DE102022202939A1

DE102022202939A1 - Bremssattel für eine Scheibenbremsanlage und Verfahren zum Konstruieren eines Bremssattels

Info

Publication number: DE102022202939A1
Application number: DE102022202939.9A
Authority: DE
Inventors: Hatem Shahin
Original assignee: HL Mando Corp
Current assignee: HL Mando Corp
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US20230304553A1; KR20230140527A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bremssattel (1) für eine Scheibenbremsanlage, umfassend einen Gehäuseabschnitt (1.1) mit einem Hohlraum (1.2) zur Aufnahme eines Kolbens (2), der zum Eingriff mit einem ersten Bremsklotz (3) konfiguriert ist, einen Gegenabschnitt (1.3), der zur Aufnahme eines zweiten Bremsklotzes (4) konfiguriert ist, einen den Gehäuseabschnitt (1.1) und den Gegenabschnitt (1.3) verbindenden Brückenabschnitt (1.4), wobei der Bremssattel (1) Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) aufweist, die mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung umfassen, wobei die Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) an einer den Hohlraum (1.2) begrenzenden Sattelwand (1.7) und/oder an dem Brückenabschnitt (1.4) vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Konstruieren eines Bremssattels (1) für eine Scheibenbremsanlage unter Verwendung computergestützter Optimierung (CAO). Das Verfahren umfasst eine Simulation mechanischer Eigenschaften und eine Simulation thermischer Eigenschaften, wobei die mechanischen Eigenschaften und die thermischen Eigenschaften für ein erstes Modell des Bremssattels mit einem anfänglichen Packungsvolumen bestimmt werden, ein Satz von Randbedingungen für die mechanischen Eigenschaften bestimmt wird, die mechanischen Eigenschaften und die thermischen Eigenschaften für weitere Modelle des Bremssattels (1) bestimmt werden, wobei die weiteren Modelle in vorgegebenen Abschnitten des Bremssattels (1) Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) aufweisen, wobei die Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung umfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus. Sie betrifft einen Bremssattel für eine Scheibenbremsanlage und ein Verfahren zum Konstruieren eines Bremssattels für eine Scheibenbremsanlage.
Beim Bremsen wird kinetische Energie des Fahrzeugs in Wärmeenergie umgewandelt, die von der Bremsscheibe aufgenommen wird. Die Wärme der Bremsscheibe wird während der Rotation der Scheibe auf die Umgebung der Bremsscheibe übertragen. Ein Teil der Wärme wird über die Luft auf den Bremssattel übertragen, und ein Teil der Wärme wird durch die Bremsklötze transferiert und von dort auf den Kolben und die Bremsflüssigkeit oder auf den Bremssattelfinger.
Je nach Art der Scheibe und Größe des Fahrzeugs können die Temperaturen bis zu 800 °C erreichen. Die Temperatur des Bremssattels kann bis zu 400 °C erreichen, was zu einem Leistungsabfall führen kann, wobei insbesondere die Leistungsfähigkeit der Bremsflüssigkeit beeinträchtigt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistung des Bremssystems zu verbessern, indem kritische Teile vor Überhitzung geschützt werden.
Dies wird durch einen Bremssattel nach Anspruch 1 oder durch ein Verfahren zum Konstruieren eines Bremssattels nach Anspruch 4 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung und den Figuren angegeben.
Dementsprechend umfasst ein Bremssattel für eine Scheibenbremsanlage einen Gehäuseabschnitt mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines Kolbens, wobei der Kolben für den Eingriff mit einem ersten Bremsklotz konfiguriert ist. Der Bremssattel umfasst außerdem einen Gegenabschnitt, der zur Aufnahme eines zweiten Bremsklotzes konfiguriert ist. Der Bremssattel umfasst außerdem einen Brückenabschnitt, der den Gehäuseabschnitt und den Gegenabschnitt verbindet. Der Bremssattel weist Kühlungsmerkmale auf, die mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Aussparung umfassen, wobei die Kühlungsmerkmale an einer den Hohlraum begrenzenden Sattelwand und/oder an dem Brückenabschnitt vorgesehen sind. Die Kühlungsmerkmale können daher als geometrische Kühlungsmerkmale bezeichnet werden.
Insbesondere können Kühlungsmerkmale, die an einer den Hohlraum begrenzenden Sattelwand vorgesehen sind, die Temperatur der Bremsflüssigkeit und einer Dichtung senken. Kühlungsmerkmale am Brückenabschnitt tragen ebenfalls dazu bei, die Erwärmung des Gehäuseabschnitts und damit die Erwärmung der Bremsflüssigkeit zu verhindern. Vorsprünge können zum Beispiel als Rippen ausgeführt werden.
In einer Ausführungsform können der Brückenabschnitt und der Gegenabschnitt einen Bremssattelfinger eines Schwimmsattels bilden. Alternativ kann der Gegenabschnitt auch ein weiterer Gehäuseabschnitt eines Festsattels sein. Im letzteren Fall kann der weitere Gehäuseabschnitt in der gleichen Weise wie der oben erwähnte Gehäuseabschnitt gestaltet sein, d.h. er kann optional auch Kühlungsmerkmale aufweisen, die ähnlich oder identisch mit den Kühlungsmerkmalen des ersten Gehäuseabschnitts sein können oder sich von diesen unterscheiden können.
