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Die
Erfindung betrifft eine Keilbremse für ein Kraftfahrzeug sowie ein
Verfahren zur Herstellung einer solchen Keilbremse.
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Eine
Keilbremse ist aus der
WO 03/036121A1 bekannt.
Die Keilbremse weist im eingebauten Zustand eine mit einem Fahrzeugrad
verbundene Bremsscheibe und einen mittels eines Aktuators in Längsrichtung
verschiebbaren Keil auf. Der Keil umfasst einen zur Seitenfläche der
Bremsscheibe hin orientierten Reibbelag. Bei einem Bremsvorgang
wird der Keil mittels des Aktuators in Längsrichtung derart verschoben,
dass sein Reibbelag gegen die Seitenfläche der Bremsscheibe gepresst
wird. Die dabei auftretende Reibungskraft bremst die Bremsscheibe
und somit letztendlich das Kraftfahrzeug ab.
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Im
Gegensatz zu einer herkömmlichen Scheibenbremse
weist die Keilbremse keinen hydraulischen Bremskraftverstärker und
damit kein Hydrauliksystem auf. Für die Verschiebung des Keils
ist der Aktuator, der einen Elektromotor und einen Spindeltrieb
umfasst, ausreichend. Somit lassen sich zum einen die Kosten für das Hydrauliksystem
einsparen. Weiterhin ergibt sich ein Vorteil hinsichtlich der Gewichtsersparnis.
Da weniger Komponenten verbaut werden müssen, wird außerdem Einbauraum
eingespart.
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Der
Bremsvorgang setzt das die Bremsscheibe und den Keil umfassende
Reibsystem einer hohen thermischen und einer hohen mechanischen Belastung
aus. Weiterhin ist das Reibsystem Witterungseinflüssen wie
Feuchte oder Streusalz ausgesetzt, die zu Korrosion führen können.
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Zum
Standhalten auch einer sehr hohen thermischen Belastung ist die
Bremsscheibe aus einem warmfesten Stahl oder aus einem keramischen Werkstoff
gefertigt. Daher weist der Reibbe lag des Keils als Reibpartner eine
begrenzte Lebensdauer auf und muss in regelmäßigen Abständen getauscht werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Standzeit und damit die
Lebensdauer einer Keilbremse zu erhöhen und somit zu einer Kostenersparnis
beizutragen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Keilbremse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen,
dass der Reibbelag des Keils als eine Beschichtung aus einem duktilen
metallischen Grundwerkstoff als Matrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln
ausgebildet ist.
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Unter
duktilem metallischen Grundwerkstoff wird hierbei ein vergleichsweise
weicher metallischer Grundwerkstoff verstanden, der eine Vickers-Härte von
maximal etwa 180–230
HV01 aufweist. Die Härtebestimmung nach Vickers
ist der Norm DIN EN ISO 6507 zu entnehmen. Die eingelagerten Hartstoffpartikel
weisen demgegenüber
eine deutlich höhere Härte auf,
beispielsweise eine um mehr als den Faktor 2 größere Härte als der Grundwerkstoff.
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Durch
die Kombination eines duktilen Werkstoffes mit darin eingelagerten
Hartstoffpartikeln wird der Reibbelag mit einer Beschichtung versehen,
die den extremen Belastungen standhält. Durch die Duktilität besteht
im Vergleich zu einer durchgehend harten und spröden Beschichtung eine deutlich
geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs die Beschichtung beschädigt wird
und Risse oder Mikrorisse auftreten, was aufgrund von Witterungseinflüssen wie Feuchte
oder Streusalz schnell zu einer unerwünschten starken Korrosion führen würde. Auch
ist die Gefahr eines Abplatzens von Teilstücken der Beschichtung bei mechanischer
Belastung aufgrund der hohen Duktilität deutlich geringer als bei
einer spröden Beschichtung.
