DE10118920C1

DE10118920C1 - Reibscheibe

Info

Publication number: DE10118920C1
Application number: DE10118920A
Authority: DE
Inventors: Moritz Bauer; Bodo Benitsch; Martin Dr Christ; Udo Gruber; Michael Dr Heine; Andreas Dr Kienzle; Jens Rosenloecher; Rainer Dr Zimmermann-Chopin
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: JP2002372083A; EP1251289A3; US7219776B2; US20020153214A1; JP3947033B2; EP1251289A2; ATE352729T1; EP1251289B1; DE50209323D1

Abstract

Reibscheibe, insbesondere eine Brems- oder Kupplungsscheibe, aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Keramik-Verbundwerkstoff, mit mindestens einer als Reibfläche ausgebildeten Deckfläche, wobei mindestens ein Teil der Reibfläche aus einem anderen Werkstoff, insbesondere aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff, besteht, und dieser andere Werkstoff eine geringere Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit aufweist als der der restlichen Reibfläche und der Tragzone der Reibscheibe und durch den im Vergleich höheren Verschleiß ein optisches, akustisches oder mechanisches Signal unter Betriebsbedingungen ergibt, das vor dem Überschreiten der Lebensdauer der Reibscheibe warnt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibscheibe, insbesondere eine Brems- oder Kupplungsscheibe, aus mit kohlenstoffhaltigen Fasern verstärktem keramischem Verbundwerkstoff mit mindestens einer als Reibfläche ausgebildeten Deckfläche.

Der Einsatz von Verbundwerkstoffen in Reibscheiben für Bremsenanwendungen ist aus dem Luftfahrtbereich und dem Bereich der Rennfahrzeuge bekannt. Sie bieten den Vorteil guter tribologischer Eigenschaften bis zu höchsten Belastungen und Temperaturen. Technisch bewährt sind hierbei Materialien aus mit Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoff-Werkstoffen (CFC). In der neuesten Generation von Werkstoffen für Reib- und Bremsscheiben werden faserverstärkte Keramik- Materialien mit Matrices insbesondere auf der Basis von Silicium, Siliciumcarbid und Kohlenstoff oder deren Mischungen mit anderen Matrix-Werkstoffen eingesetzt. Die weit verbreitete Verwendung von. Kohlenstoff oder Graphitfasern in Verbindung mit Matrixwerkstoffen, die Mischungen von Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff sind, führt zu den sogenannten "C/SiC-Werkstoffen", die beispielsweise in der Patentanmeldung DE-A 197 10 105 beschrieben sind. Reibscheiben und insbesondere Bremsscheiben weisen im allgemeinen zwei Zonen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften und Zusammensetzung auf, die durch das unterschiedliche Anforderungsprofil bestimmt werden. Für C/SiC-Werkstoffe wird ein geeigneter Aufbau beispielsweise in der DE-A 44 38 456 beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wererkstoffe und Reibscheiben aus diesen Werkstoffen ist in der DE-C 44 38 455 beschrieben. Die obenliegende und dem Verschleiß ausgesetzte Zone ist die sogenannte Reibfläche, die sich durch die besonderen Reib- und Verschleißeigenschaften auszeichnet. Das darunterliegende Material bildet die sogenannte Tragzone, deren Aufgabe im wesentlichen darin besteht, die Reibkräfte aufzunehmen und an die Fixierung der Reibscheibe weiterzuleiten, sowie die Reib- oder Bremsenergie aufzunehmen und abzuleiten. Obwohl sich die C/SiC-Werkstoffe durch eine hohe Temperaturbeständigkeit über 1000°C sowie hohe Verschleißbeständigkeit auszeichnen, kann im Langzeiteinsatz unter den Anwendungsbedingungen ein oxidativer (chemische Veränderung der Oberfläche und/oder der darunterliegenden Schichten) und tribologischer Verschleiß (Abrieb) auftreten.

