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Die
Erfindung betrifft eine Bremstrommel mit einer Reibfläche nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bremstrommeln
sind in verschiedensten Ausführungsformen
bekannt. Dabei besteht grundsätzlich
stets der Bedarf nach einer weiteren Erhöhung der Verschleißresistenz
der bekannten Bremstrommeln, wobei die Herstellkosten der Bremstrommeln
wirtschaftlich vertretbar bleiben sollen.
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Eine
gattungsgemäße Bremstrommel
wird in der
DE 19953598
A1 offenbart. Hierbei soll eine erhöhte Reibwirkung bei geringerem
Materialverschleiß durch
eine gleichmäßig stark
aufgebrachte Hartbeschichtung erreicht werden. Die Haftung der Beschichtung
an der Trommel ist zudem nicht optimal
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Bremstrommelwerkstoffe
dienen der Übertragung
des Bremsmomentes. Hierzu sollten sie eine hohe Festigkeit, eine
hohe Bruchdehnbarkeit und ein hohes E-Modul aufweisen.
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Aufgrund
der bei Bremsungen auftretenden Wärme sollten sie ferner eine
hohe bzw. gute Wärmeabfuhr
erlauben. Hierzu sollen sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Emissionsgrad
aufweisen.
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Zu
fordern ist ferner eine hohe Wärmerißbeständigkeit.
Hierzu sollten die Bremstrommeln eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen E-Modul und
eine niedrige Wärmedehnung
aufweisen.
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Wünschenswert
ist ferner ein geringer Verschleiß der Bremstrommel. Hierzu
sind eine hohe Härte,
eine hohe Zähigkeit
und eine hohe Oxidationsbeständigkeit
vorteilhaft.
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In
Hinsicht auf möglichst
gleichmäßige Reibeigenschaften
werden ferner eine hohe Homogenität des Materials auch bei starker
Wärmebeanspruchung
sowie die Vermeidung von Wanddickenschwankungen durch ungleichen
Verschleiß gefordert.
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Wünschenswert
sind ferner wie bei allen ungefederten Massen an der Fahrzeugachse
ein möglichst
niedriges Gewicht und möglichst
niedrige Herstellkosten.
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Graugüße mit Zusätzen sind
bei relativ niedrigen Herstellkosten bereits gut verschleißresistent auslegbar.
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Wünschenswert
wäre im
Bereich der Nutzfahrzeuge, wo ein Bremstrommelwechsel relativ aufwendig
sein kann, aber insbesondere eine weitere deutliche Erhöhung der
Verschleißresistenz,
vorzugsweise derart, daß während der
Lebensdauer des Fahrzeuges auf einen Trommelwechsel verzichtet werden
kann. In diesem Fall könnten
sich durchaus auch die Bremstrommelkosten erhöhen, allerdings nur derart,
daß gegenüber einem
Bremstrommelwechsel noch ein wirtschaftlicher Vorteil verbleibt.
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Die
Erfindung setzt angesichts der Probleme ausgehend von der
DE 19953598 A1 bei
der Aufgabe an, eine weiter optimierte Bremstrommel zu schaffen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Gewährleistung
des Anspruchs 1
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So
wird es bei der vorliegenden Erfindung vermieden, dass nach dem
Abrieb der vollständigen Spritzgussbeschichtung
ein abrupter Übergang
zum Graugussmaterial und damit ein relativ abrupter Übergang
in ein anderes Bremsverhalten erfolgt. Darüber hinaus wird die Haftung
der Spritzgussbeschichtung auf der Bremstrommel verbessert, u. a. da
die Kontaktfläche
zwischen der Beschichtung und dem Kern vergrößert wird.
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Besonders
bevorzugt weist die Bremstrommel einen scheibenartigen Kern aus
einem Eisenguß-Werkstoff
auf, der zumindest an einer seiner Außenflächen mit einer metallischen
Spritzgußbeschichtung
oder eine Explosionsbeschichtung versehen ist.
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Zwar
sind verschleißschützende Beschichtungen – z. B.
für Bremsscheiben – an sich
bekannt (
EP 0 674 114
B1 ). Diese Beschichtungen auf keramischer Basis weisen
günstige
Verschleißeigenschaften
auf sind aber wegen der unterschiedlichen Eigenschaften zum Grundmaterial
auf Graugussbremsscheiben und aufgrund der bei der Beschichtung
auftretenden Thermoschockbeanspruchung/Haftungsprobleme problematisch.
