DE10234104B3

DE10234104B3 - Bremsscheibe mit Verbindungsring

Info

Publication number: DE10234104B3
Application number: DE2002134104
Authority: DE
Inventors: Hagen Dipl.-Ing. Birkholz; Gerd Dipl.-Ing. Dietrich; Peter Prof. Dr. Dietz; Er Dipl.-Ing. Muharrem; Torsten Dipl.-Ing. Grünendick; Berthold Dipl.-Ing. Käferstein; Martin Dipl.-Ing. Kobetz; Gerhard Dipl.-Ing. Mauch; IIaka Dr. Mupende; Steffen Dipl.-Ing. Otto; Günter Dr. Schäfer; Michael Dipl.-Ing.(FH) Scheydecker; Antonio Dipl.-Ing. Tajonar
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, umfassend einen Reibring (5) und ein Halteteil (3), die durch einen Verbindungsring (7) miteinander in Verbindung stehen. Der Verbindungsring (7) zeichnet sich dadurch aus, dass er in seinem äußeren Umfangsbereich Biegebalken (9) aufweist, die formschlüssig in den Reibring (5) eingreifen und somit die radiale Wärmeausdehnung kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bremsscheiben weisen durch temperaturbedingte Ausdehnung Deformationen auf, die auf unterschiedliche radiale Ausdehnung der Bremsscheibenkomponenten Halteteil und Reibring zurückzuführen sind. Derartige Ausdehnungen führen zu Schirmungen und zu Rubbeln der Bremsscheiben während des Bremsvorgangs.
Zur Vermeidung dieses Problems wurden in der Vergangenheit unter anderem zweiteilige Bremsscheiben dargestellt. Das Halteteil, in Form eines Topfes oder einer Radnabe, ist vom Reibring getrennt ausgestaltete und beide Teile werden durch eine geeignete Fügemethode formschlüssig zusammengesetzt.

Konstruktive Lösungen, die eine kraftschlüssige Drehmomentübertragung nutzen, sind bekannt ( EP 1 128 083 A2 ). Sie besitzen jedoch den Nachteil, Zusatzbeanspruchungen im Halteteil bzw. im Reibring zu erzeugen, die den Einsatz kerbempfindlicher Werkstoffe einschränken.

Weiterhin führt die unterschiedliche Erwärmung und damit die Ausdehnung der Komponenten zu einer Reduzierung des Kraftschlusses, insbesondere bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze zur formschlüssigen Übertragung des Drehmomentes zwischen Reibring und Halteteil bekannt. Diese führen in vielen Fällen nur zu einer bedingt ausreichend spielfreien Verbindung von Halte teil und Reibring während des gesamten Bremsbetriebs. Hierzu ist häufig noch die Verwendung zahlreicher Zusatzelemente wie Clips , Bolzen oder Schrauben nötig.

Die DE 197 38 881 A1 beschreibt eine Bremsscheibe, bei der zur Verbindung zwischen Bremsscheibentopf und Reibring ein Zwischenring eingesetzt ist, der durch axial erstreckende Federzungen und radial vorstehenden Zähne eine Verbindung zwischen Topf und Reibring bewirkt. Die Herstellung des besagten Ringes ist jedoch sehr aufwendig und bedarf mehrerer Verfahrensschritte wie Stanzen und Biegen sowie gegebenenfalls Schweißen.

