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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Scheibenbremssattel, umfassend wenigstens einen Kühlkanal und ein Herstellungsverfahren davon. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Scheibenbremssattelkörper, umfassend wenigstens einen Kühlkanal, ausgebildet durch additive Fertigung.
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Bremssättel sind nach dem Stand der Technik gut bekannt. Diese Sättel sind angeordnet, ein Paar aus einander gegenüberliegenden Bremsbelägen zu betätigen, um eine Bremsscheibe dazwischen einzuklemmen. Das Einklemmen der Bremsscheibe verlangsamt eine Bewegung eines Fahrzeugs, an dem der Sattel angebracht ist. Bremssättel kommen in verschiedenen Formen vor. So werden in Sätteln vom Schwimmsatteltyp ein oder mehrere Zylinder auf einer einzigen Seite der Scheibe eingesetzt, um einen der zwei einander gegenüberliegenden Beläge vorzubewegen. Steht der Belag einmal mit der Scheibe in Berührung, gleitet der Sattel (der gleitbar befestigt ist, um sich in der Betätigungsrichtung zu bewegen) derart, dass der gegenüberliegende Belag die Scheibe berührt, um sie zwischen den Belägen einzuklemmen. Sättel mit einander gegenüberliegenden Kolben, die im Motorsport üblicher sind, weisen einen festen Sattel mit zwei Zylinderpfostenreihen auf, die beide jeweils einen Bremsbelag vorbewegen. Demnach steht der Sattel still, die Scheibe wird aber zwischen beweglichen Teilen eingeklemmt. In beiden Fällen bleibt das Grundprinzip dasselbe - der Hydraulikdruck in einem Zylinder wird erhöht, um die zwei Bremsbeläge zusammenzudrängen, um eine Scheibe einzuklemmen.
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Sättel nach dem Stand der Technik umfassen einen Bremssattelkörper, der die Festigkeit und die Steifigkeit bereitstellt, die erforderlich sind, um auf Kräfte zu reagieren, die beim Bremsen erfahren werden. Der Sattelkörper weist typischerweise zwei Halter auf, auf beiden Seiten der Ebene der Bremsscheibe, wobei an jedem Halter jeweilige Bremszylinder mit zugehörigen Kolben aufgenommen sind. Bremsbeläge sind an einer lateralen Innenfläche des Sattelkörpers befestigt, um durch Kolben in den Zylindern zu der Scheibe hin vorbewegt zu werden. Die Halter sind mit einem oder mehreren Brückenelementen verbunden, die sich über die Scheibe hinweg erstrecken und somit auf dieser sitzen. Hydraulikfluiddurchlässe sind an dem Sattelkörper angebracht und in diesen eingefräst, um Hydraulikfluid an die Zylinder bereitzustellen. So wird zum Beispiel in einem Bremssattel nach dem Stand der Technik ein externer Hydraulikleiter auf der radialen Außenoberfläche eines der Brückenelemente, die den Sattel überspannen, bereitgestellt. Der Leiter ist in Fluidkommunikation mit einem Durchlass angeordnet, der in den Halter eingebohrt ist, und sich in den Zylinder hinein erstreckt.
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Die Bremssattelkörper sind häufig an dem Fahrzeug an einer innenliegenden oder einer Karosserieseite befestigt (dieser wird als der Halter auf der Befestigungsseite bezeichnet). Der gegenüberliegende Halter wird als der Halter auf der Nichtbefestigungsseite bezeichnet.
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Bremssättel neigen aufgrund von Reibung zwischen den Belägen und der Scheibe dazu, im Gebrauch sehr heiß zu werden, wenn Bremskräfte aufgebracht werden. Insbesondere bei Rennsportwagen ist bekannt, dass überhitzte Bremssättel und -scheiben die Fähigkeit reduzieren, das Fahrzeug zu verlangsamen, und die Haltbarkeit der Bremsen stark verringern. Um ein Überhitzen des Bremssystems zu verhindern, werden bei Rennsportwagen bekanntermaßen Luftleiter eingesetzt, die den Luftstrom zu einer innenliegenden Seite der Bremsscheibe (Rotor) hin leiten, was die Luftstromrate durch die Bremsrotorschaufeln hindurch erhöht, wodurch der Rotor wiederum schneller abgekühlt wird. Der Bremssattelkörper kann andererseits separate Kühlfluidkanäle umfassen, die zur Kommunikation von Kühlfluid, sei dies Luft, Wasser oder spezielles Kühlmittel um den Bremssattel herum, in den Sattelkörper eingefräst sein können.
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Herkömmliche bekannte Kühlkanäle führen Kühlmittelfluid in durchgebohrten Durchlässen um den Sattel herum, um Wärme vom Sattel abzuführen und die Temperatur des Gehäuses zu verringern. Diese sind durch die Einschränkungen des Fertigungsvorgangs beschränkt, da die Bohrungen gerade sein müssen und dann verstopft werden müssen. Diese Einschränkung bedeutet, dass, während ein Kühlmittel den Sattel abkühlen kann, dies aufgrund von Strömungseinschränkungen durch scharfe Kanten innerhalb der Kühlkanäle und aufgrund des großen Abstands zwischen den Kühlkanälen und den Zylindergehäuseabschnitten oder Dichtungen des Sattels nicht so effizient ist, wie es sein könnte.
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Unter Berücksichtigung dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Scheibenbremssattelkörper mit verbesserten Kühlungseigenschaften bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die verbesserte Kühlwirkung bereitzustellen, ohne die strukturelle Integrität des Bremssattels, der beim Bremsen starken Belastungen ausgesetzt ist, bereitzustellen.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Scheibenbremssattelkörper bereitgestellt, umfassend einen Halter auf einer Befestigungsseite und einen Halter auf einer Nichtbefestigungsseite, der sich entlang einer Umfangsrichtung des Körpers erstreckt, wobei jeder Halter konfiguriert ist, wenigstens einen Bremsbelag zu halten. Der neuartige Scheibenbremssattelkörper umfasst ferner wenigstens einen Kühlkanal, ausgebildet durch additive Fertigung, wobei der Kühlkanal ein einstückiger Teil des Bremssattelkörpers ist und sich stetig entlang dessen Länge erstreckt.
