Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlluftzuführung für
die Radbremse eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Aus der DE 38 40 321 A1 ist eine Kühlluftzuführung be
kannt, bei der ein Lüfterrad über einen Freilauf an
triebsmäßig mit dem Fahrzeugrad verbunden ist. Durch den
Freilauf wird erreicht, daß bei einer Abbremsung des
Fahrzeugs das Lüfterrad sich mit der ursprünglichen Rad
drehzahl weiterdrehen kann. Hierdurch wird bei einer Be
tätigung des Bremssystems bis hin zum Stillstand der
Fahrzeugräder ein Nachlaufen des Lüfterrades ermöglicht,
das damit zusätzliche Kühlluft zu den Bremsenelementen
führt. Bei Beschleunigung des Fahrzeugs wird auch das
Lüfterrad wieder entsprechend der Raddrehzahl mitgenom
men.
Nachteilig bei der bekannten Kühlluftzuführung ist, daß
die durch den Freilauf ermöglichte Nachlaufphase zeitlich
begrenzt ist. Das Lüfterrad weist eine nur relativ ge
ringe träge Masse auf, so daß bei einem Absinken der Rad
drehzahl auch die Drehzahl des Lüfterrades in kurzer Zeit
entsprechend absinkt und somit nur kurzzeitig zusätzliche
Kühlluft zu den Bremsenelementen gefördert wird.
Bei Fahrten mit nur geringen Geschwindigkeitsschwan
kungen, die im praktischen Fahrbetrieb überwiegen, liegen
annähernd gleiche Drehzahlen von Fahrzeugrad und Lüfter
rad vor, wodurch das Lüfterrad kaum zusätzliche Kühlluft
zu den Bremsenelementen fördern kann. Gerade bei Paßab
fahrten mit hoher Bremsenbeanspruchung bei nahezu gleich
bleibender Fahrzeuggeschwindigkeit bewirkt die bekannte
Anordnung keine nennenswerte Bremsenabkühlung.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Kühl
luftzuführung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Kerngedanke ist es dabei, eine Einrichtung vorzusehen,
die die Drehzahl des Lüfterrades gegenüber der Raddreh
zahl permanent anhebt. Durch das feste Übersetzungsver
hältnis wird eine erhöhte Lüfterraddrehzahl bei allen
Fahrzuständen erreicht, während der Freilauf eine solche
Drehzahlerhöhung nur bei Verzögerungsvorgängen des Fahr
zeuges, die nur einen kleinen Bruchteil der gesamten
Fahrzeugbetriebsdauer ausmachen, ermöglicht. Durch die
Drehzahldifferenz zwischen Lüfterrad einerseits und Fahr
zeugrad sowie den mit dem Fahrzeugrad rotierenden
Bremsenelementen andererseits wird somit eine Relativbe
wegung geschaffen, die es ermöglicht, den Bremsenelemen
ten bei jedem Fahrzustand Kühlluft zuzuleiten. Außerdem
wird durch die Übersetzungseinrichtung das Volumen der
geförderten Kühlluft absolut angehoben, während gemäß der
bekannten Lösung die maximale Drehzahl des Lüfterrades
durch die vorangegangene Maximaldrehzahl des Fahr
zeugrades bestimmt wird.
Der Begriff "Radbremse" umfaßt in Verbindung mit der Er
findung alle Bauarten von Bremsen, die der Abbremsung
eines Rades und damit eines Fahrzeugs dienen. Die Erfin
dung läßt sich damit auch auf Radbremsen anwenden, die
nicht unmittelbar in Radnähe angeordnet sind. Die Erfin
dung erstreckt sich gleichermaßen auf Scheibenbremsen,
Trommelbremsen und weitere Bauarten von Radbremsen.
Das Lüfterrad ist antriebsmäßig mit dem Fahrzeugrad ge
koppelt, das heißt, der Antrieb erfolgt entweder direkt
über das Fahrzeugrad oder über mit dem Fahrzeugrad ver
bundene Bauelemente, wie z. B. die Radantriebswelle oder
rotierende Bremsen- oder Lagerkomponenten. Damit läßt
sich die erfindungsgemäße Kühlluftzuführung in gleicher
Weise sowohl auf angetriebene als auch auf nicht ange
triebene Fahrzeugräder anwenden.
