DE102013201303A1

DE102013201303A1 - Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe aus Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102013201303A1
Application number: DE102013201303A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Beer; Frank Hollstein; Wolfgang Frank; Bianca Stauzebach
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-08-14
Also published as: CN104126079A; KR20140126690A; WO2013120942A1; US20150014104A1; EP2815149A1; US9255618B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe 1 die zumindest in Teilen aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, umfassend zwei parallele Reibflächen 3 an einem oder mehreren Reibringen mit Kühlkanälen, wobei der oder die Reibringe drehfest an einem Bremsscheibentopf 4 angeordnet sind. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, eine weiter verbesserte Kraftfahrzeugbremsscheibe 1 in Leichtbauweise vorzuschlagen, die den weiterentwickelten, leistungsfähigen Kraftfahrzeugen Rechnung trägt. Die Aufgabe wird gelöst, indem die beiden Reibflächen 3 aus Faserverbundwerkstoff bestehen, dass parallel zu den Reibflächen 3 ein scheibenförmiger Träger 2 für die Reibflächen 3 vorgesehen ist, und wobei der Träger 2 einstückig mit dem Bremsscheibentopf (4) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe die zumindest in Teilen aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, umfassend zwei parallele Reibflächen an einem oder mehreren Reibringen mit Kühlkanälen, wobei der oder die Reibringe drehfest an einem Topf angeordnet sind.
Bremsscheiben die innenbelüftete Carbon-Keramik-Reibringe aufweisen, sind aus dem Rennsport sowie aus dem Bremsenhandbuch, Springer Verlag 2006, Hrsg. Breuer/Bill, S. 420–426, bekannt. Ein Reibring ist aus CMC-Werkstoff (Ceramic Matrix Composite) gebildet. Dazu sind regellos orientierte und kurzfaserige Carbonfasern in einer Siliziumcarbid-Matrix eingebettet. Der fertige Reibring wird austauschbar an einen Bremsscheibentopf aus Edelstahl oder Aluminiumwerkstoff geschraubt oder geklemmt. Durchsatz und Produktion sind verbesserungsfähig.
Eine gattungsgemäße, einstückige, Kraftfahrzeugbremsscheibe ist aus der DE 42 37 655 A1 bekannt. Dabei sind zwei Reibringe miteinander verbunden, wobei ein äußerer Reibring aus einem Faserverbundwerkstoff und ein innerer Reibring mit dem Bremsscheibentopf aus einem Graugußwerkstoff besteht, so dass eine tribologisch günstige und auch thermisch dauerfeste Verbundbauweise bei verbesserter Gewichtsbilanz erhalten werden kann. Zur Verbindung der Reibringe dienen versenkte Niete, insbesondere Hohlniete.
Die thermische Leistungsfähigkeit einer Bremsanlage wird primär durch deren Energiebilanz im Bereich der Bremsscheiben bestimmt. Insbesondere die sogenannte Schirmung unter Hochtemperatureinfluss kann bei den konventionellen metallischen Bremsscheiben zu unerwünschten Schwingungen oder Schrägverschleiß von Reibbelägen führen. Deshalb ist die Anbindung zwischen Bremsscheibentopf und Reibring besonders wichtig Manchmal wird eine getrennte Ausbildung unter Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen empfohlen, was den Bauaufwand und die Komplexität zusätzlich erhöht. Zudem sind die Geometrievorgaben an die Bremsscheiben bei hohem Kostendruck und notwendiger Gewichtseinsparung erheblich verschärft, so dass eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, eine weiter verbesserte, gebaute Kraftfahrzeugbremsscheibe in Leichtbauweise vorzuschlagen, die der Energiebilanz weiterentwickelter, besonders leistungsfähiger Kraftfahrzeuge besonders Rechnung trägt, und eine kostengünstigere Großserienherstellung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale vom Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die beiden parallelen Reibflächen aus infiltriertem Faserverbundwerkstoff bestehen, und dass parallel zu den Reibflächen ein scheibenförmiger Träger für die Reibflächen vorgesehen ist, und wobei der Träger einstückig mit dem Topf verbunden ist. In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung neben vereinheitlichten Reibungsverhältnissen für die beiden Reibflächen sowie einer weiter verbesserten Gewichtsbilanz weiterhin eine günstige Herstellung für sämtliche Ausführungsformen, ohne zwingend auf metallische Leichtbauwerkstoffe angewiesen zu sein.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung im Vergleich zur DE 42 37 655 A1 besteht darin, dass bei unverändert schwingungsresistent vorgesehener Konstruktion der Bremsscheibe ein einheitlicher Reibbelag für die Reibflächen ermöglicht ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Reibflächen aus identischem siliziuminfiltriertem Faserverbundwerkstoff ausgebildet, und wobei der Träger aus einem infiltriertem Faserverbundwerkstoff oder aus einem metallischen Werkstoff in integrierter Bauweise ausgebildet ist, die eine einstückige Anordnung zwischen Topf und radial äußerer Auflage für den Werkstoff der Reibflächen aufweist. Die Ausbildung in infiltriertem Faserverbundwerkstoff mit Hilfe von vorinfiltrierten Prepregs ermöglicht eine besonders günstige und beanspruchungsgerechte, arbeitsteilige Vorfertigung sowie Temperung. Die Verbundausführung in Verbindung mit einem metallischen Träger zeichnet sich besonders durch gesteigerte Wärmekapazitätsreserven bei optisch ansprechender Gestaltung und einem verringerten Bedarf an Faserverbundwerkstoff aus. Besonders bevorzugt wird für den Träger ein Aluminiumwerkstoff verwendet.
