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Die Erfindung betrifft einen Bremskolbenkopf für eine Scheibenbremsvorrichtung, einen Bremskolben sowie eine entsprechende Scheibenbremsvorrichtung, wobei der Bremskolbenkopf zur Bremskraftübertragung von einem Bremskolben auf eine Reibbelagträgerplatte ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Bremskolbenköpfe, Bremskolben und Scheibenbremsenvorrichtungen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Moderne Kraftfahrzeugbremsen werden in der Regel entweder hydraulisch oder pneumatisch betätigt. Dabei wird mittels Druckluft oder mittels Bremsflüssigkeit Kraft auf einen Reibbelag ausgeübt, der hierdurch an einem relativ zum Reibbelag drehbaren Körper gepresst wird. Bekannte Bremssysteme sind Trommelbremsen und Scheibenbremsen, bei denen der Reibbelag zum Bremsen gegen eine Bremstrommel oder eine Bremsscheibe gepresst wird. Für Hochleistungsanwendungen werden meist Scheibenbremsen verwendet, da diese eine bessere Wärmeabfuhr erlauben als Trommelbremsen und daher eine höhere Bremsleistung erbringen können, ohne zu überhitzen. Durch Pressen des Reibbelags an die Bremsscheibe wird Reibung erzeugt, die Wärme produziert. Durch diesen Vorgang wird kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und das Kraftfahrzeug entsprechend dem Verlust an kinetischer Energie verlangsamt.
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Der Reibbelag ist üblicherweise auf einer Belagträgerplatte aufgebracht bzw. befestigt, da der Reibbelag meist elastisch ist und somit selbst nicht stabil genug zur unmittelbaren Kraftübertragung ist. Die entsprechende Bremskraft wird meist mittels hydraulisch oder pneumatisch betätigten Bremszylindern aufgebracht, die rückseitig gegen die Belagträgerplatte wirken. Zwischen den Bremszylindern und der Reibbelagplatte können Bremskolbenköpfe angeordnet sein, die in manchen Ausgestaltungen Bestandteil der Bremskolben sind. In anderen Ausgestaltungen sind die Bremskolbenköpfe separat zu den Bremskolben ausgebildet.
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Die
DE 10 2005 009 398 A1 beschreibt beispielsweise ein Bremsbelagpaar für eine Scheibenbremse, wobei die Belagträgerplatte entsprechend den jeweils auftretenden Belastungen, insbesondere Biegebelastungen und dem Bauraum eines Bremssattels angepasst, unterschiedliche Konfigurationen und Dimensionierungen aufweist. So ist dort beispielsweise vorgesehen, die Belagträgerplatte als Gussteil auszubilden, wobei an der Belagträgerplatte Vertiefungen und/oder Erhebungen sowie Löcher vorsehbar sind, welche mit dem Reibbelag formschlüssig korrespondieren. Dabei wird die Belagträgerplatte vorzugsweise als Gussteil hergestellt, was eine flexible Formgebung der Belagträgerplatte, etwa mit Versteifungsrippen oder Formschlussteilen ermöglicht.
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Die Ausbildung von Belagträgerplatten als Gussteile anstelle eines Blechformteils, wie etwa einer Stahlplatte, ist erst ab einer hohen Stückzahl rentabel. Solche Stückzahlen sind für einen Nutzfahrzeugmarkt in der Regel nicht gegeben, da die unterschiedlichen Systeme zu stark diversifiziert sind. Selbst unter Berücksichtigung des Ersatzteilgeschäfts bieten sich die dort erreichbaren Stückzahlen nicht für eine solche Ausgestaltung an.
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Die
DE 10 2008 019 003 A1 offenbart einen Bremsbelag, insbesondere für eine Nutzfahrzeugscheibenbremse, einen zugehörigen Adapter sowie eine mit dem Bremsbelag und dem Adapter ausgestattete Scheibenbremse für Nutzfahrzeuge. Der Bremsbelag weist eine Trägerplatte auf, an der ein Reibbelag angeordnet ist, wobei die Trägerplatte an ihrer dem Reibbelag abgewandten Seite zumindest einen Krafteinleitungsbereich aufweist, mit welchem ein mit einem Bremsstößel in Wirkverbindung stehender Adapter in Betriebsstellung der Bremse zur Anlage gelangt, wobei zur Fixierung von Adapter und Trägerplatte zumindest in Radialrichtung und Umfangsrichtung, bezogen auf die Bremsscheibengeometrie, an der Trägerplatte Haltemittel vorgesehen sind, welche mit adapterseitig vorgesehenen Haltemitteln korrespondieren.
