DE19708696A1 - Scheibenbremse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Scheibenbremse für ein Kraftfahr­ zeug.

Nahezu alle modernen Personenwagen verfügen über hydraulische Hilfskraftbremsanlagen. Eine im allgemeinen über einen Vakuum­ bremskraftverstärker erzeugte Unterstützungskraft wirkt zusätz­ lich zu der durch den Fahrerfuß über die Pedalbetätigung er­ zeugten Kraft auf einen Tandemhauptbremszylinder, der die hy­ draulischen Radbremsen ansteuert. Dadurch werden im allgemeinen zwei Reibbeläge (Bremsbeläge) gegen eine Bremsscheibe gedrückt und durch die Reibung wird die Energie zwischen diesen Bautei­ len in Wärme umgesetzt.

Als Werkstoff für die Bremsscheibe wird üblicherweise eine Graugußlegierung verwendet, deren thermische Auslegungsgrenze bei ca. 700°C liegt. Oberhalb dieser Temperatur findet eine Ge­ fügeumwandlung mit der Folge einer bleibenden Schädigung der Bremsscheibe statt. Die Leistungsfähigkeit einer derartigen Grauguß-Bremsscheibe kann nur unter Beachtung dieser thermi­ schen Auslegungsgrenze über die Dimensionierung der Bremse oder eine größere Einrichtung zum Kühlen der Bremsen gesteigert wer­ den.

Aus dem Rennsport ist es bekannt, zum Erzielen einer höheren Leistungsfähigkeit von Scheibenbremsen Kohlenstoffe als Schei­ benwerkstoffe (Reibwerkstoffe) zu verwenden. Bei der Verwendung von Kohlenstoff- oder Keramikwerkstoffen als Reibmaterial der Bremsscheibe wird ein höherer Anteil der kinetischen Energie zwischen Bremsscheibe und Reibbelag in dem Belag umgesetzt.

Dies führt zum einen zu einer Erhöhung der Bremsscheibentempe­ ratur bis über 1000°C, andererseits jedoch auch zu einer Auf­ heizung der um die Scheibenbremse herum angeordneten hydrauli­ schen Betätigungseinrichtung und der in dieser enthaltenen Bremsflüssigkeit. Ein Überschreiten der zulässigen Grenztempe­ ratur der Bremsflüssigkeit kann jedoch zur Dampfblasenbildung und damit zum Totalausfall der Bremse führen.

Im Rennsport wird diesem Phänomen der Aufheizung durch eine Reihe aufwendiger Maßnahmen begegnet, wie beispielsweise die Verwendung von hochwertiger teurer Bremsflüssigkeit mit Naßsie­ detemperaturen oberhalb 250°C, den Einsatz sehr großer Kühlka­ näle zur Kühlung der Bremse, den Einsatz von wassergekühlten Bremssätteln, durch Aufspritzen von Wasser auf die Bremsscheibe und dergleichen. Derartig aufwendige Maßnahmen sind jedoch zum Einsatz bei Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen ungeeignet. Darüber hinaus weisen aus Kohlenstoff- und/oder Keramikwerk­ stoffen hergestellte Reibbeläge schlechte Kaltreibwerte auf und führen zu beispielsweise unter der Bezeichnung Rubbeln bekann­ ten Komfortproblemen und zu einem rauhen, holprigen Pedalgefühl für den Fahrer. Des weiteren sind aufgrund der höheren Wärme­ leitfähigkeit der Beläge verglichen mit aus organischen Mate­ rialien hergestellten Bremsbelägen zusätzliche Isolationen not­ wendig.

Aus der DE 195 11 287 A1 ist eine elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse für Kraftfahrzeuge bekannt. Diese Scheibenbremse umfaßt einen Bremssattel sowie eine an dem Sattel angeordnete Betätigungseinheit, welche einen Elektromotor aufweist, der un­ ter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes ein Betäti­ gungselement verstellt, mittels dessen einer von zwei im Brems­ sattel verschiebbar angeordneten Reibbelägen mit einer Brems­ scheibe in Eingriff gebracht wird. Die Stellkraft für die Brem­ se wird demnach von einem elektrisch ansteuerbaren Motor unter Erzeugung einer bestimmten Drehzahl und eines bestimmten Dreh­ momentes bereitgestellt und über ein Betätigungselement, bei­ spielsweise eine Spindel, direkt auf einen Reibbelag übertra­ gen, der durch die Bewegung der Spindel in eine die Bremsschei­ be beaufschlagende Position verstellt wird.

