Bremsscheibe
Die Bremsscheibe hat meist die Form einer Scheibe, die fest mit der Radnabe verbunden ist und sich mit ihr dreht. Beim Bremsen wird die Reibfläche der Bremsscheibe zwischen die Bremsbeläge gepresst, wodurch eine Bremswirkung entsteht.
Die Bremsscheibe ist eine der Hauptkomponenten von Scheibenbremsen. Sie hat meist die Form einer Scheibe, wobei der Rand der Scheibe die Hauptreibungsfläche für die Bremsbeläge bildet. Die Bremsscheibe ist fest mit der Radnabe verbunden und dreht sich daher mit dem gesamten Rad. Die Reibsegmente in Form von Bremsbelägen sitzen auf der ringförmigen Reibfläche der Bremsscheibe. Die Bremsbeläge befinden sich im Bremssattel, der sich nicht mit dem Rad dreht und fest mit der Radnabe verbunden ist. Das Einspannen der Bremsscheibe erzeugt eine Reibungskraft, die die Bewegungsenergie des fahrenden Fahrzeugs in Wärmeenergie umwandelt.
Materialien der Bremsscheiben:
Das ideale Bremsscheibenmaterial hat eine geringe Dichte, die sich auf das resultierende Bremsgewicht auswirkt, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen minimalen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine Vorstellung davon vermittelt die Vergleichstabelle der Materialien:
| MATERIAL | DICHTE [kg.m-3] |
WÄRMELEITFÄHIGKEIT [W.m-1.K-1] |
WÄRMEAUSDEHNUNGSKOEFFIZIENT [x106.K-1] |
| Grauguss (3,4% C) | 7800 | 62 | 10-13 |
| Al-MMC | 2700 | 182 | 18-25 |
| Keramik + Kohlenstoff-Verbundwerkstoff |
1700 | 300 | 0,1-1,5 |
In der Praxis werden Bremsscheiben meist aus gehärtetem Gusseisen oder Stahlguss hergestellt. Gusseisen wird wegen der besseren metallurgischen Stabilität, der einfacheren Herstellung und der niedrigeren Produktionskosten verwendet. Um die Materialeigenschaften zu verbessern, werden Legierungselemente wie Molybdän, Kupfer, Chrom oder Titan verwendet. Mit Hilfe dieser Elemente erreicht die resultierende Legierung ein optimales homogenes Gefüge und bessere Temperaturparameter. Herkömmliche Stahlscheiben verlieren ihre Wirkung ab etwa 800 °C, danach beginnen die Bremsen aufgrund von Überhitzung zu schwächeln. Eine Überhitzung der Bremsen wirkt sich auch negativ auf einen übermäßigen Bremsenverschleiß aus und kann zum Verziehen der Bremsscheiben führen. Ein weiteres häufiges Problem bei Stahlscheiben ist die schnelle Oberflächenkorrosion der Reibflächen, wenn das Fahrzeug steht.
Am anderen Ende des Marktes befinden sich Verbundscheiben für Sport- und Luxuswagen aus Stahlkeramik oder besser noch aus Karbonkeramik. Solche Bremsscheiben haben hervorragende thermische und mechanische Eigenschaften – sie verblassen nicht. Die keramische Komponente sorgt für überdurchschnittliche Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit. In Kombination mit der Karbonmatrix haben solche Scheiben eine sehr geringe Wärmeausdehnung und ein sehr geringes spezifisches Gewicht (die Bremsscheibe ist in der Regel Teil der ungefederten Massen, daher ist ein geringes Gewicht wichtig). Die hohe Wärmeleitfähigkeit macht Keramikscheiben sehr widerstandsfähig gegen Überhitzung. Ihr Hauptnachteil ist leider ihr hoher Preis und ihre Neigung, bei Kälte zu quietschen. Denn dieser Bremsscheibentyp wurde ursprünglich für den Rennsport entwickelt und erreicht seine optimale Bremsleistung bei Betriebstemperaturen von bis zu rund 200 °C, die für den normalen Fahrbetrieb unbrauchbar sind. Die Lebensdauer von Carbon-Keramik-Bremsen ist um ein Vielfaches länger als die von herkömmlichen Bremsen, aber nicht lebenslang, wie man oft hört. Wenn man den Anschaffungspreis berücksichtigt, sind sie eher für das Fahren auf der Rennstrecke geeignet.
Kühlung der Bremsscheiben:
Bremsscheiben können in Vollscheiben und belüftete Scheiben unterteilt werden. Die Entlüftung der Scheiben erfolgt durch axiale Löcher, Rillen oder Innenlamellen, siehe Bilder oben. Eine gute Kühlung der Bremsen wirkt sich auf deren Effizienz und Fadingresistenz bei hoher Belastung aus.
Vollscheiben gehören bei den meisten Fahrzeugen zur Standardausrüstung. Sie sind am einfachsten herzustellen und daher auch am billigsten. Sie haben die größte Kontaktfläche für die Bremsbeläge, neigen aber andererseits zu Überhitzung und Bremsschwund.
