DE102009050024A1

DE102009050024A1 - Bremsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009050024A1
Application number: DE200910050024
Authority: DE
Inventors: Rasim Dr. Yarim
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Bremsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Keramikbremsscheibe (2) sowie einen mit ihr derart tribologisch zusammenwirkenden Bremsbelag (3), dass sich bei einem Bremsvorgang auf der Bremsscheiben- und der Bremsbelagoberfläche eine filmartige Schicht (4) bildet, wobei der Bremsbelag (3) enthält: - wenigstens ein Metallsulfat, - Eisen, - Zirkonoxid und - wenigstens ein Titanat und/oder reines TiOund/oder ein TiO-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall, sowie ein matrixbildendes Harz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Keramikbremsscheibe sowie einen mit ihr derart tribologisch zusammenwirkenden Bremsbelag, dass sich bei einem Bremsvorgang auf der Bremsscheiben- und der Bremsbelagoberfläche eine filmartige Schicht bildet.
Eine derartige Bremsvorrichtung ist beispielsweise aus EP 2 053 265 A1 bekannt. Die dortige Bremsvorrichtung ist derart ausgebildet, dass bei einem Bremsvorgang das Belastungskollektiv aus Temperatur, Druck und Geschwindigkeit die Ausbildung einer auf der Bremsscheiben- und Bremsbelagoberfläche haftenden, filmartigen Schicht bewirkt. Diese filmartige Schicht bewirkt eine Stabilisierung des Reibwertverlaufs und damit eine verbesserte Bremsleistung. Zudem agiert die ausgebildete filmartige Schicht als ein Oberflächenschutz gegen Ausbrand etwaiger bremsscheiben- oder belagseitig vorhandener Kohlenstoffbestandteile, sodass ein geringerer Verschleiß der beiden Reibpartner und damit eine längere Lebensdauer sichergestellt ist. Die Ausbildung der Zwischenschicht kann ihre Grundlage allein in der Zusammensetzung des Bremsbelags haben, der derart hinsichtlich der Belagbestandteile konzipiert ist, dass er oberflächlich bei einem Bremsvorgang aufgrund des vorherrschenden Belastungskollektivs aus Druck, Temperatur und Geschwindigkeit „aufschmiert”, mithin also eine Gefüge- und gegebenenfalls Phasenänderung einsetzt und sich oberflächlich eine „aufgeweichte” Materialschicht ausbildet, die aufgrund ihrer Weichheit bzw. Viskosität zum einen auch auf die Bremsbelagoberfläche „geschmiert” also übertragen werden kann und dort anhaftet, und zum anderen bei Abbau des Belastungskollektivs wieder als extrem dünne Schicht auf beiden Oberflächen der Reibpartner verbleibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Bremsvorrichtung anzugeben, deren Bremsbelag eine besonders vorteilhafte Materialzusammensetzung aufweist, die für eine gute Schichtausbildung geeignet ist.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Bremsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Bremsbelag enthält:

– wenigstens ein Metallsulfat,
– Eisen,
– Zirkonoxid und
– wenigstens ein Titanat und/oder reines Ti_nO2_n-1 und/oder ein Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall,
– sowie ein matrixbildendes Harz.

Versuche haben gezeigt, dass die Formulierung der Bremsbelagzusammensetzung aus den genannten Materialien zu einer sehr guten Schichtbildung führt, die einerseits eine niedrige Rauigkeit hat, mithin also eine sehr gute Scherung liefert, zum anderen wird hierüber ein relativ konstanter Reibwert erreicht, das heißt, der Reibwertverlauf verbessert sich ebenfalls im Vergleich zu Bremsvorrichtungen ohne erfindungsgemäß ausgebildeter Zwischenschicht.
In Weiterbildung der Erfindung kann das wenigstens eine Metallsulfat zu 10–50 Vol.%, Eisen zu 10–40 Vol.%, Zirkonoxid zu 5–20 Vol.%, das wenigstens eine Titanat und/oder das reine Ti_nO_2n-1 und/oder das Ti_nO_2n-1-haltige Alkali- oder Erdalkalimetall zu 5–30 Vol.% und das Harz zu 7,5–35 Vol.% vorliegen. Die Wahl der konkreten Mengenanteile richtet sich letztlich nach den gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie dem Anwendungsfall.
