CN109278469A - 具有减少车轮轴承上的热负荷的隔热涂层的轮毂单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机动车辆的轮毂单元(10)并且涉及用于生产这种轮毂单元(10)的方法。轮毂单元(10)包含轮毂(12)和牢固地连接至轮毂(12)的接触凸缘(14)，该接触凸缘包含用于紧固轮辋的多个紧固元件(16)以及接触表面(20)，该接触表面(20)旨在当制动盘(30)处于安装状态时至少部分地与制动盘(30)的制动帽(32)机械接触。根据本发明，接触表面(20)的至少一部分装备有隔热涂层(28)。

Description

具有减少车轮轴承上的热负荷的隔热涂层的轮毂单元
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的机动车辆的轮毂单元。本发明进一步地涉及一种生产这种轮毂单元的方法。
背景技术
用于机动车辆的传统制动盘主要是通过机械加工——例如通过车削加工——由灰铸铁(GG15、GG25(DIN(德国工业标准)))或球磨铸铁(具有石墨球的铸铁：GGG60、GGG70(DIN))制成。根据现有技术提出用铝代替重灰铸铁材料是已知的。由于铝的低密度，制动盘的重量可以通过这种方式减少约50％。为了提供具有必要耐磨性的制动盘，已经提出使用具有硅含量高达20％至40％的铝合金，该铝合金与传统铝合金相比显著地提高了熔点。这种铝合金例如可以使用喷射成形生产。
可替代地，专利文件DE 10 2015 200 054 A1提出了一种生产用于车辆的制动盘的方法，在该方法中保护层设置在制动盘的基部构件上。基部构件是由铝或铝合金形成的。提出方法至少包含以下步骤：
-至少以坯料形式预先机械加工基部构件的摩擦表面；
-至少在制动盘的摩擦表面上将搪瓷涂层涂覆作为防腐蚀和/或抗磨层，以及
-后处理至少部分涂覆的基部构件，其中搪瓷涂层冶金地结合至基部构件的基底材料。
此外，专利文件US 3,390,750 A描述了用于湿式离合器和制动器的摩擦构件，该摩擦构件具有背衬构件以及至少一个涂覆于该背衬构件的具有至少50％的孔隙率的烧结、多孔和金属的摩擦衬片。在一示例性实施例中，通过这种措施，摩擦衬片硬化并且外摩擦表面的耐久性提高，其中这些外表面的硬化是通过将玻璃搪瓷涂层涂覆于纤维上而进行的。为了这个目的，一旦烧结的金属纤维的摩擦衬片已经牢固涂覆于背衬构件，搪瓷熔块以釉浆的形式涂覆于摩擦表面。摩擦构件接着被引入到熔炉中，该熔炉已经被充分地加热以使熔块熔化并且渗透到摩擦衬片的空腔中。
此外，专利文件US 2016/0025167 A1描述了具有基部构件的制动盘和用于生产这种制动盘的方法。方法可以包括使制动盘的基部构件的表面的至少一个或多个区域粗糙化，其中金属涂层至少在基部构件的表面的粗糙化的一个或多个区域形成为抗腐蚀和/或耐磨涂层。搪瓷釉浆至少在基部构件和制动帽的粗糙化的一个或多个区域之间的过渡区域中应用为防腐蚀涂层。涂覆的搪瓷釉浆被干燥。基部构件被加热以形成搪瓷涂层并且将金属涂层冶金地结合至基部构件。搪瓷涂层可以涂覆于陈述区域的内侧和外侧。
然而，陈述类型的制动盘也具有缺点。当执行比如例如被称为AMS(汽车与运动)测试这样的制动测试时，在从115km/h或甚至135km/h的速度反复地制动至停止之后在制动盘上测量到高于750℃的温度。铝或描述的铝合金具有比灰铸铁材料的热导率和扩散率高出许多倍的热导率λ和扩散率(c:比热容，ρ:密度)，使得在制动测试期间产生的摩擦热和温度不仅更迅速地消散在环境空气中，而且还消散至轮毂，制动盘通常安装在该轮毂上。这导致轴承润滑剂(这通常由轴承润滑脂形成)过热而损坏车轮轴承的风险，或确实损坏比如例如用于防抱死制动系统(ABS)等的传感器单元这样的电子元件。
