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Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Kupplungs- oder Bremsscheibe und insbesondere auf eine Nasskupplungs- oder Nassbremsscheibe mit einem Rillenmuster für hydraulische Zentrierung in einer ausgerückten Position und Aufrechterhaltung der Leistung in einer eingerückten Position.
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Nassbremssysteme werden seit mehreren Jahren in einer Hinterachskonstruktion einer Maschine oder eines Traktors realisiert. In diesen Systemen werden eine oder mehrere Bremsscheiben zwischen Reaktionsplatten angeordnet. Die Scheibe rotiert bei Achsengeschwindigkeit und zur Steuerung der Geschwindigkeit der Maschine oder des Traktors kann die Scheibe über einen Kolben druckbeaufschlagt werden.
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Im Nassbremssystem können die eine oder die mehreren Bremsscheiben teilweise in ein Ölbad getaucht sein, so dass beim Drehen der Scheibe ein Ölfluss durch eine in der Scheibe definierte Rille erzeugt wird. Eine herkömmliche Bremsscheibe kann aus einem inneren Metallkern mit einem beidseits des Kerns angeordneten papierähnlichen Material ausgebildet werden. Die Rille in der Bremsscheibe kann Teil eines im Papier der Scheibe definierten Gesamtrillenmusters sein. Das Rillenmuster kann eine Tiefe gleich oder kleiner als die Gesamtdicke des Papiers aufweisen. Beim Drehen der Bremsscheibe kann das Öl von einem Innendurchmesser der Scheibe in Richtung des anderen Durchmessers der Scheibe fließen. Während das Öl vom Innendurchmesser zum Außendurchmesser fließt, kann Wärme übertragen und von der Bremsscheibe abgeführt werden. Im Ergebnis kann Wärme, die beim Anlegen der Bremsscheibe erzeugt wird, zu einem wesentlichen Teil abgeführt werden, um die Unversehrtheit der Bremsscheibe im System zu schützen.
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Obwohl viele herkömmliche Bremsscheiben Rillenmuster aufweisen, die Wärme davon abführen können, haben die Scheiben leider andere Beschränkungen. Wie in 1 zu sehen, beinhaltet beispielsweise eine herkömmliche Bremsscheibe 100 eine äußere Schicht aus Papier 102. Ein quadratisch angelegtes Rillenmuster 104 ist in der Papierschicht 102 definiert und beinhaltet mehrere horizontale Rillen 112 und mehrere vertikale Rillen 114. Wie dargestellt, verlaufen einige der mehreren horizontalen Rillen 112 und vertikalen Rillen 114 von einem Innendurchmesser 106 zu einem Außendurchmesser 108 der Scheibe 100. Es gibt jedoch einige horizontale und vertikale Rillen, die nicht zwischen dem Innendurchmesser 106 und Außendurchmesser 108 verlaufen. Beispielsweise verlaufen die horizontale Rille 118 und die vertikale Rille 116 von einer Stelle am Außendurchmesser 108 zu einer zweiten Stelle am Außendurchmesser 108.
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Bei drehender Bremsscheibe kann Öl nur durch eine begrenzte Anzahl von Rillen vom Innendurchmesser 106 zum Außendurchmesser 108 fließen. Somit beinhaltet die Bremsscheibe 100 einige Rillen, die optimal positioniert sind, um Öl aufzunehmen und über die Scheibe abzuführen, und andere Rillen, die dazu nicht optimal positioniert sind. Infolgedessen kann die Bremsscheibe 100 Bereiche mit Lufteinschlüssen beinhalten, in denen Öl oder anderes Fluid nicht fließen kann oder vermindert fließt. Im Falle von Lufteinschlüssen kommt es zu einer mangelhaften Wärmeabführung über die Scheibe, wodurch auf der Scheibe Wärmenester und eventuell hitzebedingte Schäden oder Defekte an der Scheibe entstehen.
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Ein weiteres Problem bei der Bremsscheibe nach 1 ist das Fehlen eines Trenn- oder Zentriermerkmals. Während eines Bremsvorganges greifen die beidseits der Scheibe angeordneten Trennplatten in die Bremsscheibe 100 ein. Beim Lösen der Bremse nimmt der Kolben den Druck von den Trennplatten. Die Bremsscheibe 100 beinhaltet jedoch kein Trennmerkmal, um die Scheibe 100 von den Trennplatten hydraulisch zu trennen. Die Bremsscheibe 100 kann somit an den Trennplatten schleifen und das Leistungsverhalten der Maschine oder des Traktors verringern.
