DE19709178B4

DE19709178B4 - Bremsscheibenbefestigung

Info

Publication number: DE19709178B4
Application number: DE1997109178
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Lehmann; Helmut Ruppert; Manfred Gronemann; Klaus Funken
Original assignee: Faiveley Transport Witten GmbH
Current assignee: Faiveley Transport Witten GmbH
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: DE19709178A1

Abstract

Bremsscheibenbefestigung für Scheibenbremsen, insbesondere für Rad- oder Wellenbremsscheiben von Schienenfahrzeugen, mit einer sich radial erstreckenden Befestigungsfläche (6) zwischen einem Nabenflansch (5) der Wellenbremsscheibe oder des Rades und einem Reibringflansch (4) des Reibringes (R) und achsparallel angeordneten mindestens drei Schrauben (3) zum Verbinden und axialen Verspannen von Naben- und Reibringflansch (4, 5), dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Zentrierung des Reibringes (R) gegenüber der Nabe (N) einerseits durch Anordnung der Schrauben (3) im wesentlichen ohne Spiel in der Nabenbohrung (1) oder der Reibringbohrung (2) und andererseits durch teilweise Anlage der Schrauben (3) in der jeweils anderen Bohrung (Reibringbohrung (2) oder Nabenbohrung (1)) sich selbstständig einstellt,
b) wobei die Anlage der Schrauben (3) an einem Kreisbogenbereich der Reibringbohrung (2) oder der Nabenbohrung (1) durch einen Winkel α mit –60° ≤ α ≤ +60° bestimmt und der Winkel α durch die Verlängerung der Verbindungslinie durch den Schnittpunkt des Teilkreisdurchmessers (D_2min) mit jeweils...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bremsscheibenbefestigung, insbesondere für Rad- oder Wellenbremsscheiben von Schienenfahrzeugen mit einer sich radial erstreckenden Befestigungsfläche zwischen einem Nabenflansch der Wellenbremsscheibe oder des Rades und einem Reibringflansch des Reibringes und achsparallel angeordneten mindestens drei Schrauben zum Verbinden und axialen Verspannen von Naben- und Reibringflansch.
Bei den Bremsscheibenbefestigungen besteht das Problem, dass der Reibring sich infolge Erwärmung während der Bremsvorgänge ausdehnt, während der Nabenkörper sich im Vergleich dazu nicht oder nur unwesentlich dehnt. Zur Aufnahme bzw. zum Ausgleich der zwischen Reibring und Nabenkörper auftretenden Wärmedehnungen ist z. B. aus der DE 21 33 235 B2 für eine Radkörper-Bremsscheibe bekannt, dass zumindest einige Schrauben, mit denen die Reibringe an der Radscheibe befestigt sind, mit einer elastischen Spannhülse in ihren Bohrungen angeordnet sind. Diese Spannhülsen übernehmen sowohl die Zentrierung während der Montage als auch den Ausgleich der unterschiedlichen Wärmedehnungen.
Aus der DE 42 11 868 A1 ist bekannt, dass der Reibring im kalten bzw. Einbauzustand auf dem Nabenkörper zentriert ist, wobei zusätzlich elastische Zentrierringe zur Erleichterung der Montage dienen, die bei Erwärmung sich zersetzen und sich dadurch selbsttätig während des Betriebes entfernen.
Aus der EP 0 589 408 B1 ist eine Vorrichtung zum Zentrieren und Drehsichern einer Wellenbremsscheibe eines Schienenfahrzeuges bekannt, mit einem auf einer Welle befestigten Nabenkörper, an dem der Reibring der Wellenbremsscheibe mittels Schraubverbindungen mit Spiel verschraubt ist, wobei sich vom Nabenkörper auf einen Teilkreis unter Winkelabstand zueinander mindestens zwei Zentrier- und Drehsicherungselemente erstrecken, welche in Ausnehmun gen am Innenumfang des Reibrings der Wellenbremsscheibe geführt sind, derart, dass sie gegenüber den Ausnehmungen radiales Spiel besitzen und auf ihrem Teilkreis wenigstens einen Punkt der Innenwand der Ausnehmungen berühren. Hierbei ist vorgesehen, dass sich mindestens zwei Zentrier- und Drehsicherungselemente vom Nabenkörper auf einem Teilkreis unter Winkelabstand zueinander erstrecken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Bremsscheibenbefestigung vorzuschlagen, die ohne eine innere Kaltzentrierung und ohne zusätzliche elastische Zentrierelemente wie z. B. Spannhülsen und Drehsicherungselemente auskommt.
Eine Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 wiedergegeben. Die Unteransprüche 2 bis 4 enthalten sinnvolle ergänzende Ausführungsformen.
