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Die
Erfindung betrifft ein Verbundbauteil für eine Fahrzeugscheibenbremse
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Verbundbauteils nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten
Art.
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Aus
dem allgemeinen Stand der der Technik ist es bekannt, bei Fahrzeugscheibenbremsen
die eigentliche Bremsscheibe, den so genannten Reibring, über aufwändige mechanische
Elemente, wie z.B. Spangen, Federelemente, Kulissensteine, etc.,
mit dem Verbindungselement zur Radnabe, dem so genannten Bremsscheibentopf,
zu verbinden. Ein derartiger Aufbau erfordert dabei einen hohen
Aufwand an Einzelelemente mit dem Erfordernis einer sehr hohen Fertigungsgenauigkeit
sowohl der Elemente als auch deren Aufnahmen. Ein derartiger Aufbau
wird damit entsprechend teuer, komplex, schwer und störanfällig. Beispielhaft
soll hierzu lediglich die
DE
100 25 102 C1 genannt werden.
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Um
die oben dargelegte Komplexität
zu verringern beschreibt die
DE 100 32 972 B4 eine Verbundbremsscheibe,
bei welcher der Reibring und der Bremsscheibentopf mittels einer
Presspassung oder einem Schrumpfsitz zusammengefügt werden.
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Aufgrund
der thermischen Belastung beim Bremsen und dem damit verbundenen
Ausdehnen des Reibrings, kann es jedoch zu Bewegungen der beiden
Teile gegeneinander kommen, welche auch zu einem Lockern der Verbindung
führen
können.
Es ist daher immer erforderlich die Verbindung über ein weiteres Verbindungselement,
z.B. einen Niet, zusätzlich
zu sichern. Damit kommt es auch hier zu einer vergleichsweise eher
komplexen, schweren und einen Vielzahl von Teilen aufweisenden Verbindung.
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Außerdem kommt
es aufgrund der guten Wärmeleitung
durch den Press- oder Schrumpfsitz häufig zu einer erheblichen Erwärmung des
Bremsscheibentopfes und der mit ihm verbundenen Radnabe. Diese wird
jedoch durch die Erwärmung
stark beansprucht, insbesondere wenn die erhöhte Temperatur die Schmierung
der Radnabe nachteilig beeinflusst oder schädigt. Vergleichbares gilt auch
für einteilige
gegossene Reibring-Bremsscheibentopf-Einheiten.
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Aus
der WO 01/01009 A1 ist ferner die Möglichkeit bekannt, Reibringe
aus keramischen Materialien durch Umgießen mit einem geschmolzenen
Metall, welches z.B. den Bremsscheibentopf bilden kann, zu einem
Verbundbauteil zusammenzufassen. Nachteilig dabei ist es, dass es
durch den Kontakt zwischen Reibring und heißem geschmolzenen Metall zu
einer erheblichen schockartigen thermischen Belastung des Reibringes
kommt. Durch die Verwendung der in der oben genannten internationalen
Anmeldung beschriebenen Aluminiumlegierungen, welche einen im Vergleich
zu Stahl eher niedrigen Schmelzpunkt aufweisen, kann diese Problematik zwar
teilweise umgangen werden. Bei den Eingangs der oben genannten internationalen
Anmeldung beschriebenen Temperaturen von derartigen Bremsscheiben,
welche von dem Reibring auch auf den Bremsscheibentopf übertragen
werden, kommt es jedoch bereits zu einer mechanischen Schwächung der
gegossenen Aluminiumteile. Ferner weist das Umgießen den
Nachteil auf, dass die erstarrende Schmelze einen starken Schwund
erfährt,
so die sichere mechanische Verbindung nicht oder nur durch sehr
komplexe geometrische Ausgestaltungen der Reibringe sichergestellt
werden kann.
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Dem
entgegen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbundbauteil
für eine
Fahrzeugscheibenbremse zu schaffen, welches die oben genannten Nachteile
vermeidet, einen einfachen Aufbau ermöglicht und eine dauerhafte
und sichere Verbindung zwischen den Einzelelementen gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verbundbauteil, welches die Merkmale des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ferner löst ein Verfahren
zum Herstellen eines solchen Verbundbauteils mit den Merkmalen im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 die oben genannte Aufgabe.
