DE4430280A1 - Innenbelüftete Bremsscheibe für ein Fahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine innenbelüftete Brems­ scheibe für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Aus den Fig. 3 und 4 der DE 43 31 683 A1 ist eine Bremsscheibe bekannt, in deren Kühlluftkanälen an den Innenseiten der Reibringe langgestreckte Rippen mit ge­ ringer Höhenerstreckung angeordnet sind. Die im Quer­ schnitt rechteckförmigen Rippen verlaufen in Strömungs­ richtung und dienen der Wärmeableitung.

Durch die beschriebenen Längsrippen kann zwar unter Um­ ständen aufgrund der Oberflächenvergrößerung eine Erhö­ hung der Wärmeableitung erzielt werden, der Wärmeübergang von der Bremsscheibe auf die Kühlluft an sich wird jedoch nicht beeinflußt. Da die Bremsscheiben aus Metallguß be­ stehen, ist die Oberfläche der Kühlluftkanale durch eine Gußhaut geprägt und besitzt eine entsprechend hohe Rauhigkeit. In den Vertiefungen der Bremsscheibenoberflä­ che setzt sich die im warmen Zustand sehr zähe Luft fest. Die vorbeiströmende Kühlluft streicht über diese Vertie­ fungen hinweg, so daß oberflächennahe Strömungstotgebiete entstehen. Hierdurch wird die Wärmeabfuhr von der Brems­ scheibe verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeabgabe der Brems­ scheibe an die durchströmende Kühlluft zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kerngedanke ist es dabei, die Erhebungen so auszubilden, daß sie eine Verwirbelung der durchströmenden Kühlluft erzeugen, wodurch die Kühlluft auch in die Rauhigkeitstä­ ler der Bremsscheibenoberfläche eindringen kann. Hierfür genügen bereits Erhebungen mit geringer Höhe, da die er­ zeugten Luftwirbel die oberflächennahe Grenzschicht der Kühlluftkanäle auflösen und somit eine entscheidende Ver­ besserung des Wärmeübergangs zwischen Bremsscheibe und Kühlluft bewirken.

Die als "Turbolatoren" wirkenden Erhebungen erhohen den Strömungswiderstand in den Kühlluftkanälen allerdings in nicht zu vernachlässigender Weise. Deshalb ist erfin­ dungsgemäß eine von der Bremsscheibe getrennte Einrich­ tung vorgesehen, die Kühlluft ins Zentrum der innenbelüf­ teten Bremsscheibe fördert. Durch diese Maßnahme tritt die Kühlluft bereits mit einer gewissen Anfangsgeschwin­ digkeit in die Kühlluftkanäle ein, so daß der Luftdurch­ satz deutlich erhöht wird. Die Kombination aus Beschleu­ nigung und anschließender Verwirbelung der Kühlluft er­ möglicht eine besonders wirkungsvolle Bremsscheibenküh­ lung.

Auch in der DE-AS 12 38 351 ist der Effekt einer von der Bremsscheibenoberflache mitgeführten Grenzschicht be­ schrieben, die als Isolationsschicht wirkt und den Zu­ tritt der Kühlluft zur Oberfläche der Bremsscheibe behin­ dert. Daher schlägt die DE-AS Feststehende Abweiser vor, deren Kannen in der von der Bremsscheibe mitgeführten heißen Luftgrenzschicht liegen, so daß die Grenzschicht abgehoben bzw. abgelenkt wird. In der Praxis jedoch läßt sich eine derartige grenzschichtauflösende Einrichtung, die nicht mit der Bremsscheibe mitrotiert, nicht reali­ sieren: Aufgrund der Fertigungstoleranzen der Brems­ scheibe, des über der Zeit abnehmenden Dickenmaßes der Bremsscheibe (Verschleiß) und eines sich im Betrieb der Bremse möglicherweise einstellenden seitlichen Scheiben­ schlages müssen die feststehenden Abweiser in einem Min­ destabstand von der Bremsscheibe angeordnet werden. Da die Grenzschicht nur ca. 1 mm dick ist, sind die vorge­ schlagenen Abweiser wegen dieses erforderlichen Min­ destabstandes zwangsläufig wirkungslos.

Die verschiedenen Ausgestaltungen von Erhebungen gemäß Anspruch 2 erzeugen auf einfache und wirkungsvolle Weise eine Verwirbelung der Kühlluft. Der Strömungswiderstand wird - auch wegen der geringen Höhe der Erhebungen - nur in beschränktem Maße erhöht. Die Erhebungen können regel­ mäßig oder unregelmäßig angeordnet sein. Zweckmäßig ist eine versetzte Anordnung in radialer Richtung. Erhebungen mit Oberflächen, die durch Kanten begrenzt werden, sind hinsichtlich der Erzeugung von Luftwirbeln wirkungsvol­ ler.