In einem Beispiel sind die Kühlungsmerkmale an einem Teil der Sattelwand vorgesehen, der den Hohlraum begrenzt, wobei dieser Teil der Sattelwand so konfiguriert ist, dass er radial nach innen zeigt, wenn der Bremssattel in das Scheibenbremssystem eingebaut ist.
Das Design des hier gezeigten und beschriebenen Bremssattels kann das Ergebnis des hier gezeigten und beschriebenen Verfahrens sein. Die in Verbindung mit dem Verfahren gezeigten Merkmale können auch für den Bremssattel beansprucht werden und umgekehrt.
Das Verfahren zum Konstruieren eines Bremssattels für ein Scheibenbremssystem verwendet computergestützte Optimierung (CAO). Das Verfahren umfasst eine Simulation mechanischer Eigenschaften und eine Simulation thermischer Eigenschaften.
Dabei werden die mechanischen Eigenschaften und die thermischen Eigenschaften für ein erstes Modell des Bremssattels mit einem anfänglichen Packungsvolumen bestimmt.
Ein Satz von Randbedingungen wird für die mechanischen Eigenschaften festgelegt.
Die mechanischen Eigenschaften und die thermischen Eigenschaften werden für weitere Modelle des Bremssattels bestimmt, wobei die weiteren Modelle in vorbestimmten Abschnitten des Bremssattels Kühlungsmerkmale aufweisen, wobei die Kühlungsmerkmale mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Aussparung umfassen.
Unter den weiteren Modellen wird ein endgültiges Design ausgewählt, basierend auf den Bedingungen:

(a) das Modell des endgültigen Designs erfüllt die Randbedingungen für die mechanischen Eigenschaften und
(b) das Modell des endgültigen Designs weist unter den weiteren Modellen die höchste Wärmeabgabe an die Umgebung und/oder die niedrigste Spitzentemperatur in einem vorausgewählten Bereich des Bremssattels auf.

Zum Beispiel kann der Satz von Randbedingungen für die mechanischen Eigenschaften Folgendes betreffen:

- eine Mindeststeifigkeit, die für das endgültige Design gewünscht ist und/oder
- eine Mindestfestigkeit, die für das endgültige Design gewünscht ist und/oder
- ein dynamisches Verhalten, das für das endgültige Design gewünscht ist und/oder
- ein Mindestlebensdauer, die für das endgültige Design gewünscht ist und/oder
- ein minimales und/oder ein maximales Gewicht, das für das endgültige Design gewünscht ist.

Diese Eigenschaften können in der Simulation modelliert werden. Es ist denkbar, dass für einen oder mehrere dieser Parameter Randbedingungen definiert werden, um sicherzustellen, dass die für die Funktion oder Sicherheit des Bremssattels relevanten mechanischen Aspekte erfüllt sind.
Zu den Randbedingungen können obere und/oder untere Grenzen gehören. Die Randbedingungen können auf der Grundlage der mechanischen Eigenschaften des ersten Modells definiert werden.
Die Simulation der mechanischen Eigenschaften kann Folgendes umfassen: eine Simulation der Steifigkeit, insbesondere eine Durchbiegungsberechnung, und/oder
eine Simulation der Festigkeit, insbesondere eine Spannungs- und/oder Dehnungsberechnung,
und/oder
eine Simulation eines dynamischen Verhaltens, insbesondere eine Berechnung von Eigenfrequenzen,
und/oder
eine Simulation einer Lebensdauer, insbesondere eine Ermüdungswertberechnung,
und/oder
eine Simulation eines Gewichts, insbesondere eine Massen- und/oder Volumenberechnung.
Die Simulation kann einen Finite-Elemente-Algorithmus im Frequenzbereich und/oder im Zeitbereich verwenden.
Die Simulation kann Anfangsbedingungen enthalten. Zu den Ausgangsbedingungen kann eine Temperaturverteilung gehören, insbesondere eine Temperaturverteilung des Bremssystems, einschließlich einer Bremsscheibe und/oder der Bremsklötze. Die für die Bremsscheibe und/oder die Bremsklötze festgelegte Temperaturverteilung entspricht einer möglichen Temperaturverteilung aufgrund eines Bremsens.
Die Simulation thermischer Eigenschaften kann eine Simulation der Wärmeleitung und/oder Konvektion und/oder Strahlung umfassen. Darin kann eine Wärmeübertragung von der Bremsscheibe und/oder den Bremsklötzen an die Umgebung, insbesondere an die Umgebungsluft und die umgebenden Komponenten, einschließlich der Bremsflüssigkeit, modelliert werden.
Die Simulation thermischer Eigenschaften kann eine Simulation der Wärmeübertragung an die Umgebung umfassen. D.h. der Wärmeübergang vom Bremssattel auf die Umgebungsluft (was zu einer Abkühlung des Bremssattels führt) kann modelliert werden.