Haupteinsatzgebiet der Erfindung sind Kraftfahrzeuge.
Darüber hinaus läßt sich die erfindungsgemäße Kühl
luftzuführung auch bei anderen Fahrzeugen, wie beispiels
weise Anhängern oder Schienenfahrzeugen, vorteilhaft ein
setzen. Die Erfindung kann auch bei Radbremsen von Flug
zeugen zur Anwendung kommen.
Der Begriff "Lüfterrad" wurde aus Gründen der Anschau
lichkeit gewählt. Er umfaßt nicht nur Lüfterräder mit in
gleicher Teilung angebrachten Luftleitelementen, sondern
generell jede Einrichtung, die geeignet ist, bei Rotation
Kühlluft in radialer und/oder axialer Richtung zu
fördern. Selbstverständlich kann die Kühlluftzuführung
auch durch mehrere Lüfterräder, die z. B. nebeneinander
angeordnet sind, gebildet werden.
Bei der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach
Anspruch 2 wird anstelle des Freilaufes als Lagereinheit
für das Lüfterrad ein Wälzlager eingesetzt. Durch den An
trieb über die Wälzkörper dieses Wälzlagers steht ohne
nennenswerten zusätzlichen Aufwand eine Übersetzungsein
richtung zur Verfügung, deren Wirkungsprinzip nachfolgend
kurz erläuteret ist:
Durch den Drehzahlunterschied zwischen dem feststehenden
Innenring und dem rotierenden Außenring des Wälzlagers
drehen sich die Wälzkörper nicht nur um ihre eigene
Achse, sondern führen auch eine Kreisbahnbewegung um die
Mittelachse des Wälzlagers aus. Diese Kreisbahnbewegung
erfolgt mit etwa der halben Drehzahl der Außenringrota
tion, was umgekehrt bedeutet, daß bei einem Antrieb über
die Wälzkörper der Außenring mit in etwa der doppelten
Drehzahl der Wälzkörper rotiert. Damit wird durch eine
einfache und gegenüber einem herkömmlichen Wälzlager
praktisch kostenneutrale Maßnahme ein äußerst kompakt
bauendes Übersetzungsgetriebe gewonnen. Voraussetzung für
ein einwandfreies Funktionieren ist lediglich, daß die
Wälzkörper zwischen Innen- und Außenring nicht
durchrutschen. Dies kann durch geringe Übermaße der Wälz
körper erzielt werden. Bei nicht kugelsymmetrischen Wälz
körpern kann eine derartige "Vorspannung" auch durch
leichtes Schrägstellen der Wälzkörper bezüglich ihrer
Rotationsachsen erzielt werden.
Der "fahrzeugradseitige Antrieb" der Wälzkörper schließt
selbstverständlich auch den Antrieb über mit dem
Fahrzeugrad rotierende Bauelemente mit ein, wie sinngemäß
unter Anspruch 1 bereits ausgeführt.
Der bei vielen Wälzlagerbauarten vorhandene Wälzkörperkä
fig, der die Wälzkörper zueinander beabstandet zwischen
Innen- und Außenring des Wälzlagers führt, wird gemäß An
spruch 3 verwendet, um alle Wälzkörper gleichzeitig über
ein gemeinsames Bauelement anzutreiben. Dieser
"Käfigantrieb" kann entweder durch vom Käfig abstehende
Teile oder durch in Aussparungen des Käfigs eingreifende
Teile erfolgen. Voraussetzung ist lediglich, daß der Kä
fig wegen der höheren Belastung gegenüber herkömmlichen
Bauarten etwas verstärkt wird.
Vierpunkt-Rillenkugellager gemäß Anspruch 4 zeichnen sich
durch geringe Reibungsverluste aufgrund der linienförmi
gen Abrollbahnen der Wälzkörper aus. Sie sind zudem ko
stengünstig in ihrer Herstellung.
