Diese Bremseinheit stellt eine Hochleistungsbremse
dar, die in einspurigen oder zweispurigen Fahrzeugen, oder in Schienenfahrzeugen
oder Flugzeugen zum Einsatz kommen soll. Deshalb geht eine gattungsgemäße Bremseinheit
aus der
DE 297 10
533 U1 als bekannt hervor.
Ebenfalls bekannt sind konventionelle
Außenbacken
Trommelbremsen aus der
DE
648924 A wie sie sehr oft in Schienenfahrzeugen zum Einsatz kommen.
Diese haben durchwegs metallische Bremstrommeln und bedingt durch
ihre Konstruktion eine lange Ansprechzeit im Vergleich zu Scheibenbremsen.
Keramische Werkstoffe sowohl für Scheibenbremsen
als auch für
Trommelbremsen gehen aus der
DE 3515512 A1 als bekannt hervor. Dabei wurde ein
Reibring für
eine Scheiben- oder Trommelbremse bestehend ausschließlich aus
Keramik als Stand der Technik festgelegt. Die mechanische und thermische Problematik,
insbesondere bei einer derartigen Trommelbremse, bis heute nicht
zufriedenstellend gelöst.
Radial von außen
wirkende Bremsbacken wurden dabei nicht berücksichtigt.
Außenbacken Trommelbremsen sind
aus der
JP 8219191 A oder
der GB 595609 A bekannt. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie
aus zwei Bremsklötzen
bestehen, welche beinahe den gesamten Umfang umschließen. In
Kombination mit einem keramischen Reibring sind diese Bremseinheiten
allerdings sehr ungeeignet, da diese keinen gleichmäßigen und
keinesfalls ausgeprägt
radialen Krafteintrag ermöglichen.
Im Allgemeinen besteht eine Bremsscheibe bei
einer metallischen Ausführung
aus nur einem Bauteil. Bei einer nichtmetallischen Bremsscheibe
ist es notwendig zumindest zwei Bauteile zu unterscheiden; nämlich den äußeren Bremsring
oder auch Reibring genannt, und die als Aufnahme dafür notwendige
Nabe.
Die Bremsscheibe aus der
DE 297 10 533 U1 besteht
aus einem keramischen Reibring, der mit Hilfe von Befestigungselementen
direkt, also unter Verzicht auf einen Bremsscheibentopf, an eine
Radnabe angebunden ist. Die Anbindung des Reibrings direkt an die
Nabe hat den Vorteil, dass durch den Wegfall von Zwischenelementen
mit geringerem Aufwand eine höhere
Rundlaufgenauigkeit der Bremsscheibe erreicht werden kann. Zudem
sind nichtmetallische Reibringe im Vergleich zu metallischen Reibringen
viel verschleißfester
und haben daher eine wesentlich höhere Standzeit.
Ganz allgemein werden heute an Hochleistungsbremsen
die Forderungen gestellt, dass sie hohe kinetische Energien in sehr
kurzer Zeit in Wärmeenergie
umwandeln müssen,
dass sie selbst bei kurz aufeinander folgenden Bremsungen (durch
Erwärmung)
nicht an Effizienz verlieren dürfen,
dass sie möglichst
wenig Masse besitzen und dass sie trotzdem den hohen Drehmomenten
bei der Verzögerung standhalten.
Eine leichtere Bremseinheit zeigt
den Vorteil von geringeren Trägheitsmomenten
bei der Beschleunigung und der Verzögerung. Auch das Einlenkverhalten
z.B. der Vorderräder
von Kraftfahrzeugen wird dadurch deutlich weniger beeinflusst. Zudem
stellt die Bremseinheit bei Kraftfahrzeugen eine ungedämpfte Masse
dar, die man stets möglichst klein
halten möchte.
Bei Flugzeugen ergibt sich durch Gewichtseinsparung an den Bremsen
eine Erhöhung der
Ladekapazität.
Heute werden die meisten Hochleistungsbremsen
in Form von Scheibenbremsen ausgeführt, wobei die Bremsscheibe
meist aus Stahl oder Gusseisen besteht. Bremsen, bei denen Arbeitstemperaturen
von mehreren Hundert Grad Celsius auftreten (z.B. Formel 1 Rennwagen),
wurden bereits erfolgreich aus Kohlefaser verstärktem Kohlenstoff gefertigt.
