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Nachfolgend beschrieben werden eine Kraftfahrzeugbremsscheibe, eine Bremsanordnung eines Kraftfahrzeugs, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kraftfahrzeugbremsscheibe. Die Kraftfahrzeugbremsscheibe weist einen Reibring und eine Nabe auf.
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Kraftfahrzeugbremsscheiben der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Die meisten heutzutage hergestellten Kraftfahrzeuge haben Scheibenbremsen wenigstens an den Vorderrädern. Zusätzlich haben viele Kraftfahrzeuge Scheibenbremsen auch an den Hinterrädern. Der Großteil der bekannten Bauarten von Scheibenbremsen umfasst einen Reibring, welcher über eine Nabe an dem Fahrzeugrad angebracht ist. Von der Nabe radial nach außen verlaufend ist eine Bremsscheibe vorgesehen. Der Reibring hat an gegenüberliegenden Seiten Reibungsflächen. Die Reibungsflächen arbeiten mit inneren und äußeren Bremsbelägen (Bremsklötzen) zusammen. Die Bremsbeläge werden von einer fluidbetätigten Bremszange betätigt. Die Bremszange ist an der Fahrzeugradaufhängung in der Nähe des sich drehenden Reibrings gelagert.
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Ein grundsätzlich an Scheibenbremsen immer wieder auftauchendes Problem ist deren Quietschneigung über einen Frequenzbereich, die u. a. maßgeblich durch die hohe Anzahl von Eigenfrequenzen und die Art der Eigenschwingformen des Fahrzeug-Bremssystems und des Radaufhängungssystems, im Folgenden auch als Fahrzeugachse bezeichnet, bestimmt wird.
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Viele Maßnahmen zielen darauf ab, die Quietschneigung, bzw. die entsprechenden Quietschgeräusche zu unterbinden. Dabei kann einerseits versucht werden, eine resonante Anregung der entsprechenden Bestandteile, beispielsweise der Scheibenbremse, durch Dämpfung zu unterbinden, andererseits die Resonanzeigenschaften der Komponenten der Bremsanlage, beispielsweise durch deren geometrische Anordnung zueinander, derart auszulegen, dass eine resonante Anregung im normalen Betrieb unwahrscheinlich ist.
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Die
EP 1 205 683 A2 offenbart eine zusammengesetzte Fahrzeug-Bremsscheibe mit einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Reibring, der über mehrere Anbindungsstellen starr oder schwimmend an einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Nabenteil befestigt ist. Zumindest zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Abstände zwischen jeweils aneinander benachbarten Anbindungsstellen sind voneinander unterschiedlich. Dies erschwert jedoch die Anbindung von Reibring und Nabenteil aneinander.
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Aufgabe ist es somit, eine Kraftfahrzeugbremsscheibe, eine Bremsanordnung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kraftfahrzeugbremsscheibe der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine wirksame Verhinderung des Bremsenquietschens möglich ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftfahrzeugbremsscheibe gemäß Anspruch 1, eine Bremsanordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12, ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch 13 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kraftfahrzeugbremsscheibe gemäß dem nebengeordneten Anspruch 14. Weiterführende Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die nachfolgend beschriebene Kraftfahrzeugbremsscheibe weist gemäß einem ersten Aspekt einen Reibring und eine Nabe auf. Der Reibring weist wenigstens einen Innenring und einen Außenring auf, wobei der Außenring auf den wenigstens einen Innenring aufgeschrumpft ist, wobei eine Kontaktkraft der Verbindung zwischen Außenring und wenigstens einem Innenring entlang einer Kontaktfläche zwischen Innenring und Außenring variiert. Ein Außenumfang des Außenrings kann insbesondere kreisförmig sein.
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Aufschrumpfen ist ein technisches Verfahren zur Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung zweier Bauteile, dem das Prinzip der Wärmeausdehnung zugrunde liegt. Aufschrumpfen ist u. a. im Maschinenbau bekannt, um insbesondere rotationssymmetrische Bauteile, wie Wellen und Radreifen von Eisenbahnrädern, miteinander zu verbinden. Beim Aufschrumpfen wird ausgenutzt, dass sich viele Bauteile bei zunehmender Wärme zunehmend ausdehnen. Die durch Aufschrumpfen zu verbindenden Bauteile werden häufig mit einer Übermaßpassung gefertigt. Das äußere Teil wird erhitzt, was zu einer Ausdehnung führt und anschließend auf das Innere, zu umschließende Element gezogen. Das äußere Teil schrumpft beim Erkalten und presst sich gegen den inneren Teil und bleibt mit diesem verbunden.