Als besonders zweckmäßig hat sich herausgestellt, wenn als Metallsulfat BaSO₄ oder CaSO₄ oder eine Mischung daraus verwendet wird. Beide Sulfate ermöglichen eine sehr gute Haftung des auf die Bremsscheibenoberfläche übertragenen „aufgeschmierten” Schichtmaterials, das heißt, sie ermöglichen eine gute Benetzung der üblicherweise aus SiC und Si, gegebenenfalls auch zusätzlichem C bestehenden Bremsscheibe.
Das Titanat ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zweckmäßigerweise ein Kaliumtitanat, wobei hierfür bevorzugt K₂Ti₈O₁₇ oder K₂Ti₆O₁₃ verwendet wird, wobei – wie auch bezogen auf die Metallsulfate – diese Aufzählung nicht abschließend ist, sondern je nach gewünschtem Anforderungsprofil und Einsatzzweck gegebenenfalls auch andere Titanate respektive Kaliumtitanate (Entsprechendes gilt bezüglich der verwendeten Metallsulfate) eingesetzt werden können.
Zur Verbesserung respektive Optimierung der physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaft kann in Weiterbildung der Erfindung wenigstens einer der nachfolgend genannten Stoffe in der Bremsbelagzusammensetzung enthalten sein:
Koks zu maximal 25 Vol.%,
para-Aramidfasern zu maximal 25 Vol.%,
Cu zu maximal 20 Vol.%
Zn zu maximal 7,5 Vol.%
Fe₃O₄ zu maximal 10 Vol.%,
CaSiO₃ zu maximal 10 Vol.%
ZrSiO₄ zu maximal 7,5 Vol.%
Graphit zu maximal 7,5 Vol.%
Al₂O₃ zu maximal 7,5 Vol.%
MgO zu maximal 7,5 Vol.%
ZnO₂ zu maximal 7,5 Vol.%
SnO₂ zu maximal 5 Vol.%
TiO₂ zu maximal 5 Vol.%
SiC zu maximal 5 Vol.%
FeS₂ zu maximal 7,5 Vol.%
ZnS zu maximal 15 Vol.%
SnS zu maximal 5 Vol.%
H₃O₄P_3/2Zn zu maximal 5 Vol.%
Glimmer zu maximal 7,5 Vol.%
Feuerfeste Keramikfaser zu maximal 10 Vol.%
Basaltfaser zu maximal 10 Vol.%
Sb₂O₃ zu maximal 5 Vol.%.
Es ist möglich, nur einen Stoff aus der aufgezählten Stoffsammlung beizugeben, wie auch beliebige Mischungen aus mehreren Stoffen, wobei der jeweilige Einzelstoff maximal mit den angegebenen maximalen Vol.%-Anteilen zugemischt werden kann.
Die Keramikbremsscheibe der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung besteht im Bereich ihrer mit dem Bremsbelag zusammenwirkenden Oberfläche zumindest aus SiC zu 30–95 Vol.% und aus Si zu 5–30 Vol.%, gegebenenfalls kann auch zusätzlich Kohlenstoff zu maximal 30 Vol.% enthalten sein. Selbstverständlich können auch in der Bremsscheibe noch zusätzliche, nicht näher aufgeführte Stoffe enthalten sein, die die Eigenschaften optimieren, wobei diese Zuschlagstoffe durchaus auch aus den oben gewählten möglichen Zuschlagstoffen zur Belagzusammensetzung gewählt sein können.