Den CFC- und auch den C/SiC-Materialien ist gemeinsam, daß sie Kohlenstoff in Faserform und/oder in der Matrix enthalten, wobei dieser bei den unter Anwendungsbedingungen im Dauereinsatz auftretenden Temperaturen einer merklichen Oxidation ausgesetzt ist. Durch den Abbrand des Kohlenstoffs wird das Gefüge geschwächt und die Festigkeit verringert. Die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes werden keramikähnlicher, was besonders durch eine Abnahme der Bruchzähigkeit gekennzeichnet ist. Diese Schwächung ist besonders für die Funktion der Tragzone sehr nachteilig, da ein Materialversagen im Bereich der Fixierungen von Brems- oder Reibscheiben zu einem Totalversagen der Konstruktion führen kann. Dies ist um so bedeutender, da Keramikwerkstoffe als typisches Versagensmuster einer mechanischen Überbeanspruchung ein Sprödbruchverhalten aufweisen. Bei Überbeanspruchung findet daher im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise bei Graugußbremsscheiben, kein plastisches Fließen und keine Deformation mehr statt, sondern ein katastrophaler Bruch.

Der abrasive Verschleiß in Bremssystemen wird üblicherweise gemessen, indem elektronische Sensoren in den den Reibringen gegenüberliegenden Reibbelägen angebracht werden, wie beispielsweise in der US-A 4 298 857 beschrieben. Hier sind elektrische Kontakte in die Reibfläche integriert, die durch den Materialabtrag unterbrochen werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß sich derartige Sensoren nicht mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand in die Reibscheibe selbst integrieren lassen. Auch hinsichtlich der in den Reibscheiben auftretenden Anwendungstemperaturen, die bis über 1000°C betragen können, sind elektronische und elektrische Systeme in den Reibscheiben kaum zu verwirklichen. Eine andere Methode, den abrasiven Verschleiß der Reibfläche anzuzeigen, sind in die Reibfläche eingelassene Vertiefungen, die durch den anwendungsgemäßen Materialabtrag der gesamten Reibfläche unkenntlich werden, wie zum Beispiel in EP-A 0 985 845 beschrieben. Beide Systeme zeigen jedoch nur den Verschleiß der Reibzone, aber nicht den Zustand des oxidativen Verschleißes der Tragzone an und sind damit ungeeignet für Aussagen über die mechanischen Eigenschaften des beanspruchten Systems. Aus der DE-A 196 52 798 sind Reibeinheiten bekannt, die aus einem Formkörper und einem Reibkörper bestehen, wobei der Formkörper eine in der Richtung der Flächennormalen höhere Wärmeleitung aufweist als die Reibfläche. Aus der DE-A 195 38 144 sind verschleißende Bauteile insbesondere für Anlagen und Maschinen in der Schrott-, Sperrmüll- und Abfallaufbereitung bekannt, die mindestens ein Element aufweisen, mit dem der Verschleißzustand relativ zum Ausgangszustand erfaßt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Reibscheibe mit mindestens einem Element zu versehen, welches in der Lage ist den, Verschleißzustand der Reibscheibe optisch, akustisch oder auf andere Weise für den Benutzer bemerkbar zu machen, bevor eine Schwächung und Beeinträchtigung der Funktion der Tragzone insbesondere durch oxidativen Verschleiß eintritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Reibscheibe, insbesondere eine Brems- oder Kupplungsscheibe aus mit Kohlenstoffasern (auch als C-Fasern bezeichnet) verstärktem Keramik- Verbundwerkstoff A, mit mindestens einer als Reibfläche ausgebildeten Deckfläche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Reibfläche (ein Flächenelement) aus einem anderen Werkstoff B, insbesondere aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff, besteht, wobei dieser andere Werkstoff B eine geringere Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit aufweist als der Werkstoff A der restlichen Reibfläche und der Tragzone der Reibscheibe, und wobei bei einem durch Verschleiß oder Oxidation hervorgerufenen Masseverlust von 50% der Masse des Sensors die Auswuchtgüte des Systems erkennbar verändert ist.. Bevorzugt ist das Matrixmaterial des Werkstoffs A eine Mischung von Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff.

Der Unterschied der Beständigkeit zwischen dem Werkstoff B dieses Flächenelements und dem Werkstoff A der Reibscheibe und/oder Tragzone wird so gewählt, daß sich der Verschleiß im Bereich des als Sensor wirkenden Flächenelementes im Betrieb optisch, akustisch oder anderweitig für den Betreiber bemerkbar macht, bevor die übrige Reibscheibe, inklusive der Tragzone, ihrerseits deutlich erkennbaren Verschleiß aufzeigt. Die aus dem Werkstoff B geringerer Beständigkeit ausgeführten Flächenelemente können zur Vermeidung von Unwuchten im unverschlissenen Zustand bevorzugt symmetrisch bezüglich der Rotationsachse angeordnet werden, wobei mindestens zwei derartige Flä chenelemente in die Reibscheibe integriert werden. Die Flächenelemente können polygonal, stern förmig, ellipsenförmig oder bevorzugt kreisförmig ausgeführt werden.

