DE102013216591A1 - Internally ventilated brake disk for motor vehicle, has support body with cooling channels for friction ring segments which are provided with friction surface for attachment of friction lining - Google Patents

Internally ventilated brake disk for motor vehicle, has support body with cooling channels for friction ring segments which are provided with friction surface for attachment of friction lining Download PDF

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Abstract

The internally ventilated brake disk (1) has a support body (6) with cooling channels (7,8) for friction ring segments (10,11) which are provided with a friction surface (12,13) for the attachment of a friction lining (3,4). The support body and associated friction ring segment have a support (14,15,16,17) which is provided plane-parallel to the friction surface. The support is provided with a recess (18,19,20,21) for form-fit receiving of an anti-twist protection element (22,23) such that the anti-twist protection element is arranged between the friction ring segment and the support body.

Description

Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe umfassend einen Trägerkörper mit Kühlkanälen für mehrere Reibringsegmente, die Reibflächen zur Anlage von Reibbeläge einer Scheibenbremse aufweisen, und wobei die Reibringsegmente drehfest an dem Trägerkörper angeordnet sind.The invention relates to an internally ventilated motor vehicle brake disc comprising a carrier body with cooling channels for a plurality of friction ring segments, which have friction surfaces for abutting friction linings of a disc brake, and wherein the friction ring segments are arranged non-rotatably on the carrier body.

Leichte Höchstleistungsbremsscheiben, die innenbelüftete Carbon-Keramik-Reibringe aufweisen, sind aus dem Rennsport sowie aus dem Bremsenhandbuch, Springer Verlag 2006, Hrsg. Breuer/Bill, S. 420–426 , bekannt. Ein Reibring ist aus CMC-Werkstoff (Ceramic Matrix Composite) gebildet. Dazu sind regellos orientierte und kurzfaserige Carbonfasern in einer Siliziumcarbid-Matrix eingebettet. Der fertige Reibring wird austauschbar an einen Bremsscheibentopf aus Edelstahl oder Aluminiumwerkstoff geschraubt oder geklemmt. Durchsatz und Produktion sind verbesserungsfähig.Lightweight high-performance brake discs featuring vented carbon-ceramic friction rings are racing and brake manuals, Springer Verlag 2006, ed. Breuer / Bill, p. 420-426 , known. A friction ring is made of CMC material (Ceramic Matrix Composite). To this end, randomly oriented and short-fiber carbon fibers are embedded in a silicon carbide matrix. The finished friction ring is interchangeably screwed or clamped to a brake disk pot of stainless steel or aluminum material. Throughput and production can be improved.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weiter verbesserte, gebaute Kraftfahrzeugbremsscheibe in Leichtbauweise vorzuschlagen, die der Energiebilanz weiterentwickelter, besonders leistungsfähiger Kraftfahrzeuge besonders Rechnung trägt, und auch eine kostengünstige Großserienherstellung bei ästhetischer Erscheinung ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die Merkmalskombination vom Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus nachfolgender Beschreibung anhand der Zeichnung hervor.It is an object of the present invention to propose a further improved motor vehicle brake disc of lightweight construction, which takes particular account of the energy balance of advanced, particularly efficient motor vehicles, and also allows cost-effective mass production with aesthetic appearance. The object is achieved by the feature combination of claim 1. Further details of the invention will become apparent from the following description with reference to the drawings.

1 zeigt prinzipiell ein Fahrzeugbremssystem umfassend Bremssattel, Reibbeläge, und Bremsscheibe teilweise im Schnitt. Die Bremsscheibe ist um eine Achse A drehbar. Der Bremssattel ist – zumindest tangential zur Bremsscheibe – fahrzeugfest angeordnet. Ein Betätigungselement vom Bremssattel ist parallel zur Achse A entlang einer Achse B verschiebbar vorgesehen. Zwischen Achse A und Achse B liegt der Differenzabstand Delta vor. Verdrehsicherungselemente 22, 23, 24 sind schwerpunktmäßig im Zentrum der Achse B platziert angeordnet. 1 shows in principle a vehicle brake system comprising caliper, friction linings, and brake disc partially in section. The brake disc is rotatable about an axis A. The caliper is - fixed at least tangentially to the brake disc - fixed to the vehicle. An actuating element of the caliper is provided parallel to the axis A along an axis B slidably. Between axis A and axis B is the difference distance Delta. anti-rotation 22 . 23 . 24 are placed mainly in the center of the axis B placed.