Eine besonders wirkungsvolle Verwirbelung der Kühlluft wird gemäß Anspruch 3 durch quer zur Strömungsrichtung angestellte Rippen erzielt. Hinter den Querrippen entste­ hen, je nach Geometrie der Rippen, ein oder zwei gegen­ läufige Längswirbel. Die Längswirbel erhöhen den Wärme­ übergang durch das "Auswaschen" der stehenden Luft in den Oberflächenvertiefungen. In Strömungsrichtung sind hier­ bei mehrere Rippen hintereinander anzuordnen, mit einem Abstand, der auf die Turbulenzwirkung der Rippen abge­ stimmt ist. Die Rippen können im Kühlluftkanal umlaufend oder nur an gegenüberliegenden Begrenzungswänden angeord­ net, sein.

V-förmig verlaufende Rippen (Anspruch 4) wirken sich be­ sonders vorteilhaft auf die Luftverwirbelung aus. Die Ab­ winkelung der beiden Schenkel der Rippen kann dabei asym­ metrisch erfolgen.

Scharfkantige Rippenformen gemäß Anspruch 5 erzeugen durch die scharfe Abrißkante eine intensivere Luftverwir­ belung.

Zur Erhöhung des Luftdurchsatzes sind generell verschie­ dene Maßnahmen denkbar. So kann durch eine geeignete Kühlluftführung vom Frontbereich des Fahrzeuges hin zum Bremsenbereich der Fahrtwind genutzt werden, um den Kühl­ luftdurchsatz durch die Bremsscheibe zu erhöhen. Beson­ ders vorteilhaft ist es, gemäß Anspruch 6 ein eigenes Ge­ bläse vorzusehen, das unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit für einen erhöhten Kühlluftdurch­ satz sorgt. Das Gebläse kann beispielsweise im Motorraum des Fahrzeuges angeordnet sein und über entsprechend ver­ legte Schläuche den Bremsscheiben Kühlluft zuführen.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 verwendet ein Lüfterrad, das mittels eines Übersetzungsgetriebes, beispielsweise eines Planetengetriebes, über die Brems­ scheibe angetrieben wird. Eine derartige Anordnung ist aus der (noch nicht offengelegten) Anmeldung P . . . be­ kannt. Durch diese Anordnung wird eine Kühlluftzuführung direkt auf den mittigen Lufteinlaßbereich der Brems­ scheibe ermöglicht, ohne daß die Kühlluft über Schläuche aufwendig zugeführt werden muß.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige Ausfüh­ rungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Bremsscheibe im Querschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellungsweise,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Innenseite der Reibfläche einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe, mit unterschiedlich gestalteten Erhebungen zur Ver­ wirbelung der Kühlluft und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Luftverwirbe­ lung hinter rippenartigen Erhebungen (Abbildung dem VDI-Bericht 192 entnommen).

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Bremsscheibe 1, die sich aus einem Bremsscheibentopf 2 und einem äußeren sowie einem inneren Reibring 3 bzw. 4 zusammensetzt. Durch die beiden Reibringe 3 und 4, die über radial ver­ laufende Stege 5 miteinander verbunden sind, entstehen Kühlluftkanäle 6. Diese Kühlluftkanäle 6 werden durch paarweise gegenüberliegende Begrenzungswände (Reibringe 3 und 4 bzw. Stege 5) geformt. Kühlluft strömt über den Eintrittsquerschnitt 7 in Richtung des Pfeils 8 in den Kühlluftkanal 6 ein und tritt über den Austrittsquer­ schnitt 9 wieder aus Bremsscheibe aus.

Gemäß der Erfindung sind an den Innenseiten der Reibringe 3 und 4 rippenförmige Erhöhungen vorgesehen. Im Falle der Fig. 1 handelt es sich dabei um sägezahnförmige Rippen 10, deren steile Flanken entgegen der Strömungsrichtung 8 angestellt ist. Die Rippen 10 an den beiden Reibringen 3 und 4 sind versetzt angeordnet.

Die Rippen 11 der Fig. 2 sind im Querschnitt rechteck­ förmig und ebenfalls versetzt an den beiden Reibringen 3 und 4 angeordnet.

Die Teilansicht der Fig. 3 zeigt eine Bremsscheibe 1 mit Blickrichtung auf die Innenseite eines der Reibringe 3 oder 4. In der Darstellung sind mehrere Ausführungsbei­ spiele luftverwirbelnder Erhebungen zusammengefaßt. Die einzelnen Kühlluftkanäle 6a bis 6g werden von radial ver­ laufenden, geradlinigen oder gekrümmten Stegen 5 bzw. 5a voneinander getrennt.

So weist der Kühlluftkanal 6a kreiszylindrische und ke­ gelförmige Erhebungen 12 bzw. 13 auf. Diese Erhebungen 12 und 13 sind in Strömungsrichtung versetzt regelmäßig an­ geordnet. Der Kühlluftkanal 6e ist mit im Querschnitt dreieckförmigen Erhebungen 14 bzw. 15 ausgestattet. Die Erhebungen sind beispielsweise zylindrisch mit dreiecki­ ger Grundfläche (Erhebungen 14) bzw. pyramidenförmig (Erhebungen 15).

