DE102017222483B4

DE102017222483B4 - Innenbelüftete Bremsscheibe

Info

Publication number: DE102017222483B4
Application number: DE102017222483.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Saame; Kai Bode
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: DE102017222483A1

Abstract

Innenbelüftete Bremsscheibe, wobei der Rotor (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) der Bremsscheibe zwei konzentrisch, parallel angeordnete Reibblätter (5) umfasst, die mittels Rippen (6) verbunden sind, derart, dass Reibblätter (5) und Rippen (6) eine Vielzahl radialer, luftdurchströmbarer Kanäle ausbilden und die Rippen (6) so angeordnet und ausgebildet sind, dass der Rotor (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) im Bereich der Reibblätter (5) auf seinem Umfang in tangentialer Richtung lokal unterschiedliche Steifigkeit aufweist, wobei sich steifere Bereiche und Bereiche geringerer Steifigkeit abwechseln und die steiferen Bereiche und damit auch die Bereiche geringerer Steifigkeit auf den Umfang bezogen jeweils zu einander beabstandet sind, wobei die steiferen Bereiche (10, 10.1, 10.2) jeweils dadurch gebildet sind, dass dort wenigstens eine wellenförmige Versteifungsrippe (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) radial von innen nach außen verläuft, wobei die höhere Steifigkeit durch den Tangentialanteil der wellenförmigen Versteifungsrippe (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) bestimmt ist und die Dicke (d2, d3) der wellenförmigen Versteifungsrippe (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) jeweils so gewählt ist, dass die thermisch wirksamen Massen des Rotors (1.2, 1.3, 1.4, 1.5) im Bereich der Reibblätter (5) auf dem Umfang gleich verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (6) in den weniger steifen Bereichen ebenfalls wellenförmig ausgebildet sind und sich von den wellenförmig ausgebildeten Versteifungsrippen (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) in den steiferen Bereichen (10, 10.1, 10.2) hinsichtlich der Wellenamplitude (A) oder der Anzahl der Wellenzüge (W) unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete Bremsscheibe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Scheibenbremsen werden heute überall dort verwendet, wo es gilt hohe Bremsleistungen zu erzielen. In heute üblichen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftfahrzeugen werden Scheibenbremsen bevorzugt eingesetzt um die rotierenden Räder effektiv abzubremsen. Hierzu sind an dem Kraftfahrzeug im Bereich der zu bremsenden Räder Bremssättel angeordnet. Diese umgreifen jeweils die mit dem zu bremsenden, rotierenden Rad verbundene Bremsscheibe, die im Folgenden auch als Rotor bezeichnet wird. An dem den Rotor umgreifenden Bereich des Bremssattels sind jeweils paarweise gegenüberliegend Bremsklötze angeordnet, die auf ihrer dem Rotor zugewandten Seite mit Bremsbelägen versehen sind. Der den Bremsbelägen gegenüberliegende Bereich des Rotors weist konzentrisch zu dessen Rotationsachse angeordnete ringförmige Reibflächen auf. An jedem Bremssattel können ein oder mehrere Bremsklotzpaare vorgesehen sein. Zur Innenbelüftung des Rotors ist vorgesehen, dass dieser im Bereich der Reibflächen aus zwei ringförmigen, konzentrisch zueinander angeordneten Reibblättern besteht, die auf Ihrer einander zugewandten Seite mittels Rippen (auch als Stege oder Lamellen bezeichnet) verbunden sind. Die Rippen verlaufen in ihrer Grundrichtung radial von innen nach außen. Die Reibflächen werden durch die jeweils freie Außenseite der Reibblätter gebildet. Reibblätter und Rippen bilden von radial innen nach radial außen verlaufende beidseitig offene Kanäle wodurch einerseits die Fläche zur Abgabe der Wärme an die Luft vergrößert wird und andererseits bei Drehung des Rotors durch die Zentrifugalkraft ein Luftstrom nach dem Prinzip eines Radiallüfters erzeugt wird, der die Kanäle mit Umgebungsluft durchspült, so dass die bei einem Bremsvorgang durch Reibung zwischen den Reibblättern des Rotors und den Bremsbelägen der Bremsklötze erzeugte Reibungswärme an die Luft abgegeben werden kann. Durch die verbesserte Kühlung wird die Gefahr nachlassender Bremswirkung infolge steigender Temperatur reduziert.
Das tribologische Zusammenwirken der Reibblätter der Bremsscheibe mit den Bremsbelägen der Bremsklötze regt das Bremssystem und dabei insbesondere die Bremsscheibe zu Schwingungen an, so dass sich in der Bremsscheibe stehende Wellen ausbilden, die eine unangenehme und damit komfortmindernde Schallabstrahlung zur Folge haben.
Um Schallabstrahlungen zu minimieren wurden bereits vielfältige Anstrengungen unternommen. So ist es bekannt, zur Vermeidung bestimmter Bremsgeräusche die Symmetrie der Steifigkeitsverteilung einer Bremsscheibe bewusst aufzubrechen.
Ein entsprechender Vorschlag ist beispielsweise aus der DE 20 2008 008 478 U1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, wenigstens eine tangential ausgerichtete gekrümmte Gusslamelle, welche von der Mehrzahl der Gusslamellen beabstandet ist und eine äußere Wand aufweist, die sich wenigstens 30° um den Rotor erstreckt, vorzusehen, wobei die Mehrzahl der Gusslamellen radial ausgerichtet ist und eine radial ausgerichtete Länge in Bezug auf die Rotationsachse aufweist.
