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Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Eine solche Bremsscheibe und ein solches Verfahren sind aus der
DE 10 2010 010 754 A1 bekannt. Die Bremsscheibe umfasst einen Reibring mit zwei Reibringhälften sowie ein zwischen den Reibringhälften angeordnetes Trägerteil. Das Trägerteil ist über jeweilige Fügeflächen mit den Reibringhälften stoffschlüssig verbunden.
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Ferner offenbart die
DE 10 2005 051 012 B3 eine Scheibenbremse mit Verbundbremsscheibe aus Grauguss-Tragscheibe und mit dieser fest verbundenen, ihr gegenüber stofflich verschiedenen Reibringen. Die Grauguss-Tragscheibe und die Reibringe sind metallurgisch derart miteinander verbunden, dass die Grauguss-Tragscheibe zwischen die Reibringe eingegossen ist.
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Der
DE 10 2006 004 769 A1 ist ein Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten als bekannt zu entnehmen. Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt in einer Material abhebenden oder Material abtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht, so dass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen, insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen bildet. Dabei ist vorgesehen, dass diese Mikrostrukturen in mindestens einem zweiten Verfahrensschritt in der Weise verformend und/oder brechend nachbearbeitet werden, dass ein wesentlicher Anteil der Strukturen Hinterschnitte bezüglich der Oberfläche ausbildet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bremsscheibe der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders feste Verbindung zwischen dem Reibring und dem Trägerteil realisiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs B gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Bremsscheibe, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einem Reibring. Der Reibring umfasst zwei Reibringhälften. Zwischen den Reibringhälften ist ein Trägerteil der Bremsscheibe angeordnet, wobei das Trägerteil und die Reibringhälften über jeweilige Fügeflächen stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Fügeflächen zumindest in einem Teilbereich durch wenigstens ein Oberflächenbearbeitungsverfahren unter Aufrauen der wenigstens einen Fügefläche bearbeitet ist. Durch das Aufrauen der wenigstens einen Fügefläche durch das Oberflächenbearbeitungsverfahren kann die Fügefläche mit einer Oberflächenstruktur versehen werden, welche sehr feine und definierte Rauhalsspitzen aufweist. Diese Rauheitsspitzen ermöglichen eine besonders feste, stoffschlüssige Verbindung des Trägerteils mit den Reibringhälften. Dadurch können besonders hohe Drehmomente zwischen den Reibringhälften und dem Trägerteil übertragen werden, so dass die erfindungsgemäße Bremsscheibe sehr hohe Bremsleistungen ermöglicht.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Trägerteil zwischen zwei Reibringhälften eines Reibrings der Bremsscheibe angeordnet und mit den Reibringhälften über jeweilige Fügeflächen stoffschlüssig verbunden wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Fügeflächen zumindest in einem Teilbereich durch wenigstens ein Oberflächenbearbeitungsverfahren unter Aufrauen der wenigstens einen Fügefläche bearbeitet wird. Das Aufrauen der Fügefläche ermöglicht die besonders feste Verbindung zwischen den Reibringhälften und dem Trägerteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Vorzugsweise wird das Trägerteil an die Reibringhälften angegossen und durch das Gießen mit den Reibringhälften über die jeweiligen Fügeflächen verbunden, wobei die jeweiligen Fügeflächen der Reibringhälften zeitlich vor dem Angießen zumindest in einem jeweiligen Teilbereich durch das wenigstens eine Oberflächenbearbeitungsverfahren unter Aufrauen bearbeitet werden. Im Rahmen des Oberflächenbearbeitungsverfahrens werden die Fügeflächen der Reibringhälften mit einer jeweiligen Oberflächenstruktur versehen, welche definierte und feine Spitzen, sogenannte Rauheitsspitzen, aufweist. Die feinen Spitzen werden beim Angießen des Trägerteils bzw. dessen Gusswerkstoffes kurzzeitig und lokal aufgeschmolzen, so dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Reibringhälften und dem Trägerteil auf besonders feste Weise ausgebildet wird. Dadurch kann eine hohe Verbindungsfestigkeit sowie eine hohe Prozesssicherheit zum Herstellen der Bremsscheibe realisiert werden. Darüber hinaus ist dadurch eine durchgehende und homogene Anbindung des Trägerteils an die Reibringhälften ermöglicht.
