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Die Erfindung betrifft eine Bremstrommel für ein Fahrzeug mit einem im Wesentlichen topfförmigen Grundkörper aus einem Leichtmetall, einem Reibkörper, der an einer radialen Innenfläche des Grundkörpers befestigt ist und auf den beim Bremsen die Reibkraft wirkt, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bremstrommel, bei dem zunächst ein im Wesentlichen topfförmiger Grundkörpers aus einer Leichtmetalllegierung gegossen oder geschmiedet wird, anschließend ein Reibkörper gegossen wird und daraufhin der Grundkörper mit dem Reibkörper verbunden wird.
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Bremstrommeln sowohl für Kraftfahrzeuge als auch für Schienenfahrzeuge aber auch für Zweiräder sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Beim Bremsvorgang greift dabei jeweils eine Bremsbacke in reibschlüssigen Kontakt mit einer Reibfläche der Bremstrommel, die üblicherweise an einer radialen Innenfläche ausgebildet ist. Die üblichen Bremstrommeln werden zumeist aus Grauguss oder Eisen gegossen, da eine hohe Festigkeit, Formsteifigkeit und Wärmeleitung aufgrund der beim Bremsvorgang hohen auftretenden Kräfte gefordert ist.
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Gleichzeitig steigt jedoch seit Jahren die Forderung zur Verringerung des Kraftstoffverbrauches und damit einhergehend der Zwang zur Gewichtseinsparung. Aus diesem Grund wurden Bremstrommeln aus einem Leichtmetall vorgeschlagen, welche einen Reibkörper aufweisen, der die auftretenden Kräfte aufnimmt und eine ausreichende Verschleiß- und Formfestigkeit aufweist.
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Entsprechend wird in der
DE 197 23 036 B4 eine Bremstrommel offenbart, deren Grundkörper aus einem Leichtmetall hergestellt ist und der mit einem Reibring formschlüssig verbunden ist, wobei der Formschluss Hinterschneidungen aufweist. Die Verbindung zwischen den beiden Körpern erfolgt durch Eingießen des Reibrings in den Grundkörper. Dieses Eingießverfahren ist jedoch aufwendig und schwierig durchzuführen. Des Weiteren kann bei Erwärmung eine unterschiedliche Ausdehnung der beiden Teile erfolgen, was zu Relativbewegungen der beiden Bauteile zueinander führen kann.
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Aus diesem Grund wird in der
DE 197 21 773 A1 eine Bremstrommel mit einem Grundkörper und einem Reibkörper vorgeschlagen, bei dem die beiden Materialien einen möglichst gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Sowohl Verbindungen durch Eingießen des Reibringes als auch durch mechanische Verbindungsverfahren, wie Verstemmen, Einpressen oder Einschrumpfen werden offenbart. Auch her ergibt sich beim Eingießen ein schwierig zu steuerender Prozess während bei der mechanischen Befestigung erneut ein Lösen aufgrund der angreifenden Kräfte nicht sicher verhindert werden kann.
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Aus diesem Grund wird dieser Eingießprozess des Reibrings, um eine befriedigende Festigkeit zu erzielen häufig im sehr aufwendigen Alfin-Verfahren durchgeführt, welches jedoch entsprechend hohe Kosten verursacht.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Bremstrommel und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bremstrommel zur Verfügung zu stellen, mit denen eine lange Lebensdauer der Bremstrommel sichergestellt werden kann, indem ein Lösen des Reibkörpers vom Grundkörper zuverlässig verhindert wird. Gleichzeitig soll eine prozesssichere Herstellung der Bremstrommel erreicht werden, so dass die Kosten zur Herstellung im Vergleich zu bekannten Verfahren reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bremstrommel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bremstrommel mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Dadurch, dass der Reibkörper stoffschlüssig durch Reibschweißen mit dem Grundkörper verbunden ist, also die Verbindung zwischen dem Reibkörper und dem Grundkörper durch einen Reibschweißprozess hergestellt wird, wird erreicht, dass eine Verbindung sehr hoher Festigkeit über eine große Fläche entsteht. Durch die beim Reibschweißprozess eingebrachte Wärme entsteht eine molekulare Verbindung, wobei durch diese Stoffschlüssigkeit ein Lösen ausgeschlossen wird. Die Festigkeit der Verbindung entspricht dabei etwa der Festigkeit der verbundenen Stoffe. Dieses Verbindungsverfahren ist mit sehr hoher Prozesssicherheit und kostengünstig herzustellen. Insbesondere handelt es sich bei dem Reibschweißverfahren um ein Rotationsreibschweißverfahren, welches besonders einfach durchzuführen ist und eine Spaltfreiheit gewährleistet, wodurch Korrosion im Betrieb verhindert wird.