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Das
Schmieden des Bremsscheibentopfes erfolgt in einem Temperaturbereich
zwischen der Liquidus- und der Solidustemperatur, typischerweise durch
so genanntes Thixo-Schmieden bzw. ein Schmieden in halbflüssigem Zustand
(semi solid forging). Dabei wird gleichzeitig der geschmiedete Bremsscheibentopf
an den vorgefertigten Reibring gefügt. Das so entstehende erfindungsgemäße Verbundbauteil
aus Reibring und aus einem im Temperaturbereich zwischen der Liquidus-
und der Solidustemperatur geschmiedetem Bremsscheibentopf weist
dabei einige Vorteile auf.
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Aufgrund
der sehr geringen Erstarrungsschwindung bei in einem Temperaturbereich
zwischen der Liquidus- und der Solidus temperatur geschmiedetem Material,
insbesondere thixotropem Stahl, kommt es nur zu einem minimalen
Spalt zwischen dem geschmiedeten Bremsscheibentopf und dem umschmiedeten
Reibring. Dieser minimale Spalt stellt einerseits die sichere mechanische
Verbindung, ohne komplexe die größere Erstarrungsschwindung von
Gussmaterial aus dem flüssigen
Zustand berücksichtigende
Geometrien, durch Formschluss sicher. Andererseits kommt es durch
den minimalen Spalt und den fehlenden Stoffschluss zu einer thermischen Entkopplung
zwischen den Einzelelementen des Verbundbauteils, so dass die Wärmeleitung
von dem Reibring auf den Bremsscheibentopf mit ihren oben dargelegten
Nachteilen verringert werden kann.
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Ferner
erfordert das Umschmieden eines Teils des Reibrings keinerlei aufwändige und
qualitativ hochwertige Bearbeitung desselben. Vielmehr helfen mit
keinem oder sehr wenig Aufwand bearbeitete raue Oberflächen, z.B.
von Reibringen aus Grauguss, die gewünschte formschlüssige Anbindung durch
eine sich dadurch ausbildende Verklammerung der Einzelelemente zu
verbessern. Eine aufwändige Bearbeitung
des Reibrings zur Formgebung oder zum Erreichen von eine vorgegebene
Fertigungstoleranz aufweisenden Kontaktflächen kann somit entfallen.
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Das
erfindungsgemäße Verbundbauteil
kann dabei aus verschiedenen Materialien und/oder Materialkombinationen
bestehen bzw. aus diesen hergestellt werden. Die bereits beispielhaft
erwähnte
Verwendung von thixoschmiedefähigem
Stahl, bietet jedoch den Vorteil einer auch bei hohen Temperaturen sehr
guten Festigkeit und einer großen
thermischen Belastbarkeit des Bremsscheibentopfes.
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Gemäß einer
sehr günstigen
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils
besteht der Reibring desselben aus Grauguss.
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Der
Reibring ist dabei auch in komplexer Geometrie, z.B. Innenbelüfet, sehr
einfach und kostengünstig
herstellbar. Ferner weist er üblicherweise eine
vom Gießen
raue Oberfläche
auf, welche das oben erwähnte
Verklammern der Einzelelemente günstig
beeinflusst.
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In
der Kombination mit dem bereits genannten Bremsscheibentopf aus
Stahl entsteht ein besonders kostengünstiges Verbundbauteil. Außerdem sind
die thermischen Ausdehnungseigenschaften der beiden Materialien
so ähnlich
zueinander, dass auch bei starker Erwärmung keine unverhältnismäßig hohen
thermisch bedingten Spannungen zwischen den Einzelelementen auftreten.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine Schmiedeform mit darin hergestelltem Verbundbauteil; und
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2 eine
schematischer Querschnitt durch einen Bremsscheibentopf mit angebundenem
Reibring in einer mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundbauteils.
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1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
durch eine Schmiedeform 1. Diese besteht gemäß den hier
dargestellten Beispiel aus einem Oberstempel 2, einem Unterstempel 3 sowie einer
zu öffnenden
Armierung 4, in welcher die Stempel 2, 3 laufen.
Zwischen den beiden Teilen 4a, 4b der Armierung 4 liegt
in dem hier dargestellten Zustand ein Reibring 5 einer
Scheibenbremse für
ein Fahrzeug. In der Schmiedeform 1 wurde an diesen eine
Bremsscheibentopf 6 angeschmiedet, welcher zwischen den
beiden Stempeln 2, 3 in bereits fertiger Form
zu erkennen ist. Die Armierung 4 ist dabei mit einer hier nicht
dargestellten hochtemperaturbeständigen
Materialschicht, z.B. einer Keramik, wie Si3N4, versehen, um den thermischen und drucklichen
Belastungen beim Schmieden einer Vielzahl von hergestellten Teilen
standzuhalten.
