Entwicklung, Konstruktion und Auslegung einer Scheibenbremse für ein Formula Student Fahrzeug. Bachelorarbeit 2. Zur Erlangung des akademischen Grades

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1 Entwicklung, Konstruktion und Auslegung einer Scheibenbremse für ein Formula Student Fahrzeug Bachelorarbeit 2 Zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Science in Engineering (BSc) der Fachhochschule FH Campus Wien Bachelorstudiengang: High Tech Manufacturing Vorgelegt von: Michael Sippl Personenkennzeichen C Erstbegutachter/in: DI Dr. Heimo Sandtner Zweitbegutachter/in: DI Udo Unterweger Eingereicht am:

2 Erklärung: Ich erkläre, dass die vorliegende Bachelorarbeit von mir selbst verfasst wurde und ich keine anderen als die angeführten Behelfe verwendet bzw. mich auch sonst keiner unerlaubter Hilfe bedient habe. Ich versichere, dass ich diese Bachelorarbeit bisher weder im In- noch im Ausland (einer Beurteilerin/einem Beurteiler zur Begutachtung) in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe. Weiters versichere ich, dass die von mir eingereichten Exemplare (ausgedruckt und elektronisch) identisch sind. Datum:... Unterschrift:...

3 Danksagung Ich möchte mich beim Studiengang High Tech Manufacturing für die Unterstützung bedanken. Insbesondere beim Studiengangsleiter Herrn DI Dr. Heimo Sandtner, der es ermöglicht hat diese Arbeit zu realisieren. i

4 Kurzfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Konstruktion und Auslegung einer Bremsscheibe für ein Formula Student Fahrzeug. Ziel der Arbeit ist eine Bremsscheibe die, unter Berücksichtigung der technischen Vorgaben und der angrenzenden Bauteile, realisiert wird. Auch ist eine Fertigung der Bremsscheibe Bestandteil dieser Arbeit. ii

5 Abstract This thesis deals with the development, construction and design of a brake disc for a Formula Student car. The aim of the work is a disc that is taking into account the technical specifications and the adjacent components. A production of the brake disc is an integral part of this work. iii

6 Abkürzungsverzeichnis VA HA ABS LK ET Vorderachse Hinterachse Antiblockiersystem Lochkreis Einpresstiefe iv

7 Inhaltsverzeichnis 1. EINLEITUNG EINFÜHRUNG INS THEMA BREMSEN Allgemein Geschichte [vgl. VHK11] Anforderungen an Bremsanlagen Unterschiedliche Bauarten von Bremsen Trommelbremse [vgl. VHK11] Scheibenbremse [vgl. RWT10] Wichtige Parameter und Kennwerte [vgl. RWT10] Der Bremssattel Der Bremsbelag [vgl. RWT10] Die Bremsscheibe Genutete Bremsscheiben Gebohrte Bremsscheiben Befestigung Werkstoffe für Bremsscheiben [vgl. RWT10] FORMULA STUDENT [VGL. FSA] AUSLEGUNG UND KONSTRUKTION DER BREMSSCHEIBEN Allgemein Anforderungen des Reglement an die Bremsanlage Konstruktiv bedingte Vorgaben Bremssattel Vorderachse Bremssattel Hinterachse Rad- und Felgengröße Zusammenfassung Konstruktion der angrenzenden Teile Modell der Felge Modell der Bremssättel Radträger Werkstoffauswahl und Konstruktion der Bremsscheibe Werkstoffauswahl Bremsscheibe Vorderachse Bremsscheibe Hinterachse Zusammenfassung v

8 5. FERTIGUNG UND MONTAGE DER BREMSSCHEIBE Fertigung Montage an der Radnabe BERECHNUNGEN Randbedingungen zur Berechnung Grundlagen zur Berechnung [vgl. RWT10] Berechnung aller Kräfte an der Bremse ERGEBNIS UND ZUSAMMENFASSUNG LITERATURVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ANHANG vi

9 Einleitung 1. Einleitung Die FH Campus Wien am Standort Favoriten wurde in den Jahren 2008/2009 errichtet und zählt zu den größten Fachhochschulen Österreichs. Zurzeit gibt es mehr als 50 Bachelor- und Masterstudiengänge die sich auf ca Studierende, 6 Etagen und mehr als m² aufteilen. Die Studienrichtungen reichen von Applied Life Science, Technik, Bautechnik, Gesundheit und Soziales bis hin zum Public Sector. Im technischen Bereich, insbesondere am Studiengang High Tech Manufacturing wurden in den letzten Jahren vermehrt Projekte, an denen Studierende aktiv mitarbeiten können, eingeführt. Dazu zählen zum Beispiel Forschungsprojekte im Bereich Rapid Prototyping sowie ein Studierendenprojekt im Bereich Fahrzeugtechnik (Formula Student). Ins Leben gerufen wurde das Projekt Formula Student im September 2012, durch DI Dr. Heimo Sandtner, Vizerektor und Studiengangsleiter für den Bachelor- und Masterstudiengang High Tech Manufacturing. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem Teilgebiet aus dem Projekt Formula Student. Im Speziellen mit der Entwicklung und Konstruktion einer Bremsscheibe für ein Formel Fahrzeug. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, erworbenes Wissen aus dem Studium in das Projekt mit einfließen zu lassen. Hierbei gilt es auf die unterschiedlichen Bauformen, unter Berücksichtigung ihrer Vor- und Nachteile, einzugehen und ein Konzept zu erstellen. Weiters sind die Vorgaben des Reglements einzuhalten und müssen bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Ziel ist eine komplett eigen entwickelte Bremsscheibe die nach erfolgter Konstruktion gefertigt werden kann und anschließend am Fahrzeug verbaut wird. 1

10 Einführung ins Thema Bremsen 2. Einführung ins Thema Bremsen 2.1. Allgemein Die Bremsscheibe ist jener Teil der Bremsanlage, der radseitig montiert wird. Auf diese wirkt der Bremssattel über die Bremsbeläge ein, um eine Drehbewegung des Rades zu verzögern. Ausgerichtet ist sie punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des Radlagers. Die Auslegung der Bremsanlage muss so erfolgen, dass die gesamte im Fahrzeug gespeicherte kinetische Energie (Bewegungsenergie) in Wärme umgewandelt werden kann. Aus diesem Grund unterliegen Bremsscheiben sehr hohen mechanischen und thermischen Belastungen. Jedoch nicht nur die Bremsscheibe sondern das gesamte Bremssystem erhitzt sich durch die entstehende Wärme. Vorrangig erhitzen sich die Bremsscheiben- und Sättel, der Radträger und die Felge, da sie gegenüber den Bremsbelägen die bessere Wärmeleitfähigkeit besitzen. In weiterer Folge wird die Wärmeenergie durch Strahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz) sowie durch Wärmekonvektion bei Luftbewegung durch Fahrwind abgegeben Abb. 1: Bremsscheibe bei einem Formula Student Fahrzeug 2