Zugleich wird durch die eingelagerten Hartstoffpartikel eine sehr
hohe Abriebfestigkeit und damit eine quasi sehr hohe Oberflächenhärte erhalten,
so dass selbst bei hohen mecha nischen Belastungen und hohen Abriebkräften eine
lange Lebensdauer erreicht ist.
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Vorteilhaft
ist der Keil an einem Gegenkeil in Längsrichtung geführt. Weiterhin
ist der Gegenkeil an einem Bremssattel angeordnet. Auf diese Weise
bewegt sich der Keil im eingebauten Zustand in Längsrichtung in immer der gleichen
Weise auf eine Seitenfläche
einer Bremsscheibe zu und wird vom Gegenkeil definiert gegen die
Seitenfläche
der Bremsscheibe gepresst.
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In
einer Weiterbildung weist der Bremssattel einen der zweiten Seitenfläche der
Bremsscheibe zugeordneten Gegenhalter mit einem dieser zweiten Seitenfläche zugewandten
zweiten Reibbelag auf. Bei einem Auslösen der Keilbremse wird bei
einem Betätigen
des Keils die Bremsscheibe somit beidseitig an ihren Seitenflächen nach
Art einer Zange umfasst. Der Keil presst die Bremsscheibe somit
bei einem Bremsvorgang mit ihrer zweiten Seitenfläche gegen
den Reibbelag des Gegenhalters. Der Gegenhalter ist somit Teil des
Reibsystems. Der Bremsvorgang lässt
sich daher besonders kontrolliert ausführen, da zwei Reibpartner mit
der Bremsscheibe in Kontakt stehen.
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Vorteilhaft
umfasst der zweite Reibbelag ebenso wie der erste Reibbelag einen
metallischen Grundwerkstoff mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln.
Die beiden Reibbeläge
weisen bevorzugt die identische Zusammensetzung auf. Durch eine
Beschichtung beider Reibbeläge
ist deren Lebensdauer deutlich erhöht.
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In
der Folge werden Varianten für
die Beschichtungen beider Reibbeläge beschrieben. Dabei ist auch
eine unterschiedliche Beschichtung beider Reibbeläge umfasst,
um beispielsweise einer unterschiedlichen thermischen und mechanischen
Belastung beider Reibbeläge
während
des Bremsvorgangs Rechnung zu tragen.
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Zweckdienlicherweise
wird als Grundwerkstoff Nickel oder eine Nickellegierung verwendet.
Der besondere Vorteil der Nickelbeschichtung für derartige Bauteile ist in
der sehr hohen Dichtheit der Nickelbeschichtung zu sehen, wodurch
das Bauteil sehr effektiv vor Korrosion geschützt wird. Zugleich weist Nickel
eine gute Wärmeleitfähigkeit
auf, so dass über diese
Beschichtung auch ein guter gesteuerter Wärmeabfluss ermöglicht wird.
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Zweckdienlicherweise
ist die Beschichtung hierbei derart ausgebildet, dass die Nickel-Matrix eine
Oberfläche
definiert, über
die die Hartstoffpartikel zumindest im mikroskopischen Bereich überstehen.
Aufgrund dieser Ausgestaltung erfolgt der tatsächliche mechanische Kontakt über die
harten und abriebfesten Hartstoffpartikel und nicht über die
vergleichsweise weiche Nickelmatrixbeschichtung. Auf diese Weise
wird die Wärme
vom Grundkörper
während
und unmittelbar nach einem Bremsvorgang schnell abgeführt. Durch
die rasche Abkühlung
ist das Risiko der plastischen Verformung des Grundkörpers infolge Überhitzung
verringert.
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Bei
der Verwendung einer Nickellegierung für den Grundwerkstoff oder die
Grundmatrix liegt der Nickelanteil vorzugsweise im Bereich zwischen
65 und 95 Vol% und liegt insbesondere im Bereich von etwa 75 Vol%,
bezogen jeweils auf das Gesamtvolumen der Beschichtung. Als Legierungsbestandteile sind
vorzugsweise Wolfram und/oder Eisen und/oder Kobalt vorgesehen.