根据指示的现有技术，轮毂单元的区域——该区域与铝或铝合金的制动盘结合使用——在散热方面仍有改进的余地。
发明内容
本发明的目的是提供轮毂单元，该轮毂单元可以与铝或铝合金制动盘结合持久、可靠、热兼容地操作。
根据本发明，该目的是通过具有权利要求1的特征的机动车辆的轮毂单元来实现的。该目的进一步地是通过根据权利要求8的用于生产这种轮毂单元的方法来实现的。各自从属权利要求公开了本发明的特别有利的配置。
应该注意的是在下面的描述中单独列出的特征和措施可以以任何所需的技术上方便的方式结合并且公开本发明的更多配置。此外，描述特别是连同附图一起表征并且给出本发明的细节。
根据本发明的机动车辆轮毂单元包含轮毂和牢固地连接至该轮毂的接触凸缘。接触凸缘包含用于紧固轮辋的多个紧固元件，以及在制动盘处于安装状态时旨在至少部分地与制动盘的制动帽机械接触的接触表面。根据本发明，接触表面的至少一部分装备有隔热涂层。
在由于反复驱动而变得非常热的制动盘上产生的摩擦热通过自然对流(当静止时)或强制对流(在气流中)、通过排放至周围环境或通过至由接触凸缘和轮毂形成的制动盘的支撑结构的热传导，而从该盘消散。通过各自的散热机构消散的热量的比例取决于热制动盘的温度、外部条件(静止、行驶)以及用于支撑结构的材料的热传导性质。
本发明是基于提高通过自然或强制对流以及通过排放至周围环境而消散的热量的比例并且减少通过借助于隔热涂层将提高的热阻引入到导热路径中的至支撑结构的热传导而消散的热量的比例的构思。
通过这种方式，经由导热路径消散至轮毂以及特别是消散至车轮轴承的轴承润滑剂的热量的量可以被减少并且可以有效地防止轴承润滑剂的过热。
为了本发明的目的，“车辆”特别地应该理解为意指私家车、卡车或公共汽车。
为了本发明的目的，特别应该采用词句“为了该目的提供”来意指专门为此设计或设置。
在轮毂单元的有利实施例中，装备有隔热涂层的部分包括轮毂的圆周表面的至少一部分和/或接触凸缘的圆环表面的至少一部分。由于制造公差，例如当在接触凸缘中或在制动盘的制动帽的结构中设置多个紧固元件时，制动盘在装配期间可以与轮毂的圆周表面接触和/或与接触凸缘的圆环表面接触。通过为这些表面提供隔热涂层，从制动盘至轮毂以及特别至车轮轴承的轴承润滑剂的导热路径的热阻可以进一步地增加并且通过至制动盘的支撑结构的热传导而消散的热量的比例可以进一步地被减少。
接触表面优选地完全装备有隔热涂层。
隔热涂层优选地采取搪瓷涂层的形式。通过这种方式，在制动盘的材料和轮毂的材料之间的界面处不产生局部元件的情况下，有效热阻可以引入到从制动盘至轮毂的导热路径中，使得可以在很大程度上防止腐蚀的形成。代替搪瓷涂层，可以使用其他隔热材料或工程材料。然而，这些替代品在大多数情况下不耐热并且也不硬。硬度是重要的，然而，事实上因为在凸缘处不允许压缩。
搪瓷可以——在不被限制的情况下——包含玻璃形成氧化物的熔融混合物，例如二氧化硅SiO2、氧化硼B2O3、氧化钠Na2O、氧化钾K2O、氧化锆ZrO2、氧化铜CuO和氧化铝Al2O3。此外，搪瓷可以包含硼砂、长石、氟化物、石英、碳酸钠和硝酸钠的部分。搪瓷可以包含比如例如氧化钴、氧化锰或氧化镍这样的至少一个进一步促进粘合的组成部分。钛或钼的氧化物可以另外用作搪瓷的遮光剂。搪瓷通常是通过应用720℃和900℃之间的温度而由干燥的搪瓷釉浆制成的。
搪瓷优选地包含约50％至80％的SiO2。
搪瓷包含约10％至30％的ZrO2是有利的。
搪瓷优选地包含范围从1％至10％的来自氧化物组B2O3、Al2O3、CuO和Na2O的至少一部分。
在一特别有利的实施例中，搪瓷包含约65％SiO2、5％B2O3、5％Al2O3、18％ZrO2、5％CuO和2％Na2O。