Ein weiterer aus der DE 10 2014 225 586 A1 zu entnehmender Vorschlag zielt darauf ab, die geometrische Anordnung der Stege so unregelmäßig vorzunehmen, dass beim Bremsen nur eine einzige stehende Welle über den gesamten Bremsscheibenumfang entstehen kann.
In eine ähnliche Richtung weist die EP 205 713 B1 . Ausgegangen wird dort von einer Anordnung von Rippen aus einer vorgewählten Anzahl von Rippen-Zyklen, von denen jeder durch eine einzelne Rippe und einen Zwischenraum zwischen der besagten einzelnen Rippe und der nächst benachbarten Rippe in der besagten Anordnung definiert ist. Zur Unterdrückung von harmonischen Schwingungen wird dort vorgeschlagen, die Rippen-Zyklen in einer Anzahl von nominellen Bruchteil-Winkel-Abschnitten zu gruppieren, wobei die Zahl der Rippen-Zyklen in jedem der Abschnitte eine vorbestimmte Funktion des Verhältnisses des entsprechenden Abschnitts-Nominal-Bruchteils zu der numerischen Summe aller Abschnitts-Nominal-Bruchteile ist und wobei die winkelmäßige Größe jedes Rippen- Zyklus innerhalb jedes besagten Abschnitts eine vorbestimmte Funktion des Winkels in dem betreffenden Abschnitt ist.
Weiter ist es aus der DE 31 07 025 A1 bekannt, die Kühlrippen derart anzuordnen, dass die Gewichtsverteilung in Umfangsrichtung des von den Bremsklötzen erfassten Bereichs der Bremsscheibe ungleichförmig ist.
In der US 4,867,284 A wird eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremsanordnung vorgeschlagen, bei der ein Paar diametral gegenüberliegender äußerer Bereiche der Bremsscheibe schwerer und steifer gemacht sind als die verbleibenden äußeren Umfangsbereiche der Bremsscheibe. Bewerkstelligt wird dies dadurch, dass die Rippen verbreitert sind oder die Anzahl der Rippen auf diesem Umfangsbereich erhöht ist.
Alle diese Maßnahmen führen zu einem Zielkonflikt in der Weise, dass die vorgeschlagene unsymmetrische Verteilung der Rippen zwischen den Reibblättern zu einer ungleichmäßigen Massenverteilung auf dem Umfang des Rotors führt, die wiederum eine unterschiedliche Wärmespeicherfähigkeit zwischen masseärmeren und massereicheren Bereichen bewirkt. Diese unterschiedliche Wärmespeicherfähigkeit bedingt bei stark beanspruchten Bremsscheiben eine ungleiche Temperaturverteilung auf der Bremsscheibe, die wiederum ein ungleichmäßiges Reibverhalten zwischen den Bremsbelägen und den Reibflächen der Bremsscheibe nach sich zieht. Die Folge ist einerseits eine Verschlechterung der Bremswirkung und andererseits eine zusätzliche Schwingungsanregung des Bremssystems, die durch die ungleichmäßige Bremswirkung auf dem Umfang der Bremsscheibe bedingt ist. Neben dem vorstehend zitierten Stand der Technik ist es aus der DE 10 2010 001 970 A1 bekannt, eine Versteifung der Bremsscheibe insgesamt dadurch zu erreichen, dass die im Bereich der Gleitflächen angeordneten Rippen wellenförmig ausgebildet sind. Eine Maßnahme zur Minimierung der Geräuschentwicklung ist der Publikation nicht zu entnehmen.
Hinsichtlich des Schwingungsverhaltens von Bremsscheiben haben sich sogenannte Tangentialschwingungen, die „stehende Wellen“ bilden und als In-Plane-Moden bezeichnet werden, als besonders problematisch herausgestellt. Unter Tangentialschwingungen ist zu verstehen, dass Teile des Rotors in, bzw. entgegen dessen Drehrichtung tangential schwingen während andere Teile des Rotors in Ruhe bleiben (Schwingungsknoten). Die Amplituden der Schwingungen nehmen in Richtung größerer Radien des Rotors zu. Elementar liegen diese Schwingformen (In-Plane-Moden) phasenverschoben jeweils doppelt vor (Doppelmoden).
Aus der US 6,193,023 B1 ist ein gattungsgemäßer Rotor mit alternativem Rippendesign bekannt. Aus der DE 10 2010 001 970 A1 ist ein belüfteter Scheibenrotor bekannt. Aus der DE 31 20 104 A1 ist ein Rotor für belüftete Scheibenbremsen bekannt.
Ausgehend vom vorstehend genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine Gestaltung der Bremsscheibe anzugeben die es erlaubt, unter Beibehaltung einer homogenen Verteilung thermisch wirksamer Massen im Bereich der Reibblätter eine lokale Veränderung der Steifigkeit herbeizuführen derart, dass die Doppelmoden bestimmter In-Plane-Schwingformen in ihrer Frequenz getrennt werden, so dass sich störende Geräusche nicht oder nur stark abgeschwächt ausbilden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausgegangen wurde von einer innenbelüfteten Bremsscheibe, wobei der Rotor zwei konzentrisch, parallel angeordnete Reibblätter umfasst, die mittels Rippen verbunden sind, derart, dass Reibblätter und Rippen eine Vielzahl radialer, luftdurchströmbarer Kanäle ausbilden und die Rippen so angeordnet und ausgebildet sind, dass der Rotor im Bereich der Reibblätter auf seinem Umfang in tangentialer Richtung lokal unterschiedliche Steifigkeit aufweist, wobei sich Bereiche höherer Steifigkeit und Bereiche geringerer Steifigkeit abwechseln und die Bereiche höherer Steifigkeit und damit auch die Bereiche geringerer Steifigkeit auf den Umfang bezogen bevorzugt jeweils äquidistant zueinander beabstandet sind.
