DE102008053637A1

DE102008053637A1 - Reibring und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008053637A1
Application number: DE102008053637A
Authority: DE
Inventors: Oliver Lembach; Ralph Dr. Ing. Mayer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: DE102008053637B4; WO2010049051A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reibring (12, 12') für eine Bremsscheibe (10, 10'), welcher zumindest bereichsweise eine Beschichtung (22, 24) aufweist, wobei die Beschichtung (22, 24) ein Dickenprofil mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (d1, d2, d3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reibring für eine Bremsscheibe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reibrings.
Beschichtete Reibringe sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die DE 102 03 507 A1 eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug, welche einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff umfasst, der wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material mit hohem Reibwert aufweist. Solche Beschichtungen bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid, Diamant oder keramischen Materialien. Sie bieten den Vorteil, dass Oberflächen mit hohem Reibwert erzeugt werden können, obwohl Grundkörper aus relativ kostengünstigen und gegebenenfalls auch leichten Materialien verwendbar sind. Aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungen weisen alle eine konstante Schichtdicke auf. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörpern und Beschichtungen kann es hierbei zu Spannungen zwischen Beschichtung und Grundkörper kommen, welche schlimmstenfalls zu einem Abreißen der Beschichtung führen können. Weiterhin wird durch eine ungleichmäßige Wärmeverteilung in der Bremsscheibe beim Bremsvorgang – die so genannte Hotspotbildung – bei hohen Temperaturen der Bremsscheibe deren Oberfläche ungleichmäßig ausgedehnt, was zum so genannten Heißrubbeln der Bremsscheibe führt. Die Lage der Hotspots lässt sich für unterschiedlichste Bremsscheibengeometrien experimentell bestimmen oder auch mit guter Näherung theoretisch berechnen. Durch die ungleichmäßige Berührung zwischen Bremsscheibe und Bremsbacken kommt es bei solchen Bedingungen zu Vibrationen und zu Geräuschbildung, was unerwünscht ist und sowohl den Fahrkomfort als auch die Bremsleistung herabsetzt.
Aus der DE 10 2005 008 569 A1 sind Beschichtungen aus Einschmelzlegierungen bekannt, deren Einschmelzmaterialien vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt sind, die Nickel-Bor-Sili-zium, Nickel-Chrom-Bor-Silizium oder Kobalt-Nickel-Chrom-Silizium enthält. Die Einschmelzmaterialien können zusätzlich Hartpartikel aufgebracht werden oder auch Festschmierstoffe, die vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Graphit, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumfluorid und/oder Bornitrid umfasst.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reibring nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Reibrings derart weiter zu entwickeln, dass Materialspannungen zwischen Beschichtung und Grundkörper des Reibringes reduziert werden und thermische Verzöge bei hohen Bremstemperaturen vermindert werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Reibring mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 11 gelöst.