在有利的实施例中，隔热涂层具有介于范围在150μm和700μm之间——优选地在200μm和600μm之间以及特别优选地在250μm和500μm之间——的薄膜厚度。在薄膜厚度在该范围的情况下，可以防止由将制动盘紧固至轮毂以及制动盘紧固的随后松散所造成的隔热涂层的塑性变形。
隔热涂层优选地在高于350℃的温度下具有小于2.0W/(m.K)的热导率。通过这种方式，在用于可通过从制动盘至轮毂的热传导潜在消散热量的导热路径上实现与制动盘相比特别高的热阻。
在有利的实施例中，隔热涂层在高于350℃的温度下具有热扩散率(c:比热容，ρ:密度)，该热扩散率总计小于制动盘的材料的热扩散率的10％、优选地小于5％以及特别优选地小于2％。
在轮毂单元的优选实施例中，隔热涂层不含锑、镓、铟、钼、铪和铋并且不含稀土金属以及不含列出的化学元素的化合物。稀土金属包括化学元素钪、钇和镧、以及元素铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、以及镧之后的镥。上述元素被列入“具有战略意义的金属”之中。如果避免使用这些材料，则可以确保生产隔热涂层的材料在很大程度上不受限制地供应。
在轮毂单元的有利实施例中，由至少一种铝合金制成的制动盘提供用于至接触凸缘的可拆卸的牢固连接。为了本发明的目的，应该采用词句“可拆卸的牢固连接”来意指装配工可以使用工具可逆地建立和断开这种机械连接。在这种轮毂单元中，在没有冒通过轴承润滑剂过热而损坏车轮轴承或确实损坏传感器单元(例如ABS(防抱死制动系统))的风险的情况下，由铝合金制成的制动盘的上述优势可以充分地被利用。
特别地，由铝合金制成的制动盘可以包含超过10％——优选超过20％以及特别优选地超过30％——的硅部分。
本发明的另一方面提出一种用于生产根据本发明的轮毂单元的方法。根据本发明的该方法至少通过以下步骤区分：
-提供灰铸铁的轮毂坯料，
-通过机械加工生产接触凸缘的接触表面，
-通过用喷射材料喷射来处理接触表面，
-至少将搪瓷釉浆涂覆于接触表面的一部分，
-干燥搪瓷釉浆，以及
-将轮毂坯料加热至高于720℃的温度，以及
-通过机械加工至预先确定的最终尺寸完成轮毂单元。
根据本发明的方法可以有效地用于生产具有上述优势的轮毂单元。
附图说明
在从属权利要求和下面的附图描述中公开本发明的更多有利的配置，在附图中：
图1是来自没有制动盘的轮毂单元的上方的立体示意图，
图2是来自具有安装的制动盘的根据图1的轮毂单元的侧面的立体示意图，
图3是根据图2的轮毂单元的局部横向剖视图，以及
图4显示根据本发明的用于生产根据图1的轮毂单元的方法的流程图。
具体实施方式
相同的部分在不同的附图中总是提供相同的附图标记，由于这个原因它们通常只描述一次。
图1显示机动车辆的轮毂单元10的一个可能的实施例，该机动车辆采取私家车的形式，没有制动盘。轮毂单元10旨在在机动车辆的后轮轴的一端使用。
轮毂单元10包含轮毂12以及与轮毂12一体制成且因此通过材料粘合牢固地连接至轮毂10的环形接触凸缘14。接触凸缘14包含多个(五个)紧固元件16，该紧固元件16采取圆形通道开口的形式并且以均匀的角度间隔设置。螺柱(未示出)——轮辋(未示出)可以借助于该螺柱紧固至轮毂单元10——可以在向前的方向上(即朝向图1的观察者)通过圆形通道开口从后面插入。接触凸缘14进一步地装备有螺纹贯穿孔18，该贯穿孔18旨在接收用于将制动盘30固定在适当的位置的定心螺钉38(图2)。
参考图1，轮毂单元10在轮毂12的前部空心圆柱形端部使用轮毂固持螺母40以传统的方式固定至驱动轴(未示出)。
接触凸缘14包含接触表面20，该接触表面20包括接触凸缘14的向前指向的环形表面22以及接触凸缘14的圆环表面24以及邻接接触凸缘14的向前指向环形表面22的轮毂12的圆周表面26的一部分。
