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Mehrscheibenbremse für Flugzeuge
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Die Erfindung betrifft eine Mehrscheibenbremse für Flugzeuge mit strukturellen
Elementen auf Kohlenstoffbasis und mit Reibpaaren auf Kohlenstoff- und-Metallbasis.
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Flugzeugscheibenbremsen mit Kühlkörper und strukturellen Elementen
aus Compositwerkstoff auf Kohlenstoffbasis bieten in bezug auf Gewichtsreduzierung
und lange Lebensdauer signifikante Vorteile. Die Erfahrung hat Jedoch gezeigt, daß
derartige Bremsen auch eine Reihe von Eigenschaften besitzen, die wenig wünschenswert
sind. Eine solche Eigenschaft ist darin zu sehen, daß die Bremsen im nassen Zustand
niedrige Aeibungswerte aufweisen. Eine aus Compositwerkstoff auf Kohlenstoffbasis
bestehende Bremse erfährt im wassernassen Zustand eine signifikante Herabsetzung
des Reibungskoeffizienten, die sich in erster Linie am Beginn der Betätigung der
Bremse manifestiert.
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Bei Bremsvorgängen mit hoher Energievernichtung gewinnt die Bremse
allmählich ihre Wirksamkeit wieder, Jedoch kann bei einem vorgegebenen Bremsdruckniveau
der Gesamtbremsweg ansteigen. Bei Bremsvorgängen mit geringer Energievernichtung
bleibt der Wirkungsgrad über die Dauer der Bremsbetätigung gering.
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Eine andere wenig wünschenswerte Eigenschaft von derartigen Bremsen
aus Compositwerkstoff auf Kohlenstoffbasis ist darin zu sehen, daß sie einen niedrigen
statischen Reibungskoeffizienten aufweisen. Die statischen Drehmomentwerte bei kalter
Bremse sind merklich niedriger als diejenigen von Bremsen mit anderen Reibmaterialien.
Schließlich rufen derartige Bremsen unter trockenen Bremsbedingungen bei vollem
Systemdruck Spitzendrehmomentwerte hervor, die bis zu 50 qo höher sind als die von
anderen Bremstypen. Diese Eigenschaften haben entgegengesetzte Auswirkungen auf
die Ausführung von Flugzeugbremsen. Um die niedrigen Drehmomentwerte bei nasser
Bremse und die niedrigen statischen Drehmomentwerte zu erhöhen, muß die Kolbenfläche
oder die Anzahl der Scheiben erhöht werden. Jede dieser Lösungen verschlimmert Jedoch
das in bezug auf das hohe Spitzendrehmoment bestehende Problem. Ein Versuch zur
Lösung dieser Probleme ist in der US-PS 3 951 240 beschrieben, die eine Mehrscheibenbremse
für Flugzeuge betrifft, welche sowohl mit Reibpaaren auf Eisenbasis als auch mit
solchen auf Kohlenstoffbasis ausgerüstet ist. Eine derartige Bremse besitzt jedoch
aufgrund des hohen Gewichtes der metallischen Rotoren und Statoren, die die Reibpaare
tragen, entscheidende Nachteile. Hinzu kommt, daß diese metallischen Elemente infolge
eines Festigkeitsverlustes bei erhöhten Temperaturen begrenzte Betriebstemperaturen
aufweisen können.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß eine Mehrscheibenbremse
für Flugzeuge mit niedrigem Gewicht zur Verfügung gestellt wird, die die hohen Reibungswerte
bei Nässe und die hohen statischen Reibungswerte von Reibmaterialien auf Eisenbasis
besitzt.
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Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Hybridmehrscheibenbremse
mit strukturellen Teilen auf Kohlenstoffbasis zur Verfügung gestellt wird, die sowohl
Reibpaare auf Kohlenstoffbasis als auch solche auf Metallbasis umfaßt.