Dieses Material wird jedoch bei höheren Temperaturen oberflächlich oxidiert
und zeigt daher ungünstige
Dauergebrauchseigenschaften.
Günstiger
verhält
sich bekanntlich ein Keramik Verbundwerkstoff aus SiC Matrix mit
Faserverstärkung
aus Kohlefasern. Dieser CMC (ceramic matrix composit) zeigt deutlich
bessere Dauergebrauchseigenschaften. Die Fasern dienen in erster
Linie zur Erhöhung
der Bruchdehnung der keramischen Matrix und sollen in weiterer Folge
schadenstolerante Bauteile ermöglichen.
Nachteilig erweist sich jedoch der Abbrand der Fasern selbst von
der Oberfläche
beginnend in das Bauteil hinein. Dadurch entstehen feine Löcher, die
in Folge einen Riss initiieren können.
Dieses Problem ist heute noch nicht befriedigend gelöst. Für den Herstellungsprozess
derartiger CMC Werkstoffe ist es im Allgemeinen vorteilhaft, wenn
die Kohlefasern im Voraus beschichtet werden, um später bei
der Flüssigsilizierung
nicht zu sehr angegriffen zu werden. Dadurch wird bei der Herstellung
der ohnehin teuren Kohlefasern noch ein Arbeitsschritt notwendig.
Wenn der Faseranteil in einem CMC
Werkstoff stark erhöht
wird, erreicht man im Allgemeinen auch eine deutlich höhere Bruchdehnung,
was eigentlich bezogen auf die Schadenstoleranz wünschenswert
wäre, jedoch
weist ein derartiger Werkstoff eine sehr schlechte Oxidationsbeständigkeit auf.
Somit ist offensichtlich, dass ohne weitere Behandlung des Bremsringes
ein Kompromiss zwischen langer Standzeit und Schadenstoleranz eingegangen
werden muss.
Des weiteren zeigt sich bei faserverstärkten Bremsscheiben
von heute das Problem, dass im angenommenen Fall eines sich bildenden
Risses, die Faserverstärkung
zwar ein spontanes Versagen der Bremsscheibe verhindern kann, jedoch
spätestens bei
einem der nächsten
Bremsvorgänge
der Riss weiter wächst
und die Bremsscheibe in ihrer Funktion versagt.
Auch ist es allgemein bekannt, dass
bei keramischen Bremsscheiben eine Erhöhung der zulässigen Einsatztemperatur
angestrebt und erreicht wird. Als Problem dabei zeigt sich jedoch,
dass die höhere
Temperatur des Bremsringes und somit der gesamten Bremsscheibe zu
einer zusätzlichen
thermischen Belastung der Achse, der Radlager, der Felge, der Bremsklötze und
dadurch in weiterer Folge auch der Bremsflüssigkeit wird. Es wird heute
versucht, durch Innenbelüftung
der keramischen Bremsscheibe (wie auch bei Stahl- oder Gussbremsscheiben
bekannt) dieses Problem zu minimieren. Trotzdem ist es bereits teilweise
notwendig geworden, konventionelle Bremsklötze, bzw. deren Bremsbelag (kunstharzgebunden)
durch Sintermetall-Werkstoffe oder
einen anorganisch gebunden Werkstoff mit keramischer Binderphase
und Metallpartikeln zu ersetzen. Diese Werkstoffe können zumindest
der höheren
Temperatur standhalten und werden beim Bremsvorgang deutlich weniger
abrasiv beansprucht. Sie bestehen im wesentlichen aus Kupfer, Zink
oder Silber und deren Legierungen sowie optional aus Beimischungen
von Graphit, Ferrochrom, Eisen und keramischen Partikeln.
Ebenfalls ist bekannt, dass der enorme
Unterschied der jeweiligen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen
Bremsringes (ca. 2-7 x 10–6/K) und der Metallnabe
(ca. 12-26 x 10–6/K) sehr problematisch
ist. Aus diesem Grund muss die Nabe und der Bremsring so konstruiert
und ausgeführt
werden, dass zwischen ihnen eine kraft- und formschlüssige Verbindung
besteht. Die formschlüssige
Verbindung (Verzahnung, axiale Nuten, halbkreisförmiges Schlüssel-Schloss Prinzip,...) sorgt für die Übertragung
des Bremsmoments auf die Nabe. Jedoch müssen Dehnungen der beiden Bauteile
in radialer Richtung möglich
sein, ohne eine Verklemmung und Verspannung untereinander zu erzeugen.