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Bei der vorliegend beschriebenen Kraftfahrzeugbremsscheibe ist vorgesehen, dass eine Kontaktkraft der Verbindung zwischen Außenring und Innenring entlang der Kontaktfläche variiert. Hierdurch werden Spannungen in Außenring und Innenring erzeugt, die über den Umfang variieren. Die Spannungen haben einen Einfluss auf das Eigenschwingverhalten der Kraftfahrzeugbremsscheibe. Diese Spannungen verschieben und/oder separieren Eigenschwingungen des Systems deutlich und mindern oder unterbinden dadurch im Betrieb eine resonante Anregung des Systems. So wird bspw. ein Energieaustausch zwischen orthogonalen Eigenschwingungen der Kraftfahrzeugbremsscheibe, des Bremssattels, der Lagerung des Bremssattels und/oder der gesamten Fahrzeugachse zumindest minimiert oder verhindert. Bremsenquietschen kann dadurch effektiv minimiert oder verhindert werden.
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Gemäß einem ersten weiterführenden Aspekt kann die Kontaktkraft um mehr als 10% entlang der Kontaktfläche zwischen Minimum und Maximum der Kontaktkraft variieren. Hierdurch lassen sich Eigenfrequenzen merklich separieren. Insbesondere bei steigenden Differenzen zwischen Minimum und Maximum der Kontaktkraft, insbesondere bei über 50%, über 100% und darüber hinaus, lassen sich entsprechende Separierungen und/oder Verschiebungen der Eigenfrequenzen erreichen.
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Gemäß einem weiteren möglichen Aspekt der Kraftfahrzeugbremsscheibe kann der Innenring eine Innenringaußenkontur und der Außenring eine Außenringinnenkontur aufweisen, die zueinander kongruent sind. Durch entsprechende kongruente Innenringaußenkonturen und Außenringinnenkonturen lassen sich Spannungsspitzen, die möglicherweise eine Beschädigung der Kraftfahrzeugbremsscheibe bedingen könnten, unterbinden.
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Gemäß einem weiterführenden Aspekt können Außenringinnenkontur und Innenringaußenkontur nicht rotationssymmetrisch sein. Durch nichtrotationssymmetrische Konturen lassen sich auf einfache Weise Variationen der Kontaktkräfte zwischen Außenring und Innenring schaffen.
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Mögliche Außenringinnenkonturen und Innenringaußenkonturen können elliptische Konturen sein. Darüber hinaus können die Konturen Hypozykloide mit stetiger Kontur sein. Entsprechende Hypozykloide können beispielsweise blumenartige Konturen erzeugen. Durch stetige Konturen werden Spannungsspitzen vermieden.
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Alternativ dazu ist es möglich, eine von Innenringaußenkontur und Außenringinnenkontur kreisförmig und die andere von Innenringaußenkontur und Außenringinnenkontur elliptisch zu gestalten. Ellipse und Kreis sind dabei so zu bemessen, dass beim Schrumpfen ein vollständiges Anliegen von Außenring und Innenring aneinander gewährleistet ist. Durch die unterschiedlichen Konturen wird in manchen Bereichen eine höhere Kontakt- bzw. Anpresskraft erreicht als in anderen Bereichen, wodurch die entsprechende Kontaktkraftvariation über die Kontaktfläche gewährleistet ist.
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Ein weiterer möglicher Aspekt der Kraftfahrzeugbremsscheibe sieht vor, dass der Innenring einen Innenringstirnseite und der Außenring eine Außenringstirnseite aufweisen, wobei Innenringstirnseite und Außenringstirnseite komplementär sind. So können Innenringstirnseite und Außenringstirnseite beispielsweise plan sein, einer von beiden kann konvex, der andere konkav sein oder dergleichen mehr. Durch nichtplane Konturen können höhere axiale Verbindungskräfte zwischen wenigstens einem Innenring und Außenring erreicht werden.