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Die
Erfindung schafft dagegen auf einfache Weise eine kostengünstige,
verschleißschützende Beschichtung
von Bremstrommeln, welche mit Bremstrommelnmaterialien aus Eisengußwerkstoffen – insbesondere
Graugußmaterialien – kompatibel
ist, wobei es überraschend
möglich
ist, unter Beibehaltung der günstigen
Eigenschaften dieser für
die Anwendung in Bremstrommeln optimierten Werkstoffe die Verschleißlebensdauer
so zu steigern, daß die Bremstrommeln
nur noch sehr viel seltener, so z. B. in selten auftretenden, besonders
verschleißintensiven
Anwendungen wegen Erreichen des Verschleißgrenzmaßes ausgetauscht werden müssen.
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Die
Beschichtung erlaubt ferner eine Reduzierung der Wärmerißbildung
der Bremstrommel, wobei auch der Effekt des Bremsenrubbeln infolge
von im Betrieb entstandenen Dickenschwankungen der Bremstrommel
vermeidbar wird.
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Bei
der Erfindung werden vorzugsweise im thermischen Spritzbeschichtungsverfahren
die Beschichtungen auf den Bremskörper aus Grauguß, der damit
eine Art Kern bildet, aufgebracht.
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Zwar
sind thermische Spritzbeschichtungsverfahren sind an sich bekannt,
so z. B. bei der Beschichtung von Kolbenringen (siehe z. B. K. Kirner, Auftragen
von Schutzschichten auf technische Teile mit Hilfe thermischer Spritzverfahren;
aus:
Kunst et al „Verschleißhemmende
Schichten" Band 436,
Kontakt & Studium,
Werkstoffe, Expert Verlag). Ihr Einsatz im Bereich der Beschichtungen
von Bremstrommeln zur Herstellung einer metallischen Bremstrommelbeschichtung
wurde bisher jedoch nicht Erwägung
gezogen, da man glaubte, daß die
metallischen Spritzgußbeschichtungen
die sonstigen gewünschten
Eigenschaften des Eisenwerkstoffkernes verschlechtern würden.
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Bei
der Anwendung derartiger thermischer Spritzschichten auf Graugußbremstrommeln
ergab sich nun aber die überraschende
Erkenntnis, daß diese
thermischen Spritzschichten aufgrund der auftretenden metallurgischen
Reaktion mit dem Material der Bremstrommel sowie dem durch die hohe
Wärmespeicherkapazität der Bremstrommel
beeinflußten Erstarrungsverlauf
der Spritzschicht nicht nur das Verschleißverhalten der Bremstrommel
selbst bei hohen Temperaturen unerwartet positiv beeinflussen sondern
auch die Wärmerißbildung
und Bremsmomentschwankungen reduzieren.
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Alternative
Herstellverfahren zum bevorzugten und bewährten Lichtbogenspritzen sind
das Flammspritzen, das Plasmaspritzen und das Explosionsbeschichten.
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Die
Erfindung schafft somit eine Schutzschicht für Bremstrommeln aus Eisengußwerkstoffen,
die durch thermisches Spritzen auf die Reibfläche der Bremstrommel aufgebracht
wird, wobei das aufgespritzte Material ein Metall ist. Insbesondere wird
das aufgespritzte Material so gewählt, daß neben dem Verschleißschutz
auch ein Schutz gegen Oxydation und gegen unerwünschte metallurgische Veränderungen
der Reibfläche
erzielt wird.
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Vorzugsweise
besteht die Spritzgußbeschichtung
aus einem härteren
Metall als der Kern, insbesondere einem unlegierten oder legierten
Stahl. Vorzugsweise besteht die Spritzgußbeschichtung aus einer Cr
enthaltenden Stahllegierung. Insbesondere liegt der Cr-Gehalt der
Beschichtung zwischen 10 und 20%, zwischen 13 und 19%, zwischen
15 und 17% oder besonders bevorzugt bei 16%.
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Ganz
besonders bewährt
hat sich eine Bremstrommel, bei welcher der die Beschichtung bildende legierte
Stahl folgende Zusätze
enthält:
16% Cr, 0,44% Ni, 0,43% Mn, 0,01% Mo, und 0,36% C.
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Bewährt hat
sich ferner, daß der
Kern aus einem kostengünstigen
Grauguß besteht.
Vorzugsweise ist der den Kern bildende Grauguß ein hochgekohlter Grauguß.
