Bremsscheiben

[MrOsprey]

Zitat von radimir

... Mir geht es lediglich um die falsche Aussage, dass ein Auto angeblich besser bremsen soll, wenn die Scheiben schwerer sind, weil sie dann mehr Wärme aufnehmen. Denn das ist ohne wenn und aber FALSCH.

Hallo radimir,

grundsätzlich hast Du richtig gerechnet. Ich denke aber, so absolut falsch ist die o.g. Aussage nicht. Wie so oft in der Technik spielen mehrere Effekte eine Rolle. Das will ich im Folgenden auch gern begründen:
Wenn Du von 20 kg Masse der Bremsscheiben ausgehst, nehme ich an, daß Du nur die vorderen gerechnet hast. Jedenfalls ergibt sich dieser Wert, wenn man einen Durchmesser von ca. 300 mm und eine Dicke von 20 mm annimmt - die genauen Abmessungen der Scheiben kenne ich nicht. Aber ein (wenn auch geringerer Teil) der Bremsenergie wird von den hinteren Scheiben aufgenommen. Somit wird die adiabate Temperaturerhöhung < 500 K sein. Das ist durchaus eine Temperatur, die Bremsscheiben nach einer Vollbremsung annehmen können. Die Wärmeabfuhr an die Umgebung hängt von der wärmeübertragenden Oberfläche, der Temperaturdifferenz und dem Wärmeübergangskoeffizienten ab. Zu Beginn der Bremsung ist die Temperaturdifferenz noch gering. Erst mit dem Anstieg der Temperatur wird diese größer. Je größer die Masse der Bremsscheibe ist, um so geringer ist dieser Anstieg. Gleichzeitig nimmt aber auch der Wärmeübergangskoeffizient zu, da er nicht nur aus dem Anteil der Konvektion (abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Luftführung, genauer von Re (Reynoldszahl) und Pr (Prandtl-Zahl)) sondern auch aus dem Strahlungswärmeübergang besteht. Nach Stefan-Boltzmann nimmt der Strahlungswärmestrom mit der 4. Potenz der Temperatur und somit der Strahlungswärmeübergangskoeffizient mit der 3. Potenz zu. Das kann bei hohen Temperaturen im Vergleich zur Luftkühlung schon ein erheblicher Anteil sein.

Lange Rede - kurzer Sinn: Beide Phänomene sind signifikant.

[radimir]

Zitat von MrOsprey

Hallo radimir,

grundsätzlich hast Du richtig gerechnet. Ich denke aber, so absolut falsch ist die o.g. Aussage nicht. Wie so oft in der Technik spielen mehrere Effekte eine Rolle. Das will ich im Folgenden auch gern begründen:
Wenn Du von 20 kg Masse der Bremsscheiben ausgehst, nehme ich an, daß Du nur die vorderen gerechnet hast. Jedenfalls ergibt sich dieser Wert, wenn man einen Durchmesser von ca. 300 mm und eine Dicke von 20 mm annimmt - die genauen Abmessungen der Scheiben kenne ich nicht. Aber ein (wenn auch geringerer Teil) der Bremsenergie wird von den hinteren Scheiben aufgenommen. Somit wird die adiabate Temperaturerhöhung < 500 K sein. Das ist durchaus eine Temperatur, die Bremsscheiben nach einer Vollbremsung annehmen können. Die Wärmeabfuhr an die Umgebung hängt von der wärmeübertragenden Oberfläche, der Temperaturdifferenz und dem Wärmeübergangskoeffizienten ab. Zu Beginn der Bremsung ist die Temperaturdifferenz noch gering. Erst mit dem Anstieg der Temperatur wird diese größer. Je größer die Masse der Bremsscheibe ist, um so geringer ist dieser Anstieg. Gleichzeitig nimmt aber auch der Wärmeübergangskoeffizient zu, da er nicht nur aus dem Anteil der Konvektion (abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und der Luftführung, genauer von Re (Reynoldszahl) und Pr (Prandtl-Zahl)) sondern auch aus dem Strahlungswärmeübergang besteht. Nach Stefan-Boltzmann nimmt der Strahlungswärmestrom mit der 4. Potenz der Temperatur und somit der Strahlungswärmeübergangskoeffizient mit der 3. Potenz zu. Das kann bei hohen Temperaturen im Vergleich zur Luftkühlung schon ein erheblicher Anteil sein.