Besonders bevorzugt wird hierbei Kobalt eingesetzt. Auch eine Beschichtung
bestehend aus den Bestandteilen Nickel, Wolfram und Eisen hat sich
als geeignet herausgestellt.
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Zweckdienlicherweise
liegt hierbei der Anteil der Legierungsbestandteile in einem Bereich
zwischen etwa 10 und 20 Vol%. Weiterhin liegt vorzugsweise der Anteil
der Hartstoffpartikel in einem Bereich zwischen 5 und 30 Vol%.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Hartstoffpartikel vorzugsweise eine Größe im nanoskaligen Bereich,
beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 1.000 nm oder alternativ
auch im μm-Bereich, beispielsweise
im Bereich von 1 und 500 μm,
aufweisen. Die Verwendung wahlweise von Nano-Hartstoffpartikeln
oder Mikro-Hartstoffpartikeln hängt
von der jeweiligen Anwendung und dem Einsatzzweck bzw. den mechanischen
Anforderungen ab.
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Als
Hartstoffpartikel werden hierbei vorzugsweise Borcarbidpartikel,
Wolframcarbidpartikel oder Diamantpartikel eingesetzt. Es werden
also insbesondere auch keramische Partikel wie die Borcarbidpartikel
eingesetzt, die sich durch ihre extrem hohe Härte auszeichnen.
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Zweckdienlicherweise
werden als Hartstoffpartikel in einer Variante so genannte CNT-Partikel(CNT:
Carbon Nano Tubes) herangezogen. Die Carbon-Nano-Tubes sind Kohlenstoffnanoröhrchen, deren
Durchmesser typischerweise kleiner als 100 nm bis hin zu wenigen
nm ist. Die Wände
dieser röhrenförmigen Gebilde
bestehen aus Kohlenstoff. Die CNT-Partikel bestehen aus einer Vielzahl
derartiger Kohlenstoffnanoröhrchen.
Der besondere Vorteil der Verwendung von CNT-Partikeln als Hartstoffpartikel liegt
in ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit
sowie in ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit. Aufgrund der hohen
Wärmeleitfähigkeit
ist hier daher eine besonders rasche Abkühlung des Reibbelages sicher
gestellt. Damit ist das Risiko einer plastischen Verformung des
Grundkörpers
besonders gering.
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Die
Dicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa
0,7 bis etwa 6 mm und liegt insbesondere im Bereich zwischen etwa
2 und 3 mm. Es hat sich gezeigt, dass die Beschichtung mit einer
derartigen Schichtdicke den hohen Anforderungen besonders genügt.
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Um
eine qualitativ hochwertige, gut und dauerhaft haftende Beschichtung
auszubilden, ist die Beschichtung zweckdienlicherweise elektrolytisch
aufgebracht. Zur Ausbildung der Beschichtung wird daher das zu beschichtende
Bauteil in ein oder mehrere Galvanikbäder eingetaucht. Als Elektrode
wird eine Elektrode bestehend aus dem Grundwerkstoff, beispielsweise
eine Nickel- oder eine Nickellegierung-Elektrode verwendet. Die
Hartstoffe werden hierbei dem Galvanikbad zugegeben, so dass sie
mit den Metallionen der Nickelelektrode zu dem zu beschichtenden
Bauteil wandern und sich dort gemeinsam mit den die Matrix bildenden
Nickelionen ablagert.
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In
einer anderen Variante wird die Beschichtung mit einem so genannten
Kaltgas-Spritzverfahren, auch als Cold-Spray-Verfahren bezeichnet,
aufgebracht. Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff
für die
aufzubringende Beschichtung in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit
auf den Grundkörper
aufgebracht. Hierzu wird üblicherweise ein
Prozessgas mit Hilfe einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
In diesen Gasstrahl des Prozessgases werden anschließend die Pulverpartikel
injiziert und auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit beschleunigt,
so dass sie beim Aufprall auf den Grundkörper aufgrund der hohen Energie
zumindest zum Teil aufschmelzen und eine dichte und fest haftende
Schicht bilden. Im Unterschied zu anderen thermischen Spritzverfahren,
beispielsweise dem Flammspritzen, erfolgt hierbei daher kein vorangehendes
An- oder Aufschmelzen der einzelnen Partikel.