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Ein anderer Aspekt der vorliegend beschriebenen Kraftfahrzeugbremsscheibe sieht vor, dass der wenigstens eine Innenring und der wenigstens eine Außenring aus dem gleichen Material bestehen. Auf diese Weise lassen sich Unwuchten in der Bremsscheibe unterbinden, die anderweitig kompensiert werden, wenn Innenring und Außenring nicht rotationssymmetrische Konturen an ihrer Kontaktfläche aufweisen würden. Des Weiteren lässt sich hierdurch das Wärmeausdehnungsverhalten der Kraftfahrzeugbremsscheibe auf einfache Weise kontrollieren, was plane Reibflächen gewährleistet. Auch die Rostanfälligkeit des Reibrings wird dann nicht erhöht.
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Ein anderer weiterführender Aspekt der hier beschriebenen Kraftfahrzeugbremsscheibe sieht vor, dass der wenigstens eine Innenring und/oder der wenigstens eine Außenring mehrschichtig sind. Innenring und/oder Außenring können axial mehrschichtig und/oder radial mehrschichtig sein. So können beispielsweise mehrere Innenringe mit wachsendem Umfang vorgesehen sein.
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Eine andere Weiterbildung der Kraftfahrzeugbremsscheibe sieht vor, dass Innenring und Nabe zweistückig ausgebildet sind. Eine entsprechende zweistückige Ausbildung ermöglicht es, Nabe und wenigstens einen Innenring aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, insbesondere die Nabe beispielsweise als Aluminiumlegierung auszubilden und den wenigstens einen Innenring aus Stahl.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in dem wenigstens einen Innenring und in dem wenigstens einen Außenring Luftkanäle ausgebildet sind, wobei die Luftkanäle des Innenrings und die Luftkanäle des Außenrings miteinander kommunizieren. Hierdurch lässt sich eine gute Wärmeabfuhr von Reibungswärme beim Bremsen erreichen, da Luft in den miteinander kommunizierenden Luftkanälen von Innenring und Außenring zwischen Innenring und Außenring strömen kann.
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Ein erster unabhängiger Aspekt der vorliegenden Beschreibung betrifft eine Bremsanordnung eines Kraftfahrzeugs, die wenigstens eine Kraftfahrzeugbremsscheibe der vorbeschriebenen Art aufweist. Die Bremsanordnung kann weitere Komponenten, insbesondere einen Bremssattel aufweisen, der zum Aktuieren von Reibbelägen dient.
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Ein weiterer unabhängiger hier beschriebener Aspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Bremsanordnung der vorbeschriebenen Art.
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Ein anderer unabhängiger Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kraftfahrzeugbremsscheibe, die eine Nabe und einen Reibring mit wenigstens einem Innenring und einem Außenring aufweist, wobei der Außenring auf den Innenring aufgeschrumpft wird. Die Kraftfahrzeugbremsscheibe kann insbesondere gemäß der zuvor beschriebenen Art ausgebildet sein.
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Ein weiterführender Aspekt des Verfahrens sieht vor, dass der wenigstens eine Innenring und der Außenring nicht rotationssymmetrische, kongruente Konturen aufweisen, wobei Innenring und Außenring vor dem Aufschrumpfen relativ zueinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann eine gleichbleibende Qualität erreicht werden.
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Ein weiterer hier beschriebener Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Kraftfahrzeugbremsscheibe mit Mitteln zum Aufschrumpfen eines Außenrings der Kraftfahrzeugbremsscheibe auf einen Innenring der Kraftfahrzeugbremsscheibe.
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Ein erster weiterführender Aspekt der Vorrichtung sieht Mittel zur Ausrichtung von Außenring und Innenring relativ zueinander vor.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen schematisch:
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1 eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug;
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2 eine Bremsscheibe gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 Kontaktkraftverhältnisse entlang einer Kontaktfläche der Bremsscheibe gemäß 2;
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4 Bestandteile einer Bremsscheibe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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5 eine Bremsscheibe gemäß einer dritten Ausführungsform sowie
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6 eine Bremsscheibe gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Im Nachfolgenden werden gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug 2.