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Diese Vorteile werden durch die erfindungsgemäß ausgebildete Hybridmehrscheibenbremse
erreicht, die eine Vielzahl von Re ib paaren aus Compositwerkstoff auf Kohlenstoffbasis
und zwei Reibpaare aus keramischem Werkstoff auf Metallbasis umfaßt. Bei einer Ausführungsform
sind die Reibpaare auf Metallbasis an gegenüberliegenden Enden des Bremspaketes
angeordnet, wobei sich eines der Paare auf Metallbasis in unmittelbarer Nähe der
Druckplatte und das andere in unmittelbarer Nähe der Stützplatte befindet. Bei einer
anderen Ausführungsform sind beide Reibpaare auf Metallbasis in nächster Nähe zur
Stützplatte angeordnet. Die Reibpaare auf Kohlenstoffbasis bestehen aus einheitlichen
Rotor- und Statorflächen, die aus Compositwerkstoff auf Kohlenstoffbasis hergestellt
sind. Die Reibpaare auf Metallbasis werden durch keramische Reibbeläge auf Metallbasis
gebildet, die an der Stützplatte, der Druckplatte und den Rotoren und Statoren aus
Kohlenstoff befestigt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Flugzeugbremseinheit mit Reibpaaren auf Metallbasis an gegenüberliegenden Enden
des Bremspaketes; Figur 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Flugzeugbremseinheit mit einem Paar von Reibpaaren auf Metallbasis, die benachbart
zu der Stützplatte angeordnet sind; die Figuren 3 und 4 Diagramme, in denen der
Bremsweg von 15 und 20 mph in Abhängigkeit vom Bremsdruck für die Hybridbremse mit
Reibpaaren auf Kohlenstoff- und Metallbasis und für eine Nurkohlenstoffbremse dargestellt
ist; die Figuren 5 und 6 Diagramme, in denen die zum Abbremsen von 60 auf 30 mph
und von 100 auf 30 mph erforderlichen Wege in Abhängigkeit vom Bremsdruck für die
Hybridbremse und die Nurkohlenstoffbremse dargestellt sind;
Figur
7 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit des statischen Drehmomentes von der Normalkraft
für die nasse Hybrid- und Nurkohlenstoffbremse dargestellt ist; Figur 8 ein Diagramm,
in dem der Spitzendrehmomentwirkungsgrad in Abhängigkeit von der Anfangsgeschwindigkeit
für die Hybrid- und Nurkohlenstoffbremse dargestellt ist; Figur 9 ein Diagramm,
in dem das Spitzendrehmoment in Abhängigkeit von der Anfangsgeschwindigkeit für
die trockene Hybrid- und Nurkohlenstoffbremse dargestellt ist; und die Figuren 10
und 11 Diagramme, in denen der Verschleiß als Dickenverlust und als Gewichtsverlust
von verschiedenen Reibelementen für die Hybrid- und Nurkohlenstoffbremse dargestellt
ist.
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Die in Figur 1 gezeigte Flugzeugbremseinheit 10 umfaßt ein Paket 11
von ineinander verschachtelten Rotoren 12, 14, 16 und 18 und Statoren 20, 22 und
24, die zwischen einer Stützplatte 26 und einer Druckplatte 28 angeordnet sind.
Ein Betätigungskolben 30 ist so angeordnet, daß er sich in Eingriff mit der Druckplatte
28 befindet. Die Rotoren 12, 14, 16 und 18 und
Statoren 20, 22,
und 24 bestehen aus drehmoment- und wärmeabsorbierendem Compositmaterial auf Kohlenstoffbasis,
das gegenwärtig bei Flugzeugbremsen mit niedrigem Gewicht Verwendung findet, wie
es beispielsweise in der US-PS 3 724 612 beschrieben ist. Die Reibflächen auf Kohlenstoffbasis
der Rotoren 12, 14, 16 und 18 und Statoren 20, 22 und 24 sind einstückig aus ihrem
drehmomentabsorbierenden Material auf Kohlenstoffbasis ausgebildet. Diese Reibflächen
wirken so zusammen, daS an den Grenzflächen zwischen benachbarten Reibflächen Reibpaare
32, 34, 36, 38, 40 und 42 auf Kohlenstoffbasis gebildet werden. An der Stützplatte
26 und der Druckplatte 28 sind Reibklötze 43 und 44 auf Metallbasis befestigt. Desweiteren
sind Reibklötze 48 und 50 auf Metallbasis an den Rotoren 12 und 18 auf Kohlenstoffbasis
befestigt, so daß sie jeweils zu den Klötzen 42 und 44 benachbart sind.
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Bei dem Reibmaterial auf Metallbasis handelt es sich um ein metall-keramisches
Material, wie es beispielsweise in der US-PS 3 037 860 beschrieben ist. Die Klötze
43, 44, 46 und 48 können an der Stützplatte 26, der Druckplatte 28 oder den Rotoren
12 und 18 mit Hilfe von Nieten 52 oder anderen geeigneten Befestigungsvorrichtungen
befestigt sein.
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Die Reibflächen der Klötze 43, 48 und 44, 50 bilden jeweils Reibpaare
54 und 56 auf Metallbasis. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind
die Reibpaare 54 und 56 auf Metallbasis an çyegenüberliegenden Enden des Bremspaketes
11 abgeordnet, wobei sich die Reibpaare 32, 34, 36, 38, 40 und 42 auf Kohlenstoffbasis
zwischen den Reibpaaren 54 und 56
auf Metallbasis befinden.
