DE2505205A1 - Scheibenbremsenrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheibenbremsenrotor und bezieht sich dabei insbesondere auf Elemente zur Verstärkung des Kühlvermögens von Scheibenbremsen in Fällen großer Wärmeübertragung.

Heutzutage erfordern die im Entwurf vorliegenden oder bereits gebauten Schnellverkehrssysteme schnelle, schwere Fahrzeuge, die häufig haltmachen. Scheibenbremsen haben sich aufgrund ihres ausgezeichneten WärmeübertragungsVermögens zu einer weitverbreiteten Bremseinrichtung entwickelt. So reicht

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beispielsweise für gewisse Kraftfahrzeugscheibenbremsensysteme eine massive Scheibe aus, da ihre Wärmekapazität leicht die in.Wärme umgesetzte kinetische Energie aufnahmen kann. In schwereren Fahrzeugen jedoch, so beispielsweise in Schnellverkehrswagen, werden aufgrund ihrer größeren Leistungsfähigkeit doppelwandige Scheibenbremsen verwendet. Die Vergrößerung der Rotoren solcher Scheibenbremsen zur Verteilung der anfallenden Wärme über eine breitere Fläche ist eine Möglichkeit, die Betriebstemperatur der Scheibenbremse herabzusetzen, der jedoch der Nachteil anhaftet, daß das Gewicht das Fahrzeuges, beispielsweise des Schienenfahrzeuges, erhöht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Scheibenbremsenrotor zu schaffen, der die Wärme schnell verteilt bzw. aufnimmt, und der gleichzeitig das Gesamtgewicht der Bremse verkleinert. In diesem Zusammenhang soll der zu schaffende Scheibenbremsenrotor mit Oberflächen ausgestattet sein, die sich schneller abkühlen, als dies bisher der Fall war, wodurch häufige Fahrzeughalte möglich werden, ohne daß hohe Betriebstemperaturen entstehen, die zu Bremsminderung oder übermäßigen Bremsverschleiß führen. Dadurch wird bei Schnelltransportsystemen, bei denen die Fahrzeuge häufig anhalten, ein besonderer Vorteil erreicht. Schließlich soll in diesem Zusammenhang auch ein einfacher, aus einem Stück gegossener Scheibenrotor geschaffen werden, der sich aus einer einzigen Legierung in einem einzigen Verfahrensschritt gießen lässt.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Scheibenbremsenrotor gelöst, der mit einem Paar mit Abstand getrennter Wandkörper ausgestattet ist, die äußere Bremsflächen und gegenüberliegende innere Bremsflächen bilden, welche durch eine Vielzahl von Stäben miteinander verbunden sind, die einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß die Bewegung der Luft von dem Innenumfang des Rotors zwischen den inneren Oberflächen der Wände und außerhalb des Außenumfanges des Rotors nicht auf einer im wesentlichen geraden Linie erfolgen kann, sondern im Gegenteil einer gewundenen Bahn folgt.

In der US-PS 2,701,626 ist zwar bereits eine Scheibenbremse beschrieben, die einige wenige isolierte Kühlstäbe aufweist, welche zwischen Wänden angeordnet sind, hierbei kann jedoch der größte Teil der Kühlluft von der Rotormitte aus geradlinig nach außen abströmen. Ferner weist die in der US-PS 3,391,763 beschriebene Scheibenbremse bereits eine Kombination aus Stäben und Flügeln zwischen den Rotorwänden auf, jedoch ist es auch hierdem wesentlichen Teil der Kühlluft möglich, vom Innenumfang des Rotorkörpers zum Rotoraußenumfang auf einer geradlinigen Bahn zu strömen. Darüberninaus erstrecken sich bei der letztgenannten bekannten Vorrichtung die Kühleinsätze nicht kontinuierlich zwischen den inneren Oberflächen der Rotorwände, so daß der ganze Mittelteil auf das kühlende Strömungsmittel bei dessen Bewegung zwischen den Rotorwänden durch die Rotormitte hindurch keine Strömungsführungswirkung ausübt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 eine Draufsicht einer Scheibenbremsenrotoranordnung, wobei zur Verdeutlichung des inneren Aufbaues gewisse Teile weggebrochen sind,

Fig.1A eine Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, im wesentlichen längs der Linie 1A-1A von Fig. 1,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform der Scheibenbremsenrotoranordnung längs der Linie 2-2 in Fig. 1A,