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Das Kraftfahrzeug 2 weist zwei Vorderräder 4, 6 sowie zwei Hinterräder 8, 10 auf. Die Vorderräder 4, 6 sowie die Hinterräder 8, 10 werden mit Hilfe von Bremsanordnungen 12, 14, 16, 18 gebremst. Die Bremsanordnungen 12, 14, 16, 18 weisen in 1 nicht sichtbare Bremsscheiben auf.
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2 zeigt eine Bremsscheibe 20 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Die Bremsscheibe 20 weist einen Reibring 22 auf. Der Reibring 22 ist mehrteilig ausgebildet und weist einen Außenring 24 sowie einen Innenring 26 auf.
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Der Innenring 26 ist mit einem Nabentopf 28 verbunden, an dem eines der Räder 4, 6, 8, 10 des Kraftfahrzeugs 2 festlegbar ist. Innenring 26 und Nabentopf 28 sind vorliegend zweistückig ausgebildet und bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Der Nabentopf 28 besteht vorliegend aus einer Aluminiumlegierung, wohingegen der Innenring 26 aus einer Stahllegierung besteht. In anderen Ausgestaltungen können Innenring und Nabentopf aus den gleichen Materialien bestehen. In einer weiteren Ausgestaltung können Innenring 26 und Nabentopf 28 einstückig ausgebildet sein.
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Der Außenring 24 weist eine Außenringinnenkontur 24.1 auf, die elliptisch ist. Der Innenring 26 weist eine Innenringaußenkontur 26.1 auf, die ebenfalls elliptisch ist. Der Außenring 24 ist auf den Innenring 26 aufgeschrumpft.
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Äquivalent zum Aufschrumpfen des Außenrings 24 auf den Innenring 26 ist Eindehnen. So kann der Innenring 26 in dem Außenring 24 eingedehnt werden, indem der Innenring vor der Montage abgekühlt wird.
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Außenring 24 und Innenring 26 bilden eine Übermaßpassung, die lichte Weite des Außenrings, durch die Außenringinnenkontur 24 gebildet wird, ist somit bei gleicher Temperatur kleiner als die Ausdehnung des Innenrings 26, die durch die Innenringaußenkontur 26.1 bestimmt ist. Ein mögliches Übermaß beträgt 1 mm.
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Beim Aufschrumpfen des Außenrings 24 auf den Innenring 26 zieht sich der Außenring 24 beim Abkühlen zusammen und bildet eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Innenring 26. Die Kraftverhältnisse sind in 3 dargestellt.
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Der Außenring 24 weist eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Außenringaußenkontur 24.2 auf.
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Außenring 24 und Innenring 26 bestehen aus den gleichen Materialien. Hierdurch wird einerseits eine Unwucht vermieden, andererseits erreicht, dass das Wärmeausdehnungsverhalten von Außenring 24 und Innenring 26 gleich ist.
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Außenringinnenkontur 24.1 und Innenringaußenkontur 26.1 bilden eine Kontaktfläche 30. Die Kontaktkräfte zwischen Außenring 24 und Innenring 26 werden über die Kontaktfläche 30 verteilt. Die Kontaktfläche 30 ist vorliegend plan. Die Kontaktfläche 30 kann in anderen Ausgestaltungen auch gekrümmt sein. So kann die Kontaktfläche 30 beispielsweise konkav, konvex, keilförmig, nutenförmig oder dergleichen sein.
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In dem Außenring 24 sind Luftkanäle 32 (gestrichelt dargestellt) eingebracht. In dem Innenring 26 sind Luftkanäle 34 (gestrichelt dargestellt) eingebracht. Die Luftkanäle 32 und 34 sind derart zueinander ausgerichtet, dass sie miteinander kommunizieren. Auf diese Weise kann Luft zwischen Außenring 24 und Innenring 26 zirkulieren. Den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen gemäß den 4 bis 6 können ebenfalls Luftkanäle vorgesehen sein, die jedoch nicht dargestellt sind.
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3 zeigt die Kontaktfläche 30 und die sich über die Kontaktfläche 30 verändernden Kontaktkräfte.
