenreibrings gegenüber dem Topfring. Durch
eine gezielte Variation der Verbindungselementenanzahl kann diese
Eigenschaft dahingehend verändert werden, dass die axialparallele
Verschiebung stark reduziert wird.
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Bevorzugt
ist es, wenn der Topfring und die Ausdehnungselemente aus dem gleichen
Werkstoff und/oder einteilig hergestellt sind. Hierdurch kann im Rahmen
eines Fertigungsprozesses durch ein oder mehrere Trenn-, Umform-
und Urformverfahren sehr einfach und kostengünstig aus
beispielsweise einem Blech ein Einlegeteil hergestellt werden, das über
variierende Blechstärken verfügen könnte
und vorzugsweise in einem darauffolgenden Gießvorgang mit
einem Bremsscheibenreibring formschlüssig verbunden wird.
Hieraus entsteht eine leistungsstarke Verbundbremsscheibe, die sich
des weiteren durch geringe Herstellungskosten auszeichnet. Durch
die variierende Blechstärke kann die Radialelastizität
der Ausdehnungselemente positiv beeinflusst werden sowie die axialparallele
Verschiebung des Bremsscheibenreibrings gegenüber des Topfrings
gesteuert werden.
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Alternativ
ist es ebenso vorteilhaft, wenn der Topfring und die Ausdehnungselemente
aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Abhängig von
den spezifischen Anforderungen der einzelnen Bauteile können
auf diese Art und Weise die günstigsten Materialien gewählt
werden, um beispielsweise eine ideale Radialelastizität
der Ausdehnungselemente sowie ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit
des Topfrings zu gewährleisten.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Ausdehnungselemente mit dem Bremsscheibenreibring und/oder
dem Topfring stoffschlüssig verbunden sind. Somit ist bei
einer sich wärmebedingt radial ausweitenden Reibscheibe ein
Lösen der Ausdehnungselemente vom Bremsscheibenreibring und/oder
Topfring nahezu ausgeschlossen, da in Radialrichtung größere
Zugkräfte von der form- und stoffschlüssigen Verbindung
zwischen den Ausdehnungselementen und dem Bremsscheibenreibring und/oder
dem Topfring aufgenommen werden können. Selbiges trifft
bei Bremsvorgängen zu, bei denen die Ausdehnungselemente
auf Zug belastet werden. Der Stoffschluss ist zwar aufgrund des
vorausgesetzten Formschlusses für eine sichere Verbindung
nicht zwangsläufig notwendig, jedoch begünstigt
er des weiteren eine freiere Materialwahl der Ausdehnungselemente
sowie des Topfrings und/oder Bremsscheibenreibrings, da die miteinander
zu verbindenden Bauteile bei erlaubtem Stoffschluss größeren
Schmelzpunkttoleranzen unterliegen dürfen.
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Dadurch,
dass die Radialelastizität der erfindungsgemäß zugrundeliegenden
Verbundbremsscheibe durch die Verbindungselemente selbst realisiert
wird und nicht wie bei Lösungen des Stands der Technik
durch einen unbedingt zu vermeidenden Stoffschluss, der gießtechnisch
nur sehr schwer zu steuern ist, vereinfacht sich des weiteren der
Herstellprozess einer solchen Verbundbremsscheibe.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Ausdehnungselemente im Bereich der
formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung
mit dem Bremsscheibenreibring und/oder dem Topfring eine radiale
und eine axiale Breite aufweisen, die zueinander nicht identisch
sind. Durch die radiale bzw. axiale Breite der Ausdehnungselemente
im Bereich der formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen
Verbindung kann das radiale bzw. axiale Widerstandsmoment beeinflusst
werden. Je breiter die Ausdehnungselemente in der entsprechenden
Dimension ausgeführt sind, umso größer
ist auch das entsprechende Widerstandsmoment. Zur Reduktion der
axialparallelen Verschiebung des Bremsscheibenreibrings und zur
Begünstigung der Radialelastizität desselben,
ist es besonders vorteilhaft, wenn die axiale Breite der Ausdehnungselemente
im Bereich der formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung
mit dem Bremsscheibenreibring und/oder Topfring groß und
die radiale Breite klein gewählt wird.
