DE2605333B2

DE2605333B2 - Bremsscheibe mit Ventilationskühlung

Info

Publication number: DE2605333B2
Application number: DE2605333A
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr.-Ing. 5101 Aachen-Richterich Gallus; Willi Ing.(Grad.) Klein; Hans Dr.-Ing. Zeuner
Original assignee: Bergische Stahl-Industrie, 5630 Remscheid
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1980-04-17
Also published as: YU20477A; ATA68677A; SE7701341L; NL184581B; DK47077A; DD128224A5; HU175047B; YU39049B; US4083435A; NL7701394A; AT364971B; DE2605333C3; ES455792A1; DK153101B; DE2605333A1; FR2341071A1; BR7700845A; GB1540321A; DK153101C; FI64230C

Description

Bei einer bekannten Bremsscheibe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung (US-PS 29 464) sind zwischen Schaufelrippen Wärmeflußrippen angeordnet, welche am inneren Umfang des Bremsrings von einem Kreisbogen begrenzte Ausnehmungen besitzen. Mil diesen Auiiehmungen sollte erreicht werden, daß mehr Luft an das untere über den Innenumfang der Bremsscheibe überstehende Ende der Schaufelrippen herangeführt wird, da diese Rippen wegen ihrer aufgrund der Konstruktion erforderlichen größeren Dicke einen sehr schlechten WärmeRuß besitzen, so daß die Bremswärme auch über diese Schaufelrippen besser abfließen kann. Auch diese Konstruktion geht also davon, aus, daß eine möglichst große Luftmenge an die Rippen herangebracht werden muß, um eine genügende Kühlung zu erreichen.

Bei der Abbremsung höherer Wagengewichte, der Benutzung kleinerer Räder und damit kleinerer Bremsscheiben, beim Bremsen aus hohen Fahrgeschwindigkeiten sowie mit größerer Bremshäufigkeit im schnellfahrenden Nahverkehrsbetrieb stellt man jedoch einen erheblichen Nachteil der bekannten Ventilationskühlung insoweit fest, als sich die Betriebstemperatur immer schwerer so gestalten ließ, daß mit organisch gebundenen Bremsbelägen einwandfrei sowie mit ausreichender Lebensdauer der Bremslänge gebremst werden konnte. Es ist zweckmäßig, eine mittlere Bremsscheibentemperatur von etwa 375° C nicht zu überschreiten, um Temperaturfading und unzulässig hoben Belagverschleiß zu vermeiden. Es ist festgestellt worden, daß jede Erniedrigung der mittleren Bremsscheibentemperatur bis zu etwa 280⁰C mit einer sehr wesentlichen Minderung des Belagverschleißes verbunden ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht darin, die bekannten Bremsscheiben so weiter zu entwickeln, daß damit die gesteigerten Anforderungen im praktischen Betrieb erfüllt werden köninen. Insbesondere sollte durch eine Neugestaltung des Kühlraums eine Verbesserung der Ventilationskühlung erzielt werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs aufgerührten Merkmale a) bis e) gelöst.

Das Merkmal a) nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs ist bereits bei Bremsscheiben mit Ventilationskühlung (US-PS 22 55 023) bekannt. Bei dieser Bremsscheibe sind jedoch durchgehend gleich geformte Schaufelrippen vorgesehen, die hinsichtlich des Luftdurchsatzes die bekannten Nachteile aller anderen Bremsscheiben besitzen. Insbesondere das Verhältnis des Ein- zum Austrittsquerschnitt ist bei dieser bekannten Ausbildung ein völlig anderes.