Die erfindungsgemäße Bremsscheibenbefestigung verzichtet sowohl auf die bearbeitungstechnisch aufwendige innere Kaltzentrierung als auch auf die zusätzlichen elastischen Zentrierelemente wie z. B. Spannhülsen. Stattdessen stellt sich durch Anwendung der Kombination der Merkmale a) bis e) selbständig eine Zentrierung des Reibringes gegenüber der Nabe ein. Die Schrauben liegen während des laufenden Betriebes jeweils nur teilweise an der entsprechenden Reibringbohrung oder Nabenbohrung an, in der die Schrauben mit ausreichendem Spiel angeordnet sind. Die jeweils andere Bohrung besitzt im Wesentlichen kein Spiel. Wenn während des Bremsvorganges der Reibring aufgrund der Erhitzung sich dehnt und eine Relativbewegung gegenüber der Nabe ausführt ist, durch die Dimensionierung der Bremsscheibenbefestigung die Anlage der Schrauben auf einen Kreisbogenbereich mit einem Winkel α mit –60° ≤ α ≤ +60° begrenzt. Gleichzeitig ist gemäß Merkmal c) festgelegt, dass im Montagezustand, das heisst im kalten Zustand, ein bestimmtes Verhältnis der Teilkreisdurchmesser, der Mittelachsen, der Reibringbohrungen und der Nabenbohrung besteht. Gemäß Merkmal d) ist dieses Verhältnis der beiden Teilkreisdurchmesser abhängig von der vorgesehenen maximalen Betriebstemperatur des Reib ringes und dem materialbedingten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Reibringes.
In Merkmal e) ist weiterhin eine besonders zweckmäßige Bedingung angegeben, damit sich die Zentrierung zwischen Reibring und Nabe möglichst optimal selbstständig einstellt.
Es hat sich als günstig erwiesen, gemäß Patentanspruch 2, im Montagezustand bereits eine genau definierte axiale Vorspannkraft der Schrauben vorzugeben, in Abhängigkeit von der im Betriebszustand zu erwartenden Reibschlusshaftkraft zwischen Nabenflansch und Reibringflansch, der durch das zu erwartende maximale Bremsmoment erzeugten Tangentialkraft und der sich infolge der Wärmedehnung aufbauenden Dehnkraft. Vorteilhaft ist es, wenn die Reibschlusshaftkraft etwa doppelt so groß ist wie die Tangentialkraft.
Erfindungsgemäß werden also die Bohrungen für den Reibring und die Nabe in Abhängigkeit von den Schrauben in Teilkreis und Durchmesser so dimensioniert, dass sich der Reibring ohne Behinderung ausdehnen kann, sich aber andererseits immer selbsttätig zentriert. Relativ geringe, durch das Bremsmoment verursachte Kräfte – während gleichzeitiger radialer Wärmeausdehnung – führen dazu, dass die mindestens drei Schrauben zum Verbinden und axialen Verspannen von Naben- und Reibringflasch immer an einer bestimmten Stelle anliegen und damit fixiert sind. Diese Anlage bewirkt, dass Reibring und Nabe während der Bremsung zentriert sind. Die Dimensionierung der Schrauben, Bohrungen sowie der Teilkreise wird so vorgenommen, dass bei Erwärmung des Bremsringes auf maximale Anwendungstemperatur sowie bei anschließender Abkühlung auf Mindesttemperatur die durch das Bremsmoment erzeugte Tangentialkraft und die sich infolge der Wärmedehnung aufbauende Kraft gleich oder größer ist als die über die Montage erzeugte Reibschlusshaftkraft zwischen Bremsring und Nabe.
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 3 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
1 im Schnitt die Verbindung zwischen Reibring und Nabe für eine Wellen bremsscheibe,
2 schematisch die Bewegung der Reibringbohrung 2 im Verhältnis zu den Schrauben 3 zwischen maximaler und minimaler Temperatur des Reibringes, und
3 entsprechend 1 einen Schnitt durch eine Radbremsscheibe am Rad
In den 1 und 3 ist mit N die Nabe der Wellenbremsscheibe oder des Rades und mit R jeweils der Reibring dargestellt. In 1 ist die Schraube 3, die auch ein Bolzen oder eine Hülse oder ein sonstiges Verbindungs- bzw. Führungselement sein kann, im wesentlichen ohne Spiel in der Nabenbohrung 1 des Nabenflansches 5 angeordnet, während die Schraube 3 in der Reibringbohrung 2 des Reibringflansches 4 in radialer Richtung mit größerem Spiel während des kalten Montagezustandes dargestellt ist. In 3 ist die Schraube 3 im wesentlichen ohne Spiel in der Reibringbohrung 2 des Reibringes R angeordnet, während sie in der Nabenbohrung 1 in radialer Richtung Spiel besitzt. Reibringflansch 4 und Nabenflansch 5 besitzen jeweils die in radialer Richtung sich erstreckende Berührungsebene 6. Im Montagezustand, der in den 1 und 3 dargestellt ist, ist weder am inneren noch am äußeren Umfang des Reibringes eine sogenannte Kaltzentrierung vorgesehen bzw. erforderlich. Durch diesen Verzicht auf Kaltzentrierung kann die spanende Bearbeitung wesentlich vereinfacht werden. In 2 ist die Reibringbohrung 2 in ihrer Anordnung bei der minimal zu erwartenden Temperatur des Reibringes T_min und bei einer maximalen Anwendungstemperatur des Reibringes T_max dargestellt. Zu diesen beiden Zuständen gehören entsprechende Teilkreisdurchmesser D_2max und D_2min der Mittelachsen M_2max und M_2min. D₁ ist der Teilkreisdurchmesser der Mittelachse M₁ der Nabenbohrung 1 bzw. der Schraube 3. D₂ ist der Teilkreisdurchmesser der Mittelachse M₂ der Reibringbohrung 2 im Montagezustand. Wie auch aus den 1 und 3 ersichtlich ist, ist im Montagezustand D₁ größer als D₂.
Aus 2 ist außerdem ersichtlich, in welchem Bereich die Schraube 3 während des Betriebes innerhalb der Reibringbohrung 2 anliegt. Dieser Bereich wird durch den Winkel α vorgegeben, der zwischen s. u. ±60°, vorzugsweise zwischen ±45° betragen soll. Dieser Winkel α wird bestimmt durch die Senkrechte zu D₂ und die Gerade, die durch M_2min und S_min bzw. M_2max und S_max sich erstreckt.

