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Temperaturanalyse einer Bremsscheibe
Die Entwicklung eines Fahrzeuges ist eine sehr komplexe Aufgabenstellung und hat in Deutschland eine lange Tradition. Autos sind längst Bestandteil unseres Alltags geworden und müssen immer höhere Sicherheitsstandarts erfüllen. Dabei werden die Bauteile unterschiedlichen statischen und dynamischen Tests unterzogen. Bei der Bremsanlage, als wichtigstem System der Fahrzeugsicherheit, spielt wie an anderen Stellen auch die Temperatur eine große Rolle. Die Temperaturverteilungen und die daraus resultierenden Veränderungen in Statik und Funktion können mit Hilfe von FEM-Analysen berechnet werden.
Aufgabenstellung
Die Verteilung der Temperatur auf der Bremsscheibe ist für die Funktionalität entscheidend, da bei zu hoher Temperatur das gesamte Bremssystem an Effektivität verliert. Ziel ist es, den Wärmetransport effektiver zu gestalten, um eine zu starke Erhitzung zu vermeiden. Dieses kann auf unterschiedlichste Weisen erreicht werden: Veränderung der Geometrie, der verwendeten Materialien oder Anpassung der Bremsintervalle.
Lösungsansatz
Zur Lösung dieser Fragestellungen haben wir ein Bremsmodel hinsichtlich des Materials, der Geometrie und der Temperaturentwicklung in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. Sowohl Wärmeleitung im Material und Konvektion an die Umgebung als auch die Beschreibung des Drehmoments der Scheibe werden in unserem Model berücksichtigt. Unter der Annahme, dass die Verzögerung alleine durch die Reibung der Bremsen bewerkstelligt wird, kann die Heizleistung an den Kontaktflächen der Bremse bestimmt werden. Das Modell beinhaltet auch Wärmeleitung in Bremsscheibe und Bremsblock, die mit Hilfe von der Wärmeleitungsgleichung (bzw. Diffusionsgleichung) realisiert wird.
Ergebnisse
In diesem betrachteten Testfall wird die Bremse für zwei Sekunden gehalten und danach losgelassen. Die Abbildung 1 zeigt das Temperaturprofil nach 1,4 Sekunden und Abbildung 2 nach 4 Sekunden. Löcher in der Scheibe sorgen für eine Temperaturreduzierung im inneren Bereich von mehr als 50 °C. Dieser Test der Variation der Bremsgeometrie zeigt, dass sich auf ähnlich Weise fundamentale Änderungen untersuchen lassen. Durch eine zu starke Erhöhung der Temperatur verliert die Scheibe an Effizienz. Unter Berücksichtigung von Material und statischen Eigenschaften kann mithilfe von FEM-Analysen eine Bremsscheibengeometrie entwickelt werden, die eine optimale Temperaturverteilung sicher stellt.
Vorteile der FEM-Simulation
- Einfache zeitsparende Tests unterschiedlichster Geometrien und Szenarien
- Berücksichtigung verschiedener Temperaturbereiche ist möglich
- Neben thermischen können auch andere physikalische und chemische Eigenschaften analysiert werden
