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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bremssattel für eine Scheibenbremse eines Fahrzeugs und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Scheibenbremsen als solche für Fahrzeuge sind hinlänglich bekannt. Sie bestehen aus einer mit einer Radnabe verbundenen Bremsscheibe und dem Bremsträger, an dem ein Bremssattel befestigt ist. Der Bremssattel umgreift die Bremsscheibe. Bei Betätigung der Bremse werden die Bremsbeläge hydraulisch mittels Bremskolben axial auf die Bremsscheibe gedrückt.
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Das Scheibenbremssystem kann im Betrieb beim Bremsen Temperaturspitzen zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe von über 700 °C verursachen. Bei zu starker Wärmeentwicklung können funktionswesentliche Teile der Bremsanlage ausfallen. So kann beispielsweise die Bremsflüssigkeit zum Sieden gebracht werden, was die Hydraulik stark beeinträchtigt.
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Bremssättel werden typischerweise durch Gussverfahren hergestellt. Die beim Bremsen entstehende hohe Temperaturen werden über den Bremssattelkörper als Kühlkörper nach außen an die Umgebung abgeführt. Zum Abführen der Wärme gibt es bereits bekannte Lösungen.
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Bei einem bekannten Bremssattel (
US 7,905,335 B2 ) ist ein Bremssattelkörper in konventioneller Technik (z.B. Gussverfahren) aus einem wärmeleitenden Material hergestellt. Um die Wärme von den Bremsbelägen nach außen an die Atmosphäre abzuführen, sind Kühlrippen auf den Bremssattel zusätzlich aufgeflanscht. Somit kann die an den Bremsbelägen und der Bremsscheibe erzeugte Wärme durch Wärmetransport über den Körper des Bremssattels und über die außen liegenden Kühlrippen an die Luft abgeführt werden.
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Ein weiterer bekannter Bremssattel (
DE 10 2016 212 878 A1 ) wird durch ein additives Fertigungsverfahren in hybrider Bauweise hergestellt. Auf einen konventionellen Bremssattel wird ein Kühlkörper mit Kühlrippen mittels additiver Fertigung aufgetragen. Der Bremssattel ist unlösbar mit dem Kühlkörper verbunden. Ein Teil des Kühlkörpers kann dabei in Form eines Kühlkanals in den Bremssattel hineinragen und eine Vielzahl von Kühlrippen des Kühlkörpers stehen nach außen weg. Somit soll Wärme vom Bremssattel nach außen über die erweiterte Oberfläche des Kühlkörpers abgeführt werden.
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Der Bremssattelkörper eines anderen bekannten Bremssattels (
US 6,722,476 B1 ) ist durch herkömmliches Zerspanen eines Metallblocks hergestellt. In den Körper werden mehrere verschließbare Löcher gebohrt. Durch die Bohrungen entsteht ein Kühlkanal, der mit einem Arbeitsfluid gefüllt werden kann. Der Kühlkanal ist so ausgebildet, dass je ein Ende nahe an den Bremskolben liegt, um die Wärme der Bremsflüssigkeit nach außen abzuführen, damit die Bremsflüssigkeit nicht zu sieden beginnt.
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Auch bei einem weiteren bekannten Bremssattel (
US 2010/0101899 A1 ) soll die Wärme der Bremsflüssigkeit abgeführt werden. Hierzu sind spezielle Wärmerohre auf jeder Seite der Bremsscheibe in der Nähe der Kolbenbohrungen an das Gehäuse des Bremssattels angebracht. Die Wärmerohre werden nachträglich an den Bremssattel montiert. Die Wärmerohre erstrecken sich von nahe der Bremskolben bis zu einem außenliegenden Kühlelement. Somit wird die Wärme der Bremsflüssigkeit an die Umgebungsluft übertragen.
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Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zum Abführen von Wärme aus der Scheibenbremse an die Umgebungsluft ist der zusätzliche Montageaufwand zum Anbinden der Kühlkörper oder der Wärmerohre an den Bremssattelkörper. Der Bremssattel muss bereits konstruktiv so ausgestaltet sein, dass eine nachgeschaltete Montage im Fertigungsprozess noch möglich ist, was gleichzeitig oftmals zu einer Gewichtszunahme des Bauteils führt.
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Herkömmlicherweise werden in Serie hergestellte Bremssättel überdimensioniert, um die Oberfläche an den thermisch beanspruchten Komponenten zu vergrößern und die Wärme rein durch die Luftzirkulation im Bauraum des zu bremsenden Rades abzuführen. Allerdings hat sich herausgestellt, dass im typischen Bauraum eines Bremssattels am Rad eines Fahrzeugs nur sehr geringe Luftzirkulation erzielt wird und somit eine reine Luftkühlung nicht besonders effizient ist. Wenn die thermisch wirksame Oberfläche des Bremssattels weiter vergrößert würde, so würde dies zu mehr Gewicht und Instabilitäten führen.
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Durch eine zu geringe Wärmeabfuhr wird die Lebensdauer der Scheibenbremse verringert. Überdies kann dies zu Bremskraftverlusten führen. Außerdem können Dichtelemente durch Überhitzung beschädigt werden. Zudem gilt es, das Sieden der Bremsflüssigkeit (ab etwa 300 °C) zu vermeiden, da so entstehende Dampfblasen, die kompressibel sind, einen sofortigen Totalausfall der Bremsanlage zur Folge haben könnten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen sehr einfach herstellbaren Bremssattel für eine Scheibenbremse für ein Fahrzeug mit thermisch verbesserten Eigenschaften anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Bremssattel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bremssattels mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Ein Bremssattel für eine Scheibenbremse für ein Fahrzeug, der einen Bremssattelkörper aufweist mit
- - einer inneren und einer äußeren Bremssattelhälfte, die in einem Abstand zueinander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede Bremssattelhälfte Bauraum für mindestens einen Bremskolben und mindestens einen Bremsbelag aufweist,
- - mindestens einer Verbindungsbrücke, die die beiden Bremssattelhälfte miteinander verbindet und die einstückig mit den Bremssattelhälften ausgebildet ist, und mit
- - mindestens einem Wärmerohr, das die beiden Bremssattelhälften thermisch miteinander verbindet, wobei das Wärmerohr erste Enden aufweist, die jeweils in der Nähe einer Wärmequelle angeordnet sind und mindestens ein zweites Ende aufweist, das in der Nähe der Außenseite bei einer Wärmesenke angeordnet ist, wobei das Wärmerohr einstückig mit dem Bremssattelkörper ausgebildet ist.