11 Einführung ins Thema Bremsen Pos. 1 2-Kolben Brembo Festbremssattel Pos. 2 Bremsscheibe 230x4mm Pos. 3 Radträger für Felge mit 13 Durchmesser Pos. 4 Radnabe mit Felgenaufnahme 4x100mm 2.2. Geschichte [vgl. VHK11] Die Entwicklung der Scheibenbremse begann 1890 in England. Als Pionier und Erfinder gilt der Brite Frederick W. Lanchester. Im Jahre 1902 hat er dafür ein Patent beantragt und zugesprochen bekommen. Diese Konstruktion wurde noch im selben Jahr in ein Automobil verbaut und getestet. Im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik wurden Bremsbeläge aus Kupfer verwendet. Obwohl die Erfindung bereits Anfang des 20ten Jahrhunderts erfolgte, dauerte es noch weitere 50 Jahre bis die Konstruktion serienmäßig in Kraftfahrzeugen verbaut wurde. Das weltweit erste serienmäßig produzierte Fahrzeug mit Scheibenbremsen war der deutsche Tiger Panzer zur Zeit des Zweiten Weltkriegs. Einsatz im ersten kommerziell genutzten Fahrzeug fand die Scheibenbremse 1948 am US-Markt. Den Weg nach Europa fand dieses Bremssystem 1952 in einem Rennsportwagen von Jaguar, dem Jaguar C-Type. Das erste, für die Öffentlichkeit bestimmte Fahrzeug mit serienmäßigen Bremsscheiben war der Austin-Healey 100S Roadster. Wichtige Schritte bis zu heutigen Bremssystemen: 1908 Ford T-Modell Lederriemen ( Rocky Mountains Ausführung ) Bis 1925 mechanisch betätigte Trommelbremsen 1925 hydraulisch betätigte Trommelbremse 1950 Einführung unterdruckunterstützter Bremskraftverstärker 1957 hydraulische Teilbelagsscheibenbremse als Festsattel 1965 erst Vorläufer des ABS (Einkanal-ABS) 1972 Schwimmrahmensattel für Fahrzeuge mit negativem Lenkrollradius 1978 elektronisch geregeltes ABS-System 1978 Faustsattel löst Schwimmrahmensattel ab 1987 Antriebsschlupfregelung (ASR) 1994 elektronische Bremskraftverteilung 1995 elektronisches Stabilitätsprogramm 1996 Bremssassistent (BAS) 2001 elektrohydraulische Bremse (EHB) 2002 Bremsenergierückgewinnung 2012 Assistenzsysteme bremsen das Fahrzeug selbstständig bis zum Stillstand ab 3

12 Einführung ins Thema Bremsen 2.3. Anforderungen an Bremsanlagen keine Fadingneigung bei hohen Temperaturen Unter Fading (englisch: to fade = dahinschwinden) oder Bremsschwund versteht man das unerwünschte Nachlassen der Bremswirkung einer Scheibenbremse in Folge Erwärmung. Betroffen sind alle mechanischen Bauteile und Flüssigkeiten die direkt oder indirekt mit dem Bremssystem gekoppelt sind. Partielles Fading tritt meist nach Montage von neuen Bremsbelägen auf. Diese müssen sich erst gegenüber der Scheibe einschleifen und anpassen. Dadurch kann es bei einer Vollbremsung zu einer lokalen Überhitzung kommen. Richtungsstabilität beim Bremsen Bei Betätigung der Betriebsbremse ist es wichtig, dass sich die Fahrtposition nicht stark in eine Richtung verändert. Somit kommt es zu einem Ziehen am Lenkrad und das Fahrzeug wird instabil. Dies tritt häufig bei Fahrzeugen ohne ABS und mechanischer Bremskraftverteilung, beim Bremsen auf unterschiedlichem Untergrund, sogenanntem μ-split, auf. Früher konnte man durch einen mechanischen Bremskraftregler die Bremskraftverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse einstellen. Dies erzielte jedoch nicht den Erfolg der Richtungsstabilität. Erst seit der Erfindung des ABS (Antiblockiersystem) ist es möglich, auf verschiedenem Untergrund die Spur des Fahrzeuges zu halten. Moderne Ausführungen dazu sind eine automatische Bremskraftverteilung gekoppelt mit einem Antiblockiersystem. geringes Gewicht Vorrangig für Scheibenbremsen bei Straßenfahrzeugen ist Ihre Haltbarkeit und Zuverlässigkeit über einen sehr langen Zeitraum. Bei Formel Fahrzeugen spielt hingegen das Gewicht eine nicht unwesentliche Rolle mit der zusätzlichen Anforderung an die Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen. Erreicht wird dies mit konstruktiv optimierten Bremssätteln aus einer hochfesten und zugleich leichten Aluminium-Lithium Legierung. Bei den Bremsscheiben erzielt man eine Gewichtsoptimierung durch eine Flanschbefestigung über einen Topf und einer geeigneten Werkstoffauswahl. Zur Anwendung kommen Karbon-Keramik Werkstoffe (C/SiC: kohlenstofffaserverstärktes Siliziumkarbid), faserverstärkter Kohlenstoff oder Karbon-Karbon (CC: Karbonbremsscheibe) Unterschiedliche Bauarten von Bremsen Trommelbremse [vgl. VHK11] Trommelbremsen haben zwei Bremsbacken, die hydraulisch mittels eines Bremszylinder nach außen gegen die Reibfläche gedrückt werden. Nimmt man den Druck vom Pedal, bewegt sich der Bremszylinder in seine ursprüngliche 4

13 Einführung ins Thema Bremsen Position zurück. Der Bremsbelag wird mittels Federn in seine Ausgangsposition gebracht. Zwischen der Trommelreibfläche und dem Bremsbelag entsteht ein Lüftspiel. Ausgeführt werden diese Bremsen als Radialbremsen. Bei Trommelbremsen unterscheidet man drei unterschiedliche Arten der Bauweise. Die Simplex-Bremse, Duplex-Bremse und die Duo-Servo- Trommelbremse. In allen drei Fällen tritt eine Selbstverstärkung der auflaufenden Backe auf. Wesentlicher Nachteil gegenüber der Scheibenbremse ist die unerwünscht große Abhängigkeit zwischen Bremsenkennwert und Reibbeiwert. Abb. 2: Kennwertverlauf in Abhängigkeit des Reibwertes (Quelle: ) Simplex-Trommelbremse [vgl. VHK11] Aus Kostengründen und aufgrund der relativ gleichmäßigen Bremswirkung der linken und rechten Seite, verwendet man diese Bauart bei Personenkraftfahrzeugen an der Hinterachse. Zurückzuführen ist diese Gleichmäßigkeit auf sehr geringen Reibwertschwankungen. Dadurch wird ein ausreichend stabiles Fahrverhalten erreicht. In diesem Fall ist auch die Feststellbremse in die Konstruktion integriert. Bei der Bremsverteilung in der Trommel entfallen 65% der Leistung auf die Primärbacke und 35% auf die Sekundärbacke. Als Primär bezeichnet man, den in Fahrtrichtung vorne liegenden Bremsbelag. Um diesen unterschiedlichen Verschleiß auszugleichen, wird die Primärbacke dicker ausgeführt Duplex-Trommelbremse [vgl. VHK11] Wesentlicher Unterschied zur Simplex-Trommelbremse ist die identische Ausführung beider Backen. Jede Backe für sich ist an einem Festpunkt mit dem 5