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Um
eine möglichst ideale Radialelastizität der Ausdehnungselemente
zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn jeweils zwei
benachbarte Ausdehnungselemente beabstandet voneinander angeordnet
sind. Dieser Abstand zwischen zwei benachbarten Ausdehnungselementen
begünstigt über dies hinaus die Kühlung
des Bremsscheibentopfes sowie eine reduzierte Wärmeübertragung
des Bremsscheibenreibrings an den Topfring bzw. an das vor Wärme zu
schützende Radlager.
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Ebenso
ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente im Längs-
und/oder Querschnitt eine Freiformgeometrie aufweisen, da hierdurch
in Abhängigkeit von der Belastungssituation sehr einfach maximale
Festigkeiten der Ausdehnungselemente erzielt werden können,
die alternativ durch dickere Querschnitte der Ausdehnungselemente
und folglich größerem Gewicht erkauft werden müssten.
Die Ausdehnungselemente können sowohl konkave als auch konvexe
Freiformgeometrien aufweisen. Zusätzlich kann durch die
entsprechend versteifende Formgebung der Ausdehnungselemente die
axialparallele Verschiebung des Bremsscheibenreibrings gegenüber
dem Topfring auf einen vernachlässigbar geringen Wert reduziert
werden.
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Im
Hinblick auf eine kostengünstige Bremsscheibe ist es von
Vorteil, wenn die Ausdehnungselemente aus Stahlblech hergestellt
sind. Dies hat den Vorteil, dass die Ausdehnungselemente durch einfache
Umform- und Trennverfahren in die gewünschte Form gebracht
werden können, die eine ausreichende Festigkeit und zugleich
eine ideale Radialelastizität bei thermomechanischer Belastung
gewährleistet. In einer bevorzugten Ausführungsvariante
bestehen die Ausdehnungselemente aus Edelstahlblech, da dies den
weiteren Vorteil der Korrosionsbeständigkeit in sich birgt.
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Ebenso
ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente Punkt- und/oder
achsensymmetrisch angeordnet sind, da bei einer thermischen Verformung
des Bremsscheibenreibringes eine gleichmäßige
zentrische Verschiebung des Bremsscheibenreibringes begünstigt
und somit eine Schirmung oder unregelmäßige Deformation
des Bremsscheibenreibrings vermieden wird.
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Alternativ
kann es bei speziellen Anwendungsfällen vorteilhaft sein,
wenn die Ausdehnungselemente asymmetrisch angeordnet sind. Auf diese Art
und Weise ist eine besondere Einflussnahme auf das Schwingungsverhalten
der Bremsscheibe möglich, so dass eine Anregung im Bereich
der Eigenfrequenz der Bremsscheibe weitestgehend ausgeschlossen
werden kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin,
dass die Bremsscheibe eine primäre Drehrichtung aufweist
und die dem Topfring abgewandten Enden der Ausdehnungselemente in und/oder
gegen die primäre Drehrichtung der Bremsscheibe zeigen.
Somit ist es möglich, in Abhängigkeit der beiden
Belastungsfälle Vorwärts- und Rückwärtsfahrt
durch eine spezifische Ausrichtung der Ausdehnungselemente eine
ideale Festigkeit zu erzielen, indem die Ausdehnungselemente auf
Druck und/oder Zug belastet werden. Des weiteren ist es möglich, durch
eine entsprechende Ausrichtung der Ausdehnungselemente das Schwingungsverhalten
und das Dämpfungsverhalten der Bremsscheibe positiv zu beeinflussen.