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Des Weiteren ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bremssattels vorgesehen, bei dem ein Bremssattelkörper mit seinen Bremssattelhälften, seinen Verbindungsbrücken und seinen Wärmerohren durch ein additives Fertigungsverfahren aus mindestens einem Material hergestellt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Das Wärmerohr kann vorteilhafterweise eine Kapillarstruktur aufweisen, durch die die Innenoberfläche vergrößert wird, um aufgrund des Kapillareffekts den Abtransport von Wärme durch das Arbeitsfluid zu erhöhen.
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Es ist von Vorteil, wenn ein Wärmetauscher an der Außenseite einer Bremssattelhälfte in der Nähe der zweiten Enden des Wärmerohrs angeordnet ist, um die durch das Wärmerohr dorthin transportierte Wärme nach außen an die Umgebungsluft effektiver abzuführen. Durch den Wärmetauscher, der typischerweise mit einer Vielzahl von Kühlrippen versehen ist, wird die effektive Kühloberfläche vergrößert.
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Durch einen Kühlkörper im Bereich einer Verbindungsbrücke, in der auch ein Wärmerohr angeordnet ist, wird bereits auf dem Weg des Arbeitsfluids zum zweiten Ende des Wärmerohrs Wärme nach außen abgeführt.
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Wenn jedes Wärmerohr mit einem flüssigen Arbeitsfluid zumindest teilweise gefüllt ist, wird die Wärmeabfuhr nach außen deutlich effizienter.
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Das Wärmerohr ist zumindest zum Teil an seiner Innenwand derart mit einer raue Innenoberfläche ausgebildet, dass bei dem mit einem Arbeitsfluid gefüllten Wärmerohr der Kapillareffekt und damit der Wärmeabtransport effizienter wird. Einen ähnlichen oder sogar verstärkten Effekt bilden die Ausgestaltung des Innenraums des Wärmerohrs. So kann der Innenraum - allein oder auch zusätzlich zu der rauen Oberfläche - zumindest teilweise mit einem Material in Form einer Kapillarstruktur gefüllt sein. Das Material kann in Form einer porösen oder gitterförmigen Kapillarstruktur so in dem Wärmerohr vorliegen, dass bei dem mit dem Arbeitsfluid gefüllten Wärmerohr ein Kapillareffekt entstehen kann, durch den das Arbeitsfluid zurück zur Wärmequelle transportiert werden kann.
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Vorteilhafterweise wird der Bremssattelkörper aus einem Metall hergestellt, das gut wärmeleitend und mechanisch stabil und steif ist. Da die Wärmerohre zusammen mit dem restlichen Bremssattelkörper monolithisch mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, erhält der Bremssattel eine sehr effektive Wärmeabfuhr bei gleichzeitig einfacher Herstellung des Bremssattels.
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Damit der Bremssattel leicht, kompakt und dennoch mechanisch stabil und steif ist, sowie gute Wärmeleiteigenschaften aufweist, ist der Bremssattelkörper einstückig aus Aluminium, Titan, Kupfer oder einer Legierung von einem oder mehrerer dieser Elemente hergestellt.
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Der Bremssattelkörper wird mit einem additiven Fertigungsverfahren, beispielsweise mittels Laserschmelzverfahren, monolithisch oder einstückig hergestellt. Dadurch bestehen bei der Fertigung viel mehr Freiheitsgrade bezüglich Form, Ausgestaltung, Steifheit, Wärmewiderstand, Festigkeit und Konsistenz der Kapillarstruktur des Wärmerohrs, die durch ein Druckgussverfahren nicht möglich sind. Zudem sind die Wärmerohre bereits während der Herstellung ohne weiteren Aufwand in den Bremssattelkörper integriert, was bei herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht möglich ist. Selbst ein nachträgliches Einbringen bereits fertiger Wärmerohre ist bei herkömmlich hergestellten Bremssatteln nur sehr aufwändig möglich.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 eine dreidimensionale Ansicht einer Scheibenbremse mit einem erfindungsgemäßen Bremssattel, die an einem Gabelfuß eines Fahrzeug montiert ist;
- 2 eine dreidimensionale Draufsicht auf eine Scheibenbremse nach 1;
- 3 eine dreidimensionale Explosionszeichnung der Scheibenbremse nach 2;
- 4 einen Schnitt durch die Scheibenbremse nach 2 im Bereich von Bremskolben;
- 5 einen Schnitt durch einen Bremssattel in einer senkrechten Ebene zu dem Schnitt von 4;
- 6 einen Schnitt durch ein Wärmerohr des Bremssattels von 5;
- 7 eine dreidimensionale Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Bremssattels mit offenliegenden Wärmerohren;
- 8 eine dreidimensionale Draufsicht auf den Bremssattel gemäß 2 ohne Oberteil einer Verbindungsbrücke; und
- 9 eine dreidimensionale Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Wärmerohren.
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Die beiliegende Zeichnung soll ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulicht Ausführungsformen und dient im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnung. Die Elemente der Zeichnung sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scheibenbremse eines Fahrzeugs. Scheibenbremsen als solche für Fahrzeuge sind hinlänglich bekannt. In 1 ist eine dreidimensionale Ansicht einer Scheibenbremse dargestellt, die bei diesem Ausführungsbeispiel bei einem Motorrad verwendet wird.
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Die Scheibenbremse weist einen Bremssattel 1 und eine Bremsscheibe 3 auf, die mit einer Radnabe eines zu bremsenden Rades verbunden ist.
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Der Bremssattel 1 weist einen Bremssattelkörper 5 mit einer inneren und einer äußere Bremssattelhälfte 6 bzw. 7 auf, die in einem Abstand zueinander gegenüberliegend angeordnet sind. Die beiden Bremssattelhälften 6, 7 sind über mindestens eine mechanische Verbindungsbrücke 8 einstückig miteinander verbunden, wodurch der Bremssattelkörper 5 in sich stabilisiert wird und fest an einem Gabelfuß 24 (bei einem Motorrad) fixiert werden kann. Somit besteht der Bremssattelkörper 5 aus den Bremssattelhälften 6, 7 und den Verbindungsbrücken 8.
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Wenigstens eine Bremssattelhälfte 6, 7 weist einen Bauraum für mindestens einen Bremskolben 9 (dieser Bauraum wird im Folgenden als Kolbenbohrung 10 - siehe 3 - bezeichnet) und mindestens einen Bremsbelag 2 auf. Bei Betätigung der Bremse werden die Bremsbeläge 2 hydraulisch mittels der Bremskolben 9 axial von beiden Seiten gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt.
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Dabei wird die kinetische Energie des Fahrzeuges infolge Reibung in Wärme umgewandelt. Um die Bremsfunktion zu gewährleisten und Schaden an Teilen der Scheibenbremse infolge der starken Wärmeentwicklung fernzuhalten, wird eine effektive Wärmeabfuhr der an der Bremsscheibe 3 und den Bremsbelägen 2 erzeugten Wärme benötigt.