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In Figur 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der die gleichen Teile wie in Figur 1 mit entsprechenden Bezugsziffern versehen
sind, die um 100 erhöht sind. Die in Figur 2 dargestellten Ausführungsform unterscheidet
sich von der der Figur 1 dadurch, daß die Reibpaare 154 und 69 auf Metallbasis in
nächster Nähe der Stützplstte 126 und nicht mehr an gegenüberliegenden Enden des
Bremspaketes 111 angeordnet sind. Der Rotor 60 besteht aus drehmoment- und wärmeabsorbierendem
Material auf Kohlenstoffbasis. An gegenüberliegenden Seiten des Rotors 60 auf Kohlenstoffbasis
sind Reibklötze 62und 64 auf Metallbasis befestigt. Reibklötze 142 und o6auf Metallbasis
sind ebenfalls an der Stützplatte 126 und dem Stator 68 benachbart zum Rotor 60
angeordnet. Die Klötze 142 und 62 auf Metallbasis und die Klötze 64 und 66 auf Metallbasis
wirken Jeweils zusammen und bilden Reibpaare 154 und 69 auf Metallbasis.
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Die Rotoren 114, 116, 70 auf Kohlenstoffbasis, die Statoren 68, 122,
124 auf Kohlenstoffbasis und der Klotz 72 auf Kohlenstoffbasis an der Druckplatte
128 wirken zusammen und bilden Reibpaare 134, 136, 138, 140, 142 und 74 auf Kohlenstoffbasis.
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Die Bremseinheiten 10, 110 der Figuren 1 und 2 funktionieren in üblicher
Weise, d.h. in Ansprache auf ein Betätigungssignal bewegen sich die Betätigungskolben
30, 130 in
Richtung auf die Stützplatten 26, 126, um die Rotoren
und Statoren der Sremspakete 11, 111 in Reibeingriff zu pressen und dadurch die
Drehung eines nicht dargestellten Rades, das relativ zu den Rotoren fixiert ist,
zu verzögern.
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Durch die Kombination aus Reibpaaren auf Metallbasis und solchen auf
Kohlenstoffbasis in einem Bremspaket mit Rotoren und Statoren, die aus drehmoment-
und wärmeabsorbierendem Material auf Kohlenstoffbasis bestehen, wird gegenüber Bremsen,
bei denen alle Reibpaare auf Kohlenstoff basieren, ein verbessertes Betriebsverhalten
erreicht. Durch eine solche Kombination werden die gewichtsreduzierenden Vorteile
eines das Bremspaketes, bei dem/vorherrschende Material Kohlenstoff mit geringem
Gewicht ist,zu einem großen Teil beibehalten.
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Es wurde eine Hybridbremse unter Verwendung einer Mischung aus Reibpaaren
auf Metall-Keramik-Basis und Kohlenstoffbasis konstruiert. Die Hybridbremse umfaßte
vier Rotoren, die aus Kohlenstoffmaterial hergestellt wurden. Reibbelagpaare 54
und 56 aus Metall-Keramik wurden an der Grenzfläche zwischen dem Rotor 12 und der
Stützplatte 26 und an der Grenzfläche zwischen der Druckplatte 28 und dem Rotor
18 vorgesehen. Die Rotoren wiesen radiale Schlitze auf, die auf ihren Reibflächen
eingearbeitet waren, um die Entfernung von Wasser von den Reibflächen zu erleichtern,
Reibbeläge aus Metall-Keramik wurden an der Stahldruckplatte 28 und der Stützplatte
26 befestigt.
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Reibbeläge aus Metall-Keramik wurden ebenfalls an den
Rotoren
12 und 18 auf Kohlenstoffbasis befestigt, und zwar mit Hilfe von Befestigungselementen
und Nieten. Es wurde dabei in ähnlicher Weise wie bei dem herkömmlichen Befestigungsverfahren
zur Anbringung von Reibbelägen auf Kohlenstoffbasis an einer Stahlstützplatte vorgegangen.