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Der
besondere Vorteil des Spritzverfahrens, insbesondere des Kaltgasspritzens,
ist darin zu sehen, dass es vergleichsweise einfach und kostengünstig durchführbar ist
und beispielsweise durch mehrfaches Überstreichen der zu beschichtenden Oberfläche eine
ausreichende Schichtdicke erzeugbar ist. Insbesondere das Kaltgasspritzen
zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass es bei niedrigen Temperaturen
und insbesondere unter Atmosphärendruck
durchgeführt
wird. Dadurch lassen sich vielfältige
Materialien problemlos aufspritzen. Außerdem lassen sich ein Metallpulver
und zugesetzte Hartstoffpartikel in einem beliebigen Verhältnis miteinander mischen,
so dass in einfacher Weise eine nahezu beliebige Schichtzusammensetzung
erreichbar ist.
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Im
Vergleich zu anderen Auftragsverfahren, wie beispielsweise dem sogenannten
Plattierverfahren mittels Aufsprengen, bei dem üblicherweise dünne Metallplatten
auf ein Substrat aufgesprengt werden, ist dieses Verfahren deutlich
kostengünstiger bei
vergleichbaren oder verbesserten thermischen Eigenschaften.
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Typische
Verfahrensparameter für
die Beschichtung mit einem Nickelpulver mittels Kaltgasspritzen
liegen bei einer Korngröße der Nickelpartikel zwischen
500 nm bis 50 μm,
bei einer Temperatur des Pulver-Gas-Gemischs vor dem Beschichten
zwischen 180°C
und 300°C
und bei einer Partikelgeschwindigkeit zwischen 600 m/s und 900 m/s.
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Eine
bevorzugte Beschichtung umfasst eine Nickel-Kobalt-Legierung mit
Borcarbidpartikeln als Hartstoffpartikeln. Eine derartige Beschichtung
hat sich als besonders geeignet für den Reibbelag der Keilbremse
herausgestellt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin
gelöst
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
18 oder 19. Die im Hinblick auf die Keilbremse angeführten Vorteile
und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Keilbremse im eingebauten Zustand
in ihrer Außerbetriebsstellung
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2 die
Keilbremse aus 1 während eines Bremsvorgangs
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3 ein
vereinfachtes Schnittbild durch einen Reibbelag, der mit einer Beschichtung
versehen ist, sowie
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4 ein
weiteres Schnittbild durch einen zweiten Reibbelag, der mit einer
zweiten Beschichtung versehen ist.
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In
den einzelnen Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Gemäß 1 weist
eine Keilbremse 2 eine Bremsscheibe 4 auf, die
fest mit einem in den FIG nicht dargestellten Fahrzeugrad verbunden
ist und sich mit dem Fahrzeugrad dreht. Die Bremsscheibe 4 ist
von einem Bremssattel 6 beidseitig nach Art einer Zange
umgriffen. An einer Seite des Bremssattels 6 ist ein Keil 8 in
Längsrichtung 10 an
einem Gegenkeil 12 beweglich angeordnet. Die Bewegung des
Keils 8 in Längsrichtung 10 geschieht
mittels eines Aktuators 14, der einen Elektromotor 16 und
einen Spindeltrieb 18 umfasst. Auf der anderen Seite des
Bremssattels 6 ist ein Gegenhalter 20 angeordnet.
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Der
Keil 8 weist einen zur ersten Seitenfläche 22 der Bremsscheibe
hin orientierten ersten Reibbelag 24 auf. Der Gegenhalter 20 weist
einen zur zweiten Seitenfläche 26 hin
orientierten zweiten Reibbelag 28 auf.