Weiter ist es auch bereits bekannt (zu Merkmal b) des Kennzeichens), bei gekühlten Bremsscheiben mit Wärmeflußrippen in diesen Rippen keilförmige Verjüngungen vorzusehen, die in Achsrichtung zur Mitte der Ventilationskanäle hin verlaufen (US-PS 22 15 421). Bei dieser bekannten Bremsscheibe berühren sich jedoch die Wärmeflußrippen in der Kanalmitte im Gegensatz zum Anmeldungsgegenstand nicht. Außerdem wird durch diese Wärmeflußrippen das Verhältnis von Einzu Austrittsquerschnitt der Luft nicht im Sinne der vorliegenden Erfindung verändert, sondern liegt nach wie vor im Bereich von I : 2,3.

Es ist auch schon bekannt (GB-PS 8 47 120), zwischen den normalen Schaufelrippen von gekühlten Bremsscheiben zusätzlich Wärmerußrippen vorzusehen, welche keilförmig sich verjüngende Ausnehmungen tragen, die zusätzlich /u den bekannten halbkreisförmigen Ausnehmungen vorgesehen sind. Die keilförmigen Ausnehmungen sind jedoch einander entgegengesetzt gerichtet an dem inneren und äußeren Ende der Rippen angeordnet. Dies bedeutet aber, daß sowohl der

Lufteintritts- als auch der Luftaustrittsquerschnitt durch diese Ausnehmungen im gleichen MaO vergrößert wird, weshalb sich das Verhältnis der beiden Querschnitte nicht ändert, sondern nach wie vor bei einem Verhältnis von etwa 1 : 23 bleibt

Durch die Erfindung wird erreicht, daß eine turbulente Strömung der durch die Kanäle fließenden Kühlluft, welche für den Wärmeübergang von der Oberfläche der Kühlkanäle an die durchströmende Luft große Bedeutung hat, eintritt. Außerdem ist durch die Gestaltung der Rippen erreicht worden, daß die während der Energieumwandlung an den Reibflächen erzeugte Wärme durch die Wanddicke der Reibringe an die Kühlraumoberfläche unter Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit von Gußeisen mit einem in axialer Richtung fallenden Gradienten fließt. Dort, wo die Wärme auf den Fuß der Rippe trifft, strömt die Wärme lokal in die Rippe. Um viel Wärme aus den Reibrinaen in die Rippen fließen zu lassen, muß der Fuß der Rippen im Verhältnis zur axialen Rippenlr.nge breit sein.

Im übrigen erwärmt sich die am inneren Lufteintrittsquerschnitt eintretende Luft beim Durchströmen der Kühlkanäle und erfährt eine entsprechende Volumenvergrößerung. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Verhältnis der Kühlkanalquerschnitte gewährleistet die thermische Volumenvergrößerung der durchströmenden Luft, daß nur unwesentliche Druck- und Geschwindigkeitsänderungen beim Durchströmen der Bremsscheiben-Kühlkanäle auftreten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Weiterhin sind Versuchsergebnisse dargestellt, wobei eine bekannte Bremsscheibe mit einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe verglichen wird. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise Seitenansicht von einer bekannten Bremsscheibe,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie H-Il der Fig. 1.

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie Ill-Ill der Fig. 1,

Fig.4 eine teilweise geschnittene Seifenansicht von einem Ausführungsbeispiel der Bremsscheibe nach der Erfindung,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 4,

F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie Vl-Vl der F i g. 4.

Fig. 7 eine vergrößerte teilweise geschnittene Seitenansicht von einer Bremsscheibe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Nach den Fig. 1—3 beiteht die bekannte Bremsscheibe aus der Nabe 11, welche in bekannter Weise auf der nicht dargestellten Welle befestigt werden kann. Die Nabe besitzt drei Klemmnuten 12 bildende Tragarme, wobei die Verbindung zwischen Bremsring 13 und Nabe 11 durch die in den Nuten 12 eingeklemmten Führungsleisten 14 erfolgt, welche die über den inneren Umfang des Bremsrings hinausgehende Verlängerung der Rippe 15 darstellt. Die Klemmnut 14 wird durch ein etwa tangential die Nut überspannende«; Sicherungsstück 16 geschlossen. Der Bremsring 13 besteht nach F i g. 2 und 3 aus zwei Reibringen 13/4 und 13Ö, welche auf der Außenfläche die Reibfläche 17 trugen und durch auf der Rückseite angeordnete radiale Rippen 18 und 19 miteinander verbunden sind. Die Kippen 18 habet, dabei eine Länge, welche ctwj !er Breite der Reibringe 134 und 135 entspricht, wohingegen die Rippen 19 kürzer sind. Die Rippen 18 und 19 sind über ihre gesamte axiale Breite gleich dick, wie F i { 1 zu entnehmen ist.

