DE102009058818A1

DE102009058818A1 - Verfahren zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit

Info

Publication number: DE102009058818A1
Application number: DE200910058818
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr.-Ing. Mayer; Ihsan Özer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit und Dauerfestigkeit bei Verbundbremsscheiben, die zumindest zwei Bauteile, beispielsweise einen Bremsscheibenkopf (1) und einen Reibring aufweisen, die über eine mikroformschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind, bei dem zumindest an einem Bauteil, vorzugsweise am Bremsscheibentopf (1), eine Fügefläche (2) geglättet und dadurch dort vorhandene Rauhigkeitsspitzen (5) plastisch verformt werden, so dass eine verfestigte, feinkörnige Randschicht entsteht, bei der insbesondere ein Materialtraganteil vergrößert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit und Dauerfestigkeit bei Verbundbremsscheiben. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit und der Dauerfestigkeit einer Fügefläche an einem Bremsscheibentopf einer Verbundbremsscheibe.
In der Automobilbranche gewinnt das Thema „Leichtbau” zunehmend an Bedeutung, insbesondere auch im Bereich von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Im Bereich einer Bremsscheibe bedeutet Leichtbau eine Reduzierung einer reifengefederten Masse und damit eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs sowohl während eines Beschleunigungsvorgangs als auch während des Bremsens. Bisher bekannte Verbundbremsscheiben bestehen im Wesentlichen aus einem Bremsscheibentopf aus Aluminium sowie einem damit verpressten Reibring. Die Pressverbindung ist dabei als mikroformstoffschlüssige Pressverbindung ausgelegt, wobei die Qualität dieser Verbindung sowohl von einer Haftfestigkeit von in einer Fuge eingebetteten Hartstoffpartikeln, als auch von tribologischen Eigenschaften einer Fügefläche des Bremsscheibentopfs abhängig ist. Dies bedeutet, je härter die Gegenfläche bzw. die Fügefläche des Bremsscheibentopfs ist, desto größer sind auch die darüber zu übertragenden Drehmomente. Das Versagen der mikroformschlüssigen Pressverbindung beginnt dabei üblicherweise erst dann, wenn die von den Hartstoffpartikeln an der Fügefläche des Bremsscheibentopfs erzeugten Mikroformschlüsse unter zu hohen Scherspannungen in einen plastischen Zustand übergehen, das heißt plastisch deformiert werden und dadurch ihre mikroschlüssige Form verlieren. Die mechanischen Eigenschaften, wie bspw. Härte und Festigkeit der Legierung des Bremsscheibentopfs bilden somit die wesentlichen Eigenschaften, die die Versagensgrenze der gesamten Verbundbremsscheibe beeinflussen.
Aus der DE 10 2005 037 676 A1 ist eine Verbundbremsscheibe mit einer mikroformschlüssigen Pressverbindung zwischen einem Bremsscheibentopf und einem Reibring bekannt. Der Reibring und der Bremsscheibentopf sind dabei mittels Längs- oder Querpressverbindungen miteinander gefügt, wobei eine, mehrere oder alle Fügeflächen vollständig oder teilweise mit harten Partikeln versehen sind, die in einer Matrix aus Nickel, Klebstoff und anderem Material eingebettet sind. Hierdurch soll die Drehmomentübertragungsfähigkeit gesteigert werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine Drehmomentübertragungsfähigkeit sowie eine Dauerfestigkeit bei Verbundbremsscheiben kostengünstig zu erhöhen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Bremsscheibentopf einer aus diesem und einem zusätzlichen Reibring bestehenden Verbundbremsscheibe eine Fügefläche am Bremsscheibentopf zu glätten und dadurch die dort vorhandenen Rauhigkeitsspitzen plastisch zu verformen, so dass eine verfestigte, feinkörnige Randschicht entsteht, bei der insbesondere ein Materialtraganteil und die Dauerfestigkeit vergrößert sind.
Das Glätten der Fügefläche des Bremsscheibentopfs kann bspw. mittels einer Glättwalze erfolgen und stellt ein kostengünstiges, spanloses Umformverfahren von metallischen Oberflächen dar. Unter Belastung der Glättwalze entsteht an der Kontaktstelle in der Werkstoffoberfläche ein dreidimensionaler Spannungszustand, der beim Überschreiten einer Werkstoffstreckgrenze eine plastische Umformung hervorruft. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine oder mehrere Rollen bzw. Walzen vorzugsweise mit einer senkrecht zur Lauffläche gerichteten Umformkraft (Rollierkraft) beaufschlagt. Die Glättwalze wird dabei unter hoher Normalspannung über die zu bearbeitende Fügefläche geführt und verdrängt dabei die Oberflächen- bzw. Rauhigkeitsspitzen in eine Randschicht. Das verdrängte Werkstoffvolumen fließt dabei von unten in die sich anhebenden Profiltäler, wobei aus den Rauhigkeitsspitzen Oberflächenplateaus entstehen, die einen hohen Materialtraganteil aufweisen. Im Ergebnis entstehen somit nahezu spiegelglatte Oberflächen von geringer Rautiefe (kleiner als 1 μm). Nach der Umformung der Rauhigkeitsspitzen verfestigt sich die Oberfläche der Fügefläche in der Einflusszone, wodurch die Verschleißfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Werkstoffermüdungsgrenze verbessert werden, sowie eine deutlich höhere Härte an der Oberfläche bzw. an der Fügefläche erzielt werden kann. Da insgesamt keine Volumenänderung auftritt, wird ungefähr die Hälfte der Oberflächenrauhigkeit eingeebnet und das gleiche Volumen angehoben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine beträchtliche Verfestigung bzw. Härtung der Fügefläche erreicht werden, wobei auch die Wechselfestigkeit um bis zu 200% gesteigert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei mit handelsüblichen Fertigungs- bzw. Glättmaschinen durchgeführt werden, wobei die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Fügeflächen sich durch folgende positive Eigenschaften auszeichnen:

– geringe Rautiefe (kleiner 1 μm),
– hoher Materialtraganteil durch Plateaubildung,
– äußerst geringe Abrasivität,
– geringe Glättungstiefe,
– deutliche Werkstoffverfestigung und erhöhte Oberflächenhärte sowie Verschleißfestigkeit,
– weniger Neigung zur Rissbildung,
– erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufgrund des verdichteten und feinkörnigen Werkstoffs an der Fügefläche,
– höheres maximal zulässiges Übermaß bzw. erhöhte mechanische Beanspruchbarkeit.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 einen Bremsscheibentopf und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Glätten von Fügeflächen,
2 die Vorrichtung beim Glätten einer Fügefläche.
Entsprechend der 1 weist ein vorzugsweise aus Aluminium gefertigter, insbesondere gedrehter und geschliffener, Bremsscheibentopf 1 eine Fügefläche 2 auf, über welche er mit einem nicht gezeigten Reibring verpresst wird und dadurch eine Verbundbremsscheibe bildet. Zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit sowie der Dauerfestigkeit der Verbindung zwischen dem Bremsscheibentopf 1 und dem nicht gezeigten Reibring wird vorgeschlagen, die Fügefläche 2 mittels einer geeigneten Vorrichtung 3 zu glätten und dadurch dort vorhandene Rauhigkeitsspitzen 5 plastisch zu verformen, so dass eine verfestigte, feinkörnige Randschicht entsteht, bei der insbesondere ein Materialtraganteil vergrößert ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit und der Dauerfestigkeit kann bspw. Glättwalzen 4 aufweisen, die unter hoher Normalspannung entlang der Fügefläche 2 gerollt werden und dadurch die dort vorhandenen Rauhigkeitsspitzen 5 ebnen.
Durch das Glattwalzen werden die Rauhigkeitsspitzen 5 umgeformt und geglättet, und gleichzeitig der Materialtraganteil erhöht, wodurch die mikroformschlüssige Verbindung der beiden Komponenten, nämlich des Bremsscheibentopfs 1 und des Reibrings über die Fügefläche 2 verbessert werden können und dadurch eine höhere Drehmomentübertragung ermöglicht wird. Gleichzeitig erhöht sich der Haftbeiwert der Fügefläche nach dem Glätten, wobei sich ebenfalls die Drehmomentübertragungsfähigkeit sowie die Lebensdauer der Pressverbindung erhöhen. Auch nimmt eine Rissgefahr ab, was ebenfalls die Lebensdauer erhöht. Durch eine verbesserte Maßhaltigkeit und insbesondere durch die Verkürzung von Fertigungstaktseiten lassen sich weitere Fertigungsvorteile erzielen. Die Pressverbindung zwischen dem Bremsscheibentopf 1 und dem Reibring erfolgt dabei mittels eines Aufschrumpfens des zuvor erwärmten Reibrings, wobei die Fügefläche 2 des aus Aluminium gefertigten Bremsscheibentopfs 1 vor dem Glätten zuerst spanend bearbeitet wird. Hierbei beträgt die Oberflächenrauhigkeit bzw. die durchschnittliche Höhe der Rauhigkeitsspitzen 5 ca. 30 μm, was selbstverständlich auch aus der Vorbearbeitung, das heißt bspw. aus einem Drehen, resultiert.
Generell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 als Rollierwerkzeug ausgelegt sein, das mehrere Walzen 4 (Rolle) aufweist, um die gewünschte Oberflächengüte und Fertigungsgeschwindigkeit zu erreichen. Die Vorrichtung 3 ist dabei vorzugsweise derart ausgelegt, dass über diese eine Verfestigung der Fügefläche 2 bis in eine Tiefe von –10 μm erreicht werden kann.
Das Glattwalzen der Fügeflächen 2 ist dabei eine Feinstbearbeitung, bei welcher die Rauhigkeitsspitzen 5 plastisch verformt werden, wobei sich nach dem Umformen der Fügefläche 2 des Bremsscheibentopfs 1 in der Einflusszone verfestigt, so dass die Verschleißfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Werkstoffermüdungsgrenze verbessert werden. Da aufgrund einer fehlenden, spanabhebenden Bearbeitung keine Volumenänderungen auftreten, wird ungefähr die Hälfte der Rauhigkeitsspitzen 5 eingeebnet und das gleiche Volumen angehoben.
Generell soll damit die Verfestigung der Fügeflächen 2 mit Hilfe von handelsüblichen Werkzeugen bzw. Fertigungsmaschinen erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005037676 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit und Dauerfestigkeit bei Verbundbremsscheiben, die zumindest zwei Bauteile, beispielsweise einen Bremsscheibentopf (1) und einen Reibring aufweisen, die über eine mikroformschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind, bei dem zumindest an einem Bauteil, vorzugsweise am Bremsscheibentopf (1), eine Fügefläche (2) geglättet und dadurch dort vorhandene Rauhigkeitsspitzen (5) plastisch verformt werden, so dass eine verfestigte, feinkörnige Randschicht entsteht, bei der insbesondere ein Materialtraganteil vergrößert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Verfestigen der Fügefläche (2) bis in eine Tiefe von zumindest 10 μm erfolgt.
Vorrichtung (3) zur Erhöhung der Drehmomentübertragungsfähigkeit und Dauerfestigkeit einer Fügefläche (2) an einem Bremsscheibentopf (1) einer Verbundbremsscheibe mit zumindest einer Glättwalze (4) zum Glätten der Fügefläche (2) und zum plastischen Verformen dort vorhandener Rauhigkeitsspitzen (5).