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Die
Erfindung betrifft eine geteilte Bremsscheibenanordnung mit einer
Bremsflächen
aufweisenden Bremsscheibe und einem Bremsscheibenträger, der
mit der Bremsscheibe drehfest verbunden und durch eine Schraubverbindung
fixiert ist, wobei der Bremsscheibenträger und die Bremsscheibe zur Kompensation
von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen
in Radialrichtung relativ zueinander bewegbar gelagert sind.
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Insbesondere
aus dem Motorsport und von Straßensportwagen
sind geteilte Bremsscheibenanordnungen bekannt, bei denen die Bremsscheibe aus
einem äußerst wärmefesten
und abriebfesten Material besteht, welches zum Beispiel einen Kohlefaser-Werkstoff
aufweist, und wobei der Bremsscheibenträger aus einem leichten Metall,
zum Beispiel Aluminium, gefertigt ist.
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Da
die Werkstoffe der Bremsscheibe und des Bremsscheibenträgers unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen und da die an der Bremsscheibenanordnung im Betrieb auftretenden Temperaturschwankungen
mehrere Hundert Grad Celsius aufweisen können, dehnen sich Bremsscheibe
und Bremsscheibenträger
im Betrieb unterschiedlich aus. Diese unterschiedliche Wärmeausdehnung
erfordert es, daß die
Verbindung zwischen Bremsscheibenträger und Bremsscheibe eine relative
Ausdehnung dieser beiden Teile zueinander gestattet.
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Hierzu
ist es entweder möglich,
den Bremsscheibenträger
schwimmend an der Bremsscheibe oder die Bremsscheibe schwimmend
am Bremsscheibenträger
zu befestigen. Diese beiden bekannten Maßnahmen sind in den 3a, 3b und 4 dargestellt.
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Die 3a und 3b zeigen
eine bekannte, um eine Drehachse A rotierbare geteilte Bremsscheibenanordnung 1 mit
einer schwimmenden Lagerung des Bremsscheibenträgers 2 an der Bremsscheibe 3,
wobei der Bremsscheibenträger 2 über seinen
Umfang mit U-förmigen
Radialausnehmungen 4 versehen ist, in welche jeweils eine
Gleitbuchse 5 radial verschiebbar eingesetzt ist. Eine
Schraube 6 ist durch eine Bohrung der Gleitbuchse 5 und durch
eine Bohrung in der Bremsscheibe 3 hindurchgeführt und
mittels einer Mutter 7 gegen die Bremsscheibe 3 verschraubt.
Die Gleitbuchse 5 weist einen Aufnahmeabschnitt 8 für den Bremsscheibenträger 2 auf,
der geringfügig
breiter ist, als die Dicke des Bremsscheibenträgers 2 (im kalten
Zustand), so daß hierdurch
ein Spiel 9 für
eine Axialausdehnung geschaffen wird.
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In
der in 4 dargestellten alternativen bekannten Ausführungsform
ist in der Bremsscheibe 3 ein sich radial erstreckendes
Langloch 4' zur
Aufnahme einer Gleitbuchse 5' vorgesehen.
Bei dieser Lösung
ist die radiale Relativbewegung zwischen Bremsscheibenträger 2 und
Bremsscheibe 3 durch das Langloch 4' in der Bremsscheibe 3 gewährleistet. Auch
hier ist der Aufnahmeabschnitt 8' der Führungsbuchse 5' für die Bremsscheibe 3 geringfügig größer als
die Dicke der Bremsscheibe 3 im Bereich des Langlochs 4' (im kalten
Zustand), so daß auch
hier ein Spiel 9' für eine axiale
Wärmeausdehnung
vorgesehen ist.
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Insbesondere
das zur axialen Wärmeausdehnung
vorgesehene Spiel führt
im Betrieb zu Verschleißerscheinungen,
da das Spiel im Betrieb nicht nur eine Wärmeausdehnung ermöglicht,
sondern außerdem
bei niedrigen Temperaturen eine Relativbewegung zwischen der Führungsbuchse 5 beziehungsweise 5' und dem Bremsscheibenträger 2 beziehungsweise
der Bremsscheibe 3 zuläßt.