Fig. 3 eine Teilseitenansicht der Anordnung von Fig. 2 längs der Linie 3-3 in Fig.2,

Fig. 4 eine Teilseitenansicht der Anordnung von Fig. 2 längs der Linie 4-4 in Fig. 2,

Fig. 5 eine Teilschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Scheibenbremsrotoranordnung,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Draufsicht der Ausführungsform von Fig. 5,
und

Fig. 7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 in Fig. B

In Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht einer Rotoranordnung 10 dargestellt, wie sie beispielsweise für Scheibenbremsen an Eisenbahnwaggons Verwendung finden kann. Dieser Rotor weist, wie aus Fig. 1A hervorgeht, ein Paar Wände 10 und 11 auf. Jede Wand hat äußere Bremsoberflächen 13 und

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14, und wenigstens eine dieser Wände besitzt einen Mittelteil 15, der auf einem Rad befestigt werden kann. Dies lässt sich einfach mit Hilfe von Schraubenlöchern 16 und nicht dargestellten Schrauben oder auf andere herkömmliche Weise bewerkstelligen. Im Betriebszustand klemmen sich Bremsklötze auf die äußeren Bremsoberflächen 13 und 14 und bringen die Drehbewegung der Scheibe und des Rades durch den auf die Oberflächen 13 und 14 einwirkenden Druck, zum Stillstand, der in Wärmeenergie umges.etzt wird, die durch den Rotor bzw. die Wandkörper abgeleitet werden muß. Die Wände sind an ihren inneren Oberflächen 17 und 18 durch mehrere Verbindungsstäbe 19 und Flügel 27 miteinander verbunden. Die Verbindungsstäbe 19 sind bei der Darstellung in Fig. 1A zur besseren Übersicht weggelassen worden.

In Fig. 2 sind die inneren Stäbe dargestellt. Wie dabei in Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 erkennbar ist, weist die hier beschriebene Konstruktion Verbindungsstäbe 25 auf, die die inneren Oberflächen 17 und 18 der Wände verbinden, sowie kegelstumpfförmige Stäbe 26, die keine Verbindung der beiden Oberflächen 17 und 18 herstellen. Die kegelstumpfförmigen Stäbe 26 sind überall dort, wo es möglich ist, verkürzt, um auf diese Weise das Gewicht der Scheibenbremse zu reduzieren, und die bevorzugte Konstruktion verwendet nur die Anzahl Verbindungsstäbe 25, die notwendig ist, um für die Verbindung der beiden Wände eine angemessene Festigkeit zu erzeugen und den StrömungsmittelfluB in der beschriebenen Weise zu beeinflussen.

Desweiteren sind in Fig. 2 Verbirtüngsflügel 27 vorgesehen, die zusätzlich die Festigkeit der zwischen den Wänden 11 und

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bestehenden Verbindung erhöhen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Stäbe einen solchen Abstand aufweisen, daß jedes beliebige Strömungsmittel, das sich in Richtung der Pfeile A oder irgendeiner anderen willkürlichen Pfeilreihe bewegt, gezwungen wird, einer gewundenen Bahn zu folgen. Der Kühlmittelstrom ist also grundsätzlich nicht in der Lage, eine geradlinige Bahn einzuschlagen, da die Stäbe einen solchen Abstand voneinander aufweisen oder so bemessen sind, daß im wesentlichen alle geraden Bahnen oder direkten Strömungswege vom Innenumfang 1OA zum Außenumfang 10B des Rotors durch Staboberflächen blockiert sind.

Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 5 mit 40 bezeichnet und gleicht der Ausführungsform vom Fig. 2 mit Ausnahme der Tatsache, daß die Verbindungsflügel 27 durch zusätzliche Verbindungsstäbe 25 und kegelstumpfförmige Stäbe 26 ersetzt sind. Diese zweite Ausführungsform 40 dient dem gleichen Zweck wie die Ausführungsform 39 von Fig. 2j somit erfolgt die Luftbewegung vom Innenumfang 10A des Rotors zum Außenumfang 10B auch hier zwangsläufig auf einer gewundenen Bahn.