Es wurde gefunden, dass die Bereiche höherer Steifigkeit besonders vorteilhaft jeweils dadurch gebildet werden können, dass dort wenigstens eine Rippe (im Folgenden als Versteifungsrippe bezeichnet) im Bereich der Reibblätter wellenförmig radial von innen nach außen verläuft. Dabei wird die höhere Steifigkeit durch die Tangentialanteil der wellenförmigen Versteifungsrippe bestimmt. Unter Tangentialanteilen der wellenförmigen Versteifungsrippe sind dabei die Bereiche der Versteifungsrippe zu verstehen, die neben einer Radialerstreckung auch eine Tangentialerstreckung aufweisen. Weiter ist die Dicke der wellenförmigen Versteifungsrippen jeweils so gewählt, dass die thermisch wirksamen Massen des Rotors der Bremsscheibe im Bereich der Reibblätter auf dem Umfang im Wesentlichen gleich verteilt sind. Thermisch wirksame Massen sind dabei die Massen, deren Temperatur eine Auswirkung auf das Brems- und/ oder Geräuschverhalten der Bremsscheibe hat. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bremsscheibe wird einerseits eine wirksame Geräuschminderung erreicht, andererseits bleiben sämtliche Kanäle die der Kühlung der Bremsscheibe dienen offen und damit durchströmbar und es wird durch die Variation der Dicke der Versteifungsrippen eine Gleichverteilung der thermisch wirksamen Massen im Bereich der Reibblätter erreicht, so dass eine negative Beeinflussung des Brems- und/ oder Geräuschverhaltens durch die Versteifungsmaßnahmen vermieden wird.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme kann entweder nur eine Schwingform unterdrückt werden, etwa die 2. In-Plane-Mode oder die 3. In-Plane-Mode. Alternativ können auch auf zwei Schwingformen gleichzeitig unterdrückt werden, zum Beispiel Wellen mit größerer Amplitude alle 60° und Wellen mit doppelter Wellenlänge alle 90°.
Eine nicht von der Erfindung umfasste Ausgestaltung sieht vor, die Rippen in den weniger steifen Bereichen gerade auszubilden. Es kann damit vorteilhaft auf bestehende Rippengestaltungen zurückgegriffen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Rippen in den weniger steifen Bereichen ebenfalls wellenförmig ausgebildet sind und sich von den wellenförmig ausgebildeten Versteifungsrippen in den steifen Bereichen hinsichtlich der Wellenamplitude und/ oder der Wellenlänge unterscheiden.
Unter Wellenamplitude wird hier die Höhe der wellenförmigen Rippe, bzw. Versteifungsrippe bezogen auf eine in Richtung der Längserstreckung der wellenförmigen Rippe bzw. Versteifungsrippe verlaufenden, gedachten Mittellinie verstanden. Analog ist die Wellenlänge hier der Längenabstand zwischen einem ersten Schnittpunkt der wellenförmigen Rippe, bzw. Versteifungsrippe mit der gedachten Mittellinie und dem übernächsten Schnittpunkt der wellenförmigen Rippe bzw. Versteifungsrippe mit der gedachten Mittellinie, gemessen auf der gedachten Mittelinie.
Um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass die Amplituden der Tangentialschwingungen mit zunehmendem Radius von der Bremsscheibenmitte zunehmen, kann vorteilhaft vorgesehen sein, die Wellenamplituden in den Bereichen höherer Steifigkeit von radial innen nach radial außen zunehmend auszugestalten. Damit werden die Tangentialanteile der Versteifungsrippen von innen nach außen größer, was das Schwingungsverhalten vereinheitlicht. Ein ähnlicher vorteilhafter Effekt lässt sich erzielen, wenn die Wellenlänge in den Bereichen höherer Steifigkeit von radial innen nach radial außen abnimmt. Selbstverständlich können die Variation der Amplitude und die Variation der Wellenläge miteinander kombiniert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Bremsscheibe sieht vor, dass die Bereiche höherer Steifigkeit durch wenigstens zwei benachbarte wellenförmige Versteifungsrippen gebildet sind. Hierdurch lässt sich vorteilhaft erreichen, dass ein größerer Winkelbereich abdeckbar ist. Dabei können die wenigstens zwei wellenförmigen Versteifungsrippen sich hinsichtlich Wellenamplitude und / oder Wellenlänge unterscheiden. Handelt es sich um drei oder mehr benachbarte Versteifungsrippen, so können diese so ausgebildet sein, dass die Steifigkeit des Bereichs größerer Steifigkeit zunächst ansteigt und dann wieder abfällt, so dass vorteilhaft ein sanfter Übergang zwischen Bereichen höherer und Bereichen geringerer Steifigkeit realisierbar ist.
Um die thermisch wirksame Masse der Versteifungsrippen rechnerisch einfach bestimmen zu können ist es von Vorteil, wenn die wellenförmigen Versteifungsrippen in ihrem Wellenverlauf Sinus-Form aufweisen.