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Simulierte Vergleichstests wurden durchgeführt, um das Betriebsverhalten
dieser Hybridbremse mit einer Standardbremse mit der gleichen Kolbenfläche,jedoch
mit sämtlichen Reibpaaren auf Kohlenstoffbasis und mit einer ähnlichen Nurkohlenstoffbremse
mit radial geschlitzten Rotoren zu vergleichen. Die Bremswege einer nassen Hybridbremse
und einer nassen Standardbremse (mit geschlitzten und nicht geschlitzten Rotoren)
wurden bei verschiedenen Bremsdrücken und Anfangsgeschwindigkeiten von 15 und 30
mph miteinander verglichen, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. Wie man den
Figuren 3 und 4 entnehmen kann, führte die nasse Hybridbremse mit geschlitzten Rotoren
zu kürzeren Bremswegen als die nassen Standardbremsen mit geschlitzten oder nicht
geschlitzten Rotoren. Es wurde festgestellt, daß bei höheren Geschwindigkeiten die
Standardbremse ohne geschlitzte Rotoren keine Verbesserungen des Betriebsverhaltens
gegenüber der Standardbremse mit geschlitzten Rotoren brachte. Folglich wurden die
verbleibenden Untersuchungen an einer Standard-Nurkohlenstoffbremse mit nicht geschlitzten
Rotoren durchgeführt. Die gleichen Untersuchungen wurden an der Hybridbremse mit
geschlitzten Rotoren aus wirtschaftlicher Notwendigkeit durchgeführt.
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Als beste Ausführungsform der Erfindung werden jedoch Hybridbremsen
ohne geschlitzte Rotoren angesehen; folglich sind daher die Ergebnisse von Bremsen
mit nicht geschlitzten Rotoren in den Figuren 1 und 2 dargestellt.
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Diejenigen Strecken, die erforderlich waren, um die Geschwindigkeit
von 60 auf 30 mph und von 100 auf 30 mph zu reduzieren, sind in den Figuren 5 und
6 für die nasse Hybridbremse mit geschlitzten Rotoren und für die nasse Standardbremse
mit nicht geschlitzten Rotoren dargestellt. Die Figuren 5 und 6 zeigen, daß die
nasse Hybridbremse zu kürzeren Bremswegen führte als die nasse Standardbremse. Bei
allen diesen dynamischen Tests war der Bremsweg der Hybridbremse wesentlich geringer
als der entsprechende Weg der Standard-Nurkohlenstoffbremse, unabhängig davon, ob
diese mit geschlitzten oder nicht geschlitzten Rotoren ausgerüstet war.
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In Figur 7 sind die Ergebnisse eines Vergleiches der statischen Spitzendrehmomente
der nassen Hybridbremse (geschlitzt) und der nassen Standardbremse für verschiedene
Bremsdrücke dargestellt. Wie gewünscht, weist die nasse Hybridbremse ein erhöhtes
statisches Drehmoment gegenüber der nassen Standardbremse auf. Die Drehmomentwirkungsgrade
und die Spitzendrehmomente einer trockenen Hybridbremse (geschlitzt) und einer Standardbremse
wurden bei verschiedenen Geschwindigkeiten miteinander verglichen. Diese Ergebnisse
sind in den Figuren 8 und 9 dargestellt. Hierbei sind bei Geschwindigkeiten
über
9 mph die Spitzenwerte für die Hybridbremse geringfügig höher als die Spitzenwerte
für die Standardbremse, was nicht wünschenswert ist. Diese Ergebnisse beziehen sich
jedoch auf Hybrid- und Standardbremsen mit den gleichen Kolbenflächen. Aufgrund
des guten Betriebsverhaltens der Hybridbremse wird angenommen, daß ein zufriedenstellendes
Betriebsverhalten auch bei Verwendung einer kleineren Kolbenfläche in der Hybridbremse
erreicht werden kann. Deshalb erscheint es wahrscheinlich, daß durch Reduzierung
der Kolbenfläche der Hybridbremse die Spitzendrehmomentwerte der trockenen Hybridbremse
in gewünschter Weise reduziert werden können.
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Schließlich wurde der Verschleiß der Hybridbremse und der Standardbremse
in Form der Gewicht und Dickenreduzierung von verschiedenen Elementen in dem entsprechenden
Bremspaket miteinander verglichen. Die entsprechenden Ergebnisse sind in den Figuren
10 und 11 dargestellt. Bei den Reibpaaren auf MetalilKeramikbasis der Hybridbremse
trat der größte Verschleiß in den keramischen Reibelementen 44 und 50 auf, die der
Druckplatte 28 nächstgelegen sind. Dies wird durch die Punkte 80, 82, 84 und 86verdeutlicht.
Im Gegensatz dazu trat bei den Reibpaaren auf Kohlenstoffbasis der Standard bremse
der größte Verschleiß in den Reibelementen auf Kohlenstoffbasis auf, die der Stützplatte
26 nächst gelegen sind. Folglich ist es empfehlenswert, die Reibpaare auf Metall-Keramikbasis
in nächster Nähe der Stützplatte
anzuordnen, wie bei der in Figur
2 dargestellten Ausführungsform, um einen gleichmäßigen Verschleiß des Bremspaketes
zu erhalten.
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L e e r s e i t e