Ausgehend von den oben beschriebenen Ausgangsbedingungen können unter Berücksichtigung der Temperaturverteilung aller Komponenten und der thermodynamischen Prozesse, wie Leitung, Konvektion und Strahlung, alle relevanten thermischen Eigenschaften, wie z.B. eine Temperaturverteilung über die Zeit für ein gegebenes Bremssatteldesign (d.h. für das erste Modell und für die weiteren Modelle) simuliert werden, was eine Optimierung der Materialverteilung des Bremssattels ermöglicht. Mit anderen Worten: Die Wirkung eines bestimmten Satzes von Kühlungsmerkmalen, der in den weiteren Modellen vorhanden ist, kann analysiert und quantifiziert werden.
Die computergestützte Optimierung ermöglicht die Auswahl einer optimalen Materialverteilung, d.h. die Auswahl eines optimalen Designs der Kühlungsmerkmale.
Es kann vorgesehen sein, dass das erste Modell ein Max-Modell ist, das einen maximalen Packungsraum hat. Dies kann dem maximal verfügbaren Platz in der Bremsanlage entsprechen. Die weiteren Modelle haben im Vergleich zum ersten Modell ein geringeres Volumen. Die Kühleigenschaften werden durch das Weglassen von Material in den vorbestimmten Abschnitten des Bremssattels im Vergleich zum Max-Modell erzeugt.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass dem Ausgangsmodell abschnittsweise Material hinzugefügt wird. Die weiteren Modelle können dann in bestimmten Bereichen über das Ausgangsmodell hinausgehen, wobei ihr Gesamtvolumen kleiner oder größer als das des weiteren Modells ist.
Für das Gewicht der weiteren Modelle kann eine Grenze festgelegt werden. Eine Obergrenze kann zum Beispiel +5% oder +3% oder +0% des Gewichts des Ausgangsmodells betragen. Eine Untergrenze kann z.B. -15% oder -10% oder - 5% des Ausgangsmodells betragen.
Die Zugabe oder der Abtrag von Material gemäß den verschiedenen weiteren Modellen kann zu einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften führen.
Wie oben erwähnt, können Randbedingungen für die mechanischen Eigenschaften definiert werden, zum Beispiel auf der Grundlage der mechanischen Eigenschaften des ersten Modells. In einigen Fällen kann es zu einem Kompromiss zwischen einer oder mehreren der mechanischen Eigenschaften und den thermischen Eigenschaften kommen.
Eine multi-target Optimierung unter Berücksichtigung thermodynamischer und mechanischer Aspekte wird daher durchgeführt.
So wird z. B. zum Bilden der Kühlungsmerkmale Wegnahme oder Hinzufügung von Material kontinuierlich ausgeführt. Dadurch ändern sich die thermischen Eigenschaften und es wird z. B. eine gewünschte Wärmeverteilung oder maximale Wärme in dem vorausgewählten Bereich erreicht. Solange die mechanischen Eigenschaften innerhalb der vorgegebenen Randbedingungen liegen, kann weiter Material weggenommen oder hinzugefügt werden, bis die gewünschten thermischen Eigenschaften erreicht sind.
Eine gewünschte Ausgabe kann zum Beispiel eine bestimmte Temperaturverteilung für die vorausgewählte Region sein. Dazu kann die Festlegung einer Spitzentemperatur an einer oder mehreren vorausgewählten Stellen innerhalb des vorausgewählten Bereichs gehören, die nicht überschritten werden sollte.
Bei den Randbedingungen kann es sich um obere und/oder untere Grenzbedingungen für mechanische Eigenschaften handeln, wie z. B. Streckgrenze und Steifigkeit, die nicht überschritten werden dürfen.
Im Rahmen des Verfahrens kann der Bremssattel einen Gehäuseabschnitt mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines Kolbens umfassen, wobei der Kolben für den Eingriff mit einem ersten Bremsklotz konfiguriert ist, und einen Gegenabschnitt, der zur Aufnahme eines zweiten Bremsklotzes konfiguriert ist,
Und einen Brückenabschnitt, der den Gehäuseabschnitt und den Gegenabschnitt verbindet,
wobei die vorgegebenen Abschnitte, in denen die Kühlungsmerkmale vorgesehen sind, in denen insbesondere Material weggelassen wird, eine den Hohlraum des Gehäuseabschnitts begrenzende Sattelwand und/oder der Brückenabschnitt sind. Die Konstruktion der Kühlungsmerkmale kann sich auf einen oder beide dieser vorgegebenen Abschnitte beschränken, da sie sich dahingehend bewährt haben, einen guten Einfluss auf die Temperaturverteilung zu haben, und der Materialabtrag in der Regel tolerierbar ist.
Der vorgegebene Abschnitt, in dem die Kühlungsmerkmale vorgesehen sind, insbesondere Material weggelassen wird, kann ein Teil der Bremssattelwand sein oder umfassen, der so konfiguriert ist, dass er radial nach innen weist, wenn der Bremssattel in das Scheibenbremssystem eingebaut ist.