Die kraftschlüssige
Verbindung (z.B. über
Schrauben) fixiert den Bremsring auf der Nabe in axialer Richtung,
jedoch ist ein entsprechendes Spiel vorgesehen, damit die Bauteile
in ihrer radialen Dehnung nicht behindert werden.
Der Schutz der Patentansprüche ist
dabei nicht auf ein bestimmtes Verfahren, sondern ausschließlich auf
die Bremseinheit als ein Gesamtsystem gerichtet.
Erfindungsgemäß wurde das Problem der ungenügenden Schadenstoleranz
in Verbindung mit langer Standzeit mit den Vorteilen resultierend
aus den Patentansprüchen
gelöst.
Dabei wird eine Schadenstoleranz des keramischen Bremsringes aufgrund
konstruktiver Voraussetzungen der Bremseinheit erzielt. Somit kann
bei der Herstellung einer Bremseinheit, abhängig vom späteren Einsatzgebiet, beliebig
auf eine zusätzliche
Verstärkung
des Bremsringes durch Fasern, feindisperse Teilchen oder Whisker
verzichtet oder zurückgegriffen
werden. Die Schadenstoleranz resultiert jedoch in erster Linie aus der
Art und Weise, wie die Bremseinheit arbeitet und wie sie aufgebaut
ist.
Keramiken können im Allgemeinen deutlich höheren Druckspannungen
standhalten, wohingegen bereits relativ kleine Zugspannungen, verbunden eventuell
mit einer keinen Fehlstelle ausreichen, um spontanes Versagen der
Keramik zu erreichen. Ein derartiges Verhalten nennt man: „nicht
schadenstolerant".
Das erfindungsgemäße Prinzip beruht darauf, dass
im keramischen Bremsring des Bremssystems bei einem Bremsvorgang
so wenig als möglich Zugspannungen
und Torsionsspannungen entstehen. Um dies zu erreichen, wirkt von
außen über die Bremskolben
und in weiterer Folge über
die Bremsklötze
die Bremskraft im wesentlichen im rechten Winkel auf die Umfangsfläche des
Bremsringes, die als Reibfläche
dient, und erzeugt so zusätzliche Druckspannungen
im Bremsring. Diese Druckspannungen vermögen herrschende Zug- und Torsionsspannungen
teilweise zu kompensieren.
Zusätzlich wird erfindungsgemäß mit den Unteransprüchen 2 bis 4 ein
schadentolerantes Verhalten der gesamten Bremseinheit auf konstruktive Art
und Weise erreicht. Ziel ist es dabei, mit den Bremsklötzen selbst,
die möglichst
den gesamten Umfang des Bremsringes umschließen, eine Art Ring auszubilden.
Dieser „Ring" ist in der Lage,
selbst bei einem Bruch des Bremsringes die einzelnen Teile (im Optimalfall
zwei Stück)
zusammenzuhalten und einen Bremsvorgang zu ermöglichen, da der Formschluss
zur Nabe aufrecht erhalten bleibt. Ein derartiger Bremsvorgang ist
zwar akustisch deutlich erkennbar, aber zumindest ist kein Totalausfall
dieser Bremseinheit zu beklagen und das Fahrzeug kann zum Stillstand
gebracht werden. Vorteilhafter Weise sind die Bremsklötze am Anfang
und am Ende jeweils leicht abgeschrägt. Auch eine Überlappung
der Bremsklötze
ist möglich,
um tatsächlich
den gesamten Umfang zu umschließen,
wenn diese durch eine Verzahnung in tangentialer Richtung mit ausreichend Spiel
versehen sind.
Um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden
ist es vorteilhaft, mindestens drei Bremsklötze rund um den Bremsring anzuordnen.
Prinzipiell können
es auch mehr als drei sein, jedoch ist allgemein eine ungerade Anzahl
an Bremsklötzen
vorzuziehen. Des weiteren wird eine Ausführung, bei der zwei Bremszylinder
pro Bremsklotz zum Einsatz kommen, gegenüber einem Bremszylinder pro
Bremsklotz bevorzugt. Die Bremskraft wird dadurch gleichmäßiger auf
den Bremsring übertragen.