Die aus mehreren Komponenten besonders leicht und stabil gebaute Bremsscheibe umfasst einen Trägerkörper der wenigstens zwei Reibringsegmente drehfest trägt. Der Trägerkörper ist bevorzugt aus einem metallischen Gusswerkstoff, wie insbesondere aus einem Leichtmetallwerkstoff, Aluminiumwerkstoff, Titan oder ähnlichem vorgesehen. Besonders bevorzugt ist der Trägerkörper mit strahlenförmig nach radial außen weisenden Armen versehen, wie dies in 2 gezeigt ist. Die Arme sind mit regelmäßiger Teilung am Umfang von einem Zentralkörper angeordnet, der radial innen als Bremsscheibentopf ausgebildet ist. Im Abstand zwischen jeweils zwei Armen erstreckt sich jeweils ein radial gerichteter Kühlkanal. Zur Erhöhung der Drehsteifigkeit können zwischen benachbarten Armen Verbindungsstege vorgesehen sein. Dies gilt insbesondere für diejenigen Armabschnitte, die Verdrehsicherungsmittel (Traktionsringe) aufnehmen müssen. The brake disk, which is constructed particularly easily and stably from a plurality of components, comprises a carrier body which carries at least two friction ring segments in a rotationally fixed manner. The carrier body is preferably made of a metallic cast material, such as in particular made of a light metal material, aluminum material, titanium or the like. Particularly preferably, the carrier body is provided with radially radially outwardly facing arms, as in 2 is shown. The arms are arranged with regular division on the circumference of a central body, which is formed radially inwardly as a brake disk pot. In each case a radially directed cooling channel extends at a distance between each pair of arms. To increase the torsional stiffness connecting webs may be provided between adjacent arms. This applies in particular to those arm sections which must receive anti-rotation means (traction rings).

In Unterscheidung zu gegossenen Bremsscheiben sind die tribologisch und thermisch hoch beanspruchten Reibringsemente bei einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe aus einem anderen Werkstoff ausgebildet, als der Trägerkörper. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Werkstoff der Reibringsegmente um eine besondere Reibwerkstoffmischung, welche systematisch auf eine zugeordnete Reibwerkstoffmischung der Reibbeläge abgestimmt ist. Die Reibringsegmente können einstückig-kreisringförmig ausgebildet sein. Es ist grundsätzlich auch möglich, die Reibringsegmente in Gestalt von Kreisringsegmenten am Umfang mehrstückig geteilt vorzusehen, wie es aus der Zeichnung hervorgeht. In distinction to cast brake discs, the tribologically and thermally highly stressed friction rings are formed in a brake disc according to the invention from a different material than the carrier body. Particularly preferably, the material of the friction ring segments is a special friction material mixture, which is systematically matched to an associated friction material mixture of the friction linings. The friction ring segments may be formed in one piece-annular. It is also possible in principle to provide the friction ring segments in the form of circular ring segments on the circumference divided in several parts, as can be seen from the drawing.

Zugeordnete Auflagen sind planparallel zur Reibfläche an Trägerkörper und Reibringsegmenten vorgesehen. Die korrespondierenden Auflagen befindet sich jeweils an einer (der Reibfläche abgewandten) Rückseite vom jeweiligen Reibringsegment, sowie auf einer Oberseite vom Trägerkörper. Der Trägerkörper ist zwischen mindestens zwei Reibringsegmenten angeordnet. Die Befestigung der Reibringsegmente ist geometrisch (Trennebene in radialer, schräger, kreisförmiger oder wellenförmiger Ausführung) so getrennt ausgeführt, dass eine unterschiedliche thermische Ausdehnung von Trägerkörper und Reibringsegmenten ermöglicht ist. Zur Befestigung der einzelnen Reibringsegmente aneinander, und am Trägerkörper, dienen Befestigungselemente wie insbesondere Schrauben, Niete oder ähnliche Elemente, wobei Durchgangsbohrungen oder Sacklochbohrungen möglich sind, und wobei Muttergewinde im Trägerkörper angeordnet sein können, um Gewindemuttern zu rationalisieren. Wesentlich ist weiterhin eine gut versenkte Gestaltung zwischen Befestigungselement, Reibringsegment und Mutterelement, damit ausreichend Verschleißmasse vorliegt. Dabei kann die Versenkung, mittels geometrisch in Dickenrichtung profilierter Kontur (Abstufung), gleichzeitig als Verschleißindikator genutzt werden. Ein Verschleißmaß ist in jedem Fall überschritten, wenn eine Oberseite der Köpfe von den Befestigungselementen in einer Ebene mit der Reibfläche liegen.Assigned supports are provided plane-parallel to the friction surface on the carrier body and friction ring segments. The corresponding pads are each located on a (the friction surface facing away) back of the respective friction ring segment, as well as on an upper side of the carrier body. The carrier body is arranged between at least two friction ring segments. The attachment of the friction ring segments is performed geometrically (parting plane in radial, oblique, circular or wavy design) so separated that a different thermal expansion of the carrier body and friction ring segments is made possible. For attachment of the individual friction ring segments to each other, and on the carrier body, serve fasteners such as screws, rivets or similar elements, through holes or blind holes are possible, and wherein nut threads can be arranged in the carrier body to rationalize threaded nuts. It is also essential a well recessed design between fastener, friction ring and nut member so that sufficient wear mass is present. In this case, the sinking, by means of geometrically profiled in the thickness direction contour (gradation), can be used simultaneously as a wear indicator. A wear amount is exceeded in any case when an upper surface of the heads of the fasteners are in a plane with the friction surface.