14 Einführung ins Thema Bremsen Bremsenträger verbunden und wird mittels einem einfach wirkendem Radzylinder gegen die Trommel gepresst. Somit gibt es keine Sekundärbacke. Beide Bremsbeläge sind Primärbacken. Nachteil dieser Konstruktion ist die, durch den sehr hohen Reibwert, erschwerte Dosierung der Bremse. Eine Integration der Feststellbremse ist sehr aufwendig Duo-Servo-Trommelbremse [vgl. VHK11] Bei dieser Bauart werden Primär- und Sekundärbacke nacheinander geschalten. Dadurch erreicht man eine besonders wirksame Selbstverstärkung und ein sehr hohes Bremsmoment. Verwendung findet diese Trommelbremse bei Fahrzeugen mit hoher Nutzlast, z.b. kleine bis mittlere Lkw. Eine zusätzliche Feststellbremse ist einfach und effektiv über eine Druckstange zu realisieren. Sehr zweckmäßig ist die Kombination einer Duo-Servo-Trommelbremse mit einer Scheibenbremse. Hierbei übernimmt die mechanisch betätigte Trommelbremse die Funktion der Feststellbremse und die Scheibenbremse den Betriebsbremsanteil. Vorteil ist die unabhängige Auslegung beider Bremsen für ihren bestimmten Einsatzzweck. Verbaut wird diese Kombination seit Jahren bei Fahrzeugen von BMW an der Hinterachse Technische Daten von Trommelbremsen Vordruck 0,5 bis 1,2 bar Bremsdruck bis 100 bar Reibbeiwert μb 0,3 bis 0,4 Lüftspiel 0,3 bis 0,5 mm Spannkraft ca. 4 kn Tab. 1: Technische Daten Trommelbremse [vgl. RWT10] Scheibenbremse [vgl. RWT10] Scheibenbremsen erzeugen über die Reibung zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe eine Bremskraft an den Rädern. Verbaut werden Scheibenbremsen bei Pkw an der Vorderachse sowie auch an der Hinterachse. Scheibenbremsen sind aufgrund ihrer Konstruktion Radialbremsen. Es werden die Zuspannkräfte des Bremssattels über hydraulische Zylinder, axial auf die Bremsbeläge aufgebracht. Diese wirken wiederrum auf die Planreibfläche der Bremsscheibe und erzeugen dadurch eine Verzögerung. Die Kolben und Beläge sind in einem über den Außendurchmesser der Scheibe greifendem Gehäuse, untergebracht. Man unterscheidet die Teilscheibenbremse und eine Vollscheibenbremse. Bei der Teilscheibenbremse bedeckt der Bremsbelag nur einen Teil der Scheibe. Im Gegensatz dazu wird bei der Vollscheibenbremse die gesamte Scheibenfläche 6

15 Einführung ins Thema Bremsen vom Belag überdeckt. Diese sind jedoch im herkömmlichen Fahrzeugbau nicht gebräuchlich. Des Weiteren kann man Fest-, Rahmen- und Faustsattel unterscheiden. Festsättel besitzen Kolben auf beiden Seiten des Sattels, Rahmen- und Faustsattel nur auf einer Seite, sie sind verschiebbar gelagert Festsattelbremse [vgl. RWT10] Verbaut man den Bremssattel als Festsattel so nennt sich diese Konstruktion Festsattelscheibenbremse. Hierbei haben der Bremssattel und die Bremsscheibe eine fixe (starre) Position am Radträger. Es drücken von beiden Seiten gleichzeitig ein oder mehrere Bremskolben auf den Bremsbelag der über die Bremsscheibe und die dadurch entstehende Reibung die vorhandene Drehbewegung vermindert. Die dabei entstehende Wärme wird über Strahlung oder Konvektion wieder abgegeben Schwimmsattelbremse (Rahmen- oder Faustsattel) [vgl. RWT10] Als zweite Variante gibt es die Möglichkeit der schwimmenden Lagerung. In diesem Fall ist der Sattel oder die Scheibe axial verschiebbar. Wesentlicher Unterschied zur Festsattel Konstruktion ist, dass nur von einer Seite Kolben nötig sind. Auf der gegenüberliegenden Seite werden die Bremsbeläge vom Sattel selbst in Position gehalten. Somit wird der kolbenseitige Bremsbelag gegen die Scheibe gedrückt. Der zweite Bremsbelag wird aufgrund der möglichen axialen Verschiebung des Bremssattels zur Scheibe hin gezogen Technische Daten von Scheibenbremsen Vordruck 0 bis 0,5 bar Bremsdruck bis 150 bar Reibbeiwert μb Rennsport: 0,42 bis 0,62 Lüftspiel 0,15 mm je Seite Spannkraft ca. 15 kn Scheibenschlag max. 0,1 mm Flächenpressung bis 600 N/mm² spezifische bis 3,3 kw/cm² Belagsleistung Tab. 2: Technische Daten Scheibenbremse [vgl. RWT10] 7

16 Einführung ins Thema Bremsen 2.5. Wichtige Parameter und Kennwerte [vgl. RWT10] Bremsenkennwert und Reibung Der Bremsenkennwert stellt das Verhältnis der erzielten Bremskraft an der Bremse zur aufgewandten Spannkraft dar. Bremsenkennwert Umfangkraft am Bremsscheibenradius [N] Spannkraft der Bremsbacken bzw. Beläge [N] Die Reibung definiert sich über die Werkstoffpaarung von Bremsscheibe und Belag. Der Reibbeiwert ist nicht konstant und abhängig von Gleitgeschwindigkeit und Temperatur. Ersichtlich wird dies bei einem Vergleich von organischen Bremsbelägen und Karbonbremsbelägen. Bei organischen Bremsbelägen nimmt der Reibwert mit abnehmender Geschwindigkeit zu. Karbonbeläge bleiben in ihrer Wirkung gleichmäßiger und erleichtern dadurch die Kontrolle eines Bremsvorgangs. Abb. 3: Funktion des Reibwert in Abhängigkeit des Bremsenkennwert [vgl. RWT10] 1 Trommelbremse (auflaufende Backe) 2 Scheibenbremse 3 Trommelbremse (ablaufende Backe) μ B Reibung zwischen Bremsbelag und Gegenläufer Pedalkräfte Die Betätigungskräfte sollen nicht zu hoch angesetzt werden da es ansonsten dem Fahrer nicht möglich ist die volle Bremskraft aufzubauen. Will man Gewicht 8

17 Einführung ins Thema Bremsen sparen muss man auf zusätzliche Hilfseinrichtungen, die die Bremskraft erhöhen können, verzichten. Im Rennsport und auch in der Formula Student werden keine unterstützenden Bremskraftverstärker verbaut. Als Auslegungsgröße für Rennfahrzeuge kann eine mittlere Pedalkraft von 700 bis 900 N ansetzen. Die maximale Betätigungskraft wird mit 2000 N angenommen. Kräfte an der Bremse Durch den erzeugten hydraulischen Druck in der Bremsleitung ergibt sich die Kraft an der Bremsscheibe: ( ) Bremskraft an der Bremsscheibe [N] Gleitreibwert zwischen Bremsscheibe und Belag [-] Bremsmoment [Nm] Gleitgeschwindigkeit [m/s] mittlere Belagflächenpressung [N/mm²] Anzahl der Beläge wirksame Belagfläche [mm²] Drehfrequenz der Bremsscheibe [s -1 ] Kräfte am Rad Über die Kräfte an der Bremsscheibe lässt sich nun die Bremskraft am Rad errechnen: Bremskraft am Reifenumfang [N] wirksamer, mittlerer Reibradius [mm] dynamischer Reifenrollradius [mm] äußerer bzw. innerer Durchmesser der vom Bremsbelag überstrichenen Fläche auf der Bremsscheibe 9