Ein weiteres kritisches Bauteil stellt
die Nabe dar, die aus Kostengründen
meist metallisch ausgeführt
ist. Sie weist eine axiale Verzahnung auf, wodurch Momente übertragen
werden können.
Zusätzlich
bietet sie den Vorteil, dass der Bremsring sich selbst auf der Nabe
zentriert und dass, wenn ausreichend Spiel vorhanden ist, eine kraftarme
radiale Dehnung der Nabe möglich
ist.
Erfindungsgemäß wurde eine derartige Nabe
weiterentwickelt und die Vorteile werden Unteranspruch 5 geschützt. Ni-Fe-Legierungen
zeichnen sich gegenüber
anderen metallischen Werkstoffen durch extrem niedrige lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten
aus (0,5-2 x 10–6/K ). Somit wird es
möglich,
das bisher notwendige Spiel zwischen Bremsring und Nabe zur radialen
Dehnung, aber vor allem auch das Spiel in tangentialer Richtung
zwischen den beiden Bauteilen (Verzahnung) deutlich zu reduzieren,
wodurch noch eine bessere Rundlaufgenauigkeit erricht wird. Legierungstechnisch
wird der Ausdehnungskoeffizient dieser Ni-Fe-Legierungen noch modifiziert,
womit eine Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten des Bremsringes
erreicht wird. Je nach Anwendungsgebiet der Bremseinheit und zur Kostenminimierung
kann es vorteilhaft sein, die Nabe alternativ aus Stahl, einer Aluminiumoder
Magnesium-Legierung auszuführen
und nur die Zähne
der Verzahnung mit einer oben beschriebenen Legierung auszuführen.
Wie bereits oben beschrieben, muss
auch bei keramischen Bremsringen die große Wärmeentwicklung berücksichtigt
werden, die beim Bremsvorgang entsteht. Erfindungsgemäß wird dieses
Problem auf eine neue Art und Weise gelöst. Ein Schutz dafür wird mit
den Ansprüchen
bis 6 bis 13 und 11 begehrt.
Metalle zeigen im Allgemeinen eine
deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit
als keramische Materialien. Aus diesem Grund wird bei dieser Bremseinheit die
Wärme zum
Großteil
nicht über
den keramischen Bremsring, sondern über die metallischen Bremsklötze abtransportiert.
Genau deshalb muss die Wärmeleitfähigkeit
der Bremsklötze
möglichst
hoch sein (bei Kupfer ca. 400 W/mK). Die Bremsklötze weisen Bohrungen bevorzugt
in axialer Richtung auf, die aber durchaus je nach Einsatzgebiet
auch schräg
ausgeführt
sein können.
Diese Bohrungen können
z.B. mit Hilfe eines Luftleitsystems, z.B. gespeist durch den Fahrtwind,
durchströmt
werden, wodurch eine Luftkühlung
der Bremsklötze
erreicht wird. Zudem minimieren die Bohrungen den Wärmeflussquerschnitt
in Richtung zum Bremszylinder, damit dieser und in direkter Folge
die Bremsflΰssigkeit
nicht zu stark thermisch beansprucht wird. Auch eine wärmeisolierende
Schicht oder Platte zwischen Bremskolben und Bremsklotz verbessert
diese Wirkung.
Da erfindungsgemäß eine Faserverstärkung nicht
unbedingt notwendig ist, steht eine ganze Palette an Keramiken für die Fertigung
des keramischen Bremsringes zur Verfügung. Abzuwägen gilt es bei der Auswahl
vor allem bezüglich
Wärmeleitfähigkeit (im
Bereich zwischen 2 W/mK bei ZrO2 und 20
bis 200 W/mK bei SiC), dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
(ca. 2-7 x 10–6/K)
und der Thermoschockbeständigkeit
(besonders bei SiC und Si3N4). Je
nach Einsatzgebiet können
eine oder mehrere der Eigenschaften besonders wichtig sein und man
muss eine geeignete Keramik auswählen.
Wenn z.B. der keramische Bremsring eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, werden Achse und in weiterer Folge das Radlager thermisch
nicht stark beansprucht.