轮毂单元10进一步地包含由铝制成的制动盘30(图2)。制动盘30以本身已知的方式包含制动帽32和具有双边摩擦表面的摩擦环34，该摩擦环34以本身已知的方式被制动钳36和设置在其中的制动衬块(未示出)围绕夹紧。制动钳36在此情况下紧固至机动车辆的后转向节(不可见)。
制动帽32在后部具有大体上圆柱体开口的形状。圆柱体部分的前罩包含用于定心的中心通道开口以及五个紧固贯穿孔，该中心通道开口和紧固贯穿孔的直径和位置匹配接触凸缘14的圆形通道开口的直径和位置，使得制动盘30借助于螺柱提供至接触凸缘14的可拆卸的固定连接。此外，制动盘30在接触凸缘14中与定心螺钉38固定在一起。制动帽32例如完全是由具有材料编号EN AW-6061(AlMg1SiCu)的铝锻造合金制成。
摩擦环34完整无损地连接至制动帽32的边缘区域，该摩擦环34设置在圆柱体部分的后端部上并且例如主要由具有20％硅含量的铝合金AlSi20Fe5Ni2组成。
用于生产制动盘的铝合金的导热系数位于100-150W/(m·K)的范围内。
如图3所示，当制动盘30处于安装状态时，接触凸缘14的接触表面20至少部分地与制动盘30的制动帽32机械接触。
当然也可以使用其他制动盘或紧固过程。本发明的核心在于至少减少从制动器传递至车轮轴承的热量。
接触凸缘14的整个接触表面20(图1和3)装备有隔热涂层28。隔热涂层28采取搪瓷涂层的形式并且具有450μm的薄膜厚度。在高于350℃的温度下，搪瓷涂层具有小于2.0W/(m.K)的导热系数。
为了生产，慎重地选择材料使得隔热涂层28不含锑、镓、铟、钼、铪和铋并且不含稀土金属以及不含列出的化学元素的化合物。
从图3显而易见的是，可以通过热传导消散的制动盘30的摩擦环34中产生的摩擦热的比例沿着导热路径流动，该导热路径从摩擦环34引入到制动帽32中并且从那里或者经由接触凸缘14通过隔热涂层28或者直接至轮毂12中。
由于比较低的导热系数，隔热涂层28提供热阻，与没有隔热涂层28的配置相比，通过该热阻通过热传导消散的摩擦热的比例减少。通过这种方式，轮毂12以及特别是连接至其的车轮轴承以及包含在该轴承中的润滑剂有效地被防止过热。温度差是通过由自然或强制对流消散的摩擦热的比例以及由热辐射消散的摩擦热的比例的增加来补偿的。
在瞬态(非稳定状态)热传递过程的情况下，如例如在用最初冷却制动盘紧急制动的情况下预期的，隔热涂层28引起从由制动操作加热的制动盘30至轮毂12或车轮轴承的较慢的热量传播，归因于与制动盘30的材料相比其低的热扩散率
在下面描述根据本发明的用于生产轮毂单元10的方法的一个可能的实施例。方法的流程图在图4中显示。在方法的描述中指示物体的附图标记适用于图1至3。
在方法的第一步骤42中，提供灰铸铁的轮毂坯料。在下一步骤44中，通过机械加工——也就是通过车削加工——生产接触凸缘14的接触表面20。接着，在另一步骤46中，例如通过钻削生产接触凸缘14中的通道开口16。
接下来的步骤48是通过用喷射材料喷射来处理接触表面20，使得接触表面20为具有搪瓷的随后涂层作准备。
在另一步骤50中，搪瓷釉浆涂覆于整个接触表面20并且在随后的步骤52中被干燥。在另一步骤54中，轮毂坯料在合适的熔炉中加热至850℃的温度达几分钟，从而在接触表面20上发生玻璃化。在冷却之后，在方法的另一步骤56中通过机械加工至预先确定的最终尺寸完成轮毂单元10。
附图标记列表
10 轮毂单元
12 轮毂
14 接触凸缘
16 紧固元件
18 螺纹贯穿孔
20 接触表面
22 接触凸缘的表面
24 接触凸缘的圆环表面
26 轮毂的圆周表面
28 隔热涂层
30 制动盘
32 制动帽
34 摩擦环
36 制动钳
38 定心螺钉
40 轮毂固持螺母
方法步骤：
42 提供轮毂坯料
44 生产接触凸缘的接触表面
46 生产通道开口