Im Hinblick darauf, dass der Topfring und die Ausdehnungselemente
des Bremsscheibentopfes in einer bevorzugten Ausführung
aus dem gleichen Werkstoff und einteilig hergestellt sind, ist es von
Vorteil, wenn alle Ausdehnungselemente in dieselbe Drehrichtung
ausgerichtet sind. Somit wird bei der Herstellung des Bremsscheibentopfes
aus beispielsweise einem einzigen Blech die zur Verfügung stehende
Fläche des Rohbleches ideal ausgenutzt und eine maximal
mögliche Anzahl an Ausdehnungselementen erreicht.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn sich der Querschnitt der Ausdehnungselemente
ausgehend von dem Topfring zugewandten Ende bis hin zum Topf ring
abgewandten Ende verändert, insbesondere verkleinert. Dies
begünstigt eine ideale Radialelastizität der Ausdehnungselemente,
ohne Einbußen der Festigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
Selbiges wird dadurch begünstigt, wenn die Ausdehnungselemente
mindestens einen, vorzugsweise zwei, durch den Querschnitt bestimmte
Soll-Biegebereiche aufweisen, in denen die Ausdehnungselemente in
Axial- und/oder Radialrichtung der Bremsscheibe gebogen sind. Vergrößert
sich beim Bremsvorgang aufgrund der daraus resultierenden thermomechanischen
Belastung der Durchmesser des Bremsscheibenreibringes, so kompensiert
die Formgebung der Ausdehnungselemente die unerwünschten
thermomechanischen Spannungen zwischen Bremsscheibenreibring und
Bremsscheibentopf durch eine reversible radiale Längenvergrößerung
der Ausdehnungselemente. Im Idealfall resultiert aus der spezifischen
Formgebung der Ausdehnungselemente eine ausschließlich
radiale Verschiebung des Bremsscheibenreibringes. Unter Umständen
kann jedoch auch eine geringe parallele Verschiebung in Axialrichtung
des Bremsscheibenreibringes stattfinden, die jedoch durch die Biegungen
in Axial- und Radialrichtung bzw. durch die Formgebung der Ausdehnungselemente
dahingehend gesteuert werden können, dass die zu reduzierende
axialparallele Verschiebung vernachlässigbar gering wird.
Beide Verschiebungsvarianten vermeiden weitgehend eine Schirmung
des Bremsscheibenreibrings.
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Ebenso
ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente eine kaltluftzuführende
Formgebung aufweisen, so dass das Radlager nicht nur durch die thermische
Entkopplung von Bremsscheibenreibring und Topfring, sondern zusätzlich
noch durch die Ausnutzung der Konvektion vor Überhitzung
geschützt wird.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Ausdehnungselemente an dem Bremsscheibenreibring zugewandten
Ende eine Hinterschneidung, insbesondere einen Hammerkopf, aufweisen,
so dass bei Zug- oder Druckbelastung eine feste Verankerung im Bremsscheibenreibring
gewährleistet ist. Der Hammerkopf hat über dies
hinaus den weiteren Vorteil, dass er sehr einfach durch beispielsweise
Schneiden oder Stanzen aus einem planen Blechrohling hergestellt
werden kann. Es sind jedoch auch alternative Hinterscheidungsformen
denkbar, wie beispielsweise Pfeilspitze, Trapez oder Kugelkopf.
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Ebenso
ist es vorteilhaft, wenn die Ausdehnungselemente nach Festigkeits-
und Ausdehnungserfordernissen und nach ästhetischen Gesichtspunkten
geformt sind, so dass sie beispielsweise bei grobspeichigen Felgen
zu einem anmutigen Erscheinungsbild des Gesamtfahrzeugs beitragen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die formschlüssige Verbindung
zwischen den Ausdehnungselementen und dem Bremsscheibenreibring und/oder
dem Topfring gießtechnisch hergestellt ist. Dies stellt
eine einfache, schnell herstellbare und kostengünstige
Verbindung dar, die keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise
Bolzen oder Schrauben, benötigt. Hierbei ist es besonders
vorteilhaft, wenn das zu gießende Bauteil, der Bremsscheibenreibring
und/oder der Topfring, aus Grauguss oder Edelstahlguss besteht.
Grauguss eignet sich insbesondere aufgrund seiner hervorragenden
Reibeigenschaften als Gussmaterial, wobei Edelstahlguss noch den
zusätzlichen Vorteil der Korrosionsbeständigkeit
aufweist.
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Ist
der Bremsscheibenreibring massiv ohne Zwischenräume ausgeprägt,
so ist er vorteilhafterweise nicht so korrosionsanfällig.
Alternativ ist es in besonderen Anwendungsfällen vorteilhaft,
wenn der Bremsscheibenreibring aus einem Bremsscheibenreibbandpaar
besteht, das über Segmente, insbesondere in primärer
Drehrichtung zeigende Kühlrippen, miteinander verbunden
ist. Somit kann die Erhitzung des Bremsscheibenreibringes durch
Ausnutzung der Konvektion reduziert werden. Die Segmente sind idealerweise
symmetrisch angeordnet, um bei thermischer oder mechanischer Belastung
ein unkontrolliertes Deformieren der Bremsscheibe zu vermeiden.
