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 immer punktsymmetrisch zum Mittelpunkt, meistens kreisrund (siehe Abschnitt Ausführungsvarianten) und besteht aus der eigentlichen Bremsfläche und der abgesetzten Achsbefestigung.

Verschleiß

Die Bremsfläche unterliegt einem Verschleiß, wobei die Härte so auf die Bremsbeläge abgestimmt wird, dass deren Verschleiß etwas höher ist.

Materialien

Carbon-Keramik-Bremse eines Porsche Carrera GT

Bremsscheiben werden vorrangig aus Grauguss und teilweise auch aus Sphäroguss hergestellt oder aus geeigneten Stahl-Legierungen gegossen und durch Drehen spanend bearbeitet.

Für sehr hohe Bremsleistung, Verschleißfestigkeit, Fadingunempfindlichkeit und die Reduzierung der ungefederten Massen finden auch Carbon-Keramik, im Rennsport Carbon Anwendung.

Einfache Bremsscheiben, wie bei handelsüblichen Fahrrädern, werden aus Blech gestanzt.

gelochte Bremsscheibe an einem Fahrrad

Bremsscheiben für Motorräder wurden erst ab 1969 (Honda CB 750 Four) eingeführt, wobei anfangs ebenfalls Graugussscheiben zum Einsatz kamen. Der bei Grauguss durch Feuchte und längeren Standzeiten unvermeidliche Oberflächenrost wird häufig als nachteilig angesehen. Daher setzten sich später korrosionsarme (Edel)stähle als Ausgangsmaterial durch.

Auswuchtung

Um Zusatzbelastungen des Fahrwerks durch mögliche ungleich verteilte Massen bei höheren Rad-Drehzahlen zu vermindern, werden Bremsscheiben nach der spanenden Bearbeitung ausgewuchtet. Insbesondere gegossene Bremsscheiben weisen auf Grund des Herstellungsverfahren höhere Unwuchten auf.

Ausführungsvarianten

Bei Zweirädern wird aus optischen Gründen die Außenkontur der Scheiben neuerdings statt kreisrund in einer Wellenform gefertigt. Marketingbezeichnungen dafür 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 gesamte Bremssystem, vorrangig aber die Bremsscheiben, weil sie gegenüber den Bremsbelägen die bessere Wärmeleitfähigkeit haben. Die Anstiegsrate der Temperatur wird durch die Wärmekapazität der Bremsscheibe, die zugeführte Leistung und die abgeführte Wärme bestimmt.

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 Bremsanlagen bereits auf über ein Megawatt Bremsleistung dimensioniert worden, wobei eine aktive Bremsenkühlung erforderlich 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.

Beispiel

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

$\Delta Q_\mathrm{gesamt} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot \Delta v^2$

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

Die gesamte Wärmemenge (die gleich der kinetischen Energie ist) beträgt 2.315 kJ und erwärmt die Bremsscheibe. Anfangs, bei 200 km/h, wird eine Augenblicksleistung von 463 kW ^[1]umgesetzt, die Leistung nimmt bei konstanter Verzögerung bis zum Stillstand linear bis null ab.

Zur Abschätzung der Temperaturerhöhung eine Beispielrechnung:

• Mittlere Bremsleistung: Δ_Q / t = 2315 kJ /10 s = 231 kW
• Die gesamte Erwärmung erfährt nur die Bremsscheibe
• Fahrwiderstände und Motorbremse bleiben unberücksichtigt
• angenommene Aufteilung der gesamten Bremsleistung, die Schwerpunktverlagerung ausnutzend, zu 70 % auf die vorderen, Rest auf 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:^[2] 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.

Optimierungen

Innenbelüftung

innenbelüftete, zweiteilige, gelochte Bremsscheibe

Zur besseren Wärmeabfuhr werden innenbelüftete Bremsscheiben mit radialen Kühlöffnungen versehen, die zwischen den zwei Reibflächen liegen. Bei sich drehendem Laufrad entsteht eine Zentrifugalkraft, die einen ständigen Luftzug von der Nabe nach außen bewirkt. Dies begünstigt die Wärmeabfuhr. Trotz der höheren Baubreite und des höheren Gewichts hat sich diese Bauweise für die Vorderachse vieler PKW durchgesetzt.

Lochung, Nutung, Schlitzung der Reibflächen

gelochte Bremsscheibe an einem Motorrad

Weiterhin werden Bremsscheiben teils axial gelocht oder mit Schlitzen oder Nuten versehen, um die Kühlung und die Wasserverdrängung bei Regen zu verbessern. Durch die Bohrungen wird weiterhin die Gefahr von Spannungsrissen erhöht; um dies zu vermeiden, werden die Bohrungen teils schon im Formenbau in die Gussform eingearbeitet. Nachteilig ist der mögliche, höhere Belagverschleiß, die etwas nachgiebigen Beläge können bei hohen Flächenpressungen in die Öffnungen gepresst werden und durch die scharfe Kante der Bohrung abgetragen werden. Dieses Phänomen kann vorübergehend durch Abrundung der Bohrungskanten vermindert werden, verschleißbedingt ist diese Maßnahme jedoch nicht dauerhaft.

Wärmebehandlung

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.

Zweiteilige Bremsscheiben

Eine weitere Optimierung ist durch zweiteilige Bremsscheiben möglich. Hier ist der Trägertopf aus Aluminium gefertigt, mit dem Ziel die ungefederten Massen zu verringern als auch der günstigeren Wärmeableitung an Nabe und Felge zu erreichen. Die Wärmeleitfähigkeit ist bei Aluminium vier mal höher als bei Stahl, die Warm- und Verschleißfestigkeit jedoch geringer.

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. ↑ (1) dQ/dt = m v dv/dt; (2) dv/dt = a; damit: Leistung dQ/dt = m v a
2. ↑ nach Wikibooks: spezifische Wärmekapazitäten