In der Praxis können die In-Plane Moden zweiter und dritter Ordnung besonders problematisch sein, es ist daher von Vorteil die Bereiche höherer Steifigkeit auf den Kreisumfang der Bremsscheibe gesehen in einem Winkelabstand von 60° oder in einem Winkelabstand von 90° anzuordnen.
Zur einfachen Bestimmbarkeit der thermisch wirksamen Massen ist es weiter von Vorteil, alle Rippen der Bremsscheibe, einschließlich der Versteifungsrippen, hinsichtlich des Kreisumfangs der Bremsscheibe in einem festen Winkelraster anzuordnen, derart, dass die Rippen und Versteifungsrippen auf gedachten Strahlen angeordnet sind, die das Winkelraster bilden, wobei diese gedachten Strahlen bei wellenförmigen Rippen hinsichtlich des Wellenverlaufs die Mittellinie der Welle bilden.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1a eine Prinzipdarstellung einer schwingenden Bremsscheibe in Draufsicht auf eine Reibfläche,
1b eine Prinzipdarstellung der Bremsscheibe aus 1a mit Gegenmaßnahme,
2a eine Prinzipdarstellung einer wellenförmigen Rippe in Standardausführung,
2b eine Prinzipdarstellung einer ersten wellenförmigen Versteifungsrippe,
2c eine Prinzipdarstellung einer zweiten wellenförmigen Versteifungsrippe,
3 eine Prinzipdarstellung einer Maßnahme zur Minderung von In-Plane-Schwingungen dritter Ordnung, und
4 eine Prinzipdarstellung einer Maßnahme zur Minderung von In-Plane-Schwingungen zweiter Ordnung.

Um die Schwingungsproblematik bei Bremsscheiben zu verdeutlichen, ist in 1a in schematischer Darstellung eine tangential schwingende Bremsscheibe 1 gezeigt. Es ist für dieses Beispiel angenommen, dass die Bremsscheibe im In-Plane Mode 3. Ordnung mit einer Frequenz f schwingt. Die stehenden Wellen liegen in einer Doppelmode vor, die erste der Doppelmoden ist in der linken Darstellung gezeigt und besitzt die Frequenz fip_3.1, der Index „ip3.1“ steht für „In-Plane Mode 3. Ordnung, erste der Doppelmoden“. Die zweite der Doppelmoden ist in der rechten Darstellung gezeigt und besitzt die Frequenz fip3.2, analog steht hier der Index „ip3.2“ für „In-Plane Mode 3. Ordnung, zweite der Doppelmoden“. Die Darstellung in der Mitte dient lediglich zur Verdeutlichung des Aufbaus der Anordnung.
Zum Auslösen der Schwingung ist angenommen, dass ein abrollendes Rad (nicht dargestellt) drehfest mit einer Bremsscheibe, die nachfolgend als Rotor 1 bezeichnet wird, verbunden ist und diesen in Drehung versetzt. Weiter ist angenommen, dass die Drehbewegung des Rotors 1 mittels einer relativ zum rotierenden Rotor 1 gestellfesten Bremseinrichtung 2, 3 abgebremst wird. Die Bremseinrichtung 2, 3, die einen Bremssattel 2 aufweist, besitzt jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnete, zum Beispiel hydraulisch betätigte Bremsklötze 3, die während des Bremsvorgangs mit Reibflächen 4 in tribologischem Kontakt sind. Bremssattel 2 und Bremsklötze 3 sind aus Gründen der besseren Übersicht in gestrichelter Linie, quasi transparent dargestellt. Die Reibflächen 4, befinden sich auf der Außenseite der konzentrisch gegenüberliegend am Rotor 1 angeordneten Reibblätter 5. Die Reibblätter 5 sind mittels radial von innen nach außen verlaufenden Rippen 6 miteinander verbunden, so dass zwischen jeweils benachbarten Rippen 6 Kanäle 7 ausgebildet sind (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur zwei dieser Kanäle 7 mit Bezugszeichen versehen).
Durch das Abbremsen wird der Rotor 1 zu Tangentialschwingungen angeregt. Dargestellt sind, wie oben bereits ausgeführt, die Verhältnisse bei einer In-Plane Mode 3. Ordnung. Bei einer derartigen Schwingung weist die stehende Welle, die sich am Rotor 1 ausbildet, in jeder der Doppelmoden drei Knotenlinien 8, 8' auf, die auf dem Umfang sechs Schwingungsknoten bilden und sechs Kreissegmente gegeneinander abgrenzen. Die jeweiligen Mitten 9, 9' der Kreissegmente schwingen in beziehungsweise gegen die Rotationsrichtung des Rotors 1, also „In-Plane“, mit der größten Auslenkung, wie dies durch die Doppelpfeile angedeutet ist, zu den Knotenlinien 8, 8' hin werden die Schwingungsauslenkungen zu Null. Die Frequenzen der zugrunde liegenden Doppelmoden sind gleich, die elementaren Schwingformen selbst aber gegeneinander um 30° räumlich verschoben. Es gilt fip3.1 = fip3.2.
