DE3839073A1

DE3839073A1 - Bremsscheibe fuer schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE3839073A1
Application number: DE19883839073
Authority: DE
Inventors: Hannes Dipl Ing Gebhardt; Mathias Schoerwerth
Original assignee: Knorr Bremse AG
Current assignee: Knorr Bremse AG
Priority date: 1988-11-18
Filing date: 1988-11-18
Publication date: 1990-05-23
Also published as: DE3839073C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 oder 4.

Bei Radbremsscheibenkonstruktionen bekannter Art sind zu beiden Seiten eines Steg- bzw. Radscheibenkörpers Bremsscheibenringe vorgesehen, welche geteilt sind und Bohrungen zur Aufnahme von Durchgangs- und Paßschrauben aufweisen. Mit Hilfe dieser Schrauben, welche sich auch durch Bohrungen im mittigen Radsteg erstrecken, werden die beiden Bremsscheibenringe bzw. die diese Ringe bildenden Ringsegmente gegenseitig verspannt. Die Bohrungen in den Bremsscheibenringen bzw. -segmenten können nach einem vorbestimmten Muster positioniert sein, um gezielt Dehnungsbewegungen des Materials der Bremsscheibenringe während thermischer Wechselbelastung zu erreichen. Trotz der Verwendung von insbesondere zur radialen Zentrierung beitragenden Paßschrauben kann bei Abbremsung und daraus resultierender hoher thermischer Belastung die Gefahr bestehen, daß im Bereich der Bohrungen, d. h. an den Rändern derselben Spannungskonzentrationen auftreten. Diese können zu einer Rißbildung führen, mit der Folge, daß sogar ein Durchriß der Bremsscheibenringe von einer Bohrung zur anderen möglich ist.

Auch bei Wellenbremsscheibenkonstruktionen kann es in der Reibfläche, so z. B. im Grenzbereich des Ringinnen- bzw. -außenumfanges zu thermisch induzierten Spannungen kommen, welche Rißbildungen hervorrufen können; dies gilt insbesondere bei thermisch hoch belasteten Wellenbremsscheiben in mit hoher Geschwindigkeit fahrenden Schienenfahrzeugen.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, derartige Nachteile von durch Spannungskonzentrationen induzierten Rißbildungen zu vermeiden. In Anwendung an Radbremsscheiben soll dabei auf die Vorteile der Befestigung mit Hilfe von Durchgangsschrauben und Paßschrauben nicht verzichtet werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 oder 4.

Die Maßnahme, die Reibfläche, die in Umfangsrichtung nicht von Bohrungen unterbrochen wird, von der Reibfläche, die von Bohrungen unterbrochen wird, durch ringförmig angeordnete Rillen einer bestimmten Tiefe zu trennen, trägt dazu bei, daß die Spannungskonzentrationen weitgehend abgebaut werden. Die ringförmig an den verlaufenden Entlastungsrillen besitzen in ihrer Geometrie keinerlei Kerben, die Temperaturkonzentrationen und somit Spannungen hervorrufen könnten. Eine Rißbildung ist hierdurch weitgehend ausgeschlossen. Die Ausgestaltung der Bremsscheibenringe unter Verwendung von Entlastungrillen ist nicht auf eine bestimmte geometrische Zuordnung der Reibbeläge beschränkt, d. h. die erwünschte Reduzierung von Spannungskonzentrationen wird selbst dann herbeigeführt, falls die Reibbeläge die gesamte Ringfläche der beiden Bremsscheibenringe überdecken sollte. Hierdurch ist eine universelle Verwendbarkeit der Bremsscheibenringe gegeben. In gleicher Weise ist das Konzept der Entlastungsrillen bei reinen Wellenbremsscheiben verwirklichbar, bei welchen die Bremsscheibenringe nicht durch Schrauben miteinander verbunden sind, sondern durch Stegkörper bzw. Noppen, welche im Innenbereich die Ringabschnitte miteinander verbinden. Die Wellenbremsscheiben tragen hierbei an ihren Außenflächen Entlastungsrillen beliebiger Anzahl und beliebiger geometrischer Zuordnung und sind hierdurch auch wie die Radbremsscheibenkonstruktionen für Bremsbeläge unterschiedlicher Dimensionen verwendbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine in der Zeichnung gezeigte Radbremsscheibe und eine Wellenbremsscheibe erläutert.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen aus zwei Ringsegmenten bestehenden erfindungsgemäßen Bremsscheibenring für eine Radbremsscheibe;