Nach den Fig.4-7 ist beispielsweise die Bremsscheibe nach den Fig. 1—3 neu gestaltet, wobei die allgemeinen Abmessungen aber beibehalten wurden. Die Nabe 20 ist auf der nicht dargestellten Welle befestigt und besitzt nunmehr vier Klemmnuteii 21, in denen zur Befestigung des Bremsrings 22 die als Verlängerung der Rippen 23 ausgebildeten Führungsleisten 24 eingeklemmt sind. Die Sicherungslaschen 25 überspannen tangential die Klemmnut 21. Der Bremsring 22 besteht nach Fig. 5 und 6 aus zwei Reibringen 22Λ und 22ß, welche auf der Rückseite durch Rippen 27 und 28 miteinander verbunden sind. Die Rippen 27 haben dabei eine Länge, weiche etwa der Breite der Reibringe 22A und 22Sentspricht und bilden zusammen mit den Rippen 23 sogenannte Schaufelrippen, durch die die Luft gefördert wird. Die Rippen 28 tragen als sogenannte Wärmeflußrippen eine Ausnehmung 29, welche sich radial etwa trichterförmig verengend vom am inneren Umfang 30 des Bremsri.-.^s liegende Ende der Rippen aus erstreckt. Alle Rippen i3, 27 und 28 liegen mit einer breiten Fußfläche 31 an der Rückseite der Reibringe 22Λ und 22ß an und verjüngen sich zur Mitte 32 zwischen den beiden Reibringen keilförmig. Das Verhältnis der Anzahl der Rippen 23 plus 27 zu den Rippen 28 beträgt 1 :8.

Nach F i g. 7 beträgt die prozentuale Rippenfußbreite 31 je Teilstrecke 36 ca. 62%, wobei die beiden Werte auf dem Bremsradius 35 gemessen worden sind. Das Verhältnis der rippenfußbreite 31 zum Abstand 33 zweier benachbarter Rippen 28 oder 27 und 28 am inneren Bremsringumfang beträgt 1 und soll nicht wesentlich von diesem Wert abweichen.

Die bei den miteinander verglichenen Bremsscheiben vorhandenen Unterschiede sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle I

	Alte	Neue
	Bauweise	Bauweise
Lufteintrittsquerschnitt	455 cm^;	630 cnr
Luftaustrittsquerschnitl	1035 cnv	865 cm-
Gesiimtrippcnzahl	60 Stück	72 Stück
Führungsleisten	3	4
Führungsleisten brei te	50 mm	35 mm
Gewicht	135 kg	144 kg
Durchmesser der Bicms-	660 mm	660 mm
scheibe
Breite der Bremsscheibe	110 mm	110 mm
Keibmigdickc	20 mm	20 mm

ν, Folgende Prüfungen wurden durchgeführt:

a) Dauerbremsung

Als Prüfprogramm /ur Ermittlung der Brcmsschcibcnbeharrungstcmperatur bei Dauerbremsung wurden ohne Untcrbrrrhun)· und Zwischenabkühlung über einen Zeitraum von 6 h kontinuierlich Bremsungen mil 20, JO und 40 kW Bremsleistung bei jeweils vier verschiedenen Geschwindigkeiten (100, 73, ">0 und 25 km/h) gefahren. Die Einzelheiten des Prop amins sind der folgeirden Tabelle 2 /Ί entnehmen.