Lange Rede - kurzer Sinn: Beide Phänomene sind signifikant.

Das hört sich alles sehr interessant an, was du da zusammengeschrieben hast. Sprengt meiner Meinung nach aber den Rahmen der Diskussion. Einfach zu komplex gedacht. Denn wir gehen ja von einem fahrenden Auto aus. Also haben wir doch Luftströmung. Du schreibst von der 3. und 4. Potenz und dass diese Effekte nicht unerheblich sind. Aber das bezieht sich bei dir doch auf die Temperatur und nicht auf die Masse. Also treten die Effekte doch sowohl bei gelochten als auch bei nicht gelochten Scheiben in gleicher Weise auf.
Bei den gelochten wahrscheinlich sogar noch einen Hauch stärker, da diese ja schneller auf Temperatur kommen.

Den Effekt haben wir noch gar nicht berücksichtigt. Wenn wir aus 250 abbremsen sind wir vielleicht bei 100 km/h schon bei sagen wir mal einfach 300 Grad bei den gelochten und 200 Grad bei den nicht gelochten wegen der grösseren Masse. Dann können die gelochten ja schon zu diesem Zeitpunkt mehr Energie in Form von Wärme abführen da sie ja erstens eine höhere Temperaturdifferenz zur Umgebung haben und als zweites einen höheren Volumenstrom der Kühlluft und als drittes eine grössere Oberfläche wegen jedem einzelnen Loch in der Scheibe. All das lässt sich meiner Meinung nach nicht übersehen. Und dazu brauche ich weder Re (Reynoldszahl) noch Pr (Prandtl-Zahl).

Gehen wir mal von dem Fall aus, dass wir drei Vollbremsungen nacheinander machen. Die gelochte Scheibe kann aufgrund ihrer Konstruktion die Wärme besser abführen. Ist schneller auf Temperatur und kann die Wärme daher auch schon früher abführen als die nicht gelochte, welche zudem den Nachteil hat, dass sie die Wärme aufgrund ihrer höheren Masse wesentlich länger speichert, also bei der dritten Vollbremsung schon eine höhere Starttemperatur hat als die gelochte, weil sie ja eben weniger davon abgegeben hat.
Ich sehe da nur Nachteile.

[MrOsprey]

Zitat von radimir

... Ich sehe da nur Nachteile.

Hallo radimir,

die Ausführungen sollten nur zeigen, daß das Problem viel komplexer ist, als es zunächst aussieht. Ich denke auch, daß die große Masse bzgl. Fahrdynamik nachteilig ist (ungefederte Massen). Bei der wärmetechnischen Betrachtung müßte man auch noch die instationären Vorgänge betrachten, die Du mit den Wiederholungsbremsungen ansprichst. Hier spielt auch die Wärmeleitfähigkeit (oder genauer der Wärmeeindringkoeffizient) eine Rolle. Die Wärme wird durch Reibung an der Oberfläche erzeugt und fließt nach innen ab. Dadurch wird die Oberflächentemperatur minimiert. Nicht nur bei innnenbelüfteten Scheiben ist das von Bedeutung. Außerdem müssen die temperaturabhängigen Stoffwerte der Scheibe (z.B. Festigkeit) betrachtet werden. Wenn die Scheibe in Relation zur temperaturabhängigen Festigkeit zu heiß wird, gibt es eben Risse oder sonstige Schäden. Dies kann durch gute Leitfähigkeit und größere Masse begrenzt werden, hilft aber nicht bei den von Dir angesprochenen wiederholten Bremsungen in schneller Folge.