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Bewährt haben
sich ferner Beschichtungsdicken von 0,3 bis 1,5 mm, vorzugsweise
0,5–1,2
mm, insbesondere 0,6–0,9
mm. Mit einer Beschichtungsdicke von 0,7 mm läßt sich bei Einsatz einer Spritzgußbeschichtung
mit hohem Cr-Gehalt oftmals eine Verdopplung der Lebensdauer, zumindest
aber eine deutliche Erhöhung
der Bremstrommellebensdauer erreichen.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bremstrommel; und
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2 einen zu 1 senkrechten
Schnitt durch die Bremstrommel aus 1.
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1 zeigt
eine Bremstrommel 1, die einen Kern 3 aus Grauguß aufweist,
welcher an seiner Innenfläche 2 – zumindest
in dem Teil, der die Reibfläche
bilden soll – mit
einer verschleißresistenten
metallischen sowie vorzugsweise nichtkeramischen Spritzgußbeschichtung 4 versehen
wird. Nach 1 ist die vollständige Innenfläche 2 der
Bremstrommel 1 mit der Spritzgußbeschichtung 4 überzogen.
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Bei
Bremsungen wird also bis zum vollständigen Verschleiß der Spritzgußbeschichtung 4 lediglich
diese als Reibfläche
dem bei Bremsungen auftretenden Abrieb ausgesetzt. Da die metallische
Spritzgußbeschichtung
härter
ist als der Kern 3 aus Grauguß, wird die Lebensdauer der
Bremstrommel erhöht.
Da aber der wesentliche Volumenanteil der Bremstrommel, nämlich der
Kern 3, aus Grauguß besteht,
bleiben dessen vorteilhafte weitere Eigenschaften z. B. hinsichtlich
der Wärmeleitfähigkeit
und der Neigung zur Rißbildung
erhalten oder werden sogar durch das Auftragen der Spritzgußbeschichtung verbessert.
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Es
ist optional denkbar, im Innenumfangsbereich eine Art Blind 5 den
Kern 3 anzuformen, dessen Erstreckung der Erstreckung der
Beschichtung 4 entspricht. Auf diese Weise kann eine Art
Vertiefung zur Aufnahme der Beschichtung 4 gebildet werden.
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Nach 2 ist es ferner vorgesehen, zwischen der
Beschichtung 4 und dem Kern 3 keine ebene Grenzfläche sondern
eine räumliche
Oberflächenstruktur
auszubilden, bei welcher die Spritzgußbeschichtung 4 und
der Kern 3 ineinandergreifen.
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Diese
Struktur entsteht dadurch, daß in
den Außenflächen des
Kernes 3 rechtwinklige (oder beispielsweise trapezförmige oder
auf andere Art geeignet geformte) Nuten 6 ausgebildet sind,
welche von den Beschichtungen 4 ausgefüllt werden, wobei die Beschichtung 4 so
dick ausgebildet ist, daß sie
sich radial über
die Nuten 6 hinaus erstreckt. Hierdurch wird außerhalb
der Nuten 6 ein flächiger
Beschichtungsbereich ausgebildet, welcher bis auf den Bereich der
Bünde 5 die
Reibfläche
der Bremstrommel abdeckt.
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Das
Ausbilden einer räumlichen,
in 2 lediglich beispielhaft dargestellten
Struktur im Grenzbereich zwischen der Beschichtung 4 und
dem Kern 3 hat mehrere Vorteile. So wird vermieden, daß nach dem
Abrieb der vollständigen
Spritzgußbeschichtung 4 ein
abrupter Übergang
zum Graugußmaterial
und damit ein relativ abrupter Übergang
einem anderen Bremsverhalten erfolgt. Darüber hinaus wird die Haftung
der Spritzgußbeschichtung 4 auf
der Bremstrommel verbessert. u. a.. da die Kontaktfläche zwischen
der Beschichtung 4 und dem Kern 3 vergrößert wird.
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Im Übergangsbereich
zwischen dem Kern 3 und der Spritzgußbeschichtung 4 sind
verschiedenste Geometrien realisierbar, so z. B. wechselseitig ineinandergreifende
Trapez- oder Rechteckformen oder
aber beispielsweise eine Noppenstruktur auf der Innenfläche der
Bremstrommel 1, welche von der Spritzgußbeschichtung 4 abgedeckt
wird.
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Nachfolgend
werden weitere Details der Herstellung einer erfindungsgemäßen Bremstrommel 1 beschrieben.
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Besonders
bewährt
hat sich im Rahmen der Erfindung zur Herstellung der Spritzgußbeschichtung auf
der Bremstrommel 1 das Verfahren des Lichtbogenspritzens.