Um die durch die stehenden Wellen speziell bei Kopplung der Doppelmoden direkt oder indirekt verursachten Schallabstrahlungen zu minimieren, ist eine Gegenmaßnahme erforderlich, wie sie in 1b gezeigt ist. Zur Darstellung der Maßnahmen wird gedanklich von einem Rotor ausgegangen, dessen Steifigkeit in tangentialer Richtung auf dem gesamten Umfang gleich ist, hier gilt wie vorstehend ausgeführt fip3.1 = fip3.2. Zur Veranschaulichung ist die in 1a gezeigte Abbildung des Rotors 1 mit der sich jeweils ausbildenden stehenden Welle in 1b nochmals dargestellt, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Zur Minimierung der Schallabstrahlung wird die Steifigkeit des Rotors 1 in tangentialer Richtung an den Stellen erhöht, an denen sich die Schwingungsknoten der stehenden Welle mit der Frequenz fip3.1 (erste der Doppelmoden) befinden. Diese steiferen Bereiche 10 befinden sich, gemäß der Darstellung in 1b radial erstreckend, im Bereich der Knotenlinien 8 und versteifen den Rotor 1 im Bereich der Reibblätter 5. Die steiferen Bereiche 10 überdecken dabei die Knotenlinien 8 und überragen diese beidseitig um einen durch den Grad der angestrebten Versteifung vorgegebenen Winkelweg. Durch die angesprochene Maßnahme verändern sich die Frequenzen der Doppelmoden, fip3.1 ist nun größer als fip3.2.
Weiter besteht zur Minimierung der Schallabstrahlung die Möglichkeit die Steifigkeit des Rotors 1 in tangentialer Richtung an den Stellen zu reduzieren an denen sich die Schwingungsknoten der stehenden Welle mit der Frequenz fip3.2 (zweite der Doppelmoden) befinden. Diese weniger steifen Bereiche 11 befinden sich in radialer Erstreckung im Bereich der Knotenlinien 8' und reduzieren die Steifigkeit des Rotor 1 im Bereich der Reibblätter 5. Auch hier überdecken die weniger steifen Bereiche die Knotenlinien 8' und überragen diese beidseitig um einen durch den Grad der angestrebten Reduzierung der Steifigkeit vorgegebenen Winkelweg. Durch die angesprochene Maßnahme verändern sich die Frequenzen der Doppelmoden, fip3.2 ist nun kleiner als die der Doppelmode fip3.1.
Selbstverständlich lassen sich beide Maßnahmen kombinieren.
Die vorstehend angesprochene Maßnahme zur lokalen Versteifung des Rotors 1 ist nachfolgend unter Zuhilfenahme der 2a bis 2c an Beispielen aufgezeigt. Schematisch dargestellt ist jeweils ein Teilbereich eines Rotors, der jeweils nur eine Rippe aufweist. Selbstverständlich sind an dem Rotor auf seinem Umfang eine Vielzahl von Rippen angeordnet, wie dies in Verbindung mit 1a beschrieben ist. Für gleiche Teile wurden die Bezugszeichen aus 1a übernommen. Handelt es sich um Teile gleicher Funktion aber unterschiedlicher Ausgestaltung, ist dies hinsichtlich der Bezugszeichen durch einen Index nach einem Punkt unterschieden.
Die Gestaltung der Rippen ist sinusförmig gewählt, daraus ergeben sich einfache rechnerische Zusammenhänge. Die Sinusform lässt sich beschreiben über die Amplitude „A“ und die Wellenläge. Die Wellenlänge wiederum ergibt sich aus der Anzahl „W“ der Wellenzüge pro Breite „b“ der Reibfläche 4, dabei ist W = 1 genau eine Sinuswelle in radialer Richtung zwischen Innen- und Außenradius der Reibfläche 4, W = 1,5, bedeutet folglich eineinhalb Wellenzüge in radialer Richtung zwischen Innen- und Außenradius der Reibfläche 4. Aus „A“ und „W“ lässt sich die Bogenlänge „s“ berechnen, das Produkt aus „s“ und Dicke „d“ der Rippe ist proportional zur Masse der Rippe. Die Masse der Rippe ist hier mit deren wirksamer thermischen Masse gleichzusetzen und hat Auswirkungen auf das Bremsverhalten.
Ausgegangen wird gemäß 2a von einem Rotor 1.1, der auf seinem Umfang gleich gestaltete Rippen in äquidistantem Winkelabstand aufweist, von denen nur eine Rippe 6.1 dargestellt ist. Die Rippe 6.1 liegt auf einer Knotenlinie 8 und weist eine Gestalt (Form und Abmessung) auf, die bei allen Rippen 6.1 identisch ist. Die Amplitude ist mit A₁ bezeichnet, die Dicke der Rippe 6.1 mit d₁, die Bogenlänge mit s₁, die Zahl der Wellenzüge mit W₁. Bei der Rippe 6.1 ist W₁ = 1. Aufgrund der gleichen Gestaltung der Rippen 6.1 ist einerseits die tangentiale Steifigkeit des Rotors im Bereich der Reibblätter 5, soweit dies für die hier betrachteten Sachverhalte relevant ist, als konstant anzunehmen. Andererseits sind die wirksamen thermischen Massen, soweit hier von Bedeutung, über den Umfang gleich verteilt, so dass sich beim Bremsen eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung über die Reibflächen 4 einstellt.