Neben der Bremsvorrichtung selbst betrifft die Erfindung ferner eine Bremsbelag für eine solche Bremsvorrichtung, der sich dadurch auszeichnet, dass er enthält:

– wenigstens ein Metallsulfat,
– Eisen,
– Zirkonoxid und
– wenigstens ein Titanat und/oder reines Ti_nO_2n-1 und/oder ein Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall,
– sowie ein matrixbildendes Harz, wobei als Harz bevorzugt Phenolharz verwendet wird.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Bremsbelags ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen bzw. sind bereits voranstehend in Bezug auf die Bremsvorrichtung diskutiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden genannten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 ein Prinzipdiagramm mit einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung respektive zwei erfindungsgemäßen Bremsbelägen zur Darstellung des Vorgangs der Schichtbildung,
2 ein Prinzipdiagramm zur Darstellung des Verlaufs des Reibwertes einer Bremsvorrichtung ohne Schichtbildung und einer Bremsvorrichtung mit Schichtbildung.
1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung 1, umfassend eine Keramikbremsscheibe 2, beispielsweise bestehend aus Si/SiC/C, die in einer Matrix gebunden sind. Ferner sind zwei Bremsbeläge 3 vorgesehen, die, wie auch die Bremsscheibe 2, nur als Prinzipdarstellung gezeigt sind. Gezeigt ist jeweils der Ausgangszustand vor der ersten Bremsung, also quasi der Neuzustand. In diesem mit I gekennzeichneten Zustand greifen die Bremsbeläge 3 nicht an der Bremsscheibe 2 an.
Die Bremsbeläge 3 bestehen aus einem Metallsulfat, bevorzugt BaSO₄ mit einem Gehalt von 10–50 Vol.%. Ferner ist Eisen in Pulverform zu einem Gehalt von jeweils 10–40 Vol.% enthalten. Zirkonoxid liegt mit einem Gehalt von 5–20 Vol.% vor, sowie ein Titanat, bevorzugt ein Kaliumtitanat wie K₂Ti₈O₁₇ oder K₂Ti₆O₁₃, zusätzlich oder alternativ reines Ti_nO_2n-1 oder zusätzlich oder alternativ ein Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall. Der Gehalt des Titanats/Ti_nO_2n-1 oder des Ti_nO_2n-1-haltigen Alkali- bzw. Erdalkalimetalls beträgt 5–30 Vol.%. Die genannten Zuschlagstoffe sind in einem eine Matrix bildenden Harz, vorzugsweise einem Phenolharz mit einem Gehalt von 7,5–35 Vol.% gebunden. Sämtliche Zuschlagstoffe liegen entweder pulverförmig, granulatförmig oder faserförmig vor.
Wird nun gebremst, wie in Teil II dargestellt, so werden die Bremsbeläge 3 bekanntlich gegen die rotierende Keramikbremsscheibe 2 gedrückt. Hierbei kommt es durch das gegebene Belastungskollektiv aus Temperatur, Druck und Geschwindigkeit zu einem „Aufschmieren” der Oberflächenschicht der Bremsbeläge 3, die durch den Temperatur- und Druckeintrag aufweicht respektive viskos wird. Diese weiche, viskose Oberflächenschicht, die wenige Nanometer bis Mikrometer dick ist, wird von dem jeweiligen Bremsbelag auf die Keramikbremsscheibenoberfläche übertragen, wird dort also „aufgeschmiert”. Insbesondere durch Zugabe von BaSO₄ (alternativ ist auch CaSO₄ verwendbar) ergibt sich eine sehr gute Benetzung der Keramikbremsscheibe, was für eine gute Anbindung und Haftung des aufgetragenen viskosen Schichtmaterials führt.
Nach Beendigung des Bremsvorgangs, siehe Teilbild III, werden die Bremsbeläge 3 wieder von der Keramikbremsscheibe 2 entfernt. Hierbei verbleibt jeweils eine Schicht 4 sowohl auf den Belagoberflächen wie auch auf den Bremsscheibenoberflächen. Diese infolge des Temperatur- und Druckeintrags vormals weiche Schicht respektive das Schichtmaterial härtet wieder aus, bleibt jedoch gut haftend auf den jeweiligen Oberflächen. Die Bildung dieser Schicht 4 aus einer weichen, viskosen Phase führt dazu, dass sich insgesamt jeweils sehr ebene, eine sehr geringe Rauheit aufweisende Schichten 4 ausbilden. Dies ist vorteilhaft für eine gute Scherung in nachfolgenden Bremsvorgängen. Mit jedem Bremsvorgang bildet sich diese filmartige Schicht 4 nach, d. h., dass infolge des Temperatur- und Druckeintrags immer wieder einerseits ein geringer Anteil der gebildeten Schichten 4 – die natürlich in 1 wesentlich stärker aus Gründen der Darstellung gezeigt ist als sie in Wirklichkeit ist – abgetragen wird, jedoch kommt es infolge des wirkenden Belastungskollektivs stets zu einer Neubildung.