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Wie Fachleute wissen, sind die Richtungen eines Bremssattels üblicherweise mit Bezug auf die Bremsscheibe spezifiziert. Demnach ist die Umfangsrichtung des Sattels eine Richtung parallel zu dem Umfang der Rotorscheibe. Die radiale Richtung bezieht sich auf radiale Vektoren, die aus der Mitte der Bremsscheibe hervorgehen, und könnte ebenfalls als eine Richtung von unten nach oben im Bremssattel bezeichnet werden. Schließlich bezieht sich die laterale Richtung des Bremssattels auf die Richtung der Drehachse der Bremsscheibe. Die laterale Richtung erstreckt sich demnach senkrecht zu der Umfangsrichtung und der radialen Richtung.
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Durch Herstellen der Kühlkanäle in einem additiven Fertigungsvorgang können die Leiter vollständig in den Bremssattel integriert werden und umfassen im Grunde jede beliebige Form, die für eine optimale Kühlwirkung erforderlich ist. Hierzu ist es vorzuziehen, den gesamten Sattelkörper durch additive Fertigung zu erzeugen. In manchen Ausführungsformen kann nur der Kühlkanal durch additive Fertigung hergestellt werden, während andere Teile des Sattels durch herkömmliche Bearbeitungsschritte ausgebildet werden können. Die durch additive Schichten erzeugten Kühlkanäle können deutlich näher an anderen funktionellen Teilen des Sattelkörpers (z. B. Zylindergehäuse und Dichtungen) bereitgestellt werden als herkömmliche bekannte gefräste Kühlkanäle. Schließlich macht das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren die Kühlkanäle nicht nur effizienter beim Abführen von Wärme von dem Sattelkörper, sondern bietet dem Sattel auch eine verbesserte strukturelle Steifigkeit und ermöglicht weitere Gewichtsminderungen, die in Rennanwendungen besonders entscheidend sind. Der neuartige Sattelkörper erfordert deutlich weniger Fräsen und kein Bohren zum Anfertigen des Kühlkanals. Demnach liegen keinerlei Anforderungen für Stopfeneinsätze vor, um zu verhindern, dass das Hydraulikfluid aus dem Sattelkörper ausläuft.
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Der Begriff „stetig“ in dieser Spezifikation bezieht sich auf eine mathematische Bedeutung, nämlich, dass der Kühlkanal sich entlang eines Pfads erstreckt, der an jedem beliebigen Punkt entlang der Länge des Hydraulikfluidkanals differenzierbar ist. Einfach ausgedrückt, weist der Kühlkanal keine plötzlichen Biegungen oder Ecken auf. Vielmehr erstreckt sich jeder Punkt der Seitenwand regelmäßig entlang der Länge des wenigstens einen Hydraulikfluidkanals. Die stetige Form des Hydraulikfluidkanals weist den Vorteil auf, dass Druckverluste innerhalb des Kanals minimiert werden.
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Der wenigstens eine Kühlkanal ist ein einstückig ausgelegter Teil des Bremssattelkörpers. Demnach können die Teile des Sattels, die den Kühlkanal umfassen, gänzlich durch additive Fertigungsverfahren ausgebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der wenigstens eine Kühlkanal eine stetig gekrümmte Form auf, wenn in Aufsicht betrachtet. Der gekrümmte Körper des Kühlkanals verhindert, dass Kühlfluid in Ecken oder Sackgassen des Kanals gefangen wird, was bekanntermaßen üblicherweise den Widerstand des durch den Hauptzylinder bereitgestellten Kühlfluidstroms erhöht. Anders ausgedrückt enthält der erfindungsgemäße Kühlkanal keine scharfen Ecken, um einen unnötigen Widerstand für die Kühlfluidströmung zu verhindern. Der Begriff „stetig“ bezieht sich wiederum auf eine Krümmung, die an jedem Punkt entlang der Länge des Hydraulikfluidkanals differenzierbar ist.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Sattelkörper ein oder mehrere Brückenelemente umfassen, die die Halter auf der Befestigungsseite und auf der Nichtbefestigungsseite in einer im Wesentlichen lateral verlaufenden Richtung miteinander verbinden, wobei sich der Kühlkanal wenigstens zum Teil durch das eine oder die mehreren Brückenelemente hindurch erstreckt. Nach dieser Ausführungsform kann der Kühlkanal eingesetzt werden, um Kühlfluid, wie etwa den zuvor erwähnten geleiteten Luftstrom, von der Befestigungsseite des Sattelkörpers hin zu der Nichtbefestigungsseite des Sattelkörpers, der normalerweise wenigstens zum Teil durch die Bremsscheibe versperrt ist, zu befördern. Die Kühlkanäle dieser Ausführungsform können sich durch eines oder alle der Brückenelemente hindurch erstrecken, abhängig von der erforderlichen Menge des Kühlfluids und der Auswirkung auf die Steifigkeit des Sattels. Nach diesem Aspekt wird wenigstens das Brückenelement durch additive Fertigung erzeugt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfassen das eine oder die mehreren Brückenelemente Folgendes: eine erste Endbrücke, konfiguriert, führende Enden der Halter zu verbinden, und eine zweite Endbrücke, angeordnet und konfiguriert, hintere Enden der Halter zu verbinden, wobei sich der Kühlkanal wenigstens teilweise durch die erste und/oder die zweite Endbrücke hindurch erstreckt. Wie in der Folge genauer beschrieben wird, ermöglicht diese Ausführungsform, dass der Belagspalt frei von Führungen ist, was ein zügiges und leichtes Austauschen des Bremsbelags ermöglicht, ohne Kühlkanälen ausweichen zu müssen, die sich über den Belagspalt hin erstrecken.