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Hierzu dient einerseits der Bremssattelkörper 5 mit den Bremssattelhälften 6, 7 und den Verbindungsbrücken 8, die einstückig in einem einzigen Herstellungsprozess und aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt sind. Zusätzlich sind in dem Bremssattelkörper 5 integrierte Wärmerohre 4 ausgebildet, die eine besonders wärmetransferintensive Brücke oder Wärmeleitung zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7 und weiter an die Außenseite des Bremssattelkörpers 5 darstellen. Durch diese soll die im Betrieb entstandene Wärme zwischen der Bremsscheibe 3 und dem Bremsbelag 2 effektiv durch Konvektion an die Umgebung, wie Umgebungsluft oder mittels Wärmeleitung an den Gabelfuß 24, abgeführt werden.
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In dem Bremssattelkörper 5 ist zumindest ein Wärmerohr 4 angeordnet, durch das eine Wärmeabfuhr von einer Bremssattelhälfte 6, 7 zu anderen und von dort zu einem Wärmetauscher 20 stattfinden kann. Die Funktion des Wärmerohrs 4 wird weiter unten näher erläutert. Ein Wärmerohr 4 kann dabei innerhalb einer Verbindungsbrücke 8 ausgebildet sein oder durch seine Konstruktion allein schon als Verbindungsbrücke 8 dienen. In 1 sind zwei Wärmerohre 4 dargestellt, deren erste Enden in der Nähe der Bremskolben 9 angeordnet sind und deren zweite Enden im Bereich des Wärmetauschers 20 liegen. Diese beiden Wärmerohre 4 bilden eine Verbindungsbrücke 8 zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7.
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Wärmerohre 4 als separate, eigenständige Bauteile sind bekannt. Ein Wärmerohr 4 ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines flüssigen Arbeitsfluids 15 eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche abtransportiert werden.
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Wärmerohre 4 weisen in ihrem Inneren ein hermetisch gekapseltes Nutzvolumen in länglicher, rohrförmiger Form auf. Das Nutzvolumen ist zumindest teilweise mit einem Arbeitsfluid 15 (z.B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt, welches das Nutzvolumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren Teil im gasförmigen Zustand ausfüllt.
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Die ersten Enden des Wärmerohrs 4, welche der Energieaufnahme dienen, werden als Verdampfer 13 bezeichnet und diejenigen zweiten Enden, welche der Energieabgabe dienen, werden als Kondensator 14 bezeichnet (Näheres dazu wird im Zusammenhang mit 4 erläutert). Das Wärmerohr 4 ist ein zum Teil verzweigter, rohrförmiger Hohlraum mit einer abdichtenden Wand drumherum.
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Durch die Wärmequelle in der Nähe des Verdampfers 13 erhöht der Wärmeeintrag die Temperatur des Arbeitsfluids 15 so lange, bis der Siedepunkt des Arbeitsfluids 15 erreicht ist. Ab da beginnt das Arbeitsfluid 15 zu verdampfen. Die Temperatur steigt nicht mehr. Die gesamte zugeführte Energie wird stattdessen in Verdampfungswärme umgesetzt. Dadurch wird in diesem Bereich der Druck im Wärmerohr 4 lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs 4 führt. Der entstandene Dampf beginnt sich im gesamten verfügbaren Nutzvolumen zu verteilen, d.h. er strömt überall dahin, wo der Druck niedriger ist. An den Stellen, wo seine Temperatur den Siedepunkt des Arbeitsfluids 15 unterschreitet (d.h. im Bereich einer Wärmesenke im Bereich des Kondensators 14) kondensiert der Dampf. Dabei gibt der Dampf Energie an die Umgebung des Wärmerohrs 4 in diesem Bereich ab. Am stärksten geschieht dies an der Stelle, wo das Wärmerohr 4 (d.h. im Bereich des Kondensators 14) aktiv gekühlt wird, da Wärme nach außen abgeführt wird. Somit sinkt die Temperatur im Arbeitsfluid 15 an dieser Stelle.
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Der jeweils flüssige Anteil des Arbeitsfluids 15 kehrt durch Kapillarkräfte zum Verdampfer 13 zurück. Somit strömt Dampf (siehe Pfeil 18 in 6) im Wärmerohr 4 vom Verdampfer 13 zum Kondensator 14 und ein flüssiger Kondensationsfilm (siehe Pfeil 17 in 6) fließt/strömt/kriecht zurück zum Verdampfer 13. Treibende Kraft ist dabei der Kapillareffekt. Daher muss das Innere des Wärmerohres derart mit einer die innere Oberfläche erweiternden Kapillarstruktur 16 so ausgebildet sein, dass entsprechende Kapillaren entstehen, die das Arbeitsfluid 15 aufgrund des Kapillareffekts fließen lassen.
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1 zeigt die ganzheitliche Baugruppe des Bremssattels 1 zusammen mit den Bremsbelägen 2 und der Bremsscheibe 3. Der Bremssattelkörper 5 ist aufgeteilt in die innere und die äußere Bremssattelhälfte 6 bzw. 7. Zur Verbindung beider Bremssattelhälften 6, 7 dient eine oder mehrere Verbindungsstrukturen (diese werden hier als Verbindungsbrücken 8 bezeichnet). Die Verbindungsbrücken 8 können integrierte Wärmerohre 4 mit ihren Flüssigkeitskanälen 19 aufweisen. Mit den Wärmerohren 4 kann die im Bremssattel 1 entstehende Wärme nach außen oder von einer Bremssattelhälfte 6, 7 zur anderen Bremssattelhälfte 7, 6 und dort nach außen abgeführt werden.
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Im Einbauzustand bei motorisierten Einspurfahrzeugen befindet sich die Innenseite und damit die innere Bremssattelhälfte 6 der Felge zugewandt. Die äußere Bremssattelhälfte 7 ist nach außen von der Felge (oder vom Rad) weg angeordnet. Bei dem hier dargestellten Bremssattel 1 handelt es sich um einen Festsattel, der auf beiden Seiten hier jeweils mit zwei Kolbenbohrungen 10 für zwei Bremskolben 9 ausgestattet ist. Beide Bremssattelhälften 6, 7 sind so voneinander getrennt (gegenüberliegend), dass genug Bauraum für die Bremsbeläge 2 und die zwischen beiden Bremssattelhälften 6, 7 rotierende Bremsscheibe 3 ist.
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In den Kolbenbohrungen 10 befinden sich die Bremskolben 9, die bei Betätigung der Bremse die Bremsbeläge 2 axial an die Bremsscheibe 3 drücken. Beim Betätigen der Bremse baut sich im Bremssystem ein hydraulischer Druck auf, der eine Spannkraft der Bremskolben 9 auf die Bremsbeläge 2 überträgt. Durch die starke Reibung entstehen hohe Temperaturen. Bei Betrieb unter hohen thermischen Belastungen können Temperaturen zwischen dem Bremsbelag 2 und der Bremsscheibe 3 von 500-800 °C auftreten. Eine leistungsstarke Wärmeabfuhr an den thermisch belasteten Komponenten steigert die Effizienz des Bremsvorgangs.