Fig. 2 ist eine gegenüber der Darstellung nach Fig. 1 vergrößerte Teilschnittansicht von Linie II-II in Fig. 1, unter Darstellung des Schienenfahrzeug-Laufrades; und

Fig. 3 ist eine der Ansicht nach Fig. 2 vergleichbare Teilschnittansicht einer Wellenbremsscheibe.

In der Zeichnung (Fig. 2) ist in Schnittdarstellung die Hälfte eines Radkörpers dargestellt, welcher eine Radscheibe 1, einen Nabenteil 3 und einen Laufring 5 aufweist. An den beiden Seiten der Radscheibe sind Bremsscheibenringe 7 und 9 befestigt. Die Bremsscheibenringe werden durch seitlich einwirkende (nicht dargestellte) Bremsbeläge einer Scheibenbremsanordnung beaufschlagt, wenn der Radkörper abzubremsen ist.

Die Bremsscheibenringe 7 und 9 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) geteilt wiedergegeben, d. h. sie sind in Ringsegmente 11 und 13 unterteilt. Die Bremsscheibenringe sind an den Seitenflächen 15 und 17 der Radscheibe 1 mittels Paßschrauben 19 und Durchgangsschrauben 21 befestigt. Die Paßschrauben und Durchgangsschrauben erstrecken sich hierbei durch Bohrungen der Bremsscheibenringe 7 und 9, wobei Schaftteile 23 und 25 der Paßschrauben bündig in den zugeordneten Bohrungen der Bremsscheibenringe aufgenommen sind. Die Paßschrauben sind also ohne Spiel in den Bremsscheibenringen geführt. Im Bereich der Radscheibe sind die Paßschrauben teilweise von Gleitbuchsen 27 umschlossen; diese Gleitbuchsen sind im allgemeinen U-förmig ausgebildet und vermitteln eine radiale Zentrierung der Bremsscheibenringe bei thermisch hervorgerufener Dehnung. Die Durchgangsschrauben 21 durchsetzen mit einem gewissen Spiel die Radscheibe 1 (Fig. 2) und sind mit den Paßschrauben in einem bestimmten Muster am Umfang der Bremsscheibenringe 7 und 9 angeordnet, derart, daß gezielt Dehnungsbewegungen der Ringsegmente ermöglicht sind, wenn beim Abbremsen starke Temperaturerhöhungen in den Bremsscheibenringen auftreten.

Trotz genauer Positionierung von Durchgangsschrauben und Paßschrauben bzw. Gleitpaßschrauben der vorbeschriebenen Konstruktion und Wirkungsweise ist nicht auszuschließen, daß insbesondere im Bereich der Bohrungen von diesen Risse ausgehen können, welche sich im Wechsel von Erhitzung und Abkühlung im Verlaufe von Bremsvorgängen bilden können. Derartige Risse sind durch Spannungskonzentrationen an den Bohrungsrändern zu erklären, d. h. ungleichförmige thermische Belastungen in der Masse der Ringsegmente führen zu einer Rißbildung, welche im allgemeinen von den Bohrungen ausgeht.

Gemäß der Erfindung wird eine derartige Rißbildung auch bei höchster thermischer Belastung der Ringsegmente vermieden, indem die Bremsscheibenringe in Umfangsrichtung verlaufende Entlastungsrillen 29 aufweisen. Diese Entlastungsrillen sind so angeordnet, daß sie die Bohrungen für die Paß- und Durchgangsschrauben an der Innen bzw. Außenseite des Durchmessers tangential streifen und so von der mittleren Reibfläche 31 bis zu einer bestimmten Tiefe trennen. Die (nicht dargestellten) Reibbeläge können z. B. nur den mittleren Bereich der Reibfläche 31 oder aber auch jeweils die Gesamtfläche einschließlich der Abschnitte b und c überdecken. Die Festigkeit der die Reibfläche tragenden Ringsegmente wird hierdurch kaum beeinträchtigt. Die die Dauerfestigkeit bestimmenden Parameter werden in jedem Fall beibehalten, somit muß eine Reduzierung der Bremsleistung nicht in Kauf genommen werden.

