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Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere für eine Kraftfahrzeugbremse, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Die Erfindung beschreibt Maßnahmen, mit denen die Masse von, insbesondere innenbelüfteten, Bremsscheiben reduziert werden kann. Solche Bremsscheiben finden zum Beispiel in Radbremsen von Kraftfahrzeugen oder als Bremselement zum Beispiel in mechanischen Getrieben oder Kupplungen übliche Verwendung. Viele Fahrzeuge weisen üblicherweise Bremsen mit Bremsscheiben auf. Solche Bremsscheiben sind üblicherweise aus Stahl bzw. Stahlguss bzw. einem Al- oder Keramikwerkstoff oder aus CFK hergestellt.
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Auch innenbelüftete Bremsscheiben für Scheibenbremsen, bei denen mehrere, radial oder gekrümmt verlaufende Stege zwischen zwei axial zueinander beabstandeten Reibscheiben verlaufende Kühlkanäle begrenzen, sind bereits bekannt. Die Form der Stege und deren Anordnung bestimmen unter anderem den spezifischen Durchsatz an Kühlluft bzw. die erzielbare Kühlleistung, sowie die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit der Bremsscheibe.
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Dies beschreibt die
DE 43 23 782 C2 , in der Bremsscheiben mit radial oder gekrümmt verlaufenden Stegen dargestellt sind.
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Außerdem beschreibt die
DE 10 2006 039 591 B4 einen Brems- oder Kupplungsbelag mit Verschleiß- und Temperaturermittlungseinheit in einem auf einer Trägerplatte angeordneten Reibbelag und mit Mitteln zur Erfassung einer kritischen Betriebstemperatur, wobei an zumindest einer Stelle im Reibbelag ein elektrisch leitendes Material mit einer Phasenübergangstemperatur im Bereich der kritischen Betriebstemperatur vorgesehen ist. Vorzugsweise hat das im Reibbelag angeordnete Material eine Phasenübergangstemperatur unterhalb der kritischen Betriebstemperatur, so dass bei einem Aufheizen des Reibbelags beispielsweise infolge starker mechanischer Beanspruchung, bereits vor Erreichen der für die Klebeschicht oder den Reibbelag kritischen Betriebstemperatur das Material einen Phasenübergang vollzieht, welcher anhand elektrischer Signale detektiert und entsprechend weiterverarbeitet werden kann. Das im Reibbelag angeordnete Material ist so beschaffen, dass der bei der kritischen Betriebstemperatur stattfindende Phasenübergang mit einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Materials einhergeht oder dass der Phasenübergang zu einer Änderung der Beschaffenheit des Materials führt, die anhand elektrischer Signale erfassbar ist.
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Unter einem Phasenübergang bzw. der damit einhergehenden Phasenübergangstemperatur ist die qualitative Zustandsänderung eines Materials bei Variation der Außenbedingungen, wie etwa Temperatur, Druck, Magnetfeld usw. zu verstehen. Mit Phasenübergang im Sinne dieses Standes der Technik sind insbesondere Aggregatzustandsänderungen von chemischen Elementen oder Stoffgemischen gemeint. Hierunter sind insbesondere die typischen Aggregatzustandsänderungen und Phasenübergänge wie Schmelzen, Verdampfen, Sublimieren, Erstarren, Kondensieren oder Resublimieren, aber auch strukturelle Phasenübergänge, wie Wechsel der Kristallstruktur, Wechsel zwischen ferro- und paramagnetischem Verhalten, Wechsel zwischen verschiedenen magnetischen Ordnungen oder gar Wechsel zwischen ferro- und dielektrischem Verhalten gemeint.
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Was Bremsscheiben ganz allgemein betrifft, ergibt sich nach dem Stand der Technik deren erforderliche Masse hauptsächlich anhand der absoluten Wärmekapazität, die zur Aufnahme von Reibungswärme in einem Bremsfall erforderlich ist. Dabei ist diese sowohl durch die maximale Werkstofftemperatur, als auch durch die massenspezifische Wärmekapazität des Werkstoffs begrenzt. Zur Aufnahme großer Reibungswärmemengen, wie dies in leistungsstarken, schweren Fahrzeugen erforderlich ist, ist daher vor allem die Masse der Bremsscheiben erhöht.