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Aus vielfältigen Gründen ist es auch im Nutzfahrzeugbereich wünschenswert, im Bereich der Bremsanlagen Leichtbaumaterialien zu verwenden. Zu diesen Gründen zählen einerseits die damit erreichbare Gewichtsersparnis, andererseits aber auch ein besseres thermisches Verhalten bestimmter Leichtbaumaterialien gegenüber herkömmlichen Materialien. Da insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen sehr hohe Bremskräfte benötigt werden, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 200 kN, halten herkömmliche Bremsanlagen, die mit Leichtbaumaterialien an kritischen Stellen gebaut sind, den hohen Belastungen nicht stand. In einem Lastfall können sich die Leichtbaumaterialien dauerhaft verformen, was die Sicherheit und Funktionstüchtigkeit der Bremsen beeinträchtigen kann. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien, insbesondere im Bereich einer Belagträgerplatte, ist daher nicht ohne Weiteres möglich und wird heutzutage meist vermieden.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Scheibenbremsenvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass sie den Einsatz von Leichtbaumaterialien, insbesondere von Leichtbau-Belagträgerplatten, ermöglicht, insbesondere bei Nutzfahrzeugen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Bremskolbenkopf gemäß Anspruch 1, einen Bremskolben gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10 sowie durch eine Scheibenbremsvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12. Weiterführende Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Bremskolbenkopf für eine Scheibenbremsvorrichtung dient zur Bremskraftübertragung von einem Bremskolben auf eine Reibbelagträgerplatte. Der Bremskolbenkopf weist einen bremskolbenseitigen Krafteinleitungsbereich und einen der Reibbelagträgerplatte zugewandten Kraftausleitungsbereich auf. Die Querschnittsfläche des Bremskolbenkopfes im Kraftausleitungsbereich ist größer als eine Querschnittsfläche im Krafteinleitungsbereich.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geometrie des Bremskolbenkopfes auf Basis seines Materials, seiner Querschnittsfläche im Krafteinleitungsbereich und/oder seiner durch die Scheibenbremsvorrichtung vorgegebenen Einbauhöhe derart gewählt ist, dass im Wesentlichen alle vom Bremskolben in den Krafteinleitungsbereich eingeleiteten Kraftfeldlinien durch den Bremskolbenkopf hindurch über die gesamte Querschnittsfläche oder im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs verteilt in die Reibbelagträgerplatte übertragen werden.
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Dadurch wird erreicht, dass die in den Krafteinleitungsbereich über den Bremskolben eingeleiteten Kräfte im Wesentlichen auf die gesamte Fläche des Kraftausleitungsbereichs des Bremskolbenkopfes verteilt wird. Die Verteilung der Kraftausleitung im Kraftausleitungsbereich bedingt eine flächige Krafteinleitung in den Reibbelagträger und vermeidet dadurch Spannungsspitzen im Reibbelagträger.
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Dies wirkt einer möglichen Verformung des Reibbelagträgers entgegen und ermöglicht somit die Verwendung von Reibbelagträgern aus Leichtbaumaterialien. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfes wird der Einsatz von Leichtbaumaterialien in Bereichen möglich, in denen bisher solche Leichtbaumaterialien nicht eingesetzt werden konnten.
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In einer ersten möglichen weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Geometrie des Bremskolbenkopfes auf Basis seines Materials, seiner Querschnittsfläche im Krafteinleitungsbereich und/oder seiner durch die Scheibenbremsvorrichtung vorgegebene Einbauhöhe derart gewählt ist, dass alle vom Bremskolben in den Krafteinleitungsbereich eingeleiteten Kraftfeldlinien oder im Wesentlichen alle vom Bremskolben in den Krafteinleitungsbereich eingeleiteten Kraftfeldlinien über die gesamte Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs oder im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs homogen verteilt in die Reibbelagträgerplatte übertragen werden. Die jeweiligen Partialflächendrücke in Teilbereichen des Kraftausleitungsbereichs sind dadurch im Wesentlichen gleich.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Reibbelagträgerplatte entsprechende Geometrien aufweisen kann, die die Krafteinleitung beeinflussen. Durch komplementäres Anpassen der Geometrie des Bremskolbenkopfes an die Reibbelagträgerplatte in der entsprechenden Weise kann trotzdem eine homogene Krafteinleitung erreicht werden.
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Ein anderer weiterführender Aspekt des erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfes sieht vor, dass die Geometrie des Bremskolbenkopfes derart gewählt ist, dass sich die übertragenden Kraftfeldlinien im Wesentlichen durch den gesamten Bremskolbenkopf erstrecken. Somit ist der Bremskolbenkopf derart gestaltet, dass er durchgehend gleichförmig beansprucht wird und im Bremskolbenkopf selbst keine erheblichen Spannungsunterschiede auftreten. Dies reduziert die mechanische Belastung des Bremskolbenkopfes und trägt zu dessen Langlebigkeit bei. Darüber hinaus ist der Bremskolbenkopf im Rahmen dieser Ausgestaltung der Erfindung in seinen Ausmaßen minimiert, sodass der Bremskolbenkopf leicht ist und kein Gewicht verschwendet wird.