Tubelle 2

BrcnisleisHing /V in kW
Brems/eit / in min
Drehzahl η in U/min
Geschwindigkeit bei Rad-Durchmesser = 920 mm in km/h
Bremsmoment M„ in daNm

20

60 30 30

577 433 289

100 75 50

34

45

f.

30 40

30 30 30 30 30 30 30

692 577 462 346 692 577 462

120 HK) 80 60 120 100 80

135 42

51

68

Der nach diesem Programm durchgeführte Vergleich /wischen der alten und der crfindungsgemäLten Brems scheibe führte /u dem in Tabelle 3 zusammengestellten Hrgebnis.

Tabelle 3	Geschwindigkeit	Bremssdieibenhe	harrungstemperatur in C	Differenz ilt-r
Bremsleistung				Hcharrungs-
		ulic Bauweise	neue Bauweise	temperaturen
	km/h			in (
kW	100	206	1X4	-22
KKI	75	249	228	-21
20	50	302	279	23
	25	389	359	-30
	120	312	243	-69
30	100	315	283	-32
	80	349	306	-43
	60	399	37!	-28
	120	373	311	-62
40	100	410	383	-27
	80	448	393	-55

Besonders deutlich ist der Einfluß der verbesserten Ventilationskühlung bei steigender Bremsleistung zu erkennen. Ebenso ist dieser Effekt bei konstanter Bremsleistung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Absenkfahrten (siehe Bremsleistung 30 und 40 kW) erkennbar.

Siellt man der Geschwindigkeit, bei welcher die Dauerbremsung ausgeführt wird, die jeweilige Dauerbremsleistung bei einer Beharrungstemperatur von 375'C gegenüber, so findet man. daß die nach der Erfindung gestaltete Bremsscheibe bei 100 km/h eine Dauerbremsleistung von 40.5 kW erbringt, wohingegen die bekannte Bremsscheibe nur eine Leistung von 37 kW erreicht.

b) Stoppb'emsung im Nahverkehrsbetrieb

Hierbei wurde eine vorgegebene Beanspruchung auf dem Dynamometer simuliert, wobei unter den verschiedensten Bedingungen jeweils so viele Bremsungen ausgeführt wurden, bis die Beharrungstemperatur sich in der Bremsscheibe einstellt. Dabei zeigt sich die verbesserte Ventilationskühlung der erfindungsgemäiien Bremsscheibe besonders deutlich, wenn man in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit den kleinstmöglichen Haltestellenabstand betrachtet, der bei einer Beharrungstemperatur der Bremsscheibe von 375⁼C für eine beliebige Anzahl von Stoppbremsungen eingehalten werden kann. Die Verkürzung des kleinstmöglichen Haltestellenabstandes beträgt bei Stoppbremsungen

aus 55 km/h = 200 m = Verbesserung um 23.80% aus 60 km/h = 240 m = Verbesserung um 21,81% aus 65 km/h = 260 m = Verbesserung um 19,54% Bei einem konstanten Haltcstelenabstand von 1000 m treten unter den gleichen Bedingungen folgende in Tabelle 4 zusammengefaßten Beharrungstemperaturen in den Bremsscheiben auf:

Tabelle 4

Stoppbrenisung aus	Beharrungsleniper.itur ( O	Bauweise neue Bauweise
(ieschwindigkc t	alle	Bremsscheibe der Brem-ischein
	der
km/h		255
50	290	300
55	354	345
60	395	390
• 65	_

Die nach dieser Tabelle 4 festgestellte durchschnittlich um 45^CC geringere Betriebstemperatur der neuen Bremsscheibe verbessert sehr wesentlich das Verschleißverhalten der Bremsbeläge, wie einleitend dargestellt wurde.

c) Stoppbremsungen im Schnellverkehrsbetrieb

Bei diesen Versuchen sind im Geschwindigkeitsbereich von 60 bis 240 km/h je Geschwindigkeit drei Stoppbremsungen bei unterschiedlicher Verzögerung mit verschiedenen Radfahrmassen ausgeführt und dabei die Bremsscheibentemperaturen ermittelt worden.