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kühlkanal eine erste Öffnung auf einer Befestigungsseite der ersten Endbrücke und eine zweite Öffnung auf einer Befestigungsseite der zweiten Endbrücke, wobei der Kühlkanal sich durch die erste Endbrücke, den Halter auf der Nichtbefestigungsseite und die zweite Endbrücke zwischen der ersten Fluidöffnung und der zweiten Öffnung erstreckt. Nach diesem Aspekt kann der Fluidstrom um das Innere des Sattels herum umgewälzt werden, um an der optimalen Stelle, wie etwa der Befestigungsseite des Bremssattels, ein- und auszutreten. Dies ist besonders nützlich in Verbindung mit dem obigen Kühlungsluftstrom, der hin zu der inneren oder der Befestigungsseite der Bremsscheibe geleitet wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Kühlkanal im Wesentlichen U-förmig zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass, wenn in Aufsicht betrachtet. Die U-förmige Gestaltungsform des Kühlkanals weist den Vorteil auf, dass scharfe Biegungen und somit Strömungswiderstand innerhalb des Kühlkanals verhindert werden. Selbstverständlich kann der Kühlkanal in einer anderen Form erzeugt werden, es wird aber bevorzugt, den Kühlkanal mit sanften Ecken zu versehen, um einen Luftstromwiderstand zu beschränken.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Halter auf der Nichtbefestigungsseite wenigstens ein Zylindergehäuse, angepasst, einen entsprechenden Bremskolben aufzunehmen, wobei wenigstens ein Anteil des Kühlkanals sich um einen Außenumfang des wenigstens einen Zylindergehäuses herum erstreckt. Anders ausgedrückt kann der Kühlkanal dieser Ausführungsform ausgebildet sein, das wenigstens eine Zylindergehäuse des Halters auf der Nichtbefestigungsseite zwischen den Enden der ersten und der zweiten Endbrücke auf der Nichtbefestigungsseite zu umgeben.
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Nach einem weiteren Aspekt umfassen das eine oder die mehreren Brückenelemente eine mittlere Brücke, die zwischen einem führenden Ende und einem hinteren Ende des Sattelkörpers angeordnet ist, wobei der Kühlkanal sich wenigstens zum Teil durch die mittlere Brücke hindurch erstreckt. Demnach ist der Kühlkanal mit Bezug auf den Sattelkörper mittig angeordnet und erstreckt sich über den Teil des Körpers, an dem die Zylindergehäuse angeordnet sind und die meiste Wärme erzeugt wird. Selbstverständlich kann der Kühlkanal innerhalb der mittleren Brücke zusätzlich zu dem U-förmigen Kühlkanal innerhalb der zuvor beschriebenen ersten und zweiten Brücke ausgebildet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Kühlkanal zwischen lateralen Innenflächen der Halter auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite. Die lateralen Innenflächen der Halter auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite entsprechen der Auslassseite der Zylindergehäuse, auf der die Bremsbeläge befestigt sind. Anders ausgedrückt sind die lateralen Innenflächen der Halter auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite die Oberflächen, die im Gebrauch zu der Bremsscheibe hin weisen. Alternativ dazu kann sich der Kühlkanal zwischen einer seitlichen Außenfläche der Halter auf der Befestigungsseite und den Zylindergehäusen der Halter auf der Nichtbefestigungsseite erstrecken. Nach dieser Ausführungsform erstreckt sich der Kühlkanal im Wesentlichen von dem Ende der Befestigungsseite aus über den gesamte Sattel.
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Nach der zuvor beschriebenen alternativen Ausführungsform kann der Kühlkanal einen Lufteinlass umfassen, angeordnet an der lateralen Außenfläche des Halters auf der Befestigungsseite entlang eines radial außenliegenden Endes des Sattelkörpers, wobei der Kühlkanal einen Luftauslass umfassen kann, der an einem radial innenliegenden Ende des Sattelkörpers angeordnet ist. Anders ausgedrückt kann der Kühlkanal ausgestaltet sein, um Kühlfluid, wie etwa Kühlluft, von einem oberen Ende (radial außenliegendes Ende) des Halters auf der Befestigungsseite hin zu dem unteren Ende (radial innenliegendes Ende) des Halters auf der Nichtbefestigungsseite beziehungsweise des Halters auf der Befestigungsseite zu transportieren. In dieser besonderen Ausführungsform kann der Kühlkanal angeordnet sein, das Kühlfluid von einer im Wesentlichen lateralen Richtung in eine radiale Richtung über die Zylindergehäuse der seitlichen Halter zu leiten.
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In einer anderen Ausführungsform definiert der Kühlkanal einen Hohlraum zum Befördern von Kühlfluid, wobei der Hohlraum zusätzliche Strukturen umfasst, die sich von einer inneren Oberfläche des Kühlkanals aus erstrecken, und wobei die Strukturen durch additive Fertigung ausgebildet werden. Die zusätzlichen Strukturen innerhalb des Kühlkanals können entlang der gesamten Länge des Kühlkanals oder nur an vorbestimmten Stellen bereitgestellt sein. Die zusätzlichen Strukturen können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden, wie etwa zum Erhöhen der Oberfläche in Berührung mit dem Kühlfluid, zum Erhöhen der Steifigkeit in vorgegebenen Bereichen, vorzugsweise solchen mit hoher Belastung, des Kühlkanals, und zum Bewirken von verwirbeltem Luftstrom.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfassen wenigstens Teile der zusätzlichen Strukturen eine Gitterstruktur mit einer teilweisen Haut. In diesem Antrag soll der Begriff „Haut“ sich auf einen Abschnitt mit einer Massendichte von im Wesentlichen 100% der Dichte des Materials beziehen, aus dem es gebildet ist. Der Begriff „Gitterstruktur“ soll sich hier auf einen Abschnitt mit einer Massendichte von höchstens 50 % des Materials beziehen, aus dem es gebildet ist. Vorteilhafterweise führt die Gitterstruktur zu einer steifen und dennoch leichten Gestaltungsform des Kühlkanals. Die Haut kann sich außerhalb oder innerhalb der Gitterstruktur befinden. Die Gitterstruktur kann in Teilen des Kühlkanals angeordnet sein, die während des Gebrauchs des Sattelkörpers hohen Biegebelastungen ausgesetzt werden.