Die Ebenflächigkeit der Schicht 4 wirkt sich wie beschrieben auf den Reibwertverlauf während eines Bremsvorgangs aus. Dies ist als Prinzipdarstellung in 2 gezeigt. Gezeigt ist mit der Kurve A der Verlauf des Reibwertes μ, der längs der Ordinate aufgetragen ist, über die längs der Abszisse aufgetragene Zeit. Ersichtlich schwankt die Kurve A relativ stark, es ergibt sich ein mit Δ₁ gekennzeichnetes Reibwertintervall.
Im Vergleich hierzu zeigt die Kurve B, die den Reibwertverlauf einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung 1, bei der sich beidseits die Schichten 4 ausbilden. Es ergibt sich ein wesentlich geringerer Schwankungsbereich, der in 2 mit Δ₂ dargestellt ist. D. h., dass ein wesentlich homogenerer Reibwertverlauf über die Zeit gegeben ist, mithin also ein wesentlich stabilerer Reibwertverlauf realisiert ist und damit eine verbesserte Bremsleistung zu beobachten ist.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 genannten Materialien exemplarischer Natur sind. Sofern erforderlich, ist es durchaus denkbar, andere Metallsulfate als BaSO₄ oder CaSO₄ oder andere Titanate als die genannten Kaliumtitanate einzusetzen. Auch ist es denkbar, weitere Zuschlagsstoffe zuzugeben, wie beispielsweise zusätzliche Faserstoffe wie Aramidfasern, Hartstoffe wie Al₂O₃ oder andere Metalloxide, wie sie einleitend genannt wurden.
Die Schicht 4 bildet sich bevorzugt flächendeckend als Reibfilm zwischen Keramikbremsschreibe und Bremsbelag, was für eine besonders gute Stabilisierung des Reibwertverlaufs über die gesamte Reib- oder Bremsfläche sorgt. Die Schicht 4 ist aus physikalischer und chemischer Sicht ein Reaktionsprodukt, das durch den Bremsenbetrieb generiert wird. Hieraus folgt, dass die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften der Zwischenschicht nicht mit der Zusammensetzung und den Eigenschaften der Reibpartner, also der Bremsscheibe und dem Bremsbelag identisch sein müssen. Insbesondere kann die Oxidation der Komponenten des Belagmaterials durch die reibinduzierte Temperaturerhöhung eine chemische Veränderung der Reibschicht beeinflussen, zumal gemäß der vorliegenden Erfindung die Zusammensetzung des Bremsbelags für die Schichtbildung verantwortlich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2053265 A1 [0002]

Claims

Bremsvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Keramikbremsscheibe (2) sowie einen mit ihr derart tribologisch zusammenwirkenden Bremsbelag (3), dass sich bei einem Bremsvorgang auf der Bremsscheiben- und der Bremsbelagoberfläche eine filmartige Schicht (4) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsbelag (3) enthält: – wenigstens ein Metallsulfat, – Eisen, – Zirkonoxid und – wenigstens ein Titanat und/oder reines Ti_nO_2n-1 und/oder ein Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall, – sowie ein matrixbildendes Harz.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das wenigstens eine Metallsulfat zu 10–50 Vol.%, – Eisen zu 10–40 Vol.% – Zirkonoxid zu 5–20 Vol.%, – das wenigstens eine Titanat und/oder reine Ti_nO_2n-1 und/oder eine Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall zu 5–30 Vol.