Ein derartiger Reibring für eine Bremsscheibe weist zumindest bereichsweise eine Beschichtung auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Beschichtung ein Dickenprofil mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken aufweist. Mit anderen Worten wird die Beschichtung ungleichmäßig dick auf die Reibfläche des Reibringes aufgebracht. Die Oberfläche des Reibringes, wie er in der Scheibenbremse zum Einsatz kommt ist selbstverständlich wieder eben. Durch eine entsprechende Wahl des Dickenprofils der Beschichtung ist eine belastungsgerechte Auftragung der Beschichtung möglich. Kriterien für die Wahl der lokalen Beschichtungsdicke sind dabei zum einen die thermische Belastung an jedem Punkt des Reibringes und zum anderen der radiale Verlauf der Druckbelastung durch den Bremsbelag über den Reibring hinweg. Durch eine solche belastungsgerechte Aufbringung einer Beschichtung kann ein möglichst homogenes Temperaturfeld in der Reibfläche der Bremsscheibe erzeugt werden. Hierdurch wird vorteilhaft Gefahr von Dickenschwankungen – so genannten DTVs (Disc Thickness Variation) über die Bremsscheibe hinweg reduziert. Damit wird insbesondere das so genannte Heißrubbeln, also Vibrationen und Geräusche, welche beim Hochtemperaturbetrieb der Bremsscheibe auftreten, reduziert. Ebenso wird der punktuelle Verschleiß der Bremsscheibe an so genannten Hotspots, also Punkten die sich besonders stark aufheizen, vermindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reibring dabei ein Oberflächenprofil auf, welches komplementär zu dem Dickenprofil der Beschichtung ausgebildet ist. Mit anderen Worten ergibt die Kombination aus einer Profilierung der Oberfläche des Grundkörpers des Reibringes und dem ungleichmäßig dicken Auftrag der Beschichtung eine ebene Reibringfläche. So wird nicht nur das Heißrubbeln vermindert, sondern auch im kalten Betrieb der Bremse Vibrationen und Verschleiß vermieden. Die Art der Profilierung des Grundkörpers des Reibringes und der Beschichtungsdicke ist dabei des Weiteren vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung abhängig. In der Regel wird dieser höher sein, als derjenige des Grundkörpers des Reibringes. In Kombination mit dem ungleichmäßigen Temperaturprofil über den Reibring hinweg ergibt sich so aus der Kombination der unterschiedlichen Schichtdicken und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine gleichmäßige Wärmeausdehnung der gesamten Bremsscheibe auch bei Hochtemperaturbetrieb. Der Kontakt des Reibrings mit dem Bremsbelag der Bremsbacken ist dabei über den gesamten Betriebsbereich des Reibringes hinweg gleichmäßig und planparallel. Fading und Belagschrägverschleiß werden vorteilhaft reduziert.
Für die Ausführung des Dickenprofils in radialer Richtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Es ist beispielsweise möglich, die Beschichtung in radialer Richtung keilförmig auszubilden, so dass sich beispielsweise eine Dickenzunahme von innen nach außen hin ergibt. Alternativ hierzu ist ein zumindest bereichsweise konkaves Dickenprofil der Beschichtung möglich.
Die Ausführung des Dickenprofils ist dabei wesentlich von der konkreten Ausgestaltung des Reibringes selbst abhängig, so dass beispielsweise ein einteiliger, massiver Reibring eine andere Beschichtungsprofilierung erhalten wird, als ein innenbelüfteter Reibring. Insbesondere beim innenbelüfteten Reibring ist eine verstärkte Beschichtung außerhalb des Noppenbereiches, bzw. der Stege entlang der Kühlkanäle der Innenbelüftung notwendig, um unterschiedliche Temperaturableitungen und unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu kompensieren. Hierdurch ergeben sich in radialer und tangentialer Richtung unterschiedlich verlaufende Dickenprofile.
Da die thermische Ausdehnung des Reibringes im Bereich der Noppen, bzw. Stege in axialer Richtung (senkrecht zur Reibringoberfläche) größer ist als in den Bereichen mit Kühlkanälen, wird hier bevorzugt eine dünnere Beschichtung ausgeführt.
Bei der Beschichtung handelt es sich um verschleißresistente Reibmaterialien. Hier kann weit gehend auf bekannte verschleißfeste und Reib-Materialien zurückgegriffen werden, wie sei beispielsweise auch in den DE 102 03 507 A1 , DE 10 2005 008 569 A1 .
Die Beschichtung umfasst bevorzugter Weise Chromcarbid und/oder Aluminiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Diamant und/oder Cermets. Diese Werkstoffe liegen insbesondere als Komponente in Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix vor, so genannte Metall-Matrix-Composites (MMC). Als metallische Matrix sind hier insbesondere Ni-, Cr, Mo- oder Co-Legierungen geeignet. Weiter geeignete Beschichtungen sind aus intermetallischen Composits (IMC) gebildet. Ein besonders bevorzugter IMC-Werkstoff wird im Wesentlichen aus Titanaluminiden und Aluminiumoxid gebildet.