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An den großen Halbachsen wirken Kontaktkräfte Fg, an den kleinen Halbachsen Kontaktkräfte Fk. Die Kontaktkräfte Fg sind erheblich größer als die Kontaktkräfte Fk. Die Kontaktkräfte Fg sind in etwa doppelt so groß wie die Kontaktkräfte Fk. In den dazwischen liegenden Bereichen ändern sich die Kontaktkräfte stetig zwischen Fg und Fk und wieder zurück.
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Die hohen Unterschiede der Kontaktkräfte bewirken eine Variation der resultierenden Eigenform von Außenring 24 und Innenring 26. Die veränderte Eigenform bedingt wiederum ein verändertes Resonanzverhalten. Die Eigenfrequenzen der Bremsscheibe 20 werden deutlich voneinander verschoben und/oder separiert.
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In einem theoretischen Beispiel einer Bremsscheibe mit 360 mm Radius, bei der die kleine Halbachse der Ellipse der Kontaktfläche 30 250 mm beträgt, die der großen Halbachse 330 mm, ließen sich in einer Finite Elemente-Simulation eine Verschiebung der Eigenfrequenzen um mehr als 400 Hertz berechnen.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Bremsscheibe 20'.
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Die Bremsscheibe 20' weist einen Reibring 22' auf. Der Reibring 22' ist mehrteilig aufgebaut und weist einen Außenring 24' und einen Innenring 26' auf. Der Außenring 24' weist eine Außenringinnenkontur 24.1' auf, die rotationssymmetrisch ist. Der Innenring 26' weist eine Innenringaußenkontur 26.1' auf, die im Wesentlichen elliptisch ist. Die Dimensionen von Außenringinnenkontur 24.1' und Innenringaußenkontur 26.1' sind derart gestaltet, dass nach dem Aufschrumpfen des Außenrings 24' auf den Innenring 26' eine flächige Anlage entsteht. Durch die unterschiedlichen Geometrien von Außenringinnenkontur 24.1' und Innenringaußenkontur 26.1' ergeben sich unterschiedliche Kontaktkräfte über die sich ergebende Kontaktfläche.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Bremsscheibe 20''.
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Die Bremsscheibe 20'' weist einen Reibring 22'' auf, der einen Außenring 24'' und zwei Innenringe 26'', 36 aufweist. Der Innenring 36 ist zwischen Außenring 24'' und Innenring 26'' angeordnet.
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Der Innenring 36 ist zweifach elliptisch mit verschobenen Ausrichtungen ausgebildet, sodass sich elliptische Kontaktflächen 30'', 38 ergeben. Hierdurch lässt sich eine weitere Separierung der Eigenmoden der Bremsscheibe 20'' erreichen.
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6 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Bremsscheibe 20'''.
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Die Bremsscheibe 20''' weist einen Reibring 22''' mit einem Außenring 24''' und einem Innenring 26''' auf. Eine Außenringinnenkontur 24.1''' ist wie eine Innenringaußenkontur 26.1''' als Hypozykloide ausgebildet. Die Außenringinnenkontur 24.1''' und 26.1''' sind stetig und kongruent.
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Obwohl der Gegenstand im Detail durch Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4, 6
- Vorderräder
- 8, 10
- Hinterräder
- 12, 14, 16, 18
- Bremsanordnung
- 20, 20', 20'', 20'''
- Bremsscheibe
- 22, 22', 22'', 22'''
- Reibring
- 24, 24', 24'', 24'''
- Außenring
- 24.1, 24.1', 24.1'', 24.1'''
- Außenringinnenkontur
- 24.2
- Außenringaußenkontur
- 26, 26', 26'', 26'''
- Innenring
- 26.1, 26.1', 26.1'', 26.1'''
- Innenringaußenkontur
- 28, 28', 28'', 28'''
- Nabentopf
- 30, 30'', 30'''
- Kontaktfläche
- 32
- Luftkanal
- 34
- Luftkanal
- 36
- Innenring
- 38
- Kontaktfläche
- Fg
- Kontaktkraft große Halbachse
- Fk
- Kontaktkraft kleine Halbachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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