Zwischen Trägerkörper und Reibringsegment ist wenigstens ein Verdrehsicherungselement formschlüssig sowie versenkt – also in einem oder in mehreren Armen formschlüssig integriert – angeordnet. Jedes Verdrehsicherungselement ist dazu auf dem Umfang von einem Teilkreis angeordnet, dessen Zentrum im Wesentlichen mit einer Achse B vom Betätigungselement eines zugeordneten Scheibenbremssattels fluchtet. Besonders bevorzugt sind die Verdrehsicherungselemente als rohrförmige Abschnitte ausgebildet, weil dadurch ein maximaler Scherquerschnitt bei minimalem Gewicht ermöglicht wird. Die Anordnung der Verdrehsicherungselement erfolgt in Radialrichtung betrachtet bevorzugt in einem Zentrum der Reibringsegmente, damit eine günstige Drucklastverteilung ermöglicht ist. Dadurch werden Verwerfungen oder Kipptendenzen ebenfalls ausgeschlossen. Between support body and friction ring at least one anti-rotation element is positively and sunk - so integrally integrated in one or more arms - arranged. Each anti-rotation element is arranged for this purpose on the circumference of a pitch circle whose center substantially with a Axis B is aligned by the actuator of an associated disc brake caliper. Particularly preferably, the anti-rotation elements are formed as tubular sections, because thereby a maximum shear cross-section is made possible with minimal weight. The arrangement of the anti-rotation element takes place in the radial direction preferably in a center of the friction ring segments, so that a favorable pressure load distribution is possible. As a result, dislocations or tilting tendencies are also excluded.

Besonders bevorzugt verfügt jedes abgetrennte Kreisringsegment, fluchtend zu der Achse B, über ein gesondertes Verdrehsicherungselement, damit thermische Verspannung ausgeschlossen werden kann. Es versteht sich, dass die Verdrehsicherungselement, wie auch die übrigen Bestandteile der Bremsscheibe mit einer Teilung so am Umfang versetzt vorgesehen sind, dass sich ein besonders günstiger Rundlauf ergibt.Particularly preferably, each separated annular segment, aligned with the axis B, has a separate anti-rotation element, so that thermal stress can be excluded. It is understood that the anti-rotation element, as well as the other components of the brake disc are provided with a pitch so offset on the circumference that results in a particularly favorable concentricity.

Bei einer besonders bevorzugten Mehrkomponentenbremsscheibe sind die Reibringsegmente aus einem semimetallischen Bremsbelagwerkstoff vorgesehen, wobei der Kühlkanal bzw. der Kernbereich aus einem geeigneten Leichtbauwerkstoff besteht.In a particularly preferred multi-component brake disc, the friction ring segments are provided from a semi-metallic brake pad material, wherein the cooling channel or the core region consists of a suitable lightweight material.

Die tangentiale gerichtete Kraftübertragung zwischen Trägerkörper und Reibbelagsegmenten wird mittels formschlüssig eingreifender Verdrehsicherungselemente (bevorzugt sind dies die sogenannten „Traktionsringe“, vgl. 2) gewährleistet, die durch Ihre Kontur und Platzierung ein gewisses thermisches Arbeitsvermögen („Spiel“) zwischen den beteiligten unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei unverändert hoher Tragfähigkeit zulassen. Die notwendigen Aufnahmen im Trägerkörper lassen sich einfach durch Bohr- oder Fräsverfahren spanen. Die Aufnahme im Reibringsegment kann gespant oder vor einem Belagsintervorgang eingepresst werden. Die Paarung vom Reibwerkstoff (Bremsbelag – wie auch reibringsegmentseitig) kann aus verschiedenen unterschiedlichen Kombination zwischen Semi Met (semimetallic), Low Met (low steel) und NAO (none – asbestos organic) bestehen. Ein besonderer ästhetischer Vorteil der Bremsscheiben ist stets rostfreies Erscheinungsbild. Einbettung von Keramikteilen in die Werkstoffmasse ist zur Erhöhung der Standzeit möglich.The tangentially directed force transmission between the carrier body and the friction lining segments is achieved by means of positively engaging anti-rotation elements (these are preferably the so-called "traction rings", cf. 2 ), which allow by their contour and placement a certain thermal work capacity ("game") between the different materials involved with different thermal expansion coefficients with unchanged high load capacity. The necessary shots in the carrier body can be easily cut by drilling or milling. The recording in the friction ring segment can be deburred or pressed in before a lining sintering process. The mating of the friction material (brake lining - as well as friction ring side) can consist of different different combinations between Semi Met (semimetallic), Low Met (low steel) and NAO (none - asbestos organic). A particular aesthetic advantage of the brake discs is always rust-free appearance. Embedding of ceramic parts in the material mass is possible to increase the service life.