In die Reibfläche oder an anderen geeigneten Positionen der Reibscheibe sind somit Flächenelemente oder flächige Sensoren eingelassen, deren oxidativer Verschleiß schneller fortschreitet als der für den Rest der Reibfläche der Scheibe. Der Verschleiß der flächigen Sensoren macht sich optisch, akustisch oder mechanisch bemerkbar. Die Reibscheibe kann dann ausgewechselt oder nachbearbeitet werden, bevor sie selbst, das heißt insbesondere die Tragzone, einen deutlich erkennbaren Verschleiß oder oxidative Schädigung zeigt. Die flächigen Sensoren bestehen bevorzugt aus kohlenstofthaltigen und/oder graphitischen Werkstoffen, die eine geringere Oxidationsbeständigkeit aufweisen als die Reibfläche und die Tragzone. Die durch den Bremsvorgang verursachte Erhitzung der Reibscheibe führt zu einem allmählichen oxidativen Angriff auf die gegen Oxidation empfindlichen Werkstoffe, insbesondere die Kohlenstoffstrukturen (Kohlenstoff-Fasern und Kohlenstoff-Partikel oder -Bereiche in der Matrix). Dadurch werden die flächigen Sensoren oberflächlich abgebaut und erhalten ein rau hes, poröses oder löchriges Aussehen. Diese Veränderung der Konsistenz und/oder Oberflächenmor phologie kann beispielsweise durch eine einfache Sichtprüfung festgestellt werden. Werden die Sen soren an den inneren Oberflächen der Reibscheibe angebracht, zum Beispiel in Kühlkanälen oder Stirnflächen, die einer einfachen Sichtprüfung nicht zugänglich sind, so kann die vollständige Zerset zung des Sensorkörpers als Verschleiß-Indikation herangezogen werden. Der Sensor ist dann so aus gelegt, daß durch vollständige Zersetzung seines Materials eine ungleichmäßige Massenverteilung innerhalb der Reibscheibe erzeugt wird, die sich durch Unwucht, verminderte Laufruhe oder Vibra tionen bemerkbar macht. Das Fehlen von Volumenelementen durch vollständige Zersetzung eines Sensorkörpers kann sich auch durch ein verändertes Fahr- oder Bremsgeräusch bemerkbar machen.

Die Integration derartiger Sensoren erfolgt in einem kostengünstigen Verfahrensschritt während der Fertigung der Reibscheibe aus faserverstärktem keramischen Verbundwerkstoff oder C/SiC.

Als Werkstoff A für die Reib- und für die Tragscheibe werden insbesondere über Flüssiginfiltration mit Silicium von Kohlenstoff-haltigen Werkstoffen und nachfolgende Reaktion mit dem Silicium hergestellte C/SiC-Werkstoffe bevorzugt, obwohl auch andere faserverstärkte Keramikwerkstoffe geeignet sind.