18 Einführung ins Thema Bremsen Für die übertragbare Bremskraft des Reifens ist zu berücksichtigen ob der Reifen rotiert oder blockiert. Drehendes Rad: Blockierendes Rad: Haftreibwert zwischen Reifen und Fahrbahn Gleitreibwert zwischen Reifen und Fahrbahn Radaufstandskraft [N] Flächen Über die spezifische Bremsleistung N lassen sich grob die nötigen Flächen für Belag und Scheibe ermitteln: spezifische Bremsleistung bei einer Vollverzögerung aus der Höchstgeschwindigkeit pro Bremse [kw/cm²] max. Bremsleistung pro Rad [kw] Reibfläche eines Bremsbelags [cm²] überstrichene Bremsscheibenfläche [cm²] Wärmehaushalt Eine Bremsscheibe hat die Aufgabe kinetische Energie aufzunehmen und in Wärme umzuwandeln. Abgeführt wird diese über die Umgebungsluft. Vorteil von großen und schweren Bremsscheiben ist die höhere Wärmespeicherkapazität. Die Auslegung des Kühlsystems einer Bremsanlage erfolgt auf die mittlere Wärme. Grund dafür ist das Speichervermögen der verbauten Bauteilmassen. Bei der Gestaltung von Luftkanälen die zu den Bremsscheiben führen ist darauf zu achten den erwünschten Abtrieb nicht zu stören. Weitere Variante zur Leistungssteigerung von Bremsanlagen durch Wärmeabfuhr sind gelochte oder innenbelüftete Scheiben sowie das Zuführen von Kühlluft. 10

19 Einführung ins Thema Bremsen 2.6. Der Bremssattel Wie in Punkt 1.4 erwähnt gibt es zwei unterschiedliche Bauarten von Bremssätteln. Einerseits den Festsattel und den Faustsattel. Bei Formelfahrzeugen hat sich der Festsattel durchgesetzt. Befestigt werden die Bremssättel durch direkte Verschraubung am Radträger. Bei Mehrkolbenzangen mit unterschiedlichen Kolbendurchmessern ist zu beachten, dass der kleinere Kolben zuerst von der Scheibe überstrichen werden muss. Weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Art des Aufbaues. Dieser kann zweiteilig oder aus einem Stück sein. Bei einem einteiligen Aufbau erreicht man den Vorteil der Gewichtsersparnis durch Einsparung von Schrauben und Dichtstegen. Man kann sie gießen, schmieden oder aus dem Vollen arbeiten. Mehrteilige Bremssättel werden üblicherweise gegossen. Um die Leichtmetallgehäuse widerstandsfähiger zu machen, werden sie meist harteloxiert oder vernickelt. Je nach Vorgabe kommen unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz. 2 1 Pos. 1 Bremssattel Abb. 4: Bremssattel Honda CBR-600, schwimmende Lagerung Pos. 2 Befestigungsarm (schwimmende Lagerung, axial verschiebbar) 2.7. Der Bremsbelag [vgl. RWT10] Wesentlich für die richtige Auswahl der Bremsbeläge ist der Reibbeiwert und das Temperaturverhalten. Haben Bremsbeläge einen niedrigen Reibwert ist die Dosierbarkeit besser. Ist der Reibwert sehr hoch erhält man eine bessere Bremsleistung, jedoch einen erhöhten Verschleiß der Scheiben. Die besten Verzögerungswerte erreicht man unter Einhaltung der, vom Hersteller empfohlenen Temperaturbereiche. Üblicherweise liegen diese zwischen 100 C bis 600 C und 200 C bis 750 C. 11

20 Einführung ins Thema Bremsen Wichtig für neue Bremsbeläge ist der Einlaufprozess. Ein fabrikneuer Reibbelag hat noch keine Reibschicht. Diese bildet sich nach den ersten Bremsvorgängen und schützt den darunter liegenden Grundwerkstoff vor thermischer Überlastung. Deshalb sollten Bremsbeläge erst nach vorhanden sein der Reibschicht voll belastet werden. Es sollten dazu keine neuen Scheiben verwendet werden. Bei der Werkstoffauswahl unterscheidet man organische und halbgesinterte Beläge, die bei Gussbremsscheiben zur Anwendung kommen. Keramische Beläge können nur für Karbonbremsscheiben verwendet werden. Grundsätzlich ist immer darauf zu achten welche Bremsscheiben man verwendet. Bedeutsame Vorteile von Karbon gegenüber organisch und halbgesinterten Belägen sind: Gewicht Thermische Leitfähigkeit Temperaturbeständigkeit Ansprechverhalten 2.8. Die Bremsscheibe Der Bremsscheibendurchmesser ist entscheidend für die zu erzielende Bremswirkung. Normalerweise montiert man die größtmögliche Scheibe unter Berücksichtigung des Felgenprofils. Jedoch sind auch die zu erwartenden Bremskräfte bei der Auswahl des Scheibendurchmessers zu berücksichtigen. Die Scheibenstärke nimmt mit dem Durchmesser der Scheibe zu. Weiters sind noch Fahrzeuggewicht und Einsatzzweck mit einzubeziehen. Allgemein kann gesagt werden, dass eine dickere Scheibe eine höhere Lebensdauer hat und die Scheibentemperatur, aufgrund der höheren Masse, sehr gut stabilisiert. Eingesetzt werden solche Scheiben bei Langstreckenrennen. Die Abmessungen sind meist durch ein Reglement eingeschränkt. Beispielsweise darf in der Formel 1 eine Scheibenstärke von 28 mm und ein Scheibendurchmesser von 278 mm nicht überschritten werden. Die einfachsten Konstruktionen von Bremsscheibe sind massiv und werden direkt mit der Radnabe verschraubt. Eingesetzt werden diese Scheiben zum Beispiel bei Motorrädern. Abb. 5: Bremsscheibe eines Motorrads 12

21 Einführung ins Thema Bremsen Aufwändigere Bauarten sind mit Hohlräumen versehen und ermöglichen dadurch eine sehr gute Wärmeabfuhr. Erreicht wird dies durch einen Turbinenförmigen Aufbau im inneren der Scheibe. Hierbei ist auf die Drehrichtung der Bremsscheibe zu achten (innerer Aufbau der Kühlrippen). Abb. 6: innenbelüftete Bremsscheibe eines KFZ Weitere Spezialausführungen sind genutete oder gebohrte Scheiben Genutete Bremsscheiben In diesem Fall wird die Scheibenoberfläche zusätzlich mit vier oder acht tangentialen Nuten versehen. Diese sind etwa 1,5 mm breit und 0,8 mm tief. In erster Linie dienen sie zur Reinigung der Belagsoberfläche. Positiver Effekt dadurch ist ein verbessertes Nassbremsverhalten sowie eine gleichmäßigere Bremswirkung. Außerdem wird, zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen, die Belagstemperatur gesenkt. Vorteil der genuteten Scheiben gegenüber den gebohrten ist die längere Lebensdauer. Auch bei genuteten Scheiben ist auf die Drehrichtung in verbautem Zustand zu achten. Abb. 7: genutete Bremsscheibe 13

