DE3446872A1 - Bremsscheibe fuer eine scheibenbremse mit demontierbaren reibbelaegen - Google Patents

Bremsscheibe fuer eine scheibenbremse mit demontierbaren reibbelaegen

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Description

Bremsscheibe für eine Scheibenbremse mit deruontierbaren Reibbelägen
Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse mit demontierbaren Reibbelägen, die zu beiden Seiten eines mechanisch widerstandsfähigen Tragrades gelagert sind.
Bei schweren und schnellfahrenden Landfahrzeugen ist die bei Bremsungen vernichtete Energie sehr erheblich. Die leistungsfähigsten üblichen Scheibenbremsen müssen daher in einer so ausreichenden Anzahl eingesetzt werden, daß jede thermische Degradation der die Bremsscheibe bildenden metallischen Werkstoffe vermieden wird. Daraus ergeben sich ein erheblicher Raumbedarf und große ungefederte drehende Massen und so eine Begrenzung der erreichbaren Leistungsdaten des Fahrzeuges.
Weiterhin sind die üblichen Bremsscheiben aus Gußeisen oder hochwarmfesten Stählen bei Bremsungen mit hoher Dichte der vernichteten Leistung wie Schnellbremsungen oder Notbremsungen thermisch stark belastet, was zu Haarrissen oder Anrissen führen kann, welche den Ausbau und Ersatz der Bremsscheiben
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erfordern. Der Ausbau der Bre»msscheiben ist ganz generell eine teuere und diffizile Wartungsarbeit, die häufig die vollständige Demontage der Radachse erfordert.
Die bei den Bremsungen vernichteten hohen Energien führen darüber hinaus zu sehr hohen Temperaturen in der Bremsscheibe. Hierdurch ergeben sich erhebliche Wärmedehnungen, die wiederum an den Befestigungsstellen an der Nabe zu mechanischen Spannungen und damit häufig zum Bruch führen. Um diese Bruchgefahr auszuschließen, werden häufig elastische Naben eingesetzt, welche die Verwendung sehr spezieller Stähle erfordern, und deren komplexe Formgebung den Herstellungsaufwand erhöht.
Es sind schon verschiedentlich Anstrengungen unternommen worden, die Funktion der Erzeugung der Bremsreibung und der Wärmeabführung einerseits und die Funktion der Übertragung der mechanischen Kräfte andererseits voneinander zu trennen. Dies hat zu Bremsscheiben mit demontierbaren Reibbelägen geführt, von denen die Erfindung ausgeht, und die etwa aus den FR-PSen 23 24 945, 23 57 789, 53 59 321 und 24 70 299 bekannt sind, welche alle mehr oder weniger auf die geschilderte Problematik abheben.
Dennoch können die bislang bekannten Konstruktionen nicht vollständig befriedigen, und weisen immer noch insgesamt eine Reihe von Nachteilen auf, nämlich Einschränkung der Materialwahl unter Wärmegesichtspunkten, erhebliche Massen, schwierig zu beherrschende mechanische Verbindung der Scheibe mit der Nabe und schwerfällige und mühevolle Wartung .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bremsscheibe zu schaffen, die die geschilderten, prinzipiellen Nachteile vermindert oder ganz vermeidet, dabei aber eine einfache Anpassung an derzeit eingesetzte Bremssysteme, also deren Ausbildung
der Bremsbacken, der weiteren Anbauteile und der Verbindung zur Radachse zuläßt.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt. Dadurch, daß die abgeschrägte Oberfläche des Außenumfangs jedes Sektorstückes dann, wenn jedes Sektorstück an einer Mehrzahl von Radialarmen anliegt, gemäß Anspruch 3 ohne Anlage an der Fangnase bestimmter Radialarme ist, wird während des Betriebs der Bremse eine freie Aufnahme unterschiedlicher Wärmedehnungen erleichtert.
Im Prinzip werden somit bei der Erfindung (1) Reibbeläge verwendet, die an den Seitenflächen der Bremsscheibe in Form von Sektorstücken entsprechend Sektor- oder segmentförmigen Teilstücken des Reibringes angeordnet sind, und die sich in Axial- und Radialrichtung frei ausdehnen können, und (2) ein metallisches Tragrad mit Radialarmen verwendet, das die Sektorstücke des Reibbelages ohne Zwängungen abstützt, die mechanischen Kräfte überträgt und hinsichtlich radialer Ausdehnungen unbehindert ist, was eine einfache Formgebung ermöglicht, wobei die Nabe einstückig mit dem Tragrad ausgebildet ist.