Die Sensoren können in dem bevorzugten Fall der Verwendung von CSiC-Werkstoffen für die Reib scheibe als Vorkörper in die Reibscheibe vor der Silicierung eingebracht und dann gemeinsam mit der Reibscheibe dem Silicierungsschritt unterworfen werden. Als Werkstoff für die Vorkörper der Senso ren werden Kohlenstoff-Werkstoffe unterschiedlicher Ordnungsgrade und Provenienz eingesetzt. Bevorzugt als Kohlenstoffmaterial sind Graphite, insbesondere Feinkorngraphit, Graphitprodukte, C-Fasern in Form von Geweben, Geflechten, Vliesen oder Matten, CFC-Material, verkokte Hölzer und Kohle. Besonders bevorzugt sind Graphite, C-Fasermatten und CFC-Material. Als weitere Be standteile der Vorkörper der Sensoren können Oxide, Nitride, Silicide und Carbide enthalten sein, die die Reaktivität der Kohlenstoffmaterialien gegenüber der Siliciumschmelzinfiltration und der anwen dungsgemäßen Oxidation günstig beeinflussen. Besonders bevorzugt sind Bornitrid und Aluminium oxid. Dabei wird die Zusammensetzung der Vorkörper so eingestellt, daß der Werkstoff B der Senso ren nach der Infiltration und Reaktion bevorzugt einen Kohlenstoffgehalt (Massenanteil) von über 40%, bevorzugt über 60% und besonders bevorzugt über 90% aufweist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung werden für die Herstellung von Reibscheiben aus C/SiC die Vorkörper der Sensoren vor der Siliciuminfiltration und nachfolgende Reaktion (Silicierung) in hier für vorgesehene Aussparungen (Vertiefungen oder Bohrungen) des mit Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoff-haltigen Vorkörpers oder die CFC-Form der Reibscheibe eingelegt oder eingeklebt. Als Kleber werden Mischungen verwendet, die insbesondere aus Kohlenstoffwerkstoffen und pyrolysier baren Bindern bestehen, die sich silicieren lassen. Im Prinzip können aber auch alle anderen für das Verkleben von Keramik geeigneten Kleber verwendet werden, deren Klebwirkung durch die Silicie rung nicht verlorengeht. Danach wird das Material mit flüssigem Silicium infiltriert, wobei sich der C/SiC-Werkstoff ausbildet und die Sensorelemente fest mit der Reibscheibe verbunden werden. Auch das Kohlenstoffmaterial der Sensoren wird dabei teilweise mitsiliciert und teilweise zu SiC umgesetzt. Hierdurch wird auch das Verschleiß- und Oxidationsverhalten der Sensoren verändert.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist daher die Wahl der geeigneten Zusammensetzung der Vor körper für die Sensoren, so daß sich nach der Silicierung die der Aufgabe der Reibscheibe gemäße entsprechend verminderte Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit des Sensors einstellt. Bei der geometrischen Ausführung der Sensoren sind im Prinzip nur die Funktion der Reibfläche und der Tragzone sowie der gewünschte Indikationsmechanismus als beschränkende Faktoren zu berücksich tigen. Ist ein Sensor mit rein optischer Indikation zur Durchführung von Sichtprüfungen vorgesehen, so ist dieser auf der Reibfläche der Reibscheibe unterzubringen. Unter Reibfläche ist die gesamte Deck- und Bodenfläche der (zylindrischen) Reibscheibe, nicht nur die dem Reibpartner gegenüberlie gende Fläche zu verstehen. Die erfindungsgemäße Plazierung der flächigen Sensoren ist daher nicht auf die der Reibung ausgesetzte Zone der Reibfläche beschränkt. Erfindungsgemäß kann die Fläche der Sensoren so groß und auf solche Weise ausgeformt werden, daß die Reibwirkung der Reibfläche nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Üblicherweise ist die Oberfläche eines als Sensor wirkenden Flächenelements größer als 0,1% der Oberfläche der Reibfläche, bevorzugt größer 1% und besonders bevorzugt 2 bis 20%. Dabei ist es auch möglich, mehrere gleichartige oder verschiedene Sensorele mente einzusetzen, wobei sich die gesamte Sensorfläche entsprechend erhöht. Die geometrische Aus führung der Sensorfläche kann nahezu beliebig erfolgen, wobei nur darauf zu achten ist, daß genü gend große Flächenbereiche entstehen, so daß eine Sichtprüfung möglich ist. Häufig werden die Sen soren in Kreisform oder in quadratischer oder trapezoider Form ausgeführt. Bevorzugt