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Das geschilderte, stoffschlüssige Verbinden des Trägerteils mit den Reibringhälften stellt einen sehr schnellen Schweißvorgang mit sehr kurzen Taktzeiten dar, so dass die erfindungsgemäße Bremsscheibe zeit- und kostengünstig herstellbar ist.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind die Reibringhälften aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff gebildet. Dadurch weisen die Reibringhälften insbesondere gegenüber einem Graugusswerkstoff ein sehr geringes Gewicht auf, was zu einem besonders geringen Gewicht der Bremsscheibe führt. So können ungefederte Massen des Kraftwagens gering gehalten werden, was mit einem sehr hohen Fahrkomfort einhergeht. Zum Herstellen der Reibringhälften wird beispielsweise eine keramische Pre-Form durch Unterdruck infiltriert. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zum Herstellen der Reibringhälften sogenannte Ingots aus dem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff miteinander verschmolzen werden.
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Bei dem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff handelt es sich beispielsweise um einen sogenannten Aluminium-Metall-Matrix-Komposit-Werkstoff (AMMC), welcher auch als AMMC-Legierung bezeichnet wird. Eine solche AMMC-Legierung enthält keramische Hartstoffpartikel, welche beispielsweise aus Siliziumcarbid oder Korund in unterschiedlichen Formen und Größen ausgebildet sind und welche in Aluminium-Silizium-Legierungen vorliegen. Die Aluminium-Silizium-Legierungen werden dabei mittels Siliziumcarbid-Hartstoffpartikeln um bis zu 20% verstärkt.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen der Reibringhälften ist das Sprühkompaktieren, mittels welchem sich die Anforderungen an die Bremsscheibe hinsichtlich eines gewünschten Bremsbetriebs besonders gut erfüllen lassen. Die mittels Sprühkompaktierens aus einer AMMC-Legierung hergestellte Bremsscheibe weist besonders vorteilhafte Werkstoff-Charakteristiken sowie eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit und eine hohe thermische und mechanische Beanspruchbarkeit auf.
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Durch das Sprühkompaktieren lassen sich Probleme klassischer Gießverfahren wie beispielsweise das Seigern, die Dendritenbildung, die Oxidkontamination sowie Einschränkungen bezüglich der Bauteilgröße vermeiden.
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Die mechanischen Eigenschaften der Bremsscheibe wie Elastizitätsmodul, Härte, Streckgrenze, Betriebs- und Dauerfestigkeit können durch die Art, den Anteil, die Größe und die Form der verwendeten Hartstoffpartikel beeinflusst und gezielt eingestellt werden.
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Des Weiteren können die thermischen Eigenschaften wie Solidustemperatur, Thermoschockbeständigkeit, Wärmespeicherkapazität, Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs- und Wärmekonvektions-Koeffizient durch entsprechende Wahl der Hartstoffpartikel bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Das Trägerteil ist vorzugsweise aus einem von dem Werkstoff der Reibringhälften unterschiedlichen Werkstoff gebildet. Vorzugsweise ist das Trägerteil zumindest im Wesentlichen aus Aluminium, insbesondere einer Aluminium-Legierung, gebildet, welche sich von dem Werkstoff der Reibringhälften unterscheidet. Dadurch ist die erfindungsgemäße Bremsscheibe als Verbundbremsscheibe ausgebildet, welche ein geringes Gewicht aufweist sowie die Darstellung hoher Bremsleistungen ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Trägerteil ein Verbindungselement, insbesondere einen Bremsscheibentopf, auf, über welches die Bremsscheibe mit einem sich bei der Fahrt des Kraftwagens drehenden Element des Kraftwagens verbindbar ist. So können die Teileanzahl, die Kosten und das Gewicht der Bremsscheibe gering gehalten werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist das Trägerteil Abstandselemente auf, über welche die Reibringhälften voneinander beabstandet sind und durch welche Kühlkanäle der Bremsscheibe gebildet sind. Die erfindungsgemäße Bremsscheibe ist somit als innenbelüftete Bremsscheibe ausgebildet, was zur Darstellbarkeit von sehr hohen Bremsleistungen führt.