Dabei wird das aus einem Lichtbogen, in dem eine Temperatur von
bis zu 4000°C
herrscht, mittels eines Zerstäubergases,
im einfachsten Fall Druckluft. auf die Oberfläche der Bremstrommel 1 bei gleichzeitiger
Fortbewegung derselben in dünnen Schichten
aufgebracht.
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Aufgrund
der hohen Masse der Bremstrommel 1 in Verbindung mit der
hohen Wärmeleitfähigkeit des
Bremstrommelmaterials kommt es nach dem Auftreffen der Spritztropfen
auf die Bremstrommel 1 nach kurzer metallurgischer Reaktion
mit dem Bremstrommelmaterial zu einem extrem schnellen Erstarren
und Abkühlen
des aufgespritzten Materials. Als Folge ergibt sich eine z. T. unterdrückte Gefügeausbildung
in der Spritzbeschichtung 4 die gegenüber dem Normalgefüge des gleichen
Materials erheblich verbesserte mechanische und Verschleiß-Eigenschaften
zur Folge hat.
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Als
Basiswerkstoff wird bevorzugt ein Eisenwerkstoff, vorzugsweise ein
Graugußmaterial
eingesetzt, wobei u. a. auch andere Gußmaterialen prinzipiell denkbar
sind.
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Grauguß-Bremstrommeln
der Erfindung weisen beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt im Bereich
von einigen Gewichtsprozent auf. Die aus dem Lichtbogen ausgeblasenen
Metalltropfen reagieren beim Auftreffen auf die Bremstrommel mit
Bestandteilen des Bremstrommelmaterials, insbesondere mit dem hohen
Anteil vorhandenen Kohlenstoffes, und bilden dabei harte Metall-Kohlenstoffverbindung.
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Ein
weiteres bevorzugtes Beschichtungsmaterial nach Werkstoff Nr. 1.4122
hat z. B. in einer Analyse folgende Zusammensetzung (Gewichts Prozent):
- – 16%
Cr,
- – 0,44%
Ni,
- – 0,43%
Mn,
- – 1.01%
Mo,
- – 0,36%
C
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Der
hohe Chromanteil bildet in Verbindung mit den anderen Legierungszusätzen sowie
dem Kohlenstoff Chromkarbid aus, durch welches die Verschleißfestigkeit
der Spritzschicht gesteigert wird.
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Die
Bildung von Wärmerissen
in der Bremstrommelreibfläche
wird durch folgenden Mechanismus bewirkt. Während des Bremsvorganges wird
in die äußerste Schicht
der Reibfläche
Wärme eingebracht
die aufgrund des begrenzten Wärmeleitvermögens zunächst zu
einem Wärmestau
verbunden mit sehr hohen Temperaturen in dieser äußersten Schicht führt.
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Als
Folge der hohen Temperaturen will sich die äußerste Schicht (am Innenumfang,
also quasi auch die innen liegende Schicht) ausdehnen. Diese wärmebedingte
Ausdehnung wird jedoch unterdrückt,
da das Basismaterial der Bremstrommel noch nicht entsprechend erwärmt ist.
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Die äußerste Schicht
des Innenumfangs der Bremstrommel kommt infolge der auftretenden
hohen Druckspannungen ins Fließen.
Bei der nach dem Bremsvorgang eintretenden Abkühlung der Bremstrommelnreibfläche wird
jedoch das nun erfolgende Schrumpfen der äußersten Schicht der Reibfläche ebenfalls
unterdrückt,
so daß es
nunmehr zu hohen Zugspannungen und zu einem Einreißen dieser äußersten
Schicht der Reibfläche
kommt. Diese Wärmerisse
sind zunächst
sehr fein ausgebildet. Durch wiederholte Beanspruchung in der beschriebenen Weise
tritt jedoch ein Rißwachstum
ein.
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Durch
die thermische Spritzschicht wird die Wärmerißbildung in der Weise beeinflußt, daß aufgrund
der höheren
Festigkeit des Beschichtungsmaterials gegenüber Grauguß das Fließen des Materials in der Aufheizphase
während
der Bremsung nicht so schnell eintritt und damit die hohen Zugspannungen
in der Abkühlphase
unterdrückt
werden, wodurch in Verbindung mit der höheren Festigkeit des Beschichtungsmaterials
die Rißbildung
vermieden wird.
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Rubbelprobleme
bei Bremstrommeln werden durch Dickenschwankungen des Bremstrommelnreibringes
hervorgerufen, die als Folge von Herstellungsfehlern oder als Folge
von Betriebseinflüssen auftreten.