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Zur
Herstellung des Verbundbauteil für
eine Fahrzeugscheibenbremse, welches aus dem Reibring 5 und
dem Bremsscheibentopf 6 besteht, wird nun der vorgefertigte
Reibring 5 erwärmt
und in die Schmiedeform 1, zwischen den unteren und den
oberen Teil 4a, 4b der Armierung 4 eingelegt.
Das Erwärmen
dient dabei dem angleichen der Temperatur des Reibrings 5 an
die zu erwartende Temperatur bei dem späteren Schmieden des Bremsscheibentopfes 6 in
der Schmiedeform 1, so dass thermisch induzierte Spannungen
zwischen den Bauteilen 5, 6 auf ein Minimum reduziert
werden können.
Nach dem Schließen
der Armierung 4 wird dann ein erwärmter thixoschmiedefähiger Stahlbolzen
in festem Aggregatzustand in die Schmiedeform 1 eingelegt.
Durch ein Zusammenfahren der Stempel 2, 3 wird
der Bremsscheibentopf 6 dann in an sich bekannten Art thixogeschmiedet,
wobei dieser sich unter dem Druck des Schmiedens zumindest teilweise
verflüssigt.
Während
des Schmiedens werden dabei die in den entsprechenden Teil der Schmiedeform 1 ragenden
Teile des Reibrings 5 umschmiedet, so dass ein durch Formschluss
gefügtes
Verbundbauteil aus dem Reibring 5 und dem Bremsscheibentopf 6 entsteht.
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Dieses
Verfahren kann dabei mit verschiedenen Materialien sowohl für den Reibring 5 als
auch für
den Bremsscheibentopf 6 angewandt werden. Als Materialien
für den
Bremsscheibentopf 6 bieten sich dabei insbesondere thixoschmiedefähige Stähle und Leitmetalllegierungen
an. Mit diesen Materialien können
sowohl Reibringe 5 aus Grauguss oder Stahl als auch solche
aus Keramiken, insbesondere faserverstärkten Keramiken, oder entsprechende
Composit-Reibringe aus einer Kombination der oben genannten Materialien,
z.B. Grauguss mit aufgespritzter keramischer Reibschicht oder dergleichen,
umschmiedet werden.
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Das
Umschmieden des Reibrings 5 mit dem Material des Bremsscheibentopfes 6 in
der Schmiedeform 1 ermöglicht
es ferner, dass die erforderlichen Herstellungstoleranzen sehr einfach
eingehalten werden können.
Durch das Einklemmen des Reibrings 5 an den planparallelen
Flächen
in der Schmiedeform 1 kann die Genauigkeit des Winkels
zwischen Bremsscheibentopf 6 und Reibring 5 einfach
und effektiv im Bereich der erforderlichen Toleranz gehalten werden.
Außerdem
können
verschiedene geometrische Ausgestaltungen und Höhen des Bremsscheibentopfes 6 durch
ein einfaches Wechseln der Stempel 2, 3 bzw. eines
der Stempel 2, 3, z.B. des Unterstempels 3,
erreicht werden.
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In 2 ist
eine besonders günstige
Ausgestaltung des Verbundbauteils aus Bremsscheibentopf 6 und
Reibring 5 zu erkennen. Der Reibring 5 ist dabei
so ausgebildet, dass sein dem späteren Bremsscheibentopf 6 zugewandte
innere Bereich Ausnehmungen 7 aufweist. Dadurch berühren sich der
Bremsscheibentopf 6 und die ihm zugewandten Bereiche des
Reibrings 5 nur in gestrichelt dargestellten Teilbereichen
B. Die Ausnehmungen 7 können über eine
entsprechende Ausgestaltung der Stempel 2, 3,
insbesondere des Unter stempels 2, und/oder der Armierungen 4 einfach
realisiert werden.
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Durch
eine derartige Ausgestaltung des Reibrings 5 bzw. seiner
Anbindung an dem Bremsscheibentopf 6 wird eine Verbindung
mit ausreichend guter mechanischer Festigkeit erzielt. Durch die
verringerte Berührungsfläche zwischen
Bremsscheibentopf 6 und Reibring 5 wird jedoch
gleichzeitig erreicht, dass die Wärmeleitung von dem Reibring 5 auf
den Bremsscheibentopf 6 mit den oben bereits dargelegten
Nachteilen, weiter reduziert wird.