Das Verfahren kann Schritte zur Optimierung der weiteren Modelle des Bremssattels umfassen. Dazu kann eine topologische Optimierung gehören, um eine optimale Position der Kühlungsmerkmale zu ermitteln. Insbesondere kann bestimmt werden, ob die Kühlungsmerkmale in einem oder in beiden der oben genannten vorgegebenen Abschnitte vorgesehen werden sollen.
Das Verfahren kann eine topografische Optimierung umfassen, um eine optimale Art von Kühlelementen zu ermitteln. Zum Beispiel können Vorsprünge als Rippen ausgebildet werden. Diese können sich in axialer Richtung und/oder senkrecht zur axialen Richtung erstrecken.
Das Verfahren kann eine Formoptimierung beinhalten, um eine optimale Form der Kühlelemente zu ermitteln. Dabei können thermische Aspekte berücksichtigt werden, und es können die verfügbaren Formen berücksichtigt werden, die je nach Art der Herstellung möglich sind, die z. B. Gießen und/oder additive Fertigung, wie 3D-Drucken, umfassen kann.
Das endgültige Design kann unter den weiteren Modellen als dasjenige Modell ausgewählt werden, das die günstigsten thermischen Eigenschaften aufweist. Diese Wahl kann auf der Grundlage einer Spitzentemperatur an einer Stelle der Sattelwand getroffen werden. Insbesondere kann die Temperatur an einem Teil der Oberfläche der Bremssattelwand, die den Hohlraum für den Kolben begrenzt, berücksichtigt werden. Diese Oberfläche kann mit der Bremsflüssigkeit in Berührung kommen und so zu einer unerwünschten Erwärmung der Bremsflüssigkeit beitragen, die gering gehalten werden sollte.
So kann beispielsweise eine Zieltemperatur an der Oberfläche der Sattellwand von unter 160°C oder unter 150°C gewählt werden.
Ein Verfahren kann das oben beschriebene Verfahren zur Konstruktion des Bremssattels umfassen, zusätzlich zu einer Herstellung des Bremssattels.
Im Folgenden werden der Bremssattel und das Verfahren anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert.
Darin:

1a, 1b veranschaulichen die Wärmeübertragung in einem Scheibenbremssystem
2a zeigt einen ersten Modifikationsabschnitt in einem Bremssattel,
2b zeigt eine Temperaturverteilung im Bremssattel entlang einer axialen Richtung,
2c-2h zeigen Konstruktionsmöglichkeiten für einen Bremssattel mit reduziertem Wärmeübergang in axialer Richtung,
3a zeigt einen zweiten Modifikationsabschnitt in einem Bremssattel,
3b-3h zeigen Konstruktionsmöglichkeiten für einen Bremssattel mit reduziertem Wärmeübergang durch einen Brückenabschnitt des Bremssattels, und
4a-4c veranschaulichen einen Konstruktionsprozess für den Bremssattel.

1a und b zeigen eine Scheibenbremsanlage mit einem Bremssattel 1 und einer Bremsscheibe 5. 1a zeigt schematisch einen Schnitt durch das Bremssystem in einer Ebene parallel zur Achse A des Bremssystems. 1b zeigt schematisch einen Schnitt durch das Bremssystem in einer Ebene, die orthogonal zur Achse A ist.
Der Bremssattel umfasst einen Gehäuseabschnitt 1.1 mit einem Hohlraum 1.2 zur Aufnahme eines Kolbens 2. Der Kolben 2 greift an einem ersten Bremsklotz 3 an. Das Gehäuse umfasst ferner einen Gegenabschnitt 1.3, der einen zweiten Bremsklotz 4 hält, und einen Brückenabschnitt 1.4, der sich um einen Außenumfang der Bremsscheibe 5 erstreckt und den Gehäuseabschnitt 1.1 und den Gegenabschnitt 1.3 verbindet. In der gezeigten Ausführung ist der Bremssattel 1 ein Schwimmsattel, und der Brückenabschnitt 1.4 und der Gegenabschnitt 1.3 bilden einen Bremssattelfinger. Alternativ kann der Gegenabschnitt 1.3 auch ein weiterer Gehäuseabschnitt eines Festsattels sein.
Beim Bremsen werden die Bremsklötze 3, 4 gegen die Bremsscheibe 5 gedrückt und die kinetische Energie des fahrenden Fahrzeugs in Wärme umgewandelt. Die Bremsscheibe 5 und die Bremsklötze 3, 4 erwärmen sich aufgrund der Reibung, und die Wärme wird durch Konvektion, Konduktion und Strahlung auf die weiteren Komponenten des Bremssystems übertragen. Wie durch die Pfeile in 1a und b angedeutet, strahlt die Wärme der Bremsscheibe auf den Brückenabschnitt 1.4 ab. Außerdem wird, wie in 1a durch Pfeile angedeutet, Wärme vom ersten Bremsklotz 3 auf den Kolben 2 und in den Hohlraum 1.2 übertragen. Die Bremsflüssigkeit im Hohlraum 1.2 und eine den Hohlraum 1.2 begrenzende Bremssattelwand 1.7 erwärmen sich durch diesen Vorgang. Insbesondere die Erwärmung der Bremsflüssigkeit kann die Bremsleistung negativ beeinflussen.