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Die
DE 31 19 913 A1 offenbart
eine Bremsscheibenanordnung, bei der eine ringförmige Bremsscheibe zwischen
zwei mit konischen Flächen
versehene Spannringe eingeklemmt ist, wobei die Bremsscheibe im
Bereich ihres radial inneren Randes mit entsprechenden konischen
Flächen
versehen ist. Einer der Spannringe ist als dreiteiliger Nabenring
ausgebildet, der mit einem radial inneren Umfangsbund in eine Umfangsnut
einer Welle eingreift und die Bremsscheibenanordnung dadurch in
Axialrichtung festlegt. Die Festlegung in Umfangsrichtung erfolgt durch
Scheibenfedern, die den Nabenring, die Bremsscheibe und die zugehörige Welle
formschlüssig
miteinander verbinden.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße geteilte
Bremsscheibenanordnung anzugeben, die bei spielfreier oder im Spiel
zumindest deutlich reduzierter Verbindung zwischen dem Bremsscheibenträger und
der Bremsscheibe trotzdem eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zuläßt.
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Diese
Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das
Vorsehen von zumindest einer konischen Fläche im Bereich des Auflagers
der Schraubverbindung auf der Bremsscheibe führt dazu, daß bei einer
radialen Relativbewegung von Bremsscheibe und Bremsscheibenträger und
damit auch der Schraubverbindung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Bremsscheibe und Bremsscheibenträger das bremsscheibenseitige
Auflager der Schraubverbindung in Radialrichtung entlang der konischen
Fläche
wandert. Dadurch verändert
sich auch der axiale Abstand zwischen den Auflagern der Schraubverbindung,
so daß auch
die axiale Wärmeausdehnung
von Bremsscheibe und Bremsscheibenträger kompensiert wird. Die Vorspannung
der Schraubverbindung in Schraubenlängsrichtung bleibt damit auch
bei Wärmeausdehnung
konstant.
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Besonders
bevorzugt ist die konische Ausbildung des als Auflager für die Schraubverbindung
dienenden Bereichs der Bremsscheibe.
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Vorzugsweise
ist die Schraubverbindung durch eine Spannschraube gebildet, die
den Bremsscheibenträger
und die Bremsscheibe durchdringt. Bei dieser Ausgestaltung können sich
der Bremsscheibenträger
und die Bremsscheibe frei entlang des Schraubenschafts in Axialrichtung
bewegen.
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Weiter
vorzugsweise ist auf der vom Bremsscheibenträger axial abgewandten Seite
der Bremsscheibe ein Spannring vorgesehen und der Bremsscheibenträger ist
durch Spannschrauben mit dem Spannring verbunden, wobei die Bremsscheibe
zwischen dem Bremsscheibenträger
und dem Spannring eingespannt ist. Ein derartiger Spannring verteilt den
durch die Spannschrauben aufgebrachten Druck auf den vollen Umfang
des Bremsscheibenträgers und
reduziert so lokale Druckspitzen. Zudem unterliegt auch der Spannring
einer entsprechenden Radialausdehnung bei Erwärmung.
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In
bevorzugter Weise sind der Bremsscheibenträger, der Spannring und die
Schrauben aus demselben Material gefertigt. Dies hat den Vorteil, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient
dieser Teile derselbe ist, wodurch die wärmebedingte Ausdehnung von
Bremsscheibenträger,
Schrauben und Spannring eine Parallelverschiebung der Schraubverbindung
bei Erwärmung
beziehungsweise Abkühlung
bewirkt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Ausbildung einer konischen Ringfläche in jenem Bereich der Bremsscheibe
vorgesehen, auf dem der Spannring aufliegt. Durch die Verteilung des
vom Spannring auf die Bremsscheibe ausgeübten Drucks auf den gesamten
Umfangsbereich des Spannrings wird eine im wesentlichen gleiche
Flächenpressung zwischen
Spannring und konisch ausgebildetem Bereich der Bremsscheibe bewirkt,
so daß die
bei der Wärmeausdehnung
gewünschte
radiale Relativbewegung zwischen Spannring und Bremsscheibe möglichst
gleichmäßig und
ohne größere lokal
unterschiedliche Reibungswiderstände
erfolgt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann der Bereich des Spannrings, auf dem die Bremsscheibe aufliegt, auch
als konische Ringfläche
ausgebildet sein.