Die Verwendung von Reibbelägen aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff oder Kohlenstoff/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff ermöglicht es, die von der Wärmebelastung her gegebenen Beschränkungen der üblicherweise verwendeten Werkstoffe erheblich auszudehnen, was zu einer erheblichen Material- und Gewichtseinsparung führt und so einige der weiter oben genannten Nachteile vermindert oder ganz vermeidet.
Die Bremsbacken bestehen zweckmäßig aus demselben Werkstoff wie die Reibbeläge der Bremsscheibe.
Die Kohlenstoff/Kohlenstoff- oder Kohlenstoff/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffe weisen eine Standfestigkeit auf, die bislang von anderen Werkstoffen bei weitem nicht erreicht wird, sowie einen selbst bei hohen Temperaturen hohen Reibbeiwert. Weiterhin kann mit üblichen Reibbelägen bei weitem nicht der geringe Abrieb wie bei den genannten Verbundwerkstoffen erreicht werden.
Die wesentlichen Eigenschaften der genannten Verbundwerkstoffe sind folgende:
- eine sehr hohe spezifische Wärme, etwa doppelt so hoch wie bei Stahl, die mit der Temperatur (bis wenigstens 1 500 C) weiter zunimmt,
- eine geringe Dichte, die um das etwa Drei- bis Vierfache geringer ist als diejenige von Stahl,
- ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und eine große Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen für alle bei Bremsungen auftretende Temperaturen,
- ein in jeder Raumrichtung sehr geringer Wärmeausdehnungskoeffizient, der um etwa das Drei- bis Fünffache geringer ist als derjenige von Stahl,
- eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeschock,
- unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten in den verschiedenen
räumlichen Rii
3g doch wählbar,
räumlichen Richtungen (zwischen 25 und 250 W/m C), je-
- »lusqezciichnete Reibeagonschaften mit einem mittleren dynami Kchcn Roibbfiwort·. u / 0,30 und
- sehr geringer Verschleiß selbst bei hohen Betriebstemperaturen im Vergleich zum Verschleiß üblicher Reibbeläge oder von Reibbelägen aus Sinterkeramik (etwa drei- bis vierfach geringer) .
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.
Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Teilschnittes durch eine erfindungsgemäße Bremsscheibe, wobei einige Teile weggebrochen oder auseinandergezogen dargestellt sind,
Fig. 2 einen radialen Halbschnitt durch die Bremsscheibe an der Stelle eines Radialarmes,
Fig. 3 einen Umfangs-Teilschnitt durch die Bremsscheibe im Bereich eines Radialarmes, wobei der Schnitt entsprechend einer zur Achse der Bremsscheibe
koaxialen Zylinderflache mit hierzu in Radialrichtung liegender Längserstreckung des Radialarmes geführt und in die Zeichenebene abgewickelt ist und
Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 3.
Die in der Zeichnung veranschaulichte Bremsscheibe weist ein metallisches Tragrad 1 auf, das aus sechs oder acht gg Radialarmen 2 und einem mittleren Ringteil besteht, das
die Nabe 3 bildet,wobeι die Radialarme 2 mit gleichen Abständen am Umfang des Ringteiles verteilt angeordnet sind.
Die Radialarme 2 weisen rechteckförmigen Querschnitt mit Flachseiten 4 und Stirnsexten 5 auf und enden in radial äußeren, in Richtung der Achse der Bremsscheibe vorspringenden beidseitigen Fangnasen 6, die eine Abschlußhaube mit zu beiden Seiten des Tragrades 1 liegenden abgeschrägten Anlageflächen 7 bilden.
Die Radialarme 2 können erhebliche mechanische Kräfte aufnehmen und auf den die Nabe 3 bildenden Ringteil übertragen, der die Kräfte in die nicht näher dargestellte Radachse einleitet, an der die Nabe 3 starr befestigt ist.
Die Reibbeläge sind als Sektorstücke 8 ausgebildet, wobei drei oder vier Sektorstücke 8 an jeder Seitenfläche der Bremsscheibe zu beiden Seiten der Radialarme 2 des Tragrades 1 angeordnet sind. In Figur 1 sind Sektorstücke 8 im montierten Zustand an beiden Seiten der Bremsscheibe dargestellt, sowie zwei Sektorstücke 8 in auseinandergezogener Darstellung separat veranschaulicht, wobei diese beiden Sektorstücke 8 den Blick auf ihre äußere Reibfläche 11 bzw. ihre innere, der Mitnahme dienende rückseitige Lagerfläche 10 freigeben.
