Bremsscheibe


Innenbelüftete Bremsscheibe.

Die Bremsscheibe ist der radseitige Teil einer Scheibenbremse, auf die die Bremsbeläge des Bremssattels wirken, um eine Drehbewegung zu verzögern. Sie ist kreisrund und besteht aus der eigentlichen Bremsfläche und der abgesetzten Achsbefestigung.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Die Bremsfläche unterliegt einem Verschleiß, wobei die Härte so auf die Bremsbeläge abgestimmt wird, dass deren Verschleiß etwas höher ist. Bremsscheiben werden vorrangig aus Grauguss und teilweise auch aus Sphäroguss oder geeigneten Stahl-Legierungen gegossen und durch Drehen spanend bearbeitet.

Bei höheren Drehzahlen muss die Bremsscheibe ausgewuchtet sein.

Für sehr hohe Leistung und Verschleißfestigkeit findet auch Keramik, für geringste Masse Carbon Anwendung.

Einfache Bremsscheiben wie bei handelsüblichen Fahrrädern werden aus Blech gestanzt.

Bremsscheiben für Motorräder wurden erst ab Ende der 1960er eingeführt, wobei anfangs ebenfalls Graugussscheiben zum Einsatz kamen. Der bei Grauguss – bei Feuchte und längeren Standzeiten – unvermeidliche Oberflächenrost wird aber häufig als optisch nachteilig gewertet.

Heute finden daher korrosionsarme (Edel)stähle Anwendung.

Ebenfalls aus optischen Gründen wird die Außenkontur der Scheiben neuerdings statt kreisrund in einer Wellenform gefertigt. Marketingbezeichnung sind Wave- oder Petal-Design.

Belastung

Fahrzeug-Bremsanlagen müssen so dimensioniert werden, dass die kinetische Energie (Bewegungsenergie) mit \tfrac{ \mathrm{Masse \cdot Geschwindigkeit^2}} {2} in der durch den Einsatz gegebenen kurzen Zeit abgebaut werden kann.

Die Bremsscheiben sind dabei hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, da die Bremsanlage die gesamte im fahrenden Fahrzeug gespeicherte kinetische Energie in Wärme umzuwandeln hat. Diese Wärme erhitzt das Bremssystem.

Die Leistung erwärmt zunächst wegen der gegenüber dem Bremsbelag besseren Wärmeleitfähigkeit vorrangig die Bremsscheibe. Der Erwärmungsgradient bestimmt sich mit der spezifischen Wärmekapazität des Bremsscheibenmaterials und der zugeführten Wärmeleistung.

Die Temperaturerhöhung bewirkt Ihrerseits eine mögliche Abgabe der Wärmeenergie durch Strahlung nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz sowie durch Wärmekonvektion bei Luftbewegung durch Fahrtwind Wärmeübergangskoeffizient).

Für Supersportwagen sind die Bremsanlagen auf über ein Megawatt Bremsleistung dimensioniert, wobei eine aktive Bremsenkühlung essentiell ist.

Überhitzte Bremsscheiben

Durch Wärmeverzug rissige, defekte Bremsscheibe.

Überhitzte Bremsscheiben vermindern die Leistung der Bremse im wesentlichen aus drei Gründen:

  1. Der Reibungskoeffizient von Eisenlegierungen vermindert sich bei hohen Temperaturen (im Bereich der Glut ab 500 °C).
  2. Die Bremsflüssigkeit im Bremssattel bzw. das in ihr mit der Zeit wegen ihrer hygroskopischen Eigenschaft angesammelte Wasser wird über den Siedepunkt erhitzt; die entstehenden Dampfblasen sind kompressibel und vermindern damit den Bremsdruck. Die starke Erwärmung der Bremsflüssigkeit tritt meist erst bei anhaltender Belastung auf, etwa bei Passabfahrten, die Dampfblasenbildung erfolgt dann aber ggf. schlagartig („ins Leere treten“). Dem kann durch regelmäßigen Austausch der Bremsflüssigkeit vorgebeugt werden.
  3. Die aus dem Guss ggf. nicht ganz gleichmäßige Gefügestruktur der Scheibe führt zu Wärmespannungen und damit potentiell zum bleibenden Verzug der Scheibe. Der seitliche Schlag macht sich dann durch Vibration im Bremspedal oder -hebel bemerkbar und führt zu deutlich verzögertem Ansprechen und verminderter Bremsleistung. Das Phänomen ist gefährlich, weil es teils erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit auftritt und dann auf einem Bremsenprüfstand nicht feststellbar ist. Eine weitere Folge des Verzugs können Spannungsrisse sein, die dann die Wärmeableitung weiter verschlechtern und in Folge zu einem Bruch mit verheerenden Folgen (Abriss des Radträgers) führen können.

Verschleißgrenze

Die Lebensdauer einer Bremsscheibe wird durch die vom Hersteller genannte Verschleißgrenze begrenzt, das heißt die Mindestdicke der durch die Beläge mit der Zeit abgeschliffenen Scheibe. Teils ist dieser Wert so bemessen, dass bei seinem Erreichen noch genau ein Satz Bremsbeläge verbaut und abgefahren werden kann. In diesem Fall wird das Erreichen des letzten Intervalls in dem Fahrtenbuch vermerkt und nach Ablauf der aus dem bisherigen Belagverschleiß ermittelten Fahrtstrecke werden dann Scheiben und Beläge ohne weitere Prüfung gemeinsam gewechselt. Aus den oben genannten Gründen kann es aber auch angezeigt sein, die Bremsscheiben vorher zu wechseln.