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Manche herkömmliche Bremsscheiben beinhalten ein Trennmerkmal, um diesen Bremswiderstand (Drag) zu überwinden. In 2 wird beispielsweise eine herkömmliche Bremsscheibe 200 dargestellt, die einen Metallkern und eine Papierschicht 202 beinhaltet. Die Papierschicht 202 definiert ein quadratisch angelegtes Rillenmuster 204 zwischen dem Innendurchmesser 206 und dem Außendurchmesser 208 der Scheibe 200. Das quadratisch angelegte Rillenmuster 204 definiert mehrere Quadrate 210, die von einer ersten Rille 212 und einer zweiten Rille 214 gebildet werden. Die erste Rille 212 und die zweite Rille 214 sind rechtwinklig zueinander. Analog zum Rillenmuster 104 der ersten herkömmlichen Scheibe 100 beinhaltet auch das zweite Rillenmuster 204 der Scheibe 200 einige Rillen, die sowohl den Innendurchmesser 206 als auch den Außendurchmesser 208 schneiden, und andere Rillen, die nur den Außendurchmesser 208 schneiden. Infolgedessen weist die Bremsscheibe 200 einige Bereiche auf, die die Wärme besser von der Scheibe abführen als andere Bereiche.
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Die Bremsscheibe 200 beinhaltet ferner sechs Schlitze 216. Jeder Schlitz 216 bildet einen Einlassabschnitt 218 am Innendurchmesser 206 und beinhaltet einen blinden oder geschlossenen Endabschnitt 220 in der Nähe des Außendurchmessers 208. Der blinde oder geschlossene Endabschnitt 220 schneidet nicht den Außendurchmesser 208, so dass sich Öl oder anderes Fluid, das den Schlitz 216 durchfließt, darin aufstaut. Beim Lösen der Bremse bewirkt das in den einzelnen Schlitzen 216 aufgestaute Öl oder Fluid somit eine hydraulische Trennung der Bremsscheibe 200 von den Trennplatten. Der blinde oder geschlossene Endabschnitt 220 des jeweiligen Schlitzes 216 verursacht jedoch eine mangelhafte Wärmeabführung und verhindert ein Abkühlen der Bremsscheibe 200.
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Deshalb wäre es wünschenswert, eine Bremsscheibe mit einem Rillenmuster bereitzustellen, das die Wärmeübertragung wirksam begünstigen und die Bremsscheibe von den Trennplatten hydraulisch trennen kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Bremsscheibe für eine Bremsanordnung bereitgestellt. Die Scheibe beinhaltet einen ringförmigen Körper, der einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist. Die Scheibe beinhaltet auch ein Reibmaterial, das mit dem Körper gekoppelt ist und im Wesentlichen wenigstens eine Seite des Körpers bedeckt. Das Reibmaterial bildet einen ersten Durchmesser und einen zweiten Durchmesser, wobei der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser. Die Scheibe beinhaltet ferner ein im Reibmaterial definiertes Rillenmuster. Das Rillenmuster beinhaltet mehrere Rillen, wobei jede der mehreren Rillen einen am ersten Durchmesser definierten Einlass und einen am zweiten Durchmesser definierten Auslass beinhaltet. Der Einlass definiert eine erste Breite und der Auslass definiert eine zweite Breite dergestalt, dass die erste Breite größer ist als die zweite Breite.
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In einem Aspekt kann das Rillenmuster zwischen dem ersten Durchmesser und dem zweiten Durchmesser mehrere im Wesentlichen V-förmige Rillen ausbilden. Jede der im Wesentlichen V-förmigen Rillen schneidet zwei oder mehr andere im Wesentlichen V-förmige Rillen. In einem weiteren Aspekt kann der zweite Durchmesser mit dem Außendurchmesser annähernd fluchten. Alternativ kann der zweite Durchmesser genauso groß wie oder kleiner als der Außendurchmesser sein. In einem verwandten Aspekt verjüngt sich die Breite jeder Rille vom Einlass zum Auslass hin. Die erste Breite beispielsweise kann etwa doppelt so groß wie die zweite Breite sein.
