Experimentelle Untersuchung der Umströmung und des Wärmeübergangs an PKW-Scheibenbremsen

In dieser Arbeit werden die Ergebnisse einer grundlegenden experimentellen Untersuchung der Umströmung und des Wärmeübergangs an PKW-Scheibenbremsen diskutiert. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die komplexen Strömungsvorgänge im Bereich der Bremsanlage und stellen darüber hinaus eine umfangreiche Datenbasis zur Validierung von numerischen Berechnungsverfahren bereit. Die detaillierte Analyse der Strömungsvorgänge erfolgt mit Hilfe von zwei neu konstruierten Versuchsständen, die sowohl die Untersuchung der Grenzschichtströmung und des Wärmeübergangs an einem generischen Bremsscheibenmodell als auch der Bremsscheibenumströmung in einer realitätsnahen Fahrzeugumgebung ermöglichen. Die räumlich hochaufgelöste Vermessung der komplexen, dreidimensionalen Strömungsfelder (Stereoskopische Particle Image Velocimetry) im Bereich der Bremsscheibe sowie der Temperaturfelder (Infrarot- Thermografie) auf der Scheibe erfolgt mit berührungslosen, optischen Messverfahren, durch die eine Beeinflussung der untersuchten Strömung vermieden wird.
Im ersten Testfall einer quer zur Rotationsachse überströmten und beheizten Bremsscheibe wird der Einfluss der Scheibenrotation auf eine turbulente Plattengrenzschicht und der resultierende Effekt auf die Kühlleistung untersucht. Ferner wird die Veränderung der Turbulenzstrukturen durch die Wärmeeinleitung an der Scheibenoberfläche beschrieben und die Auswirkung auf den konvektiven Wärmetransport aufgezeigt. Anhand der Messergebnisse wird nachgewiesen, dass sich die infolge der Scheibenrotation entstehenden Bereiche mit beschleunigter bzw. verzögerter Relativgeschwindigkeit weitestgehend kompensieren, so dass die mittlere konvektive Kühlleistung der Scheibe im Vergleich zu einer reinen Translationsströmung nur insignifikant zunimmt.
Im zweiten Testfall erfolgt eine Untersuchung der Bremsscheibenumströmung im Radhaus eines vereinfachten PKW-Halbmodells mit offenem Luftführungskanal zur gezielten Bremsenanströmung. Ein Radmodell mit Acrylglas-Laufflächen ermöglicht dabei trotz der eingeschränkten Zugänglichkeit zum Radhaus detaillierte Geschwindigkeitsmessungen im Nahfeld der Bremsscheibe. Neben einer Betrachtung der Bremsscheibenumströmung wird die globale Strömungstopologie im Radhaus analysiert. Es wird gezeigt, dass die für den konvektiven Wärmeübergang maßgebliche Umströmung der Bremsscheibe durch den im offenen Luftführungskanal gebildeten Luftstrahl dominiert wird. Dabei wird der Verlauf des Luftstrahls vom Ablöseverhalten an der inneren Reifenflanke bestimmt, welches wiederum maßgeblich durch den Abströmwinkel des Strahls am Austritt des offenen Luftführungskanals beeinflusst wird.