DE1775678A1

DE1775678A1 - Reibungswaerme erzeugendes Maschinenelement mit Waermespeicher

Info

Publication number: DE1775678A1
Application number: DE19681775678
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Laing
Original assignee: ACCESSAIR SA
Current assignee: ACCESSAIR SA
Priority date: 1967-09-18
Filing date: 1968-09-09
Publication date: 1971-11-18
Also published as: FR1579979A; DE1775678B2; DE1775678C3

Description

Dt. I. M. MAAS
DR. W. G. PFEIFFEI
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Reibungswärme erzeugendes Maschinen-

element mit wärmespeicher

Die Erfindung betrifft ein Intermittierend Reibungswärme erzeugendes Maschinenelement, insbesondere Bremse, Kupplung, Blnrtksksohelbe oder Werkzeug, das a) relativ zueinander bewegliche Teile, die, wenn sie in Eingriff miteinander kommen. Reibungswärme erzeugen, b) mindestens einen Körper, dessen Temperatur durch die Reibungswärme in sehr kurzem Zeltraum erhöht wird» und 0) Einrichtungen aufweist, durch welche dies« Warme während einer längeren Zeit diesem Körper wieder entzogen wird.

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Bremsen setzen Bremsleistung In Wärme um. Die Bremsarbelt 1st proportional der Anpresskraft multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten, der ReibgeschwindLgkeit und der Zeit. PUr dl· Bremsarbeit ist demnach die Oberfläche und damit die BaugrOBe und der Materialaufwand ohne Belang. Nur die bei der Energieumsetzung entstehende Wärme bestimmt den für eine Bremse notwendigen Bauaufwand, da oberhalb bestimmter Temperaturen dl« Materialien versagen. Die Bremstrommeln oder -scheiben müssen deshalb so dimensioniert werden, daß sie in der Lage sind, die bei einer Bremsung, z.B. der Abbremsung eines Flugzeuges, entstandene Wärmemenge zu speichern, denn die während der Bremsung erfolgende Wärmeabgabe durch Strahlung und Konvektion 1st In der Regel vernachlässigbar klein im Vergleich zur anfallenden Reibungswärme. Um die Wärmekapazität der Breaso möglichst gro6 auszulegen, verwendet man bei hoch belasteten Bremsen Metalle mit hoher spezifischer Wärme, z.B. Stahl mit einer spezifischen Wärme von 0,11 kcalAg C° anstelle des billigeren Graugusses } mit nur 0,031 koalAg C. Da der Wärmeinhalt bei gegebener oberer Temperaturgrenze mit der Masse multipliziert mit der spezifischen Wärme festliegt, wird die Masse von Bremstrommeln oder Bremsscheiben sehr groß. £s besteht das Bedürfnis, die Masse aller Bauelemente von Land-, Schienen- und Insbesondere Luftfahrzeugen möglichst niedrig zu halten. Dies gilt ftlr Bremsen im besonderen, da diese in der Regel mit dem sehnell rotierenden Laufrad eine Einheit bilden. Aus fahrdynaelschen Gründen soll aber das Gewicht dee relativ zum übrigen Fahr-

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zeug federnd aufgehängten Rades möglichst klein sein.

Die Erfindung besteht darin, dafl der wärmeaufnehmende Körper eine Wärmespeichermas&e enthält, die im festen Aggregatzustand vorliegt, die bei Erwärmung eine Phasenlinderung durch polymorphe Umwandlung oder übergang in flüssigen Aggregatzustand erfährt, und deren Umwandlungstemperatur unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur für das Maschinenelement liegt.