Wie oben beschrieben, treten bei Rotoren gemäß 2a tangentiale Schwingungen auf, die stehende Wellen ausbilden, welche wiederum zu Schallabstrahlungen führen. Abhilfe bringt, wie oben ebenfalls beschrieben, eine lokale Versteifung des Rotors in tangentialer Richtung. Ein Beispiel für eine solche lokale, tangentiale Versteifung zeigt 2b. Hier ist auf der Knotenlinie 8 eine sinusförmige Versteifungsrippe 16.2 angeordnet, die eine Amplitude A₂ aufweist, für die Zahl der Wellenzüge gilt ebenfalls W = 1. Die Amplitude A₂ der Rippe 16.2 ist größer als die Amplitude A₁ der ursprünglichen Rippe 6.1 gemäß 2a, so dass auch für die Bogenlänge „s“ gilt s₂ > s₁. Eine Sinus-Rippe mit größerer Amplitude A₂ weist größere Tangentialanteile auf und führt dadurch zu einer lokalen Versteifung in tangentialer Richtung. Tangentialanteile sind Anteile, die sich in tangentialer Richtung des Rotors 1.2 erstrecken. Die in 2b nicht dargestellten übrigen auf Knotenlinien 8 liegenden Versteifungsrippen sind analog verändert, die ebenfalls nicht dargestellten nicht auf Knotenlinien 8 liegenden Rippen hingegen behalten ihre ursprüngliche Form mit einer Amplitude A₁ (vergleiche 2a). Da nur die Rippen im Bereich der Knotenlinien 8 durch veränderte Versteifungsrippen 16.2 ersetzt sind, die anderen Rippen aber gleich bleiben, tritt an den Knotenlinien 8 eine lokale Versteifung in tangentialer Richtung auf.
Durch die Vergrößerung der Amplitude „A“ ist auch die Bogenlänge „s“ der Versteifungsrippe 16.2 vergrößert und damit deren Masse, falls die Dicke „d“ der Versteifungsrippen nicht verändert wird. Damit würden sich durch die Veränderung der Amplitude „A“ eine lokale Veränderung der thermisch wirksamen Masse und damit eine lokale Veränderung der Temperatur der Reibblätter 5 beim Bremsvorgang ergeben, dies gilt es zu vermeiden. Wird also die Amplitude einer Rippe verändert, muss sich auch deren Dicke ändern, derart, dass die thermisch wirksame Masse gleich bleibt. Wird also wie im Beispiel die Amplitude A₁ der Rippe 6.1 (2a) auf eine Amplitude A₂ der Versteifungsrippe 16.2 (2b) vergrößert, muss gleichzeitig die Dicke d₁ der Rippe 6.1 (2a) auf eine Dicke d₂ der Versteifungsrippe 16.2 (2b) reduziert werden. Rechnerisch ergibt sich für sinusförmige Rippen bei einer Vergrößerung der Amplitude von A₁ (Rippe alt) auf A₂ (Versteifungsrippe neu) folgender Zusammenhang:

Funktion Rippe alt: $f_{1} (x) = A_{1} s i n (\frac{2 π}{b} x)$
Bogenlänge alt: $s_{1} = \int_{0}^{b} \sqrt{{(\int_{1}^{'} (x))}^{2} + 1 d x}$
Funktion Versteifungsrippe neu: $f_{2} (x) = A_{2} s i n (\frac{2 π}{b} x)$
Bogenlänge neu: $s_{2} = \int_{0}^{b} \sqrt{{(\int_{2}^{'} (x))}^{2} + 1 d x}$
Daraus ergibt sich für die Dicke d₂ der neuen Versteifungsrippe: $d_{2} = \frac{d_{1} s_{1}}{s_{2}}$

Die vorstehend beschriebene rechnerisch ermittelte Dicke d₂ der neuen Versteifungsrippe 16.2 ist natürlich nur eine Möglichkeit der Dickenbestimmung, selbstverständlich ist es auch möglich, die Dickenbestimmung experimentell durch eine Versuchsreihe vorzunehmen oder durch Simulationen, wie sie heute im Konstruktionsbereich üblich sind. Diesen experimentellen Weg bzw. den Weg über Simulationen wird man dann beschreiten, wenn sich die gewählte Wellenform nicht oder nur schwer mathematisch beschreiben lässt.
2c zeigt eine zweite Möglichkeit im Bereich der Knotenlinien eine lokal höhere Steifigkeit in tangentialer Richtung zu erzeugen. Dort ist analog zu den Abbildungen in 2b auf der Knotenlinie 8 eine sinusförmige Versteifungsrippe 16.3 angeordnet. Diese weist zwar eine Amplitude A₃ auf, die gleich der Amplitude A₁ der ursprünglichen Rippe 6.1 (2a) ist. Unterschiedlich ist in diesem Fall aber die Anzahl der Wellenzüge „W“ gegenüber der Rippe 6.1. Im Falle des Beispiels nach 2c passen zwei Wellenzüge in radialer Richtung zwischen Innen- und Außenradius der Reibfläche 4, so dass sich W = 2 ergibt und damit eine größere Bogenlänge s₃. Bei gleicher Amplitude weist eine Sinus-Rippe mit W = 2 größere Tangentialanteile, also Anteile die sich in tangentialer Richtung des Rotors 1.3 erstrecken auf, als eine wellenförmige Rippe mit W = 1 (vergleiche 2a) und führt dadurch zu einer lokalen Versteifung in tangentialer Richtung. Die übrigen auf Knotenlinien 8 liegenden Versteifungsrippen (in 2c nicht dargestellt) werden analog verändert, die nicht auf Knotenlinien 8 liegenden Rippen (in 2c ebenfalls nicht dargestellt) hingegen behalten ihre ursprüngliche Form mit W = 1 (vergleiche 2a). Da nur die Versteifungsrippen im Bereich der Knotenlinien 8 verändert werden, die anderen Rippen aber gleich bleiben, tritt an den Knotenlinien 8 die gewünschte lokale Versteifung in tangentialer Richtung ein.