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Vorzugsweise wird eine Massendichte von höchstens 50 % der Gitterstruktur erzielt, indem Leerräume innerhalb der Gitterstruktur von über 50 % der Querschnittsfläche der Teile des Kühlkanals bereitgestellt werden, die die Gitterstruktur ausmachen. Stärker bevorzugt weisen die Leerräume ein prozentuales Leerraumvolumen von wenigstens 70 % auf, anders ausgedrückt beträgt die Massendichte der Gitterstruktur vorzugsweise höchstens 30 %. Am stärksten bevorzugt weisen die Leerräume ein prozentuales Leerraumvolumen von 90 % auf, was einer Gittermassendichte von 10 % entspricht. Die Gitterstruktur stellt ferner eine größere Oberfläche und lokale Verwirbelungen für den Luftstrom bereit, die eingesetzt werden können, um eine Kühleffizienz des Sattels zu erhöhen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform umfassen wenigstens Teile der zusätzlichen Strukturen mehrere Schaufeln. Die Schaufeln können sich gerade entlang der Länge des Kühlkanals oder wellenförmig erstrecken. Ähnlich zu der zuvor beschriebenen Gitterstruktur können die Schaufeln dem Kühlkanal und dem Sattelkörper in Bereichen, die großen Biegekräften ausgesetzt werden, Biegefestigkeit und Steifigkeit verleihen. Ferner vergrößern die Schaufeln die zum Kühlfluidstrom hin freiliegende Oberfläche, um die Wärmeübertragung von der Schaufel zu verbessern. Die wellenförmige Schaufelgestaltung kann derart angeordnet sein, dass ein Gleichgewicht zwischen laminarem Strom zum Bewegen von Luftkühlfluid um den Sattel, kombiniert mit lokalen Verwirbelungen, zum Maximieren der Wärmeübertragung erzielt werden kann.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann wenigstens ein Teil der zusätzlichen Strukturen im Wesentlichen säulenförmige Verstärkungselemente umfassen, wobei sich die Verstärkungselemente im Wesentlichen in einer radialen Richtung des Sattelkörpers erstrecken. Die im Wesentlichen säulenförmigen Verstärkungselemente erhöhen die Stabilität des Kühlkanals und des Bremssattels in Bereichen mit hohen Biegebelastungen und stellen eine vergrößerte Oberfläche für eine verbesserte Wärmeabgabe bereit. Ähnlich den zuvor beschriebenen Schaufelstrukturen können die Säulen derart angeordnet sein, dass ein Gleichgewicht zwischen laminarem Strom zum Bewegen von Luft um den Sattel mit lokalen Verwirbelungen kombiniert wird, um die durch den erfindungsgemäßen Kühlkanal erreichte Wärmeübertragung zu maximieren.
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Selbstverständlich wird darauf hingewiesen, dass die obigen zusätzlichen Strukturen in dem Kühlkanal vorzugsweise nur in bestimmten Bereichen bereitgestellt werden, die entweder eine verbesserte Stabilität oder eine vergrößerte Oberfläche oder beides erfordern. Es ist möglich, dass mehr als eine Struktur in dem Kühlkanal vorliegt, während andere Teile des Kühlkanals vollkommen frei von diesen Strukturen sein können. Zu alternativen Strukturen zählen dendritische Formen, hochchromhaltige Strukturen, kubisch raumzentrierte Strukturen und Gyroidstrukturen. Vorzugsweise sind beliebige der obigen Strukturen derart ausgebildet, dass eine Mindestquerschnittsfläche von einem Quadratmillimeter in dem Kühlkanal zurückbleibt.
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Nach einer anderen Ausführungsform umfasst der Halter auf der Befestigungsseite und/oder der Halter auf der Nichtbefestigungsseite wenigstens ein Zylindergehäuse, angepasst, einen entsprechenden Bremskolben aufzunehmen, wobei sich die Kühlschaufeln um einen Außenumfang des wenigstens einen Zylindergehäuses herum erstrecken. Nach einem Aspekt sind die Kühlschaufeln dieser Ausführungsform verbunden mit dem Außendurchmesser der Zylindergehäuse in Bereichen, in denen Wärmeabgabe maximiert werden muss. Wenngleich die Schaufeln durch additive Fertigung gemeinsam mit den verbleibenden Teilen des Kühlkanals erzeugt werden können, können die Schaufeln auch separat hergestellt und im Nachhinein mit den Zylindergehäusen des Sattels verbunden werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Kühlkanal derart geformt, dass im Gebrauch eine Strömung von Kühlfluid hin zu den Abschnitten des Zylindergehäuses beschleunigt wird. Demnach kann der Kühlkanal im Wesentlichen in der Form einer Düse ausgebildet sein, die zu den Zylindergehäuseabschnitten des jeweiligen Halters hin weist. Anders ausgedrückt kann der Kühlkanal entlang seiner Länge eine variable Querschnittsfläche aufweisen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Strömungsrate des Kühlfluids je nach den Wärmeabführungsanforderungen entlang bestimmter Teile des Kühlkanals erhöht und verringert werden kann.
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Wenngleich in den obigen Ausführungsformen das spezifische Beispiel von Kühlungsluft als das Kühlfluid erwähnt worden ist, wird darauf hingewiesen, dass jedes andere Kühlfluid, wie etwa Wasser und andere Flüssigkeiten und Gase ebenso eingesetzt werden können.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Bremssattels bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- Bereitstellen eines Pulverbads;
- Binden von Pulver in dem Bad, Schicht für Schicht, nach einer digitalen Aufzeichnung eines Sattelkörpers mit einem Kühlkanal, wobei der Kühlkanal ein einstückiger Teil des Bremssattelkörpers ist und sich stetig entlang seiner Länge erstreckt.