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Von der Hitze-/Wärmequelle an der Kontaktfläche zwischen Bremsbelag 2 und Bremsscheibe 3 wird die Wärme an die Bremskolben 9 und damit auch an die Bremsflüssigkeit weitergeleitet. Dabei entsteht eine lokale Hitzequelle im Bereich der Bremskolben 9.
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Bei solchen Bremssystemen (hier von motorisierten Einspurfahrzeugen) kann die Wärme von der innen liegenden Kolbenseite der inneren Bremssattelhälfte 6 nicht wirksam allein durch Konvektionsvorgänge an die umströmende Luft abgegeben werden, da dort nur geringe Luftgeschwindigkeiten vorzufinden sind.
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Um die Wärmeabfuhr zu verbessern sind die Wärmerohre 4 vorgesehen, die einen Wärmetransport von der inneren Bremssattelhälfte 6 zu der äußeren Bremssattelhälfte 7 und damit einen Wärmetransport weg von den jeweiligen Bremskolben 9 auf die Außenseite der Felge ermöglichen. Aufgrund der aerodynamischen Verhältnisse kann die entstehende Wärme auf der äußeren Bremssattelhälfte 7 bedeutend effektiver an die umströmende Luft und auch an den Gabelfuß 24 abgegeben werden. Hierzu bilden die Wärmerohre 4 eine thermische und konstruktive Verbindung zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7.
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Erste Enden des Wärmerohre 4 (und zwar die Verdampfer 13) sind jeweils in einem Bereich in der Nähe der Kolbenbohrungen 10 angeordnet und zweite Enden (und zwar die Kondensatoren 14) sind jeweils in der Nähe der Außenseite des Bremssattelkörpers 5 angeordnet. An den zweiten Enden können an der Außenseite des Bremssattelkörpers 5 vorteilhafterweise auch Wärmetauscher 20 (beispielsweise in Form von Kühlkörpern mit Kühlrippen) einstückig ausgebildet sein, die die Wärmeabfuhr effektiver gestalten. Somit kann die Wärme effektiv von den Wärmequellen nach außen abgeführt werden.
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Um durch Diffusionsvorgänge (Konduktion) die Wärme wirksam an den Gabelfuß 24 leiten zu können, werden die Wärmerohre 4 vorzugsweise mit einem Ende im Bereich von Anbindungsschrauben 26 platziert, die den Bremssattelkörper 5 über Abstandshalter 25 an dem Gabelfuß 24 befestigen. Somit kann die Wärme zusätzlich auch über den Gabelfuß 24 abgeführt werden.
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Während 1 eine dreidimensionale Ansicht einer Scheibenbremse mit einem erfindungsgemäßen Bremssattel 1 zeigt, die an einem Gabelfuß 24 eines Fahrzeug montiert ist, zeigt 2 eine dreidimensionale Draufsicht nur auf die Scheibenbremse mit dem Bremssattel 1.
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In der 3 sind die Haupt-Bestandteile der Scheibenbremse in einer dreidimensionalen Explosionszeichnung dargestellt. So weist die Scheibenbremse den Bremssattel 1 mit dem Bremssattelkörper 5 auf. Der Bremssattelkörper 5 ist als einheitliches Stück (monolithisch - einstückig) hergestellt und weist zwei gegenüberliegende Bremssattelhälften 6, 7 auf, die mittels Verbindungen in Form von Verbindungsbrücken 8 miteinander verbunden sind. Zudem weist der Bremssattelkörper 5 die Wärmerohre 4, die Kühlkörper mit ihren Kühlrippen 21 und die Wärmetauscher 20 auf, die alle auch einstückig mit dem Bremssattelkörper 5 hergestellt sind.
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Somit umgreift der Bremssattel 1 die Bremsscheibe 3. Direkt neben den beiden großen, äußeren Verbindungsbrücken 8 ist zur Mitte hin jeweils ein Wärmerohr 4 angeordnet. Von jedem Wärmerohr 4 weist eine Art Reling 27 nach oben. Die Reling 27 dient einerseits zur Versteifung der Verbindungsbrücke 8 zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7. Andererseits kann die Reling 27 auch als zusätzlicher Kühlkörper dienen, um Wärme aus dem Wärmerohr 4 nach außen abzuführen.
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In 3 sind auch die Bremskolben 9 dargestellt, die im Betrieb in den Kolbenbohrungen 10 stecken. Mit Hilfe der Bremskolben 9 werden die Bremsbeläge 2 zum Bremsen axial gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt. Zudem sind in 3 schematisch Verbindungs- oder Dichtungselemente, wie Schrauben 22 dargestellt, mit denen Öffnungen der Innenkanäle des Wärmerohrs 4, die zu den Wärmerohren 4 führen, geöffnet oder verschlossen werden können. Über diese Öffnungen und die Kühlkanäle kann das Arbeitsfluid 15 in die Wärmerohre 4 eingefüllt oder daraus abgelassen werden. Durch die Schrauben 22 können die Kühlkanäle hermetisch abgedichtet werden, so dass der Hohlraum der Wärmerohre 4 vollständig dicht abgeschlossen ist.
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In 4 ist ein Schnitt in axialer Richtung durch die Scheibenbremse dargestellt (dieser Schnitt entspricht etwa einem Schnitt entlang einer der vertikalen, strichpunktierten Linien in 5). Der Begriff axial bezieht sich dabei auf die Radachse des zu bremsenden Rades und damit auf die Drehachse der Bremsscheibe 3 (dies entspricht einem vertikalen Schnitt in 3 quer zur Zeichenebene).
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In 4 ist die Wärmeübertragung der beim Bremsen erzeugten Reibungswärme verdeutlicht. Dabei geht die Wärme von der Bremsscheibe 3 und den Bremsbelägen 2 auf die Bremskolben 9 über, in der sich die Bremsflüssigkeit befindet (der Wärmeübergang ist durch die gewellten Pfeile 11 symbolisiert).