In weiterhin vorteilhafter Gestaltung ist der infiltrierte Faserverbundwerkstoff als dreidimensional faltenfrei verformbares Halbzeug, als Gewebe oder Gewirk, ausgebildet, so dass es ermöglicht ist, eine weitestgehend faltenfreie, dreidimensionale und günstige Vorformung der Halbzeuge zur Herstellung von einem Grünling vorzusehen, was beispielsweise durch Präge- oder Tiefziehvorgänge erfolgen kann.
Eine beanspruchungsgerechte Konstruktion sieht vor, dass der Faserverbundwerkstoff als schlauchförmiges Gewebe oder Gewirk ausgebildet ist. Zusammen mit der geschlossenen Schlauchstruktur vom verwendeten Gewebe/Gewirk von dem Faserverbundwerkstoff wird mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine besonders beanspruchungsgerechte Konstruktion in Verbundbauweise sowie ein besonders günstiger Kraftfluss erhalten.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faserverbundwerkstoff in einer Mono- oder Multifilamentanordnung vorliegt. Also können die Anforderungen an das Vorprodukt von dem Faserverbundwerkstoff vorteilhaft variabel gehandhabt werden, ohne auf ein bestimmtes Vorprodukt eingeschränkt zu sein.
Die konkrete Gestaltung der Bremsscheibe kann vorsehen, dass die Kühlkanäle jeweils als, in Radialrichtung offene, Aussparungen zwischen Reibfläche und Träger vorgesehen sind, und dass die Kühlkanäle im Wesentlichen einen rechteckigen Lüftungsquerschnitt aufweisen. Die entsprechende Anordnung vom Faserverbundwerkstoff wirkt sich gleich günstig auf Belüftung und Steifigkeit der Bremsscheibe aus.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmebilanz kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Lüftungsquerschnitt der Kühlkanäle, ausgehend von einer radial innen vorgesehenen Eintrittsöffnung in Richtung auf eine radial außen vorgesehene Austrittsöffnung zunehmend vorgesehen ist.
Für die konkrete Ausbildung der Aussparungen der Kühlkanäle ist es besonders günstig, wenn der Träger radial außerhalb vom Bremsscheibentopf mänderförmig, insbesondere gebogen, gefaltet oder verschränkt, ausgebildet ist, und wobei diese Biege- oder Faltachsen, ausgehend von einem Zentrum des Trägers sternförmig angeordnet sind.
Ein besonders fester Werkstoffverbund wird erzielt, wenn die beteiligten, benachbarten Filamente von Reibfläche und Träger mit Hilfe von axial gerichteten Filamentverbindungsabschnitten formschlüssig ineinandergreifen, so dass jeder Filamentverbindungsabschnitt als mehrlagiges, multifilamentes Faseraxialgelege vorliegt. Diese verzapfte Bauweise ermöglicht durch integrierte Befestigung und Verstärkung eine besonders hohe Scherfestigkeit im Bereich der Filamentverbindungsabschnitte ohne Verwendung oder Montage von gesonderten Befestigungsmitteln. Die Recyclierbarkeit ist verbessert.
