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Die
Erfindung betrifft Verbesserungen an Scheibenbremsen für Fahrzeuge
von der Art, bei denen eine Bremsbelagbaugruppe sich an eine Stirnfläche einer
Bremsscheibe anlegen lässt
durch eine Bremsbetätigungseinrichtung,
die in einem Gehäuse untergebracht
ist, welches an einem an die Bremsscheibe angrenzenden, relativ
stationären
Teil befestigt ist, und die Belagbaugruppe für eine Bewegung zur Bremsscheibe
hin und von dieser weg auf Bremskraft aufnehmenden Flächen geführt ist,
die die Bremskraft auf der Bremsbelagbaugruppe aufnehmen, wenn die
Bremse angelegt wird. Die Erfindung betrifft außerdem Verbesserungen an Bremsbelagbaugruppen
zur Verwendung in Scheibenbremsen der genannten Art.
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Bei
Scheibenbremsen der genannten Art umfasst die Bremsbelagbaugruppe
einen Belag aus Reibmaterial, der von einer starren Grundplatte
getragen wird und dessen in Umfangsrichtung beabstandete Einlauf-
und Auslaufendränder
verschieblich mit den Bremskraft aufnehmenden Flächen zusammenwirken, wobei
der Belag eine Umfangslänge aufweist,
die geringer als die der Grundplatte ist.
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Wenn
der Bremsbelag angelegt wird, stellt der Belag über einen ringförmigen Bereich
der Bremsscheibe, der durch einen inneren und einen äußeren konzentrischen
Kreis begrenzt ist, den Kontakt mit der Bremsscheibe her. Der innere
Kreis ist durch den inneren Rand des Belags definiert (relativ zur
Achse der Bremsscheibe). Der äußere Kreis
ist durch den äußeren Rand
des Belages definiert. Dieser ringförmige Bereich wird hierin nachfolgend
als der gebremste Bereich der Bremsscheibe bezeichnet.
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Es
ist bekannt, dass während
des Bremsens Flattervibrationen auftreten können, wenn der gebremste Bereich
der Bremsscheibe eine ungleichmäßige Dicke
aufweist. Eine häufige
Ursache für
Bremsscheibendickevariationen (DTV – disc thickness variation)
ist der "zufällige" Verschleiß der Bremsoberfläche, der
durch leichten Kontakt zwischen dem Belag und der Bremsscheibe verursacht
wird, wenn das Fahrzeug fährt,
die Bremse jedoch nicht angelegt ist, d. h. sich in der "Aus"-Stellung befindet.
Eine Beobachtung der Bremsbeläge
zeigt, dass sich die Belagoberfläche
häufig
unter einem kleinen Winkel zur Bremsscheibenoberfläche befindet,
der durch leichten Reibkontakt zwischen dem Einlaufrand des Belages
und der Bremsscheibe bei einer normalen Drehung der Bremsscheibe
in Vorwärtsrichtung
in der "Aus"-Stellung der Bremse
verursacht wird.
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Das
leichte Reiben des Bremsbelages an der Bremsscheibe im Kontaktbereich
nutzt die Bremsscheibe ab und kann DTV verursachen.
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Ein
Beispiel einer bekannten Bremsbacke ist aus dem US-Patent Nr. 4508199
zu ersehen, das eine derartige Bremsbacke mit einem ausgeschnitten Abschnitt
zur Anbringung an einer Bremsbaugruppe beschreibt.
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Wir
haben erkannt, dass der Grad an DTV, der an den innersten und äußersten
Rändern
des Belages tolerierbar ist, größer ist
als der, der zum mittigen Bereich des gebremsten Bereiches hin tolerierbar
ist, d. h. der Verschleiß an
den Rändern
kann den Verschleiß im
mittigen Bereich übersteigen
bevor ähnliche
Vibrationsgrade auftreten.
