DE19822577A1 - Quwietschunempfindliche Bremsscheibe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für eine Bremsanlage mit mindestens einem Bremsträger, an dem die Bremsscheibe um eine Achse drehbar angebracht und an dem ein Bremssattel befestigt ist, in dem zwei Bremsbeläge so angeordnet sind, daß sie beim Bremsen von beiden Seiten gegen die Bremsscheibe gedrückt werden, auf der Störungen in Form von lokalen Änderungen der Masse und/oder der Steifigkeit der Bremsscheibe angeordnet sind, um ein Quietschen der Bremsanlage bei der kritischen Schwingungsform zu verhindern, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl und die Verteilung der Störungen auf der Bremsscheibe genau der Anzahl und der Verteilung der Schwingungsbäuche oder der Schwingungsknoten der kritischen Schwingungsform entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für eine Bremsanlage mit mindestens einem Bremsträger, an dem die Bremsscheibe um eine Achse drehbar angebracht und an dem ein Bremssattel befestigt ist, in dem zwei Bremsbeläge so angeordnet sind, daß sie beim Bremsen von beiden Seiten gegen die Bremsscheibe gedrückt werden, auf der Störungen in Form von lokalen Änderungen der Masse und/oder der Steifigkeit der Bremsscheibe angeordnet sind, um ein Quietschen der Bremsanlage bei einer kritischen Schwingungsform zu verhindern.

Unter Quietschen soll das Geräuschphänomen verstanden werden, das beim Bremsen mit einer Scheibenbremsanlage im Frequenzbereich oberhalb von 1 kHz auftreten kann. Um ein Quietschen der Bremsen zu verhindern, sind in der Vergangenheit zahlreiche Vorschläge gemacht worden. Beispielsweise ist vorgeschlagen worden, Zusatzmassen an den Bremssätteln anzubringen, unterschiedliche Belaggeometrien oder Belagqualitäten zu verwenden, die Abstützung der Beläge zu variieren, Dämpfungsbleche oder Regennuten vorzusehen, oder aber auch Tilger an Achsschenkeln anzubringen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 25 831 A1 ist eine Bremsscheibe mit einer vorgegebenen Dicke und einem vorgegebenen Durchmesser für eine Scheibenbremse beschrieben, mit deren äußerem Umfangsabschnitt zwei Bremsklötze in Reibeingriff gepreßt werden. Um das Auftreten von allen stehenden Wellen zu eliminieren, wird eine Bremsscheibe vorgeschlagen, bei der zwei äußere Umfangsabschnitte, die auf einer diametralen Linie angeordnet sind, eine geringere Steifigkeit bzw. Starrheit besitzen als der übrige äußere Umfangsabschnitt der Bremsscheibe. Bei der so verbesserten Bremsscheibe sollen zwei Knotenpunkte oder Gegenpunkte bei allen Vibrationsarten so fixiert sein, daß sie in die Bremsscheibe integriert mit dieser rotieren, und dadurch das Auftreten von stehenden Vibrationserscheinungen aller diametral gegenüberliegender Knotenpunkte zu verhindern.

Die bekannten Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, um das Problem des Bremsenquietschens zuverlässig zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bremsscheibe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die ein quietschfreies Bremsen ermöglicht.

Die Aufgabe ist bei einer Bremsscheibe für eine Bremsanlage mit mindestens einem Bremsträger, an dem die Bremsscheibe um eine Achse drehbar angebracht und an dem Bremssattel befestigt ist, in dem zwei Bremsbeläge so angeordnet sind, daß sie beim Bremsen von beiden Seiten gegen die Bremsscheibe gedrückt werden, auf der Störungen in Form von lokalen Änderungen der Masse und/oder der Steifigkeit der Bremsscheibe angeordnet sind, um ein Quietschen der Bremsanlage bei einer kritischen Schwingungsform zu verhindern, dadurch gelöst, daß die Anzahl und die Verteilung der Störungen auf der Bremsscheibe genau der Anzahl und der Verteilung der Schwingungsbäuche oder der Schwingungsknoten der kritischen Schwingungsform entsprechen. Dem Bremsenquietschen liegt eine Rückkopplung zwischen den reibenden Bremsbelägen und einem schwingenden System zugrunde, das von der Bremsscheibe, dem Bremssattel und der Achse gebildet wird. Eine besondere Bedeutung in diesem System kommt der Bremsscheibe zu, da deren Schwingungsformen die Rückkopplung verstärkt anfachen können. Aufgrund des rotationssymetrischen Aufbaus der Bremsscheibe weist das gesamte Schwingungssystem in jedem Winkelzustand des drehenden Rads konstante Schwingungseigenschaften auf. Insbesondere bleiben die Schwingungsformen und Resonanzfrequenzen unverändert. Der Rückkopplungsprozeß kann somit auf einen akustisch aktiven, stabilen Zustand einschwingen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die quietsch-kritische Eigenfrequenz des Systems (Bremsscheibe plus Bremssattel plus Achse) so verändert, daß ein Quietschen zuverlässig verhindert wird. Eine maximale Änderung dieser Eigenfrequenz (Frequenzhub) wird durch Anpassung der Anzahl und der Verteilung der Störstellen an die kritische Eigenschwingform erreicht.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Störungen räumlich auf einen möglichst kleinen Winkelbereich der Bremsscheibe konzentriert sind. Dadurch wird die Anzahl der Frequenzwechsel pro Umdrehung der Bremsscheibe maximiert. Damit wird eine maximale Änderungsrate der Eigenfrequenz über dem Drehwinkel der Bremsscheibe erreicht.

Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Bremsscheibe vorgesehene Kühlrippen an dem äußeren Umfang der Bremsscheibe verkürzt ausgebildet sind. Bei einer kritischen Schwingungsform mit n Schwingungsbäuchen oder n Schwingungsknoten sind n Verkürzungen von Kühlrippen gleichmäßig auf dem äußeren Umfang der Bremsscheibe verteilt.

Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Bohrungen auf einem Umfang der Bremsscheibe mit einem möglichst großen Radius gleichmäßig verteilt angebracht sind. Die Auswirkungen der Bohrungen auf das Schwingungsverhalten der Bremsscheibe sind umso größer, je weiter sie von der Achse entfernt sind.

Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sechs Störungen jeweils um einen Winkel von 60 Grad versetzt auf dem Umfang der Bremsscheibe verteilt angeordnet sind. Bei einer im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchung einer Bremsanlage wurde herausgefunden, daß die problematische Schwingungsform über den Umfang verteilt je sechs Schwingungsbäuche und Schwingungsknoten aufweist. Die optimale Konfiguration der Störungen auf der Bremsscheibe liegt dann bei insgesamt sechs Störungen, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln oder für sich in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Fig. 1 zeigt eine gebremste Bremsscheibe ohne Störstellen;

Fig. 2 zeigt die Darstellung der Resonanzfrequenz über der Winkelstellung der Bremsscheibe aus Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine gebremste Bremsscheibe mit zwei diametral gegenüberliegend angeordneten lokalen Störungen;

Fig. 4 zeigt die Auftragung der Resonanzfrequenz über der Winkelstellung der Bremsscheibe aus Fig. 3;

Fig. 5 zeigt eine gebremste Bremsscheibe mit optimierter Anzahl und Positionierung von Störungen;

Fig. 6 zeigt die Auftragung der Resonanzfrequenz über der Winkelstellung der Bremsscheibe aus Fig. 5;

Fig. 7 zeigt eine Noppenbremsscheibe mit Steifigkeitsminderungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind;

Fig. 8 zeigt eine Noppenbremsscheibe mit Steifigkeitssteigerungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind; und

Fig. 9 zeigt eine Noppenbremsscheibe mit Steifigkeitsminderungen und Steifigkeitssteigerungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.

In Fig. 1 ist eine Bremsscheibe 1 schematisch dargestellt. Die Bremsscheibe 1 ist in der Praxis mit einem Rad verbunden, das zu einem Fahrzeug gehört. In einem Bremssattel 2 befinden sich Bremsbeläge, die beim Bremsen gegen die Bremsscheibe 1 gedrückt werden. An der Bremsscheibe 1 ist eine Pfeil 3 als Markierung angebracht. In den Fig. 1a und 1b sind unterschiedliche Stellungen der Bremsscheibe 1 dargestellt. Bei der in Fig. 1b gezeigten Darstellung ist die Bremsscheibe 1 gegenüber der in der Fig. 1a gezeigten Stellung um einen Winkel α verdreht, der zwischen dem Pfeil 3 und einem Pfeil 4 angeordnet ist, der die Position des Pfeils 3 in der Fig. 1a wiedergibt. Die Schwingungen der Bremsscheibe 1 sind durch Kreisbögen mit unterschiedlichen Radien dargestellt, wobei sich bei 5 Schwingungsknoten und bei 6 Schwingungsbäuche befinden. Wie man in den Fig. 1a und 1b sieht, bleibt die Schwingform bei einer Drehung der Bremsscheibe 1 ortsfest erhalten.