Die Zahl der Entlastungsrillen ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt, sie hängt von der Art der gewählten Schraubenbefestigung ab, sie kann auch von der Größe und Formgebung der an die Radbremsscheibe anzudrückenden Bremsbeläge abhängen. Die Entlastungsrillen können eingegossen oder eingedreht werden; gemäß Fig. 2 ist die Tiefe t der Entlastungsrillen vorzugsweise größer als die Verschleißtiefe f, um eine Spannungsverteilung der gewünschten Art während der gesamten Verschleißdauer der Bremsscheibe zu erhalten. Ausgehend von der in Fig. 1 wiedergegebenen radialen Aufteilung sind durch die Entlastungsrillen 29 die radialen Abschnitte a, b und c mit im wesentlichen konstanter Temperaturverteilung bei Reduzierung der Spannungen insbesondere in den Grenzbereichen ausgestattet. Risse, wie sie im allgemeinen durch Spannungskonzentrationen zu beiden Seiten der mittleren Reibfläche 31, insbesondere an den Bohrungen für die Paß- und Durchgangsschrauben auftreten können, sind durch die Entlastungsrillen vermeidbar.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Entlastungsrillen 29 an einer reinen Wellenbremsscheibe 33 verwirklicht, welche sich von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Radbremsscheibe dadurch unterscheidet, daß die beiden Bremsscheibenringe 35 und 37 durch Stege 39 oder dergleichen Noppen etc. miteinander in Verbindung stehen und z. B. mit einer gemeinsamen Nabe 41 verbunden sind. Es sind somit keinerlei Paß- oder Durchgangsschrauben erforderlich, wie sie in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt sind. Gleichwohl sind die in der Ausführungsform nach Fig. 3 vorgesehenen Entlastungsrillen 29, von welchen pro Bremsscheibenring beispielsweise zwei Stück vorgesehen sind, in der Lage, den mittleren Bereich der Reibfläche 31 von den radial innen- und außenliegenden ringförmigen Bereichen so zu trennen, daß eine Reduzierung der Spannungen am Übergang vom thermisch stark belasteten zum thermisch weniger stark oder nicht belasteten Bereich erreicht wird. Im besonderen ist eine gleichförmigere Temperaturverteilung erzielbar, was bei mit hoher Geschwindigkeit laufenden Schienenfahrzeugen, also bei höchster thermischer Bremsbelastung, erwünscht ist.

Die Entlastungsrillen, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 erläutert wurden, können auch so ausgebildet und in ihrer Position einander so zugeordnet werden, daß sie der Konfiguration der jeweils verwendeten Bremsbeläge angepaßt sind; dies gilt insbesondere für die Verwendung von nierenförmig ausgestalteten Bremsbelägen, welche infolge ihrer geometrischen Anordnung ungleichförmige Temperaturverteilungen an den Reibflächen der Bremsscheibenringe bzw. -segmente hervorrufen können. Die ringförmigen Rillen werden durch mechanische Bearbeitung (Drehen) im Material der Bremsscheibenringe eingearbeitet und weisen am Grund und am Übergang zur Reibfläche einen Abrundungsradius auf. Dieser ist gleich oder größer als die Verschleißtiefe. Da scharfe Kanten an ungleichmäßig beanspruchten Bremsscheiben zur Rißbildung führen, werden die Kanten, die sich an der Seite der Reibflächen befinden, abgerundet. Die Temperaturverteilung in einem Radbremsscheibenring mit Entlastungsrillen hängt vorwiegend von der Belaggeometrie der Bremsbeläge und vom Überdeckungsgrad ab, wobei der Belag in seiner Geometrie vorzugsweise so konstruiert ist, daß ein einen bestimmten Wert übersteigender Temperatursprung nicht auftreten kann. Vorteilhafterweise werden segmentförmige Bremsbeläge mit annähernd 100% Überdeckungsgrad an den Bremsscheibenringen verwendet.