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Erfindungsgemäß ist bei
einer Scheibenbremse für
Fahrzeuge der genannten Art der Bremsbelag mit zumindest einem Vorsprung
versehen, der vom radialen Einlaufrand des Belages in eine Umfangsrichtung
vorsteht, wobei die radiale Dicke des Vorsprungs im Vergleich zur
radialen Gesamtdicke des Belages gering ist und die Baugruppe derart
ausgeführt
ist, dass im Falle eines Kippens der Belagbaugruppe in Bezug auf
die Bremsscheibe, wobei sich die Bremse in der Aus-Stellung befindet,
der Kontakt zwischen dem Vorsprung und der Bremsscheibe einen Kontakt
zwischen dem restlichen Oberflächenbereich
des Belages und der Bremsscheibe verhindert.
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Der
Vorsprung ist bevorzugt integral mit dem Material des Belages ausgeführt.
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Der
Belag ist bevorzugt an seinen radial innersten und äußersten
Rändern,
zumindest an seinem Einlaufrand, mit in Umfangsrichtung vorstehenden
Vorsprüngen
versehen, wobei die Summe der radialen Dicke der Vorsprünge im Vergleich
zur radialen Gesamtdicke des Belages ebenfalls gering ist.
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Bei
einer bevorzugten Baugruppe sind die Einlauf- und Auslaufränder des
Bremsbelages dafür ausgelegt,
den genannten Kontakt über
dem mittigen Abschnitt des gebremsten Bereiches der Bremsscheibe
zu verhindern, wobei der Rand mit einem Paar in Umfangsrichtung
vorstehender Vorsprünge versehen
ist.
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Somit
kann der neue Belag durch die vorliegende Erfindung innere und äußere "Verschleißbereiche" aufweisen, die durch
die Einlauf- und Auslaufränder
definiert sind, welche Verschleiß (und somit DTV) über dem
mittigen Abschnitt des gebremsten Bereiches der Bremsscheibe verhindern.
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Der
Bremsbelag ist bevorzugt so ausgeführt, dass an jedem der Einlauf-
und Auslaufränder
ein innerer und ein äußerer Vorsprung
in einem Bereich bereitgestellt ist, der proximal zu den jeweils
innersten und äußersten
Abschnitten des Randes des Bremsbelages ist. Bevorzugt kann jeder
Vorsprung im Falle eines Kippens des Belages einen einzelnen Kontaktpunkt
definieren. Somit hat jeder "Verschleißbereich" die Form eines einzelnen
Kontaktpunktes.
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Besonders
bevorzugt sind die Vorsprünge derart
ausgeführt,
dass sich die Kontaktpunkte im Wesentlichen an den innersten und äußersten
Rändern
des Belages befinden.
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Bei
einer alternativen Baugruppe sind die inneren und äußeren Vorsprünge dafür ausgelegt,
im Falle eines Kippens des Belages jeweils einen Kontaktpunkt zu
definieren, der im Wesentlichen außerhalb des Umfangsbereiches
der Bremsscheibe liegt, der durch den Hauptkörper des Bremsbelages gebremst
wird.
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Bei
einer beachtenswerten Baugruppe können die inneren und äußeren Vorsprünge durch
einen linearen mittigen radialen Randabschnitt voneinander getrennt
sein, der geeigneterweise eine lineare oder gekrümmte Außenlinie aufweist.
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Die
alternative Baugruppe gewährleistet, dass,
wenn während
eines normalen Betriebes bei nicht angelegten Bremsen dennoch Verschleiß auftritt,
jeglicher solcher Verschleiß im
Wesentlichen außerhalb
des gebremsten Hauptbereiches liegt und daher keine bedeutenden
Flattervibrationen erzeugt.
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Anders
betrachtet, kann der Belag so angesehen werden, dass ein mittiger
Abschnitt der Einlauf- und Auslaufränder "ausgeschnitten" ist.
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Die
Vorsprünge
können
als integraler Teil des Belagkörpers
ausgebildet sein. Sie können
aus einem anderen Material als der Hauptkörper oder mittige Abschnitt
des Belagkörpers
gefertigt sein.
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Die
Vorsprünge
sind bevorzugt aus einem härteren
Material als der mittige Abschnitt des Belagkörpers gefertigt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bremsbelag zur Verwendung
in einer Bremsbaugruppe gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung bereitgestellt.