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Die jeweils ersten Enden des Wärmerohres mit den Verdampfern 13 sind jeweils in der Nähe eines Bremskolbens 9 angeordnet. Die beim Bremsen entstehende Wärme wird über das Arbeitsfluid 15 zu den zweiten Enden des Wärmerohrs 4 (in den Bereich der Kondensatoren 14) geführt. Dort ist außen am Wärmerohr 4 ein Wärmetauscher 20, hier mit Kühlrippen, angeordnet, der durch Wärmeabgabe nach außen das gasförmige Arbeitsfluid 15 in diesem Bereich kondensieren lässt. Danach fließt das kondensierte, flüssige Arbeitsfluid 15 zurück zu den Verdampfern 13, wo wiederum durch die hohe Wärme der Wärmequelle Bremsbelag 2 - Bremsscheibe 3 das Arbeitsfluid 15 verdampft und als gasförmiges Arbeitsfluid 15 zum Kondensator 14 strömt.
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Auch ist in 4 die brückenförmige Reling 27 gut zu erkennen, die die Bremsscheibe 3 überbrückt und eine Verbindung zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7 bildet. Eine solche Konstruktion der Reling 27 ist beispielhaft für die Stabilisierung und Versteifung der mechanischen Verbindungsbrücke 8 zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7. Die Reling 27 kann eine beliebige, aber geeignete Form annehmen, die Stabilität unterstützen und zusätzlich auch zur Wärmeabfuhr nach außen beitragen
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In 5 ist ein Schnitt durch einen Bremssattel 1 in einer senkrechten Ebene zu der Schnittebene von 4 dargestellt. Es ist also ein radialer Schnitt (bezogen auf die Radachse) durch eine der Bremssattelhälften 6, 7 dargestellt. Hier sind die Wärmerohre 4, die von der inneren Bremssattelhälfte 6 zur äußeren Bremssattelhälfte 7 verlaufen, im Querschnitt zu sehen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Wärmerohre 4 bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Kapillarstruktur 16 so versehen sind, dass Kapillare entstehen, durch die das Arbeitsfluid 15 infolge der Kapillarität fließen oder kriechen kann. Die beiden außen liegenden Wärmerohre 4 weisen die nach oben abstehende Reling 27 auf.
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Die beiden innen liegenden Wärmerohre 4 sind in eine nicht massive Konstruktion einer Verbindungsbrücke 8 integriert. Eine solche Verbindungsbrücke 8 in der Mitte des Bremssattelkörpers 5 über den Bremskolben 9 wird auch als Kolbenbrücke 23 bezeichnet, da die ersten Enden der Verbindungsbrücke 8 jeweils im Bereich der beiden Bremskolben 9 liegen und die Verbindungsbrücke 8 unmittelbar die vier Bremskolben 9 überbrückt.
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An dem Bremssattelkörper 5 sind an seiner Außenoberfläche Kühlrippen 21 einstückig integriert, über die Wärme an die Außenluft abgegeben werden kann, unabhängig von den Wärmerohren 4.
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Um eine hohe Stabilität und Steifigkeit des Bremssattelkörpers 5 zu gewährleisten, sind größere und gegebenenfalls auch massive Verbindungsbrücken 8 an den beiden Außenseiten (im Schnittbild von 5 links und rechts außen) angeordnet.
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In dem Bremssattelkörper 5 ist auch eine Öffnung 19 zu Kanälen zu erkennen, durch die beide Bremssattelhälften 6, 7 miteinander verbunden sind. Die Öffnungen 19 werden typischerweise mit Schrauben verschlossen.
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Die 6 zeigt einen Schnitt durch ein Wärmerohr 4 (linkes oder rechtes Wärmerohr 4 mit der Reling 27 in 5) und durch den Bremssattelkörper 5.
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Ein Wärmerohr 4, wie es beispielsweise in 6 abgebildet ist, besteht aus einem verzweigten, rohrförmigen Hohlraum mit einem oder mehreren ersten Enden und einem oder mehreren zweiten Enden. Der gesamte Hohlraum ist durch umgebendes Material mit einer Mindestwandstärke dicht umschlossen (der Hohlraum kann zusammen mit dem direkt umgebenden Material als eine Art Gehäuse 19 bezeichnet werden, obwohl es kein eigenständiges Gehäuse ist).
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Die Rohrenden, die in der Nähe einer Wärmequelle (hier Bremskolben 9 und Bremsbeläge 2) angeordnet sind, dienen als Verdampfer 13. Durch den Hitzeeintrag verdampft das Arbeitsfluid 15 im Verdampfer 13 und strömt gasförmig aufgrund der Kapillarität von der Wärmequelle weg (gasförmige Strömung oder Dampf fließt entsprechend dem Pfeil 18).
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Daher sollten die ersten Enden, die als Verdampfer 13 des Wärmerohrs 4 dienen, möglichst dicht an der jeweiligen Wärmequelle, d.h. den Bremskolben 9 der inneren und äußeren Bremssattelhälfte 6, 7 positioniert sein, um einen möglichst gute Wärmeübertragung weg von den Wärmequellen zu realisieren. Die zweiten Rohrenden dienen als Kondensator 14. Dort wird das gasförmige Arbeitsfluid 15 abgekühlt und kondensiert dabei, da die vom Arbeitsfluid 15 aufgenommene Wärme nach außen an die umströmende Luft abgeben wird. Infolgedessen strömt das flüssige Arbeitsfluid 15 von den Kondensatoren 14 zurück zu den Verdampfern 13 (siehe Pfeil 17). Dort verdampft dann wiederum das Arbeitsfluid 15 bei Hitzezufuhr. Somit wird eine Wärmekreislauf geschaffen, bei dem das gasförmige Arbeitsmedium vom Verdampfer 13 bei der Wärmequelle zum Kondensator 14 bei der Wärmesenke fließt und das flüssige Arbeitsmedium vom Kondensator 14 zurück zum Verdampfer 13.
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Das Funktionsprinzip eines Wärmeroheres 4 beruht - wie oben bereits erläutert - auf der Nutzung der Verdampfungs- und der Kondensationsenthalpie eines flüssigen Arbeitsfluids 15, um große Wärmemengen effektiv über einen kleinen Rohrquerschnitt zu transportieren. Das Wärmerohr 4 mit seiner Wandung und dem Füllmaterial (Kapillarstruktur 16) wird zusammen mit dem Bremssattelkörper 5 hergestellt und besteht aus einem gut wärmeleitenden Material. Die Wandung des Hohlraums wird also durch das Material des Bremssattelkörpers 5 gebildet und wird hier als Gehäuses 12 bezeichnet.
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Vorzugsweise werden hier Materialien verwendet, die Aluminium, Titan- oder Kupfer enthalten, insbesondere spezielle Legierungen davon. Selbstverständlich können auch andere geeignete Materialien und Legierungen verwendet werden, die dem Bremssattelkörper Stabilität, Steifigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit verleihen. Der Hohlraum ist zusammen mit dem restlichen Bremssattelkörper 5 aus mindestens einem Material im selben Herstellungsprozess einstückig hergestellt.