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Die digitale Aufzeichnung des Sattelkörpers kann mit einer FE-Simulation des Bremssattelkörpers erstellt werden. Während der FE-Simulation können Grenzbedingungen, die die Last- und Wärmeentwicklungen repräsentieren, im Gebrauch eingestellt werden, um das Verhalten des Bremssattelkörpers zu simulieren. Demnach enthält eine Ausführungsform das Bereitstellen des Kühlkanals in Bereichen mit hoher Temperatur und/oder geringer Belastung des Sattelkörpers, simuliert mit der FE-Simulation. In Bereichen mit hoher Belastung und hoher Temperatur kann der Kühlkanal mit den zuvor beschriebenen internen Strukturen versehen werden. Demnach kann das Verfahren das Bereitstellen einer Gitterstruktur, von Schaufeln oder Verstärkungselementen innerhalb des Kühlkanals in den Bereichen enthalten.
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Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Bremssätteln werden in der Folge unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1a eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssattelkörpers;
- 1b einen perspektivischen Querschnitt des in 1a gezeigten Sattels, in dem Teile der Kühlkanäle gezeigt werden;
- 1c eine Aufsicht des in 1b gezeigten Querschnitts;
- 1d eine perspektivische Ansicht eines vertikalen Querschnitts der ersten Ausführungsform aus 1a;
- 2a eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sattelkörpers;
- 2b eine Querschnitt-Aufsicht des Sattelkörpers aus 2a;
- 2c eine perspektivische Ansicht der Querschnittdarstellung aus 2a;
- 2d eine perspektivische Ansicht eines vertikalen Querschnitts des Sattelkörpers aus 2a;
- 3a eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sattels;
- 3b eine Querschnitt-Aufsicht des Sattelkörpers aus 3a;
- 3c eine perspektivische Ansicht des in 3b gezeigten Querschnitts;
- 3d einen vertikalen perspektivischen Querschnitt des Sattelkörpers aus 3a;
- 4a eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sattelkörpers;
- 4b eine Querschnitt-Aufsicht des Sattelkörpers aus 4a;
- 4c eine perspektivische Ansicht des in 4b gezeigten Querschnitts;
- 4d eine perspektivische Ansicht eines vertikalen Querschnitts des Sattelkörpers aus 4a;
- 5a eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sattelkörpers;
- 5b eine Querschnitt-Aufsicht des Sattelkörpers aus 5a;
- 5c eine perspektivische Ansicht des in 5b gezeigten Querschnitts;
- 5d einen perspektivischen vertikalen Querschnitt des Sattelkörpers aus 5a;
- 6a eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sattelkörpers;
- 6b eine perspektivische Ansicht eines vertikalen Querschnitts des Sattelkörpers aus 6a; und
- 6c eine Querschnitt-Aufsicht von 6b.
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1a bis 1d zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssattelkörpers. Der Sattelkörper der ersten Ausführungsform umfasst einen Halter 2 auf einer Befestigungsseite und einen Halter 4 auf einer Nichtbefestigungsseite, wobei der Halter 2 auf der Befestigungsseite wenigstens ein, üblicherweise zwei Befestigungslöcher 6a und 6b aufweist, angepasst, Fixierelemente aufzunehmen, um den Sattelkörper an der Fahrzeugkarosserie zu befestigen. Demnach wird der Halter auf der Befestigungsseite auch als der Halter auf der Karosserieseite bezeichnet und der Halter auf der Nichtbefestigungsseite kann auch als der Halter auf der Abdeckungsseite bezeichnet werden.
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Wie aus 1b hervorgeht, umfasst jeder der Halter 2, 4 zum Beispiel drei Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c. Die Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c beider Halter 2, 4 sind in Umfangsrichtung des Sattelkörpers nebeneinander angeordnet. Anders ausgedrückt sind ihre Mittelachsen entlang einer gemeinsamen Umfangsachse angeordnet.
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Jeder der seitlichen Halter 2 und 4 weist eine innere Oberfläche 21, 41 auf, die zu der Bremsscheibe hin weist, wenn der Bremssattelkörper angebaut ist, um auf dieser zu sitzen. Die inneren Oberflächen 21, 41 sind Teil von lateralen inneren Seitenwänden, die vordere Öffnungen der Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c verbinden. Jeder seitliche Halter 2, 4 umfasst ferner eine äußere Oberfläche 22, 42, die im Gebrauch von der Bremsscheibe weg weist. Die äußeren Oberflächen 22, 42 sind Teil von lateralen äußeren Seitenwänden, die hintere Enden der Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c verbinden. Wie in 1a dargestellt, sind die Zylindergehäuseabschnitte 9a, 9b und 9c mit einer oberen Abdeckung 43 des Halters 4 auf der Nichtbefestigungsseite abgedeckt, während die Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b und 8c von oben und von unten am Bremssattelkörpers 1 frei zugänglich sind. Wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, wirkt die obere Abdeckung 43 gemeinsam mit den zuvor beschriebenen inneren und äußeren Seitenwänden, um einen Kühlkanal 50 auszubilden.
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Die Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c sind zwischen den lateralen inneren und äußeren Wänden der seitlichen Halter 2, 4 angeordnet. Die Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c sind konfiguriert, Bremskolben aufzunehmen, die wiederum konfiguriert sind, einen Bremsbelag im Wesentlichen parallel zu der inneren Oberfläche 21, 41 der jeweiligen seitlichen Halter 2, 4 zu halten.