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Es
versteht sich, dass die Modifikationen an den Einlauf- und Auslaufrändern nicht
dazu führen müssen, dass
sich einer der vorspringenden Abschnitte über die Oberfläche des
Bremsbelages hinaus erstreckt, da dies ein gleichmäßiges Anlegen
des Bremsbelages an die Bremsscheibe während des Bremsens verhindern
würde.
Die Vorsprünge
erstrecken sich stattdessen im Wesentlichen in der Ebene der Bremsoberfläche.
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Es
ist vorgesehen, dass die vorspringenden Abschnitte einen integralen
Teil des Hauptkörpers des
Belages bilden. Es versteht sich jedoch, dass der Bremsbelag bei
einer alternativen Ausführungsform mit
einem oder mehreren diskreten Verschleißbereichen versehen werden
kann. Beispielsweise können vier
zusätzliche
Abschnitte aus Reibmaterial, einer für jede Ecke, mit der Grundplatte
(vom Hauptbremsbelag getrennt) zusammengebaut werden. Diese zusätzlichen
Abschnitte können
dann so wirken, dass sie die Kontaktpunkte definieren, wenn der
Belag während
eines normalen Betriebes kippt.
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Es
werden nun, rein beispielhaft, mehrere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
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1 eine
typische Scheibenbremsbaugruppe,
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2 einen
bekannten Bremsbelag,
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3 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bremsbelages,
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bremsbelages,
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5 den
gebremsten Bereich der Bremsscheibe, der innerhalb der durch die
inneren und äußeren Umfangsränder des
Bremsbelages definierten Grenzen liegt,
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6 die
verschiedenen Abmessungen des Bremsbelages gemäß 3,
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7 ein
erwartetes Verhältnis
zwischen Drehmomentvariationen und den Abmessungen der Vorsprünge,
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8 einige
experimentelle Ergebnisse, die von einem Bremsbelag, wie in 6 gezeigt,
erhalten wurden, und
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9 eine
Tabelle experimenteller Ergebnisse, die unter Verwendung eines Bremsbelages,
wie im Wesentlichen in 6 gezeigt, erzielt wurden.
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Eine
bekannte Scheibenbremsbaugruppe ist in 1 gezeigt.
Die Baugruppe umfasst eine Bremsscheibe 1, die dafür ausgelegt
ist, sich um eine Achse zu drehen, einen Bremsbelag 3,
der an einer Grundplatte 4 montiert ist, und einen Bremssattel 2 (nur
zum Teil dargestellt). Im Allgemeinen sind zwei Beläge samt
Grundplatte bereitgestellt, einer auf jeder Seite der Bremsscheibe,
wobei die Bremsscheibe zwischen den beiden Belägen eingespannt wird.
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Bei
normaler Fahrt des Fahrzeugs ist, wenn die Bremsen nicht angelegt
sind, ein kleiner Freiraum zwischen der Kontaktfläche 3a des
Bremsbelages 3 und der Oberfläche der Bremsscheibe 1 vorhanden. Dies
ermöglicht
eine freie Drehung der Bremsscheibe 1 relativ zum Bremsbelag 3.
Wenn eine Bremsung erforderlich ist, wird der Belag 3 zur
Bremsscheibe 1 bewegt, was zu einem im Wesentlichen gleichmäßigen Kontakt
zwischen Belag 3 und Bremsscheibe 1 über dem
gebremsten Bereich 11 führt
(in 5 gezeigt). Dieser Kontakt und die damit zusammenhängende Reibung,
die zwischen dem Belag 3 und der Bremsscheibe 1 entsteht,
verursachen die zu erreichende gewünschte Bremswirkung.
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Wie
in 1 gezeigt, ist es möglich, wenn die Bremsen nicht
angelegt sind, dass ein geringfügiges
Kippen der Belagoberfläche 3a relativ
zur Oberfläche
der Bremsscheibe 1 auftritt. Dies kann zu einem Kontakt 5 zwischen
Bremsscheibe 1 und Belag 3 führen. Obgleich ein derartiger
Kontakt typischerweise nur mit einem leichten Kontaktdruck in Verbindung
gebracht wird, kann er dennoch mit der Zeit zu einem ungleichmäßigen Verschleiß der Bremsscheibe
am Kontaktbereich 5 führen,
was bewirkt, dass sich die Bremsscheibe 1 über längere Zeitspannen des
Fahrens abnutzt. Wenn beispielsweise die Bremsscheibe 1 nicht
gerade läuft,
sondern einen "Schlag" hat, der für gewöhnlich auf
Herstellungstoleranzen zurückzuführen ist,
die aus thermomechanischer Belastung resultieren, kann der Verschleiß ungleichmäßig sein.
