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Dokumentenidentifikation DE102006030301A1 10.01.2008
Titel Trommelbremse mit keramischen Reibflächen
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Bruch, Christian, 83666 Waakirchen, DE
DE-Anmeldedatum 30.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030301
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse F16D 65/10(2006.01)A, F, I, 20060630, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16D 65/08(2006.01)A, L, I, 20060630, B, H, DE   
Zusammenfassung Trommelbremse (1) mit mindestens einer keramischen Reibschicht an einer der zusammenwirkenden Reibflächen, ausgewählt aus der als Rotor wirkenden Trommelinnenfläche (11) und den mit ihr als Stator zusammenwirkenden Bremsbacken (14).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Trommelbremsen mit keramischen Reibflächen.

Derzeit werden in Fahrzeugen zwei unterschiedliche Systeme von Bremsen eingesetzt, Scheibenbremsen und Trommelbremsen. Während Scheibenbremsen für höhere Bremsleistungen bevorzugt eingesetzt werden wegen der besseren Wärmeabführung und der einfacheren Möglichkeit, die Bremsbeläge zu überprüfen und zu wechseln, werden Trommelbremsen für geringere Bremsleistungen wegen ihrer einfacheren Konstruktion und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung bevorzugt.

Trommelbremsen enthalten als wesentliche Komponenten ein zylinderförmiges umlaufendes Gehäuse (Trommel), an das beim Bremsen von innen (so verwendet in Fahrzeugen) oder von außen (verwendet beispielsweise bei Maschinenbremsen) drehbar oder schwenkbar gelagerte, ansonsten feststehende Bremsbacken gepreßt werden. Bei großer Wärmeentwicklung dehnt sich die Trommel aus, wobei bei innenliegenden Bremsbacken in üblicher Bauart diese an der Innenwand der Trommel nicht mehr vollständig anliegen und die Bremse daher an Wirkung verliert. Das Betätigen (Stellen) der Bremsbacken erfolgt üblicherweise durch Hydraulikzylinder im Inneren der Trommel oder über drehbare Exzenter von außen.

Die robustere Ausführungsform läßt Trommelbremsen attraktiv erscheinen, wenn es gelingt, die immanenten Nachteile gegenüber den Scheibenbremsen wie insbesondere die geringere Bremsleistung zu überwinden.

Es wurde nun gefunden, daß die Verwendung von keramischen Reibmaterialien zu einer erheblichen Verbesserung der Bremsleistung führt, ohne daß die bisher bei Trommelbremsen als gegeben erachteten Nachteile der schlechteren Wärmeabführung für die Eignung prohibitiv wären.

Die Erfindung betrifft daher Trommelbremsen mit keramischen Reibschichten auf mindestens einer der als Rotor oder als Stator zusammenwirkenden Reibflächen.

Die Erfindung wird durch die angelegten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen die

1 eine Draufsicht auf einen Schnitt senkrecht zur Achse durch eine Trommelbremse 1 mit mindestens einer keramischen Reibschicht an einer der zusammenwirkenden Reibflächen, nämlich der als Rotor wirkenden Trommelinnenfläche 11 und/oder den mit ihr als Stator zusammenwirkenden Bremsbacken 14,

2 einen Schnitt längs der Linie II-II durch eine Trommelbremse 1 in einer die in der Zeichnung nicht dargestellten Achse enthaltenden Ebene, wobei zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Aktuator ebenfalls nicht dargestellt ist,

3 eine Draufsicht in Richtung der Achse auf eine Bremsbacke 14 mit einer Lagerung durch eine Kombination von Bolzen und Rundloch und eine Kombination von Bolzen und Langloch,

4 ein Detail IV eines Schnitts gemäß 2, wobei in dieser Ausführung die Spitze der Bremsbacke 14 gebrochen ist, wodurch an der Berührungsstelle der Spitze der Bremsbacke 14 und der keilförmigen Nut 112 der Bremstrommel ein Lumen entsteht, und

5 ein Detail V eines Schnitts gemäß 2, wobei in dieser Ausführung der achsferne Grund der keilförmigen Nut 112 der Bremstrommel eine zusätzliche Ausnehmung mit rechteckförmigem oder verrundetem Querschnitt aufweist, wodurch an der Berührungsstelle der Spitze der Bremsbacke 14 und der keilförmigen Nut 112 der Bremstrommel ein Lumen entsteht.