Die Festigkeit wird weiter erhöht, wenn die Filamentverbindungsabschnitte mit einer formschlüssigen Faserbefestigung, wie insbesondere mit einer Vercrimpung, mit einer Verknotung, mit einer Verwebung oder mit einer Verklammerung, der benachbarten Filamente versehen sind. Zur gleichzeitigen Verbesserung der thermischen Eigenschaften ist es empfehlenswert, wenn jeweils konzentrisch zum Zentrum von einem Filamentverbindungsabschnitt eine axial gerichtete Kühlbohrung vorgesehen ist, die Träger und Reibflächenwerkstoffverbund durchgreift.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus Unteransprüchen zusammen mit der Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigt:
1–9 eine gebaute Bremsscheibe in Leichtbauweise in verschiedenen Ausführungsformen.
Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete und einstückig drehfest aus wenigstens drei Teilen zusammengefügte Kraftfahrzeugbremsscheibe 1 aus Faserverbundwerkstoff umfassend zwei planparallel zueinander vorgesehene Reibflächen 3 die orthogonal zu einer Raddrehachse A arrangiert sind, und einen oder mehrere Reibringe ausbilden, mit einem scheibenförmigen Träger 2 für die Reibflächen 3 sowie mit einem damit verbundenen Bremsscheibentopf 4 zur konzentrischen, drehbaren Anordnung der Bremsscheibe 1 um die Raddrehachse A. Sämtlichen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Reibflächen 3 der Bremsscheibe 1 ein Filament aus Kohlefaserverbundwerkstoff aufweisen. Weitgehend flächig hinter den Reibflächen 3 befindet sich der Träger 2, dessen Aufgabe primär darin besteht, den Werkstoff der Reibflächen 3 parallel sowie zueinander in Distanz zu halten, damit die Kühlkanäle 9 zwischen den beiden Reibflächen 3 ausbildbar sind.
In Verbindung mit sämtlichen, sonstigen beschriebenen Merkmalen liegen Ausführungsformen vor, bei denen der Träger 2 integral mit dem Bremsscheibentopf 4 ausgebildet ist. In der 1a, b, c ist der Träger aus Glasfaserfilament. Bei einer anderen Varianten (2a) ist die am Fahrzeugrad nach axial außen gewandte Reibfläche 3 integral mit dem Bremsscheibentopf 4 aus einem Kohlefaserfilament ausgebildet und der Träger 2 ist aus zwei Scheiben aus Glasfaserwerkstoff aufgebaut. Der Träger 2 und der Bremsscheibentopf 4 kann bei einer anderen Variante auch einteilig aus Aluminiumwerkstoff (6a, b, 7a, b, 8a, b, 9a, b) oder aus Glasfaserfilament (1a, b, c, 3b) aufgebaut sein.
Der Faserverbundwerkstoff ist als multifilares langfasriges Gewebe oder Gewirk vorgesehen, das für den Träger 2 aus Glasfaser- oder Kohlefaser vorgesehen sein kann. Im Übrigen ist der Faserverbundwerkstoff derart dreidimensional faltenfrei verformbar und gestaltbar, dass ein vormontierter, carbonisierter Pressling (Grünling) der Bremsscheibe 1 mit hoher Präzision sowie arbeitsteilig vor der endgültigen Hochtemperatur-Silizierung vorgefertigt werden kann. Als zusätzliches Merkmal kann das Filament schlauchförmig ausgebildet sein.
Die Kühlkanäle 9 sind jeweils als radial offene Aussparungen zwischen Reibfläche 3 und Träger 2 vorgesehen. Die Kühlkanäle 9 verfügen über einen rechteckigen und jeweils endseitig offenen Lüftungsquerschnitt. Der Querschnitt steigt von radial innen nach radial außen. Zur vereinfachten Herstellung der Kühlkanäle 9 wird der Träger 2 mänderförmig, insbesondere gebogen, gefaltet oder verschränkt, ausgebildet. Dabei sind radial gerichtete Biege- oder Faltachsen F1, F2, F3, FN ausgehend von einem Zentrum des Trägers 2, sternförmig angeordnet.
Der Verbund zwischen den Reibflächen 3 und den verschiedenen Teilen aus Faserverbundwerkstoff oder Aluminium wird weiterhin durch besondere Filamentverbindungsabschnitte 7 verbessert. Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Filamente von Reibfläche 3 und Träger 2 mit Hilfe von axial gerichteten Filamentverbindungsabschnitten 7 formschlüssig ineinandergreifen, so dass jeder Filamentverbindungsabschnitt 7 als multifilamentes Axialgelege ineinandergreifender Fasern vorliegt. Jeder Filamentverbindungsabschnitt 7 verstärkt die Verbindungszone zusätzlich, wenn die Filamentverbindungsabschnitte 7 über eine formschlüssige Faserbefestigung, wie insbesondere eine gegenseitige Vercrimpung, eine Verknotung, eine Verwebung oder eine Verklammerung, der benachbarten Filamente aufweisen. Jeweils in einem Zentrum von einem Filamentverbindungsabschnitt 7 kann zusätzlich eine axial gerichtete Kühlbohrung 8 vorgesehen sein, die den Träger 2 und den Reibflächenwerkstoffverbund durchgreift.