Gegenüber Wälzlagern mit herkömmlichen Wälzlagerkäfigen
bietet die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5
Vorteile hinsichtlich der Verlustleistung aus der Glei
treibung zwischen den Wälzkörpern und dem Wälzkörper
käfig:
Bei "Käfigantrieb" über einen konventionellen Käfig lie
gen die Halte- und Mitnahmelaschen des Käfigs am Außenum
fang der Wälzkörper an und übertragen durch Gleitreibung
die zum Antrieb des Lüfterrades erforderliche Kraft auf
die Wälzkörper. Die aus dieser Gleitreibung resultierende
Verlustleistung errechnet sich aus dem Produkt von Reib
kraft, Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugrades und Radius
des Wälzkörpers.
Gemäß der Ausführung des Wälzlagers nach Anspruch 5
greift eine gleich große Reibkraft (gleiche Anzahl von
Wälzkörpern und gleichen Reibungskoeffizienten vorausge
setzt) bei ebenfalls gleicher Winkelgeschwindigkeit nicht
am Außenumfang, sondern im Inneren der einzelnen Wälzkör
per an. Damit ergibt sich aufgrund des kleineren wirksa
men Radius auch eine geringere Verlustreibung aus der
Gleitreibung zwischen den Zapfen und den Wälzkörpern.
Als Vorteil hieraus resultiert eine geringere thermische
Belastung des Wälzlagers.
Die Ausführung des Wälzlagers gemäß Anspruch 6 ermöglicht
einen gleitreibungsfreien Betrieb und damit die sichere
Einhaltung eines konstanten Übersetzungsverhältnisses so
wie eine lange Lebensdauer. Mit drei gleichmäßig versetz
ten Zapfen wird bereits eine Anordnung erzielt, die hoch
belastbar ist und sich durch geringe Reibungsverluste
auszeichnet. Durch die Verwendung von rollenförmigen Na
deln mit Standardmaßen ergeben sich relativ niedrige
Herstellkosten für diese erfindungsgemäße Bauart eines
Wälzlagers.
Durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7
wird der im Bereich einer Radbremse naturgemäß be
schränkte Bauraum in vorteilhafter Weise ausgenutzt: Das
innerhalb der Bremsscheibe liegende Lüfterrad wirkt als
Radialgebläse und drückt Kühlluft durch die Kühlkanäle
zwischen den beiden Reibringen der innenbelüfteten Brems
scheibe. Durch diese Anordnung wird eine besonders wir
kungsvolle Kühlung der Bremsscheibe erzielt. Durch eine
Verbreiterung des Lüfterrades in Richtung des Bremsschei
bentopfes kann über Bohrungen im Bremsscheibentopf auch
Kühlluft auf die Außenseite eines der Reibringe gelangen.
In gleicher Weise kann durch einen seitlichen Überstand
des Lüfterrades über den Bremsscheibentopf hinaus der
zweite Reibring ebenfalls von außen mit Kühlluft versorgt
werden. Selbstverständlich kann anstelle der innenbelüf
teten Bremsscheibe auch eine Bremsscheibe mit nur einem
Reibring zum Einsatz kommen.
Neben den beschriebenen Formen von Radiallüfterrädern ist
es ebenso möglich, ein Lüfterrad mit axialer Förderrich
tung neben einer Radbremse anzuordnen, z. B. seitlich ne
ben einer Trommelbremse.
Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand
der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Fahrzeugrad mit
einer Scheibenbremse und einem ersten Ausfüh
rungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Kühlluft
zuführung,
Fig. 2 ein vergrößert dargestelltes Detail entspre
chend der in Fig. 1 mit II bezeichneten
strichpunktierten Umrandung,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlluft
zuführung in der Vorderansicht,
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kühlluft
zuführung in einer der Fig. 2 entsprechenden
Darstellung und
Fig. 5 eine Schnittdarstellung entsprechend der
Schnittverlaufslinie V-V in Fig. 4.