Im einzelnen zeigt die 1 einen Schnitt senkrecht zur Achse durch eine Anordnung umfassend eine Trommelinnenfläche 11 und die mit ihr zusammenwirkenden Bremsbacken 14, wobei in dieser bevorzugten Ausführungsform sowohl die Trommelinnenfläche als auch die Bremsbacken mit keramischen Reibschichten 111, 141 ausgeführt sind. Die Bremsbacken 14 sind zumindest am peripheren Teil 142 mit keilförmigem Querschnitt ausgebildet und greifen in eine keilförmig ausgebildete Nut 112 in der Trommelinnenfläche ein (2). Hier sind zwei Bremsbacken 14, 14' dargestellt, die durch eine Betätigungseinrichtung umfassend einen Aktuator 151 und eine Rückholeinrichtung 12, 152 in Eingriff mit der Trommelinnenfläche gebracht werden und wieder gelöst werden. Bevorzugt weisen die Bremsbacken 14 einen sichelförmigen Querschnitt auf. Der Aktuator 151 ist hier als Nockenscheibe ausgebildet, die im Zusammenwirken mit den Bremsbacken 14 durch Verdrehen der Nockenscheibe 151 die Bremsbacken 14 nach außen in Richtung der Trommelinnenfläche 11 drückt. Bevorzugt ist der keramische Werkstoff der Reibschichten 111, 141 eine mit Fasern aus Kohlenstoff verstärkte Siliciumcarbid-Keramik („C-SiC"). Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, andere Keramik-Werkstoffe beispielsweise basierend auf oxidischen Keramiken wie Aluminiumoxid, oder mit Fasern aus Kohlenstoff verstärkten Kohlenstoff einzusetzen. Die geschlossene Bauweise ermöglicht für den letzteren Fall auch die Anwendung von Schutzgasen, wodurch der Hinderungsgrund der oxydativen Empfindlichkeit solcher Systeme entfällt.

Die Trommelbremse 1 gemäß der Erfindung weist mindestens eine keramische Reibschicht auf an einer der zusammenwirkenden Reibflächen ausgewählt aus der als Rotor wirkenden Trommelinnenfläche 11 und den mit ihr als Stator zusammenwirkenden Bremsbacken 14. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Mitte der keilförmigen Nut 112 mindestens ein nach außen offener Kanal 13 eingebracht, der radial nach außen weist und bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt aufweist; es ist besonders bevorzugt, derartige Kanäle 13 über den gesamten Umfang der keilförmigen Nut zu verteilen.

Die 2 zeigt den Schnitt II-II gemäß 1, wobei zur Verbesserung der Übersichtlichkeit hier lediglich die Bremsbacken 14, 14' und die Bremstrommel 13 dargestellt sind. Die Trommelinnenfläche 11 weist das Profil eines mit der Spitze nach außen, vom Zentrum hinweg, gerichteten „V" auf, in das der mit keilförmigem Querschnitt ausgebildete achsferne periphere Bereich 142 der Bremsbacke 14 eingreift. Verschiedene Ausführungsarten des als „IV, V" bezeichneten Detailbereichs sind in den 4 und 5 dargestellt, wobei ein zur Aufnahme von Staub und Abrieb bestimmtes Lumen einmal gemäß 4 durch Brechen der Spitze des keilförmigen Bereichs 142 der Bremsbacke 14 zusammen mit dem V-förmigen Grund des Profils der keilförmigen Nut 112 der Bremstrommel gebildet wird, und in einer anderen Ausführung gemäß 5 durch Vertiefen des Grundes des V-förmigen Profils der Bremstrommel 13 mit einer zusätzlichen rechteckförmigen oder verrundeten Ausnehmung. Die Ausnehmung gemäß 5 und die gebrochene Kante gemäß 4 erstrecken sich selbstverständlich über den gesamten Umfang der Trommelinnenfläche bzw. die Länge der Bremsbacke. Aus fertigungstechnischen Gründen ist anstelle der rechteckförmigen Ausnehmung wie in 5 dargestellt eine Form vorzuziehen, bei der die Kanten am Grund der Ausnehmung verrundet sind, ebenso wie ein verrundetes Profil der Bremsbacke 14 gemäß 4. In der 3 ist eine Ausführungsform der Führung einer Bremsbacke 14 durch eine Kombination eines Bolzens 14011 mit einem kreisförmigen Loch 1401 einerseits und einem Bolzen 14011 in Zusammenwirken mit einem Langloch 1402 gezeigt. Es ist jedoch bevorzugt, beide Führungen mit Langlöchern auszubilden, wie in 1 dargestellt.