In Fig. 2 ist die Resonanzfrequenz f₀ über der Winkelstellung W der Bremsscheibe 1 aus Fig. 1 aufgetragen. Wie man sieht, variiert die Resonanzfrequenz f₀ nur geringfügig mit der Winkelstellung W der Bremsscheibe 1.

In den Fig. 3a und 3b sind im Unterschied zu der Darstellung von Fig. 1 Störungen 7, 8 diametral gegenüberliegend auf der Bremsscheibe 1 angeordnet. In der Stellung der Bremsscheibe 1, die in Fig. 3a dargestellt ist, ist die Position der Störungen 7, 8 jeweils identisch mit einem Schwingungsknoten. Dabei hat die Resonanzfrequenz f₀ ein Minimum f_min. Bei der Stellung der Bremsscheibe 1, die in Fig. 3b dargestellt ist, ist die Position der Störungen 7, 8 identisch mit einem Schwingungsbauch. Dabei hat die Resonanzfrequenz f₀ ein Maximum f_max.

In Fig. 4 ist die Resonanzfrequenz f₀ über der Winkelstellung der Bremsscheibe 1 aus den Fig. 3a und 3b aufgetragen. Wie man sieht, variiert die Resonanzfrequenz f₀ periodisch zwischen f_min und f_max.

In Fig. 5a ist im Unterschied zu den Darstellungen der Fig. 1 und 3 an jedem Schwingungsknoten 5 jeweils eine Störung 11-16 angeordnet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird von folgenden Arbeitshypothesen ausgegangen:

• a) Beim Bremsenquietschen werden auf der Bremsscheibe 1 nur solche Schwingungsmodi angeregt, bei denen im Kontaktbereich von Bremsbelägen und Bremsscheibe 1 ein Schwingungsbauch auftritt (siehe Fig. 1a),
• b) beim Bremsenquietschen bleiben die auf der Bremsscheibe 1 angeregten Schwingungsmodi für einen äußeren Beobachter trotz sich drehender Bremsscheibe 1 ortsfest unverändert (siehe Fig. 1b),
• c) eine notwendige Voraussetzung für die Entstehung des Bremsenquietschens ist ein unverändertes Schwingungsverhalten des Bremssystems während der Rotation des Rads,
• d) aus der Arbeitshypothese c) ergibt sich als eine mögliche Forderung an eine quietschfreie Bremse, daß die Resonanzfrequenz f₀ einer geräuschverursachenden Schwingungsform des Bremssystems mit der Rotation des Rades moduliert wird.

Der Zweck einer Eigenfrequenzmodulation des Bremssystems bei einem rotierenden Rad besteht darin, die stationären Schwingungseigenschaften der Struktur für die Rückkopplung zwischen Anregung und Strukturanwort während des Quietschvorgangs zu stören.

Daher sollte:

• a) eine möglichst hohe Änderungsrate und
• b) eine möglichst große Änderung

der Eigenfrequenz bei einem rotierenden Rad angestrebt werden. Die Bedingung i) wird optimal erfüllt, wenn eine herkömmliche Bremsscheibe mit möglichst lokalen Störungen versehen wird. Diese Störungen können entweder durch ein geringfügiges Einfräsen von Kühlrippen in radialer Richtung oder Aufbohren von axialen Lüftungslöchern erreicht werden. Dabei bedeutet "lokal", daß die jeweilige Störung auf einen Winkelbereich der Bremsscheibe konzentriert wird, der deutlich kleiner ist, als der Winkelbereich zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten der geräuschverursachenden Schwingungsform.

Da die Schwingungsform bei einer rotierenden Bremsscheibe ortsfest bleibt, tastet eine lokale Störung auf der sich drehenden Bremsscheibe das Schwingungsprofil von Knoten und Bäuchen über dem Drehwinkel der Bremsscheibe ab. Im Falle einer Überdeckung von einer Störung und einem Schwingungsbauch wirkt sich die Störung mit einer maximalen, bei der Überdeckung mit einem Schwingungsknoten mit einer minimalen Verschiebung der Eigenfrequenz aus.