ist auch eine Ausführung in Form von Buchstaben und Piktogrammen. Die Dicke der Sensor-Elemente ist im we sentlichen durch die Funktion der Tragzone bestimmt. Läßt die Festigkeitsverteilung der Tragzone dies zu, so kann der Sensor auch von einer Oberfläche der Reibscheibe bis zur anderen durch die Tragzone hindurchreichen. Erfindungsgemäß wird hierzu kein flächiger, sondern ein stabförmiger Sensor eingesetzt. Üblicherweise liegt die Dicke der flächigen Sensoren bei unter 100% der Dicke der Reibscheibe, bevorzugt bei unter 51% und besonders bevorzugt bei unter 10%. Für Reibscheiben mit Reibschicht liegt die Dicke des Sensors üblicherweise beim 0,1 bis 10-fachen der Dicke der Reib schicht, bevorzugt beim ca. 1-fachen. In einer weiteren Ausführung wird eine stabförmige Variante eingesetzt, bei der der Sensor von einer Oberfläche der Reibscheibe bis zur anderen hindurchreicht. Die Länge des stabförmigen Sensors beträgt üblicherweise 80 bis 100% der Dicke der Reibscheibe, bevorzugt 90 bis 100% und besonders bevorzugt ca. 100%. In jedem Fall führt der Abtrag der Senso roberfläche zumindest zu einer optischen Indikation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Sensoren in die fertige mit Aussparungen versehene Reibscheibe eingelegt und befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Lö ten. Wird als Werkstoff für die Reibscheibe C/SiC verwendet, so wird erst nach der Fertigstellung der C/SiC-Reibscheibe, das heißt nach der Flüssigsilicierung, in die Oberfläche eingeklebt. Hier wird dasselbe Material wie oben beschrieben für die Sensoren eingesetzt, das Sensorelement (Werkstoff B) weist hier ebenfalls bevorzugt einen Massenanteil an Kohlenstoff von mindestens 40% auf. Gegen über der Variante, die Sensoren gemeinsam mit dem Vorkörper der Reibscheibe zu silicieren, hat dies den Vorteil, daß die Festigkeit der Klebeverbindung in einfacher Weise den Erfordernissen der Sen sorwirkung angepaßt werden kann. Als Kleber werden Mischungen verwendet, die insbesondere aus Kohlenstoffwerkstoffen und pyrolysierbaren Bindern bestehen. Im Prinzip können aber auch alle an deren für das Verkleben von Keramik geeigneten Kleber verwendet werden. In einer besonders vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Klebeverbindung so schwach ausgelegt, daß der Sen sor bei der zu indizierenden Laufleistung der Reibscheibe aus der Verankerung teilweise oder ganz herausfällt. Hierdurch kann neben der optischen Indikatorwirkung auch eine mechanische Wirkung erzielt werden. Bei geeigneter Größe und Positionierung des Sensors wird durch das Ausbrechen des Sensors eine Unwucht erzeugt, die zu Vibrationen beim anwendungsgemäßen Einsatz der Reibschei be führt. Die Fläche der Sensoren sollte nur so groß gewählt werden, daß die Reibwirkung der Reibfläche nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Üblicherweise ist die Oberfläche des Sensors auch hier größer als 0,1% der Oberfläche der Reibfläche, bevorzugt 1 bis 5% und besonders bevorzugt 2 bis 15%. Die Dicke der Sensoren kann auch hier von wenigen Prozent der Dicke des Reibscheibe, zum Beispiel 2%, bis zu 100% der Dicke der Reibscheibe reichen. Üblicherweise liegt die Dicke der flä chigen Sensoren in dieser Ausführungsform bei unter 100% der Dicke der Reibscheibe, bevorzugt bei unter 51% und besonders bevorzugt bei unter 10%. In einer weiteren Ausführung kann auch hier eine stabförmige Variante eingesetzt werden, bei der der Sensor von einer Oberfläche der Reibscheibe bis zur anderen hindurchreicht. Die Länge des stabförmigen Sensors beträgt ebenfalls üblicherweise 80 bis 100% der Dicke der Reibscheibe, bevorzugt 90 bis 100% und besonders bevorzugt ca. 100%. Die se Ausführungsform der Erfindung ist naturgemäß nicht auf C/SiC-Werkstoffe beschränkt, sondern erlaubt die Kombination beliebiger Paare von Werkstoffen A für Reibfläche (und Tragzone) und Werkstoffen B für die Sensor-Körper, soweit die Bedingung der verminderten oxidativen oder Ab rieb-Beständigkeit für den Werkstoff B der Sensorelemente im Vergleich zum Werkstoff A der Reib fläche oder der Tragzone erfüllt ist.