Bai der Herstellung der hier beschriebenen Scheibenanordnung ist die Möglichkeit gegeben, die ganze Scheibenanordnung aus einem Stück zu gießen. Dies erfordert, daß die Stäbe 25, 26 sowie Flügel 27 abgeschrägt sind, um dadurch das Gießen dieses Gußkörpers zu erleichtern. Es besteht die Möglichkeit, die Stangen etwas zylindrischer auszubilden, als sie in der Zeichnung dargestellt sind, ihnen aber auch andere Formen zu geben, falls andere Verfahrensschritte beim Gießen zur Anwendung gelangen.

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Obgleich die Stäbe einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, leuchtet ein, daß jede beliebige Stabform oder Kombination von Stabformen die hier gestellte Aufgabe solange erfüllt, wie das Stromungsmittel bzw. die Kühlluft, die sich von der Rotormitte aus nach außen bewegt, gezwungen wird, einer gewundenen Bahn zu folgen. So können also beispielsweise die Kühlstäbe hohl sein oder aus einem Hohlrohr, einem massiven Rohr bestehen oder auch einen V-Querschnitt, einen Y-Querschnitt mit drei Rippen oder eine aus vier Rippen gebildete Kreuzform aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform, und zwar sowohl was das Herstellungsverfahren als auch was" die Konstruktion selbst anbetrifft, werden jedoch kreisrunde Stäbe oder Rohre verwendet.

Obgleich in der zeichnerischen Darstellung die Stäbe bei den beschriebenen Ausführungsformen in bezug auf eine Radiuslinie versetzt bzw. gestaffelt angeordnet sind, ist darauf hinzuweisen, daß diese Stäbe auch in radialer Richtung, Umfangsrichtung oder sowohl radial als auch in Umfangsrichtung gestaffelt bzw. in bezug aufeinander auf Lücke stehend versetzt angeordnet sein können, solange sie das Kühlmedium veranlassen, im wesentlichen gewundenen Bahnen zu folgen. Auch eine wahllose Staffelung dieser Stäbe ist möglichi wenn die genannte Strömungsbedingung erfüllt wird. Desweiteren können die Stäbe verschiedene Größen oder Formen aufweisen, um der Bedingung des gewundenen Strömungsverlaufes Genüge zu tun, um dadurch den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung auf die umgebende Atmosphäre in Vergleich zu Scheibenanordnungen zu erhöhen, die nur die flache Oberfläche der herkömmlichen Flügelabstandshalter oder Festigkeitsvergijßerer aufweisen

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oder den Kühlluftstrom längs einer im wesentlichen ungehinderten, geradlinigen Bahn verlaufen lassen. Berechnungen haben eine Verbesserung von etwa 5:2 ergeben. Demzufolge lässt sich bei Verwendung einer Scheibenbremse, die anstelle von Flügeln versetzt angeordnete Stäbe aufweist, eine Senkung der Betriebstemperatur von etwa 60⁰C erwarten. Bei einer Eisenbahnwaggonscheibenbremse ergibt sich außerdem bei den Scheiben mit versetzten oder gestaffelten Stäben der hier beschriebenen Art eine Gewichtsverminderung gegenüber einer flachen Scheibe gleichen Durchmessers von 16kp. Auf diese Weise lassen sich die Gesamtabmessungen einer Scheibe durch Anwendung der hier beschriebenen Konstruktion herabsetzen, oder es lässt sich die Leistungsfähigkeit steigern, und zwar in Abhängigkeit von den für das jeweilige Bremssystem verlangten physikalischen und technischen Eigenschaften.

Obgleich sich bei der bevorzugten Ausführungsform ein einteiliger GuBkörper aus einer einzigen Legierung erhalten lässt, besteht auch die Möglichkeit, verschiedene Legierungen für die Bremsoberflächenrotorkörper und die Verbindungsstäbe sowie Kühlstäbe zu verwenden. So kann also beispielsweise ein Metallstab sehr guter Wärmeleitfähigkeit, wie Stahl, Armcoeisen (Eisen hoher Leitfähigkeit mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt), Kupfer oder Aluminium zwischen die Bremsoberf lächenwandkörper aus regulärer Legierung gesetzt werden, wodurch sich eine entsprechende Steigerung der Wärmeübertragung erhalten ließe. Eine Möglichkeit, dies auszuführen, besteht darin, Stahlstäbe mit Kupfer zu ummanteln und die Stäbe in eine Gießform einzusetzen und das Eisen um die Stabenden zu vergießen.