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Des
weiteren erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn mindestens
ein Ausdehnungselement formschlüssig mit einem der Segmente
verbunden ist. Hierdurch wird eine sehr feste Verbindung zwischen
Ausdehnungselement und Bremsscheibenreibring gewährleistet,
da das gesamte Verbindungsende des Ausdehnungselements, das vorzugsweise
als Hammerkopf ausgeformt ist, formschlüssig vom Segment
umgeben ist. Insbesondere bei Zugbelastung verhindert diese Verbindung
ein Herausrutschen des Ausdehnungselementes aus dem Bremsscheibenreibring.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es ebenso vorteilhaft, wenn mindestens
ein Ausdehnungselement zwischen zwei Segmenten und zwischen dem Bremsscheibenreibbandpaar
angeordnet und formschlüssig mit mindestens einem der Segmente
verbunden ist. Hierdurch können die Segmente relativ schlank
ausgebildet werden, so dass durch die verminderten Massenanhäufungen
sogenannte Hot Spots vermieden werden. Gleiches wird dadurch bewirkt,
indem in einer besonders vorteilhaften Weise mindestens ein Ausdehnungselement
zwischen zwei Segmenten und zwischen dem Bremsscheibenreibbandpaar
angeordnet und formschlüssig mit dem Bremsscheibenreibbandpaar
verbunden ist.
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Bevorzugt
ist es, wenn der Bremsscheibentopf aus mehreren Bauteilen besteht,
da im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen des Topfrings
und der Ausdehnungselemente verschiedene Materialien verwendet werden
können, um die Gesamteigenschaften des Bremsscheibentopfes
hinsichtlich Radialelastizität, Festigkeit, Schwingungsverhalten
und Dämpfungsverhalten zu optimieren.
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Insbesondere
bei Nutz-, Schienen- und hoch motorisierten Personenfahrzeugen ist
der Bremsscheibentopf sehr starken mechanischen Belastungen ausgesetzt.
In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn der Bremsscheibentopf
aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Stahlblechen besteht.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Bremsscheibentopf aus einem gegossenen
Topfring und einem oder mehreren mit dem Topfring formschlüssig
verbundenen Ausdehnungselementen aus Stahlblech besteht. Hierdurch
können sowohl die Dämpfungs- als auch die Schwingungseigenschaften der
Bremsscheibe beeinflusst sowie eine optimale Gewichtsverteilung
bewirkt werden.
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In
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
einer solchen Bremsscheibe werden vorteilhafterweise die radial
inneren Enden der Ausdehnungselemente formschlüssig und/oder
stoffschlüssig mit dem Topfring und die radial äußeren
Enden der Ausdehnungselemente mit dem Bremsscheibenreibring vergossen,
wobei der gegossene Bremsscheibenreibring und der Topfring mit einer
oder mehreren Verbindungen, welche den Bremsscheibenreibring und
den Topfring steif miteinander verbinden, in einem Stück
gegossen werden. Anschließend werden die durch die Verbindungen
steif miteinander verbundenen Reibflächen des Bremsscheibenreibringes
und die Auflagefläche des Topfringes plangedreht, dass
ein ruhiger Lauf und ein ruckelfreies Bremsen der Bremsscheibe gewährleistet
ist. Danach werden zur Fertigbearbeitung der Bremsscheibe die Verbindungselemente
zwischen Bremsscheibenreibring und Topfring abgetrennt, so dass
der Topfring und der Bremsscheibenreibring ausschließlich
durch die Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Neben
der schnellen und kostengünstigen Fertigung der Bremsscheibe
hat das Verfahren den weiteren Vorteil, dass durch die temporäre
Verbindung des Topfringes und des Bremsscheibenreibring über
die Verbindungselemente eine effektive und effiziente Bearbeitung
der Reibflächen und der Auflageflächen erfolgen
kann, ohne eine gravierende Axialbelastung auf die Ausdehnungselemente
aufbringen zu müssen. Somit sind die Ausdehnungselemente
während des gesamten Bearbeitungsprozesses vor einer axialen Überbelastung
geschützt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Bremsscheibentopfes,
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2 einen
Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der der Bremsscheibentopf
formschlüssig mit dem Verbindungssegment des Bremsscheibenreibringes
verbunden ist,
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3 und 4 jeweils
im Halbschnitt eine Verbundbremsscheibe, bei der der Bremsscheibentopf
mit den Bremsscheibenreibbandpaaren verbunden ist,
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5 einen
Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der der Bremsscheibentopf
mit jeweils zwei Segmenten des Bremsscheibenreibringes verbunden
ist,
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6 einen
Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der die Ausdehnungselemente aus
Stahlblech mit einem gegossenen Topfring und einem gegossenen Bremsscheibenreibring
aus Grauguss verbunden sind, und
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7 eine
Draufsicht sowie
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8 und 9 einen
Schnitt durch eine Verbundbremsscheibe, bei der zwei Bremsscheibentöpfe
mit dem Bremsscheibenreibring verbunden sind.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Bremsscheibentopfes 2,
der einen Topfring 3 und Ausdehnungselemente 6 aufweist.