Die Erfindung schlägt also vor, anstelle von nur aus Metall bestehenden wärmeaufnehmanden Massen Warne Speichermassen zu verwenden, deren physikalische Umwandlungsenergie von einem physikalischen Zustand in einen anderen zur Aufnahme der anfallenden Breeewärme herangezogen werden kann. So nutzt die Erfindung beispielsweise die Schmelzwärme von Metallen oder nichtmetallischen Materlallen* wobei das Material so gewählt wird, dafl die Schmelztemperatur unterhalb- der höchstzulässigen Arbeite temperatur der Bremse liegt. Zuti Beispiel hat sich eine Mischung von Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid als vorteilhaft erwiesen. In Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis lassen sich Schmelzteeperaturen zwischen l80*C und 700°C erzielen. Die latente Wärme bei der Phasenänderung beträgt etwa 80 kcal/k«♦ Dazu kommt noch die zur Erwärmung der festen Substanz bis zur Phasenänderung erforderliche Wärmemenge von ca. 150hcal/Vg, so das mit einem Kilo der Wärmespeichermasse die gleiche Wärmemenge gespeichert werden kann wie mit 2,5 kg Stahlguß

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odir mit 10 kg Gußeisen bei gleichen Endtemperaturen. Vorzugsweise bei Luftfahrzeugen kommen auch wertvollere Substanzen wie Lithiumhydrid und Lithiumhydroxid in Frage. Bezogen auf Temperaturen von rund 69O*C ersetzt 1 kg der letztgenannten Speicheriaasse sogar 27 kg Stahlguß. Anstelle von festen Stoffen, die in den flüssigen Zustund übergehen, lassen sich vorteilhaft auch solche Stoffe verwenden, die in gleichbleibend fester Form bei Temperatursteigerung mehrere Phasen durchlaufen, bei denen sie Hydratationnenergie oder Uakristallisationswärme aufnehmen. Solche Mischungen sind bei» spieleweise KNO-, 4- NaNO, + NaNOg oder auch Na₀SO^ + NaF gegebenenfalls unter Beimischung von NaCl. Die grüßte Wärmespeicherung ermöglichen die Stoffe, bei denen sich nicht nur die umwandlung von einer Feststoffphase in eine andere, sondern außerdem die Schmelzwärme ausnutzen läßt. Dies 1st beispielsweise bei der letztgenannten Substanz der Fall.

Wäraespeiohernde Materialien, die unter Phasenumwandlung von fester in flüssige Form oder unter Umwandlung ihres Kristallgeftlges Wärme aufnehmen und dabei praktisch ihre Temperatur nicht ändern, sind bekannt. Die Erfindung besteht in der Anwendung solcher Speichermassen als Wärmepuffer in Reibungswärme erzeugenden Maschinenelernenten.

Als Wärmespeichermassen können für den erfindungsgemäßen Zweck Verwendung finden: niedrig schmelzende Metalleglerun-

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gen, z.B. eutektische Mischungen aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen aus einem großen Anteil Magnesium, einen kleineren Anteil Zink und ein*m noch kleineren Anteil Aluminium. Es kann weiter die Soliraelzwarme von Anhydriden^ von Basen oder Metallsalzen r.der der Hydrate von Metallsalzen oder nacheinander die Umkristaliisations-Enthalpie einer polyraorph umwandelbaren Speichtrmasse und die Schmelz-Enthalpie derselben oder einer anderen Masse ausgenutzt werden. Die Speichermasse kann weiter »uoh aus den eutektischen Mischungen von 2 oder 3 ^organischen Metallverbindungen bestehen.

Die konstruktive Lösung der Erfindung sieht Hohlräume Im Brentskörper vor, in denen sich außer der Speichersubstanz gut wärmeleitende Elemente z.B. Rippen befinden können. ErfIndungegemäß können solohe Elemente außerdem noch Stützfunktionen übernehmen. Die erflndungsgemäße Lösung der Vernichtung von Reibungsleistung läßt sieh In gleicher Welse vorteilhaft auch bei der Reibungskupplung einsetzen. Dies ist von besonderer Bedeutung bei Schaltkupplungen z.B. bei Lastheb·- oder Landwirtschaftsnasdhlnen.