% und – das Harz zu 7,5–35 Vol.% vorliegt.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsulfat BaSO₄ oder CaSO₄ oder eine Mischung daraus ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanat ein Kaliumtitanat ist.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaliumtitanat K₂Ti₈O₁₇ oder K₂Ti₆O₁₃ ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorangehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der nachfolgend genannten Stoffe enthalten ist: Koks zu maximal 25 Vol.%, para-Aramidfasern zu maximal 25 Vol.%, Cu zu maximal 20 Vol.% Zn zu maximal 7,5 Vol.% Fe₃O₄ zu maximal 10 Vol.%, CaSiO₃ zu maximal 10 Vol.% ZrSiO₄ zu maximal 7,5 Vol.% Graphit zu maximal 7,5 Vol.% Al₂O₃ zu maximal 7,5 Vol.% MgO zu maximal 7,5 Vol.% ZnO₂ zu maximal 7,5 Vol.% SnO₂ zu maximal 5 Vol.% TiO₂ zu maximal 5 Vol.% SiC zu maximal 5 Vol.% FeS₂ zu maximal 7,5 Vol.% ZnS zu maximal 15 Vol.% SnS zu maximal 5 Vol.% H₃O₄P_3/2Zn zu maximal 5 Vol.% Glimmer zu maximal 7,5 Vol.% Feuerfeste Keramikfaser zu maximal 10 Vol.% Basaltfaser zu maximal 10 Vol.% Sb₂O₃ zu maximal 5 Vol.%.
Bremsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbremsscheibe (2) zumindest im Bereich ihrer mit dem Bremsbelag (3) zusammenwirkenden Oberfläche besteht aus: – SiC zu 30–95 Vol.% – Si zu 5–30 Vol.%
Bremsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Kohlenstoff zu maximal 30 Vol.% enthalten ist.
Bremsbelag (3) für eine Bremsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er enthält: – wenigstens ein Metallsulfat, – Eisen, – Zirkonoxid und – wenigstens ein Titanat und/oder reines Ti_nO_2n-1 und/oder ein Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall, sowie ein matrixbildendes Harz.
Bremsbelag nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das wenigstens eine Metallsulfat zu 10–50 Vol.%, – Eisen zu 10–40 Vol.% – Zirkonoxid zu 5–20 Vol.%, – das wenigstens eine Titanat und/oder reine Ti_nO_2n-1 und/oder eine Ti_nO_2n-1-haltiges Alkali- oder Erdalkalimetall zu 5–30 Vol.% und – das Harz zu 7,5–35 Vol.% vorliegt.
Bremsbelag nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsulfat BaSO₄ oder CaSO₄ oder eine Mischung daraus ist.
Bremsbelag nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanat ein Kaliumtitanat ist.
Bremsbelag nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaliumtitanat K₂Ti₈O₁₇ oder K₂Ti₆O₁₃ ist.
Bremsbelag nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der nachfolgend genannten Stoffe enthalten ist: Koks zu maximal 25 Vol.%, para-Aramidfasern zu maximal 25 Vol.%, Cu zu maximal 20 Vol.% Zn zu maximal 7,5 Vol.% Fe₃O₄ zu maximal 10 Vol.%, CaSiO₃ zu maximal 10 Vol.% ZrSiO₄ zu maximal 7,5 Vol.% Graphit zu maximal 7,5 Vol.% Al₂O₃ zu maximal 7,5 Vol.% MgO zu maximal 7,5 Vol.% ZnO₂ zu maximal 7,5 Vol.% SnO₂ zu maximal 5 Vol.% TiO₂ zu maximal 5 Vol.% SiC zu maximal 5 Vol.% FeS₂ zu maximal 7,5 Vol.% ZnS zu maximal 15 Vol.% SnS zu maximal 5 Vol.% H₃O₄P_3/2Zn zu maximal 5 Vol.% Glimmer zu maximal 7,5 Vol.% Feuerfeste Keramikfaser zu maximal 10 Vol.% Basaltfaser zu maximal 10 Vol.% Sb₂O₃ zu maximal 5 Vol.%.