Neben einem erhöhten Gewicht durch den Elektromotor und das Un­ tersetzungsgetriebe haben elektromechanische Fahrzeugbremsen den Nachteil, daß sie bezüglich Querkräften und -momenten emp­ findlich sind. Derartige Querkräfte und -momente entstehen durch die thermische und mechanische Verformung der Bremse im Bremsbetrieb. Bei einer Scheibenbremse aus Grauguß- und Alumi­ niumwerkstoff tritt bei einer Erhöhung der Temperatur eine so­ genannte Schirmung auf, verursacht durch eine thermische, ra­ diale Ausdehnung, welche durch die feste Anbindung der Brems­ scheibe bzw. des Bremsscheibenrings am Bremsscheibentopf behin­ dert wird, wodurch zusätzlich eine axiale Verformung auftritt. Des weiteren treten Querkräfte aufgrund der Verformung des Bremsgehäuses durch die Kräfteübertragung auf. Die entstandenen Querkräfte werden über die Spindel in das Untersetzungsgetriebe geleitet, wo abhängig von der Getriebeart eine mehr oder weni­ ger große Reibung entsteht, verbunden mit einer Minderung des Wirkungsgrads. Um bei einer elektromechanischen Bremse eine möglichst momentenfreie Übertragung zwischen der Reibeinheit und dem Untersetzungsgetriebe zu erreichen, werden beispiels­ weise Druckstangen eingesetzt. Durch eine an der Reibringanbin­ dung an den Bremsscheibentopf vorgesehene Wärmedämmnut soll darüber hinaus die thermische Verformung der Bremse gering ge­ halten werden. Trotz diesen Maßnahmen unterliegt die bekannte elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse in nachteiliger Weise der durch Querkräfte verursachten Wirkungsgradminderung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Scheibenbremse für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem die vorstehend erläuter­ ten Nachteile bestehender Scheibenbremsen ausgeräumt sind. Ins­ besondere soll eine Scheibenbremse bereitgestellt werden, die über eine höhere Temperaturgrenze verfügt und somit im Hochlei­ stungsbereich einsetzbar ist, die jedoch keine zusätzlichen, aufwendigen Kühlungsmaßnahmen benötigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Scheibenbremse für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruches vorgeschla­ gen. Erfindungsgemäß umfaßt die Scheibenbremse zwei innerhalb eines Bremssattels angeordnete Reibbeläge, die mittels eines auf mindestens einen der Reibbeläge einwirkenden Elektromotors mit einer Bremsscheibe in Eingriff bringbar sind, wobei die Reibbeläge aus einem Reibwerkstoff aus der Gruppe der Kohlen­ stoffwerkstoffe und/oder aus der Gruppe der Keramikwerkstoffe gefertigt sind. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Koh­ lenstoff- und/oder Keramikwerkstoffen für die Reibbeläge ergibt sich eine hohe thermische Belastung von über 1000°C, ohne daß ein Reibwertabfall über der Temperatur (Fading) feststellbar wäre. Des weiteren verfügen die genannten Werkstoffe über einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizient, so daß praktisch keine Schirmung auftritt. Außerdem unterliegen sie nur einem geringen Verschleiß und weisen ein geringes Gewicht auf. Durch die elek­ tromechanische Betätigung der erfindungsgemäßen Scheibenbremse wird eine sogenannte trockene, umweltfreundliche Bremse mit ge­ ringem Montage- und Wartungsaufwand bereitgestellt, die auf­ grund der direkten elektrischen Betätigung eine Systemansteue­ rung wie ABS, FDR, ASR und dergleichen ermöglicht, ohne daß zu­ sätzliche Hardware vorzusehen ist.