Innenbelüftete, zweiteilige, gelochte Bremsscheibe.
Stark gelochte Bremsscheibe an einem modernen Motorrad.

Beispiel

Ein Kfz mit einer Masse m von 1.500 kg von v = 200 km/h innerhalb von t = 10 Sekunden bis zum Stillstand (v = 0) abzubremsen, wandelt die Bremsanlage die gesamte kinetische Energie in Wärme:

\Delta Q_\mathrm{gesamt} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot \Delta v^2
\Delta Q_\mathrm{gesamt} = \frac{ 1{.}500\,\mathrm{kg} \cdot \left(200\,\mathrm{\frac {km}{h}}\right)^2} {2} = 30{.}000{.}000\,\mathrm{\frac {kg \cdot km}{h^2}} \approx 2{.}315{.}000\,\mathrm{\frac{kg \cdot m} {s^2}}

Die gesamte Wärmemenge (die gleich der kinetischen Energie ist) beträgt 2.315 kJ·s, bei der Wandlung in Wärme wird eine Augenblicksleistung von 231,5 kW frei.

Erwärmung einer Bremsscheibe:

  • Vereinfachung: Die gesamte Erwärmung erfährt nur die Bremsscheibe
  • Fahrwiderstände und Motorbremse bleiben unberücksichtigt
  • angenommene Aufteilung der gesamten Bremsleistung als Folge der Schwerpunktverlagerung zu 70 % auf die vorderen, Rest aud die hinteren Bremsen: 2.315 kJ · 0,7 = 1.620,5 kJ vorne, 694,5 kJ hinten.
  • Aufteilung der vorderen Bremsleistung auf zwei Bremsscheiben: ΔQ = 1.620,5 kJ / 2 = 810,25 kJ
  • angenommene Masse m je Bremsscheibe: ≈ 10 kg
  • Spezifische Wärmekapazität c für Grauguß:[1] 0,46 kJ / (kg · K)

Mit

\Delta T = \frac{\Delta Q} {c \cdot m}

ergibt sich eine Erwärmung einer jeden vorderen Bremsscheibe um

\Delta T = \frac{810,25\,\mathrm{kJ}} {0,46\,\mathrm{\frac{kJ}{kg \cdot K}} \cdot 10\,\mathrm{kg}} = 176\,\mathrm{K}

gegenüber der Ausgangstempertur.

Optimierung

Zur besseren Wärmeabfuhr werden innenbelüftete Bremsscheiben mit radialen Kühlöffnungen versehen, die zwischen zwei Scheiben liegen. Trotz der höheren Baubreite und des höheren Gewichts hat sich diese Bauweise bei der Vorderachse von PKWs ab der Mittelklasse heute durchgesetzt.

Weiterhin werden Bremsscheiben teils axial gelocht oder mit Schlitzen oder Rillen versehen, um die Kühlung und die Wasserverdrängung bei Regen zu verbessern. Nachteil ist hier der etwas höhere Belagverschleiß, da die Beläge bei den hohen Drücken ein wenig in die Öffnungen gepresst und dann an deren Kante abgetragen werden. Dieses Phänomen kann wiederum durch Abrundung der Kanten vermindert werden. Durch die Bohrungen wird weiterhin die Gefahr von Spannungsrissen erhöht; um dies zu vermeiden, werden die Bohrungen teils schon beim Guss eingearbeitet.

Eine weitere Verbesserung der Bremsleistung lässt sich durch wärmebehandelte Bremsscheiben erreichen. Hier wird die Scheibe nach dem Abdrehen noch einmal einem definierten Erwärmungs- / Abkühlungsprozess ausgesetzt, wonach eine gleichmäßige Gefügestruktur entsteht. Das Material kann nun Wärme schneller ableiten und verzieht sich weniger. Wegen der höheren Kosten werden wärmebehandelte Bremsscheiben ab Werk nur bei leistungsstarken Fahrzeugen oder Sportwagen eingesetzt. Im Motorsport-Zubehör werden gleichwohl solche Scheiben auch für verbreitete PKW-Modelle angeboten, zu Preisen im Bereich der Originalteile. Eine gesonderte Prüfung oder Eintragung ist erst notwendig, wenn dazu auch Sport-Bremsbeläge mit höherem Reibungskoeffizienten eingesetzt werden, um im Fahrbetrieb einen kürzeren Bremsweg zu erzielen.

Eine weitere Optimierung ist durch zweiteilige Bremsscheiben möglich: Hier ist der Trägertopf aus Aluminium gefertigt, was ein geringeres Gewicht und auch eine bessere Wärmeableitung an Nabe und Felge ergibt - die Wärmeleitfähigkeit ist bei Aluminium vier mal höher als bei Stahl.

Literatur

  • Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2001, ISBN 3-528-13114-4.

Einzelnachweise

  1. ↑ nach Wikibooks: spezifische Wärmekapazitäten






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