In der US 4 273 218 wird eine Verschraubung zwischen einem Topf und einem Reibring vorgeschlagen, wobei die Verschraubungsbohrungen in radialer Richtung federnd gelagert sind. Nachteil dieser Anordnung ist die an sich teure Verschraubungsanordnung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bremsscheibe mit getrenntem Topf und Halteteil derart auszugestalten, dass eine formschlüssige Kraftübertragung zwischen Halteteil und Reibring gewährleistet wird, die Kerbwirkung auf die Komponenten reduziert wird und eine vereinfachte Montage sowie vereinfachte Herstellung der Komponenten möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Nach dem erfindungsgemäßen Anspruch 1 stehen ein Halteteil und ein Reibring durch einen Verbindungsring miteinander in Verbindung. Der Verbindungsring greift über Biegebalken an seinem äußeren Umfangsbereich in den Reibring formschlüssig ein. Thermische Ausdehnungen während des Betriebs der Bremsscheibe werden durch die Biegebalken kompensiert.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der äußere Umfang des Verbindungsrings, an dem die Biegebalken angeordnet sind, größer ist, als der innere Umfang des Reibrings. Somit sind die Biegebalken unter Vorspannung und es wird ein spielfreier Formschluss während des gesamten Betriebs gewährleistet.

Der Verbindungsring ist z. B. durch Feinstanzen kostengünstig herstellbar. Dies gilt für eine einteilige Ausgestaltung und falls es die Konstruktion der Bremsscheibe erfordert, für eine mehrteilige Ausgestaltung des Verbindungsrings.

Der Verbindungsring weist Ausnehmungen auf die ausgehend von den Biegebalken radial nach innen im Verbindungsring angeordnet sind. Die Ausnehmungen gewährleisten eine ausreichende Auslenkung der Biegebalken, tragen zur Gewichtsreduk tion bei und können durch ihre Ausgestaltung (z. B. 8-förmig) zur Festigkeit und Biegesteifigkeit des Verbindungsrings beitragen.

Der Verbindungsring weist zu jeder Ausnehmung zwei Biegebalken auf. Dies ist realisiert, in dem die Ausnehmung bezüglich des äußeren Umfangs einen Schlitz aufweist, wodurch die zwei Biegebalken gebildet werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass zwei oder mehrere Biegbalken in dieselbe Umfangsrichtung zeigen.

Die Biegebalken können je nach Konstruktion der Bremsscheibe und je nach Belastung symmetrisch oder asymmetrisch ausgestaltet sein.

Die Ausnehmungen können derart angeordnet sein, dass sie eine Abfuhr der Luft gewährleisten, die durch Kühlkanäle des Reibrings gefördert wird. Diese Luft ist bei hoher Beanspruchung der Bremsscheibe stark erhitzt. Indem sie durch die Ausnehmungen abgeleitet wird, wird die Wärmebelastung des Halteteils reduziert.

Die Biegebalken weisen bevorzugt zahnartige Formschlusselemente in Richtung des Reibrings auf, die in Nuten oder ähnliche Vertiefungen des Reibrings eingreifen. So wird ein guter Formschluss erzielt, durch den auch eine axiale Kraftübertragung erfolgt.

Eine axiale Sicherung des Halteteils und des Reibrings kann ebenfalls über den erfindungsgemäßen Verbindungsring erfolgen, wenn die Vertiefungen oder Nuten im Reibring axial versperrt sind. Sollte dies aus konstruktiven Gründen nicht möglich sein, kann die axiale Sicherung durch zusätzliche Sicherungselemente wie z. B. durch einen Sicherungsring erfolgen.

Die erfindungsgemäße Bremsscheibe ist in vorteilhafter Weise auf vergleichsweise spröde Reibring-Werkstoffe anzuwenden.