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Zur
Einleitung eines Bremsvorganges wird gemäß 2 der Keil 8 vom
Spindeltrieb 18 durch eine Aktuatorkraft FA in
Längsrichtung 10 bewegt. Dabei
gleitet der Keil 8 am Gegenkeil 12 entlang, bis er
mit seinem Reibbelag 24 mit der ersten Seitenfläche 22 der
Bremsscheibe 4 in Kontakt kommt. Ab diesem Zeitpunkt wirkt
eine normal zur Bremsscheibe 4 gerichtete Normalkraft FN sowie eine in Umfangsrichtung der rotierenden
Bremsscheibe wirkende Reibkraft FR. Die
Bremsscheibe 4 wird sukzessive vom Keil 8 mit
dessen Reibbelag 24 gegen den Reibbelag 28 des
Gegenhalters 20 gepresst. Dabei wird die Bremsscheibe 4 mit
ihren beiden Seitenflächen 22, 26 eingeklemmt
und durch die Reibkraft FR an einer Weiterbewegung
gehindert. Der Keil 8 wird dabei vom Gegenkeil 12 abgestützt, wobei
auf den Keil 8 eine Haltekraft FH wirkt.
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Beim
Bremsvorgang werden die Reibbeläge 24, 28 aufgrund
der Reibungskraft FR erhitzt und sind somit
einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Weiterhin werden die
Reibbeläge 24, 28 in
Umfangsrichtung einer Scherung ausgesetzt. Sie sind daher auch einer
hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Ebenfalls einer hohen mechanischen und
thermischen Belastung ist als Reibpartner der beiden Reibbeläge 24, 28 die
Bremsscheibe 4 ausgesetzt. Dabei nimmt die mechanische
und thermische Belastung der Bremsscheibe 4 und der beiden Reibbeläge 24, 28 während des
Bremsvorgangs sukzessive zu. Zusätzlich
ist das Reibsystem Witterungseinflüssen wie Nässe oder, speziell im Winter, Streusalz
ausgesetzt.
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Um
ihre Lebensdauer zu erhöhen,
ist die Bremsscheibe 4 aus einem zunderungsbeständigen, warmfesten
Edelstahl oder aus einem keramischen Werkstoff gefertigt.
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Für die beiden
Reibbeläge 24, 28 ist
eine Beschichtung bzw. ein Beschichtungssystem vorgesehen, welches
an die speziellen Anforderungen angepasst ist und für jedes
dieser Bauteile deren Standzeit und Lebensdauer im Vergleich zu
Bauteilen ohne Beschichtung teilweise erheblich verbessert. Der Aufbau
und die Zusammensetzung der Beschichtung bzw. des Beschichtungssystems
wird nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert.
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Beide
Reibbeläge 24, 28 sind
auf einem Grundkörper 30 des
Keils 8 bzw. des Gegenhalters 20 aufgebracht.
Der Grundkörper 30 bildet
also zusammen mit dem Reibbelag 24 den Keil 8.
Der Grundkörper 30 besteht
aus einem warmfesten Stahl, der hohen Temperaturbelastungen und
hohen mechanischen Belastungen standhält, ohne sich zu verformen.
Auf diesen Grundkörper 30 wird
jeweils eine im Folgenden als Grundbeschichtung 32 bezeichnete
Beschichtung auf Nickelbasis elektrolytisch aufgebracht. Die Grundbeschichtung 32 umfasst
neben einer als Grundwerkstoff 34 bezeichneten Nickelmatrix
einen Anteil an Hartstoffpartikeln 36, insbesondere Borcarbidpartikel.
Durch die Verwendung von Nickel als Matrixwerkstoff in Kombination insbesondere
von Borcarbid für
die Hartstoffpartikel 36 wird eine sehr gasdichte und damit
korrosionsbeständige
sowie eine thermisch sehr gut leitende Beschichtung 32 mit
zugleich sehr hoher Oberflächenhärte und
geringem Abrieb erzeugt. Die hohe thermische Leitfähigkeit
sorgt für
einen raschen Abtransport der Wärme
und damit für
ein schnelles Abkühlen des
Grundkörpers 30,
sobald der Bremsvorgang abgeschlossen ist.