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Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung des Bremskolbenkopfes kann vorgesehen sein, dass sich der Bremskolbenkopf im Querschnitt vom Krafteinleitungsbereich zum Kraftausleitungsbereich monoton, insbesondere stufig oder kontinuierlich verbreitert. Auf diese Weise wird die über die Krafteinleitungsseite des Bremskolbenkopfes eingeleitete Kraft auf eine größere Fläche ausgeleitet, wodurch der Bremsdruck besser verteilt wird. Die Belagträgerplatte wird hierdurch gleichmäßiger und mit kleineren Partialflächendrücken belastet. Die Spannungsunterschiede in der Belagträgerplatte können verringert werden, wodurch das Verformungsrisiko Belagträgerplatte sinkt. Ob eine stufige oder eine kontinuierliche Verbreiterung gewählt wird, kann auch von den zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen in einer entsprechenden Bremse abhängen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfes kann dieser als Vollkörper ausgebildet sein. Es hat sich gezeigt, dass die Übertragung der Kraftfeldlinien über die gesamte Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs mit Vollkörpern besonders gut realisierbar ist. Zudem lassen sich Vollkörper einfach herstellen.
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Ein weiterer möglicher Aspekt des erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfs sieht vor, dass eine gedachte Verbindungslinie, die in einem Längsschnitt durch den Bremskolbenkopf direkt gegenüberliegende Querschnittsflächenränder des Krafteinleitungsbereichs und des Kraftausleitungsbereichs miteinander verbindet, einen Winkel zwischen 25° und 55° zur Querschnittsfläche im Kraftausleitungsbereich aufweist. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe einer solchen Geometrie des Bremskolbenkopfs eine entsprechende Verteilung von Kraftfeldlinien durch den Bremskolbenkopf erreicht werden kann. Zudem kann dadurch eine entsprechende Vergrößerung der Fläche des Kraftausleitungsbereichs gegenüber dem Krafteinleitungsbereich erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfs kann vorgesehen sein, dass die Kanten des Bremskolbenkopfs im Kraftausleitungsbereich gefast und/oder abgerundet sind, wobei der Rundungsradius insbesondere zwischen 2 mm und 10 mm beträgt. Durch Vorsehen einer Fase an den Kanten des Bremskolbenkopfs oder durch Vorsehen entsprechender Rundungen kann verhindert werden, dass Kraftspitzen über die äußeren Schichten des Bremskolbenkopfes, also in den Randbereichen, übertragen werden. Eine Verteilung der Kraftfeldlinien durch den Bremskolbenkopf über die gesamte Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs, insbesondere eine homogene Verteilung, wird dadurch verbessert. Rundungsradien zwischen 2 mm und 10 mm haben sich als besonders geeignet erwiesen.
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Ein weiterer Aspekt eines erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfs sieht vor, dass der Bremskolbenkopf im Wesentlichen oder vollständig konusförmig, insbesondere kegelstumpfförmig, ausgebildet ist. Durch entsprechende Berechnungen konnte gefunden werden, dass konusförmige Bremskolbenköpfe dazu geeignet sind, Kraftfeldlinien über die gesamte Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs zu verteilen.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bremskolbenkopfs sieht vor, dass der Durchmesser der Querschnittsfläche des Kraftausleitungsbereichs zwischen 20 mm und 120 mm, insbesondere zwischen 40 mm und 90 mm, beträgt. Auf diese Weise lässt sich eine großflächige Anlage des Bremskolbenkopfs an einer Reibbelagträgerplatte erreichen.
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Ein erster unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft einen Bremskolben mit einem Bremskolbenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Durch einen entsprechenden Bremskolbenkopf wird erreicht, dass Leichtbaumaterialien, beispielsweise Aluminiumlegierungen, im Umfeld von Hochleistungsbremsanlagen, insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, ermöglicht wird.
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Gemäß einem weiterführenden Aspekt des erfindungsgemäßen Bremskolbens können Bremskolbenkopf und Bremskolben einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Einstückige Ausbildungen erleichtern die Montage einer entsprechenden Bremse, mehrstückige Ausgestaltungen können die Standardisierung von Komponenten erleichtern.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft eine Scheibenbremsvorrichtung mit wenigstens einer Reibbelagträgerplatte sowie wenigstens einem Bremskolbenkopf und/oder wenigstens einem Bremskolben, wie sie zuvor beschrieben wurden. Eine entsprechende Scheibenbremsvorrichtung kann mit Leichtbaumaterialien aufgebaut sein, insbesondere mit Belagträgerplatten aus Leichtbaumaterialien, wie Aluminium.