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Die
Neigung der konische Fläche
bezüglich der
Drehachse der Bremsscheibenanordnung ist vorzugsweise definiert
durch eine Verbindungsgerade zwischen dem Schnittpunkt der Berührungsebene von
Bremsscheibenträger
und Bremsscheibe mit der Drehachse und dem Schnittpunkt der Achse
der Spannschraube mit der konischen Fläche.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen geteilten
Bremsscheibenanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die Bremsscheibe
mit einer ersten radialen Stirnverzahnung ausgebildet ist, daß der Bremsscheibenträger mit
einer zweiten Stirnverzahnung ausgebildet ist und daß die erste
Stirnverzahnung und die zweite Stirnverzahnung ineinander greifen,
um ein Drehmoment von der Bremsscheibe auf den Bremsscheibenträger übertragen
zu können.
Durch diese Verzahnungsverbindung wird beim Bremsen eine optimale
Drehmomentübertragung
von der Bremsscheibe auf den Bremsscheibenträger erzielt, ohne daß die Schraubverbindung
Teil des Drehmomentflusses ist, so daß also keine Scherkräfte auf
die Schraubverbindung einwirken.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform ist die jeweilige
Stirnverzahnung eine Plan-Kerbverzahnung mit radial konisch verlaufenden
Zähnen.
Derartige Plan-Kerbverzahnungen sind als Hirth-Verzahnung oder als
Voith-Hirth-Verzahnung bekannt und beispielhaft bei Niemann (Niemann,
G.: Maschinenelemente Band I, 2. Auflage, Berlin, Heidelberg, New
York 1975, S. 381–383)
beschrieben. Bei dieser Art Verzahnung werden die bei miteinander
kämmenden
Verzahnungen zusammengefügten
Teile automatisch zentriert.
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Vorzugsweise
sind jeweils eine Mehrzahl von Zähnen
zu einem Blockzahn zusammengefaßt. Dieses
Vorsehen von großen
Blockzähnen
gegenüber
den bei einer klassischen Hirth-Verzahnung vorgesehenen Einzelzähnen vereinfacht
nicht nur die Fertigung und senkt damit die Fertigungskosten, sondern
erhöht
zudem die Festigkeit der Verzahnung gegenüber dem zu übertragenden Drehmoment.
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Dabei
ist es von besonderem Vorteil, wenn die Neigung der konischen Fläche bezüglich der Drehachse
der Bremsscheibenanordnung durch eine Verbindungsgerade zwischen
dem Mittelpunkt der miteinander kämmenden Stirnverzahnungen und dem
Schnittpunkt der Achse der Spannschraube mit der konischen Fläche definiert
ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert;
in dieser zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Bremsscheibenanordnung;
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2 eine
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bremsscheibenanordnung
in Richtung des Pfeils II in 1 mit teilweise
weggeschnittenem Bremsscheibenträger
und ohne Rad;
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3a einen
Längsschnitt
durch einen Ausschnitt einer teilbaren Bremsscheibenanordnung nach
dem Stand der Technik,
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3b eine
Seitenansicht der bekannten Bremsscheibenanordnung nach 3a in
Richtung des Pfeils IIIB und
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4 einen
Längsschnitt
durch einen Ausschnitt einer anderen bekannten geteilten Bremsscheibenanordnung.
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In 1 ist
eine in Radialrichtung achsparallel geschnittene Bremsscheibenanordnung 10 mit Bremsflächen 11 (2)
dargestellt. Die Bremsscheibenanordnung 10 ist als geteilte
Bremsscheibenanordnung mit einem Bremsscheibenträger 12 und einer Bremsscheibe 13 ausgebildet.