Fig. 1 zeigt im Vertikalschnitt eine mit 4 bezeichnete
Scheibenbremse mit einer erfindungsgemäßen Kühlluftzufüh
rung im Inneren der von einer Radscheibe 2a bzw. 2b und
einem Felgenbett 3 eines Fahrzeugrades 1 gebildeten
"Radschüssel". In der oberen Hälfte der Fig. 1 ist hier
bei eine Radscheibe 2a und ein Felgenbett 3 aus Stahl
dargestellt, während die Radscheibe 2b in der unteren
Hälfte der Darstellung aus Leichtmetallguß hergestellt
ist. Die Scheibenbremse 4 besteht aus einer innenbelüfte
ten Bremsscheibe 5 mit einem ersten und einem zweiten
Reibring 6 bzw. 7 und dazwischenliegenden Lüftungskanälen
8. Die Bremsscheibe 5 ist über einen Bremsscheibentopf 9
mit einer Radlagereinheit 10 verbunden. Weitere Bremsen
elemente, wie Bremssattel und Bremsbacken, sind aus Grün
den der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Radla
gereinheit 10 besteht aus einem Innenring 11 und einem
Außenring 12. Der Innenring 11 ist auf dem Achsschenkel
13 des Fahrzeugrades 1 festgelegt. Bei dem Fahrzeugrad 1
handelt es sich um ein nicht angetriebenes Rad einer Vor
derradaufhängung, von der lediglich das Federbein 14 und
Radführungselemente 15 andeutungsweise dargestellt sind.
Auf der radabgewandten Seite der Radlagereinheit 10 ist
am Außenumfang eines Absatzes 16 des Achsschenkels 13 ein
in Fig. 1 nur schematisch dargestelltes Wälzlager 17 ko
axial zur Mittelachse 32 der Scheibenbremse 4 angeordnet.
Der Innenring 18 des Wälzlagers 17 ist hierbei festste
hend ausgebildet. Die mit einem nicht dargestellten
Wälzkörperkäfig zusammengehaltenen Wälzkörper 19 sind mit
dem Außenring 12 der Radlagereinheit 10 verbunden (in
Fig. 1 symbolisiert durch Verbindungselemente 23), so daß
der Käfig mit der Drehzahl des Fahrzeugrades 1 rotiert.
Über die Drehbewegung des Wälzlagerkäfigs wird ein Außen
ring 20 des Wälzlagers 17 angetrieben. Mit dem Außenring
20 des Wälzlagers 17 ist ein Lüfterrad 21 fest verbunden.
Das Lüfterrad 21 trägt mehrere am Umfang verteilte
Lüfterflügel 22.
Bei Rotation des Fahrzeugrades 1 wird über den Außenring
12 der Radlagereinheit 10 das Lüfterrad 21 durch die mit
dem "Käfigantrieb" erzielte Übersetzung innerhalb des
Wälzlagers 17 mit in etwa der doppelten Drehzahl des
Fahrzeugrades 1 angetrieben. Durch diese Diffe
renzdrehzahl zwischen Lüfterrad 21 und Bremsscheibe 5
entsteht eine besonders wirkungsvolle Durch- und Umströ
mung der Scheibenbremse 4, die durch die Strömungspfeile
in Fig. 1 symbolisiert wird. Die Kühlluftströmung teilt
sich dabei in zwei Teilströme auf:
Zum einen fördert das Lüfterrad 21 direkt Kühlluft durch
die Lüftungskanäle 8 zwischen den beiden Reibringen 6 und
7 der Bremsscheibe 5. Durch den Überstand der Lüfterflü
gel 22 zur Fahrzeugmitte hin wird andererseits auch Kühl
luft in Richtung der offenen Seite der Radschüssel geför
dert. Diese Kühlluft überstreicht hierbei die äußere Flä
che des Reibringes 7.
Wird abweichend von der Darstellung der Fig. 1 ein Lüf
terrad eingesetzt, das auch radseitig Kühlluft fördert,
so kann durch gestrichelt eingezeichnete Bohrungen 24 im
Bremsscheibentopf 9 Kühlluft auch in Richtung der Rad
scheibe 2a, b strömen und hierbei die Außenfläche des
Reibringes 6 abkühlen. Der Austritt dieses Kühlluftstro
mes aus der Radschüssel wird durch Öffnungen 25a, b in
der Radscheibe 2a bzw. 2b ermöglicht.