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Vorzugsweise sind die zum Reibkörper weisende radiale Innenfläche des Grundkörpers und die zum Grundkörper weisende radiale Außenfläche des Reibkörpers korrespondierend kegelstumpfförmig ausgebildet. So kann der Reibkörper einfach in den Grundkörper eingesetzt und dort relativ zu diesem zur Herstellung der Reibschweißverbindung rotiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Außendurchmesser der Außenfläche des Reibkörpers über seine axiale Länge vor Durchführen der Verbindung geringfügig größer als der korrespondierende jeweilige Innendurchmesser der Innenfläche des Grundkörpers, so dass bei der Rotation ein Druck in axialer Richtung zur Herstellung der Reibungswärme ausgeübt werden kann. Dabei wird der innere Reibkörper in Richtung zum engeren Teil der Kegelstumpffläche des Grundkörpers verschoben. Dies stellt eine gute Verbindung sicher.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführung beträgt der Winkel der kegelstumpfförmigen Innenfläche des Grundkörpers und Außenfläche des Reibkörpers zur Mittelachse der Bremstrommel 0,5° bis 15°. Bei diesen Winkeln werden besonders gute Verbindungsergebnisse erzielt und eine ausreichende Reibfläche im späteren Betrieb zur Verfügung gestellt.
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In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausführung sind an der kegelstumpfförmigen Außenfläche des Reibkörpers oder der Innenfläche des Grundkörpers Nuten ausgebildet, deren Volumen zur Aufnahme des plastifizierten Bremstopfwerkstoffes dient. Das plastifizierte Material, welches sonst bei Reibschweißvorgängen Aufwerfungen bilden würde, kann somit in diese Nuten einfließen. Dies führt durch die Reduzierung der Einpressspannungen zu einer Prozessverbesserung. Auch können nachfolgende Schritte zum Abtrag der Nähte eingespart werden. Selbstverständlich ist dabei das Volumen der Nuten so zu wählen, dass es mit dem verdrängten Materialvolumen des Bremstopfes korrespondiert. Durch den Formschluss wird eine erhöhte Stabilität der Verbindung erreicht.
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Vorzugsweise verlaufen die Nuten in Umfangrichtung, da dies der Reibkraftrichtung beim Schweißprozess im Wesentlichen entspricht, wodurch eine Strömungsrichtung des plastifizierten Materials entsteht. Dies führt zu gleichmäßigeren Schweißnähten in den axialen Randbereichen.
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In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausführung verlaufen die Nuten gewindeförmig in Umfangrichtung auf der Innenfläche des Grundkörpers oder der Außenfläche des Reibkörpers. Diese Form entspricht der bei der Rotation entstehenden relativen Bewegung der beiden Körper zueinander, da der Kegelstumpf des Reibrings beim Plastifizieren des Materials neben der rotatorischen Relativbewegung eine axiale Relativbewegung vornimmt, indem die beiden Konusflächen ineinander eindringen. So kann zu jedem Zeitpunkt das neu plastifizierte Material in die entsprechenden Nuten eindringen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Nuten Hinterschneidungen aufweisen. Diese Hinterschneidungen können je nach Ausführung sowohl ein Lösen des Ringes in radialer Richtung als auch in Umfangrichtung oder in axialer Richtung verhindern. Es entsteht zusätzlich zum Stoffschluss ein Formschluss zwischen Grundkörper und Reibkörper, wodurch die Festigkeit der Verbindung zusätzlich erhöht wird.