Die Sektorstücke 8 sind an den Fangnasen 6 am radial äußeren Ende der Radialarme 2 anliegend angeordnet und so an ihrem Außenumfang radial und axial lagegesichert. Der Schrägungswinkel der Anlageflächen 7 der Fangnasen 6 gegenüber der Achse der Bremsscheibe ist so gewählt, daß sich eine saubere Lagesicherung der Sektorstücke 8 ergibt, dabei aber gleichzeitig eine einfache Montage der Sektorstücke 8 möglich ist. Die abgeschrägten Anlageflächen 7 der Fangnasen 6 wirken mit entsprechenden abgeschrägten, der Anlage dienenden Oberflächen 9 am Außenumfang der Sektorstücke 8 zusammen.
tJK" DfKi or :il lick«· H -in (iitn«r .Sc L tent Lacht.· der Hrcmsiich Liegen an don Laqerflachen LO der Sektorstücke 8 an der gegenüberliegenden Seitenfläche der Bremsscheibe an. Die so Rücken an Rücken aneinander anliegenden Sektorstücke 8 sind in Umfangsrichtung gegeneinander um einen Winkel versetzt, der dem zwischen zwei benachbarten Radialarmen eingeschlossene Winkel von 60 oder 45 entspricht, was der Hälfte des der umfengsseitigen Erstreckung der Sektorstücke 8 entsprechenden Zentriwinkels entspricht.
Diese Lagerung ermöglicht ein gutes Biegeverhalten der Sektorstücke 8 des Reibbelages und eine saubere Parallellage der Reibflächen 11, so daß die Bremsbacken nicht auf die mit einer Anfasung 13 abgeschrägten Ränder (vergleiche Figur 3) der Sektorstücke 8 aufschlagen können. Die gegenseitige Anlage der zu beiden Seiten des Tragrades 1 angeordneten Sektorstücke 8 vermeidet darüber hinaus eine übermäßige Berührung der Lagerflächen 10 der Sektorstücke 8 mit den Radialarmen 2, so daß der Wärmeübergang in Richtung auf das Tragrad 1 minimiert ist und durch so gebildete Hohlräume eine Luftkühlung der Radialarme 2 unterstützt wird.
Die Berührung zwischen den Sektorstücken 8 und den Radialarmen 2 ist begrenzt auf deren Stirnflächen 5, wobei die Berührungsflache ausreicht, um die mechanischen Kräfte zu übertragen und dabei dennoch im Bereich des radial äußeren Endes der Radialarme 2 die Ausbildung einer aus Figur 4 ersichtlichen Ausnehmung 14 ermöglicht, die einen weiteren Hohlraum zur Luftkühlung der Radialarme 2 bildet. Zur Aufnahme der Radialarme 2 sind Radialnuten 15 und 16 in der Lagerfläche 10 der Sektorstücke 8 im Mittelbereich bzw. in den Randbereichen der Sektorstücke 8 vorgesehen. Die Tiefe der Radialnuten ist so gewählt, daß sich zu den Flachseiten 4 der Radialarme 2 hin ausreichend Luft ergibt, um hier eine Luftströmung zur Kühlung zu ermöglichen.
SS /Λ
Weiterhin überträgt jedes Sektorstück 8 die durch die Reibung erzeugten Kräfte nur auf einen einzxgen Radialarm 2 des Tragrades 1. Im Beispielsfalle weist nur die mittige Radialnut 15 der Sektorstücke 8 seitliche Ränder 17 auf, die an den Stirnseiten 5 der von den Sektorstücken 8 eingeschlossenen Radialarme 2 anliegen, so daß der aus den Sektorstücken 8 gebildete Reibbelag unabhängig von der Drehrichtung der Bremsscheibe stets in gleicher Weise auf Druck belastet wird. Die Radialarme 2 nehmen somit die durch Reibung erzeugten Kräfte an den Sektorstücken 8 alternierend von den Sektorstücken 8 auf einer Seitenfläche und den Sektorstücken 8 auf der anderen Seitenfläche der Bremsscheibe auf. Für den Fall, daß die Betriebstemperatur im Einzelfall als für die Bremsscheibe und insbesondere das metallische Tragrad 1 zu hoch angesehen werden sollte, kann eine zusätzliche selbsttätige Luftkühlung von innen her durch Ausnehmungen oder Nuten 18 in den Lagerflächen 10 der Sektorstücke 8 bewerkstelligt werden, wie dies aus Figur 3 ersichtlich ist.