Es werden bevorzugt mindestens zwei Bremsbacken 14 vorgesehen. Aus fertigungs- und betätigungstechnischen Gründen werden im Fall der in den Zeichnungen dargestellten Bremsbacken maximal 12 Bremsbacken bevorzugt. Besonders günstig sind ungerade Anzahlen von Bremsbacken, wobei bei ungeraden Anzahlen die Geräuschentwicklung niedriger ist als bei geraden. Die Bremsbacken 14 werden durch jeweils mindestens zwei Führungen 1401, 14011, 1402, 14011 geführt, wobei mindestens eine der Führungen durch eine Kombination von einem Bolzen 14011 und einem Langloch 1402 gebildet wird. Werden beide Führungen mit Langlöchern ausgeführt, so ist es weiter im Fall der mechanischen Betätigung durch eine Nockenscheibe bevorzugt, mehr als eine, insbesondere mindestens zwei Nocken für je eine Bremsbacke vorzusehen, wobei durch die Vielzahl an Nocken sichergestellt werden kann, daß die umfangsseitige Kante und die umfangsseitigen Flächen der Bremsbacken spätestens beim reibenden Eingriff mit der Trommelinnenfläche stets konzentrisch zur Achse stehen. Anstelle der in den Zeichnungen dargestellten Führung ist auch eine Führung durch Stege möglich und vorteilhaft.

Das für Trommelbremsen charakteristische Problem der unterschiedlichen Wirkung der beiden Bremsbacken (auflaufender und ablaufender Bremsbacken) in der Ausführung mit zwei Backen läßt sich in der Bauweise gemäß der Erfindung vermeiden, wenn beide oder in Ausführungen mit mehr als zwei Bremsbacken, bevorzugt alle Bremsbacken als auflaufende Backen angeordnet sind. In einer solchen Ausführung wirken allerdings beim Rückwärtsfahren dann diese Backen als ablaufende Bremsbacken, mit entsprechend verminderter Bremswirkung, was aber für diese Betriebsweise toleriert werden kann.

Die Bremsbacken werden jeweils durch eine oder mehrere Rückholfedern 12, 152 in die Ruhestellung zurückbewegt, wenn der sie betätigende Aktuator 151 in seine Ausgangslage zurückkehrt oder der Druck nachläßt, mit dessen Hilfe der Aktuator 151 gestellt wird. Vorteilhafterweise kann auch eine gemeinsame Feder 12, 152 verwendet werden, so wie dies in der 1 dargestellt ist, wobei die Feder an Stützpunkten 121 gelagert ist.

Es ist im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich, die Bremsbacken durch elektromechanische Aktuatoren, wie piezoelektrische oder elektromagnetische Aktuatoren, oder durch pneumatische oder hydraulische Aktuatoren direkt und einzeln zu betätigen. Werden die Bremsbacken in Form von Stiften oder flachen Quadern gemäß Anspruch 15 ausgeführt, so ist eine Führung durch Buchsen bevorzugt. Durch den geringeren Raumbedarf in diesem Fall, insbesondere im Fall von Bremsstiften, lassen sich erheblich größere Anzahlen dieser Bremsstifte realisieren, beispielsweise bis zu 100 Bremsstiften.

Die Kanäle können in radialer Richtung durch Hartbearbeitung (Bohren, in leitfähigen Keramikwerkstoffen wie mit Silicium gebundenem Siliciumcarbid (SiSiC) auch durch Funkerosion) eingearbeitet werden. Eine andere Möglichkeit ist bei der Fertigung des Trommelinnenbelags aus zwei Halbscheiben, durch Bearbeitung der Halbscheiben in der Trennebene die Kanäle zu formen, wobei man in diesem Fall nicht auf radiale Kanäle beschränkt ist, sondern diese auch, wie in der 1 dargestellt, mit evolventenförmiger Kontur ausführen kann.