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Damit ist nicht nur die Fahrzeugmasse nachteilig erhöht, sondern, insbesondere im Fall konventioneller Radbremsen, auch die fahrdynamisch zu federnde bzw. die zu dämpfende Masse.
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Weiterhin besteht, insbesondere bei Batteriespeicher - Elektrofahrzeugen, ein besonderer Massenachteil darin, dass die mechanischen Bremsscheiben innerhalb eines überwiegenden Anteils der Fahrzeugbetriebszeit bzw. der Fahrzeugnutzungsdauer nicht benötigt werden, vor allem infolge der zur Fahrzeugverzögerung genutzten Rekuperation von Bewegungsenergie mittels des Elektro-Antriebs im Generatorbetrieb. Die Bremsen werden hier nur für starke Verzögerungen benötigt, die das vorhandene Rekuperationsvermögen übersteigen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bremsscheibe bereitzustellen, die oben genannte Nachteile nicht besitzt, insbesondere hinsichtlich der Gesamtfahrzeugmasse, der dynamischen Massen im Fahrwerksbereich, mit besonderer Bedeutung auch für Batteriespeicher - Elektrofahrzeuge.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
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Nach der Erfindung ist eine Bremsscheibe mit einer Kühleinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe wenigstens teilweise aus einem Werkstoff besteht, der bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur einen endothermen Phasenwechsel durchläuft.
Vorteilhafterweise kann durch eine solche Bremsscheibe, bei einer Annäherung deren beim Bremsen steigender Temperatur an die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselwerkstoffs der Bremsscheibe, der schmelzende Phasenwechselwerkstoff unter Aufnahme einer erheblichen Wärmemenge, die als dessen Schmelzenthalpie benötigt wird, insgesamt eine deutlich erhöhte Bremsenergie aufgenommen werden. Dadurch werden die Nachteile vor allem hinsichtlich der Gesamtfahrzeugmasse, der dynamischen Massen im Fahrwerksbereich aufgehoben, besonders vorteilhaft auch für Fahrzeuge mit batteriegespeistem Elektroantrieb.
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Es ist eine Massenreduktion bei der Bremsscheibe möglich, durch gleichzeitige Erhöhung ihrer Wärmeaufnahmekapazität unter Beibehaltung ihrer geometrischen Außenabmessungen, also mit Volumen-, Form- und Interface-Konstanz. Mittels einfacher Herstellungsarten nach dem Stand der Technik können unter großer Formfreiheit bei der geometrischen Ausgestaltung von Einlagen aus Phasenwechselwerkstoff, diese in die Bremsscheibe integriert werden, bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Phasenwechselwerkstoff im Inneren der Bremsscheibe so aufgenommen, dass er vollständig umgeben ist von einem weiteren Bremsscheibenwerkstoff, der über alle Betriebstemperaturen der Bremsscheibe keinen Phasenwechsel durchläuft. Zum Beispiel kann der Phasenwechselwerkstoff in den weiteren Bremsscheibenwerkstoff eingeschmiedet oder eingegossen sein. Eine Kombination des Phasenwechselwerksoffs mit entsprechend bemessenen Gasvolumina, zum Beispiel Luft, zusammen eingeschlossen im weiteren Bremsscheibenwerkstoff, oder mit weichen Kompressionskörpern, vermeidet vorteilhafterweise eine thermische Verspannung oder Verformung der Bremsscheibe durch den Phasenwechsel. Vorzugsweise weist der Phasenwechselwerkstoff eine Schmelz- oder Erstarrungstemperatur auf, die der zulässigen höchsten Temperatur der Bremsscheibe entspricht oder kleiner als diese ist.
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Ist die Bremsscheibe innenbelüftet, mit zwei benachbart zueinander angeordneten Reibscheiben, die durch gerade oder gebogene, in radialer Richtung verlaufende Stege miteinander verbunden sind, deren Zwischenräume mit Kühlluft durchströmbare Kühlkanäle ausbilden, kann der Phasenwechselwerkstoff sehr gut in diese bestehende Luftströmungsführung integriert werden, indem er im Inneren der Bremsscheibe in die Stege und/oder in die Reibscheiben eingebettet ist. Eine Anpassung zur Erhaltung der mechanischen Festigkeit der Bremsscheibe unter Betriebslasten oder zur günstigen Wärmeabfuhr in den Luftstrom zur schnellen Wiedererstarrung des Phasenwechselwerksstoffs nach einer Bremsspitze, ist vorteilhafterweise mit einem metallischen Phasenwechselwerkstoff, zum Beispiel mit AlSi12, welcher keine ausgeprägte Unterkühlung beim Erstarren aufweist, möglich.