Anhand der Figuren soll die Erfindung weiter erläutert werden. Figur 1 zeigt die Scheibe einer Scheibenbremse in teilweise aufgeschnittener Antlcht sowie In Schnitt. Die Bremsscheibe besteht aus zwei Gehäusehälften 1, dl· an (Anfang 2 miteinander verschweißt sind. In Hohlraum 3 1st

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ein Blechstreifen 4 spirally eingelegt und durch Wellblech* streifen 5 radial auf Distanz fehalten. Diese Streifen 5 sind vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material z.B. K'.pfer gefertigt und Übernehmen die Punktion der Wärmeleitung zwischen den Gehäueehälften 1 und der Im Hohlraum 2 eingefüllten Speichernasse. Zur Verbesserung des Wärme-Übergangs können diese Streifen mit den Gehäitaehälften 1 W verlötet sein. Der Blechstreifen k dient außerdem zur Versteifung des Gehäuses, welches unter dem Einfluß der Reibklötze 6 axial gedrückt wird. Am Umfang können Kühlrippen 7 z.B. in Form von Axialgebläs"?sshaufeln angeordnet sein, die zur schnelleren Abfuhr der während der Bremsung gespeicherten Wärme dienen.

Figur 2 zeigt eine Eisenbahn-Scheibenbremse wiederum in Ansicht und Schnitt. Mit der Nabe 20 sind die Bremsrlnge 21 und 22 über Speichen 2.3 verbunden. Zwischen den Bremsringen befindet sich ein ringförmiger Hohlraum 24, der mit einer Wfirmespeichermaase gefüllt 1st. Dieser ringförmige Hohlraum wird von annähernd radial verlaufenden Rohrer 25 durchsetzt. Durch diese Rohre strömt unter dem Einfluß der Fliehkraft die an der Nabe eintretende Luft gemäß Pfeil zu 27·

Figur 3 zeigt eine Automobl!bremstrommel Im Sohnitt. Die Trommel j50 trägt einen durch zwei Rollnähte aufgeschweißten

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Ring 31. In dem Ringraum 32 ist die Speichermasse eingebracht. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sind kupferne manschettenf urnige Ringe 33 auf der Brems trommel aufgeschoben. Zur Vergrößerung der AbkUhlfläche sind ebenfalls manschettenföralge Ringe 3)4 an äußeren Umfang der Verkleidung; 31 angeordnet.

Figur 4 zeigt eine Reibungskupplung. Auf cas Schwungrad 40

eines Verbrennungsmotors 1st in gleicher Weise wie in Figur

3 beschrieben, ein ringförmiges Teil 41 aufgesetzt« welohe· " den Hohlraum 42 zur Unterbringung der Speichennasse bildet.

Erflndungsgemäfl können auch die beiden gegeneinander reibenden Maschinenelement« ηit eine« Wärmespeicher ausgerüstet sein. In diesem fall ware auch auf der Abtriebseite 43 ein alt Wärmespelohermasse gefüllter Ring vorgesehen.

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Claims

Patentansprüche

- Intermittierend Reibungswärme erzeugendes Maschinenelement, insbesondere Bremse, Kupplung« EinrUckscheibu oder Werkzeug«

W das a) relativ zueinander bewegliche Teile, die, wenn sie in Eingriff miteinander kommen, Reibungswärme erzeugen, b) mindestens einem Körper, dessen Temperatur durch die erzeugte Reibungswärme in sehr kurzem Zeitraum erhöht wird, und c) Einrichtungen aufweist, duroh welche diese Wärme ,während einer längeren Zelt diesem Körper wieder entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der die Reibungswärme aufnehmende Körper eine Wärmespeichermasse enthält, die im festen Aggregatzustand vorliegt, die bei Erwärmung eine

. Phasenänderung durch polymorphe Umwandlung cxier Übergang in flüssigen Aggregatzustand erfährt und deren Umwandlung«- temperatur unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur für das Maschinenelement liegt.
2. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermaterial in einem ringförmigen Hohlkörper untergebracht ist.