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Gemäß einem weiteren möglichen Aspekt der erfindungsgemäßen Scheibenbremsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das Material des Bremskolbenkopfes dem Material der Reibträgerplatte angepasst ist, insbesondere dem Material der Reibbelagträgerplatte entspricht. Auf diese Weise lassen sich Wärmeausdehnungsverhalten optimieren sowie die Wahrscheinlichkeit von Verformungen verringern. Auch unter Aspekten der Wärmeableitung kann durch Verwendung von gleichen oder ähnlichen Materialien Sprünge in den Wärmeleitungseigenschaften, die die Wärmeableitung behindern, verhindern.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Scheibenbremsanordnung.
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Die Scheibenbremsanordnung weist einen Bremskolbenkopf 1 auf, welcher zwischen einem Bremskolben 200 und einer Reibbelagträgerplatte 300 angeordnet ist. Der Bremskolben 200 ist in dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch. Die Reibbelagträgerplatte 300 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf der dem Bremskolbenkopf 1 zugewandten Seite eben. In alternativen Ausführungsvarianten kann die Reibbelagträgerplatte 300 auf der dem Bremskolbenkopf 1 zugewandten Seite profiliert sein. In diesem Fall kann ein Kraftausleitungsbereich des entsprechenden Bremskolbenkopfes komplementär strukturiert sein.
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Der Bremskolbenkopf 1 ist ebenfalls rotationssymmetrisch und im dargestellten Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig ausgebildet. Der Bremskolbenkopf 1 ist aus Vollmaterial gefertigt. Er weist keine Hohlräume auf und ist nicht aus einem Komposit hergestellt. Reibbelagträgerplatte 300 und Bremskolbenkopf 1 bestehen aus gleichen Materialien, vorliegend einer leichten Aluminiumlegierung.
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Der Bremskolbenkopf 1 weist einen Krafteinleitungsbereich 10 auf, über den Kraft von dem Bremskolben 200 in den Bremskolbenkopf 1 eingeleitet wird. Eine Stirnseite des Bremskolbens 200 und der Krafteinleitungsbereich 10 des Bremskolbenkopfs 1 sind komplementär zueinander gestaltet, vorliegend eben.
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Der Krafteinleitungsbereich 10 weist eine Querschnittsfläche 11 auf, die eine erste Größe hat. Der Kraftausleitungsbereich 20 weist eine Querschnittsfläche 21 auf, die gegenüber der Querschnittsfläche 11 des Krafteinleitungsbereichs 10 größer ist.
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Hierdurch ergibt sich, dass eine Verbindungslinie L-L zwischen einem Querschnittsflächenrand 12 der Querschnittsfläche 11 des Krafteinleitungsbereichs 10 und einem Querschnittsflächenrand 22 der Querschnittsfläche 21 des Kraftausleitungsbereichs 20 gegenüber der Querschnittsfläche 21 einen Winkel α einnimmt, der, abhängig von den Querschnittsflächen und einer Einbauhöhe h zwischen 0° und 90° liegt. Es hat sich gezeigt, dass Winkel α zwischen 25° und 45° einen erfindungsgemäßen Aufbau eines entsprechenden Bremskolbenkopfs 1 ermöglichen.
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Der erfindungsgemäße Bremskolbenkopf 1 ist an dem Querschnittsflächenrand 22 abgerundet. Der Rundungsradius R der Abrundung beträgt vorliegend etwa 2 mm.
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Der Bremskolbenkopf 1 nutzt die sogenannte Gewölbewirkung aus, die eine gleichmäßige Verteilung von Kraftfeldlinien von der Krafteinleitungsfläche 10 zur Kraftausleitungsfläche 20 ermöglicht. Somit werden die über den Krafteinleitungsbereich 10 eingeleiteten Kraftfeldlinien über die gesamte Querschnittsfläche 21 des Kraftausleitungsbereichs 20 homogen verteilt. Spannungsspitzen in diesem Bereich werden wirkungsvoll vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremskolbenkopf
- 10
- Krafteinleitungsbereich
- 11
- Querschnittsfläche Krafteinleitungsbereich
- 12
- Querschnittsflächenrand
- 20
- Kraftausleitungsbereich
- 21
- Querschnittsfläche Kraftausleitungsbereich
- 22
- Querschnittsflächenrand
- 100
- Scheibenbremsvorrichtung
- 200
- Bremskolben
- 300
- Reibbelagträgerplatte
- h
- Einbauhöhe
- L-L
- Verbindungslinie
- R
- Rundungsradius
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005009398 A1 [0004]
- DE 102008019003 A1 [0006]
