DE2605333C3

DE2605333C3 - Bremsscheibe mit Ventilationskühlung

Info

Publication number: DE2605333C3
Application number: DE2605333A
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr.-Ing. 5101 Aachen-Richterich Gallus; Willi Ing.(Grad.) Klein; Hans Dr.-Ing. Zeuner
Original assignee: BERGISCHE STAHL-INDUSTRIE 5630 REMSCHEID
Current assignee: BERGISCHE STAHL-INDUSTRIE 5630 REMSCHEID
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1981-01-08
Also published as: NL184581C; YU39049B; FR2341071A1; NL7701394A; FI64230C; FR2341071B1; SE7701341L; HU175047B; CH619290A5; FI64230B; DK153101C; DE2605333B2; DE2605333A1; DD128224A5; YU20477A; US4083435A; ES455792A1; BE851291A; IT1086767B; DK47077A

Description

Bei einer bekannten Bremsscheibe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung (US^PS 29 464) sind zwischen Schaufelrippen Wärmeflußrip* pen angeordnet, Weiche am Inneren Umfang des Brenrtsrings Von einem Kreisbogen begrenzte Ausnehmungen besitzen. Mk diesen Ausnehmungen sollte erreicht werden, daß mehr Luft an das untere über den Innenumfang der Bremsscheibe überstehende Ende der Schaufelrippen herangeführt wird, da diese Rippen wegen ihrer aufgrund der Konstruktion erforderlichen größeren Dicke einen sehr schlechten Wärmefluß besitzen, so daß die Bremswarme auch über diese Schaufelrippen besser abfließen kann. Auch diese Konstruktion geht also davon aus, daß eine möglichst große Lüftmenge an die Rippen herangebracht werden muß, um eine genügende Kühlung zu erreichen.

ίο Bei der Abbremsung höherer Wagengewichte, der Benutzung kleinerer Räder und damit kleinerer Bremsscheiben, beim Bremsen aus hohen Fahrgeschwindigkeiten sowie mit größerer Bremshäufigkeit im schnellfahrenden Nahverkehrsbetrieb stellt man jedoch

t - einen erheblichen Nachteil der bekannten Ventilationskühlung insoweit fest, als sich die Betriebstemperatur immer schwerer so gestalten ließ, daß mit organisch gebundenen Bremsbelägen einwandfrei ^owie mit ausreichender Lebensdauer der Bremslänge gebremst werden konnte. Es ist zweckmäßig, eine mittlere Bremsscheibentemperatur von etwa 375° C nicht zu überschreiten, um Temperaturfading und unzulässig hohen Belagverschleiß zu vermeiden. Es ist festgestellt worden, daß jede Erniedrigung der mittleren Brems-Scheibentemperatur bis zu etwa 280° C mit einer sehr wesentlichen Minderung des Belagverschleißes verbunden ist

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht darin, die bekannten Bremsscheiben so weiter zu entwickeln, daß damit die gesteigerten Anforderungen im praktischen Betrieb erfüllt werden können. Insbesondere sollte durch eine Neugestaltung des Kühlraums eine Verbesserung der Ventilationskühlung erzielt werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs aufgeführten Merkmale a) bis e) gelöst

Das Merkmal a) nach deir Kennzeichen des Hauptanspruchs ist bereits bei Bremsscheiben mit Ventilationskühlung (US-PS 22 55 023) bekannt. Bei dieser Bremsscheibe sind jedoch durchgehend gleich geformte Schaufelrippen vorgesehen, die hinsichtlich des Luftdurchsatzes die bekannten Nachteile aller anderen Brem·. cheiben besitzen. Insbesondere das Verhältnis des Ein- zum Austrittsquerschnitt ist bei dieser bekannten Ausbildung ein völlig anderes.