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1a zeigt ferner die Brückenelemente 11 und 13. Die Brückenelemente 11, 13 der ersten Ausführungsform, dargestellt in 1a bis 1d, sind an Umfangs-Endabschnitten des Bremssattels 1 angeordnet. Demnach umfasst der Bremssattelkörper 1 ein Brückenelement 11 am führenden Ende und ein Brückenelement 13 am hinteren Ende, wobei das führende Brückenelement 11 entlang eines führenden Umgangsendabschnitts des Sattelkörpers 1 angeordnet ist und das hintere Brückenelement 13 entlang eines hinteren Umfangsendabschnitts des Sattelkörpers 1 angeordnet ist. Die Begriffe führendes Ende und hinteres Ende des Sattelkörpers 1 beziehen sich auf die Drehrichtung der Bremsscheibe im Gebrauch. Während des Betriebs treten Teile der Bremsscheibe am führenden Ende in den Sattel ein, laufen in einem mittleren Abschnitt an den Bremsbelägen vorbei und treten am hinteren Ende wieder aus dem Sattel aus.
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Wie aus 1a weiter abgeleitet werden kann, verbinden die Brückenelemente 11 und 13 die Halter 2, 4 auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite in einer im Wesentlichen lateral ausgerichteten Richtung. Diese Anordnung stellt ein mittleres Fenster 14 bereit, ausgebildet zwischen dem Brückenelement 11 am führenden Ende, dem Brückenelement 13 am hinteren Ende und den inneren Oberflächen 21, 41. Wie gezeigt stellt das mittlere Fenster einen leichten Zugang zu den Öffnungen der Zylindergehäuseabschnitte 8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c bereit und erleichtert demnach die Inspektion und den Austausch der Bremsbeläge (nicht dargestellt). In der ersten Ausführungsform aus 1a bis 1d wird der Bremssattelkörper als ein Monoblocksattel dargestellt, das heißt, die seitlichen Halter 2, 4 und die Brückenelemente 11, 13 sind als eine einstückige Struktur ausgebildet. Alternativ dazu ist es auch möglich, den erfindungsgemäßen Sattelkörper als einen mehrteiligen/modularen Sattel auszubilden.
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1b zeigt einen perspektivischen Querschnitt des in 1a gezeigten Sattels entlang einer horizontalen Ebene. Ein Kühlkanal 50, ausgebildet durch additive Fertigung, erstreckt sich durch den Sattelkörper 1. Der Kühlkanal 50 ist ein integrierter Teil des Bremssattelkörpers und erstreckt sich in der ersten Ausführungsform durch beide Brückenelemente 11, 13. Der Kühlkanal 50 erstreckt sich zwischen einer ersten Öffnung 51 und einer zweiten Öffnung 52. Die Öffnungen 51 und 52 sind beide auf einer Befestigungsseite des jeweiligen Brückenelements angeordnet. Ein erster Abschnitt 54 des Kühlkanals erstreckt sich in einer im Wesentlichen lateral ausgerichteten Richtung durch das Brückenelement 11 am führenden Ende zwischen der Öffnung 51 auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite von Brückenelement 11. Ein zweiter Abschnitt 56 des Kühlkanals 50 erstreckt sich durch das Brückenelement 13 am hinteren Ende in einer im Wesentlichen lateral ausgerichteten Richtung zwischen der Öffnung 52 auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite des Brückenelements 13. An den Nichtbefestigungsseiten der Brückenelemente 11 und 13 sind der erste und der zweite Abschnitt 54 und 56 des Kühlkanals 50 über einen dritten Abschnitt 58 verbunden. Der dritte Abschnitt 58 ist zwischen den lateral innen und außen liegenden Oberflächenwänden und der oberen Abdeckung 43 des Halters 4 auf der Nichtbefestigungsseite ausgebildet und erstreckt sich um die äußere Oberfläche der Zylindergehäuseabschnitte 9a, 9b und 9c herum. Um den Luftstrom zwischen Seitenwänden angrenzender Zylindergehäuseabschnitte 9a, 9b und 9c zu erleichtern, sind die Zylindergehäuseabschnitte 9a, 9b, 9c in der Umfangsrichtung beabstandet und durch schlitzförmige Öffnungen 45 und 47, die sich in der radialen Richtung durch den Sattelkörper 1 erstrecken, voneinander getrennt. Der dritte Abschnitt 58 des Kühlkanals 50 erstreckt sich demnach um den gesamten Umfang jedes der Zylindergehäuseabschnitte 9a, 9b, 9c herum. Ähnliche schlitzförmige Öffnungen 25, 27 sind zwischen den Zylindergehäuseabschnitten 8a, 8b und 8c des Halters auf der Befestigungsseite bereitgestellt.
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Wie in 1c zu sehen ist, weist der Kühlkanal 50 in der Aufsicht eine im Wesentlichen U-förmige Form auf. Die Ecken des Kanals zwischen dem ersten Abschnitt 54 und dem dritten Abschnitt 58 oder zwischen dem zweiten Abschnitt 56 und dem dritten Abschnitt 58 sind abgerundet. Diese Form wird durch Erzeugen des Kühlkanals 50 durch additive Fertigungsverfahren anstelle der herkömmlichen Bearbeitungsschritte erhalten. Die abgerundeten Kanten und Ecken des Kühlkanals 50 führen zu einem laminareren Luftstrom durch den Sattelkörper, wodurch die Kühlwirkung verbessert wird.
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Der Kühlkanal 50 der ersten Ausführungsform weist ferner einen entlang seiner Länge variablen Querschnitt auf. Insbesondere weist der dritte Abschnitt einen zweiten, größeren Querschnitt auf, während der erste und der zweite Abschnitt 54 und 56 einen ersten, im Wesentlichen gleichen, Querschnitt aufweisen. Der zweite Querschnitt ist ausreichend, um die gesamte Umfangsoberfläche der Zylindergehäuse 9a, 9b, 9c zu umgeben. Die Ecken des U-förmigen Kanals 50, dargestellt in 1c, sind als Übergangsabschnitte ausgelegt, wobei der Durchmesser des Kühlkanals 50 sich zunehmend von dem ersten Durchmesser hin zu dem zweiten Durchmesser erweitert.