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Um den Verschleiß des Reibkörpers zu minimieren und gleichzeitig eine hohe Festigkeit zu erhalten, wird der Reibkörper aus Grauguss, Stahlguss oder aus einem Metall-Matrix-Composite Werkstoff hergestellt.
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Der Grundkörper wird vorzugsweise im Druckgussverfahren, Sandgussverfahren oder Kokillengussverfahren hergestellt, welches bevorzugte Herstellungsverfahren für Leichtmetalle sind.
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Insbesondere wird der Grundkörper aus einer Aluminiumguss- oder Knetlegierung mit einem Kupfergehalt von kleiner als 0,05% hergestellt. Mit diesen Legierungen wird bei geringem Gewicht eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.
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In einer weiterführenden Ausführung des Verfahrens wird der Grundkörper vor dem Herstellen der Reibschweißverbindung auf 150°C bis 350°C vorgewärmt. Diese Erwärmung führt zu einer Ausdehnung des Grundkörpers, so dass mit Abkühlung neben der stoffschlüssigen Verbindung auch ein Reibschluss zur zusätzlichen Erhöhung der Festigkeit der Verbindung durch Aufschrumpfkräfte entsteht. Auch wird die Plastifizierung des Materials vereinfacht.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Reibkörper vor dem Herstellen der Reibschweißverbindung beschichtet wird. Dies verbessert das Bindungsverhalten.
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Insbesondere kann der Reibkörper mittels galvanischer Prozesse oder durch Spritzschichten auf Aluminiumbasis beschichtet werden. So wird die Bildung von Oxidschichten auf der Oberfläche, die die Anbindung beim Schweißprozess negativ beeinflussen, verhindert.
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Mit der erfindungsgemäßen Bremstrommel und dem Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bremstrommel wird bei geringem Gewicht und einfacher und kostengünstiger Herstellbarkeit eine hohe Lebensdauer der Bremstrommel sichergestellt. Hierdurch wird der Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen reduziert.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand der Figur erklärt.
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Die Figur zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Bremstrommel in geschnittener Darstellung, wobei in der oberen Hälfte Grundkörper und Reibkörper vor Durchführung des Verbindungsverfahrens dargestellt sind und in der unteren Hälfte nach Durchführung des Verbindungsverfahrens dargestellt sind.
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Die in der Figur dargestellte Bremstrommel besteht aus einem etwa topfförmigen Grundkörper 10, der im Druckgussverfahren aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird. Denkbar wäre es auch den Grundkörper mittels Sandguss oder Kokillenguss aus einer Aluminumknetlegierung oder einem anderen Leichtmetall zu gießen oder zu schmieden. Der Grundkörper 10 weist an seiner sich axial erstreckenden Umfangswand 12 eine Außenfläche 14, an den Kühlrippen 16 ausgebildet sind und eine radiale Innenfläche 18 auf, deren Innendurchmesser sich in Richtung zu einer sich radial erstreckenden Wand 20 des Grundkörpers 10, von der aus sich die Umfangswand 12 erstreckt, verringert, so dass die Innenfläche 18 kegelstumpfförmig ist. Dabei beträgt der Winkel zwischen der Innenfläche 18 und einer Mittelachse 22 des Grundkörpers 10 etwa 5°.
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An der sich radial erstreckenden Wand 20, von der aus sich die Umfangswand 12 erstreckt, sind des weiteren Durchgangsbohrungen 26 ausgebildet, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und durch die Schrauben zur Befestigung der Bremstrommel am Fahrzeug gesteckt werden.