Die Bedingung ii) wird optimal erfüllt, wenn die Anzahl und die Verteilung der Störungen über dem Winkelbereich der Bremsscheibe mit der Anzahl und der Verteilung der Schwingungsbäuche (oder auch Schwingungsknoten) der geräuschverursachenden Schwingungsform übereinstimmen. In diesem und nur in diesem Falle addieren sich die Wirkungen der Störungen. Bei anderen Verteilungsmustern von mehreren Störungen, etwa Zufallsverteilungen, kompensieren sich die Wirkungen der Einzelstörungen teilweise oder im ungünstigsten Fall vollständig.

In Fig. 7 ist eine Bremsscheibe gezeigt, die eine Vielzahl von Noppen 70, 71 aufweist. Die Noppen sind kreisförmig gleichmäßig auf dem äußeren Bereich der Bremsscheibe angeordnet. Darüber hinaus sind auf der Bremsscheibe zwölf Steifigkeitsminderungen 72-83 paarweise so angeordnet, daß jeweils ein Paar Steifigkeitsminderungen auf einem Radius 84-89 liegt. Der Abstand der Steifigkeitsminderungen eines Paares voneinander ist gleich dem Abstand der Steifigkeitsminderungen der übrigen Paare voneinander. Der Abstand der einzelnen Paare vom Mittelpunkt der Bremsscheibe ist ebenfalls gleich. Die Winkel zwischen den sechs Radien 84-89 betragen jeweils 60°.

In Fig. 8 ist eine Bremsscheibe dargestellt, die ähnlich wie die in Fig. 7 dargestellte Bremsscheibe ausgebildet ist. Um Wiederholungen zu vermeiden werden für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet und auf die vorangegangene Beschreibung der Fig. 7 verwiesen. Im Unterschied zu der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform jedoch Steifigkeitssteigerungen 92-103 statt Steifigkeitsminderungen vorgesehen.

In Fig. 9 ist eine Bremsscheibe dargestellt, die ähnlich wie die in den Fig. 7 und 8 dargestellten Bremsscheiben ausgebildet ist. Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform sind die Steifigkeitsminderungen und -steige­ rungen der Fig. 7 und 8 kombiniert. Die Kombination der Störungen auf der Bremsscheibe ist so, daß abwechselnd ein Paar Steifigkeitsminderungen und ein Paar Steifigkeitssteigerungen angeordnet ist. Dabei beträgt der Winkel zwischen einem Paar Steifigkeitsminderungen und einem Paar Steifigkeitssteigerungen jeweils 30°.

Claims (7)

1. Bremsscheibe für eine Bremsanlage mit mindestens einem Bremsträger, an dem die Bremsscheibe (1) um eine Achse drehbar angebracht und an dem ein Bremssattel (2) befestigt ist, in dem zwei Bremsbeläge so angeordnet sind, daß sie beim Bremsen von beiden Seiten gegen die Bremsscheibe (1) gedrückt werden, auf der Störungen (7, 8) in Form von lokalen Änderungen der Masse und/oder der Steifigkeit der Bremsscheibe angeordnet sind, um ein Quietschen der Bremsanlage bei einer kritischen Schwingungsform zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und die Verteilung der Störungen (11-16) auf der Bremsscheibe (1) genau der Anzahl und der Verteilung der Schwingungsbäuche (6) oder der Schwingungsknoten (5) der kritischen Schwingungsform entsprechen.

2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungen räumlich auf einen möglichst kleinen Winkelbereich der Bremsscheibe (1) konzentriert sind.

3. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bremsscheibe vorgesehene Kühlrippen an dem äußeren Umfang der Bremsscheibe verkürzt ausgebildet sind.

4. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bohrungen auf einem Umfang der Bremsscheibe mit einem möglichst großen Radius gleichmäßig verteilt angebracht sind.

5. Bremsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Störungen (11-16) jeweils um einen Winkel von 60 Grad versetzt auf dem Umfang der Bremsscheibe verteilt angeordnet sind.

6. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf einem Radius (84-89) der Bremsscheibe ein Paar Steifigkeitsminderungen (72, 73; 74, 75; 76, 77; 78, 79; 80,81; 82, 83) oder Steifigkeitssteigerungen (92, 93; 94, 55; 96, 97; 98, 99; 100,101; 102, 103) gleichmäßig beabstandet ist, und zwischen den einzelnen Radien (84-89) ein Winkel von 60° ausgebildet ist.

7. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd ein Paar Steifigkeitsminderungen und ein Paar Steifigkeitssteigerungen jeweils gleichmäßig beabstandet auf einem Radius angeordnet ist, und zwischen den einzelnen Radien ein Winkel von 30° ausgebildet ist.