Die gebaute Bauweise mit unterschiedlichen Werkstoffkombinationen in Leichtbau ermöglicht nebenbei bei Applikation in Großserie erhöhte Freiheitsgrade und folglich eine verbesserte Variation, weil für die Herstellung der Reibringe einer Bremsscheibe nicht zwangsläufig Gusswerkstoff erforderlich ist. Die flexible Kombination der Reibmaterialien auf Belag – und Scheibenseite ermöglichen es insbesondere, je nach Erfordernissen, einen Reibwert von etwa µ = 0,3 bis etwa µ = 0,7 zwischen den beteiligten Reibpartnern darzustellen. Zusätzlich erlaubt die erfindungsgemäße Konstruktion eine erhebliche Gewichtsreduzierung im Bereich der ungefederten Massen sowie alle weiteren damit verbundenen Komfortvorteile, mithin besonders rationellen Kraftstoffverbrauch und CO2-Reduktion.The built construction with different material combinations in lightweight construction also allows for applications in mass production increased degrees of freedom and consequently an improved variation, because for the production of the friction rings of a brake disc casting material is not necessarily required. Depending on requirements, the flexible combination of the friction materials on the lining and disk sides makes it possible, in particular, to represent a coefficient of friction of approximately μ = 0.3 to approximately μ = 0.7 between the participating friction partners. In addition, the construction according to the invention allows a considerable reduction in weight in the area of unsprung masses as well as all other associated comfort advantages, thus particularly rational fuel consumption and CO 2 reduction.

Die erfindungsgemäß besondere Kombination von einem neuartigen zentralen Trägerkörper in Verbindung mit neuartigen Reibringsegmenten ermöglicht ein neuartiges, verbessertes Energiemanagement im Bereich einer Bremsscheibe infolge Adaption vom Anteil an Wärmeabfuhr in Verbindung mit einem vergleichsweise geringeren Anteil an Wärmespeichervermögen (größere Fläche, verringertes Gewicht). Dies macht die Erfindung besonders interessant für leichte Hilfsbremssysteme, wie beispielsweise in Applikation bei rekuperativ bremsenden Elektrofahrzeugen, die nicht zwingend ein besonders hohes Wärmespeichervermögen erfordern.The inventively special combination of a novel central carrier body in conjunction with novel friction ring segments allows a novel, improved energy management in the field of brake disc as a result of adaptation of the proportion of heat dissipation in conjunction with a comparatively small proportion of heat storage capacity (larger area, reduced weight). This makes the invention particularly interesting for light auxiliary braking systems, such as in application in recuperative braking electric vehicles, which do not necessarily require a particularly high heat storage capacity.

Thermisch tolerante Befestigung zwischen Reibringsegmenten und Trägerkörper ist möglich, indem punktuell die abgebildeten mechanischen bzw. geschraubten Verbindungsstellen zwischen Trägerkörper und Reibringsegment vorgesehen sind, oder punktuell genietet, gekrimpt bzw. im Fertigungsprozess punktuell geklebt (bounding) wird. Thermally tolerant attachment between friction ring segments and carrier body is possible by punctually provided the mechanical or screwed joints between carrier body and friction ring segment, or selectively riveted, crimped or glued in the manufacturing process (bounding) is.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Springer Verlag 2006, Hrsg. Breuer/Bill, S. 420–426 [0002] Springer Verlag 2006, ed. Breuer / Bill, p. 420-426 [0002]

Claims (10)