Weiter ist es auch bereits bekannt (zu Merkmal b) des Kennzeichens), bei gekühlten Bremsscheiben mit Wärmeflußrippen in diesen Rippen keilförmige Verjüngungen vorzusehen, die in Achsrichtung zur Mitte der Ventilationskanäle hin verlaufen (US-PS 22 15 421). Bei dieser bekannten Bremsscheibe berühren sich jedoch die Wärmeflußrippen in der Kanalm tte im Gegensat?

zum Anmeldungsgegenstand nicht. Außerdem wird durch diese Wärmeflußrippen das Verhältnis von Einzu Austrittsquerschnitt der Luft nicht im Sinne der vorliegenden Erfindung verändert, sondern liegt nach wie vor im Bereich von 1 : 2,3.

Es ist auch schon bekannt (GB-PS 8 47 120), zwischen den normalen Sehaufelrippen Von gekühlten Brems^ scheiben zusätzlich Wärmeflußrippeh vorzusehen, wel· ehe keilförmig sich verjüngende Ausnehmungen tragen, die zusätzlich zu den bekannten halbkreisförmigen Ausnehmungen vorgesehen sind^ Die keilförmigen Ausnehmungen sind jedoch einander entgegengesetzt gerichtet an dem inneren und äußeren Ende der Rippen angeordnet Dies bedeutet aber, daß sowohl der

Lufteintritts- als auch der Luftaustrittsquerschnitt durch diese Ausnehmungen im gleichen Maß vergrößert wird, weshalb sich das Verhältnis der beiden Querschnitte nicht ändert, sondern nach wie vor bei einem Verhältnis von etwa 1 :2,3 bleibt

Durch die Erfindung v/ird erreicht, daß eine turbulente Strömung der durch die Kanäle fließenden Kühlluft, welche für den Wärmeübergang von der Oberfläche der Kühlkanäle an die durchströmende Luft große Bedeutung hat, eintritt Außerdem ist durch die Gestaltung der Rippen erreicht worden, daß die während der Energieumwandlung an den Reibflächen erzeugte Wärme durch die Wanddicke der Reibringe an die Kühlraumoberfläche unter Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit von Gußeisen mit einem in axialer Richtung fallenden Gradienten fließt Dort, wo die Wärme auf den Fuß der Rippe trifft, strömt die Wärme lokal in die Rippe. Um viel Wärme aus den Reibringen in die Rippen fließen zu lassen, muß der Fuß der Rippen im Verhältnis zur axialen Rippenlänge breit sein.

Im übrigen erwärmt sich die am inneren Luiteintrittsquerschnitt eintretende Luft beim Durchströmen der Kühlkanäle und erfährt eine entsprechende Volumenvergrößerung. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Verhältnis der Kühlkanalquerschnitte gewährleistet die thermische Volumenvergrößerung der durchströmenden Luft daß nur unwesentliche Druck- und Geschwindigkeitsänderungen beim Durchströmen der Bremsscheiben-Kühlkanäle auftreten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert Weiterhin sind Versuchsergebnisse dargestellt wobei eine bekannte Bremsscheibe mit einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe verglichen wird. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise Seitenansicht von einer bekannten Bremsscheibe,

F i g. 2 ei..en Schnitt nach der Linie Π-1Ι der Fig. 1,
F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der F i g. 1,
Fig.4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Ausführungsbeispiel der Bremsscheibe nach der Erfindung,