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Des Weiteren besteht die in den Figuren dargestellte Bremstrommel aus einem im Sandgussverfahren hergestellten Reibkörper 28 aus Stahl. Der Reibkörper könnte auch aus Grauguss oder einem Metal-Matrix Composite Verbundmaterial hergestellt sein. Neben dem Druckgussverfahren eignen sich auch Sandguss- oder Kokillengussverfahren zur Herstellung des Reibkörpers 28. Die radiale Innenfläche 30 des Reibkörpers 28 dient als Reibfläche für die Bremsbeläge, während die radiale Außenfläche 32 mit der Innenfläche 18 des Grundkörpers 10 verbunden wird. Diese Außenfläche 32 weist wie die Innenfläche 18 ebenfalls eine Kegelstumpfform auf, die sich in Richtung zur radialen Wand 20 des Grundkörpers 10 um etwa 5° zur Mittelachse 22 verjüngt.
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In der oberen Hälfte der Figur ist zu erkennen, dass an der Außenfläche 32 des Reibkörpers 28 sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten 24 ausgebildet sind, welche sich gewindeförmig in Umfangsrichtung entlang der Außenfläche 32 erstrecken. Diese Nuten 24 weisen Hinterschneidungen 34 auf, also Bereiche im Innern der Nuten 24, die in radialer Richtung im Schatten des Reibkörpers 28 liegen und ein Lösen des Ringes entgegen der Einschubrichtung im Betrieb verhindern. Des Weiteren ist zu erkennen, dass der Außendurchmesser dieser Außenfläche 32 an seinem axialen von der Wand 20 wegweisenden Ende geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der Innenfläche 18 an ihrem zur Wand 20 abgewandten Ende. Dieser geringe Unterschied in der radialen Ausdehnung erstreckt sich über die gesamte axiale Länge und dient dazu ausreichend sich plastifizierende Fläche beim Verbindungsprozess durch Reibschweißen zu erhalten.
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Diese erfindungsgemäße Verbindung durch Reibschweißen erfolgt, indem der Reibkörper 28 zunächst bis zum Anschlag axial in den Grundkörper 10 eingefahren wird. Während der Grundkörper 10 in seiner Position fixiert wird, wird der Reibkörper 28 in Rotation versetzt und gleichzeitig in axialer Richtung druckbelastet. Durch die Relativgeschwindigkeit der beiden Körper 10, 28 zueinander und den Druck entsteht durch die vorhandene Reibung Wärme, die dazu führt, dass der Stahl an der Außenfläche 32 des Reibkörpers 28 und vor allem das Aluminium an der Innenfläche 18 des Grundkörpers 10 in einen plastifizierten also teilweise schmelzflüssigen Zustand übergeht. Dadurch kann der Reibkörper 28 weiter axial in den Grundkörper 10 geschoben werden bis er seine Endposition erreicht. Das überschüssige Metall, insbesondere das Aluminium des Grundkörpers 10, strömt in die Nuten 24 des Reibkörpers 28 und bildet dort eine Verklammerungsstruktur durch die Hinterschneidungen 34. So entsteht neben der stoffschlüssigen Verbindung durch das Erstarren der beiden schmelzflüssigen Metalle beim nach dem Reibschweißprozess, ein Formschluss, der die Festigkeit der Schweißverbindung erhöht.
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Aus alledem folgt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine erfindungsgemäße Bremstrommel hergestellt werden kann, die bei geringem Gewicht eine hohe Lebensdauer bei guten Bremsleistungen aufweist. Das Herstellungsverfahren ist sehr prozesssicher durchzuführen, wobei eine sehr gute Stabilität der Verbindung und somit der gesamten Bremstrommel sichergestellt ist. Eine Spaltbildung zwischen den beiden Körpern ist ausgeschlossen, so dass Korrosionen zuverlässig verhindert werden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere kann eine Vorbehandlung des Reibrings oder des Grundkörpers stattfinden, indem Spritzschichten oder galvanische Beschichtungen vor dem Reibschweißen aufgebracht werden oder eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, um die Anbindung zusätzlich zu verbessern. Selbstverständlich sind auch konstruktive Änderungen bezüglich der einzelnen Bauteile und der korrespondierenden Fläche denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19723036 B4 [0004]
- DE 19721773 A1 [0005]