Um die Erwärmung des Bremssattels zu begrenzen, sind geometrische Kühlungsmerkmale am Bremssattel vorgesehen, wie unter Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert wird. Konkret werden für ein Konstruktionsverfahren für den Bremssattel vorgegebene Abschnitte I, II definiert, in denen die Kühlungsmerkmale vorgesehen werden können. Diese vorgegebenen Abschnitte I, II umfassen einen ersten Modifikationsabschnitt I, der eine Sattelwand 1.7 umfasst, die den Hohlraum 1.2 des Gehäuseabschnitts 1.1 begrenzt. Außerdem umfassen die vorgegebenen Abschnitte I, II einen zweiten Modifikationsabschnitt II, der den Brückenabschnitt 1.4 umfasst.
Kühlungsmerkmale sind entweder in einem oder in beiden dieser Abschnitte I, II vorgesehen. Die Position der Kühlungsmerkmale und ihre Konstruktionsdetails werden in einem Verfahren zur Konstruktion des Bremssattels festgelegt. Diese Methode beruht auf der computergestützten Optimierung (CAO) und umfasst eine Simulation mechanischer Eigenschaften und eine Simulation thermischer Eigenschaften. Die mechanischen Eigenschaften und thermischen Eigenschaften werden für ein erstes Modell des Bremssattels 1 mit einem anfänglichen Packungsvolumen bestimmt, das in den 1a und b dargestellt ist. Für die mechanischen Eigenschaften wird ein Satz von Randbedingungen festgelegt, die die Mindestanforderungen an den Bremssattel 1 widerspiegeln, die im endgültigen Design vorhanden sein müssen.
Vom ersten Modell werden weitere Modelle des Bremssattels abgeleitet. Beispiele für die weiteren Modelle lassen sich aus den 2c-h und den 3b-h ableiten, wie im Folgenden erläutert wird.
Die mechanischen Eigenschaften und thermischen Eigenschaften werden für jedes weitere Modell des Bremssattels 1 numerisch bestimmt, wobei die weiteren Modelle in den vorgegebenen Abschnitten I, II des Bremssattels 1 Kühlungsmerkmale aufweisen, wobei die Kühlungsmerkmale mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung umfassen.
Unter den weiteren Modellen wird ein endgültiges Design ausgewählt, basierend auf den Bedingungen:

Der vorausgewählte Bereich kann, muss aber nicht unbedingt in einem der vorgegebenen Abschnitte I, II liegen. Der vorausgewählte Bereich, in dem eine bestimmte Temperatur nicht überschritten werden soll, kann beispielsweise innerhalb des Hohlraums liegen oder eine den Hohlraum begrenzende Fläche sein. Dies stellt eine typische Wahl im Rahmen des Verfahrens dar, wenn eine bestimmte Temperatur für die Bremsflüssigkeit nicht überschritten werden soll.
Nach verschiedenen Beispielen sind die Kühlungsmerkmale dann an einer den Hohlraum 1.2 begrenzenden Sattelwand 1.7 und/oder an dem Brückenabschnitt 1.4 vorgesehen, wie jetzt mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert wird. Es versteht sich, dass die Kühlungsmerkmale der 2 und 3 miteinander kombiniert werden können.
2a-h konzentrieren sich auf die Bereitstellung von Kühlungsmerkmalen 1.5 an einer Bremssattelwand 1.7, die den Hohlraum 1.2 des Bremssattels 1 begrenzt.
2a zeigt noch einmal den Schnitt durch das Bremssystem in einer Ebene parallel zur Achse A des Bremssystems. Wie im Zusammenhang mit 1a erwähnt, wird die Wärme von der Bremsscheibe 5 und dem Bremsklotz 3 auf die übrigen Teile des Bremssystems übertragen. Insbesondere wird Wärme in den Hohlraum 1.2 des Bremssattels 1 und an die den Hohlraum 1.2 begrenzende Sattelwand 1.7 übertragen. An einer Unterseite des Hohlraums 1.2, die radial nach innen zur Achse A hin gerichtet ist, begrenzt ein Teil der Bremssattelwand 1.7 den Hohlraum 1.2. Dieser Teil der Bremssattelwand 1.7, der radial nach innen weist, wenn der Bremssattel 1 in die Scheibenbremsanlage eingebaut ist, erwärmt sich durch Strahlung, Wärmeleitung und Konvektion. Eine Temperaturverteilung entlang dieses Teils der Sattelwand 1.7, entlang des Pfeils, ist in 2b gezeigt. Dabei zeigt die Kurve i) eine anfängliche Temperaturverteilung entlang des Pfeils von 2a, d. h. auf einer Linie der Oberfläche, die den Hohlraum 1.2 begrenzt. Die anfängliche Temperaturverteilung i) wird für ein erstes Modell des Bremssattels 1 berechnet, das keine Kühlungsmerkmale aufweist. Diese anfängliche Temperaturverteilung führt zu einer starken Erwärmung der Bremsflüssigkeit, die