F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 4,
F i g. 6 einen Schnitt nach der Linit VI-Vl der F i g. 4,
F i g. 7 eine vergrößerte teilweise geschnittene Seitenansicht von einer Bremsscheibe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Nach den Fig. 1-3 besteht die bekannte Bremsscheibe aus der Nabe 11, welche in bekannter Weise auf der nicht dargestellten Welle befestigt werden kann. Die Nabe besitze drei Klemmnuten 12 bildende Tragarme, wobei die Verbindung zwischen Bremsring 13 und Nabe 11 durch die in den Nuten 12 eingeklemmten Führungsleisten 14 erfolgt, welche die über den inneren Umfang des Bremsrings hinausgehende Verlängerung der Rippe 15 darstellt. Die Klemmnut 14 wird durch ein etwa tangential die Nut überspannendes Sicherungsstück 16 geschlossen. Der Bremsring 13 besteht nach Fi g, 2 Und 3 aus zwei Reibringen 13/4 Und 135, welche auf der Außenfläche die Reibfläche 17 tragen und durch auf der Rückseite angeordnete radiale Rippen 18 Und 19 miteinander verbunden sind. Die Rippen 18 haben dabei eine Länge, welche etwa der Breite der Reibringe 13/4 Und 135 entspricht, Wohingegen die Rippen 19 kürzer sind. Die Rippen 18 und i3 sind über ihre gesamte axiale Breite gleich dick, wie F ί g. 3 zu Mitnehmen ist.

Nach den Fig.4-7 ist beispielsweise die Bremsscheibe nach den Fig. 1-3 neu gestaltet wobei die allgemeinen Abmessungen aber beibehalten wurden. Die Nabe 20 ist auf der nicht dargestellten Welle befestigt und besitzt nunmehr vier Klemmnuten 21, in denen zur Befestigung des Bremsrings 22 die als Verlängerung der Rippen 23 ausgebildeten Führungsleisten 24 eingeklemmt sind. Die Sicherungslaschen 25 überspannen tangential die Klemmnut 21. Der Bremsring 22 besteht nach Fig.5 und 6 aus zwei Reibringen 22/4 und 225, welche auf der Rückseite durch Rippen 27 und 28 miteinander verbunden sind. Die Rippen 27 haben dabei eine Länge, welche etwa der Breite der Reib ringe 22/4. und 225 entspricht und bilden zusammen mit den Rippen 23 sogenannte Schaufelrippen, durch die die Luft gefördert wird. Die Rippen 28 tragen als sogenannte Wärmeflußrippen eine Ausnehmung 29, welche sich radial etwa trichterförmig verengend vom am inneren Umfang 30 des Bremsrings liegende Ende der Rippen aus erstreckt Alle Ri', ,en 23, 27 und 28 liegen mit einer breiten Fußfläche 31 an der Rückseite der Reibringe 22Λ und 225 an und verjüngen sich zur Mitte 32 zwischen den beiden Reibringen keilförmig. Das Verhältnis der Anzahl der Rippen 23 plus 27 zu den Rippen 28 beträgt 1 :8.

Nach F i g. 7 beträgt die prozentuale Rippenfußbreite 31 je Teilstrecke 36 ca. 62%, wobei die beiden Werte auf dem Bremsradius 35 gemessen worden sind. Das Verhältnis der rippenfußbreite 31 ram Abstand 33 zweier benachbarter Rippen 28 oder 27 und 28 am inneren Bremsringumfang beträgt 1 und soll nicht wesentlich von diesem Wert abweichen.

Die bei den miteinander verglichenen Bremsscheiben vorhandenen Unterschiede sind in Tabelle 1 zusammengestellt

Tabelle I

	Lufteintrittsquerschnitt	Alte	Neue
to	Luftaustrittsquerschnitt	Bauweise	Bauweise
45 Gesamtrippenzahl	455 cn²	630 cm²
Führungsleisten	1035 cm²	365 cm²
Führungsleistenbreite	60 StücK	72 Stück
Gewicht	3	4
Durchmesser der Brems-	50 mm	35 mm
50 scheibe	125 kg	144 kg
Breite der Bremsscheibe	660 mm	660 mm
Reibringdicke
110 mm	110 mm
20 mm	20 mm

Folgende Prüfungpp. wurden durchgeführt:

Dauerbremsung

Als Prüfprogramm zur Ermittlung der BremsscheibenbeharrungslGmperatur bei Dauerbreirtsutig wurden ohne Unterbrechung und Zwischenabkühlung über einen Zeitraum von 6 h kontinuierlich Bremsungen mit 20, 30 und 40 kW Bremsleistüng bei jeweils vier verschiedenen Geschwindigkeiten (100, 75, 50 und 25 km/h) gefahren, Die Einzelheiten des Programms sind der folgenden Tabelle 2 zu entnehmen.