Weitere geeignete Beschichtungen sind W/Cr/Ni-Beschichtungen oder WC/Cr/Ni-Beschichtungen.
Alle genannten Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Härte und teilweise hohe Zähigkeit sowie Temperaturbeständigkeit aus und besitzen damit hohe Verschleißbeständigkeit. Vorteilhafterweise weisen sie darüber hinaus eine hohe Temperaturbeständigkeit und gute Reibkoeffizienten in der Paarung mit den bekannten Reibbelägen von Scheibenbremsen auf.
Zusätzlich kann zwischen der Beschichtung und dem Grundkörper des Reibrings eine Zwischenschicht vorgesehen sein. Solche Zwischenschichten können mehrere Funktionen übernehmen. Zum einen ist die Haftungsvermittlung zwischen Beschichtung und Grundkörper von großer Bedeutung, um so gerade bei den Belastungen des Bremsbetriebes eine sichere Haftung der Beschichtung zu garantieren. Die Zwischenschicht kann zum anderen die Funktion der Temperaturableitung übernehmen, so dass die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe erhöht wird.
Bei einer solchen Zwischenschicht kann es sich um eine Schicht aus aluminium- und/oder chromhaltigen Nickellegierungen handeln. Für besonders gute Temperaturbeständigkeit ist auch die Verwendung von Zirkonium-Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen möglich.
Der Grundkörper des Reibringes ist weiterhin bevorzugt aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Grauguss weist dabei selbst hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die thermischen Probleme des Betriebes der Bremse reduziert werden. Die Verwendung einer Aluminiumlegierung wird erst in Kombination mit einer Beschichtung möglich, da der Reibwert von Aluminium in der Regel zu gering ist. In Kombination mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Beschichtung kann die Verwendung von Aluminiumgrundkörpern für den Reibring jedoch eine vorteilhafte Reduktion der ungefederten Massen des Kraftfahrzeuges bewirken. Der Reibring kann weiterhin einteilig mit einem Bremsscheibentopf ausgeführt sein oder auch in Form einer zweiteiligen Bremsscheibe. Erfindungsgemäße Reibringe können sowohl massiv als auch innenbelüftet sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Reibrings für eine Bremsscheibe welche die eingangs genannten Merkmale aufweist. Das Verfahren umfasst dabei zwei Schritte. Zunächst wird ein zu einem Dickenprofil einer Beschichtung mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken komplementäres Oberflächenprofil des Reibringes ausgebildet. Dies kann bereits während des Urformens – also beispielsweise während des Gießens – des Reibringes erfolgen. Alternativ ist es möglich, einen Grundkörper mit planer Oberfläche zu gießen oder anderweitig urzuformen und das Oberflächenprofil in der Folge durch abtragender Verfahren, wie beispielsweise Spanen, Erodieren oder dergleichen, zu erzeugen. Im folgenden Verfahrensschritt wird schließlich eine Beschichtung unter Ausbildung des Dickenprofils mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken auf den Grundkörper des Reibrings aufgebracht. In der Folge ergibt sich so bevorzugt eine ebene Reibfläche. Zum Aufbringen der Beschichtung werden dabei bevorzugt thermische Spritzverfahren wie Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogen-Drahtspritzen (LDS) oder dergleichen oder auch Physical Vapour Deposition (PVD) verwendet.