48 通过用喷射材料喷射来处理接触表面
50 涂覆搪瓷釉浆
52 干燥搪瓷釉浆
54 将轮毂坯料至少加热至720℃达几分钟
56 完成轮毂单元

Claims (12)

1.一种用于机动车辆的轮毂单元(10)，所述轮毂单元(10)包含：
-轮毂(12)，
-牢固地连接至所述轮毂(12)的接触凸缘(14)，所述接触凸缘包含用于紧固轮辋的多个紧固元件(16)以及接触表面(20)，所述接触表面(20)旨在当制动盘(30)处于安装状态时至少部分地与所述制动盘(30)的制动帽(32)机械接触，
其特征在于
所述接触表面(20)的至少一部分装备有隔热涂层(28)。
2.根据权利要求1所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
装备有所述隔热涂层(28)的所述接触表面(20)的所述一部分包括所述轮毂(12)的圆周表面(26)的至少一部分和/或所述接触凸缘(24)的圆环表面(24)的至少一部分。
3.根据权利要求1或2所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述隔热涂层(28)采取搪瓷涂层的形式。
4.根据权利要求3所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述搪瓷涂层包含约50％至80％的SiO2。
5.根据权利要求3或4所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述搪瓷涂层包含约10％至30％的ZrO2。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述搪瓷涂层包含范围从1％至10％的来自氧化物组B2O3、Al2O3、CuO和Na2O的至少一小部分。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述搪瓷涂层包含约65％SiO2、5％B2O3、5％Al2O3、18％ZrO2、5％CuO和2％Na2O。
8.根据上述权利要求中任一项所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述隔热涂层(28)具有介于范围在150μm和700μm之间的薄膜厚度。
9.根据上述权利要求中任一项所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述隔热涂层(28)在高于350℃的温度下具有小于2.0W/(m.K)的导热系数。
10.根据上述权利要求中任一项所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
所述隔热涂层(28)不含锑、镓、铟、钼、铪和铋并且不含稀土金属以及不含列出的化学元素的化合物。
11.根据上述权利要求中任一项所述的轮毂单元(10)，
其特征在于
由至少一种铝合金制成的所述制动盘(30)提供用于至所述接触凸缘(14)的可拆卸的牢固连接。
12.一种用于生产特别如上述权利要求中任一项所述的轮毂单元(10)的方法，
包含至少以下步骤：
-提供灰铸铁的轮毂坯料(42)，
-通过机械加工生产所述接触凸缘(14)的所述接触表面(20)(44)，
-至少通过用喷射材料喷射来处理所述接触表面(20)(48)，
-至少将搪瓷釉浆涂覆至所述接触表面(20)的一部分(50)，
-干燥所述搪瓷釉浆(52)，以及
-将所述轮毂坯料加热至高于720℃的温度(54)，以及
-通过机械加工至预先确定的最终尺寸完成由所述轮毂坯料组成的所述轮毂单元(10)(56)。
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