Fig. 2 zeigt das Wälzlager 17 der Kühlluftzuführung in
vergrößerter Darstellung. Beim Wälzlager 17 handelt es
sich um ein Vierpunkt-Rillenkugellager. Die Vierpunktauf
lage der kugelförmigen Wälzkörper 19 wird durch die
strichpunktierten Wirkungslinien 28 verdeutlicht. Das
Wälzlager 17 besteht aus einem feststehenden Innenring
18, mehreren am Umfang verteilten kugelförmigen Wälzkör
pern 19 sowie einem geteilten Außenring 20, der sich aus
zwei Außenringhälften 20a, b zusammensetzt. Eine Kappe 26
umgreift hierbei die feststehende Außenringhälfte 20a
ebenso wie die bewegliche Außenringhälfte 20b. Über eine
Wellfeder 27 wird die Außenringhälfte 20b in Richtung der
Wälzkörper 19 gedrückt, so daß das Wälzlager 17 eine in
nere Vorspannung erhält.
Die Wälzkörper 19 sind in einem Wälzkörperkäfig 29 zusam
mengefaßt, der drei gleichmäßig am Umfang verteilte, vom
Wälzlager 17 axial abstehende Mitnehmer 30 aufweist. Die
Mitnehmer 30 greifen in Aussparungen 31 des Außenrings 12
der Radlagereinheit 10 ein.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer er
findungsgemäßen Kühlluftzuführung schematisch darge
stellt. Das Lüfterrad 221 der Kühlluftzuführung weist
mehrere Lüfterflügel 222 auf und ist am Außenring 220
eines in seiner Gesamtheit mit 217 bezeichneten Wälzla
gers angeordnet. Der Innenring des Wälzlagers 217 trägt
die Bezugszahl 218. Zwischen Innen- und Außenring 218
bzw. 220 sind drei hohlzylindrische Walzkörper 219 mit
kreiszylindrischer äußerer Mantelfläche 61 angeordnet. In
die Mittenbohrungen dieser Wälzkörper 219 greifen Zapfen 60
ein, die äquidistant an einem nicht dargestellten
Tragelement angeordnet sind, das dem Wälzlagerkäfig 29
aus Fig. 2 entspricht. Das Tragelement seinerseits wird
in der oben beschriebenen Weise z. B. von der Radla
gereinheit 10 angetrieben. Zwischen der inneren Mantel
fläche 62 der Wälzkörper 219 und den Zapfen 60 liegt also
eine Gleitlagerung vor, während die Wälzkörper 219
zwischen Innen- und Außenring 218 bzw. 220 des Wälzlagers
217 abrollen, wobei eine entsprechende Vorspannung im
Wälzlager 217 einen schlupffreien Betrieb ermöglicht.
In Fig. 3 sind die für die Verlustleistung P = FR·v =
FR·ω·r aus der Gleitreibung zwischen Zapfen 60 und
Wälzkörpern 219 maßgeblichen Größen eingetragen: Die Tan
gentialkraft F beträgt wegen der drei Wälzkörper 219 ein
Drittel der für den Antrieb des Lüfterrades 221 erforder
lichen Umfangskraft. Durch Multiplikation mit dem wirken
den Gleitreibungskoeffizienten µ erhält man die auftre
tende Reibkraft FR. Die Winkelgeschwindigkeit ω ergibt
sich aus der Abrollfrequenz des Wälzkörpers 219. Über den
Radius r der Zapfen 60 ergibt sich aus der Winkelge
schwindigkeit ω die Umfangsgeschwindigkeit v am Ort der
Gleitlagerung.