1: Nabenbohrung
2: Reibringbohrung
3: Schrauben, Bolzen, Hülsen oder sonstige Verbindungs- bzw. Führungselemente
4: Reibringflansch
5: Nabenflansch
6: Berührungsebene von 4 und 5
7: Scheibe
N: Nabe der Wellenbremsscheibe oder des Rades
R: Reibring
D₁: Teilkreisdurchmesser von M₁
D₂: Teilkreisdurchmesser zu M₂ im Montagezustand bzw. bei Raumtemperatur
D_2max: Teilkreisdurchmesser zu M_2max bei T_max
D_2min: Teilkreisdurchmesser zu M_2min bei T_min
M: Mittelachse von N
M₁: Mittelachse von 1 und 3
M₂: Mittelachse von 2 im Montagezustand bzw. bei Raumtemperatur
M_2max: Mittelachse von 2 bei T_max
M_2min: Mittelachse von 2 bei T_min
S, S_max, S_min: mittlerer Berührungspunkt zwischen 2 und 3 zwischen T_max bzw. T_min
α: Winkel zwischen der senkrechten zu D₂ und der Verbindungslinie M_2max mit S_max bzw. M_2min mit S_min
T_max, T_min: maximale bzw. minimale Temperatur des Reibringes
a: Wärmeausdehnungskoeffizient des Reibringes
F_V: Vorspannkraft von 3
F_D: Dehnkraft zwischen 4 und 5
F_T: Tangentialkraft
F_R: Reibschlußhaftkraft zwischen 4 und 5
K: Kelvin