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Die Bildung der Abstandselemente und damit der Kühlkanäle durch das Trägerteil birgt den Vorteil, dass auf eine sehr aufwändige und beispielsweise spanabhebende Bearbeitung der Reibringhälften zur Ausbildung der Kühlkanäle bzw. Kühlrippen verzichtet werden kann. Dadurch ist es möglich, die Reibringhälften einerseits zeit- und kostengünstig durch Sprühkompaktieren aus einer AMMC-Legierung herzustellen und andererseits das Trägerteil mit dem Verbindungselement und den Abstandselementen zeit- und kostengünstig mittels eines Gießverfahrens herzustellen und an die bereits hergestellten Reibringhälften anzugießen. Durch das Oberflächenbearbeitungsverfahren wird dabei eine besonders feste Verbindung zwischen dem Trägerteil und den Reibringhälften realisiert.
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Zur Bearbeitung der wenigstens einen Fügefläche im Rahmen des Oberflächenbearbeitungsverfahrens wird vorzugsweise ein mechanisches Fertigungsverfahren, insbesondere mit geometrisch bestimmter Schneide durchgeführt. Beispielsweise wird die wenigstens eine Fügefläche durch Drehen bearbeitet und mit der Oberflächenstruktur mit den feinen und definierten Spitzen versehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Perspektivansicht einer Verbundscheibe für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit zwei Reibringhälften aus einer Aluminium-MMC-Legierung und einem Trägerteil aus einer davon unterschiedlichen, hochwarenfesten Aluminiumlegierung, welches zwischen den Reibringhälften angeordnet und stoffschlüssig mit diesen verbunden ist;
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2 ausschnittsweise eine vergrößerte Perspektivansicht der Verbundbremsscheibe gemäß 1;
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3 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht der Verbundbremsscheibe gemäß den 1 bis 2;
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4 eine weitere schematische Perspektivansicht der Verbundbremsscheibe gemäß den 1 bis 3;
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5 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Reibringhälften der Bremsscheibe gemäß den 1 bis 4;
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6 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Reibringhälften der Verbundbremsscheibe gemäß den 1 bis 5, wobei jeweilige Fügeflächen der Reibringhälften, über welche die Reibringhälften mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden sind, einem Oberflächenbearbeitungsverfahren unter Aufrauen unterzogen sind; und
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7 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht der Reibringhälften gemäß 6, wobei die jeweiligen Fügeflächen einem weiteren Oberflächenbearbeitungsverfahren unterzogen sind.
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Die 1 bis 5 zeigen eine Verbundbremsscheibe 10 für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Die Verbundbremsscheibe 10 umfasst einen Reibring 12 mit einer ersten Reibringhälfte 14 und einer zweiten Reibringhälfte 16. Die Reibringhälften 14, 16 sind dabei aus einer sogenannten AMMC-Legierung (Aluminium-Metall-Matrix-Komposit-Legierung) gebildet. Bei einer solchen AMMC-Legierung werden positive Eigenschaften von Aluminium mit positiven Eigenschaften von Keramiken kombiniert. Bei einer AMMC-Legierung handelt es sich um eine Aluminium-Legierung, welche durch Hartstoffpartikel, beispielsweise in Form von Siliziumcarbiden und/oder aus Korund, verstärkt ist.
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Die Verbundbremsscheibe 10 umfasst auch ein Trägerteil 18, welches aus einer hochwarmfesten und von der AMMC-Legierung, aus welchem die Reibringhälften 14, 16 gebildet sind, unterschiedlichen Aluminiumlegierung gebildet ist.