Auch in diesem Fall würde die vorstehend beschriebene Änderung der Versteifungsrippe 16.3 gegenüber der ursprünglichen Form (2a) zu einer Veränderung der thermischen wirksamen Masse führen, diese würde größer. Es ist also auch in diesem Fall notwendig die Dicke „d“ der Versteifungsrippe 16.3 anzupassen. Da es sich auch hier um eine sinusförmige Rippe handelt, gelten die oben angegebenen rechnerischen Zusammenhänge auch in diesem Fall, es ist lediglich zu berücksichtigen, dass W = 2 ist. Zur Bestimmung der Dicke d₃ der Versteifungsrippe 16.3 wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf die einschlägigen vorstehenden Ausführungen zu 2b verwiesen.
Eine weitere Verdeutlichung, wie eine Minimierung der Schallabstrahlung bei Auftreten einer In-Plane Mode 3. Ordnung zu erreichen ist, zeigt 3. Dazu ist im linken Teil der Darstellung ein Rotor 1.4 vollständig abgebildet. Über die Prinzipdarstellung des Rotors 1.4 ist, konzentrisch zur Rotationsachse 12, ein Winkelraster gelegt, derart, dass sich die durch die Knotenlinien 8 bezeichneten Knoten der stehenden Welle jeweils mit 60° Abstand bei 0°/ 360°, 60°, 120°, 180°, 240° und 300° befinden. Auf den Knotenlinien 8 befinden sich, diese überdeckend, im Bereich der Reibblätter 5 steifere Bereiche 10.1. Um die Art der Versteifung besser sichtbar zu machen ist der durch eine gestrichelte Linie umrandete rechte obere Bereich des Rotors 1.4, im rechten Teil der Darstellung vergrößert als Detaildarstellung wiedergegeben. Hier sind zwei Typen sinusförmiger Rippen, nämlich normale Rippen 13 und Versteifungsrippen 16.4 erkennbar. Die Versteifungsrippen 16.4 befinden sich, soweit durch die Teildarstellung erfasst, direkt über den Knotenlinien 8, also auf 360° / 0° und auf 60°, weitere Versteifungsrippen (nicht sichtbar) sind im durch die Darstellung nicht erfassten Bereich auf 120°, 180°, 240° und 300° angeordnet. Die Versteifungsrippen 16.4 bilden die steiferen Bereiche 10.1 des Rotors 1.4. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Versteifungsrippen 16.4 befinden sich je 3 normale Rippen 13, alle Rippen haben den gleichen Winkelabstand zueinander. Weiter ist in der Detaildarstellung erkennbar, dass die Versteifungsrippen 16.4 dünner ausgeführt sind, als die normalen Rippen 13. Die Dicke der Versteifungsrippe 16.4 in Relation zu den normalen Rippen 13 wird wie oben in Verbindung mit 2b ausgeführt bestimmt.
Selbstverständlich lässt sich das vorstehend aufgezeigte Prinzip der Minimierung von Schallabstrahlung in Folge des Auftretens von Tangentialschwingungen auch auf andere In-Plane Moden übertragen, so zeigt 4 in einem Beispiel das Minimieren der Schallabstrahlung bei Auftreten einer In-Plane Mode 2. Ordnung. Analog zu 3 ist auch in 4 im linken Teil der Darstellung ein Rotor 1.5 vollständig abgebildet. Zur Unterscheidung sind die Bezugszeichen gegenüber den vorstehend verwendeten mit einem unterschiedlichen Index nach dem Punkt versehen.
Über die Prinzipdarstellung des Rotors 1.5 ist, konzentrisch zur Rotationsachse 12.1, ein Winkelraster gelegt, derart, dass sich die durch die Knotenlinien 8.1 bezeichneten Knoten der stehenden Welle jeweils mit 90° Abstand bei 0°/ 360°, 90°, 180°, und 270° befinden. Auf den Knotenlinien 8.1 befinden sich, auch in diesem Beispiel die Knotenlinien 8.1 überdeckend, im Bereich der Reibblätter 5 steifere Bereiche 10.2. Um die Art der Versteifung besser sichtbar zu machen, ist auch hier eine Detaildarstellung im rechten Teil der Abbildung vorgesehen, die den durch eine gestrichelte Linie umrandeten rechten oberen Bereich des Rotors 1.5 vergrößert zeigt. Um die gewünschte lokale Versteifung des Rotors 1.5 zu erreichen sind gemäß Detaildarstellung jeweils zwei Versteifungsrippen 16.5 vorgesehen, die, ein Versteifungsrippenpaar bildend, rechts und links von auf den Knotenlinien 8.1 liegenden Schwingungsknoten angeordnet sind. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Versteifungsrippenpaaren befinden sich sieben normale Rippen 13.1. Alle Rippen sind hinsichtlich ihres Winkelabstandes gleich zueinander beabstandet. Weiter ist in der Detaildarstellung erkennbar, dass die Versteifungsrippen 16.5 dünner ausgeführt sind, als die normalen Rippen 13.1, um die Unterschiede hinsichtlich der thermisch wirksamen Massen auszugleichen. Die Dicke der Versteifungsrippe 16.5 in Relation zu den normalen Rippen 13.1 wird wie oben ausgeführt bestimmt.