Die Idee der Erfindung umfaßt auch Ausführungen, bei denen sich die flächigen Sensoren an der Stirnfläche oder auch auf der inneren Oberfläche innenbelüfteter Scheiben befinden. Dabei ist es nur notwendig, daß ein ungehinderter Luftzutritt zur Auslösung des oxidativen Verschleißes stattfinden kann und die Indikationswirkung des Sensors eintreten kann. Im Falle der Anbringung des Sensors auf der Stirnfläche der Scheibe oder innerhalb der innenbelüfteten Scheibe tritt die optische Wirkung des Sensors in den Hintergrund. Als zusätzlicher Indikationsmechanismus kann daher das Volumen und die Geometrie des Sensors so gewählt werden, daß sich der Verschleiß des Sensors akustisch oder mechanisch bemerkbar macht. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Sensor nicht nur oberflächlich, sondern ganz oder teilweise ausbrennt und durch die veränderte Volumen- bzw. Mas senverteilung innerhalb der Reibscheibe im Betrieb Unwucht oder Vibrationen erzeugt, oder zu einem ungleichmäßigen Reibverhalten, dem sogenannten Rubbeln führen. Diese Erscheinungen können dann als Indikationswirkung des Sensors herangezogen werden.

Die Sensorelemente werden hierzu in vorteilhafter Weise so in der Reibscheibe angebracht, daß bei einem durch Verschleiß oder Oxidation hervorgerufenem Massenverlust von 50% der Masse der Sensoren die entstehende (statische) Unwucht die Auswuchtgüte des Systems, in das die Reibscheibe integriert ist, soweit verschlechtert, daß sie durch den Benutzer durch eine Veränderung des Fahrver haltens erkannt werden kann. Dies kann durch entsprechendes Versetzen der Sensorelement gegen die Drehachse oder durch das Einbringen mehrere Sensorelemente sichergestellt werden. Die Auswucht güte ist wie üblich definiert durch das Produkt der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Reibschei be und ihrer statischen Unwucht, dividiert durch die Masse der Reibscheibe. Dabei ist bei der Festlegung der Massen zu beachten, daß bei 100% Massenverlust der Sensoren die entstehende Unwucht die Funktionsfähigkeit des Systems nicht beeinträchtigt.

Üblicherweise liegt die Masse eines Sensor-Elements mindestens im Bereich von ca. 10 bis 12 g bei einer Masse der Reibscheibe von ca. 3 kg, also mindestens ca. 0,3% der Masse der Reibscheibe.

In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Reibscheibe 1 mit verschiedenen Sensorelementen 2a bis 2e,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Reibscheibe 1 mit verschiedenen diskreten Ausführungsformen von Sensorelementen 2e bis 2i, und

Fig. 3 einen Draufsicht auf eine Reibscheibe mit einem ellipsenförmigen Sensorelement 2j.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Reibscheibe 1, in die verschiedene Sensorelemente 2a und 2b in der Oberfläche der Reibscheibe eingelassen sind bzw. stäbchenförmige Sensoren 2c, 2d und 2e, die parallel oder geneigt zur Drehachse der Reibscheibe sein können, durch die gesamte Dicke der Reib scheibe reichen. Das Sensorelement 2e durchsetzt hierbei den Kanal einer innenbelüfteten Brems scheibe. Beide Ausführungen von Sensorelementen können auf beide beschriebenen Arten einge bracht werden, einerseits Einbetten des Sensor-Vorkörpers in die Kohlenstoff-haltige Keramik, und anschließend gemeinsames Infiltrieren mit flüssigem Silicium, oder andererseits Einkleben eines Sen sor-Körpers in die (z. B. fertig silicierte C/SiC-) Reibscheibe.

Fig. 2 zeigt eine Reibscheibe 1 in Draufsicht mit verschiedengestaltigen Sensoren 2e bis 2h sowie einer Ausführung der Sensorelement in Form einer Beschriftung 2i. Selbstverständlich ist bei der praktischen Ausführung darauf zu achten, daß die Markierungszonen mehrerer Sensoren rotations symmetrisch (zumindest zweizählige Symmetrieachse als Drehachse) um die Achse angeordnet sind. bevorzugt werden solche Anordnungen der Flächenelemente der Sensoren, die eine zweizählige, drei zählige, vierzählige oder sechszählige Symmetrieachse bezüglich der Drehachse der Reibscheibe aufweisen.

Fig. 3 zeigt eine Reibscheibe 1 in Draufsicht mit einem ellipsenförmigen Sensorelement 2j.