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Weitere Vorteile der Integration des Phasenwechselwerkstoffs in die Bremsscheibe sind, dass keine Unwucht infolge seines Schmelzens bzw. Erstarrens entsteht und dass eine verbesserte, effektivere Wärmeabfuhr stattfindet, aufgrund eines schnelleren Anstiegs der Bremsscheibentemperatur in der Bremsphase bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des Phasenwechselwerkstoffs.
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Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einer Bremsscheibe sind in der beigefügten Zeichnung schematisch auf das Wesentliche beschränkt dargestellt. Es zeigen:
- 1: einen Schnitt und dazu einen geklappten Halbschnitt A - A einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe und
- 2: einen Schnitt und dazu einen geklappten Halbschnitt B - B einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
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Ein Querschnitt einer innenbelüfteten Bremsscheibe mit Bremsscheibentopf 1 und Reibscheibenpaar 2, 2', verbunden durch gebogen geformte Stege 3 mit zwischen diesen befindlichen Kühlkanälen 4 ist daneben in einem Längsschnitt A - A einer geklappten halben Bremsscheibe dargestellt. Der Längsschnitt zeigt nur einen Teil der auf dieser Hälfte der Reibscheibe 2' befindlichen, geschnittenen Stege 3, in deren Innerem ein Phasenwechselwerkstoff 5 so aufgenommen ist, dass er vollständig umgeben ist von einem weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6, der die äußere Hülle des jeweiligen Steges 3 bildet und über alle Betriebstemperaturen der Bremsscheibe keinen Phasenwechsel durchläuft. Der Phasenwechselwerkstoff 5 ist in den weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6 eingeschmiedet. Er weist eine Schmelz- oder Erstarrungstemperatur auf, die der zulässigen höchsten Temperatur der Bremsscheibe entspricht oder kleiner als diese ist. Bevorzugt liegt die Schmelz- oder Erstarrungstemperatur des Phasenwechselwerkstoffs 5 10 bis 100 Grad Celsius unterhalb der zulässigen höchsten Betriebstemperatur der Bremsscheibe.
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Nicht dargestellt ist, dass die Bremsscheibe nach dem Stand der Technik über den Bremsscheibentopf 1 an einem ebenfalls nicht dargestellten Radflansch einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs festlegbar ist.
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Durch Eingießen oder Einschmieden des Phasenwechselwerkstoffs 5 in den weiteren Werkstoff der Bremsscheibe 6 wird mittels aller eingebrachten Phasenwechselwerkstoffteilvolumina genau ein gleich großes Teilvolumen des weiteren Werksstoffs 6 der Bremsscheibe ersetzt. Dies bewirkt, dass sowohl eine günstige Abnahme der Gesamtmasse, als auch gleichzeitig eine günstige Erhöhung der Gesamtwärmekapazität der Bremsscheibe erfolgen kann. Als Zahlenbeispiel: Für den Ersatz von nur 0,1 dm3 Grau-/Stahlguß durch eben 0,1 dm3 AlSi12 als Phasenwechselwerkstoff 5, welches bei 577°C unter Aufnahme von 560 kJ/kg schmilzt bzw. ohne ausgeprägte Unterkühlung erstarrt, liefert eine Massenreduktion von 0,45 kg und andererseits selbst bei einer zyklischen Temperaturerhöhung um 400 K eine immer noch um ca. 10 kJ erhöhte Wärmeaufnahme. Dabei wirkt sich die hohe Schmelzenthalpie des Phasenwechselwerkstoffs 5 aus, die hier dessen geringere spezifische sensitive Wärmekapazität überkompensiert.