Durch die erfindungsgemäße Kombination von aus dem Rennsport bekannten Bremsbelagwerkstoffen mit einer elektromechanisch be­ tätigbaren Scheibenbremse werden darüber hinaus aus sogenannten Synergie-Effekten resultierende Vorteile erzielt, die nicht oh­ ne weiteres vorhersehbar waren. So verfügt die erfindungsgemäße Scheibenbremse über einen hohen Wirkungsgrad, da durch die Ver­ wendung der genannten Werkstoffe die Ausdehnung vernachlässig­ bar gering ist und somit keine für die elektromechanische Betä­ tigungseinheit nachteiligen Querkräfte und -momente auftreten. Andererseits kann das Temperaturpotential der Reibwerkstoffe ausgeschöpft werden, da aufgrund der Abwesenheit einer hydrau­ lischen Betätigungseinheit die Gefahr des Totalausfalls der Bremse aufgrund von Dampfblasenbildung ausgeschlossen ist. Er­ findungsgemäß ist somit eine hohe thermische Belastung der Scheibenbremse möglich. Das zusätzliche Gewicht des Elektromo­ tors und des Untersetzungsgetriebes wird durch das geringere Gewicht der Reibbeläge ausgeglichen. Der schlechte Kaltreibwert des Reibwerkstoffes kann im Zusammenspiel mit der elektromecha­ nischen Betätigungseinheit regelungstechnisch ausgeglichen wer­ den, ebenso wie die vorstehend erwähnten Komfortprobleme (Rub­ beln). Da das Pedalgefühl für den Fahrer durch einen mit der elektromechanischen Betätigungseinheit zusammenwirkenden Pedal­ wegsimulator einstellbar ist, wird die Rauhigkeit des Reibwerk­ stoffes nicht übertragen. Insgesamt steht mit der erfindungsge­ mäßen Scheibenbremse aufgrund des geringen Verschleißes des Reibwerkstoffes und dem geringen Wartungsbedarf der sogenannten "trockenen" Bremse (kein Wechsel der Bremsflüssigkeit) eine Bremse mit einer hohen Gesamtlebensdauer zur Verfügung.

In Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens der in Eingriff mit den Reibbelägen bringbare Abschnitt der Bremsscheibe aus einem Reibwerkstoff aus der Gruppe der Kohlenstoffwerkstoffe und/oder aus der Gruppe der Keramikwerkstoffe gefertigt. Die erfindungsgemäße Scheibenbremse ist somit als Teilbelagschei­ benbremse oder als Vollbelagscheibenbremse unter Verbesserung der durch die vorstehend erwähnten Synergie-Effekte bewirkten Vorteile ausführbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der in Eingriff mit den Reibbelägen bringbare Abschnitt der Bremsscheibe aus dem gleichen Reibwerkstoff wie die Reibbeläge gefertigt. Dadurch werden die durch die Synergie-Effekte hervorgerufenen Wirkungen weiter verbessert.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmeleit­ fähigkeit des Reibwerkstoffes für die Reibbeläge und/oder den in Eingriff mit den Reibbelägen bringbaren Abschnitt der Brems­ scheibe größer als Wärmeleitfähigkeit von organischen Bremsbe­ lagmaterialien.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Ausdehnungskoeffizient des Reibwerkstoffes für die Reibbeläge und/oder den in Eingriff mit den Reibbelägen bringbaren Abschnitt der Bremsscheibe klei­ ner als 10^-5 K^-1.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wirkt der Elektromotor mittels einer linear verschiebbaren Spindel auf mindestens ei­ nen der Reibbeläge ein.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Scheibenbremse für ein Kraftfahrzeug, die als Teil­ belagscheibenbremse ausgestaltet ist.

Die erfindungsgemäße Scheibenbremse umfaßt zwei innerhalb eines Bremssattels 1 angeordnete Reibbeläge 2, 3. Der in der Figur dargestellte Bremssattel 1 ist vom Typ des Faustsattels. Die erfindungsgemäße Scheibenbremse ist jedoch auch mit anderen Satteltypen ausführbar, beispielsweise mit einem Schwimmrahmen­ sattel oder einem Festsattel.

Die erfindungsgemäße Scheibenbremse umfaßt des weiteren eine Bremsscheibe 4, 5, die einen Bremsscheibentopf 4 und einen an dem Bremsscheibentopf 4 über eine Anbindung 9 befestigten Reib­ ring 5 umfaßt. Der Reibring 5 erstreckt sich zwischen die Reib­ beläge 2, 3, die axial beiderseits des Reibrings 5 einander ge­ genüberliegend angeordnet sind.

Der Bremssattel 1 beherbergt des weiteren einen Elektromotor 6 und ein dem Elektromotor 6 zugeordnetes Untersetzungsgetriebe 7, über welches eine Spindel 8 linear verstellbar ist.