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In einem anderen Aspekt kann das Reibmaterial zwischen den mehreren Rillen mehrere im Wesentlichen dreieckig und rhombisch geformte Abschnitte ausbilden. Dabei kann wenigstens eine Seite der mehreren im Wesentlichen dreieckigen Abschnitte mit entweder dem ersten Durchmesser oder dem zweiten Durchmesser zusammenfallen. Darüber hinaus können die mehreren im Wesentlichen rhombischen Abschnitte abständig zum ersten Durchmesser und zweiten Durchmesser angeordnet sein. In einem weiteren Aspekt kann das Reibmaterial beide Seiten des Körpers im Wesentlichen bedecken und kann das Rillenmuster im Reibmaterial auf beiden Seiten des Körpers definiert sein.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Scheibenanordnung einen Kolben, eine erste Platte und eine zweite Platte, die abständig zueinander angeordnet sind, und eine zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnete Scheibe. Der Kolben ist angrenzend zur ersten oder zweiten Platte angeordnet. Die Scheibe beinhaltet darüber hinaus einen Körper, der einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser, ein Reibmaterial, das mit dem Körper gekoppelt ist und beide Seiten desselben wenigstens teilweise bedeckt, und ein im Reibmaterial definiertes Rillenmuster aufweist. Das Reibmaterial bildet einen ersten Durchmesser und einen zweiten Durchmesser, wobei der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser. Das Rillenmuster beinhaltet zudem mehrere Rillen, wobei jede der mehreren Rillen einen am ersten Durchmesser definierten Einlass und einen am zweiten Durchmesser definierten Auslass beinhaltet. Der Einlass definiert eine erste Breite und der Auslass definiert eine zweite Breite, wobei die erste Breite größer ist als die zweite Breite.
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In einem Aspekt dieser Ausführungsform kann das Rillenmuster zwischen dem ersten Durchmesser und dem zweiten Durchmesser mehrere im Wesentlichen V-förmige Rillen ausbilden. Jede der im Wesentlichen V-förmigen Rillen kann zwei oder mehr andere im Wesentlichen V-förmige Rillen schneiden. In einem anderen Aspekt kann der zweite Durchmesser mit dem Außendurchmesser annähernd fluchten. In einem weiteren Aspekt kann sich die Breite jeder Rille vom Einlass zum Auslass hin verjüngen. In einem Beispiel kann die erste Breite etwa doppelt so groß wie die zweite Breite sein.
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In einem anderen Aspekt kann das Reibmaterial zwischen den mehreren Rillen mehrere im Wesentlichen dreieckig und rhombisch geformte Abschnitte ausbilden. Beispielsweise kann wenigstens eine Seite der mehreren im Wesentlichen dreieckigen Abschnitte mit entweder dem ersten Durchmesser oder dem zweiten Durchmesser zusammenfallen. Darüber hinaus können die mehreren im Wesentlichen rhombischen Abschnitte abständig zum ersten Durchmesser und zweiten Durchmesser angeordnet sein.
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In einer verwandten Ausführungsform kann die Bremsanordnung einen eingerückten Zustand und einen ausgerückten Zustand beinhalten. Im eingerückten Zustand steht der Kolben in Kontakt mit entweder der ersten oder der zweiten Platte und die Scheibe steht in Kontakt mit beiden Platten. Im ausgerückten Zustand ist die Scheibe abständig zu beiden Platten.
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Zur Verdeutlichung der vorgenannten Aspekte der vorliegenden Offenbarung und der Art und Weise ihrer Realisierung sowie zum Verdeutlichen und besseren Verständnis der Offenbarung selbst wird auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsformen der Offenbarung im Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen verwiesen, wobei gilt:
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1 ist eine schematische Darstellung einer ersten herkömmlichen Ausführungsform einer Bremsscheibe;
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2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten herkömmlichen Ausführungsform einer Bremsscheibe;
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3 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bremsanordnung;
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4 ist eine Vorderansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Bremsscheibe mit sich verjüngenden Rillen; und
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5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teilabschnitts der Bremsscheibe von 4.
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Entsprechende Bezugszeichen zeigen in den unterschiedlichen Ansichten entsprechende Teile an.
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Die vorliegende Offenbarung stellt Ausführungsformen bereit, die auf jegliches Scheibenpaket für ein Bremssystem oder Kupplungssystem bezogen werden können. Beispielsweise kann die Scheibe Teil eines Bremspakets sein, bei dem jede Bremsscheibe durch Trennplatten getrennt ist. Alternativ kann die Scheibe Teil eines Kupplungspakets sein, bei dem die Scheibe eine von Reaktionsplatten getrennte Kupplungsplatte ist. Im Rahmen dieser Offenbarung sind die Bezeichnungen „Scheibe“ und „Platte“ austauschbar. Ebenso sind die Bezeichnungen „Trennplatte“ und „Reaktionsplatte“ austauschbar.