Claims

Bremsscheibenbefestigung für Scheibenbremsen, insbesondere für Rad- oder Wellenbremsscheiben von Schienenfahrzeugen, mit einer sich radial erstreckenden Befestigungsfläche (6) zwischen einem Nabenflansch (5) der Wellenbremsscheibe oder des Rades und einem Reibringflansch (4) des Reibringes (R) und achsparallel angeordneten mindestens drei Schrauben (3) zum Verbinden und axialen Verspannen von Naben- und Reibringflansch (4, 5), dadurch gekennzeichnet, a) dass die Zentrierung des Reibringes (R) gegenüber der Nabe (N) einerseits durch Anordnung der Schrauben (3) im wesentlichen ohne Spiel in der Nabenbohrung (1) oder der Reibringbohrung (2) und andererseits durch teilweise Anlage der Schrauben (3) in der jeweils anderen Bohrung (Reibringbohrung (2) oder Nabenbohrung (1)) sich selbstständig einstellt, b) wobei die Anlage der Schrauben (3) an einem Kreisbogenbereich der Reibringbohrung (2) oder der Nabenbohrung (1) durch einen Winkel α mit –60° ≤ α ≤ +60° bestimmt und der Winkel α durch die Verlängerung der Verbindungslinie durch den Schnittpunkt des Teilkreisdurchmessers (D_2min) mit jeweils der radial verlaufenden Mittellinie der Reibringbohrung in Mittelstellung (M_2min–M_2max) und dem Schnittpunkt (M₁) der radialen Mittellinie der Schraube (3) mit dem mittleren Teilkreis (D₁) selbst gebildet wird, c) dass der Teilkreisdurchmesser (D₂) der Mittelachsen (M₂) der Reibringbohrungen (2), im Montagezustand kleiner ist als der Teilkreisdurchmesser (D₁) der Mittelachsen (M₁) der Naben bohrungen (1) oder der Nabenbohrungen (1) größer als der Teilkreisdurchmesser (D₁) der Reibringbohrungen (2), und d) im Montagezustand für das Verhältnis von Teilkreisdurchmesser (D₂) der Mittelachsen (M₂) zum Teilkreisdurchmesser (D₁) der Mittelachsen (M₁) folgendes gilt:
e) wobei die Zentrierung sich jeweils selbständig dadurch einstellt, dass der durch die axiale Vorspannkraft (F_V) der Schrauben (3) vorgegebene Reibschluss bei Erwärmen des Reibringes (R) durch die sich infolge Wärmedehnung aufbauende Dehnkraft (F_D) überwunden wird und der Reibring (R) sich unter der Wirkung von Dehnkraft (F_D) und Tangentialkraft (F_T), die sich aus dem Bremsmoment ergibt, soweit gegenüber der Nabe (N) der Wellenbremsscheibe oder des Rades verdreht bis die Schrauben (3) eine Zentrierung des Reibringes (R) gegenüber der Nabe (N) der Wellenbremsscheibe oder des Rades bewirken.
Bremsscheibenbefestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannkraft (F_V) der Schrauben (3) im Montagezustand so groß ist, dass die Reibschlusshaftkraft (F_R) zwischen dem Nabenflansch (5) und dem Reibringflansch (4) größer ist als die durch das Bremsmoment erzeugte Tangentialkraft (F_T) und gleichzeitig die Summe aus Tangentialkraft (F_R) und der sich in Folge der Wärmedehnung aufbauenden Dehnkraft (F_D) größer ist als die Reibschlusshaftkraft (F_R).
Bremsscheibenbefestigung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschlusshaftkraft (F_R) etwa doppelt so groß ist wie die Tangentialkraft (F_T).
Bremsscheibenbefestigung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α ≤ ±45°, d. h. –45° ≤ α ≤ 4,5° beträgt.