sich im Hohlraum 1.2 befindet, was verhindert werden soll. Daher sollte die Wärmeübertragung in axialer Richtung, entlang des Pfeils, minimiert werden. Eine Soll-Wärmeverteilung entlang der besagten Linie der Oberfläche, die den Hohlraum 1.2 begrenzt, ist beispielsweise durch die Kurve ii) gegeben. Dabei wird die Wärmeübertragung auf die axial von der Bremsscheibe 5 entfernten Teile der Wand 1.7 unterdrückt. Dies kann durch geometrische Kühlungsmerkmale 1.5 an dieser Wand 1.7 innerhalb des vorgegebenen Modifikationsabschnitts I erreicht werden. Das durch ein weißes Kästchen an der Unterseite der Wand 1.7 gekennzeichnete Material markiert einen maximal verfügbaren Konstruktionsraum für die Bereitstellung der geometrischen Kühlungsmerkmale 1.5. D. h., während des Konstruktionsverfahrens wird entsprechend den verschiedenen weiteren Entwürfen in dem durch das weiße Kästchen markierten Bereich Material weggelassen, um die Kühlungsmerkmale 1.5 zu bilden. Für jeden weiteren Entwurf mit seiner spezifischen Konfiguration von Kühlungsmerkmalen 1.5 werden die thermischen und mechanischen Eigenschaften erneut modelliert, um sicherzustellen, dass die mechanischen Randbedingungen eingehalten werden, wenn man sich der Zieltemperaturverteilung ii) nähert. Die thermische Modellierung umfasst die Simulation von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Im Beispiel von 2b wird eine Zieltemperatur an der Oberfläche der Sattelwand am Ende von Kurve ii) auf unter 150°C eingestellt.
Bei jedem der weiteren Modelle der 2c-h sind die Kühlungsmerkmale 1.5 an einem Abschnitt der Bremssattelwand 1.7 vorgesehen, der den Hohlraum 1.2 begrenzt, wobei dieser Abschnitt der Bremssattelwand 1.7 so gestaltet ist, dass er radial nach innen weist, wenn der Bremssattel 1 in der Scheibenbremsanlage montiert ist.
Die weiteren Modelle der 2c-h weisen jeweils ein gegenüber dem ersten Modell der 2a reduziertes Volumen auf, wobei die Kühlungsmerkmale durch Weglassen von Material in dem vorgegebenen Abschnitt II des Bremssattels, nämlich dem durch das weiße Kästchen markierten Bereich, ausgebildet sind.
2c zeigt ein Modell, bei dem die Kühlungsmerkmale 1.5 eine oder mehrere Rippen umfassen, die sich entlang der axialen Richtung erstrecken, wobei die eine oder mehreren Rippen entlang der axialen Richtung von der Bremsscheibe 5 weg eine abnehmende Dicke aufweisen.
zeigt ein Modell, bei dem die Kühlungsmerkmale 1.5 drei Rippen umfassen, die sich orthogonal zur axialen Richtung erstrecken, wobei eine erste und eine dritte Rippe höher als eine zentrale Rippe sind. Es sind Ausnehmungen zwischen den Rippen zu sehen.
2e zeigt ein Modell, bei dem die Kühlungsmerkmale 1.5 eine oder mehrere Rippen mit konstanter Höhe umfassen, die sich in axialer Richtung erstrecken.
2f zeigt ein Modell, bei dem die Kühlungsmerkmale 1.5 vier Rippen mit unterschiedlicher Dicke umfassen, die sich orthogonal zur axialen Richtung erstrecken.
2g zeigt ein Modell, bei dem die Kühlungsmerkmale 1.5 fünf Rippen umfassen, die sich orthogonal zur axialen Richtung erstrecken, wobei die Höhen der Rippen voneinander abweichen und in axialer Richtung abnehmen.
2h zeigt ein Modell, bei dem die Kühlelemente 1.5 drei orthogonal zur axialen Richtung verlaufende Ausnehmungen aufweisen.
Unter Bezugnahme auf alle 2a-h, lediglich als Beispiel zur Veranschaulichung des Verfahrens, kann während der Simulation für ein bestimmtes Material beispielsweise festgestellt werden, dass von den Modellen 2c-h die Modelle 2e und 2h die thermischen Anforderungen der Kurve ii) nicht erfüllen, und es kann festgestellt werden, dass die Modelle 2d, 2f und 2g die mechanischen Anforderungen nicht erfüllen, während das Modell 2c sowohl die thermischen als auch die mechanischen Anforderungen erfüllt und folglich ausgewählt wird.
3a-h konzentrieren sich auf die Bereitstellung von Kühlungsmerkmale 1.5 auf dem Brückenabschnitt 1.4 des Bremssattels 1.
3a zeigt noch einmal den Schnitt durch das Bremssystem in einer Ebene parallel zur Achse A des Bremssystems. Wie in Verbindung mit 1a erwähnt, wird die Wärme von der Bremsscheibe 5 und dem Bremsbelag 3 an die übrigen Teile des Bremssystems, einschließlich des Brückenabschnitts 1.5, übertragen.