Generell ist diesen Versuchen zu entnehmen, daß die besser belüftete Bremsscheibe nach der Erfindung bei Bremsungen aus hohen Geschwindigkeiten eine um 30 bis 50⁼C geringere Temperatur als die bekannte Bremsscheibe aufweist. Daraus resultiert beispielsweise

fiir eine Vergrößerung von 0,8 m/s² bei einer 8-t-Achsfahrmasse, daß bis zur Erreichung der Belaggrenztemperatur von 375⁰C mit der besser belüfteten Brems scheibe Stoppbremsungen aus 239 km/h möglich sind, während mit der alten Bremsscheibe bei gleichen Bc¹,-igungen Stoppbremsungen nur aus 216 km/h möglich sind. Das entspricht zwar einer Geschwindigkeitssteigerung von nur 10,6%, bedeutet aber für die Energieumwandlung eine Leistungssteigerung von 22%. Bei einer Verzögerung von 1,0 m/s² ergibt sich eine Leistungssteigerung von 29% und bei 1,2 m/s² ergibt sich eine Leistungssteigerung von 34%.

Hicr/u 2 Blatt /uchiuinucn

Claims

Patentansprüche:

1. Bremsscheibe mit Ventilationskühlung, bestehend aus einem Bremsring, der im Innern durch Rippen gebildete radial verlaufende Kanäle aufweist, bei der die kühlende Luft von Schaufelrippen gefördert am nabenseitigen Innenumfang des Bremsrings in die Kanäle ein- und am Außenumfang des Bremsrings austritt, wobei zusätzlich zu den Schaufelrippen, die eine etwa der gesamten Breite des Bremsrings entsprechende Länge besitzen, durchgehende Wärmeflußrippen vorgesehen sind, deren Lufteintrittskanten vom Rippenfuß ausgehend zur Rippenmitte hin radial nach außen zunehmend zurückgesetzt sind und eine radial begrenzte Ausnehmung bildend die Schaufellänge zur Mitte hin verkürzen, dadurch gekennzeichnet, daß die WärmeßuSrippen (28)

a) im Bremsradius (35) ein prozentuales Verhältnis von Rippenfußbreite (31) zur Rippenteilstrecke (36) von mehr als 60% besitzen,

b) daß sie sich in achsparalleler Richtung bis zur Mitte zwischen den beiden Reibringen (22A, 22B)keilförmig verjüngen (r i g. 6),

c) daß sie am Innenumfang (30) des Bremsrings (22) ein prozentuales Verhältnis der Rippenfußbreite (31) zum Abstand (33) zweier benachbarter Rippen (27,28) von 80- 100% besitzen,

d) daß die radialen Ausnehmungen (29) der Wärmeflußrippen ^28) sit', vom Lufteintrinsquerschnitt radial ncch außen keilförmig verjüngen und

e) daß das Verhältnis von Lufteintritts- zu Luftaustrittsquerschnitt zwischen I : 2 und 1 :1 liegt.

2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auch die Schaufelrippcn (23, 27) bis zur Mitte zwischen den Reibringen keilförmig verjüngen.

3. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmigen Ausnehmungen (29) an den Wärmeflußrippen (28) mindestens die Hälfte jedoch nicht mehr als V* der radialen Rippenlänge einnehmen.

4. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, da3 das Verhältnis der Breite des Rippenfußes zur Breite der Rippenmitte zwischen den Reibringen bei 4:1 bis 2 : 1 liegt, wobei einem größeren Rcibringabstand ein kleineres Breitenverhältnis zugeordnet wird.