22 Einführung ins Thema Bremsen Gebohrte Bremsscheiben Wesentlicher Vorteil dieser Konstruktion ist das schnelle Ansprechverhalten der Bremsen mit zugleich etwas höherer Bremskraft zu Beginn einer Bremsung ( Biss ). Auch wird eine geringfügig niedrigere Bremsscheiben- und Belagstemperatur erzielt. Das Bremsverhalten bei Nässe ist ähnlich wie bei genuteten Scheiben. Durch den erzielten Gewichtsvorteil gegenüber massiven Scheiben sind sie anfälliger für Risse in der Oberfläche. Abb. 8: gebohrte Bremsscheibe (Quelle: ) Befestigung Die Befestigung von Bremsscheiben kann auf zwei Arten erfolgen. Eine feste Verbindung mit der Radnabe und dem Radträger oder eine schwimmende Lagerung über einen beweglichen Innenring der Scheibe. Eine geschraubte Variante sollte bei extrem hohen Beanspruchungen, wie Off-Road oder Rally, der schwimmenden Lagerung vorgezogen werden. Hintergrund dafür ist die Gefahr das Spiel der Scheibe zu blockieren und somit einen Verzug und damit verbundenes Scheibenflattern hervorzurufen. Bei schwimmenden Bremsscheiben ergibt sich ein minimales Axial- und Radialspiel. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass sich die Scheibe in verschiedene Richtungen ausdehnen kann. Somit kann das Entstehen von Rissen in der Oberfläche reduziert werden. Weiters kann sich die Scheibe zwischen den Belägen einstellen, was den Pedalweg verkleinert und den Einsatz von einem kleineren Hauptbremszylinder ermöglicht. Zwingend notwendig ist eine schwimmende Lagerung der Scheiben ab einem Durchmesser von 330 mm. Die Genauigkeit des Rundlaufes muss unter 0,15 mm liegen. Bei einer schwimmenden Lagerung soll der Abstand zwischen Scheibe und Topf in axialer Richtung 0,15 bis 0,2 und radial 0,05 bis 0,1 mm betragen. 14

23 Einführung ins Thema Bremsen Werkstoffe für Bremsscheiben [vgl. RWT10] Die Werkstoffauswahl bei Bremsscheiben ist sehr wesentlich und mit entscheidend für die Bremsleistung des Fahrzeuges. Folgende Werkstoffe werden für Bremsscheiben eingesetzt: Grauguss (GG15, GG25) Sphäroguss (GGG60, GGG70) Keramik mit siliziumkarbidhaltiger Matrix C/SiC aus der Gruppe Karbon- Keramik CFC (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff) bzw. CFRC (carbon fibre reinforced carbon) oder CC (Karbon-Karbon): Karbonbremsscheibe Vergütungsstahl 42CrMo4 (Formula Student) Schnellarbeitsstahl 75Cr1 (Formula Student) Gravierender Nachteil von Grauguss ist, dass über viermal höhere spezifische Gewicht und den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dies hat beim Abbremsen aus hohen Geschwindigkeiten den Nachteil, dass sich die Scheibe verzieht wenn sie nicht entsprechend biegeweich gestaltet ist. Das Risiko von auftretenden Rissen erhöht sich dadurch erheblich. Vergleicht man Karbonkeramik-Bremsscheiben (CMC) mit Karbon-Karbon (CFC) kann allgemein gesagt werden, dass CFC Scheiben ausschließlich für den Rennsport geeignet sind. Gründe dafür sind ein temperaturabhängiger Reibwert der zu schlechtem Kaltbremsverhalten führt, hoher Verschleiß der Scheiben bei niedrigen Temperaturen und kleinen Anpressdrücken und die sehr hohen Werkstoffkosten aufgrund der energieintensiven Herstellung. 15

24 Formula Student 3. Formula Student [vgl. FSA] Die Formula Student ist ein weltweiter Konstruktionswettbewerb zwischen Studierenden der unterschiedlichsten Hochschulen. Gegründet und zum ersten Mal ausgetragen wurde dieser Bewerb in den USA im Jahr Den Weg nach Europa fand die Formula SAE 1999 in England. Mittlerweile gibt es Wettbewerbe auf der ganzen Welt, unter anderem auch in Österreich mit dem Event in Spielberg. Ziel ist es, einen voll funktionstüchtigen Rennwagen zu designen, konstruieren, berechnen und zu bauen. Die Vorgaben des Reglements garantieren Sicherheit für Fahrer und Crew. Es gibt auch eine klare fahrzeugspezifische Klassifizierung vor. Für den Bewerb ist jedoch nicht nur die Konstruktion und Fertigung ausschlaggebend, auch Projektmanagement, Controlling, Marketing und Öffentlichkeitsarbeit sind große Bestandteile der Projektarbeit. Der Event selbst teilt sich in unterschiedliche Disziplinen nach denen bewertet wird. Die Zeitvorgabe um ein Formelfahrzeug zu bauen beträgt zwei Semester, beginnend mit dem Wintersemester. Um diese Zeitvorgabe einzuhalten, ist es wichtig ein funktionierendes Team zusammenzustellen. Mit diesen 20 bis 25 Personen müssen alle Teilgebiete der Technik sowie die organisatorische Spate abgedeckt werden Beim Engineering Design wird die Konstruktion des Fahrzeugs in Form eines Design Reports der Jury vorab übermittelt. Beim Bewerb wird das Auto den fachkundigen Juroren präsentiert. Bei dieser Disziplin werden sowohl der Einsatz von neuen Materialien und kreativen Fertigungstechnologien, als auch die Gesamtkonstruktion und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs bewertet. Mit ausgeklügelten Businessplänen und einem überzeugenden Verkaufsgespräch sollen die Studenten einer fiktiven Investorengruppe (Juroren) den Kleinserienbau des Rennwagens schmackhaft machen. Das Auto wird auf einer Strecke von 75m aus dem Stand heraus beschleunigt. Jedes Team darf zwei Fahrer mit jeweils zwei Versuchen zum Einsatz bringen. Die schnellste Zeit aus allen Versuchen wird in die Wertung aufgenommen. Eine liegende Acht, mit Kreisdurchmessern von je 15,25m, wird je zweimal durchfahren. Jedes Team darf zwei Fahrer zum Einsatz bringen. Jeder Fahrer hat zwei Versuche den sogenannten Skid-Pad schnellstmöglich zu absolvieren. Die schnellste Zeit aus allen Versuchen wird in die Wertung aufgenommen. Beim Autocross muss ein ca. 800m langer Handling-Kurs mit Geraden, Haarnadelkurven und Slalomstrecken schnellstmöglich absolviert werden. Es gibt keine Trainingsrunden, die erste gefahrene Zeit ist gleichzeitig eine Wertungsrunde. Jedes Team darf zwei Fahrer mit jeweils zwei Versuchen zum Einsatz bringen. Die schnellste Zeit aus allen Versuchen wird in die Wertung aufgenommen. 16

25 Formula Student Auf einem Handlingkurs wird ein Rennen über eine Länge von 22km gefahren. Nach 11km findet ein Fahrerwechsel statt, für den jedes Team drei Minuten Zeit hat. Es befinden sich mehrere Rennwagen gleichzeitig auf der Strecke. Es gibt Überholzonen für schnellere Fahrzeuge um ein Rennen Fahrzeug gegen Fahrzeug zu Gunsten der Sicherheit zu vermeiden. Im Zuge des Endurance-Bewerbes wird der Kraftstoffverbrauch des Rennwagens bestimmt, wobei das effizienteste Auto die höchsten Punkte erzielt. 17