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Wird der Phasenwechselwerkstoff 5 alternativ in Hohlräume in der Bremsscheibe eingebracht, verbleibt in diesen ein Gasvolumen, insbesondere ein anteilig kleines. Dieses Einbringen kann alternativ mittels Ausgießen von Hohlräumen im weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6 mit erschmolzenem Phasenwechselwerkstoff 5 und dessen Verschweißen unter Einschluss eines Restgasvolumens, insbesondere Luft, oder mittels Ausfüllen von Hohlräumen im weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6 mit einer Schüttung aus Phasenwechselwerkstoff 5 als Granulat unter Einschluss des zwischen dem Granulat vorhandenen Gasvolumens, insbesondere Luft, nach Verschweißen oder mittels Einformen oder Einbördeln oder Einpressen eines Phasenwechselwerkstoffkörpers unter Ausbildung eines beim Verschließen des Hohlraums verbleibenden Gasvolumens. Bei allen beschriebenen Varianten kann die Befüllung jedoch auch unter zusätzlicher Beimischung oder Einbringung von weichen, kompressiblen Körpern in Form von Granulat oder Hülsen oder Pasten stattfinden. Dadurch kann eine bei großen Temperaturänderungen gegebenenfalls auftretende mechanische Verspannung infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von weiterem Bremsscheibenwerkstoff 6 und Phasenwechselwerkstoff 5 systematisch vermieden werden, insbesondere auch um eine Rückwirkung auf die Reibflächen, zum Beispiel durch deren, insbesondere wellige, Verformung auszuschließen.
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Wenn die Bremsscheibe im weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6 einen oder eine Mehrzahl von geschlossenen Hohlräumen aufweist, die mit einem Phasenwechselwerkstoff 5 ausgefüllt sind, derart, dass der Phasenwechselwerkstoff 5, zum Beispiel ein metallischer, wie AlSi12, in thermischem Kontakt mit dem weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6 steht, kann bei einer Annäherung der beim Bremsen steigenden Temperatur der Bremsscheibe der schmelzende Phasenwechselwerkstoff 5 unter Aufnahme einer erheblichen Wärmemenge, die als Schmelzenthalpie des Phasenwechselwerkstoff 5 benötigt wird, aufgrund der Erhöhung der Wärmeaufnahmekapazität insgesamt eine deutlich erhöhte Bremsenergie aufgenommen werden, bei gleichzeitiger deutlicher Massenreduktion unter Beibehaltung der geometrischen Außenabmessungen der Bremsscheibe. Durch die Einlagen aus Phasenwechselwerkstoff 5 ist eine große Formfreiheit bei der geometrischen Ausgestaltung der Bremsscheibe gegeben und somit eine sehr gute Anpassbarkeit an eine bestehende oder anzustrebende Luftströmungsführung zwischen den Stegen 3 der Bremsscheibe. Ebenfalls an die Erhaltung der mechanischen Festigkeit unter Betriebslasten oder an die günstige Wärmeabfuhr in den Luftstrom zur schnellen Wiedererstarrung des Phasenwechselwerkstoffs 5 nach einer Bremsspitze, insbesondere wenn ein metallischer Phasenwechselwerkstoff 5 verwendet wird, zum Beispiel AlSi12, der in gutem thermischen Kontakt mit dem weiteren Bremsscheibenwerkstoff 6 steht. Eine Kombination des Phasenwechselwerkstoffs 5 mit Gasvolumina, insbesondere Luft, oder mit weichen Kompressionskörpern, läßt eine thermische Verspannung oder Verformung der Bremsscheibe vermeiden. Weitere Vorteile sind die Vermeidung einer Unwucht infolge des Schmelzens bzw. Erstarrens des Phasenwechselwerkstoffs 5 und eine verbesserte und effektivere Wärmeabfuhr aufgrund des schnelleren Anstiegs der Bremsscheibentemperatur in der Bremsphase bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des Phasenwechselwerkstoffs 5.
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Ein zweites vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt. Der Phasenwechselwerkstoff 5 ist hier jeweils als ringförmige Einlage in den Bremsscheibenwerkstoff 6 der Reibscheiben 2, 2' und des Bremsscheibentopfes 1 eingebracht. Im Bereich der innenbelüfteten Reibscheiben 2, 2' sind hier zwei ringförmige Einlagen aus Phasenwechselwerkstoff 5 je Reibscheibe 2, 2' im Bremsscheibenwerkstoff 6, sich jeweils gegenüberliegend, angeordnet. Alternativ, nicht gezeichnet, könnten die ringförmigen Einlagen aus Phasenwechselwerkstoff auch symmetrisch über den Bereich der Kühlkanäle 4 eingebracht sein. In beiden Fällen wird eine wellige Verformung der Bremsscheibe durch eine beim Bremsen auftretende große Temperaturänderung der Bremscheibe von einigen 100 Grad K vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4323782 C2 [0003]
- DE 102006039591 B4 [0004]