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3· Maschinenelement nach Annpruoh 1 orttr 2, dadurch gekennzeichnet, (IgS sich iii dem die SpeLchermaese aufnehmenden Hohraum metallische, vorzugsweise als Rippen ausgebildete Teile befinden, die zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen Speichennasse und Reibfläche dienen.

k. Maschinenelement nach Annpruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dafi als SpeichennasLe niedrig schmelzende Metalllegierungen Verwendung finden.

5. Maschinenelement naoh Anspruoh 4, dadurch gekennzeichnet, dae die Speiohermaase ein· eutektIsche Mlsohung aus Aluminium, Magnesium und Kupfer 1st.

6. Maschinen· lesrant naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dl· Speiohermaeee ein· Legierung aus einem großen Anteil Magnesium, eine« kleineren Anteil Zink und ·inaia nooh kleineren Anteil Aluminium ist.

7. Maschinenelement naoh Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß dl· Schmelzwärme von Anhydriden von Basen oder Metallsalzen Verwendung findet.

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8/Maschinenelement nach Äri3pruch 1 dadurch gekennzeichnet, da3 als Speicheraiasaen Hydrate von Metall salzen verwendet werdan.

9. Mafcohineneleinen fc naoh Anspruch 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, da3 die $>p<iiohermasse aus den eu;ekti sohen Mischun£en von zvoi oder drei anorganischen ™ Metallverbindungen benteht.

10. Maechinenelament nach Anspruch 1 und gegebenenfalls 8, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander die Umkristallisationsenthalple einer polymorph umwände1-baren Speichenuasse und die Schmelzenthalpie derselben oder einer anderen Masse ausgenutzt werden.

11. Als Scheibenbremse ausgebildetes Maschinenelement

\ nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, dafl diese au3 2 Scheiben abgebaut 1st (Pig. 1 und 2), die zwischen eich einen Rlngraum (Fig. 5t Poe. 24) einschließen.

12. Als Scheibenbremsen ausgebildetes Maschinenelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sioh in dem Ringraun O) eine Spirale (K) aus Metallband befindet.

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13. Alfi Scheibenbremse ausgebildetes Maschinenelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Distanzhaltung des Metallbandes und Verbesserung der Wärmeleitung ein wellenförmiges Spiralband, vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material, angeordnet ist.

Ik. Als Scheibenbremse ausgebildetes Maschinenelement nach Anspruoh 1 und 12 bzw. 13, dadurch gekennzeichnet, daß 2 Bänder in Form einer zweigängigen Spirale (4 und 5) vorgesehen sind, von denen das eine Band mit der einen Gehäusehälfte (1) und das 2. Band mit der anderen Oehäueehälfte gut wärmeleitend, z.B. durch Lötung oder Schweißung verbunden let.

15. Als Scheibenbremse ausgebildetes Maschinenelement

nach Anspruoh 11,dadurch gekennzeichnet, daß an der { Peripherie Kühlelernente (7), vorzugsweise als Axialgebläse wirkend angeordnet sind.

16. Als Scheibenbremse ausgebildetes Maschinenelement nach Anspruoh 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse in einem nicht bis zur Nabe relohenden Ringraum (24) angeordnet ist, der durdi RadialdurchbrUche (25) zum Zwecke der Ventilation durchbrochen ist.

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17. Maschinenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsfläche von einem Ringraum umgeben 1st, in welchem sich die Speichermasse befindet.

18. Maschinenelement nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet, daß beide miteinander in Reibschlufl gelangende Maschinenelemente Hohlräume aufweisen, die mit Wärmespeicherroasee gefüllt sind (Flg. 4).

19. Als Radbremse ausgebildetes Maschinenelement, insbesondere für Luftfahrzeuge, nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet, daß als Speiohermasse anorganische Lithiumverbindungen Verwendung finden.

20. Verfahren zum Einfüllen von Speichennassen nach einen der Ansprüche 4 bis 8 in dafür vorgesehene Hohlräume, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfüllen bei einer Temperatur erfolgt, die oberhalb der normalen Betriebstemperatur liegt.

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