Der Topfring 3 verfügt über eine mittig
angeordnete Zentrierung 4 und Anschraublöcher 5,
so dass eine zentrierte Befestigung des Bremsscheibentopfes an einer
Achse vorgenommen werden kann. Die Ausdehnungselemente 6 sind
aus dem gleichen Werkstoff wie der Topfring 3 einteilig
hergestellt. Sie sind am äußeren Umfang des Topfringes 3 angeordnet
und die Verbindungselemente 6 sind von einander durch Materialfreiräume 11 getrennt
und zeigen mit ihrem dem Topfring 3 abgewandten Ende in
die primäre Drehrichtung der Verbundbremsscheibe 1.
Somit wird gewährleistet, dass die Ausdehnungselemente 6 beim
Bremsvorgang primär auf Druck belastet werden. Des weiteren
kann durch die einheitliche Anordnung aller Ausdehnungselemente 6 in
eine Drehrichtung eine ideale Materialausnutzung bei der Herstellung
des einteiligen Bremsscheibentopfes 2 durch beispielsweise
Schneiden oder Stanzen der Materialfreiräume erzielt werden.
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Alternativ
können unter Beibehaltung der Symmetrie einzelne Ausdehnungselemente 6 gegen die
primäre Drehrichtung ausgerichtet sein, um auch bei Bremsvorgängen
aus einer schnellen Rückwärtsfahrt eine ausreichend
hohe Festigkeit des Bremsscheibentopfes 2 zu gewährleisten.
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Die
Ausdehnungselemente 6 weisen Verjüngungen 7 auf,
bei denen sich der Querschnitt der Ausdehnungselemente 6 verringert.
Durch diese Verjüngungen 7 werden Soll-Biegebereiche
der Ausdehnungselemente 6 bestimmt. In diesen Bereichen
werden die Ausdehnungselemente 6 bei der Herstellung des
einteiligen Bremsscheibentopfes 2 in besonderer Art und
Weise gebogen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die
Ausdehnungselemente 6 im Bereich der Verjüngung 7a in
axialer Richtung und im Bereich der Verjüngung 7b in
radialer Richtung nach außen gebogen. Des weiteren besitzt
jedes Ausdehnungselement 6 an seinem Ende einen Hammerkopf 10,
der einen hervorragenden Formschluss zwischen den Ausdehnungselementen 6 und
dem Bremsscheibenreibring 8 gewährleistet.
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2 zeigt
wie dieser in 1 beschriebene Bremsscheibentopf 2,
der in einem Trenn- und Umformverfahren materialeinheitlich und
einstückig hergestellt ist, mit einem radial außen
angeordneten Bremsscheibenreibring 8 zu einer Verbundbremsscheibe 1 verbunden
ist. Der Bremsscheibenreibring 8 weist zwei in Axialrichtung
parallel angeordnete Reibbänder 14a und 14b auf,
die über Verbindungssegmente 9 verbunden sind.
Der Bremsscheibenreib ring 8 ist aus einem Werkstoff und
einteilig hergestellt. Der Hammerkopf 10 der Ausdehnungselemente 6 des
einstückigen Bremsscheibentopfes 2 ist formschlüssig
mit einzelnen Verbindungssegmenten 9 verbunden, die an
ihrem radial inneren Ende stabiler ausgeführt sind. Alle
weiteren Verbindungssegmente 9, die keine Verbindung mit
einem der Hammerköpfe 10 eingehen, sind dagegen
leichter und materialsparender ausgeprägt.
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In
dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
formschlüssige Verbindung zwischen Bremsscheibentopf 2 und
Bremsscheibenreibring 8 in einem Gießverfahren
hergestellt. Hierbei wird der Bremsscheibentopf 2, der
aus einem einzigen Werkstoff und einteilig hergestellt ist, zu Beginn vorgewärmt,
um beim Gießvorgang Lunker zwischen der Verbindung des
Bremsscheibentopfes 2 und des Bremsscheibenreibringes 8 zu
vermeiden. Der Bremsscheibentopf 2 wird anschließend
unter leichtem radialem Druck in eine Kokille gelegt und mit einem
Gussmaterial, vorzugsweise Grauguss oder Edelstahlguss, umgossen.