Tabelle 2

Bremsleistung N in kW
Bremszeit t in min
Drehzahl η in U/min
Geschwindigkeit bei Rad-Durchmesser = 920 mm in km/h
Bremsmoment M_B in daNm

	26	05	333
20
60	30	30	30
577	433	289	144
100	75	50	25

30 40

30 30 30 30 30 30 30

692 577 462 346 692 577 462

120 100 SO 60 120 100 80

34 45

67 135 42

51

63 85

56 68 84

Der nach diesem Programnrdurchgeführte Vergleich zwischen der alten und der erfindungsgemäßen Bremsscheibe führte zu dem in Tabelle 3 zusammengestellten Ergebnis.

Tabelle 3

Bremsleistung	Geschwindigkeit	Bremsscheibenbeharrungstemperatur in ⁰C	DifTerenz der
			Beharrungs
		alte Bauweise neue Bauweise	temperaturen
	I SU		ίϊί \*

100
75
50
25

120

100

120

100

206 249 302 389

312 315 349 399

373 410 448

Besonders deutlich ist der Einfluß der verbesserten Ventilationskühlung bei steigender Bremsleistung zu erkennen. Ebenso ist dieser Effekt bei konstanter Bremsleistung in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Absenkfahrten (siehe Bremsleistung 30 und 40 kW) erkennbar.

Stellt man der Geschwindigkeit, bei welcher die Dauerbremsung ausgeführt wird, die jeweilige Dauer-

τ : ^t

184
228
279
359

243
283
306
371

311
383
393

-22 -21 -23 -30

-69 -32 -43 -28

-62 -27 -55

375°C gegenüber, so findet man, daß die nach der Erfindung gestaltete Bremsscheibe bei 100 km/h eine Dauerbremsleistung von 40,5 kW erbringt, wohingegen die bekannte Bremsscheibe nur eine Leistung von 37 kW erreicht.

b) Stoppbremsung im Nahverkehrsbetrieb-

Hierbei wurde eine vorgegebene Beanspruchung auf dem Dynamometer simuliert, wobei unter den verschiedensten Bedingungen jeweils so viele Bremsiinjen ausgeführt wurden, bis die Beharrungstemperatur sich in der Bremsscheibe einstellt Dabei zeigt sich die verbesserte Ventilationskühlung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe besonders deutlich, wenn man in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit den kleinstmöglichen Haltestellenabstand betrachtet, der bei einer Behaminzstemperatur der Bremsscheibe von 375° C für eine beliebige Anzahl von Stoppbremsungen eingehalten werden kann. Die Verkürzung des kleinstmöglichen Haltestellenabstandes beträgt bei Stoppbremsungen

aus 55 km/h = 200 m = Verbesserung um 2330% aus 60 km/h = 240 m = Verbesserung um 21,81 % aus 65 km/h = 260 m = Verbesserung um 19,54%

35

40

45 Bei einem konstanten Haltestellenabstand von 1000 m treten unter den gleichen Bedingungen folgende in Tabelle 4 zusammengefaßten Behärrungstemperaturen in den Bremsscheiben auf:

Tabelle 4

Stoppbremsung aus Beharrungstemperatur ("C) Qeschuiindigkeit a1tß Ranweise neue Bauweise

der Bremsscheibe der Bremsscheibe km/h

50	290	255
55	354	300
60	395	345
so 65	—	390

Die nach dieser Tabelle 4 festgestellte durchschnittlich um 45° C geringere Betriebstemperatur der netten BremKcheibe verbessert sehr wesentlich das Verschleißverhalten der Bremsbeläge, wie einleitend dargestellt wurde.

c) Stoppbremsungen im Schnellverkehrsbetrieb

Bei diesen Versuchen sind im Geschwindigkeitsbereich von 60 bis 240 km/h je Geschwindigkeit drei Stoppbremsungen bei unterschiedlicher Verzögerung mit verschiedenen Radfahrmassen ausgeführt und dabei die Bremsscheibentemperaturen ermittelt worden.