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Unter Bezug auf 3 wird eine beispielhafte Ausführungsform einer Bremsanordnung 300 dargestellt. Die Bremsanordnung 300 beinhaltet eine Bremsscheibe 302, die zwischen einer ersten Trennplatte 304 und einer zweiten Trennplatte 306 angeordnet ist. Die Bremsscheibe 302 kann einen inneren Metallkern 310 und eine Papierschicht 312 beidseits des Kerns 310 beinhalten. In der Papierschicht 312 ist ein Rillenmuster 314 definiert, um die Wärmeabführung von der Bremsscheibe 302 zu begünstigen.
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Die Bremsschreibe 302, erste Trennplatte 304 und zweite Trennplatte 306 können ein Bremsscheibenpaket ausbilden. Ein Kolben 308 ist angrenzend zur zweiten Trennplatte 306 angeordnet. Wenn das Bremssystem eingerückt wird, kann der Kolben 308 hydraulisch an die zweite Trennplatte 306 angelegt werden. Die zweite Trennplatte 306 wird gegen die Bremsscheibe 302 gedrückt und bringt dadurch die Bremsscheibe 302 mit beiden Trennplatten in Eingriff.
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In 4 wird eine beispielhafte Ausführungsform einer Bremsscheibe 400 dargestellt. Die Bremsscheibe 400 kann mehrere innere Keilelemente 402 für den Eingriff einer Welle, Nabe, Trommel oder eines Abschnitts einer Hinterachse beinhalten.
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Analog zur Bremsscheibe 302 von 3 kann die Bremsscheibe 400 einen aus Stahl oder einem anderen Material ausgebildeten Metallkern beinhalten. Eine oder beide Seiten des Kerns können mit einer Schicht aus Papier 404 belegt oder gekoppelt werden. Das Papier kann jegliche Art von Reibmaterial sein, wie Reibmaterial Borg Warner 4501 oder Borg Warner 4429. Die Größe der Bremsscheibe 400 kann vom jeweiligen Anwendungszweck abhängen. In einem nichtausschließlichen Beispiel kann der Kern ca. 2–4 mm dick und die Papierschicht 0,5–1,0 mm dick sein.
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Die Papierschicht 404 der Bremsscheibe 400 beinhaltet einen Innendurchmesser 406 und einen Außendurchmesser 408. In der Papierschicht 404 ist ein Rillenmuster 410 ausgebildet, wie dargestellt. Das Rillenmuster 410 wird von mehreren Rillen 420 gebildet. Wie in 4 gezeigt, verläuft jede der mehreren Rillen 420 des Rillenmusters 410 vom Innendurchmesser 406 zum Außendurchmesser 408. In dieser Anordnung definiert jede Rille 420 am Innendurchmesser 406 einen Einlass 412 und am Außendurchmesser 408 einen Auslass 414. Beim Drehen der Bremsscheibe 400 kann somit Öl oder ein anderes Fluid durch jede der mehreren Rillen 420 vom Einlass 412 zum Auslass 414 fließen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Bremsscheiben der 1 und 2 ist das Rillenmuster 410 von 4 radialsymmetrisch und begünstigt die Wärmeabführung durch jede Rille 420. Infolgedessen kann jede Rille mit Öl im Wesentlich gefüllt sein und die Wahrscheinlichkeit von Lufteinschlüssen in einzelnen Rillen ist geringer.
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Das Reibmaterial (z. B. Papierschicht 404) wird vom Rillenmuster 410 in mehrere im Wesentlichen dreieckige Abschnitte 416 und mehrere im Wesentlichen rhombische Abschnitte 418 geteilt. Die mehreren im Wesentlichen dreieckigen Abschnitte 416 sind in der Nähe des Innendurchmessers 406 und Außendurchmessers 408 angeordnet. Insbesondere bildet wenigstens eine Seite der mehreren im Wesentlichen dreieckigen Abschnitte 416 entweder den Innendurchmesser 406 oder den Außendurchmesser 408 der Papierschicht 404. Die mehreren im Wesentlichen rhombischen Abschnitte 418 sind abständig zum Innendurchmesser 406 und Außendurchmesser 408 angeordnet.