Wenn der Verschleiß der
Bremsscheibe über
dem gebremsten Bereich 11 der Bremsscheibe 1 ungleichmäßig ist,
kann eine Bremsscheibendickevariation (DTV) auftreten, die Flattervibrationen
verursachen kann.
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2 zeigt
einen bekannten Bremsbelag zur Verwendung in einer solchen Baugruppe
wie in 1 gezeigt. Wie ersichtlich ist, führt ein
Kippen des Bremsbelages 3 relativ zur Bremsscheibe 1 in
Abhängigkeit
von der Kipprichtung zu einer breiten Kontaktlinie entweder entlang
des Einlaufrandes oder des Auslaufrandes (6 oder 7).
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Alternativ
kann das Kippen im Wesentlichen zu einem Punktkontakt führen. In
jedem Fall bewirkt der Kontakt, dass sich die Bremsscheibe über dem mittigen
Abschnitt des gebremsten Bereiches 11 der Bremsscheibe 1 (d.
h. der Bremsoberfläche)
erheblich abnutzt.
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3 und 4 zeigen
zwei alternative Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Beide Ausführungsformen unterscheiden
sich vom Stand der Technik dahingehend, dass die Einlauf- und Auslaufränder des
Belages durch die Bereitstellung von inneren und äußeren umfangsseitigen
Vorsprüngen 8, 9 modifiziert
sind.
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Die
inneren Vorsprünge 8 und
die äußeren Vorsprünge 9 sind
jeweils dafür
ausgelegt, im Falle eines Kippens einen im Wesentlichen einzelnen
Kontaktpunkt zwischen Belag 3 und Bremsscheibe 1 zu definieren.
Sie sind durch einen linearen mittigen Randabschnitt 10 voneinander
getrennt, welcher im Wesentlichen eine lineare oder gekrümmte Außenlinie
aufweist, wobei die inneren 8 und äußeren 9 Vorsprünge und
der mittige Randabschnitt 10 einen Einlauf- und einen Auslaufrand 6, 7 des
Belages definieren.
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Im
Falle eines Kippens der Beläge
ist der Kontakt zwischen Belag 3 und Bremsscheibe 1 auf die
inneren und äußeren Abschnitte
des gebremsten Bereiches 11 der Bremsscheibe beschränkt, in 5 gezeigt,
die typischerweise zwei Ringe von im Wesentlichen 10 mm radialer
Dicke sind. Dies verhindert Verschleiß über dem mittigen Abschnitt
des Bereiches 11 und führt
zu einer Verringerung der Belagvibration.
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Die
Ausführungsform
gemäß 4 unterscheidet
sich von der gemäß 3 dadurch,
dass sich die inneren 8 und äußeren 9 Vorsprünge in einer Art
und Weise erstrecken, durch die im Falle eines Kippens der Kontaktpunkt
oder die Kontaktpunkte zwischen Belag 3 und Bremsscheibe 1 radial
außerhalb
oder innerhalb des gebremsten Hauptbereiches der Bremsscheibe (d.
h. des durch den Hauptkörper abgedeckten
Bereichs) liegen. Dies kann die Belagvibration durch Beseitigen
jeglichen Verschleißes
der Bremsscheibe 1 über
der Gesamtheit des gebremsten Hauptbereiches der Bremsscheibe weiter
verringern.
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Bei
einer Modifikation der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
sind die Vorsprünge 8 und 9 durch
voneinander getrennte, diskrete Verschleißbereiche bereitgestellt.
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6 zeigt
die verschiedenen Verhältnisse zwischen
den Abmessungen der äußeren Vorsprünge 9 und
der inneren Vorsprünge 8 und
des Belagkörpers.