Gemäß einem Beispiel des hier vorgestellten Verfahrens kann ein zweiter Modifikationsabschnitt II auf dem Brückenabschnitt 1.5 vorgesehen werden. Bei weiteren Modellen des Bremssattels 1 sind im zweiten Modifikationsabschnitt II Kühlungsmerkmale 1.6 vorgesehen, deren Einfluss auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften modelliert und wobei schließlich eines der weiteren Modelle ausgewählt wird, wie im Fall der 2a-2h.
3b zeigt eine Ansicht entlang der Achse A des Bremssystems, wobei der zweite Modifikationsabschnitt II aus einer anderen Perspektive zu sehen ist. Dementsprechend können auf beiden Seiten des Brückenabschnitts geometrische Kühlungsmerkmale 1.6 vorgesehen werden.
3c-3h zeigen die Kühlungsmerkmale 1.6 erneut in der Perspektive, die auch in 3a zu sehen ist. Die Kühlungsmerkmale 1.6 umfassen jeweils Rippen, die sich in horizontaler und/oder vertikaler Richtung erstrecken. 3g zum Beispiel zeigt sowohl horizontale als auch vertikale Rippen, wobei die horizontalen Rippen dieses Modells auch in 3b dargestellt sind.
In den 4a-c werden Aspekte der Simulation näher erläutert. 4a zeigt einen 3D-Designraum, der in der Simulation verwendet wird, und 4b und c zeigen die betrachteten 2D-Designbereiche. Das vollständige 3D-Modell in 4a stellt das maximale Paket dar, das für die Konstruktion des Bremssattels 1 zur Verfügung steht. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften werden numerisch bestimmt und in den Ebenen der 4b und 4c beobachtet, um die Eignung der verschiedenen weiteren Modelle zu ermitteln, die die in den 2a-3h angegebenen Kühlungsmerkmale 1.5 und 1.6 aufweisen. Wie oben erläutert, handelt es sich bei den vorgegebenen Abschnitten I, II, in denen die Kühlungsmerkmale 1.5, 1.6 vorgesehen sind, um eine den Hohlraum 1.2 des Gehäuseteils 1.1 begrenzende Sattelwand 1.7 und den Brückenabschnitt 1.4.
In einer Multi-Target-Optimierung wird ein optimales Design für den Bremssattel 1 ermittelt.
Die Wärmeübertragung an die Umgebung, z. B. ein Wärmestrom durch die Oberflächen der Bremssatteldesigns, kann modelliert werden, um die Eignung des Modells zu bestimmen.
Darüber hinaus umfasst die Simulation mechanischer Eigenschaften eine Simulation der Steifigkeit, insbesondere eine Durchbiegungsberechnung, und/oder eine Simulation der Festigkeit, insbesondere eine Spannungs- und/oder Dehnungsberechnung, und/oder eine Simulation des dynamischen Verhaltens, insbesondere eine Eigenfrequenzberechnung, und/oder eine Simulation der Lebensdauer, insbesondere eine Ermüdungswertberechnung, und/oder eine Simulation des Gewichts, insbesondere eine Masse- und/oder Volumenberechnung.
Das Verfahren umfasst außerdem Schritte zur Optimierung der weiteren Modelle des Bremssattels 1. Dazu gehören die topologische Optimierung zur Ermittlung der optimalen Position der Kühlungsmerkmale (z. B. auf der Brücke 1.4 und/oder auf der Sattelwand 1.7), die topografische Optimierung zur Ermittlung der optimalen Art der Kühlungsmerkmale (Aussparungen und/oder Vorsprünge), die Formoptimierung zur Ermittlung der optimalen Form der Kühlungsmerkmale (z. B. Detailmerkmale wie abgerundete Kanten usw.).
Das endgültige Design wird unter den verschiedenen weiteren Modellen auf der Grundlage einer Spitzentemperatur und einer Temperaturverteilung an vorbestimmten Abschnitten einer Oberfläche der Bremssattelwand 1.7 ausgewählt, die den Hohlraum 1.2 für den Kolben 2 begrenzt.
Bezugszeichenliste

1: Bremssattel
1.1: Gehäuseabschnitt
1.2: Hohlraum
1.3: Gegenabschnitt
1.4: Brückenabschnitt
1.5, 1.6: Kühlungsmerkmale
1.7: Sattelwand
I: Erster Modifikationsabschnitt
II: Zweiter Modifikationsabschnitt
2: Kolben
3: Erster Bremsklotz
4: Zweiter Bremsklotz
5: Scheibe
6: Träger
A: Achse

Claims

Bremssattel (1) für eine Scheibenbremsanlage, umfassend: einen Gehäuseabschnitt (1.1) mit einem Hohlraum (1.2) zur Aufnahme eines Kolbens (2), wobei der Kolben zum Eingriff mit einem ersten Bremsklotz (3) konfiguriert ist, einen Gegenabschnitt (1.3), der zum Halten eines zweiten Bremsklotzes (4) konfiguriert ist, einen Brückenabschnitt (1.4), der den Gehäuseabschnitt (1.1) und den Gegenabschnitt (1.3) verbindet, wobei der Bremssattel (1) Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) aufweist, die mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Aussparung umfassen, wobei die Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) an einer den Hohlraum (1.2) begrenzenden Sattelwand (1.7) und/oder am Brückenabschnitt (1.4) vorgesehen sind.
