Wie asymmetrische Radlagereinheiten die Fahreigenschaften von Sportwagen verbessern

Bei Sportwagen sind guteFahreigenschaften unter allen Bedingungen für das allgemeine Fahrerlebnis entscheidend. Mit der Entwicklung einer innovativen asymmetrischen Radlagerungseinheit präsentieren SKF Ingenieure eine preisgekrönte Lösung, die das bekannte Problem des Bremskolbenrückschlags, der während schneller Kurvenfahrt oder bei Fahrten über unebener Straße auftreten kann, löst.

Bremskolbenrückschlag (Knock Back) führt nach schwierigen Kurvenmanövern zu einem verlängerten Bremspedalweg, der die Ansprechzeit der Bremsen und die Genauigkeit des Elektronischen Stabilitäts–Programms (ESP) beeinflusst.

Es tritt auf, wenn sich die Bremseinheit, bestehend aus Achsschenkel, Nabe und Bremssattel aufgrund von Biegebeanspruchungen elastisch verformt (Bild 1), verursacht durch hohe Querkräfte im Reifen-/Straßenkontakt. Bei elastischer Verformung drückt die Bremsscheibe auf den Kolben des Bremssattels und verschiebt diesen. Bei erneuter Bremsung führt dies zu einem längeren Bremspedalweg und somit letztendlich zu einem verlängerten Bremsweg (Bild 2)

Hochleistungsbremsen
Naturgemäß müssen Hochleistungssportwagen außergewöhnliches Fahrverhalten und Bremseigenschaften aufweisen, indem sie unter allen Fahrumständen vorhersehbares lineares Reaktionsverhalten zeigen. Ironischerweise können die zur Verbesserung der Fahrzeugplattform angewendeten Strategien zur Leistungssteigerung, wie spezielle Bremsen und Reifen, die entgegengesetzte Wirkung haben und den Bremskolbenrückschlag begünstigen. Insbesondere die Radnabe muss höhere Kräfte aufnehmen, was bei ihr zu verstärkter elastischer Verformung führt. Eine Bremsscheibe mit größerem Durchmesser verstärkt aus Gründen der Geometrie die Empfindlichkeit gegenüber Schiefstellungen.

Übermäßiger Rückschlag der Bremsen hat auch einen negativen Einfluss auf die Effektivität des ESP-Systems, da es den Luftspalt zwischen der Bremsscheibe und dem Belag vergrößert. Dieser muss durch das ESP überwunden werden, bevor Bremskräfte erzeugt werden können. Dies kann die Effizienz des ESP-Eingriffes beeinträchtigen.

Identifizierung des Problems
In der Entwicklungsphase zeigte der 2006er Cadillac STS-V Bremskolbenrückschlag Probleme. Vor der Entwicklung einer Lösung führte das SKF Ingenieurteam zusammen mit den Ingenieuren von General Motors (GM) eine Systemanalyse durch. Zur Definition des Problems führten sie Fahrzeugversuche durch, sowie Prüfstandsversuche zum Reproduzieren des Problems. Sie identifizierten auch mögliche Ansatzpunkte in Zusammenhang mit der Verbesserung des Radsatzdesigns.

Diese waren:

• Die Basis-Fahrzeugarchitektur kann die vorhandenen Optionen zur Verbesserung der Radsturzsteikeit stark einschränken
• Breitere Reifen führen oft zu weniger günstigem Radsturz, wodurch die Kraftwirkungslinie negativ beeinflusst wird
• Breitere Hochleistungsreifen können eine bessere Bodenhaftung haben und erzeugen höhere Kurvenkräfte
• Bremsscheiben mit größerem Durchmesser verstärken die Auslenkung am Bremskolben
• Feste, gegenüberliegende Bremskolben sind weniger nachgiebig und weisen eine größere Empfindlichkeit bei Schiefstellung der Bremsscheibe auf

Die Essenz der Entwicklung der Radlagereinheit
Traditionsgemäß werden die Radlagereinheiten auf der Grundlage ihrer radialen und axialen Belastung konstruiert – geringe Reibung bezogen auf die Bewegung zwischen Rad und Achsschenkel, woran Bremsscheibe und Rad befestigt sind. Für die Lagereinheit selbst sind die Parameter, die berücksichtigt werden müssen, die Tragzahl des Lagers, die Abdichtung, strukturelle Festigkeit der Borde und Verspannmechanismus. Außerdem ist es von Vorteil, den Blick auf die Umgebung der Radlagereinheit zu richten und den Einfluss der umgebenden Fahrgestell- und Bremsenkomponenten zu berücksichtigen.

Eine Beschränkung durch die Fahrzeugarchitektur fordert kreative Ingenieurlösungen beim Versuch, die Radsturzsteikeit zu maximieren bei gegebenen Schnittstellen.

Vier Hauptmerkmale wirken sich auf die Nabensteikeit aus. Es sind die Nabengeometrie, die Lagervorspannung und die Stützweite, d. h. der Abstand zwischen den beiden Druckzentren, der als der Abstand zwischen den beiden Wälzkörperreihen, ihrem Teilkreisdurchmesser und den Berührungswinkeln definiert wird. Und schließlich der Punkt, um den sich der Nabenflansch verformt. Das Ingenieurteam war sich bewusst, dass Änderungen, die zur Erhöhung der Steikeit führen, durchaus möglich sind. Sie vergrößerten die Dicke des Flansches, änderten die Vorspannungssicherung in Kaltvernieten, vergrößerten den Abstand zwischen den Reihen sowie den Teilkreisdurchmesser der äußeren Reihe, um so die Nabenverformung zu verringern und die Stützweite zu vergrößern (Bilder 3 und 4).

Dies ergab das Konzept für die asymmetrische Radlagerungseinheit. Die innenseitige Reihe besitzt einen relativ kleinen Teilkreisdurchmesser, damit das vorhandene Fahrzeugkonzept (Bauraum) unverändert bleiben kann, während die außenseitige Reihe einen größeren Teilkreisdurchmesser hat, um mehr Wälzkörper hinzufügen zu können und damit sowohl eine höhere Steikeit als auch Tragfähigkeit zu erreichen.. Zusätzlich wurde die Flanschdicke um 3 mm vergrößert (Bild 6).

Diese Ausführung bietet eine deutlich verbesserte Radsteikeit bei Verwendung in vorgegebener Fahrzeugarchitektur. Fahrzeugversuche zeigten im Vergleich zur bisherigen Ausführung einen 56% geringeren Bremskolbenrückschlag, die Bremsen reagieren auf das Bremspedal konsistent und vorhersehbar und das ESP funktioniert präzise, selbst unter extremen Fahrsituationen (Bild 5). Dies verringerte signifikant den Bremskolbenrückschlag. Bis heute hat SKF drei Versionen des X-Tracker entwickelt: eine Kugellagerversion (Bild 6), eine Kugel-Kegelrollenlagerversion (Bild 7) und eine Kegelrollenlagerversion (Bild 8).