Durch das axial vorgespannte Eingießen des Bremsscheibentopfes 2 befindet
sich dieser bei normaler Betriebstemperatur des Bremsscheibenreibrings 8 in
Bezug auf die thermisch bedingte Radialausdehnung idealerweise in einer
zug- und druckneutralen Stellung.
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Im
Gegensatz zu vergleichbaren Verbundbremsscheiben des Stands der
Technik besteht ein wesentliche Vorteil darin, dass bei der dargestellten bevorzugten
Lösung nicht darauf zu achten ist, dass beim Formschluss
zwischen Hammerkopf 10 und Verbindungssegment 9 eine
stoffschlusslose Verbindung garantiert wird. Diese Voraussetzung
ist jedoch bei vergleichbaren Verbundbremsscheiben unbedingt notwendig,
um durch die daraus resultierende schwimmende Lagerung thermomechanische
Ausdehnungen des Bremsscheibenreibrings zu kompensieren. Die Herstellung
einer solchen stoffschlusslosen Verbindung ist jedoch gießtechnisch
sehr schwer zu steuern und hat noch den weiteren Nachteil, dass die
Materialien des Bremsscheibenreibrings 8 und des Bremsscheibentopfes 2 nicht
frei wählbar sind, sondern auf ausreichend große
Schmelzpunktunterschiede der beiden Bauteile zu achten ist.
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Im
Gegensatz dazu ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Stoffschlussverbindung zwischen Bremsscheibentopf 2 und
Bremsscheibenreibring 8 nicht nur technisch einfacher zu
realisieren, sondern hat über dies hinaus noch den Vorteil,
dass die Verbindung höhere Zugkräfte aufnehmen
kann.
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Der
Grund, weshalb die Verbindung sowohl mit als auch ohne Stoffschluss
realisiert sein kann, besteht darin, dass die bei Erhitzung des
Bremsscheibenreibringes 8 stattfindende radiale Ausdehnung
durch die spezifische Form der Ausdehnungselemente 6 kompensiert
wird und nicht wie bei bekannten Lösungen durch eine schwimmende
Lagerung der Ausdehnungselemente. Die Ausdehnungselemente 6 sind
im dargestellten Ausführungsbeispiel länger als
der kürzeste Abstand zwischen Topfring 3 und Bremsscheibenreibring 8 ausgeprägt,
so dass durch die radial elastischen Eigenschaften der Ausdehnungselemente 6 thermomechanische
Spannungen vermieden werden, indem die Ausdehnungselemente 6 eine
thermisch bedingte Vergrößerung des Bremsscheibenreibringes 8 erlauben.
Zugleich haben sie den Vorteil durch ihre Freiformgeometrie des
radialen- und axialen Querschnitts, die Formgebung und die Ausrichtung
in die primäre Drehrichtung großen mechanischen
Belastungen standhalten zu können, ohne überaus
massiv und somit schwer ausgebildet werden zu müssen.
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In
den 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform
einer Verbundbremsscheibe 1 gezeigt. Analog zu den 1 und 2 ist
der Bremsscheibentopf 2 formschlüssig durch den
Hammerkopf 10 mit dem Bremsscheibenreibring 8 verbunden.
Im Unterschied zu den 2 und 4 ist der
Hammerkopf 10 nicht mit einem Verbindungssegment 9 verbunden,
sondern zwischen den Verbindungssegmenten 9a und 9b sowie
den Reibbändern 14a und 14b positioniert,
so dass die außen stehenden Enden des Hammerkop fes 10 formschlüssig
in die Reibbänder 14a und 14b eingreifen.
Bei dieser Lösung können die Verbindungssegmente 9 alle
gleich dick ausgeführt werden. Auf diese Art und Weise
können Massenanhäufungen im Bremsscheibenreibring 8 vermieden
werden, aus denen Hot Spots resultieren würden.
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Alternativ
hierzu ist gemäß der 5 eine weitere
Verbundbremsscheibe gezeigt, bei der die Hammerköpfe 10 der
Ausdehnungselemente 6 zwischen zwei benachbarten Verbindungssegmenten 9a und 9b des
Bremsscheibenreibringes 8 sowie zwischen den in Axialrichtung
parallel angeordneten Reibbändern 14a und 14b angeordnet
sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 und 4 sind
die Enden des Hammerkopfes 10 des Ausdehnungselementes 6 formschlüssig
mit den Verbindungssegmenten 9a und 9b verbunden.