Die 9 verdeutlicht eine Bremsscheibe 1 bei der die Reibflächen aus Reibbelagwerkstoff gefertigt sind und verschleißbehaftet sind.
Es ist hinzuzufügen, dass sämtliche Ausführungsformen der Bremsscheibe mit besonderem Vorteil im Bereich der Oberfläche ihrer Reiflächen mit einer Reiflächenbeschichtung versehen sein können. Dies bietet den Vorteil, dass die Reibungsverhältnisse in Interaktion mit den Bremsbelägen nach Bedarf angepasst, abgestimmt und verändert werden können, ohne die sonstigen Werkstoffe verändern zu müssen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeugbremsscheibe
2: Träger
3: Reibfläche
4: Bremsscheibentopf
5
6: Glasfaserfilament
7: Filamentverbindungsabschnitt
8: Kühlbohrung
9: Kühlkanal
10: Kohlefaserfilament
13: Reibflächen aus Reibbelagwerkstoff
A: Raddrehachse
F1 F2 F3 FN: Biege- und Faltachse

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 4237655 A1 [0003, 0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Springer Verlag 2006, Hrsg. Breuer/Bill, S. 420–426 [0002]

Claims

Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1), die zumindest in Teilen aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, umfassend zwei zueinander parallele Reibflächen (3) an einem oder mehreren Reibringen mit Kühlkanälen (9), wobei der oder die Reibringe konzentrisch sowie drehfest an einem Bremsscheibentopf (4) angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Raddrehachse (A) vorgesehen ist, und die Reibflächen (3) orthogonal zu der Raddrehachse (A) arrangiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reibflächen (3) aus Faserverbundwerkstoff bestehen, dass parallel zu den Reibflächen (3) ein scheibenförmiger Träger (2) für die Reibflächen (3) vorgesehen ist, und wobei der Träger (2) einstückig mit dem Bremsscheibentopf (4) verbunden ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reibflächen (3) aus identischem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sind, und dass der Träger (2) aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Reibflächen (3) aus einem Kohlefaserwerkstoff ausgebildet sind, und dass der Träger (2) aus einem Glasfaserverbundwerkstoff oder aus einem Aluminiumwerkstoff ausgebildet ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff als dreidimensional faltenfrei verformbares langfaseriges Gewebe oder Gewirk ausgebildet ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe oder Gewirk schlauchförmig ausgebildet ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff in Multifilamentanordnung vorgesehen ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (9) jeweils als radial offene Aussparungen zwischen Reibfläche (3) und Träger (2) vorgesehen sind, und dass die Kühlkanäle (9) einen rechteckigen Lüftungsquerschnitt aufweisen.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüftungsquerschnitt der Kühlkanäle (9) ausgehend von radial innen in Richtung nach radial außen zunimmt.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) zur Ausbildung der Aussparungen für die Kühlkanäle (9) mänderförmig, insbesondere gebogen, gefaltet oder verschränkt, ausgebildet ist, wobei Faltachsen, ausgehend von einer Radachse (A), die mit einem Zentrum des Trägers (2) übereinstimmt, sternförmig angeordnet sind.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente von Reibfläche (3) und Träger (2) mit Hilfe von axial gerichteten Filamentverbindungsabschnitten (7) formschlüssig ineinandergreifen, so dass jeder Filamentverbindungsabschnitt (7) als multifilamentes Faseraxialgelege vorliegt.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamentverbindungsabschnitte (7) eine formschlüssige Faserbefestigung, wie insbesondere eine Vercrimpung, eine Verknotung, eine Verwebung oder eine Verklammerung, der benachbarten Faserfilamente aufweisen.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in einem Zentrum von einem Filamentverbindungsabschnitt (7) eine axial gerichtete Kühlbohrung (8) vorgesehen ist, die Träger (2) und Reibflächen (3) durchgreift.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Reibfläche (3) mit einer Reibflächenbeschichtung versehen ist.