Die Spindel 8 liegt direkt an dem in der Figur rechter Hand des Reibrings 5 angeordneten Reibbelag 3 an. In Ruhestellung der Scheibenbremse ist zwischen dem Reibring 5 und den Reibbelägen 2, 3 ein geringes Luftspiel vorhanden.

Wird die Spindel 8 durch den Elektromotor 6 über das Unterset­ zungsgetriebe 7 linear verstellt, so wird der Reibbelag 3 gegen den Reibring 5 gedrückt und über eine an sich bekannte ver­ schiebbare Lagerung des die Bremsscheibe übergreifenden Faust­ sattels wird der Reibbelag 2 ebenfalls gegen den Reibring 5 ge­ drückt, so daß beide Reibbeläge 2, 3 mit dem Reibring 5 in Ein­ griff gebracht werden.

Bei Drehung des Reibrings 5 wird dessen kinetische Energie in den Materialien der Reibbeläge 2, 3 und des Reibrings 5 in Wär­ meenergie umgewandelt. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Werkstoffen aus der Gruppe der Kohlenstoffwerkstoffe und/oder aus der Gruppe der Keramikwerkstoffe, beispielsweise faserverstärkter Kohlenstoffe, als Reibwerkstoff für die Reib­ beläge 2, 3 und den Reibring 5 können bei dieser Energieumwand­ lung beträchtliche Temperaturen von über 1000°C erreicht wer­ den. Da die Scheibenbremse erfindungsgemäß keine hydraulischen Betätigungseinrichtungen umfaßt, müssen zur Kühlung der Bremse keine besonderen Maßnahmen vorgesehen sein.

Vorteilhafterweise werden als Reibwerkstoffe Kohlenstoffwerk­ stoffe und/oder Keramikwerkstoffe mit einem Ausdehnungskoeffi­ zient α < 10^-5 K^-1 verwendet. Dies ist ein Ausdehnungskoeffizi­ ent, der deutlich kleiner ist als derjenige von üblicherweise verwendeten Graugußlegierungen.

Die erfindungsgemäße Scheibenbremse ist in vergleichsweise kom­ pakter Form ausführbar, sie erfordert nur geringen Montage- und Wartungsaufwand bei einer sehr langen Lebensdauer (geringer Verschleiß) und eignet sich als Scheibenbremse für Kraftfahr­ zeuge im Hochleistungsbereich, insbesondere bei schnellen Per­ sonenkraftwagen oder schweren Nutzfahrzeugen.

Claims (6)

1. Scheibenbremse für ein Kraftfahrzeug mit zwei innerhalb ei­ nes Bremssattels (1) angeordneten Reibbelägen (2, 3), die mit­ tels eines auf mindestens einen der Reibbeläge (2, 3) einwir­ kenden Elektromotors (6) mit einer Bremsscheibe (4, 5) in Ein­ griff bringbar sind, wobei die Reibbeläge (2, 3) aus einem Reibwerkstoff aus der Gruppe der Kohlenstoffwerkstoffe und/oder aus der Gruppe der Keramikwerkstoffe gefertigt sind.

2. Scheibenbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der in Eingriff mit den Reibbelägen (2, 3) bringbare Abschnitt der Bremsscheibe (4, 5) aus einem Reibwerkstoff aus der Gruppe der Kohlenstoffwerkstoffe und/oder aus der Gruppe der Keramikwerkstoffe gefertigt ist.

3. Scheibenbremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Eingriff mit den Reibbelägen (2, 3) bringbare Abschnitt der Bremsscheibe (4, 5) aus dem gleichen Reibwerkstoff wie die Reibbeläge (2, 3) gefertigt ist.

4. Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit des Reibwerkstoffes für die Reibbeläge (2, 3) und/oder des in Eingriff mit den Reibbelägen (2, 3) bringbaren Abschnitts der Bremsscheibe (4, 5) größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von organischen Brems­ belagmaterialien.

5. Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ausdehnungskoeffizient des Reibwerkstof­ fes für die Reibbeläge (2, 3) und/oder des in Eingriff mit den Reibbelägen (2, 3) bringbaren Abschnitts der Bremsscheibe (4, 5) kleiner als 10^-5 K^-1 ist.

6. Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Elektromotor (6) mittels einer linear verschiebbaren Spindel (8) auf mindestens einen der Reibbeläge (2, 3) einwirkt.