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Wie
gezeigt, ist die radiale Gesamtabmessung des Belages mit R bezeichnet,
während
die radialen Abmessungen der Vorsprünge 8 und 9 mit
r1, r2, r3 bzw. r4 bezeichnet
sind. Die Gesamtbreite des Belages (einschließlich der Vorsprünge) ist
mit W bezeichnet, während
die Breite jedes Vorsprungs in Umfangsrichtung mit w1,
w2, w3 bzw. w4 bezeichnet ist.
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Obgleich
es sich versteht, dass die Breite und die radialen Abmessungen jedes
Vorsprungs nicht identisch sein müssen, wird zur einfacheren
Erläuterung
beispielhaft angenommen, dass r1 = r2 = r3 = r4 und dass w1 = w2 = w3 = w4.
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Um
die Auswirkung der Wahl der Abmessungen auf die Leistung des Belages
bei der Reduzierung der Bremsscheibendickevariation zu verstehen, ist
es zweckmäßig, das
Verhältnis
zwischen der Belaggesamtbreite oder radialen Dicke und der Breite/Dicke
jedes Vorsprungs als Prozentsatz auszudrücken, wobei:
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Daher
kann, wenn man annimmt, dass r1 = r2 und w1 = w2 etc., der Wert von %R und %W irgendwo zwischen
0% und 50% liegen.
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7 zeigt
eine theoretische Darstellung der Auswirkung einer Veränderung
der Werte von %R und %W auf die Scheibendicke und Drehmomentvariation,
gemessen an einem Kraftmesser. Es ist ersichtlich, dass eine allmähliche Erhöhung des
Wertes von %W eine entsprechende Abnahme der Drehmomentvariation
ergibt, wobei abnehmende Rückläufe erreicht
werden, wenn sich der Wert von %W erhöht. In ähnlicher Weise verringert eine
Erhöhung
des Wertes von %R die Effektivität
der Vorsprünge
bei der Verringerung des Flatterns. Daher ist aus der grafischen
Darstellung ein optimaler Bereich A ersichtlich, welcher innerhalb
der strichgepunkteten Linie dargestellt ist, der eine Annäherung der
gewünschten
Belagabmessungen angibt. In zumindest einem Aspekt suchen wir Schutz
für einen
Belag, der Vorsprünge
mit Ab messungen aufweist, die im Wesentlichen innerhalb dieses Bereichs
der grafischen Darstellung liegen. Eine optimalere Lösung B findet
sich in dem kleineren Bereich, der durch die Querschraffierung definiert
ist, wobei in einem anderen Aspekt Schutz für einen Belag mit Abmessungen
innerhalb dieses Bereichs gesucht wird. Selbstverständlich versteht
sich, dass, nachdem wir die Vorteile einer Bereitstellung von Vorsprüngen auf
dem Belag in einem Bremssystem dargelegt haben, wir nicht auf die Bereitstellung
von Belägen
mit den Abmessungen beschränkt
sein möchten,
die in den gekennzeichneten Bereichen von 7 enthalten
sind.
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8 zeigt
einen Satz effektiver experimenteller Ergebnisse, die durch Prüfen eines
effektiven Belagsatzes auf einer Bremsscheibe an einem Kraftmesser
erhalten wurden. Die Bremsscheibe wurde auf eine Drehzahl hochgefahren,
um ein Fahrzeug zu simulieren, das mit ungefähr 113 km/h (70 mph) fährt, wobei
die Drehmomentvariation gemessen wurde als die Bremsen in Eingriff
mit der Bremsscheibe kamen. Ein Bereich C, bei dem es erwünscht wäre, die
Belagabmessungen auszuwählen,
ist innerhalb der Querschraffur dargestellt und entspricht einem
Wert von %R = 5–10%
bei %W = 5–10%.
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Schließlich ist 9 eine
Tabelle von Ergebnissen, die aus einer experimentellen Prüfung an
einem Kraftmesser erhalten wurden, welche die Veränderungen
der Bremsscheibendickevariation und anderer Parameter bei unterschiedlichen
Belagkonfigurationen zeigen.