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Somit zeichnet sich der Hohlraum dadurch aus, dass bei der Fertigung im Inneren eine Kapillarstruktur 16 geschaffen wird, bei dem die Innenoberfläche und/oder der gesamte Innenraum mit seiner effektiven Oberfläche vergrößert wird und um den Hohlraum herum eine hermetisch dichte Wandung vorgesehen ist. Hierzu kann die Innenoberfläche der Wandung besonders rau gemacht werden und/oder das Volumen gegebenenfalls mit einer porösen oder fein unterteilten Kapillarstruktur 16 geschaffen werden, die eben viele Kapillare bilden, die aufgrund des Kapillareffekts ein Fluid fließen lassen. Dadurch wird die wirksame Oberfläche in dem Hohlraum vergrößert bei gleichzeitig klein ausgebildeten Kapillaren. Zum Einsatz des Wärmerohrs 4 wird dieses mit dem Arbeitsfluid 15 gefüllt.
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In dem Wärmerohr 4 wird als Arbeitsfluid 15 meist Wasser eingesetzt. Je nach Temperaturbereich können auch andere Flüssigkeiten wie Stickstoff, Ammoniak, Methanol oder Quecksilber verwendet werden.
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Im Inneren des Wärmerohres 4 kann ein geringer Druck vorherrschen, um das Arbeitsfluid 15 schon bei geringen Temperaturen zu verdampfen. Dieser Innendruck hängt ab von den Siede- oder Tautemperaturen gemäß der Dampfdruckkurve des Arbeitsfluids 15. Durch äußeren Wärmeeintrag am Verdampfer 13 steigt der Druck im Inneren entsprechend der Dampfdruckkurve. Kommt es an einer beliebigen anderen Stelle des Wärmerohres 4 zur Wärmeabfuhr (und zwar am Kondensator 14), wird der Taupunkt lokal unterschritten und das verdampfte Arbeitsfluid 15 kondensiert. An der Wärmesenke wird der Druck entsprechend der Temperatur im Wärmerohr 4 abgesenkt.
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Das gasförmigen Arbeitsfluids 15 (oder Dampf) strömt entsprechend 6 dabei stets mit dem Druckgefälle von der Wärmequelle (Verdampfer 13) zur Wärmesenke (Kondensator 14) - vgl. Pfeil 18. Das flüssige Kondensat (des verflüssigten Arbeitsfluids 15) fließt dabei durch die Schwerkraft angetrieben oder durch die Kapillarwirkung zurück zum Verdampfer 13 - vgl. Pfeil 17. Eine innere Kapillarstruktur 16 befindet sich an der Innenwand des Hohlraumes des Wärmerohres (d.h. er weist eine sehr raue Innenwandoberfläche auf). Zusätzlich oder allein kann der gesamte Hohlraum des Wärmerohrs 4 mit einer feinen, porösen Kapillarstruktur 16 ausgefüllt sein. Hierzu kann der Hohlraum mit einer feinen Gitterstruktur durchsetzt sein oder er weist eine sonstig geeignete, die effektive Oberfläche vergrößernde und den Kapillareffekt fördernde feingliedrige Kapillarstruktur 16 auf.
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Die Kapillarstruktur 16 ermöglicht das Fließen des Kondensats auch entgegen der Schwerkraft mit Hilfe der Kapillarität. Da sich die flüssige und gasförmige Phase des Arbeitsfluids 15 im gleichen, hermetisch abgeschlossenen Hohlraum befinden, ist auch die Druck- und Temperaturdifferenz zwischen Kondensator 14 und Verdampfer 13 gering. Ein Wärmerohr 4 besitzt dadurch einen bedeutend geringer Wärmewiderstand im Vergleich zum Festkörper bei vergleichbaren geometrischen Abmessungen. Somit kann Wärme effektiver von der Wärmequelle abtransportiert werden und an der Wärmesenke effektiv nach außen abgegeben werden.
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Das Wärmerohr 4 wird zusammen mit dem Bremssattelkörper 5 in einem additiven Fertigungsprozess und somit einstückig sowie in einem einzigen Herstellungsvorgang hergestellt. Ein additiver Fertigungsprozess hat den Vorteil, dass die Kapillarstruktur 16 an der Innenoberfläche des Hohlraumes und/oder in dessen Inneren zusammen mit dem Bremssattelkörper 5 in einem einzigen Fertigungsprozess hergestellt werden können. Vorteilhaft ist es, wenn der gesamte Bremssattelkörper 5 aus mindestens einem Material hergestellt ist.
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Ein Vorteil des Wärmerohres 4 ist es, den Wärmetransport ohne jegliche Hilfsenergie zu realisieren. Es werden keine äußeren Antriebe oder Flüssigkeitspumpen benötigt; treibende Kraft dabei sind ausschließlich die Kapillarkräfte beziehungsweise die Druckdifferenz zwischen Verdampfer 13 und Kondensator 14 im Wärmerohr 4.
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Generell kann der Hohlraum aufgrund des additiven Fertigungsprozesses jegliche gewünschte äußere (der Wandung) und innere (der Füllung) Ausgestaltung oder Form annehmen. Durch den additiven Fertigungsprozess kann eine kleine, feine Kapillarstruktur 16 erzeugt werden, wodurch die Wärmetransport-Effizienz mit geringen Querschnittsflächen zunimmt. Die Effizienzsteigerung des Wärmerohres 4 begünstigt gleichzeitig den Wärmetransport zwischen den beiden Bremssattelhälften 6, 7 oder den Wärmetransport von der inneren Bremssattelhälfte 6 zu der äußeren Bremssattelhälfte 7, wo die Kühlwirkung der Umgebungsluft größer ist.
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Da die Geometrie des Wärmerohres 4 frei gewählt werden kann, kann durch Variation der Wandstärke und der Rauigkeit der Wand sowie der Kapillarstruktur 16 ein zusätzlicher Beitrag zur Gesamtsteifigkeit des Bremssattelkörpers 5 geschaffen werden.
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In 7 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Bremssattels 1 in einer dreidimensionalen Draufsicht dargestellt. Dabei sind zwei Wärmerohre 4 links und rechts außen jeweils in der Nähe der Außenseiten der beiden Bremskolben 9 ausgebildet.
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Etwa in der Mitte des Bremssattelkörper 5 sind zwei weitere Wärmerohre 4 angeordnet, die nahezu x-förmig in einem Bogen als zwei Verbindungsbrücken 8 jeweils von der inneren Bremssattelhälfte 6 zur äußeren Bremssattelhälfte 7 verlaufen. Erste Enden sind auf der Seite der inneren Bremssattelhälfte 6 in der Nähe bei den Bremskolben 9 angeordnet. Weitere erste Enden sind in der Nähe bei den Bremskolben 9 der äußeren Bremssattelhälfte 7 angeordnet.