Innenbelüftete Bremsscheibe (1), umfassend einen Trägerkörper (6) mit Kühlkanälen (7, 8, 9) für Reibringsegmente (10, 11), welche wenigstens eine Reibfläche (12, 13) zur Anlage von wenigstens einem Reibbelag (3, 4) aufweisen, wobei jeweils Trägerkörper (6) sowie zugeordnetes Reibringsegment (10, 11) wenigstens eine, einander zugewandte Auflage (14, 15, 16, 17) aufweisen, die planparallel zur Reibfläche (12, 13) vorgesehen ist, und dass die Auflage (14, 15, 16, 17) mit wenigstens einer Vertiefung (18, 19, 20, 21) zur formschlüssigen Aufnahme von wenigstens einem Verdrehsicherungselement (22, 23) derart vorgesehen ist, dass das Verdrehsicherungselement (22, 23) zwischen Reibringsegment (10, 11) und Trägerkörper (6) formschlüssig versenkt angeordnet ist. Internally ventilated brake disc ( 1 ) comprising a carrier body ( 6 ) with cooling channels ( 7 . 8th . 9 ) for friction ring segments ( 10 . 11 ), which at least one friction surface ( 12 . 13 ) for conditioning at least one friction lining ( 3 . 4 ), each support body ( 6 ) and associated friction ring segment ( 10 . 11 ) at least one, mutually facing support ( 14 . 15 . 16 . 17 ), which plane parallel to the friction surface ( 12 . 13 ) and that the edition ( 14 . 15 . 16 . 17 ) with at least one depression ( 18 . 19 . 20 . 21 ) for the positive reception of at least one anti-rotation element ( 22 . 23 ) is provided such that the anti-rotation element ( 22 . 23 ) between friction ring segment ( 10 . 11 ) and carrier body ( 6 ) is arranged positively sunk. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Trägerkörper (6) und jedes Reibringsegment (10, 11) Vertiefungen (18, 19; 20, 21) zur Aufnahme von Verdrehsicherungselementen (22, 23) aufweisen, wobei die Vertiefungen in Trägerkörper (6) und Reibringsegment (10, 11) jeweils etwas gleichtief vorgesehen sind. Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 1, characterized in that each carrier body ( 6 ) and each friction ring segment ( 10 . 11 ) Wells ( 18 . 19 ; 20 . 21 ) for receiving anti-rotation elements ( 22 . 23 ), wherein the depressions in carrier body ( 6 ) and friction ring segment ( 10 . 11 ) are each provided something equal depth. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (6) in seinem Zentrum einen scheibenförmigen Zentralkörper aufweist, der mit strahlenförmig nach radial außen weisenden Armen (24, 25, 26) versehen ist.Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier body ( 6 ) has in its center a disc-shaped central body, the radially outwardly pointing arms ( 24 . 25 . 26 ) is provided. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (24, 25, 26) am Umfang vom Zentralkörper mit regelmäßiger Teilung vorgesehen sind. Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the arms ( 24 . 25 . 26 ) are provided on the circumference of the central body with regular division. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Armen (24, 25, 26) jeweils ein radial gerichteter Kühlkanal (7, 8, 9) angeordnet ist.Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 3 or 4, characterized in that between each two arms ( 24 . 25 . 26 ) in each case a radially directed cooling channel ( 7 . 8th . 9 ) is arranged. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Armen (24, 25, 26) wenigstens ein Verbindungssteg (28) vorgesehen ist.Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to any one of claims 3-5, characterized in that between each two adjacent arms ( 24 . 25 . 26 ) at least one connecting bridge ( 28 ) is provided. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (28) jeweils im Bereich von Verdrehsicherungsmitteln (22, 23) vorgesehen sind.Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the connecting webs ( 28 ) each in the range of anti-rotation means ( 22 . 23 ) are provided. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Befestigungselemente (27) so zwischen gegenüberliegenden Reibringsegmenten (10, 11) vorgesehen sind, dass die Reibringsegmente (10, 11) durch das Befestigungselement (27) mit gleicher Vorspannkraft gegen den Trägerkörper (6) gedrückt werden. Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 1, characterized in that fastening elements ( 27 ) between opposing friction ring segments ( 10 . 11 ) are provided, that the friction ring segments ( 10 . 11 ) by the fastener ( 27 ) with the same biasing force against the carrier body ( 6 ). Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherungselemente (22, 23) als rohrförmige Abschnitte ausgebildet sind.Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the anti-rotation elements ( 22 . 23 ) are formed as tubular sections. Innenbelüftete Bremsscheibe (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherungselemente (22, 23) jeweils zentrisch im Flächenschwerpunkt der Reibringsegmente (10, 11) vorgesehen sind. Internally ventilated brake disc ( 1 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the anti-rotation elements ( 22 . 23 ) each centrically in the centroid of the friction ring segments ( 10 . 11 ) are provided.
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