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Eine
derartige Folge von Betriebseinflüssen können Auswaschungen der Reibfläche sein
die während
der Fahrt, also im nicht gebremsten Zustand, durch periodisch gegen
die Bremstrommel schlagende Bremsbeläge hervorgerufen werden.
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Diese
Erscheinung läßt sich
seitens der Bremstrommel nur durch bestmögliche Verschleißfestigkeit
hinsichtlich der beschriebenen Beanspruchung vermeiden. Diese erhöhte Verschleißfestigkeit wird
durch die thermischen Spritzschichten erzielt, so daß damit
auch eine Abhilfe gegen das Kaltrubbeln vorliegt.
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Eine
zweite Form des Rubbelns wird durch Gefügeveränderungen des Bremstrommelmaterials unter
Wärmeeinwirkung
hervorgerufen. Hierbei wird örtlich
z. T. als Folge von Reaktionen mit dem Bremsbelagmaterial ein Gefüge mit Hartstoffanteilen
gebildet, welches auch eine Volumenvergrößerung gegenüber dem
Grundgefüge
aufweist, so daß diese umgewandelten
Partien aus der Bremstrommelreibfläche herauswachsen. Da diese
Partien aufgrund des Hartstoffanteils auch weniger stark verschleißen als
die nicht umgewandelten Bereiche der Reibfläche. wird dieses Herauswachsen
mit zunehmendem Verschleiß der
Bremstrommel verstärkt
und damit auch das in der Folge auftretende Bremsenrubbeln. Da für die thermischen
Spritzschichten relativ inerte Materialien wie z. B. der beschriebene
Chromstahl angewendet werden, können
die beschriebenen Reibflächenveränderungen
und damit auch das Heißrubbeln
vermieden werden.
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Ein
vorteilhafter Beschichtungsprozeß – ein Lichtbogenspritzen – zur Herstellung
einer erfindungsgemäßen Bremstrommel
wird nachfolgend näher
beschrieben.
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Zunächst empfiehlt
sich eine spanende Vorbehandlung des Rohgußkörpers bzw. Kernes z. B. durch
Feindrehen auf ein Maß,
welches um den Betrag der gewünschten
Beschichtungsdicke unter dem gewünschten
Endmaß liegt.
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Daraufhin
empfiehlt sich ein Reinigen der so entstehenden „Rohbremstrommel" von Bearbeitungsrückständen. Empfehlenswert
sind ein mechanisches Reinigen und ein Aufrauhen durch Bestrahlen
mit feinem Korund oder einem Strahlgut mit vergleichbaren Eigenschaften.
Vorzugsweise erfolgt nach dem Reinigen der Bremstrommel von Bearbeitungsrückständen auch
ein Aufrauhen der Oberfläche
sowie vorzugsweise ein Beseitigen von Oxidationsschichten durch
Partikelstrahlen.
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Beschichtung der Bremstrommel:
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Es
werden vorzugsweise folgende Prozeßparameter verwendet:
Spritzdraht:
Werkstoff Nr. 1.4122; Durchmesser 1,6 mm
Spritzbahnen: mehrere
Einzelbahnen
Schichtstärke:
ca.: 0,7 mm
Spritzparameter: Stromstärke 300 A, Spannung 30 V.
Zerstäubergas:
80 qm/h Druckluft bei 5 bar
Beschichtungszeit: einige min
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Neben
dem Lichtbogenspritzen sind auch das Flammspritzen und das Plasmaspritzen
zum Beschichten von Bremstrommeln anwendbare Verfahren. Diese Verfahren
sind im Anhang in Auszügen aus
dem Fachbuch „Verschleißhemmende
Schichten, Helmut Kunst und 7 Mitautoren, Band 436, Kontakt und
Studium Werkstoffe, Expert Verlag" beschrieben.
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Fertigbearbeitung der Bremstrommel:
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Da
die Bremstrommel nach der Beschichtung eine relativ rauhe Oberfläche aufweist
ist eine Schlichtbearbeitung zum Glätten der Oberfläche vorteilhaft.
Dies erfolgt vorzugsweise mechanisch durch Schleifen. Zur Vermeidung
des Verlustes von Beschich tungsmaterial kann jedoch auch eine spanlose Endbearbeitung
wie z. B. Glattwalzen angewendet werden. Zur Endbearbeitung ist
ferner ein Feindrehen vorteilhaft.
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- 1
- Bremstrommel
- 2
- Innenumfang
- 3
- Reibfläche
- 4
- Spritzgußbeschichtung
- 5
- Bund
- 6
- Nut