2Q Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist jedes Sektorstück 8 mit gegebenenfalls drei Fangnasen 6 von Radialarmen 2 in Anlage, was nicht immer vereinbar ist mit der Forderung nach ausreichender spannungsfreier Aufnahme unterschiedlicher Wärmedehnungen. Um eine definierte, stets gleiche radiale Anlage der Sektorstücke 8 an den Fangnasen bei Erwärmung in Betrieb der Bremse zu erhalten und aufrechtzuerhalten, kann vorgesehen sein, daß die abgeschrägte, der Anlage dienende Oberfläche 9 im Mittelbereich der Sektorstücke 8, also im umfangsseitigen Bereich der mittleren
OQ Radialnut 15 gegenüber der zugeordneten Anlagefläche 7 der Fangnase 6 des Radialarmes 2 zurückgenommen ist, oder aber daß die der Anlage dienenden Oberflächen 9 an den umfangsseitigen Enden der Sektorstücke, also im umfangsseitigen Bereich der randseitigen Radialnuten 16, gegenüber den zu-
„p. geordneten Anlageflächen 7 der Fangnasen 6 der Radialarme 2 entsprechend zurückgenommen ist. Auf diese Weise ist ge-
* η
gewährleistet, daß die Anlage jedes Sektorstückes 8 an zugeordneten Fangnasen' 6 zur Abstützung gegen die Einwirkung der Fliehkraft im ersteren Fall lediglich an zwei endseitigen Stellen des Sektorstückes 8 und im letzteren Fall Iediglich an einer mittigen Stelle jedes Sektorstückes 8 erfolgt.
Zur Vervollständigung der axialen Lagesicherung der Sektorstücke 8 Rücken an Rücken und zur spielfreien radialen Andrückung an die Fangnasen 6 an den radial äußeren Enden der Radialarme 2 auch ohne Fliehkrafteinwirkung, sind Federkränze 19 vorgesehen, die auf eine konische Anlagefläche 20 am Innenumfang der Sektorstücke 3 wirken; der Schrägungs- oder Konuswinkel der Anlagefläche 20 ist so gewählt, daß er die gegenseitigen Verschiebungen der Sektorstücke 8 nicht behindert. Die Federkränze 19 sind an der Nabe 3 des metallischen Tragrades 1 abgestützt und durch Schrauben 21 befestigt, Die Federkränze 19 ermöglichen eine Selbstzentrierung der Sektorstücke 8, ohne sie bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gegenüber dem metallischen Tragrad 1 zu behindern, so daß sich insgesamt keine Spannungsspitzen ergeben. Die Federkränze 19 sind durch einen geschlossenen Ring mit Öffnungen 22 für den Durchgang der Schrauben 21 sowie radiale gebogene Federzungen gebildet, deren äußere. Enden an der konischen Anlagefläche 20 unter Federdruck anliegen.
Die einfache Formgebung des metallischen Tragrades mit einstückiger Nabe 3, die Beherrschung der Temperaturbelastung der Radialarme 2 und die geringen Spannungspitzen infolge der freien Wärmedehnung der Radialarme 2 erlauben die Verwendung von in Gesenk geschmiedeten hochwarmfesten Stählen einer klar definierten und problemlos und sauber reproduzierbaren Legierung, oder von hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften hochwertigem Gußeisen für das Tragrad 1.
Die Federkränze 19 aus hochwarmfesten Stahl wie beispielsweise 15CDV6 oder 28CDV5 (französische Norm) sind spanlos
hergestellt, etwa in Gesenk geschmiedet oder gestanzt. Somit ist auch saubere Reproduzierbarkeit in der Herstellung der Federkränze 19 gewährleistet. Die Verwendung einer derartigen Bremsscheibe mit Reibbelägen aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- oder Kohlenstoff/Siliziumkarbid-Verbundmaterial· in einem Bremssystem für Schienenfahrzeuge ergibt folgende Vorteile:
- eine Material- oder Gewichtsersparnis von ungefähr 60 % gegenüber Bremssystemen mit üblichen Bremsscheiben,
- eine Verminderung des Raumbedarfs von etwa 50 %,
- eine Lebensdauer der Bremsscheiben etwa entsprechend üblichen Bremsscheiben,
- einer Lebensdauer der Bremsbacken, die etwa viermal so hoch ist wie bei üblichen Bremsbacken,
~ eine wesentlich vereinfachte Wartung, die keinere längeren Standzeiten des Fahrzeuges erfordert und
- eine vollständige Bremssicherheit des Fahrzeuges selbst unter sehr schwierigen und außergewöhnlichen Bedingungen, die zur Zerstörung der Werkstoffe in üblichen Bremsanlagen führen würden.