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In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die
dem Bremsscheibenreibring 8 zugewandten Enden der Ausdehnungselemente 6 mit
Widerhaken ausgeführt, die in Verbindungsöffnungen des
Bremsscheibenreibringes 8 eingeklippst sind, so dass eine
formschlüssige Verbindung zwischen Bremsscheibentopf 2 und
Bremsscheibenreibring 8 entsteht. Diese Verbindungsvariante
hat den Vorteil, dass der Bremsscheibenreibring 8 nicht
in einem Gießverfahren mit dem Bremsscheibentopf 2 formschlüssig
verbunden werden müsste, sonder nachträglich in
den bereits vorhandenen Bremsscheibenreibring 2 eingeklippst
werden könnten. In diesem Fall könnten vorteilhafter
Weise für den Bremsscheibenreibring 8 alternative
Materialien wie beispielsweise Kohlefaser oder Keramik verwendet
werden, die bezüglich ihrer Reibeigenschaften und dem Gesamtgewicht
der Verbundbremsscheibe eine Verbesserung darstellen würden.
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6 und 7 zeigen
eine Ausführung der Erfindung, bei welcher der Bremsscheibentopf 2 nicht
wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen aus dem gleichen
Material und einteilig hergestellt ist, sondern der Topfring 3 sowie
die Ausdehnungselemente 6 einzelne Bauteile darstellen.
Des weite ren weist der Topfring 3 eine zu bearbeitende
Auflagefläche 13 und der Bremsscheibenreibring 8 eine
zu bearbeitende Reibfläche 12 auf. Zur Herstellung
der in 6 dargestellten Verbundbremsscheibe werden zunächst
die, aus vorzugsweise Edelstahlblech bestehenden, Ausdehnungselemente 6 unter
leichtem Radialdruck in eine Kokille gelegt. Die radial innen liegenden
Enden der Ausdehnungselemente 6 werden formschlüssig
mit dem Topfring 3, der vorzugsweise aus Graugussmaterial
besteht, umgossen. Analog werden die radial äußeren
Enden der Ausdehnungselemente 6 mit dem Bremsscheibenreibring 8 formschlüssig
umgossen. Bei diesem Gießvorgang werden des weiteren redundante
Verbindungselemente 15 zwischen dem Topfring 3 und
dem Bremsscheibenreibring 8 gegossen wie in 7 gezeigt.
Diese versteifen die beiden Bauteile und entlasten somit die Ausdehnungselemente 6.
Durch diese Verbindungen ist es möglich, in einem weiteren Arbeitsschritt
die Auflagefläche 13 sowie die Reibfläche 12 durch
beispielsweise Drehen oder Schleifen nach zu bearbeiten, ohne dabei
in Axialrichtung zu starke Kräfte auf die Ausdehnungselemente 6 aufbringen
zu müssen, durch die die Ausdehnungselemente 6 Schaden
nehmen könnten. Danach wird die Verbundbremsscheibe durch
das Abstanzen der Verbindungselemente zwischen Topfring 3 und
Bremsscheibenreibring 8 fertiggestellt.
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Die 8 und 9 zeigen
eine Verbundbremsscheibe 1 mit einem Bremsscheibentopf 2,
der aus zwei separaten Bremsscheibentöpfen 2a und 2b besteht,
wobei Bremsscheibentopf 2b über dem Bremsscheibentopf 2a angeordnet
ist. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere
für Nutzfahrzeuge, damit der Bremsscheibentopf 2 höheren mechanischen
Belastungen standhalten kann. In einer nicht dargestellten Ausführungsform
sind die Ausdehnungselemente 6 der beiden Bremsscheibentöpfe 2a und 2b in
entgegengesetzter Axialrichtung gebogen und bilden somit zusammen
eine bauchige Form aus. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform
sind die beiden Bremsscheibentöpfe gleich geformt und in
Axialrichtung gegeneinander verdreht angeordnet. Alternativ können
für eine derartige Verbundbremsscheibe mehr als zwei Bremsscheibentöpfe 2 verwendet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen
im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich
wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn sie in unterschiedlichen
Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007013512
A1 [0003]