26 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben 4. Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben 4.1. Allgemein Die Bremsanlage ist bei einem Formelfahrzeug neben der Reifenwahl und der Radführung eine der wichtigsten Komponenten. Je effizienter eine Bremsanlage das Fahrzeug verzögert, desto länger kann in einem hohen Geschwindigkeitsbereich gefahren werden. Im besten Fall wird eine Kurve mit voller Geschwindigkeit angefahren. Danach unter maximaler Kraftschlussausnutzung das Fahrzeug verzögert um am Scheitelpunkt der Kurve mit dem Beschleunigungsvorgang zu beginnen. Um ein spätes Anbremsen zu realisieren sind gute Kaltreibeigenschaften des Belags erforderlich, da der Bremsbelag zu Beginn des Bremsvorgangs noch nicht die optimale Betriebstemperatur erreicht hat. Zweiter wichtiger Punkt bei der Auslegung von Bremsen ist die thermische Stabilität. Durch schnelle Lastwechselvorgänge wird die Bremsanlage sehr stark dynamisch beansprucht. Die wiederum führt zu hohen Wärmeströmen, die sich thermisch über die gesamte Bremsanlage ausbreiten Anforderungen des Reglement an die Bremsanlage Für die Formula Student Austria gilt das internationale Reglement der Formula Student SAE. In diesem werden folgende Punkte als Anforderungen für die Bremsanlage gestellt: Alle vier Räder müssen mit einer Betätigung abgebremst werden. Es sind zwei voneinander unabhängige Bremskreise erforderlich. Ein separater Ausgleichsbehälter pro Bremskreis. Zwei bremsfähige Räder bei Ausfall eines Bremskreises. Brake-by-wire ist verboten. Es dürfen nur armierte Bremsleitungen verwendet werden Schutz aller Teile der Bremsanlage vor Zerstörung durch den Antriebsstrang und vor geringfügigen Kollisionen durch Schutzbleche. Bei maximaler Verzögerung aus 50 km/h (dynamischer Bremstest) müssen alle Räder gleichzeitig blockieren. Das Fahrzeug darf dabei nicht seitlich ausbrechen. Bei einem Ausfall der Bremsanlage bzw. eines Bremskreises muss ein Brake-over-travel Schalter die Zündung und alle Kraftstoffpumpen abschalten. Nach einem Stillstand dürfen sich diese elektrischen Verbraucher nicht wieder selbstständig aktivieren. Eine Rückstellung des Schalter durch den Fahrer darf nicht möglich sein. 18

27 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Das Fahrzeug muss mit einem roten Bremslicht mit einer Mindestleistung von 15 W ausgestattet sein. Zu befestigen ist das Licht unterhalb der Schulterlinie des Fahrers und in der Mitte des Fahrzeugs Konstruktiv bedingte Vorgaben Aufgrund der ausgewählten Komponenten für Felgen und Bremssättel an Vorderund Hinterachse ergeben sich konstruktiv bedingte Vorgaben Bremssattel Vorderachse Vor Beginn des Projektes Formula Student muss man gewisse technische Richtungen festlegen, die sich auf die gesamte Konstruktion des Fahrzeugs auswirken. Für die Vorderachse werden Bremssättel der Firma Brembo ausgewählt. Zuvor verbaut waren diese an einer Honda Hornet, Baujahr Es handelt sich hierbei um 2-Kolben Bremssättel die schwimmend gelagert werden. 1 2 Abb. 9: 2-Kolben Bremssattel von Brembo (schwimmend) Pos. 1 Bremskolben Durchmesser 32 mm Pos. 2 Bremskolben Durchmesser 30 mm Bei dieser Konstruktion werden zwei Bremsbeläge pro Bremssattel verbaut, die sich in Kolbenrichtung verschieben lassen. In Position gehalten werden diese lediglich durch einen kleinen Bolzen. Über, den in Bild 8, silbernen Bügel wird die Bremszange am Radträger verschraubt und in weiterer Folge die schwimmende 19

28 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Lagerung erzielt. Wenn das Fahrzeug abgebremst wird, drückt es den Bremsbelag der Kolbenseite an die Scheibe. Der zweite Reibbelag wird zur Bremsscheibe hin gezogen. Je mehr Druck über die Kolben und Bremsbelag aufgebracht wird, desto höher wird die Verzögerung bis hin zum Blockieren der Reifen. Wichtig für die Auslegung der Bremsanlage und Scheibe ist der Kolbendurchmesser. In diesem Fall sind es zwei Kolben mit unterschiedlichen Durchmessern. Fahrtrichtung Ansicht von Innen Abb. 10: Bremssattelanbindung VA am Radträger Wie in Abbildung 9 ersichtlich wird beim Bremsen als erstes der größere Kolben von der Scheibe überstrichen, danach der kleinere. Die maximal zulässige Scheibendicke für diesen Bremssattel sind 4 mm Bremssattel Hinterachse An der Hinterachse werden ebenfalls 2-Kolben-Bremssättel von Brembo verbaut. Diese wurden ursprünglich an der Hinterachse eines Motorrades eingesetzt. Wesentlicher Unterschied der Hinterachsbremssättel zu denen an der Vorderachse ist die Bauart und Wirkungsweise. Wird auf das Bremspedal Druck ausgeübt, bewegen sich die beiden Kolben in Richtung Scheibe. Im Unterschied zu einem schwimmenden Aufbau wird der Bremssattel fix mit dem Radträger verschraubt. Die Scheibe wird auf beiden Seiten mit demselben Druck beaufschlagt. Die Bewegung der beiden Beläge ist somit synchron/identisch. 20

29 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben 1 Abb. 11: 2-Kolben Bremssattel von Brembo (Festsattel) Pos. 1 Bremskolben Durchmesser 28 mm (beidseitig) Maximal mögliche Scheibendicke bei diesen Bremssätteln ist 4 mm Rad- und Felgengröße Die Auswahl der Radgröße ist eine wesentliche Entscheidung für das Konzept eines Formel Fahrzeugs. Wurde bis zur Saison 2011/2012 noch hauptsächlich mit 13 Zoll Felgen und Reifen gefahren, geht der Trend immer mehr zu 10 Zoll Felgen. 13 Zoll Felgen und Reifen Pro: Mehr Platz im inneren der Felge (größere Bremsen) Längere Lebensdauer Große Auswahl an Reifenherstellern und Mischungen Massives Fahrzeuggewicht und Design möglich 10 Zoll Felgen und Reifen Pro: Geringes Gewicht der Felgen und Reifen Niedrigerer Preis als 13 Zoll Felgen Sehr rasches erreichen der Betriebstemperatur Geringere Momente und ungefederte Massen am Radträger Bessere Beschleunigung 21

30 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Für das Formula Student Fahrzeug der FH Campus Wien fiel die Wahl auf 13 Zoll Felgen und Reifen, da die Vorteile im Bereich Fahrzeuggewicht und Platzbedarf der Bremsen für das Team sehr wichtig waren. Da der Trend Richtung 10 Zoll Felgen geht, wird in Erwägung gezogen in der nächsten Saison auf diese Felgengröße umzusteigen. Als Fabrikat wurden Felgen von Compomotive ausgewählt. Compomotive ist eine Englische Firma die seit 1973 Felgen für den Motorsport produziert. Nach Auswahl der gewünschten Type werden Einpresstiefe, Lockkreis und Zentrierdurchmesser definiert. Aufgrund dieser Angaben gehen die Felgen in Produktion. Abb. 12: Compomotive Felge, CXR 1361, 6x13, ET0, LK 4x100, 57.1mm Um die Felge auch in das 3D-Modell mit einzupflegen, war eine Schnittzeichnung der Felge nötig. Diese wurde von Reifen Dorfner, die den Vertrieb für Compomotive in Österreich hat, bereitgestellt. Dadurch ist es möglich den Platzbedarf für Bremsscheiben und Radträger zu definieren. Berücksichtigt werden muss zusätzlich der Platzbedarf der Bremssättel an Vorder- und Hinterachse. Daraus resultiert der maximal mögliche Durchmesser der Bremsscheibe. 22