Die erläuterte Bremsscheibe eignet sich hervorragend für einen Einsatz in Bremssystemen von Schienenfahrzeugen, und insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen. Sie kann jedoch auch bei schweren Nutzfahrzeugen, Erdbewegungsmaschinen, Feuerwehrfahrzeugen, Militärfahrzeugen wie etwa Panzern usw. eingesetzt werden.
I ο e r S ο 11 ο

Claims (11)

  1. Societe Europeenne
    de Propulsion 16 SEOl 03 2/hz
    Patentansprüche
    in 1. Bremsscheibe für eine Scheibenbremse mit demontierbaren Reibbelägen, die zu beiden Seiten eines mechanisch widerstandsfähigen Tragrades angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragrad (1) aus einer Nabe (3) und die Nabe (3) umgebenden Radialarmen (2) besteht,
    daß die Reibbeläge aus teilringförmigen Sektorstücken (8) 15
    gebildet sind, die an ihren rückseitigen Lagerflächen (10) mit Ausnehmungen oder Nuten (15, 16) mit den Tragarmen (2) insbesondere zur radialen Führung und zur Verriegelung in Umfangsrichtung zusammenarbeiten, und daß eine elastische Lagereinrichtung (Federkränze 19, Fangnasen 6) zur auswechselbaren Lagerung der Sektorstücke (8) in Axialrichtung sowie eine elastische Lagereinrichtung (Federkränze 19, Fangnasen 6) zur auswechselbaren Lagerung der Sektorstücke (8) in Radialrichtung an dem Tragrad (1) vorgesehen ist.
    25
  2. 2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtungen zur axialen und radialen Lagerung einerseits Fangnasen (6) am radial äußeren Ende der
    Radialarme (2) aufweisen, die sowohl axial als auch ra-30
    dial wirkende abgeschrägte Anlageflachen (7) aufweisen, welche mit entsprechenden abgeschrägten Oberflächen (9) am Außenumfang der Sektorstücke (8) zusammenwirken, und andererseits Federkränze (19) aufweisen, die an der Nabe (3) des Tragrades (1) befestigt sind und unter Federdruck an zugeordneten abgeschrägten Anlageflachen (20) am Innenumfang der Sektorstücke (8) anliegen.
  3. 3. Bremsscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines an einer Mehrzahl von Radialarmen (2) anliegenden Sektorstückes (8) die abgeschrägte Oberfläche (9) am Außenumfang des Sektorstückes gegenüber den Fangnasen (6) bestimmter Radialarme (2) zurückgenommen und ohne Anlage ist.
  4. 4. Bremsscheibe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektorstücke (8) an den beiden Seiten-
    IQ flächen der Bremsscheibe mit ihren rückseitigen Lagerflächen unter axialem Druck aneinander anliegen.
  5. 5. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen oder Nuten in der
    ■,c rückseitigen Lagerfläche (10) jedes Sektorstückes (8) eine mittige Radialnut (15) umfassen, die mit ihren seitlichen Rändern (17) mit den Stirnseiten (5) eines Radialarmes (2) zusammenarbeitet und deren Tiefe einen Zwischenraum zwischen dem Boden der Radialnut (15) und
    2Q der Flachseite (4) des Radialarmes (2) ergibt.
  6. 6. Bremsscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ausnehmungen oder Nuten in der rückseitigen Lagerfläche (10) jedes Sektorstückes (8) zwei seitlich offene „c Radialnuten (16) im Randbereich des Sektorstückes umfassen, wobei die randseitigen Radialnuten (16) zweier benachbarter Sektorstücke (8) einen Radialarm (2) mit Spiel umgreifen.
    __
  7. 7. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
    gekennzeichnet, daß für eine innere Luftzufuhr Auskehlungen oder Nuten (18) in der Lagerfläche (10) der Sektorstücke (8) vorgesehen sind.
  8. 8. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch 35
    gekennzeichnet, daß die Sektorstücke (8) an einer Seitenfläche der Bremsscheibe gegenüber den Sektorstücken (8)
    3 3448872
    an der anderen Seitenfläche der Bremsscheibe mittig auf Lücke gesetzt, also in Umfangsrichtung um die Hälfte der ümfangserstreckung eines Sektorstückes (8) versetzt angeordnet sind.
  9. 9. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sektorstück (8) zwei Winkelräume zwischen den Radialarmen (2) überdeckt.
  10. 10. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sechs oder acht Radialarme (2) vorgesehen sind.
  11. 11. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragrad (1) aus Metall besteht, und das die Sektorstücke (8) zur Bildung des Reibbelages aus Kohlenstoff/Kohlenstoff- oder Kohlenstoff/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff bestehen.
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