Dies gilt insbesondere für Keramiken, bevorzugt keramische oder keramisch-intermetallische oder keramisch-metallische Verbundwerkstoffe. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf C/SiC-Basis sind ebenfalls als Reibringwerkstoffe vorteilhaft.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind durch die folgenden Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Bremsscheibe mit einem Halteteil, einem Reibring und einem Verbindungsring,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Verbindungsrings,
2a das Detail IIa aus 2,
3 eine dreidimensionale Ansicht eines Verbindungsrings mit symmetrischen Biegebalken,
4 eine dreidimensionale Ansicht eines Verbindungsrings mit asymmetrischen Biegebalken.
In 1 ist eine Bremsscheibe 1 dargestellt, die ein Halteteil 3, einen Reibring 5 und einen Verbindungsring 7 umfasst. Der Verbindungsring 7 verbindet das Halteteil 3 und den Reibring 5, in dem er durch Biegebalken 9 in einen inneren Umfang 10 des Reibrings 5 eingreift. Hierbei ist der äußere Umfang 11 (2) des Verbindungsrings 7 größer als der innere Umfang 10 des Reibrings 5.
Diese Anordnung ermöglicht eine rotationssymmetrische Wärmeausdehnung aller Komponenten, des Halteteils 3, des Verbindungsrings 7 und des Reibrings 5. Ferner wird auch bei einem elastischen Dehnungsausgleich einerseits die Zentrierung des Reibrings 5 erhalten und die Schirmung (axiale Krümmung auf Grund thermischer Ausdehnung) minimiert.
2 zeigt eine Darstellung des Verbindungsrings 7. Der äußere Umfang 11 des Verbindungsrings 7 weist jeweils zwischen einem Paar Biegebalken 9 Vertiefungen 12 auf. Die Biegebalken 9 werden bei der Montage des Verbindungsrings 7 zusammengedrückt. In diesem Zustand ist der Außenumfang 11 des Verbindungsrings 7 geringfügig kleiner als der Innenumfang 10 des Reibrings 5, was auf die eingedrückten Biegebalken 9 und den Vertiefungen 12 zurückzuführen ist. Der Verbindungsring 7 wird so in den inneren Umfang 10 des Reibrings 5 eingeführt. Zahnartige Formschlusselemente 17 an den Außenseiten der Biegebalken 9 schnappen in nicht näher dargestellte Nuten im Reibring 5 ein. Die Befestigung des Verbindungsrings 7 am Halteteil 3 erfolgt nach. fachmännischen Können und ist von der Konstruktion des Halteteils 3 abhängig. Sie kann z. B. aus einer übliche Welle-Naben-Verbindung bestehen oder durch eine einteilige Ausgestaltung des Halteteils 3 und des Verbindungsrings 7 realisiert werden.
Durch die Formschlusselemente 17 wird ein Drehmoment, insbesondere das Bremsmoment, das beim Bremsvorgang auftritt, vom Reibring 5 auf das Halteteil 3 übertragen. Die Formschlusselemente 17 wirken somit als tangentiale Sicherung zwischen Reibring 5 und Halteteil 3. Wärmeausdehnungen der Komponenten Reibring 5, Verbindungsring 7 und Halteteil 3 werden durch die Biegebalken 9 kompensiert. Es liegt stets eine formschlüssige Verbindung vor, die eine ausreichende Vorspannung in radialer Richtung aufweist, um eine spielfreie radiale Ausdehnung zu gewährleisten. Übertragungsflächen zwischen den zahnartigen Formschlusselementen 17 und den Nuten im Reibring 5 sind derart ausgestaltet, dass sie der kinematischen Bewegung beim Nachfedern des Verbindungsrings 7 folgen und somit eine spielfreie Drehmomentübertragung gewährleisten.
Die 2a zeigt eine vergrößerte Darstellung des Details IIa aus 2. Hierin sind die Biegebalken 9 in Verbindung mit Aussparungen 13 näher dargestellt. Die Aussparungen 13 liegen radial hinter den Biegebalken. In dem in 2 und 2a dargestellten Beispiel werden die Biegebalken 9 durch Schlitze 15 der Ausnehmungen 13 gebildet, die eine Öffnung des äußeren Umfangs 11 des Verbindungsrings 7 bilden.