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Die
hohe Gasdichtheit wird durch die Nickelmatrix bereits bei einer
sehr geringen Schichtdicke von etwa 10 μm erreicht. Aufgrund der guten
thermischen Leitfähigkeit
des Nickel-Grundwerkstoffs 34 weist die Beschichtung insgesamt
auch eine hohe thermische Leitfähigkeit
auf, so dass ein schneller Wärmeabtransport
gewährleistet
ist.
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Die
mechanische Belastbarkeit der Beschichtung wird insbesondere durch
die eingelagerten Hartstoffpartikel 36 erreicht, die teilweise
auch über
der durch die Nickelmatrix 34 gebildete Oberfläche 38 überstehen,
so dass lediglich die Hartstoffpartikel 36 mit der Bremsscheibe 4 in
Kontakt kommen.
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In
bevorzugten Ausgestaltungen ist zusätzlich die Aufbringung einer
Diamantschicht 40 auf der Grundbeschichtung 32 vorgesehen,
wie dies in 4 dargestellt ist. Auf diese
Weise kann die Verschleißfähigkeit
der beiden Reibbeläge 24, 28 weiter verbessert
werden. Die Reibbeläge 24, 28 weisen eine
noch höhere
Temperaturbeständigkeit
und mechanische Beständigkeit
auf. Eine derartige Keilbremse 2 eignet sich für Einsatzgebiete
mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen, beispielsweise
für den
Einsatz bei einem Sportwagen. Die zusätzliche Diamantschicht 40 sorgt
für eine nochmalige
deutliche Erhöhung
der Standzeit gegenüber
der Variante aus 3.
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Ist
auf dem Reibbelag 24, 28 nur eine Grundbeschichtung 32 aufgebracht,
so ist als Grundwerkstoff 34 eine Nickel-Kobalt-Legierung oder auch
eine Nickel-Eisen-Wolfram-Legierung vorgesehen, wobei hierbei jeweils
der Nickelanteil insbesondere im Bereich von etwa 75 Vol% liegt.
Der Anteil des Kobalts bzw. von Eisen und Wolfram liegt etwa zwischen
10 und 20 Vol%. Den Restanteil bilden die Borcarbidpartikel 36,
deren Größe im Mikrometerbereich
liegt. Die Dicke D1 der Grundbeschichtung liegt hierbei etwa im
Bereich zwischen 2 und 3 mm.
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Zur
Verbesserung des mechanischen Abriebs kann aber auch ein höherer Anteil
an Hartstoffpartikeln 36 vorgesehen sein.
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Insbesondere
für den
Fall, dass die Reibbeläge 24, 28 lediglich
mit der Grundbeschichtung 32 versehen sind, werden Nano-Hartstoffpartikel 36 verwendet,
um eine hohe Oberflächenqualität zu erzielen.
Auch liegt der Anteil der Hartstoffpartikel 36 für derartige
Reibbeläge 24, 28 im
oberen Bereich zwischen 15 und 25 Vol%. Eine Beschichtung auf Basis einer
Nickel-Kobalt-Legierung weist hierbei beispielsweise eine Zusammensetzung
von etwa 63 Vol% Nickel, 12 Vol% Kobalt und 25 Vol% Borcarbidpartikel 40 auf.
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Mit
der Verwendung eines Schichtsystems, wie es in 4 dargestellt
ist, wird die Standzeit noch einmal erheblich erhöht. Die
Dicke D1 der Grundbeschichtung 32 liegt in diesem Fall
im unteren Bereich zwischen 0,5 und 2 mm. Gleichzeitig beträgt die Dicke
D2 der Diamantbeschichtung etwa 0,5 mm.
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Bereits
durch die zur 3 beschriebene Grundbeschichtung 32 wird
die Lebensdauer der Keilbremse 2 erheblich verlängert, so
dass die Reibbeläge 24, 28 seltener
getauscht werden müssen und
somit für
die Wartung der Keilbremse 2 deutlich geringere Kosten
anfallen.