Ein weiteres geeignetes Verfahren wird durch Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials gebildet, bei dem das Trägermaterial an der Oberfläche partiell durch Strahlungsenergie aufgeschmolzen, der Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze vermischt und so in das Trägermaterial eingebunden wird.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Bremsscheibe mit einem erfindungsgemäßen Reibring,
2 eine Ausschnittsvergrößerung des Reibrings aus der in 1 gezeigten Bremsscheibe und
3 einen Querschnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Bremsscheibe mit einem erfindungsgemäßen Reibring.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Bremsscheibe für einen Kraftwagen. Diese umfasst einen Reibring 12 sowie einen Bremsscheibentopf 14, wobei am Bremsscheibentopf 14 eine Aufnahmeöffnung 16 zur Befestigung der Bremsscheibe 10 an einer Achse des Kraftwagens vorgesehen ist. Im gezeigten Beispiel sind Reibring 12 und Bremsscheibentopf 14 einteilig ausgeführt. Solche Bremsscheiben werden insbesondere als einteilige Gussbauteile, beispielsweise aus Grauguss gefertigt. Um die Reibungseigenschaften der Reibflächen 18 und 20 des Reibringes 12 zu verbessern, ist auf den Reibflächen 18 und 20 jeweils eine Beschichtung 22, 24 aufgebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine keramische Beschichtung aus Chromcarbid, Aluminiumoxid oder Titandioxid handeln. Auch Diamant oder Cermet kann verwendet werden.
Während des Betriebs der Bremsscheibe 10 erfährt der Reibring 12 eine ungleichmäßige Erwärmung über seine Reibflächen 18 und 20 hinweg. Es bilden sich so genannte Hotspots, also Zonen erhöhter Temperatur. Hierdurch kommt es bei üblichen Bremsscheiben zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung des Reibringes 12, weswegen der Reibring 12 nicht mehr planparallel an den Bremsbacken des Bremssystems anliegt. Hierdurch entstehen Vibrationen und Geräusche, das so genannte Heißrubbeln des Bremsringes. Um dem vorzubeugen, sind die Beschichtungen 22 und 24 im gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Reibringes 12 nicht gleichmäßig aufgebracht. Dies ist in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung in 2 verdeutlicht.
Die Beschichtung 22 der Reibfläche 20 des Reibringes 12 weist ein konkaves Dickenprofil auf, wobei sich die Dicke der Beschichtung 22 von einer Mindestdicke d₁ am Außenrand 26 des Reibringes 12 radial nach innen erhöht, bis die Beschichtung 22 in etwa in der Mitte des Reibringes 12 ihre Maximaldicke d₂ erreicht, woraufhin sich die Dicke radial nach innen wiederum bis auf den Wert d₁ reduziert. Der Reibring 12 weist ein komplementäres Oberflächenprofil zur Beschichtung 22 auf, so dass sich in der Summe eine plane Reibfläche 20 ergibt. Auf der zweiten Reibfläche 18 des Reibringes 12 ist eine Beschichtung 24 aufgebracht, welche radial von außen nach innen einen keilförmigen Verlauf in ihrer Dicke nimmt. An der Außenkante 26 des Reibringes 12 weist die Beschichtung 24 ihre Maximaldicke d₃ auf. Die Dicke der Beschichtung 24 reduziert sich radial nach innen bis auf 0. Auch hier weist der Grundkörper 28 des Reibringes 12 auf seiner Oberfläche 18 ein komplementäres Profil auf, so dass sich in der Summe wiederum eine plane Reibfläche 18 ergibt.
Die Dickenprofile der Beschichtungen 22 und 24 sind dabei so gewählt, dass sich aus der Kombination der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers 28 und der Beschichtungen 22 und 24 mit den unterschiedlichen Temperaturen des Reibringes 12 im Betrieb der Bremsscheibe 10 eine gleichmäßige Längenausdehnung des gesamten Reibringes 12 über die gesamten Reibflächen 18 und 20 hinweg ergibt. Die Reibflächen 18 und 20 sind somit sowohl im kalten Zustand als auch im aktiven Bremsbetrieb, also im heißen Zustand, jeweils plan. Weder ein Heiß- noch ein Kaltrubbeln der Bremsscheibe findet statt, was sowohl Vibrationen und Geräusche als auch Verschleiß des Bremssystems reduziert.