Durch die Form der Ausnehmungen 13 (in diesem Beispiel 8-förmig) kann auf die Steifigkeit der Biegebalken 9 Einfluss genommen werden und diese auf die Anforderungen der Bremsscheibe angepasst werden. Weiterhin können abhängig vom Belastungsfall die Schenkel a, b der Biegebalken in 2a symmetrisch (a=b) oder asymmetrisch (a≠b) ausgestaltet sein. Beispiele hierfür sind in den 3 (symmetrische Biegebalken 9) und 4 (asymmetrische Biegebalken 9, 9') gegeben.
Die Ausnehmungen 13 können neben der Anpassung der Steifigkeit auch zur Luftdurchströmung genutzt werden. Die Fahrtluft kann von hier nicht dargestellten Innenbelüftungskanälen des Reibrings 5 über die Ausnehmungen 13 abfließen. Eine übermäßige Erwärmung des Halteteils 3, insbesondere bei einer Verwendung einer Radnabe als Halteteil 3, kann durch Abführung der Heißluft durch die Ausnehmungen 13 vermieden werden. Zudem stellen die Ausnehmungen 13 eine Unterbrechung des Wärmeflusses vom Reibring 5 zum Halteteil 3 dar.
Die axiale Sicherung zwischen Reibring 5 und Halteteil 3 erfolgt durch, hier nicht dargestellte Sicherungselemente, z. B. durch einen Sicherungsring in prinzipiell bekannter Weise. Ebenfalls ist es möglich, dass die Nuten oder Vertiefungen im Reibring, die die Formschlusselemente 17 der Biegebalken 9 aufnehmen, axial derart verschlossen sind, dass die einmal eingeschnappten Formschlusselemente 17 axial gesichert sind.
Als Material für den Reibring wird bevorzugt ein keramischer Verbundwerkstoff angewendet. Derartige Werkstoffe weisen eine hohe Verschleißbeständigkeit auf und sind gegenüber Eisenwerkstoffe höher temperaturbeständig. Weiterhin vorteilhaft an derartigen Werkstoffen ist die deutlich geringere Dichte gegenüber Eisenwerkstoffen, was zu einem deutlich leichtern Bremssystem beitragen kann.
Diese Werkstoffklasse weist jedoch ein spröderes Bruchverhalten auf als Eisenwerkstoffe. Dies wirkt sich wiederum negativ auf die Kerbempfindlichkeit. Die Kerbwirkung auf den Reibring wird durch den anmeldungsgemäßen Verbindungsring deutlich herabgesetzt.
Das Halteteil 3 kann grundsätzlich aus Aluminium ausgestaltet sein. Bei sehr hohen Temperaturbeanspruchungen ist ein Material auf Eisenbasis vorzuziehen. Das Halteteil 3 ist beispielsweise als Bremsscheibentopf ausgestaltet, es kann aber eine direkte Anbindung des Reibrings 5 an eine Radnabe erfolgen. In diesem Fall ist die Radnabe identisch mit dem Halteteil 3.

Claims

Bremsscheibe umfassend einen Reibring (5) und ein Halteteil (3), die durch einen Verbindungsring (7) miteinander in Verbindung stehen, der in einem äußeren Umfangsbereich (11) sich in Umfangsrichtung erstreckende Biegebalken (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass der Verbindungsring (7) ausgehend von den Biegebalken (9) in radialer Richtung nach innen Ausnehmungen (13) aufweist, wobei – jede Ausnehmung (13) zwei Biegebalken (9) aufweist, – die formschlüssig in den Reibring (5) eingreifen.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Umfang (11) des Verbindungsrings (7) größer ist als ein innerer Umfang des Reibrings (5).
Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsring (7) einteilig ausgestaltet ist oder aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt ist.
Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegebalken (9, 9') bezüglich der Ausnehmungen (13) symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (13) als Luftdurchlass zum Reibring (5) dienen.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegebalken (9) zahnartige Formschlusselemente (17) aufweisen, die formschlüssig in Vertiefungen des Reibrings (5) eingreifen.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil (3) und der Reibring (5) in axialer Richtung durch mindestens ein Sicherungselement gegen Verschieben gesichert sind.
Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (5) aus einem Keramik-Verbundwerkstoff besteht.