Generell ist diesen Versuchen zu entnehmen, daß die besser belüftete Bremsscheibe nach der Erfindung bei Bremsungen aus hoben Geschwindigkeiten eine um 30 bis 50° C geringere Temperatur als die bekannte Bremsscheibe aufweist Daraus resultiert beispielsweise

für eine Vergrößerung von 0,8 m/s² bei einer 84-Ächsfahrmasse, daß bis zur Erreichung der Belaggfenztemperatur Von 375° C mit der besser belüfteten Bremsscheibe Stop[ftremsungen aus 23Ö km/h möglich sind, während mit der alten Bremsscheibe bei gleichen Bedingungen Stöppbremsungen nur aus 216 km/h

möglich sind. Das entspricht zwar einer Geschwindigkeitssteigerung Von nur 10,6%, bedeutet aber für die Energieumwandlung eine Leistungssteigerung Von 22%. Bei einer Verzögerung von 1,0 m/s² ergibt sich eine Leistungssteigerung von 29% und bei I₁ZnVs* ergibt sich eine Leistungssteigerung von 34-%.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

030 262/215

Claims

Patentansprüche:

1. Bremsscheibe mit Ventilationskühlung, bestehend aus einem Bremsring, der im Innern durch Rippen gebildete radial verlaufende Kanäle aufweist, bei der die kühlende Luft von Schaufelrippen gefördert am nabenseitigen Innenumfang des Bremsrings in die Kanäle ein- und am Außenumfang des Bremsrings austritt, wobei zusätzlich zu den Schaufelrippen, die eine etwa der gesamten Breite des Bremsrings entsprechende Länge besitzen, durchgehende Wärmeflußrippen vorgesehen sind, deren Lufteintrittskanten vom-Rippenfuß ausgehend zur Rippenmitte hin radial nach außen zunehmend zurückgesetzt sind und eine radial begrenzte Ausnehmung bildend die Schaufellänge zur Mitte hin verkürzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeflußrippen (28)

a) im Sismsradius (35) ein prozentuales Verhältnis von Rippenfußbreite (31) zur Rinnenteilstrecke (36) von mehr als 60% besitzen,

b) daß sie sich in achsparalleler Richtung bis zur Mitte zwischen den beiden Reibringen (22A, 22B) keilförmig verjüngen (F i g. 6),

c) daß sie am Innenumfang (30) des Bremsrings (22) ein prozentuales Verhältnis der Rippenfußbreite (31) zum Abstand (33) zweier benachbarter Rippen (27,28) vor. 80 -100% besitzen,

d) daß die radialen Ausnehmungen (29) der Wärrreflußrippen (28) sich vom Lufteintrittsquerschnitt radial nach außen keilförmig verjüngen und

e) daß das Verhaltes von Lufteintritts- zu Luftaustrittsquerschnitt ι /ischen 1 :2 und 1 :1 Hegt.

2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auch die Schaufelrippen (23, 27) bis zur Mitte zwischen den Reibringen keilförmig verjüngen.

3. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmigen Ausnehmungen (29) an den Wärmeflußrippen (28) mindestens die Hälfte jedoch nicht mehr als Vi der radialen Rippenlänge einnehmen.

4. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite des Rippenfußes zur Breite der Rippenmitte !wischen den Reibringen bei 4 :1 bis 2 :1 liegt, wobei einem größeren Reibringabstand ein kleineres Breitenverhältnis zugeordnet wird.