Zum Vergleich mit der konventionellen Käfigausführung des
ersten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 2 der für die
Gleitreibung maßgebliche Radius R im Wälzkörper 19 darge
stellt. Der konventionelle Wälzlagerkäfig 29 des Wälzla
gers 17 überträgt die Antriebskraft F (nicht dargestellt,
da senkrecht zur Zeichenebene) direkt auf den Außenumfang
der einzelnen Wälzkörper 19. Da Winkelgeschwindigkeit
und Reibkraft FR (gleiche Anzahl von Wälzkörpern und
gleicher Reibkoeffizient vorausgesetzt) identisch mit
den entsprechenden Größen des zweiten Ausführungsbei
spiels sind, ergibt sich aus dem größeren wirksamen Ra
dius R der Gleitreibungsstelle eine entsprechend höhere
Reibleistung.
Anstelle eines käfigartigen Tragelementes für die Zapfen
60 können die Zapfen 60 auch direkt an der Radlagerein
heit 10 angebracht sein. Die für den schlupffreien Be
trieb des Wälzlagers 217 erforderliche Vorspannung muß
durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise einen federnd
ausgeführten Außenring 220 mit schräg verlaufendem Feder
schlitz, sichergestellt werden. Statt der Wälzkörper 219
mit zylindrischer äußerer Mantelfläche 61 können auch
tonnenförmige Wälzkörper zum Einsatz kommen, mit denen
eine Vierpunktauflage oder eine Vorspannung mittels eines
Wellringes in einfacher Weise möglich sind.
Die Fig. 4 und 5 zeigen ein drittes Ausführungsbei
spiel einer erfindungsgemäßen Kühlluftzuführung, bei dem
die Gleitlagerung zwischen Käfig 29 bzw. Zapfen 60 und
Wälzkörpern 19 bzw. 219 durch eine Lagerung mit Rollrei
bung ersetzt wurde. Die Darstellung der Fig. 5 weicht
dabei maßlich etwas von der Darstellung der Fig. 4 ab.
Die Kühlluftzuführung besteht in analoger Weise aus einem
Lüfterrad 121, das über ein Walzlager 117 von der Radla
gereinheit 110 des Fahrzeugrades 1 angetrieben wird.
Die beiden Figuren zeigen den Aufbau des Wälzlagers 117
im einzelnen: Der Innenring 118 des Wälzlagers 117 ist
auf dem Achsschenkel 113 einer Radaufhängung festgelegt.
Der Außenring 120 trägt ein Lüfterrad 121 mit mehreren
Lüfterflügeln 122. Als Wälzkörper 119 sind Nadelringe 41
ausgebildet, die zwischen Innen- und Außenring 118 bzw.
120 abrollen. Der Antrieb des Wälzlagers 117 erfolgt
durch drei Zapfen 40, die in axialer Richtung vom Außen
ring 112 der Radlagereinheit 110 abstehen. Die gleitrei
bungsfreie Rotationsbewegung der Nadelringe 41 um die
Bolzen 40 wird durch nadelförmige Rollen 42 ermöglicht,
die in Nadelhülsen 43 zusammengefaßt sind. Die Nadelhül
sen 43 führen somit eine Kreisbahnbewegung mit der Win
kelgeschwindigkeit des Fahrzeugrades 1 sowie eine Eigen
rotation um die Mittelachsen 44 der Bolzen 40 aus. Sie
rollen dabei mit ihrem Außenumfang 46 an der Innenseite
des Außenringes 120 ab. Die nadelförmigen Rollen 42 ro
tieren sowohl um die Mittelachse 132 der Scheibenbremse 4
als auch die Mittelachsen 44 der Bolzen 40 und führen zu
dem eine Rotation um ihre eigenen Längsachsen 45 aus.
Die Nadelhülsen 43 sind radial vorgespannt, so daß ein
schlupffreier Antrieb des Außenrings 120 erfolgt.
In Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels können an
stelle der nadelförmigen Rollen 42 auch kugelförmige
Wälzkörper zum Einsatz kommen. In diesem Fall werden die
Nadelringe 43 der Fig. 4 und 5 praktisch durch kleine
Kugellager ersetzt, deren Innenringe auf den Bolzen 40
festgelegt sind und deren Außenringe an der Innenseite
des Außenrings 120 des Wälzlagers 117 abrollen.