Das erläuterte Prinzip der Spannungsentlastungsrillen ist für jedwede Bremsscheibenkonstruktion geeignet, also auch bei Wellenbremsscheibenkonstruktionen bekannter Art, bei welchen die Befestigung außerhalb der Reibfläche stattfindet. Die Entlastungsrillen verhindern die Rißbildung, die vorwiegend auf einen schlechten Überdeckungsgrad von Reibfläche zu Belag zurückzuführen ist und meistens in der Reibflächenmitte beginnt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Temperatur im Bereich der Reibflächenmitte am höchsten ist und nicht schnell über die angrenzenden Bereiche abgebaut werden kann. Hierzu kommen noch die Zugspannungen in den Speichen von sogenannten Monoblockscheiben hinzu, welche die Ausdehnung des Reibringmaterials verhindern. Auch aus diesem Grund konstruktiver Auslegung der Bremsscheibe erweisen sich die Entlastungsrillen als vorteilhaft, um Spannungskonzentrationen abzubauen. Trotz der enormen Vorteile, welche derartige Entlastungsrillen an Bremsscheibenkonstruktionen mit sich bringen, sind die Herstellungskosten niedrig anzusetzen, da mit herkömmlichen Dreh-Maschinen gearbeitet werden kann.

Bezugszeichenliste:

1 Radscheibe
3 Nabenteil
5 Laufring
7 Bremsscheibenring
9 Bremsscheibenring
11 Ringsegment
13 Ringsegment
15 Seitenfläche
17 Seitenfläche
19 Paßschraube
21 Durchgangsschraube
23 Schaftteil
25 Schaftteil
27 Gleitbuchse
29 Entlastungsrille
31 Reibfläche
33 Wellenbremsscheibe
35 Bremsscheibenring
37 Bremsscheibenring
39 Steg
41 Nabe

Claims

1. Bremsscheibe für Schienenfahrzeuge, in Ausbildung als Radbremsscheibe, mit zu beiden Seiten eines Radscheibenkörpers angeordneten Bremsscheibenringen, welche mittels den Radscheibenkörper durchsetzender, von Bohrungen der Bremsscheibenringe geführter Paß- und/oder Durchgangsschrauben miteinander verbunden sind, gekennzeichnet durch ringförmige, im Material der Bremsscheibenringe ausgebildete Entlastungsrillen (29), welche vorzugsweise im Grenzbereich der Bohrungen für die Paß- und Durchgangsschrauben (19, 21) verlaufen.

2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, bei welcher sowohl im Bereich des Innenumfanges als auch im Bereich des Außenumfanges unter Winkelabstand zueinander Bohrungen zur Aufnahme von Durchgangsschrauben bzw. Paßschrauben vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsrillen (29) die Bohrungen an der Innen- bzw. an der Außenseite des Durchmessers tangential streifen, derart, daß ein mittlerer Bereich der Reibfläche (31), ein radial innen und ein radial außen liegender Bereich zwischen jeweils zwei Entlastungsrillen (29) und jeweils ein radial innen und außen endender Grenzbereich der Bremsscheibenringe gebildet ist.

3. Bremsscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Reduzierung von Spannungskonzentration, vorzugsweise an den Bohrungsrändern für die Paß- und Durchgangsschrauben, beitragenden Entlastungsrillen (29) im Material der Bremsscheibenringe (7, 9) eingegossen oder durch mechanische Bearbeitung gefertigt sind.

4. Bremsscheibe für Schienenfahrzeuge, in Ausbildung als Wellenbremsscheibe, mit mittels Stegkörpern bzw. Noppen oder dgl. Verbindungselementen miteinander verbundenen Bremsscheibenringen, welche von einer gemeinsamen Nabe getragen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenflächen der Bremsscheibenringe, vorzugsweise radial innerhalb und außerhalb eines Mittelbereiches der Reibfläche (31), Entlastungsrillen (29) von Ringform vorgesehen sind.

5. Bremsscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt zwei Entlastungsrillen (29) vorgesehen sind.

6. Bremsscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Entlastungsrillen (29) größer ist als der Verschleißtiefe an den beiden Bremsscheibenringen (7, 9) entspricht.