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Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssattelkörpers ist in den 2a bis 2d dargestellt. Gleiche Teile der ersten und der zweiten Ausführungsform sind mit gleichen Kennziffern, erhöht um „100“, gekennzeichnet. Der Sattelkörper 101 der zweiten Ausführungsform umfasst wiederum einen Halter 102 auf der Befestigungsseite und einen Halter 104 auf der Nichtbefestigungsseite, die über führende und hintere Brückenelemente 111, 113 verbunden sind. Die seitlichen Halter 102, 104 umfassen drei Zylindergehäuseabschnitte 108a, 108b, 108c, 109a, 109b, 109c.
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Zusätzlich zu der ersten und der zweiten Endbrücke 111, 113 umfasst der Sattelkörper 101 ferner ein weiteres Brückenelement, mittig zwischen dem führenden Ende und dem hinteren Ende des Sattelkörpers 101 angeordnet. Dieses dritte Brückenelement ist als eine mittlere Brücke 115 ausgelegt und erstreckt sich in einer im Wesentlichen lateral ausgerichteten Richtung zwischen dem Halter auf der Nichtbrückenseite und dem Halter auf der Brückenseite 102, 104. Wie aus 2a hervorgeht, erstreckt sich die mittlere Brücke 115 zwischen den inneren Oberflächen 121, 141 der seitlichen Halter 102 beziehungsweise 104.
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Ein Kühlkanal 160 erstreckt sich zwischen der mittleren Brücke 115 in einer im Wesentlichen lateral ausgerichteten Richtung. Der Kühlkanal 160 ist mit mehreren Schaufeln 162 versehen. Die Schaufeln 162 wirken, um die Oberfläche zu erhöhen, auf die der kühlende Luftstrom aufgebracht wird. Wie insbesondere in den 2b und 2c gezeigt, erstrecken sich die mehreren Schaufeln 162 im Wesentlichen gerade entlang der Länge des Kühlkanals, also in einer lateralen Richtung des Sattelkörpers 101.
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Der Kühlkanal 160 der zweiten Ausführungsform weist einen entlang seiner Länge variablen Querschnitt auf. 2d zeigt, dass ein erster und ein zweiter Endabschnitt 164, 166 des Kühlkanals 160 einen breiteren Querschnitt aufweisen als den des mittleren Abschnitts der Kühlung 160. Hierzu weisen der erste und der zweite Endabschnitt 164, 166 ein ausgestelltes Profil auf, um den Querschnitt des Kühlkanals 160 in Richtung der Zylindergehäuseabschnitte 108a, 108b, 108c, 109a, 109b, 109c zunehmend zu erhöhen. Der ausgestellte erste Endabschnitt 164 erhöht den Einlass des Fluidstroms (z. B. des Luftstroms) entlang der Befestigungsseite des Sattelkörpers 1, während der ausgestellte zweite Endabschnitt 166 angepasst ist, das Kühlfluid in Richtung der Zylindergehäuseabschnitte 109a, 109b, 109c zu leiten. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform wird darauf hingewiesen, dass die Abdeckung oder der Halter 4 auf der Nichtbefestigungsseite der zweiten Ausführungsform keine obere Abdeckung über den Zylindergehäuseabschnitten 109a, 109b, 109c umfasst.
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Eine dritte Ausführungsform des Bremssattelkörpers ist in den 3a bis 3d dargestellt. Gleiche Teile der ersten und der dritten Ausführungsform sind mit gleichen Kennziffern, erhöht um „200“, gekennzeichnet.
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Der Bremssattelkörper 201 der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch mit dem Bremssattelkörper 101 der zweiten Ausführungsform. Allerdings umfasst ein Kühlkanal 270 der dritten Ausführungsform, der sich durch die mittlere Brücke 215 erstreckt, mehrere Schaufeln 272 mit einer im Wesentlichen wellenförmigen Form. Die wellenförmige Form der Schaufeln 272 ist am besten in 3b dargestellt. Die wellenförmigen Schaufeln 272 umfassen abwechselnde Täler 278 und Berge 279. Ferner wird dargestellt, dass Täler 278 angrenzender Schaufeln entlang der Länge des Kühlkanals 270 aneinander angeordnet sind. Anders ausgedrückt weist jedes Tal 278 einer ersten Schaufel zu einem Tal einer zweiten angrenzenden Schaufel hin. Entsprechend sind die Berge angrenzender Schaufeln ebenso entlang der Länge des Kühlkanals 270 aneinander angeordnet. Entsprechend ist die Breite der zwischen den mehreren Schaufeln ausgebildeten Kühlkanäle 277 entlang der Länge des Kühlkanals 270 im Wesentlichen konstant. Alternativ dazu ist es möglich, Berge einer Schaufel an Tälern einer angrenzenden Schaufel auszurichten, wodurch Kühlkanäle mit variierenden Strömungsdurchmessern erzeugt werden.