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Ferner ist darauf hinzuweisen, daß bei der Ausführungsform der oben beschriebenen Konstruktion, die keinerlei Flügel aufweist, welche sich über die ganze radiale Länge der Rotorwände erstrecken, die Kühlstabreihe längs des Profils eines nach vorne gekrümmten Gebläseflügels so angeordnet werden · kann, daß das Kühlmittel einer Kraftwirkung ausgesetzt wird, wie sie von einem Propeller erzeugt wird, um das Kühlmittel auf diese Weise von der Mitte des Rotors nach außen zu beschleunigen. Somit ließe sich die Blaswirkung der Flügel auch ohne Vorhandensein solcher Flügel realisieren, eine Tatsache, die insbesondere im Automobilbau vorteilhaft ist, wie dies im folgenden erläutert werden soll.

In aller Regel und im Hinblick auf die Ableitung oder Verteilung der während des Brsmsens erzeugten Wärme bewegt sich ein Kraftfahrzeug nur in Vorwärtsrichtung. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Bremsscheibenrotors 50 für ein übliches Kraftfahrzeug. Fig. 7 zeigt eine geschnittene Seitenansicht des Rotors von Fig. 6, jedoch in einem anderen Maßstab. Die Rotorwände 51 und 52 sind an ihren inneren Oberflächen durch mit Abstand getrennte Stäbe 55 verbunden, die willkürlich verteilt sind, und zwar sowohl in Umfangsrichtung als auch in radialer Richtung, so daß die eingangs beschriebenen. Stromungsbedingungen für die Kühlluft eingehalten werden. Demzufolge folgt die sich in radialer Richtung nach außen bewegende Kühlluft gewundenen Bahnen, die wiederholt durch Staboberflächen behindert werden. Zusätzlich sind die Rotorwände durch gekrümmte Abstandsflügel 56 verbunden, deren radiales äußeres Ende LE vorne liegt, während das radiale innere Ende TE das hintere Ende bildet, also sich in einer

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rückwärtigen Lage befindet. Dadurch wird eine Antriebswirkung oder ein Fördereffekt auf die Kühlluft ausgeübt, durch den der Kühlluftstrom beschleunigt wird. Die Drehrichtung des Rotors, die der Vorwärtsbewegung des Kraftfahrzeuges entspricht, ist durch den Pfeil R gekennzeichnet. Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. B die Lage und Ausrichtung der Flügel so getroffen ist, daB die Flügel vorwärts gekrümmt sind, also in Drehrichtung des Rotors zeigen. Als Beispiel für die tatsächlichen Bemessungswerte eines Rotors der in Fig. 6 gezeigten Art können genannt werden: Außendurchmesser 30,5 cm, Innendurchmesser 19 cm, Dicke bzw. Breite 3,2 cm mit zwei 0,635mm dicken Wänden.

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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Scheibenbremsenrotor mit einem Rotorkörper, der ein Paar TfTit Abstand getrennte Wände aufweist, die äußere Bremsoberflächen und gegenüberliegende innere Oberflächen bilden, gekennzeichnet durch mehrere Verbindungsstäbe (25, 55), die die inneren Oberflächen (17, 18) miteinander verbinden, und mehrere kegelstumpfförmige Stäbe (26), die von der einen inneren Oberr fläche ausgehen, jedoch mit der anderen inneren Oberfläche nicht verbunden sind, wobei die Verbindungsstäbe (25) und die kegelstumpfförmigen Stäbe (26) in einem solchen Abstand voneinander getrennt sind, daß von dem Innenumfang des Rotors (10) zwischen den inneren Oberflächen (17, 1Θ) der Wände (11, 12) hindurch nach außen zum Außenumfang des Rotors strömende Luft gezwungen wird, einer im wesentlichen gewundenen Bahn zu folgen.
2. 2. Scheibenbremsenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (11, 12) und die Stäbe (25, 26) aus einem einzigen Material aus einem Stück gegossen sind.
3. 3. Scheibenbremsenrotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (25, 26) versetzt angeordnet sind, so daß im wesentlichen alle geraden Strömungswege für die von dem Innenumfang zum Außenumfang des Rotors (10) strömende Luft durch Staboberflächen versperrt sind.
4. 4. Scheibenbremsenrotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstäbe (25) um den Umfang von benachbarten Verbindungsstäben durch einen kegelstumpfförmigen Stab (26) getrennt sind.

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