Sobald ein Sensor eine derart große Fläche (im Fall 2h und 2j) einnimmt, kann er nur in die Oberflä che eingelassen werden. In den gezeigten Fällen wäre sonst eine einstückige Fertigung der Reibscheibe unmöglich. Sensoren der Art 2a bis 2g und 2i können sowohl in die Oberfläche eingelassen werden als auch in durchgehender (Stäbchen-) Form in die Reibscheibe eingebracht werden.

Werden beispielsweise bei einer Ausführungsform mit vier Sensorelementen mit ursprünglich dersel ben Masse jeweils zwei nebeneinanderliegende aus demselben Werkstoff ausgeführt, und das gegen überliegende Paar aus einem zweiten Werkstoff, wobei beide unterschiedlichen Sensorwerkstoffe unterschiedliche Oxidations- oder Verschleißempfindlichkeit haben, so wird bei Verschleiß durch den unterschiedlich schnellen Abbau zusätzlich eine Unwucht erzeugt, die insbesondere beim schnellen Fahren spürbar ist.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiele Beispiel 1

Zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Verschleißindikator mit optischer Indikationswirkung wurde ein poröser CFC-Körper in der Form einer Bremsscheibe mit einem Außendurchmesser von 350 mm hergestellt. In diesem Bremsscheibenkörper war bereits eine Vertiefung für die Aufnahme eines flä chigen Sensorelementes gemäß Skizze 2e vorgesehen, die sich in der Mitte des dem Bremsbelag ge genüberliegenden Bereiches auf der später außenliegenden Seite der Bremsscheibe befand. Die Ab messungen der runden Vertiefung waren 20 mm im Durchmesser und 4 mm in der Tiefe. In die Ver tiefung wurde ein graphitiertes CFC-Element mit der Dichte 1,09 g/cm³ eingepaßt. Der Bremsschei benkörper wurde hierauf in einen Ofen gelegt, mit Siliciumgranulat überschichtet und nach Evakui renen des Ofenraums auf 1600 bis 1900°C erhitzt, wobei das Silicium den Körper infiltrierte und den Sensor fest mit der Bremsscheibe verband.

Der Unterschied der Oxidationsgeschwindigkeit wurde so eingestellt, daß das Sensorelement bei einer Referenztemperatur von 800°C innerhalb von einer Stunde einen Gewichtsverlust von ca. 65% auf wies. Dieser Gewichtsverlust war ohne weiteres bereits deutlich an der rauhen und porösen Struktur zu erkennen.

Im Gegensatz hierzu lag der oxidative Gewichtsverlust der Referenzbremsscheibe ohne Sensorele ment unter den gleichen Bedingungen bei ca. 12%. Die Oberfläche war gegenüber der des Sensorele ments deutlich glatter und dichter.

Beispiel 2

Zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Verschleißindikator mit optischer Indikationswirkung wurde ein poröser CFC-Körper in der Form einer Bremsscheibe mit einem Außendurchmesser von 350 mm hergestellt. In diesem Bremsscheibenkörper waren bereits zwei Vertiefungen für die Aufnahme eines flächigen Sensorelementes gemäß Skizze 2f vorgesehen, die sich auf jeweils gegenüberliegenden Oberflächen der Bremsscheibe außerhalb der dem Reibbelag gegenüberliegenden Zone befanden. Die äußeren Abmessungen der Vertiefung waren 20 mm im Durchmesser und 4 mm in der Tiefe. Der Bremsscheibenkörper wurde wie in Beispiel 1 beschrieben siliciert.

In die Vertiefung wurde ein Graphitelement der Dichte 1,75 g/cm³ eingeklebt.

Beispiel 3

Zur Herstellung einer Bremsscheibe mit Verschleißindikator mit mechanischer Indikationswirkung gemäß Fig. 1 wurde ein poröser CFC-Körper in der Form einer Bremsscheibe mit einem Außen durchmesser von 350 mm hergestellt. Die Bremsscheibe besaß Kanäle zur Innenbelüftung. Durch diesen Bremsscheibenkörper wurde ein Graphitstift (entsprechend der Ausführungsform 2e in der Fig. 2) senkrecht hindurchgesteckt, so daß er von einer Oberfläche der Reibscheibe zur anderen reichte und einen Kanal der Innenbelüftung durchquerte. Der Graphitstift hatte einen Durchmesser von 5,5 mm. Der Graphitstift wurde mit einem Phenolharz-Kleber in den Bohrungen befestigt. Hier auf erfolgte die Silicierung der Bremsscheibe wie in Beispiel 1 beschrieben.