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Die Reibringhälften 14, 16 sind beispielsweise durch ein Gießverfahren oder durch ein Sprühkompaktierverfahren hergestellt. Dabei werden die Reibringhälften 14, 16 beispielsweise aus AMMC-Halbzeugen angefertigt.
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Wie den 1 bis 4 zu entnehmen ist, ist das Trägerteil 18 bei der Verbundbremsscheibe 10 zwischen den Reibringhälften 14, 16 angeordnet. Dabei sind die Reibringhälften 14, 16 und das Trägerteil 18 über jeweilige Fügeflächen 20, 22 der Reibringhälften 14, 16 sowie Fügeflächen 24, 26 des Trägerteils 18 miteinander verbunden.
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Die Fügefläche 20 der ersten Reibringhälfte 14 wird dabei von einer ersten Stirnseite 28 der ersten Reibringhälfte 14 gebildet. Entsprechend dazu wird die Fügefläche 22 der zweiten Reibringhälfte 16 von einer zweiten Stirnseite 30 der zweiten Reibringhälfte 16 gebildet. Die Reibringhälften 14, 16 weisen zudem eine jeweilige, innenumfangsseitige Mantelfläche 32, 34 auf, durch welche ebenso jeweilige Fügeflächen 36, 38 der Reibringhälften 14, 16 gebildet werden. Die Reibringhälften 14, 16 werden auch über die Fügeflächen 36, 38 mit dem Trägerteil 18 stoffschlüssig verbunden.
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Die Fügeflächen 20, 22, 36, 38 der angefertigten bzw. hergestellten Reibringhälften 14, 16 werden zum besonders festen Verbinden mit dem Trägerteil 18 geschrumpft und im Anschluss zwei Oberflächenbearbeitungsverfahren in Form von Drehen unterzogen. Zum Bearbeiten der Fügeflächen 20, 22, 36, 38 der Reibringhälften 14, 16 durch Drehen werden speziell ausgelegte Diamantschneidplatten verwendet. Im Rahmen des ersten Oberflächenbearbeitungsverfahrens wird ein erster Drehvorgang durchgeführt, bei welchem – wie der 6 zu entnehmen ist – die Fügeflächen 20, 22, 36, 38 spanabhebend bearbeitet und mit einer jeweiligen Oberflächenstruktur 40 versehen werden. Die Oberflächenstruktur 40 weist nach dem ersten Drehvorgang eine Mehrzahl von definierten und feinen Rauheitsspitzen auf, welche zumindest im Wesentlichen 30 μm hoch und zumindest im Wesentlichen 45 μm breit sind. Im Rahmen des zweiten Oberflächenbearbeitungsverfahrens wird ein zweiter Drehvorgang durchgeführt, wobei die Rauheitsspitzen 42 – wie der 7 zu entnehmen ist – durch entsprechende Auslegung der Schneide des Drehwerkzeugs in jeweils zwei feinere Rauheitsspitzen 44 umgebildet werden. Die Rauheitsspitzen 44 sind dabei zumindest im Wesentlichen 15 μm dick bzw. breit. Wie der 7 zu entnehmen ist, wird im Rahmen des zweiten Drehvorgangs eine Rauheitsspitze 42 in zwei demgegenüber feinere Rauheitsspitzen 44 umgebildet, wodurch Hinterschnitte der Fügeflächen 20, 22, 36, 38 bzw. ihrer Oberflächen ausgebildet werden. Mit anderen Worten werden die Rauheitsspitzen 42 im Rahmen des zweiten Drehvorgangs umgekippt.
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Die fertig bearbeiteten Reibringhälften 14, 16 werden in eine Gussform eingelegt. Die Gussform und die Reibringhälften 14, 16 werden beispielsweise auf zumindest im Wesentlichen 550° erwärmt.
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Das Trägerteil 18 wird durch Gießen hergestellt und im Rahmen des Gießens an die Reibringhälften 14, 16 angegossen und dadurch mit diesen verbunden. Dazu wird der flüssige Gusswerkstoff aus der hochwarmfesten Aluminiumlegierung in die Gussform gegossen und an die Reibringhälften 14, 16 angegossen. Während des Angießens wird eine Grenzflächenschicht aus einer dünnen Oxidschicht an den Fügeflächen 20, 22, 24, 26, 36, 38 durch Abrieb zerstört, wodurch das darunter liegende Metall freigelegt wird.