Die geteilte Bremsscheibenanordnung 10 ist durch den Bremsscheibenträger 12 an
einer Radnabe 14 zwischen dieser und einem Rad 15 befestigt.
Die Radnabe 14 und die Bremsscheibenanordnung 10 drehen
um eine gemeinsame Drehachse A.
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Der
Bremsscheibenträger 12 und
die Bremsscheibe 13 sind an den einander zugewandten Stirnseiten
jeweils mit einer Stirnverzahnung 33, 34 versehen,
die eine Wellenkupplung 30 bilden und als ringförmige Plan-Kerbverzahnung
ausgebildet sind, die weiter unten noch näher beschrieben werden wird. Über die
Wellenkupplung 30 stehen der Bremsscheibenträger 12 und
die Bremsscheibe 13 miteinander in drehfestem Eingriff,
wobei die als Plan-Kerbverzahnung ausgebildete Wellenkupplung 30 den Bremsscheibenträger 12 und
die Bremsscheibe 13 zueinander zentriert und eine radiale
Relativbewegung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen des Bremsscheibenträgers 12 und
der Bremsscheibe 13 zuläßt.
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Im
Bereich der ringförmigen
Stirnverzahnungen 33, 34 sind der Bremsscheibenträger 12 und
die Bremsscheibe 13 mit über den Umfang voneinander beabstandeten
achsparallelen Bohrungen 16, 17 zur Aufnahme jeweils
einer Spannschraube 19 versehen. Die Bohrungen 17 in
der Bremsscheibe 13 sind dabei als Langlöcher ausgebildet,
die sich in Radialrichtung ausdehnen.
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Auf
der von der Wellenkupplung 30 abgewandten Seite ist die
Bremsscheibe 13 mit einer konischen Fläche 18 versehen, die
ebenfalls ringförmig verläuft und
die die Dicke der Bremsscheibe 13 radial einwärts zur
Achse A hin verjüngt.
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Ein
Spannring 20 liegt mit einer angepaßt konischen Fläche 21 auf
der konischen Fläche 18 der Bremsscheibe 13 auf.
Der Spannring 20 ist mit einer der Anzahl der Bohrungen 16, 17 entsprechenden Anzahl
von Gewindebohrungen 22 versehen, in welche die Spannschrauben 19,
die sich mit ihrem Schraubenkopf im Bremsscheibenträger 12 abstützen, einschraubbar
sind. Eine Kontermutter 23 ist auf den aus der Gewindebohrung 22 des
Spannrings 20 heraustretenden Gewindeabschnitt der jeweiligen Spannschraube 19 aufgeschraubt,
um eine beim Festschrauben der Spannschraube 19 vorgegebene Vorspannung
in Schraubenlängsrichtung
zu fixieren. Die Bremsscheibe 13 ist auf diese Weise zwischen dem
Bremsscheibenträger 12 und
dem Spannring 20 eingespannt.
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Die
Neigung der konischen Flächen 18 und 21 bezüglich der
Drehachse A der Bremsscheibenanordnung 10 ist definiert
durch eine Verbindungsgerade V zwischen dem auf der Drehachse A
gelegenen Mittelpunkt M der als Plan-Kerbverzahnung ausgebildeten
Stirnverzahnung 33 der Bremsscheibe 13 und dem
Schnittpunkt W der Achse S der Spannschraube 19 mit der
konischen Fläche 18 beziehungsweise 21.
Die Achse S der Spannschraube 19 verläuft dabei durch den Mittelpunkt
der Bohrung 16 im Bremsscheibenträger 12 und durch den
Mittelpunkt der zugeordneten Gewindebohrung 22 im Spannring 20.
Die Verbindungsgerade V und die Drehachse A bestimmen so den Spitzenwinkel α des von
den konischen Flächen 18, 21 bestimmten
Konus'.