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Das Rillenmuster 410 von 4 wird in 5 weiter illustriert. In 5 ist ein Teilabschnitt 500 der Bremsscheibe 400 dargestellt. Mehrere Rillen 502 entsprechen hier den mehreren Rillen 420 aus 4. Jede Rille 502 beinhaltet einen Einlass 504 und einen Auslass 506, so dass Öl oder ein anderes Fluid zwischen diesen strömen kann. Am Einlass 504 schneiden sich zwei Rillen 502 im Punkt 524. Eine erste Rille 516 und eine zweite Rille 518 bilden ein im Wesentlichen V-förmiges Rillenmuster. Jede Rille ist in einem Winkel zu einer Achse 528 angeordnet, die durch einen Mittenpunkt 514 und einen Mittelpunkt C der Scheibe 400 verläuft. Der Mittenpunkt 514 liegt auf einem inneren Bogen, dessen Durchmesser kleiner ist als sowohl der Innendurchmesser 510 als auch der Außendurchmesser 512.
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Wie auch dargestellt, schneiden die mehreren Rillen 502 einander an unterschiedlichen Schnittpunkten 508 und bilden ein im Wesentlichen gittergerastertes Bild. Das von den mehreren Rillen 502 gebildete Rillenmuster bildet mehrere im Wesentlichen dreieckige Abschnitte 520 von Reibmaterial und mehrere im Wesentlichen rhombische Abschnitte 522 von Reibmaterial. Die im Wesentlichen dreieckigen Abschnitte 520 und rhombischen Abschnitte 524 sind den in 4 dargestellten im Wesentlichen dreieckigen Abschnitten 416 bzw. rhombischen Abschnitten 418 ähnlich.
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Das Rillenmuster 410 der Bremsscheibe 400 beinhaltet auch ein Selbstzentrierungs- oder Trennmerkmal zur Verringerung des Bremswiderstands (Drag) bzw. der Verwirbelung (Windage). Die Verwirbelung ist die Ineffizienz im Bremssystem aufgrund von Widerstandskräften zwischen Bremsscheibe und Trennplatten. In einer Hinterachse ist es beispielsweise wünschenswert, diese Verwirbelung zu reduzieren oder im Wesentlichen zu beseitigen, um eine höchstmögliche Energieleistung zu erzielen, die notwendig ist, um das System bei jeder gegebenen Geschwindigkeit über einen Drehzahlbereich drehen zu lassen. Zur Erzielung des Selbstzentrier- oder Trennmerkmals verengt sich jede Rille 502 vom Einlass 504 zum Auslass 506 entsprechend der Darstellung in 5. Die Rille 502 kann sich vom Einlass 504 zum Auslass 506 hin verjüngen.
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In 5 kann die Rille 502 eine erste Breite W1 am Auslass 506 und eine zweite Breite W2 am Einlass 504 aufweisen, wobei die erste Breite W1 kleiner ist als die zweite Breite W2. In einer Ausführungsform kann das Verhältnis der ersten Breite W1 zur zweiten Breite W2 beispielsweise etwa 1:2 oder weniger betragen. In einer anderen Ausführungsform kann das Verhältnis ca. 1:2,5 oder weniger betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Verhältnis ca. 1:5 oder weniger betragen. Andere Anordnungen sind möglich, so dass Winkel und Rillenbreite entsprechend der Größe der Scheibe skalierbar sind.
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Die Bremsscheibe in der Ausführungsform von 5 dreht sich und bewirkt eine Zentrifugalbeschleunigung zum Drücken von Öl durch die mehreren Rillen 502. Jede Rille 502 verjüngt sich konisch zulaufend vom Einlass 504 zum Auslass 506, so dass Öl in jeder Rille verbleibt und die Rille überfüllen kann, wodurch die Rille eine Axialkraft erzeugt und so die Bremsscheibe von den Trennplatten wegbewegt. Die verjüngt zulaufenden Rillen erzielen daraus das selbstzentrierende oder trennende Merkmal für die Bremsscheibe, so dass keine Energie verbraucht wird, wenn die Achse mit unterschiedlichen Drehzahlen gedreht wird. Insbesondere kann das Öl bewirken, dass die Bremsscheibe im Wesentlichen mittig zwischen den Trennplatten angeordnet wird, wodurch der Bremswiderstand verringert wird und die Energieleistung und Bremsscheibenhaltbarkeit erhöht werden.
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Das Rillenmuster 410 der Bremsscheibe 400 kann somit den gewünschten Wärmeabfuhrbetrag für die Bremsanordnung erzielen, was die Standzeit des Systems verbessert. Darüber hinaus verbleibt Öl in den verjüngt zulaufenden Rillen, so dass sich die Bremsscheibe 400 im System selbsttätig zentrieren oder von den benachbarten Trennplatten lösen kann. Infolgedessen kann die Bremsscheibe 400 durch Verminderung von Bremswiderstand und Verwirbelung den gewünschten Grad an Energieeffizienz und Bremsleistung erzielen.