3 zeigt schließlich eine alternative Ausführungsform einer Bremsscheibe 10' mit einem Bremsscheibentopf 14 und einem innenbelüfteten Reibring 12'. Der Reibring 12' ist nicht wie der in 1 und 2 gezeigte Reibring 12 massiv ausgeführt, sondern weist Luftkanäle 30 auf, welche zwischen den beiden Reibringhälften 32 und 34 verlaufen. Die Reibringhälften 32 und 34 sind dabei durch Noppen 36 gegeneinander abgestützt. Die erste Reibfläche 18 der Reibringhälfte 34 ist im gezeigten Beispiel unbeschichtet, eine Beschichtung ist lediglich auf der Reibfläche 20 der zweiten Reibringhälfte 32 aufgebracht. Die Beschichtung 22 der Reibringhälfte 32 weist dabei zunächst in einem radial innen gelegenen Bereich 38 eine konstante Dicke auf. Lediglich in einem radial außen gelegenen Bereich 40 der Reibringhälfte 32 ist die Beschichtung 22 verdickt. Dies dient im gezeigten Beispiel dem Ausgleich unterschiedlicher Temperaturabfuhr im Bereich der Luftkanäle 30 und Noppen 36. Hierdurch wird die bei innenbelüfteten Bremsscheiben 10 besonders hohe Gefahr der Dickenvariation des Reibringes 12' reduziert, indem gegebenenfalls auftretende unterschiedliche Wärmeausdehnungen in verschiedenen Bereichen 38, 40 des Reibringes 12' durch unterschiedliche Ausdehnungen der Beschichtung 22 jeweils kompensiert werden.

10, 10': Bremsscheibe
12, 12': Reibring
14: Bremsscheibentopf
16: Aufnahmeöffnung
18: Reibfläche
20: Reibfläche
22: Beschichtung
24: Beschichtung
26: Außenrand
28: Grundkörper
30: Luftkanal
32: Reibringhälfte
34: Reibringhälfte
36: Noppen
38: innen gelegener Bereich
40: außen gelegener Bereich
d₁: Mindestdicke
d₂: Maximaldicke
d₃: Maximaldicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10203507 A1 [0002, 0011]
- DE 102005008569 A1 [0003, 0011]

Claims

Reibring (12, 12') für einen Bremsscheibe (10, 10'), welcher zumindest bereichsweise eine Beschichtung (22, 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 24) ein Dickenprofil mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (d₁, d₂, d₃) aufweist.
Reibring (12, 12') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (12, 12') ein Oberflächenprofil aufweist, welches komplementär zu dem Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) ausgebildet ist.
Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) in radialer Richtung keilförmig ausgebildet ist.
Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) zumindest bereichsweise konkav ausgebildet ist.
Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) in etwa der Verteilung der Hotspots folgt.
Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (22, 24) oberhalb der Kühlkanäle höher ist als oberhalb der zugeordneten Noppen (36) oder Stege.
Reibring (12, 12') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 24) Cr₃C₂ und/oder Al₂O₃ und/oder TiO₂ und/oder Diamant und/oder MMC und/oder IMC und/oder Cermet umfaßt.
Reibring (12, 12') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Beschichtung (22, 24) und einem Grundkörper (28) des Reibringes (12, 12') eine Zwischenschicht vorgesehen ist.
Reibring (12, 12') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aluminium- und/oder chromhaltige Nickellegierungen und/oder ZrNiCrAlY-Legierungen umfasst.
Reibring (12, 12') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (28) des Reibringes (12, 12') aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Reibrings (12, 12') für eine Bremsscheibe (10, 10') nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten: – Ausbildung eines zu einem Dickenprofil einer Beschichtung (22, 24) mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (d₁, d₂, d₃) komplementären Oberflächenprofils des Reibrings (12, 12'); – Aufbringender Beschichtung (22, 24) unter Bildung des Dickenprofils mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (d₁, d₂, d₃).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Beschichtung (22, 24) eine ebene Reibfläche (18, 20) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 24) durch ein thermisches Spritzverfahren oder Physical Vapor Deposition aufgebracht wird.