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Die
Stirnverzahnungen 33, 34 der Wellenkupplung 30 sind
jeweils auf der Basis einer sogenannten Hirth-Verzahnung oder Voith-Hirth-Verzahnung
ausgebildet. Dabei erstrecken sich die Zähne von dem auf der Drehachse
A gelegenen Mittelpunkt M strahlenförmig radial nach außen (2)
und sind konisch ausgebildet, so daß sie vom gemeinsamen Ursprung
im Mittelpunkt M radial nach außen
konisch verlaufen, also in Richtung der Drehachse A immer dicker
werden (1).
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Die
im gezeigten Beispiel vorgesehenen Stirnverzahnungen 33, 34 sind
jedoch nicht wie eine klassische Hirth-Verzahnung mit spitzen Zähnen versehen,
sondern jeweils als Blockverzahnung ausgebildet, wie an den einzelnen
abgeflachten Zähnen 31 und
Zahngründen 32 in 1 und
auch in 2 zu sehen ist. Diese Blockverzahnung
kann man sich vorstellen als Hirth-Verzahnung, bei der die spitzen Zähne und
die spitzen Zahngründe
jeweils abgeflacht sind.
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Aufgrund
des strahlenförmigen
radialen und konischen Verlaufs der Zähne 31 und der Zahngründe 32 der
Plan-Kerbverzahnung sind der Bremsscheibenträger 12 und die Bremsscheibe 13 im
montierten Zustand automatisch um die Drehachse A zentriert.
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Bremsscheibenanordnungen
erreichen beim Betrieb in Landfahrzeugen oder Luftfahrzeugen, oder auch
in stationären
Anwendungen, zum Teil sehr hohe Temperaturen (bei Rennwagen bis
zu 1.000°C Bremsflächentemperatur),
so daß nicht
unbedeutende Wärmeausdehnungen
der einzelnen Teile der Bremsscheibenanordnung 10 stattfinden.
Bestehen bei einer geteilten Bremsscheibenanordnung, wie im Fall
der Erfindung, die Bremsscheibe und der Bremsscheibenträger aus
unterschiedlichen Werkstoffen, so dehnen sie sich auch unterschiedlich
aus. Dabei kommt es zu einer Relativbewegung der ineinander kämmenden
Stirnverzahnungen 33, 34 der Wellenkupplung 30 in
Radialrichtung.
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Die
mit dieser Relativbewegung in Radialrichtung einhergehende Verschiebung
bewirkt ebenfalls eine Radialverschiebung der Spannschrauben 19 in
den Langlöchern 17.
Wenn, wie im vorliegenden Beispiel, der Bremsscheibenträger 12,
der Spannring 20 und die Spannschraube 19 aus
demselben Werkstoff gefertigt sind, so dehnt sich der Spannring 20 in
gleichem Maße
radial aus wie der Bremsscheibenträger 12, so daß die Achse
S der Spannschraube 19 bei der Radialverschiebung der Spannschraube 19 parallel
zur Drehachse A bleibt. Da sich dabei der Spannring 20 mit
seiner konischen Fläche 21 auf
der konischen Fläche 18 der
Bremsscheibe 13 radial auswärts bewegt, vergrößert sich der
Axialabstand zwischen dem Spannring 20 und dem Bremsscheibenträger 12.
Diese Abstandsvergrößerung entspricht
der Wärmeausdehnung
der Spannschrauben 19 in Axialrichtung, so daß die Vorspannung
innerhalb der jeweiligen Spannschraube 19 während der
wärmeausdehnungs-bedingten
Radialverlagerung konstant bleibt; es entsteht also kein unerwünschtes
Spiel, weder im warmen noch im kalten Zustand der Bremsscheibenanordnung 10.
Auf diese Weise wird eine über
einen großen
Temperaturbereich spielfreie Befestigung einer Bremsscheibe 13 an
einem Bremsscheibenträger 12 einer
geteilten Bremsscheibenanordnung 10 aus unterschiedlichen Werkstoffen
geschaffen.