Abschließend ist anzumerken, dass die Form der wellenförmigen Rippen bzw. Versteifungsrippen nicht auf einen sinusförmigen Verlauf festgelegt ist, es sind vielmehr alle erdenklichen Wellenformen möglich, auch solche die keinen kontinuierlichen Verlauf aufweisen, zum Beispiel zickzackförmige Verläufe. Weiter ist anzumerken, dass die vorstehend als normale Rippen bezeichneten Rippen im Extremfall auch radial und gerade verlaufen können, also keine Wellenform aufweisen, während die Versteifungsrippen immer eine Wellenform in dem vorstehend angesprochenen Sinn aufweisen und hinsichtlich ihrer thermisch wirksamen Masse an die übrigen normalen Rippen angepasst sind. Hinsichtlich der wellenförmigen Rippen bzw. Versteifungsrippen ist weiter darauf hinzuweisen, dass der Wellenzug den eine wellenförmige Rippe oder Versteifungsrippe realisiert, entlang seiner radialen Erstreckung unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen aufweisen kann. So kann beispielsweise die Amplitude von radial innen nach radial außen kontinuierlich oder in diskreten Schritten zunehmen. Ebenso kann beispielsweise die Wellenlänge von radial innen nach radial außen kontinuierlich oder in diskreten Schritten abnehmen. Letztlich kann jeder konstruktiv sinnvolle Wellenzug zur Realisierung einer die tangentiale Steifigkeit erhöhenden Rippe bzw. Versteifungsrippe herangezogen werden, wobei, wie vorstehend ausgeführt, immer eine Anpassung der thermisch wirksamen Massen vorzunehmen ist.
Gemäß den Beispielen nach 2a bis 4 ist immer davon ausgegangen, dass eine lokale, tangentiale Versteifung dadurch erreicht wird, dass normale Rippen an den zu versteifenden Bereichen in einer die Steifigkeit erhöhenden Weise verändert werden, natürlich kann auch der umgekehrte Weg beschritten werden. Eine lokale Versteifung tritt automatisch auch dann ein wenn die Rippen in einer die Steifigkeit mindernden Weise in den Bereichen verändert werden, die hinsichtlich ihrer tangentialen Steifigkeit weniger steif sein sollen. Solche Umkehrungen der Vorgehensweise sind dem Fachmann bekannt, so dass sich detaillierte Ausführungen hierzu erübrigen.

Claims

Innenbelüftete Bremsscheibe, wobei der Rotor (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) der Bremsscheibe zwei konzentrisch, parallel angeordnete Reibblätter (5) umfasst, die mittels Rippen (6) verbunden sind, derart, dass Reibblätter (5) und Rippen (6) eine Vielzahl radialer, luftdurchströmbarer Kanäle ausbilden und die Rippen (6) so angeordnet und ausgebildet sind, dass der Rotor (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) im Bereich der Reibblätter (5) auf seinem Umfang in tangentialer Richtung lokal unterschiedliche Steifigkeit aufweist, wobei sich steifere Bereiche und Bereiche geringerer Steifigkeit abwechseln und die steiferen Bereiche und damit auch die Bereiche geringerer Steifigkeit auf den Umfang bezogen jeweils zu einander beabstandet sind, wobei die steiferen Bereiche (10, 10.1, 10.2) jeweils dadurch gebildet sind, dass dort wenigstens eine wellenförmige Versteifungsrippe (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) radial von innen nach außen verläuft, wobei die höhere Steifigkeit durch den Tangentialanteil der wellenförmigen Versteifungsrippe (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) bestimmt ist und die Dicke (d₂, d₃) der wellenförmigen Versteifungsrippe (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) jeweils so gewählt ist, dass die thermisch wirksamen Massen des Rotors (1.2, 1.3, 1.4, 1.5) im Bereich der Reibblätter (5) auf dem Umfang gleich verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (6) in den weniger steifen Bereichen ebenfalls wellenförmig ausgebildet sind und sich von den wellenförmig ausgebildeten Versteifungsrippen (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) in den steiferen Bereichen (10, 10.1, 10.2) hinsichtlich der Wellenamplitude (A) oder der Anzahl der Wellenzüge (W) unterscheiden.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenamplituden (A) in den steiferen Bereichen (10) von radial innen nach radial außen zunehmen.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge in den steiferen Bereichen (10) von radial innen nach radial außen abnimmt.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steiferen Bereiche (10.2) durch wenigstens zwei wellenförmige Versteifungsrippen (16.5) gebildet sind.
Bremsscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei wellenförmigen Versteifungsrippen (16.5) sich hinsichtlich Wellenamplitude und / oder Wellenlänge unterscheiden.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle an dem Rotor (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) angeordneten Rippen (6) und Versteifungsrippen (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) wellenförmig ausgebildet sind und in ihrem Wellenverlauf Sinus-Form aufweisen.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche höherer Steifigkeit auf den Kreisumfang der Bremsscheibe gesehen in einem Winkelabstand von 60° oder in einem Winkelanstand von 90° angeordnet sind, und/oder dass die 2. In-Plane-Mode oder die 3. In-Plane-Mode unterdrückt wird, und/oder dass auch auf zwei Schwingformen gleichzeitig unterdrückt werden.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rippen (6) und Versteifungsrippen (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) des Rotors (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5) hinsichtlich des Kreisumfangs der Bremsscheibe in einem festen Winkelraster angeordnet sind und dass die Rippen (6) und Versteifungsrippen (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) auf gedachten Strahlen angeordnet sind, die das Winkelraster bilden, wobei diese gedachten Strahlen bei wellenförmigen Rippen (6) und Versteifungsrippen (16.2, 16.3, 16.4, 16.5) hinsichtlich des Wellenverlaufs die Mittellinie der Welle bilden.