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Die beiden äußeren Wärmerohre 4 weisen jeweils eine Reling 27 auf. Auf der Seite der äußeren Bremssattelhälfte 7 ist jeweils ein Wärmetauscher 20 in Form eines Kühlkörpers mit Kühlrippen ausgebildet.
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Die beiden inneren Wärmerohre 4 weisen etwa in der Mitte auf den höchsten Stellen des Bogens einen gemeinsamen Wärmetauscher 20 in Form eines Kühlkörpers mit Kühlrippen 21 auf, durch den ebenfalls Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Hier können die Mitten der Wärmerohre 4 als zweite Enden und somit als Kondensator 14 dienen.
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In 8 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Bremssattels 1 in einer dreidimensionalen Draufsicht dargestellt. Anstatt des Wärmetauschers 20 in der Mitte der beiden Wärmerohre 4, kann eine massive Verbindungsbrücke 8 (in 8 gestrichelt dargestellt) die beiden Wärmerohre 4 überdecken. Die etwa x-förmige Verbindungsbrücke 8 kann - wie in den 1, 2 und 3 dargestellt - einen zusätzlichen Kühlkörper an der Außenseite der Verbindungsbrücke 8 nach oben aufweisen. Über die Außenoberfläche dieser Verbindungsbrücke 8 kann Wärme nach außen abgegeben werden.
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9 zeigt eine dreidimensionale Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bremssattels 1 mit mehreren (hier vier) Wärmerohren 4. Die Wärmerohre 4 überspannen hier freiliegend (nur die Außenwand der Hohlräume und damit das Gehäuse 12 ist zu erkennen) den Bereich der Bremsscheibe 3. Nur die beiden äußeren Wärmerohre 4 weisen jeweils auf der Kondensatorseite einen Wärmetauscher 20 auf.
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Zusätzlich könnte - wie in 8 dargestellt - eine x-förmige Verbindungsbrücke 8 die beiden inneren Wärmerohre 4 überdecken. Durch die einstückige Fertigung sind die Wärmerohre 4 in thermischer Verbindung mit einer gegebenenfalls vorhandenen Verbindungsbrücke 8.
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Die Wärmerohre 4 können ein oder mehrere, erste Rohrenden aufweisen, die als Verdampfer 13 dienen und in der Nähe von Wärmequellen angeordnet sind. Hier weisen die Ausführungsbeispiele jeweils zwei erste Rohrenden als Verdampfer 13 auf. Des Weiteren können die Wärmerohre 4 ein oder mehrere zweite Rohrenden aufweisen, die bis an die Außenseite des Bremssattelkörpers 5 reichen, die als Kondensatoren 14 dienen. Durch einen zusätzlichen Wärmetauscher 20 in diesem Bereich wird die Wärmeabfuhr verstärkt. Der Wärmetauscher 20 kann - wie in den Figuren dargestellt - einen Kühlkörper mit einer Rippenstruktur oder eine funktionell ähnliche Struktur aufweisen, durch welche die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert wird und damit die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft effektiver wird.
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Mit einem additiven Fertigungsverfahren können die entsprechende Hohlräume im Inneren der Wärmerohre 4 mit einer Kapillarstruktur 16 versehen werden. Wie bei all diesen Ausführungsbeispiel hier gezeigt ist, verbinden ein oder mehrere Wärmerohre 4 im Bereich der Bremskolben 9 die innere und äußere Bremssattelhälfte 6, 7 und überspannen dabei die Bremsscheibe 3. Die Wärmerohre 4 sind thermisch in den Bremssattelkörper 5 effektiv integriert, da alle Teile zusammen in einem Herstellungsvorgang gefertigt werden. Dadurch kann neben der thermischen Wärmeübertragung bei entsprechender Ausgestaltung und Formgebung auch noch die Steifigkeit und Stabilität des Bremssattelkörpers 5 deutlich erhöht werden.
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Der Verdampfer 13 (und damit die ersten Enden) des Wärmerohres 4 kann dabei in der Nähe von unterschiedlichen Wärmequellen im Bremssattel 1 positioniert werden. Einerseits kann die Wärme direkt an der Kolbenbohrung 10 abgegriffen werden, wobei ein Mindestabstand zwischen Kolbenbohrung 10 und dem Verdampfer 13 eingehalten werden muss, um die Festigkeit des Bauteils nicht zu gefährden. So darf der Bremssattel 1 bei der Verwendung im Motorrad den Mindestabstand von etwa 0,7 bis 1 mm nicht unterschreiten. Andererseits oder zusätzlich dazu kann der Verdampfer 13 (und damit ein erstes Ende des Hohlraums) auch in der Nähe eines Bremsbelags 2 angeordnet sein.
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Der Bremssattelkörper 5 und die Wärmerohre 4 werden dabei durch ein additives Fertigungsverfahren aus mindestens einem Material einstückig/monolithisch in einem Arbeitsvorgang hergestellt.
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Als Material für den Bremssattelkörper 5 wird dabei vorteilhafterweise Metall verwendet, das eine hohe Steifigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. So kann beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan oder eine Legierung mit Aluminium und/oder Titan und/oder Kupfer verwendet werden. Es sollen auch hohe Kräfte übertragen werden können, damit eine hohe Bremskraft gewährleistet ist.
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Vorzugsweise wird als additives Fertigungsverfahren ein Laserschmelzverfahren verwendet. Das selektive Laserschmelzverfahren (engl. Selective Laser Melting oder auch Laser Powder Bed Fusion genannt) gehört zur Gruppe der Strahlschmelzverfahren. Ähnliche Verfahren sind das Elektronenstrahlschmelzen und das selektive Lasersintern.
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Jedoch können auch andere, geeignete additive Fertigungsverfahren zur Herstellung des gesamten Bremssattelkörpers 5 verwendet werden.
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Durch das additive Fertigungsverfahren wird der Bremssattelkörper 5 und die darin integrierten Wärmerohre 4 als ein einheitliches Bauteil einstückig in einem Vorgang mit mindestens einem Material gefertigt. Durch dieses Fertigungsverfahren können die Hohlräume der Wärmerohre 4 in fast beliebiger Form und Füllung in dem Bremssattelkörper 5 ausgebildet werden. So sind die Wärmerohre 4 vollständig in die tragende Struktur des Bremssattelkörpers 5 integriert - ohne nachträglich separate Wärmerohre 4 einzufügen oder daran zu befestigen. Somit kann die Wärmeabfuhr von der innenliegenden Bremssattelhälfte 6 zur außenliegenden Bremssattelhälfte 7 gezielt erhöht werden.