Belüftete Scheiben – Gelochte Scheiben zeichnen sich durch eine große Anzahl von Löchern aus, die die Bremsfläche durchdringen. Die Idee, Löcher in die Scheiben zu bohren, besteht darin, einen Weg für eine schnellere Wärmeableitung zu schaffen. Das Gas, das sich beim Bremsen ansammelt, kann durch die Bohrungen entweichen und wird nicht zwischen der Oberfläche der Scheiben und den Belägen eingeschlossen. Dies spielt eine entscheidende Rolle bei der möglichen Erhitzung der Bremsbeläge und dem Fading der Bremsen bei hoher Belastung. Auch gebohrte Scheiben sind etwas leichter. Andererseits schwächen die Löcher die Scheibenstruktur, was zur Entstehung von Rissen führen kann. Gelochte Scheiben wirken zum Teil wie ein Schleifgerät und verschleißen daher die Bremsbeläge etwas stärker.
Belüftete Scheiben – gerillte Scheiben zeichnen sich durch Rillen auf der Reibfläche aus. Die Rillen entfernen den Staub von den Bremsbelägen und verhindern deren Versinterung. Gerillte Scheiben neigen dazu, beim Bremsen lauter zu sein. Die Rillen dienen auch als Indikator für den Scheibenverschleiß.
Belüftete Scheiben – innengekühlte Scheiben zeichnen sich durch ein spiralförmiges Labyrinth aus, das ein Scheibenpaar zu verbinden scheint. Die Scheibe bildet jedoch eine Einheit. Wenn sich die Bremsscheibe dreht, sorgen die spiralförmigen inneren Kanäle für einen Luftstrom, der die Wärme effektiv von den Bremsscheiben ableitet. Ein weiterer Vorteil ist, dass innengekühlte Scheiben konstruktionsbedingt breiter sind, eine höhere Biegefestigkeit aufweisen und daher weniger anfällig für mögliche Formveränderungen sind.
Konstruktion der Bremsscheibe:
Massivbremsscheiben – sind aus einem Stück gefertigt, die am häufigsten verwendeten Bremsscheiben fallen in diese Kategorie. Der Vorteil der einteiligen Bauweise ist die einfache Montage und Herstellung, d.h. die daraus resultierenden niedrigen Kosten. Zu den Nachteilen gehört der Effekt der thermischen Ausdehnung, der im Falle einer massiven Scheibe zu inneren Spannungen in der gesamten Scheibe führt. Thermische Belastungen können zu einer dauerhaften Verdrehung der Bandscheibe führen. Ein weiterer Nachteil ist die Übertragung von Wärme von der Scheibe auf die Radnabe und ihre Lager, was deren Lebensdauer verringert. Dies kann teilweise durch die Verwendung einer topfförmigen Scheibe vermieden werden, die den Wärmeweg bis in die Mitte der Scheibe verlängert.
Zweiteilige Bremsscheiben – sie sind zwar komplizierter in der Konstruktion, haben aber einen großen Vorteil: Sie können zwei verschiedene Materialien miteinander kombinieren, da sie in zwei Teile geteilt sind – die Krone und den Mantel. So kann beispielsweise die Krone aus gehärtetem Gusseisen mit hohem Kohlenstoffgehalt und die Pfanne aus einer speziellen Aluminiumlegierung geschmiedet werden. Dank der geeigneten Kombination von Konstruktionsmaterialien ist die resultierende brda-Scheibe nicht nur leichter, sondern ermöglicht vor allem eine viel bessere Wärmeableitung.
Der Kranz und der Rotor können schwimmend verbunden werden. Der Gusskranz kann sich in Bezug auf den Rotor leicht in axialer Richtung (nach außen) bewegen. Dank dieser Lösung ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass sich die zweiteiligen Scheiben aufgrund von übermäßiger Hitze verziehen oder reißen.
Ein weiterer Vorteil ist die Kostenersparnis, wenn Sie nur einen abgenutzten gusseisernen Kranz ersetzen wollen.
Temperaturbelastung der Bremsscheiben:
Die thermische Belastung von Bremsen ist eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion von Bremsen. Für häufig verwendete Werkstoffe wie Grauguss sind Temperaturen von bis zu 700°C kritisch. Sie wird als Rotlichttemperatur bezeichnet. Bei dieser Temperatur glühen die Reibflächen der beheizten Bremsscheiben in der Umgebung hellrot. Diese Temperatur ist für Grauguss aus Sicht der Festigkeit kein Problem, da die Schmelztemperatur bis zu 1150 °C beträgt. Das Problem sind die strukturellen Veränderungen im Material und die damit verbundene Bildung von lokalisierten Bereichen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Auf diese Weise beschädigte Bremsen verlieren an Wirksamkeit und Lebensdauer und vibrieren beim Bremsen.
Eine Computersimulation zeigt den Unterschied zwischen unbelüfteten Scheiben und Scheiben mit Kühlung.
Wussten Sie, dass…?
Scheiben mit integrierter Feststellbremse – die Feststellbremse wird in den meisten Fällen mechanisch betätigt. Der Handbremshebel wirkt über eine Stange auf die Bremsbacken, um eine Bremswirkung zu erzielen. Bei Scheibenbremsen kann eine solche Methode nicht angewendet werden, oder es wären wesentlich höhere Betätigungskräfte erforderlich. Deshalb werden bei einigen Fahrzeugen Scheiben- und Trommelbremsen kombiniert. Die Bremsscheibe bietet somit eine Reibungsfläche für die Bremsbeläge und die Trommelbacken (Backen), siehe Abbildung.