Bei Betriebsversuchen mit einer Trommelbremse gemäß der Ausführungsform von 1 hat sich gezeigt, daß das ansonsten bei Trommelbremsen problematische schnelle Fading beim Erhitzen durch größere Bremsleistung ausbleibt, aber der bessere Schutz auch in korrosiven Umgebungen (Feuchtigkeit, Salzwasser) und vor mechanischer Beschädigung den erwarteten Vorteil bietet. Insbesondere bei rauhen Betriebsbedingungen sind daher erfindungsgemäße Trommelbremsen den dagegen empfindlicheren Scheibenbremsen mit keramischen Bremsringen vorzuziehen.

Es hat sich bei diesen Betriebsversuchen weiter in überraschender Weise ergeben, daß bei Betrieb einer Trommelbremse gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei mindestens eine der zusammenwirkenden Reibflächen aus einem keramischen Werkstoff ausgeführt ist, keine störende Geräuschentwicklung auftrat, im Gegensatz zu Scheibenbremsen mit keramischen Reibpaarungen.

1
Trommelbremse
11
Trommelinnenfläche
111
keramische Reibschicht
112
keilförmige Nut in der Trommelinnenfläche
12, 152
Rückholfeder
121
Befestigungspunkt für Rückholfeder
13
Kanal
14, 14'
Bremsbacken
1401
Führungsloch
14011
Bolzen
1402
Führungs-Langloch
141
keramische Reibschicht
142
keilförmiger Bereich der Bremsbacke 14
151
Aktuator, Nockenscheibe
16
Führung


Anspruch[de]
Trommelbremse (1) mit mindestens einer keramischen Reibschicht an einer der zusammenwirkenden Reibflächen ausgewählt aus der als Rotor wirkenden Trommelinnenfläche (11) und den mit ihr als Stator zusammenwirkenden Bremsbacken (14) Trommelbremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Trommelinnenfläche (11) als auch die mit ihr zusammenwirkenden Bremsbacken (14) keramische Reibschichten (111, 141) aufweisen Trommelbremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsbacken (14) zumindest am peripheren Teil (142) mit keilförmigem Querschnitt ausgebildet sind und in eine keilförmig ausgebildete Nut (112) in der Trommelinnenfläche eingreifen Trommelbremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bremsbacken (14, 14') vorgesehen sind, die durch eine Betätigungseinrichtung umfassend einen Aktuator (151) und eine Rückholeinrichtung (12, 152) in Eingriff mit der Trommelinnenfläche gebracht werden und wieder gelöst werden Trommelbremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Reibschicht (111, 141) eine mit Fasern aus Kohlenstoff verstärkte Siliciumcarbid-Keramik ist Trommelbremse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (151) mechanisch auf die Bremsbacken (14) nach außen in Richtung der Trommelinnenfläche (11) drückt Trommelbremse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (151) durch ein elektromechanisches Stellglied betätigt wird ausgewählt aus einem piezoelektrischen und einem elektromagnetischen Stellglied Trommelbremse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (151) durch ein mechanisches Stellglied betätigt wird ausgewählt aus einem pneumatischen und einem hydraulischen Stellglied Trommelbremse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator als Nockenscheibe (151) ausgebildet ist, mit mindestens einer Nocke je Bremsbacke, wobei die Bremsbacken (14) durch Verdrehen der Nockenscheibe (151) in Richtung auf die Trommelinnenfläche (11) gedrückt werden Trommelbremse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsbacken (14) einen sichelförmigen Querschnitt aufweisen Trommelbremse (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der keilförmigen Nut (112) mindestens zwei nach außen offene Kanäle (13) eingebracht sind, wobei die Kanäle (13) rotationssymmetrisch über den gesamten Umfang verteilt sind Trommelbremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Anzahl von Bremsbacken (14) vorgesehen ist Trommelbremse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsbacken (14) durch jeweils mindestens zwei Führungen (1401, 14011, 1402, 14011) in radialer Richtung geführt werden, wobei mindestens eine der Führungen durch eine Kombination von einem Bolzen (14011) und einem Langloch (1402) gebildet wird Trommelbremse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsbacken durch Stege oder Buchsen geführt werden Trommelbremse (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsbacken in Form von an der Eingriffsfläche mit der Trommelinnenfläche verrundeten Stiften oder flachen Quadern ausgeführt sind, und in Buchsen geführt sind






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