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Geringe Enthalpie-Unterschiede zwischen den Rauheitsspitzen 44 und dem Gusswerkstoff bringen die Rauheitsspitzen 44 in sehr kurzer Zeit zum Aufschmelzen. Die Aufschmelzung findet an der Oberfläche der Rauheitsspitzen 44 bzw. an der Grenzfläche der Rauheitsspitzen 44 statt und ermöglicht die Herstellung einer durchgehenden, homogenen, festen und stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Reibringhälften 14, 16 und dem Trägerteil 18. Mit anderen Worten dienen die im Rahmen der Oberflächenbearbeitungsverfahren erzeugten Rauheitsspitzen 44 dazu, beim Angießen des Trägerteils 18 zumindest kurzzeitig aufgeschmolzen zu werden und durch das Aufschmelzen die feste und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Trägerteil 18 und den Reibringhälften 14, 16 zu ermöglichen.
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Diese Art der Verbindung zwischen den Reibringhälften 14, 16 und dem Trägerteil 18 ist auch gegenüber schwingenden Dauer-Belastungen sowie gegenüber sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen zwischen dem Trägerteil 18 und den Reibringhälften 14, 16 sehr robust.
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Wie insbesondere den 1 bis 4 zu entnehmen ist, ist das Trägerteil 18 der Verbundbremsscheibe 10 ein einstückiges Element, welches auch einen Bremsscheibentopf 46 mit Durchgangsöffnungen 48 umfasst. Der Bremsscheibentopf 46 dient zum Befestigen der Verbundbremsscheibe 10 an einer Radnabe des Kraftwagens. Das einstückige Trägerteil 18 umfasst ferner Abstandselemente 49, welche in Umfangsrichtung der Verbundbremsscheibe 10 voneinander beabstandet sind und durch welche Kühlkanäle 50 begrenzt sind. Somit ist die Verbundbremsscheibe 10 als innenbelüftete Verbundbremsscheibe 10 ausgebildet, welche die Darstellung sehr hoher Bremsleistungen ermöglicht. Durch die einstückige Ausbildung des Trägerteils 18 mit Bildung des Bremsscheibentopfs 46 und der Kühlkanäle 50 ist eine zeit- und kostenaufwändige, mechanische Bearbeitung der Reibringhälften 14, 16 zur Darstellung der Kühlkanäle 50 nicht vorgesehen und nicht vonnöten. Dies hält die Kosten der Verbundbremsscheibe 10 gering. Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, weisen die innenumfangsseitigen Mantelflächen 32, 34 Formschlusselemente 52 auf, welche mit Formschlusselementen 54 des angegossenen Trägerteils 18 korrespondieren. Dadurch sind die Reibringhälften 14, 18 mit dem Trägerteil 18 zumindest in Umfangsrichtung auch formschlüssig verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbundbremsscheibe
- 12
- Reibring
- 14
- erste Reibringhälfte
- 16
- zweite Reibringhälfte
- 18
- Trägerteil
- 20
- Fügefläche
- 22
- Fügefläche
- 24
- Fügefläche
- 26
- Fügefläche
- 28
- erste Stirnseite
- 30
- zweite Stirnseite
- 32
- innenumfangsseitige Mantelfläche
- 34
- innenumfangsseitige Mantelfläche
- 36
- Fügefläche
- 38
- Fügefläche
- 40
- Oberflächenstruktur
- 42
- Rauheitsspitzen
- 44
- Rauheitsspitzen
- 46
- Bremsscheibentopf
- 48
- Durchgangsöffnung
- 49
- Abstandselement
- 50
- Kühlkanäle
- 52
- Formschlusselemente
- 54
- Formschlusselemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010010754 A1 [0002]
- DE 102005051012 B3 [0003]
- DE 102006004769 A1 [0004]