Zusätzlich kann wiederum mit Bohrungen der
Wärmeflussquerschnitt
zur Nabe hin verkleinert werden. Außerdem wird dadurch eine Kühlung erreicht
und Gewicht eingespart. Bei entsprechender Ausführung können sogar Risse gestoppt werden. Dieser
Effekt ergibt sich daraus, dass sobald der Riss auf eine Bohrung
trifft, aufgrund des Radius keine Kerbwirkung mehr herrscht.
Wie ebenfalls bereits oben beschrieben,
sollen Hochleistungsbremsen eine kleine Masse besitzen. Diese Forderung
wird erfindungsgemäß mit den Ansprüchen 9,
10, und 17. erreicht. Bei der erfindungsgemäßen Bremseinheit wird der Radius
des Bremsringes im Vergleich zu heute gebräuchlichen Bremsscheiben verkleinert,
wodurch eine quadratische Verkleinerung der Fläche im mathematischen Sinne
bewirkt wird (A = r2*Pi). Der Umfang verkleinert sich
jedoch nur nach einer linearen Funktion (U = 2*r*Pi). Die benötigte Reibfläche auf
dem Umfang des Bremsringes berechnet sich mit Umfang U mal Breite
b des Bremsringes, somit nach einer linearen Funktion. Das Volumen
V berechnet sich nach Grundfläche
A mal Breite b. Da das Volumen proportional zur Masse ist, kann
Masse eingespart werden, wenn Volumen eingespart wird, dabei aber
die Reibfläche
konstant bleibt. Mathematisch kann nachvollzogen werden, dass bei
einer Verkleinerung des Radius die Breite nur wenig zunehmen muss,
um die selbe Reibfläche
auf dem Umfang zur Verfügung
zu haben. Der Bremsring mit dem kleineren Radius hat aber ein deutlich
kleineres Volumen und somit eine kleinere Masse.
Ein daraus resultierender Vorteil
besteht darin, auch bei starker räumlicher Begrenzung eine große Bremsfläche zur
Verfügung
zu haben.
Eine ausgeprägte Leichtbauweise der Bremszylinder
wird erfindungsgemäß durch
die Ansprüche
16 und 1 erreicht. Die Bremszylinder werden im Spritzgussverfahren
aus einer Leichtmetall-Legierung gefertigt. Dabei können diese
relativ dünnwandig
und somit leicht ausgeführt
werden, da die geforderte Steifigkeit konstruktiv erreicht wird.
Es ist entweder ein geschlossener Ring aus einer Leichtmetall-Legierung
rund um den Bremsring möglich,
welcher die Bremszylinder mit den Kolben aufnehmen oder direkt beinhalten
kann. Aber auch eine Verbindung und Versteifung der Bremszylinder
untereinander durch dünne,
hochfeste Stäbe
(vorzugsweise aus hochfestem Stahl) ist möglich. Sinnbildlich sind diese Stäbe so angeordnet,
dass sie bei drei Bremsklötzen mindestens
ein Dreieck, bei vier Bremsklötzen
mindestens ein Viereck, bei fünf
Bremsklötzen
mindestens ein Fünfeck
oder aber eine andere Geometrie aufweisen. Kennzeichnend für diese
Verbindung durch Stäbe
ist allerdings, dass die Geometrie so ausgebildet ist, damit die
Aufnahme einer Felge nicht behindert wird und trotzdem ein Maximum
an Steifigkeit erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Bremseinheit weist somit
alle Merkmale auf, die für
eine Hochleistungsbremse erforderlich sind. Zudem vereint sie minimale Masse,
sehr gutes Ansprechverhalten und einen sehr konstanten Reibbeiwert über einen
weiten Temperatur- und Geschwindigkeitsbereich, mit Sicherheit auch
im schlimmsten Fall durch konstruktiv bedingte Schadenstoleranz.
Bezugszeichenliste zu 1 bis 4: In 1 bis 4 sind mögliche Ausführunge einer erfindungsgemäßen Bremseinheit
schematisch dargestellt. Sie stellen keine technischen Zeichnungen
dar und sollen nur dem Verständnis
dienen. Auf Details wurde absichtlich verzichtet, um die Übersichtlichkeit zu
fördern. 2 bzw. 4 stellen Schnitte von 1 bzw. 3 dar.
Die Bezugszeichenliste ist als Ergänzung zu 1 bis 4 angegeben.