31 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Abb. 13: Schnittzeichnung Felge Compomotive CXR Zusammenfassung Vorderachse: 2-Kolben Bremssättel der Firma Brembo, schwimmend gelagert, maximal mögliche Scheibendicke, 4 mm. Hinterachse: 2-Kolben Bremssättel der Firma Brembo, Faustsattel, maximal mögliche Scheibendicke, 4 mm. Reifen / Felgen: Compomotive CXR 1361, 6x13, ET 0, Lochkreis 4x100 mm, Zentrierbohrung 57.1mm 23

32 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben 4.4. Konstruktion der angrenzenden Teile Um mit der Konstruktion zu beginnen, ist es nötig die in Punkt 4.3 beschriebenen Vorgaben zu definieren. Danach wurde nach einem geeigneten Konstruktionsprogramm gesucht. Am Studiengang High Tech Manufacturing und an der FH kommt das Konstruktionsprogramm Catia V5 R19 zum Einsatz. Dies ist ein sehr kompetentes Werkzeug für Formenbau und Frästeilkonstruktionen. Nach einer Probekonstruktion stellte sich aber heraus, dass es für die gesamte Konstruktion eines Formel Fahrzeugs eher ungeeignet ist. Eine Recherche zu möglichen Alternativen hatte als Ergebnis, dass sehr viele Teams von SolidWorks unterstützt werden. Eine Anfrage beim österreichischen Vertriebspartner für SolidWorks, Planetsoftware, zur Unterstützung des Teams, lieferte ein positives Ergebnis. Das Team erhielt mehrere Lizenzen des Programms und zusätzlich die Möglichkeit von Schulungen für die jeweilige Vertiefungsrichtung. Nach einer intensiven Einschulung wurde der übersichtliche, und in der Anwendung sehr einfache Aufbau ersichtlich Modell der Felge Im ersten Schritt wird die 2D Zeichnung der Felge mittels SolidWorks in ein 3D Modell umgewandelt. Zugrunde liegt diesem Modell eine Skizze, die mittels dem Befehl Rotationsausprägung in weiterer Folge das gewünschte 3D-Modell erzeugt. Man beginnt mit einer Skizze die einer Ebene zugeordnet wird. Mögliche Ebenen sind (wie in einem Achsensystem) die X-, Y-, oder Z-Ebene. Eine erzeugte Ebene über die X- und Y-Achse definiert die Ebene vorne, X und Z ergeben eine Ebene oben und zwischen Y und Z erhält man die Ebene rechts. Zweckmäßig für eine Rotationsausprägung ist die Ebene vorne. Dadurch erhält man, nach erfolgter Ausprägung, ein Modell das sich bei isometrischen Ansicht in der richtigen Position befindet, um es in das Gesamtmodell des Fahrzeuges zu verbauen. Vervollständigt wird das Modell durch erstellen der nötigen Ausschnitte am Felgenhorn. Diese Ausschnitte dienen rein der optischen Verfeinerung und sind für die weitere Konstruktion nicht relevant. Als nächster Schritt, zum Erhalt des Modells inklusive Bereifung, wird eine Rotationsausprägung entlang dem Felgenrand erstellt. Hierbei verwendet man ebenfalls die Ebene vorne. Die Abmessungen wurden von den verwendeten Hoosier Reifen abgenommen. Das Ergebnis aus beiden Ausprägungen ist ein Komplettmodell von Reifen und Felge. 24

33 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Abb. 14: 3D-Modell der Felge inkl. Bereifung Modell der Bremssättel Zur Bestimmung des Bremsscheibendurchmessers ist es auch nötig die Bremssättel von Vorder- und Hinterachse zu modellieren. Im Unterschied zur Felgenmodellierung konnte man auf keine vorhandenen Konstruktionszeichnungen zurückgreifen. Honda sowie auch Brembo konnten diesbezüglich, aufgrund von internen Geheimhaltungsvereinbarungen, keine Unterstützung anbieten Die Hauptabmessungen und Konturen der Bremssättel wurden mittels Messschieber, Zirkel und Maßband abgenommen. Dies erforderte einen sehr hohen Zeitaufwand und hohe Genauigkeit beim Abnehmen der Längen und Radien. Erschwerend kam hinzu, dass es an den Bremszangen so gut wie keine geraden Längen gibt. Es waren viel mehr Radien und Kurven die es zu bestimmen galt. Mittels den Befehlen Ausprägung, Ausschnitt und Verrundung werden die Modelle beider Bremssättel erstellt. Dies sind Grundfunktionen von SolidWorks und bei jeder Einzelteilmodellierung nötig. An der Vorderachse werden 2-Kolben-Bremssättel mit schwimmender Lagerung verbaut. Die Aufnahme am Radträger erfolgt über einen Haltebügel, der eine Axialbewegung ermöglicht. Im Unterschied dazu wird an der Hinterachse ein Faustsattel verwendet, der direkt und starr mit dem Radträger verschraubt wird. Eine Bewegung in axialer Richtung ist nicht möglich. Abb. 15: links: Bremssattel VA rechts: Bremssattel HA 25

34 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Radträger Einer der wesentlichen Bauteile der Radaufhängung ist der Radträger. Er nimmt alle radseitigen Anlenkpunkte der Aufhängung sowie die Radlagerung auf. Die Befestigung der Bremsscheibe und Radnabe erfolgt ebenfalls über den Radträger. Bei außenliegenden Bremsen trägt er auch den Bremssattel. In diesem Fall sollte die Gestaltung so erfolgen, dass eine Belüftung der Bremsscheibe und des Lagers möglich ist. Bei technisch hoch entwickelten Formel Fahrzeugen werden auch Sensoren für die Raddrehzahl oder Temperatursensoren für die Bremse mit angebracht. Als Werkstoff für den verwendeten Radträger wurde hochfestes Aluminium ausgewählt (F50 AlZn5,5MgCu), da eine ständige, dynamische Wechselbelastung stattfindet. Dieser eignet sich, aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit von R m = 500 N/mm² und Dehnungsgrenze R p 0,2 = 440 N/mm², sehr gut dafür. Die Konstruktion selbst wurde, unter Berücksichtigung der Fahrwerksgeometrie und Lenkung von meinem Kollegen Herrn Kronberger, Gruppenleiter Fahrwerk, übernommen. Den Teil der Radnabenkonstruktion sowie die Anbindung von Bremssattel und Scheibe wurden von mir in die Konstruktion mit eingebracht. An der Vorderachse ist die Konstruktion des Radträgers an linker und rechter Seite identisch. Unterschied ist lediglich der spiegelbildliche Aufbau. Abb. 16: links: Radträger VA Li rechts: Radträger VA Re Im Unterschied zur Vorderachse sind die Radträger an der Hinterachse nicht spiegelbildlich. Grund dafür ist der verwendete Bremssattel eines Motorrads. Am Hinterrad wird ein Motorrad nur einseitig abgebremst. In den meisten Fällen wird der Bremssattel, in Fahrtrichtung gesehen, an der rechten Seite verbaut. Da die Scheibe und somit die Bremse annähernd in der Mitte der Felge sitzt, kommt 26

35 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben es beim Motorrad zu keinem Ziehen in eine bestimmte Richtung. Um diesen Bremssattel bei einem Fahrzeug zu verbauen, musste das Problem der einseitigen Anbaumöglichkeit gelöst werden. Verwirklicht wurde es durch einen, am Kopf stehenden, Bremssattel an der rechten Seite der Hinterachse. Dadurch ergeben sich zwei unterschiedliche Konstruktionen der Radträger. Abb. 17: links: Radträger HA Li rechts: Radträger HA Re 27

