Analysis of Heat Crack Formation in Brake Discs for Heavy-Duty Vehicles

Heat cracks in brake discs are a frequent problem during development of brake systems for heavy-duty vehicles since their occurrence cannot be predicted. Earlier works have focused on the influence of the brake pad and the brake disc material on heat crack formation. However, these influences vary strongly during series production and no profound causal model explaining the heat crack formation is available. Primary objective of this work is the analysis of influences on heat crack formation in order to explain crack formation by an extended causal model. Accordingly, a series of experiments is conducted with five different brake discs on the dynamometer. While keeping brake pad composition and brake disc material steady, cooling channel geometry of the ventilated brake discs is varied for characterisation of this previously insufficiently examined influence. A profound experimental setup allows for continuous observation of brake disc surface temperature and disc deformation as well as for automatic capturing of lengths of all cracks on the disc after each braking cycle. The experimental series is complemented by material investigations and a Finite Element model. Experimental evaluation is done based upon experimental hypotheses, which in turn are formulated based on the state of science and technology. Key finding is the fact that cooling channel geometry directly and indirectly influences crack formation. On the one hand, cooling channel pins cause extrusions on the friction surface, leading to stress peaks and finally guide crack paths. Consequently, cracks grow faster through radially aligned cooling channel pins in contrast to radially slightly staggered pins. Furthermore, variation of cooling channel pin arrangement in circumferential direction distorts evolution of harmonic waviness of the friction ring and therefore evolution of hotspots. Hotspots cause surface near microstructural transformations and define crack initiation zones. In contradiction to findings of previous studies, local presence of a hotspot is not required for propagation of open cracks. In fact, a convex deformation of the friction ring is sufficient for locally intensified crack growth. Finally, formation of a through-thickness crack reaching the cooling channel causes strongly convex deformation of the friction ring at the respective position, which intensifies load over again. State of science and technology is extended and specified. Experimental methodology and gathered findings on the influence of brake disc geometry on the heat crack formation merits special mention.

Hitzerisse in Bremsscheiben stellen ein häufiges Problem bei der Entwicklung von Bremssystemen für schwere Nutzfahrzeuge dar, da ihr Auftreten bisher nicht vorhergesagt werden kann. Frühere Arbeiten haben sich mit dem Einfluss des Bremsbelags und des Bremsscheibenmaterials auf die Hitzerissbildung beschäftigt. Allerdings streuen diese Einflussfaktoren in der Serie stark und es besteht keine umfassende Modellvorstellung, die die Hitzerissbildung erklärt. Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung der Einflüsse auf die Hitzerissbildung, um mithilfe eines erweiterten Wirkmodells die Rissbildung detailliert zu erklären. Dazu wird eine Versuchsreihe auf dem Schwungmassenprüfstand an fünf verschiedenen Bremsscheiben durchgeführt. Unter Beibehaltung der Bremsbelagzusammensetzung und Bremsscheibenlegierung wird die Kühlkanalgeometrie der belüfteten Bremsscheiben variiert, um diesen bisher unzureichend untersuchten Einflussfaktor zu charakterisieren. Ein umfassender Messtechnikansatz erlaubt die kontinuierliche Beobachtung von Scheibenoberflächentemperatur und Scheibenverformung sowie die automatisierte Erfassung der Längen sämtlicher Risse auf der Scheibe nach jedem Bremszyklus. Die Versuchsreihe wird durch Werkstoffuntersuchungen sowie ein Finite-Elemente-Modell ergänzt. Die Auswertung der Versuche folgt Untersuchungshypothesen, die auf Basis der mithilfe des Stands der Technik formulierten Forschungsfragen gebildet sind. Zentrale Erkenntnis ist, dass die Kühlkanalgeometrie die Rissbildung direkt und indirekt beeinflusst. Zum einen verursachen die Kühlkanalstege Extrusionen an den Reibflächen, die zu Spannungsspitzen führen und schließlich die Risspfade beeinflussen. Damit wachsen Risse schneller durch radial fluchtend angeordnete Kühlkanalstege hindurch als durch leicht versetzte. Weiterhin wird durch Variation der Kühlkanalsteganordnung in Umfangsrichtung die harmonische Verwellung des Reibrings und damit die Bildung von Hitzeflecken auf der Bremsscheibe gestört. Hitzeflecken verursachen oberflächennahe Gefügeumwandlungen und definieren Rissinitiierungszonen. Entgegen den Aussagen früherer Studien ist zum Risswachstum geöffneter Risse allerdings nicht das lokale Auftreten eines Hitzeflecks erforderlich. Letztlich ist bereits eine konvexe Verformung des Reibrings ausreichend, um lokal verstärktes Risswachstum hervorzurufen. Schließlich bedingt die Ausbildung eines Durchrisses zum Kühlkanal, dass der Reibring an der jeweiligen Stelle sich stark konvex verformt, was die Beanspruchung nochmals verstärkt. Der Stand der Technik wird durch diese Arbeit erweitert und präzisiert. Hervorzuheben ist die experimentelle Untersuchungsmethodik und die damit gewonnenen Erkenntnisse über den Einfluss der Bremsscheibengeometrie auf die Hitzerissbildung.