Der Unterschied der Oxidationsgeschwindigkeiten bei einer Referenztemperatur von 800°C war so eingestellt, daß sich der Stift durch Abbrand nach ca. 1 Stunde aus der Verankerung löste und aus der Bohrung fiel. Hierdurch wurde in der zuvor ausgewuchteten Scheibe eine Unwucht erzeugt, die sich dem Fahrer durch Vibrationen bemerkbar machte. Der Abbrandzustand des Graphitstiftes konnte aber bereits nach ca. 30 Minuten ebenso optisch leicht festgestellt werden.

Bezugszeichenliste

1

Reibscheibe

2

a bis

2

j Sensorelemente

2

a oberflächliches kleines Sensorelement

2

b oberflächliches großes Sensorelement

2

c,

2

e stabförmiges durchgehendes Sensorelement, parallel zur Drehachse

2

d stabförmiges durchgehendes Sensorelement, im Winkel zur Drehachse

2

f sternförmiges Sensorelement

2

g rechteckiges Sensorelement

2

h radiales längliches Sensorelement

2

i Sensorelement in Form einer Beschriftung

2

j ellipsenförmiges Sensorelement

Claims

1. Reibscheibe, insbesondere eine Brems- oder Kupplungsscheibe, aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Keramik-Verbundwerkstoff A, mit einem Tragteil und mindestens einer eine Reibfläche aufweisenden Decklage, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in die Decklage eingelassenes Element als Sensor aus einem anderen Werkstoff B, insbesondere aus einem kohlenstoffhaltigen Werkstoff, besteht, wobei der Werkstoff B eine geringere Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit aufweist als der Werkstoff A der restlichen Decklage und des Tragteils der Reibscheibe, und daß bei einem durch Verschleiß oder Oxidation hervorgerufenen Masseverlust von 50% der Masse des Sensors die Auswuchtgüte der Reibscheibe durch Unwucht erkennbar verändert ist.

2. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Sensoren aus dem Werkstoff B kleiner als 10% der Dicke der Reibscheibe ist.

3. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff A des Tragteils und der Decklage mit Kohlenstoffasern verstärkte Keramik ist, deren Matrix Siliciumcarbid, Silicium und Kohlenstoff enthält.

4. Reibscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff A des Tragteils und der Decklage erhältlich ist durch Infiltration eines mit Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoff-Körpers mit flüssigem Silicium und Reaktion des Siliciums mit mindestens einem Teil des Kohlenstoffs der Matrix zu Siliciumcarbid.

5. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil von Kohlenstoff im Werkstoff B im Bereich von größer als 40% liegt.

6. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Element aus dem Werkstoff B sich über die gesamte Dicke der Reibscheibe erstreckt.

7. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff B Kohlenstoff enthält in einer Form ausgewählt aus Graphit, Feinkorngraphit, Kohlenstoffasermatten, Kohlenstoff-Faservlies, kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) und Kohle.

8. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff B als weitere Bestandteile Oxide, Nitride, Silicide und Carbide enthält.

9. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff B Bornitrid und/oder Siliciumcarbid und/oder Aluminiumoxid enthält.

10. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Oberfläche der Elemente aus dem Werkstoff B an der Boden- und Deckfläche der gesamten Reibscheibe mindestens 0,1% beträgt.

11. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil des Werkstoffs B in der Reibscheibe mindestens 0,3% beträgt.

12. Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unwucht der Reibscheibe bei einem Masseverlust von 50% der Elemente aus dem Werkstoff B die Auswuchtgüte um mindestens 5% verschlechtert.

13. Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Aussparungen einer Reibscheibe aus dem Werkstoff A passend geformte Elemente aus dem Werkstoff B eingelegt und befestigt werden.

14. Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Vorkörper der Sensoren vor der Siliciuminfiltration und Silicierung in hierfür vorgesehene Aussparungen (Vertiefungen oder Bohrungen) eines mit Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoff haltigen Vorkörpers der Reibscheibe eingelegt oder eingeklebt werden, danach das Material mit flüssigem Silicium infiltriert wird, wobei sich der C/SiC-Werkstoff ausbildet und die Sensorelemente fest mit der Reibscheibe verbindet.