36 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben 4.5. Werkstoffauswahl und Konstruktion der Bremsscheibe Werkstoffauswahl Die Auswahl des Materials ist meist mitentscheidend für die richtige Dimensionierung der Bremsscheibe. Für die Bremsscheibe am Rennboliden war dies für die Dimensionierung nicht relevant, da die Größe und Dicke der Bremsscheibe durch die verbauten Komponenten an der Radaufhängung vorgegeben werden. Als kostengünstiges Bremsscheibenmaterial kann man Aluminiumlegierungen oder Stahl verwenden. Eine Ausführung aus Kohlefaserverbundwerkstoffen wird im Rennsport ebenfalls verwendet. Dies ist jedoch bei der Formula Student, aufgrund des geringen Kaltreibwertes und der hohen Herstellungskosten, wenig geeignet. Nach Abwägen aller Vor- und Nachteile der Unterschiedlichen Werkstoffe, ist man zu dem Ergebnis gekommen, dass eine Verwendung von 42CrMo4 oder 75Cr1 möglich ist. Wesentlicher Unterschied ist die Art des Werkstoffs. Handelt es sich bei 42CrMo4 um einen Vergütungsstahl, zählt 75Cr1 zu den Werkzeugstählen. In Detail wird er der Kategorie Schnellarbeitsstahl zugeordnet Grundgefüge von 75Cr1 (1.2003) ist angelassener Martensit. Der geringe Zusatz von Chrom führt zu einem hohen Verschleißwiderstand und einer besseren Durchhärtbarkeit bei großen Querschnitten. Zusammensetzung von 75Cr [vgl. ADA10] C 0,74-0,80 % Si 0,25-0,40 % Mn 0,65-0,80 % Cr 0,30-0,45 % P max. 0,025 % S max. 0,010 % Gehärtet wird dieser Stahl bei Nach erfolgtem härten wird der Stahl in Öl abgeschreckt. Danach beginnt man mit dem Anlassvorgang um Härtespitzen zu reduzieren (Verminderung der Gitterspannung). Wichtig ist, dass die Betriebstemperatur des Bauteils auf jeden Fall unter der Anlasstemperatur liegt. 28

37 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Abb. 18: Härten und Anlassen eines 75Cr1 (Quelle: ) 75Cr1 eignet sich aufgrund seiner hohen Anwendungstemperatur von bis zu 600 C und einer Härte nach Rockwell von HRc sehr gut als Werkstoff für Bremsscheiben Bremsscheibe Vorderachse Nachdem die Systemgrenzen definiert, ein Werkstoff ausgewählt und die benötigten Bauteile modelliert wurden, konnte mit der Konstruktion der Bremsscheibe begonnen werden. Vor Beginn der Konstruktion war zu berücksichtigen, dass eine maximale Bremsscheibendicke von 4 mm nicht überschritten werden darf. Man startet mit einer leeren / neuen Baugruppe, in der alle relevanten Teile enthalten sind. Zieht man das erste Modell per Drag and Drop, den Radträger, in die Konstruktionsumgebung, wird seine Position fixiert und dient als Referenz für alle weiteren Einzelteile. Fügt man das nächste Teil in die Baugruppe ein, schwebt dies zunächst frei im Raum. Um es zu fixieren verlangt SolidWorks das Erstellen von Verknüpfungen. Unter Verknüpfung versteht man das in Bezug setzen von unterschiedlichen Geometrien zueinander. Erzielt wird dadurch eine definierte Baugruppe, die sich jedoch durch ihre Freiheitsgrade in gewisse Richtungen bewegen lässt. Als Beispiel hierfür sei das Drehen eines Rades in einer voll positionierten Baugruppe genannt. Hierbei ist es möglich den Radträger zu fixieren, das Rad jedoch mit Freiheitsgraden in Bezug auf Drehung freizustellen. Eine Simulation mit einem drehenden Rad ist möglich. 29

38 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Abb. 19: Verknüpfungen in einer SolidWorks Baugruppe Es werden nach und nach alle Einzelteile der Baugruppe hinzugefügt. Als Ergebnis erhält man eine Konstruktionsübersicht aller Bauteile. Daraus ersichtlich der mögliche Platzbedarf und der dadurch erzielbare Bremsscheibendurchmesser. Dieser ist in erster Linie vom Innendurchmesser der Felge und der Größe und Position des Bremssattels abhängig. Um den maximal Durchmesser der Scheibe zu erreichen, muss der Bremssattel in der Felge so weit wie möglich an die Innenfläche der Felge positioniert werden. Eine Anbindung am Radträger muss jedoch problemlos möglich sein Abb. 20: Innenansicht der Felge, links vorne Pos. 1 Compomotive Felge mit Reifen Pos. 2 Brembo 2-Kolben-Bremssattel Pos. 3 Radträger Im nächsten Schritt wird eine Skizze über die Konstruktion gelegt. Dadurch erhält man den ersten Ansatz für einen möglichen Bremsscheibendurchmesser. 30

39 Auslegung und Konstruktion der Bremsscheiben Ergebnis daraus ist ein Bremsscheibendurchmesser von 230 mm. Weiters ist ein Abstand von mindestens 2 mm zwischen der Scheibe und dem Innenteil des Bremssattel einzuhalten, um ein Schleifen der Scheibe im Sattel zu vermeiden. Unter Einhaltung der genannten Bedingungen entsteht somit ein erster Entwurf der Bremsscheibe für die Vorderachse, die an beiden Seiten der Vorderachse verbaut wird. Abb. 21: Vorentwurf Bremsscheibe Vorderachse Die Konstruktion selbst enthält den maximalen Außendurchmesser und den, sich dadurch ergebenden, Innendurchmesser. Aus diesen beiden Durchmessern ergibt sich die Reibfläche an der der Bremsbelag angreift. Befestigt wird die Scheibe über die Radnabe. Hierbei handelt es sich um eine starre Verbindung. Eine schwimmende Lagerung wird durch den Bremssattel erzielt. Um sicherzustellen, dass in der gesamten Konstruktion keine Kollisionen auftreten, wurde mittels dem FH internen 3D-Drucker, die gesamte Konstruktion ausgedruckt. Unter Rapid Prototyping versteht man das Erstellen von Musterbauteilen, ausgehend von Konstruktionsdaten. Somit ist dies ein Fertigungsverfahren, um vorhandene CAD-Daten möglichst ohne Umwege oder Formen direkt in Werkstücke umzusetzen. Bild 20 zeigt eine Übersicht der ausgedruckten Konstruktion der Vorderachse. Gedruckt wurden der Radträger, Radnabe und die Bremsscheibe. Beim Radträger konnte man sich aus Kosten- und Platzgründen, auf den Druck des Oberteils beschränken. Für eine Kollisionsanalyse der Bremsscheibe ist dies ausreichend. Weiterer Grund für einen halbierten Ausdruck ist der Platzbedarf im Drucker selbst. Maximal mögliche Druckgröße ist ein Würfel mit 250 mm Seitenlänge. Da der Radträger eine Gesamthöhe von 295 mm hat, war es unumgänglich diesen in einem Schritt auszudrucken. Bei der Bremsscheibe entschied man sich, wiederrum aus Kostengründen, nur einen Teil der Bremsfläche voll auszuführen. Dies ist ebenfalls ausreichend um die Überschneidung zwischen Bremsbelag und Bremsfläche zu analysieren. 31