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Eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssattelkörpers ist in den 4a bis 4d dargestellt. Gleiche Teile der ersten und der vierten Ausführungsform sind mit gleichen Kennziffern, erhöht um „400“, gekennzeichnet. Die allgemeine Struktur des Bremssattelkörpers 301 der vierten Ausführungsform entspricht hauptsächlich der Form des Sattelkörpers 101 und 201 der zweiten und der dritten Ausführungsform. Allerdings umfasst im Gegensatz zu der zweiten und der dritten Ausführungsform der Kühlkanal 380 der vierten Ausführungsform mehrere säulenförmige Verstärkungselemente 382, die sich in einer im Wesentlichen radial ausgerichteten Richtung des Sattelkörpers 301 innerhalb des Kühlkanals 380 erstrecken. Die säulenförmigen Verstärkungselemente 382, dargestellt in 4b, sind in versetzten Reihen entlang der Länge des Kühlkanals 380 angeordnet. Genauer gesagt weist eine erste Reihe 382a von Verstärkungselementen 382 mehrere Verstärkungselemente 382 auf, in gleichen Abständen entlang der Länge des Kühlkanals 380 angeordnet. Eine zweite Reihe 382b von säulenförmigen Verstärkungselementen 382 ist neben einer ersten Reihe 382a angeordnet und umfasst wiederum mehrere säulenförmige Verstärkungselemente 382, in gleichen Abständen entlang der Länge des Kühlkanals 380 angeordnet. Der Abstand zwischen den Verstärkungselementen 382 in der ersten Reihe 382a ist identisch mit dem Abstand zwischen Verstärkungselementen 382 in der zweiten, angrenzenden Reihe 382b. Allerdings ist die erste und die zweite Reihe 382a, 382b, die aneinander angrenzend sind, mit Bezug aufeinander versetzt, sodass Verstärkungselemente 382 der zweiten Reihe 382b zwischen Verstärkungselementen 382 der ersten Reihe 382a angeordnet sind. Insbesondere sind die Verstärkungselemente 382 der zweiten Reihe 382b entlang der Länge des Kühlkanals 380 auf halbem Weg zwischen Verstärkungselementen 382 der ersten Reihe 382a angeordnet. Eine dritte Reihe 282c, die angrenzend an die zweite Reihe 382b abgeordnet ist, umfasst säulenförmige Verstärkungselemente 382, die an dem Verstärkungselement 382 der ersten Reihe 382a ausgerichtet sind.
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Eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sattelkörpers ist in den 5a bis 5d dargestellt. Gleiche Teile der ersten und der fünften Ausführungsform sind mit gleichen Kennziffern, erhöht um „400“, gekennzeichnet. Der Sattelkörper 401 der fünften Ausführungsform umfasst Halter 402, 404 auf der Befestigungsseite und der Nichtbefestigungsseite, die beide im Wesentlichen entlang ihres oberen Endes durch obere Abdeckungen 443, 423 verschlossen sind. Ein Kühlkanal 490 erstreckt sich von der lateralen äußeren Oberfläche 422 des Halters 402 auf der Befestigungsseite entlang der lateralen Richtung des Sattelkörpers 401 über eine mittlere Brücke 415. Luft, die über den Fluideinlass 491 in den Kühlkanal 490 eintritt, kann über die mittlere Brücke 415 über die Zylindergehäuseabschnitte 408a, 408b, 408c des Halters 402 auf der Nichtbefestigungsseite und über die Zylindergehäuseabschnitte 409a, 409b, 409c des Halters 404 auf der Befestigungsseite verteilt werden. Anders ausgedrückt erstreckt sich der Kühlkanal 490 im Wesentlichen U-förmig, wenn in einem lateralen Querschnitt des Sattelkörpers 401 betrachtet (5d). Der U-förmige Kühlkanal 490 umfasst einen ersten Abschnitt 493, der sich in einer radialen Richtung um die Zylindergehäuseabschnitte 408a, 408b, 408c des Halters 402 auf der Nichtbefestigungsseite herum erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 495, der sich um die Zylindergehäuseabschnitte 409a, 409b, 409c des Halters 404 auf der Nichtbefestigungsseite herum erstreckt. Ein dritter Abschnitt 497, ausgebildet durch die mittlere Brücke 415, erstreckt sich in einer im Wesentlichen lateral ausgerichteten Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 493, 495, um Kühlfluid, das über den Fluideinlass 491 in den ersten Abschnitt 493 eintritt, zum zweiten Abschnitt 495 hin zu leiten. Während 5a bis 5d einen im Wesentlichen leeren dritten Abschnitt 497 des Kühlkanals 490 zeigen, ist es möglich, Schaufeln oder Säulen, ähnlich wie in der zuvor beschriebenen zweiten oder vierten Ausführungsform, einzuführen, um die Kühlwirkung und/oder die Stabilität der mittleren Brücke 415 zu erhöhen.
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Eine sechste Ausführungsform des vorliegenden Bremssattelkörpers ist in den 6a bis 6c dargestellt. Gleiche Teile der ersten und der sechsten Ausführungsform sind mit gleichen Kennziffern, erhöht um „500“, gekennzeichnet. Die sechste Ausführungsform der 6a bis 6c entspricht zum großen Teil der zuvor beschriebenen zweiten bis vierten Ausführungsform. Der Sattelkörper 501 der sechsten Ausführungsform umfasst ähnliche Brückenelemente 511, 513, 515 wie die Brückenelemente der zweiten und der vierten Ausführungsform und einen Kühlkanal 590, der sich durch die mittlere Brücke 515 hindurch erstreckt.
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Darüber hinaus umfasst der Sattelkörper 501 mehrere Kühlfinnen 568, angeordnet entlang des äußeren Umfangs der Zylindergehäuse 508a, 508b, 508c, 509a, 509b, 509c. Wie aus 6c hervorgeht, sind die Kühlschaufeln 568 parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich in einer Längsrichtung des Sattelkörpers. 6c zeigt ferner, dass jede der Schaufeln 568 sich über alle drei Zylindergehäuse 508a, 508b, 508c beziehungsweise 509a, 509b, 509c erstreckt. Die Schaufeln 568 sind profiliert, um der Form dem Außenumfang des Zylindergehäuses 508a, 508b, 508c, 509a, 509b, 509c zu entsprechen.
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Ähnlich wie die zuvor beschriebenen Kühlkanäle werden die Schaufeln 568 durch additive Fertigung erzeugt. Die Schaufeln 568 können entweder gemeinsam mit den übrigen Teilen des Sattelkörpers 501 oder als eine separate „Zusatz“-Struktur ausgebildet werden, die am Außenumfang der Zylindergehäuse 08a, 508b, 508c, 509a, 509b, 509c angeordnet sind, nachdem letztere erzeugt worden sind. Die Schaufeln 568 der sechsten Ausführungsform können im Grunde jeder der zuvor erwähnten in 1a bis 5d gezeigten Ausführungsformen hinzugefügt werden.