Generell sind alle Formen von "stiftartigen" Erhebungen mit beliebigen Querschnitten denkbar. Wie die Darstellung der Kühlluftkanäle 6a und 6e zeigt, können die Erhebungen dabei entweder zylindrisch sein oder aber konisch zulau­ fen. Auch kuppenförmige Erhebungen (Halbrund etc.) sind möglich.

Im Unterschied zu den Kühlluftkanälen 6a und 6e, bei denen stiftartige Erhebungen 12 bis 15 zur Luftverwirbe­ lung eingesetzt sind, sind die Kühlluftkanäle 6a bis 6d sowie 6f und 6g mit langgestreckten Erhebungen versehen, die sich über die gesamte Breite der jeweiligen Kühl­ luftkanäle erstrecken.

Im Kühlluftkanal 6b sind geradlinige Rippen 16 unter einem Winkel α zur Strömungsrichtung 8 angestellt.

In analoger Weise ist der gekrümmte Kühlluftkanal 6f mit leicht gekrümmten Rippen 19, die unter einem Winkel β tangential zur Strömungsrichtung 8 verlaufen, ausgestat­ tet.

Die V-förmigen Rippen 17 und 18 der Kühlluftkanäle 6c bzw. 6g sind symmetrisch bzw. asymmetrisch ausgebildet. Der Kühlluftkanal 6d schließlich ist mit wellenförmigen Rippen 20 versehen.

Fig. 4 zeigt die Entstehung von Luftverwirbelungen in einem von zwei Begrenzungswänden 103, 104 gebildeten Kühlluftkanal 106: Hinter den V-förmig ausgebildeten Rip­ pen 117 bilden sich gegenläufige Längswirbel 21, die in die durch die Oberflächenrauhheit der Begrenzungswände 103, 104 gebildeten Strömungstotgebiete vordringen und die dort festsitzende warme Luft herauslösen. Die einzel­ nen Reihen der Rippen 117 sind in einem Abstand d ange­ ordnet, der auf die wirksame Länge der Längswirbel 21 ab­ gestimmt ist.

Eine Einrichtung zur Erhöhung der Durchsatzmenge und der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft ist bildlich nicht dargestellt. Generell ist hierfür jede Einrichtung ge­ eignet, die dafür sorgt, daß im Zentrum der innenbelüfte­ ten Bremsscheibe 1 Luft bereitgestellt wird, die eine be­ stimmte Strömungsgeschwindigkeit in Richtung der Pfeile 8 besitzt.

Claims (7)

1. Innenbelüftete Bremsscheibe für ein Fahrzeug, mit zwei zueinander parallelen Reibringen, die durch ra­ dial verlaufende Stege miteinander verbunden sind, wobei die Stege zusammen mit den Innenseiten der Reibringe Kühlluftkanäle bilden, mit einzelnen Erhe­ bungen an den Begrenzungswänden der Kühlluftkanäle, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (10 bis 20; 117) so ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie eine Verwirbelung der Kühlluft in den Kühl­ luftkanälen (6; 6a bis 6g; 106) erzeugen und daß eine die Durchsatzmenge der Kühlluft erhöhende Ein­ richtung vorhanden ist, die die Kühlluft bereits vor ihrem Eintritt in die Kühlluftkanäle (6; 6a bis 6g; 106) beschleunigt.

2. Innenbelüftete Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (12 bis 15) halbkugel-, zylinder-, kegel- oder pyramidenähn­ lich sind.

3. Innenbelüftete Bremsscheibe nach Anspruch 1, mit rippenartigen Erhebungen an den Begrenzungswänden der Kühlluftkanäle, dadurch gekennzeichnet, daß die rippenartigen Erhe­ bungen (16 bis 20; 117) unter einem Winkel (α; β) von 30 bis 90° zur radialen Strömungsrichtung (8) der Kühlluft angeordnet sind.

4. Innenbelüftete Bremsscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rippenartigen Erhe­ bungen (17; 18; 117) V-förmig verlaufen.

5. Innenbelüftete Bremsscheibe nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rippenartigen Erhe­ bungen (10, 11) im Querschnitt dreieck- oder rechteckähnlich sind.

6. Innenbelüftete Bremsscheibe nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Durchsatzmenge der Kühlluft erhöhende Einrichtung von einem Kühl­ luftgebläse gebildet wird.

7. Innenbelüftete Bremsscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlluftgebläse ein koaxial zur Rotationsachse der Bremsscheibe angeord­ netes Lüfterrad aufweist und ein Getriebe vorgesehen ist, das eine Drehzahlerhöhung des Lüfterrades gegenüber der Bremsscheibe erzeugt.