Bremssattel (1) nach Anspruch 1, wobei der Brückenabschnitt (1.4) und der Gegenabschnitt (1.3) einen Sattelfinger eines Schwimmsattels bilden oder wobei der Gegenabschnitt (1.3) ein weiterer Gehäuseabschnitt eines Festsattels ist.
Bremssattel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlungsmerkmale (1.5) an einem Abschnitt der Sattelwand (1.7) vorgesehen sind, der den Hohlraum (1.2) begrenzt, wobei dieser Abschnitt der Sattelwand (1.7) so gestaltet ist, dass er radial nach innen weist, wenn der Bremssattel (1) in der Scheibenbremsanlage montiert ist.
Verfahren zum Konstruieren eines Bremssattels (1) für eine Scheibenbremsanlage unter Verwendung computergestützter Optimierung (CAO), wobei das Verfahren eine Simulation mechanischer Eigenschaften und eine Simulation thermischer Eigenschaften umfasst, wobei die mechanischen Eigenschaften und die thermischen Eigenschaften für ein erstes Modell des Bremssattels mit einem anfänglichen Packungsvolumen bestimmt werden, für die mechanischen Eigenschaften ein Satz von Randbedingungen festgelegt wird, die mechanischen Eigenschaften und die thermischen Eigenschaften für weitere Modelle des Bremssattels (1) ermittelt werden, wobei die weiteren Modelle in vorgegebenen Abschnitten(I, II) des Bremssattels (1) Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) aufweisen, wobei die Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung umfassen, wobei unter den weiteren Modellen ein endgültiges Design ausgewählt wird, basierend auf den Bedingungen: (a) das Modell des endgültigen Designs erfüllt die Randbedingungen für die mechanischen Eigenschaften und (b) das Modell des endgültigen Designs weist unter den weiteren Modellen die höchste Wärmeabgabe an die Umgebung und/oder die niedrigste Spitzentemperatur in einem vorausgewählten Bereich des Bremssattels auf.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die weiteren Modelle ein gegenüber dem ersten Modell reduziertes Volumen aufweisen, wobei die Kühlungsmerkmale durch Weglassen von Material in den vorgegebenen Abschnitten(I, II) des Bremssattels gestaltet sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Simulation thermischer Eigenschaften eine Simulation von Wärmeleitung und/oder Konvektion und/oder Strahlung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Simulation thermischer Eigenschaften eine Simulation der Wärmeübertragung auf eine Umgebung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4-7, wobei die Simulation mechanischer Eigenschaften Folgendes umfasst: eine Simulation der Steifigkeit, insbesondere eine Durchbiegungsberechnung, und/oder eine Simulation der Festigkeit, insbesondere eine Spannungs- und/oder Dehnungsberechnung, und/oder eine Simulation eines dynamischen Verhaltens, insbesondere eine Berechnung von Eigenfrequenzen, und/oder eine Simulation einer Lebensdauer, insbesondere eine Ermüdungswertberechnung, und/oder eine Simulation eines Gewichts, insbesondere eine Massen- und/oder Volumenberechnung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Bremssattel (1) Folgendes umfasst: einen Gehäuseabschnitt (1.1) mit einem Hohlraum (1.2) zur Aufnahme eines Kolbens (2), wobei der Kolben (2) zum Eingriff mit einem ersten Bremsklotz (3) konfiguriert ist, einen Gegenabschnitt (1.3), der zum Halten eines zweiten Bremsklotzes (4) konfiguriert ist, und einen Brückenabschnitt (1.4), der den Gehäuseabschnitt (1.1) und den Gegenabschnitt (1.3) verbindet, wobei die vorgegebenen Abschnitte(I, II), in denen die Kühlungsmerkmale (1.5, 1.6) vorgesehen sind, in denen insbesondere Material weggelassen wird, eine den Hohlraum (1.2) des Gehäuseabschnitts (1.1) begrenzende Sattelwand (1.7) und/oder der Brückenabschnitt (1.4) sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vorgegebene Abschnitt(I), in dem die Kühlungsmerkmale (1.5) vorgesehen sind, ein Teil der Sattelwand (1.7) ist oder umfasst, der so konfiguriert ist, dass er radial nach innen weist, wenn der Bremssattel (1) in der Scheibenbremsanlage montiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, Schritte umfassend zur Optimierung der weiteren Modelle des Bremssattels (1), einschließlich topologische Optimierung zur Ermittlung einer optimalen Position der Kühlungsmerkmale, topografische Optimierung zur Ermittlung einer optimalen Art von Kühlungsmerkmalen, Formoptimierung zur Ermittlung einer optimalen Form der Kühlungsmerkmale.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei das endgültige Design unter den weiteren Modellen ausgewählt wird, basierend auf einer Spitzentemperatur an einem Abschnitt der Sattelwand (1.7), insbesondere an einem Abschnitt einer Oberfläche der Sattelwand (1.7), die den Hohlraum (1.2) für den Kolben (2) begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Zieltemperatur an der Oberfläche der Sattelwand (1.7) unter 160°C oder unter 150°C liegt.