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Durch das additive Fertigungsverfahren können auch Wärmetauscher 20 (wie Kühlkörper mit Kühlrippen 21) einstückig zusammen mit dem Bremssattelkörper 5 herstellt werden, um die Wärmeabfuhr nach außen an die Umgebungsluft weiter zu erhöhen. Der konstruktiven Ausgestaltung sind durch das Fertigungsverfahren kaum Grenzen gesetzt. Sowohl die innere Struktur (wie die Kapillarstruktur 16 der Wärmerohre 4 oder der innere Aufbau des Bremssattelkörpers 5) als auch die äußere Formgebung und Ausgestaltung können bei diesem Fertigungsverfahren beliebig für eine effiziente Wärmeabfuhr gestaltet werden. Als vorteilhafter Nebeneffekt können die Wärmerohre 4 mit dem umgebenden Material zusätzlich für Stabilität und Steifigkeit des Bremssattels 1 sorgen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele für motorisierte Einspurfahrzeuge (Motorräder) vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Der erfindungsgemäße Bremssattel 1 kann bei allen Fahrzeugen, bei denen ein Rad mit Hilfe einer Scheibenbremse gebremst wird, verwendet werden.
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Der Begriff „Fahrzeug“ ist ein Oberbegriff für mobile Verkehrsmittel, die dem Transport von Personen (Personenverkehr), Gütern (Güterverkehr) oder Werkzeugen (Maschinen oder Hilfsmittel) dienen. Die Antriebsart oder die Verwendung ist für die Einordnung ohne Belang. So kann eine Scheibenbremse bei Landfahrzeugen, wie Schienenfahrzeugen, Straßenfahrzeugen (Pkw, Lkw, Motorrad, etc.), bei Geländefahrzeugen oder bei Luftfahrzeugen (Flugzeugen, Hubschrauber, etc.) verwendet werden, bei denen zumindest ein Rad mit mindestens einer Scheibenbremse gebremst werden kann.
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Ein Rad kann nur auf einer Seite eine Scheibenbremse aufweisen. Es können aber auch zwei Scheibenbremsen beiderseits eines Rades angeordnet sein. Weiterhin können sonstige rotierende Teile, z.B. Wellen, mithilfe einer solchen Scheibenbremse, ausgestattet werden.
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Bezeichnungen „Additive Fertigung“, auch bekannt unter 3D-Druck, Additive Manufacturing, Generative Fertigung oder Rapid-Technologien, ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden. So kann beispielsweise der Bereich des Wärmerohres 4 aus Kupfer hergestellt werden und der Rest des Bremssattelkörpers 5 beispielsweise aus Aluminium oder Titan. Somit kann der gesamte Bremssattelkörper 5 in einem Fertigungsprozess aus mehreren Materialien („Multimaterial“) hergestellt werden. Das Bauteil wirkt dann zwar nach außen einheitlich, aber besteht im Inneren aus verschiedenen Materialien.
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Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen, pulverförmigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Das fertige Werkstück muss nicht komplett massiv sein, sondern kann Poren oder kleine, röhrenförmige Kapillare oder sonstige Hohlräume aufweisen. Somit können die Wärmerohre 4 einfach mit einer feinen Kapillarstruktur 16 ausgebildet werden. Es wird also ein Bremssattelkörper 5 monolithisch (und damit einstückig) hergestellt.
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Wärmerohre 4 sind meist metallene (oder zumindest wärmeleitende) Gefäße länglicher Form, welche einen hermetisch gekapseltes Hohlraum umschließen. Sie sind mit einem Arbeitsfluid 15 (z. B. Wasser oder Ammoniak) gefüllt, welches den Hohlraum zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren Teil im gasförmigen Zustand ausfüllt. Der meist verzweigte Hohlraum des Wärmerohrs 4 weist eine nach außen dichte Wand mit einer Mindestwandstärke auf. Das Innere des Hohlraums weist eine feine, filigrane Kapillarstruktur 16 nur an der Wandoberfläche und/oder im gesamten Innenraum des Hohlraums auf.
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Die Kapillarstruktur 16 kann beispielsweise rillenförmig, röhrenförmig, spaltenförmig, mit engen Hohlräumen versehen sein oder wie ein engmaschiges Drahtgewebe ausgebildet sein. Es kann auch eine Gitterstruktur oder eine beliebig andere poröse Struktur als Kapillarstruktur 16 verwendet werden. Wesentlich dabei ist, dass das Fluid in der Kapillarstruktur 16 aufgrund des Kapillareffekts strömen, kriechen oder fließen kann.
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Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens zur Herstellung des Bremssattels 1 kann die aus dem Stand der Technik genannte und nachteilige Überdimensionierung der Bremssättel zum Schutz vor einem Bremskraftverlust durch Wärme verhindern werden, wodurch mehr Bauraum für andere Bauteile geschaffen werden kann. Zudem können die Wärmerohre 4 zusätzlich zum Stabilisieren und Versteifen des Bremssattelkörpers 5 verwendet werden. Der Durchmesser und der Querschnitt des Hohlraumes sind dabei nicht so entscheidend, sondern im Wesentlichen die Kapillarstruktur 16.
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Die Begriffe „innere“ und „äußere“ beziehen sich auf das zu bremsende Rad. Wenn eine Scheibenbremse an einem zu bremsenden Rad angebracht ist, so ist eine Bremssattelhälfte 6 nach innen hin (also zum Rad hin) angeordnet und eine Bremssattelhälfte 7 nach außen hin (also vom Rad weg) angeordnet. Ebenso beziehen sich die Begriffe „axial“ und „radial“ auf das Rad, und zwar die Achse des Rades. Eine radiale Ebene liegt dann in der Radebene und eine axiale Ebene liegt dazu quer in Richtung der Radachse.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremssattel
- 2
- Bremsbeläge
- 3
- Bremsscheibe
- 4
- Wärmerohr
- 5
- Bremssattelkörper
- 6
- innere Bremssattelhälfte
- 7
- äußere Bremssattelhälfte
- 8
- Verbindungsbrücke
- 9
- Bremskolben
- 10
- Kolbenbohrungen
- 11
- gewellte Pfeile (Wärmetransfer symbolisierend)
- 12
- Gehäuse Wärmerohr
- 13
- Verdampfer
- 14
- Kondensator
- 15
- Arbeitsfluid
- 16
- Kapillarstruktur
- 17
- Pfeil (Fließrichtung der Flüssigkeit)
- 18
- Pfeil (Strömungsrichtung Dampf)
- 19
- Flüssigkeitskanäle
- 20
- Wärmetauscher
- 21
- Kühlrippen
- 22
- Schraube
- 23
- Kolbenbrücke
- 24
- Gabelfuß
- 25
- Abstandshalter
- 26
- Anbindungsschrauben
- 27
- Reling
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7905335 B2 [0005]
- DE 102016212878 A1 [0006]
- US 6722476 B1 [0007]
- US 2010/0101899 A1 [0008]
