DE102014200705A1

DE102014200705A1 - Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe

Info

Publication number: DE102014200705A1
Application number: DE201410200705
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Beer; Bianca Stauzebach
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: DE102014200705B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) umfassend zwei zueinander planparallele Reibflächen (3, 3`) an einem oder mehreren Reibringen (2, 2`) mit integrierten Kühlkanälen (4, 4`), wobei der wenigstens eine Reibring (2, 2`) konzentrisch sowie drehfest an einem Bremsscheibentopf (5) angeordnet ist, der Bremsscheibentopf (5) konzentrisch zu einer Raddrehachse (A) vorgesehen ist, und die beiden Reibflächen (3, 3`) orthogonal zu der Raddrehachse (A) arrangiert sind. Aufgabe ist eine verbesserte innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe, die der Energiebilanz weiterentwickelter, besonders leistungsfähiger Kraftfahrzeuge besonders Rechnung trägt, und eine kostengünstige Großserienherstellung ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst indem der Reibring (2, 2`) als Werkstoffverbund ausgebildet ist, und wenigstens ein festes und zumindest teilweise hohles Einlegeteil (6, 6`) aus einem Keramikwerkstoff umfasst, und wobei das Einlegeteil (6, 6`) formschlüssig von einem metallischen Gußwerkstoff umhüllt ist, der im Wesentlichen die Reibflächen (3, 3`) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe nach den Merkmalen vom Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Diese umfasst zwei parallele Reibflächen und Kühlkanäle zwischen den Reibflächen, wobei der oder die Reibringe drehfest an einem Bremsscheibentopf 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 auf Maß bearbeitete keramische Reibring wird austauschbar an einen Bremsscheibentopf aus Edelstahl oder Aluminiumwerkstoff geschraubt oder geklemmt. Herstellungsdurchsatz und Produktion, kurz die Kostensituation, ist verbesserungsfähig.
Die EP 0 788 468 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Reibeinheit wie beispielsweise einen Brems- oder Kupplungsrotor mit Belüftungskanälen, indem ein weitestgehend der Endkontur vom Rotor entsprechender poröser Kohlenstoffkörper (Vorprodukt) mit flüssigem Silizium infiltriert wird, und dieser zwecks Pyrolyse anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Es wird empfohlen eine mechanische Bearbeitung vom Vorprodukt nach dessen Aushärtung – jedoch vor Silizierung und Pyrolyse – vorzunehmen. Prinzipiell können Rundlauffehler oder Unwucht durch Bearbeitung vom Keramikkörper eliminiert werden. Zur austauschbaren Befestigung vom keramischen Rotor an einer Radnabe wird ein gesonderter Kernkörper empfohlen.
Eine Kraftfahrzeugbremsscheibe mit Reibring in Verbundbauweise ist aus der DE 42 37 655 A1 bekannt. Dabei sind zwei miteinander verbundene Reibringe vorgesehen, wobei ein (axial zur Raddrehachse) sichtbar, also fahrzeugaußen, platzierter Reibring aus einem Faserverbundwerkstoff und ein (axial) fahrzeuginnen platzierter Reibring mit dem Bremsscheibentopf aus einem metallischen Graugußwerkstoff besteht. Dadurch werden im Bereich der Reibflächen zwei unterschiedliche Tribosysteme mit einer thermisch dauerfesten Verbundbauweise erhalten, die eine verbesserte Gewichtsbilanz ermöglicht und wobei bei Maßabweichungen des Reibrings eine keramische Reibfläche und eine metallische Reibfläche zu bearbeiten ist, was den Arbeitsaufwand reduziert.
Aus der EP 2 522 875 A1 ist ein mehrstufiges Metall-Verbundgussverfahren für innenbelüftete Bremsscheiben bekannt, wobei ein Reibring aus Grauguss im Lost Foam Verfahren in einem ersten Gießwerkzeug gegossen wird, und nach Transfer der Bremsscheibentopf aus Leichtmetallwerkstoff in einem Kokillenwerkzeug angegossen wird.
Die Anforderungen, auch betreffend Rundlauf- und Maßhaltigkeit an die Bremsscheiben moderner Kraftfahrzeuge, sind bei hohem Kostendruck und notwendiger Gewichtseinsparung jedoch erheblich verschärft. Bekanntlich neigen gegossene Bremsscheiben infolge Werkstoffinhomogenität zu Unwucht, was durch Auswuchtvorgänge zu eliminieren ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe vorzuschlagen, die der Energiebilanz weiterentwickelter, besonders leistungsfähiger Kraftfahrzeuge besonders Rechnung trägt, und gleichzeitig eine kostengünstigere Großserienherstellung bei geringem Gewicht ermöglicht, so dass diese auch für die Elektromobile geeignet sind.
Zur Lösung des Problems wird bei einer gattungsgemäßen Bremsscheibe nach den Merkmalen vom Oberbegriff vom Patentanspruch 1 die Merkmalskombination nach dem kennzeichnenden Teil vom Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Demnach wird zur Bildung eines erfindungsgemäßen Gusswerkstoffverbundes im Prinzip eine Integration derart vorgeschlagen, dass ein Einlegeteil aus einem hochbelastbaren und leichten, weil porösem Keramikwerkstoff von einem metallischen Gußwerkstoff formschlüssig ummantelt ist. Erfindungsgemäß wird erstmals bei einer Kraftfahrzeugbremsscheibe ein poröser Keramikkörper in eine Metallgußwerkstoffummantelung integriert. Silizierung, Pyrolyse und Keramikfertigbearbeitung wie bei der bekannten Reibringfertigung ist rationalisiert. Werkstoffinhomogenitäten sind reduziert.
Konventionelle metallische Bremsscheiben kompensieren Hochtemperatur durch thermische Energieaufnahmekapazität also durch eine entsprechend groß bemessene metallische Masse zwecks Wärmeenergiespeicherung. C/SIC Reibringe kompensieren die Hochtemperatur durch Ihre Hitzeresistenz und entsprechend volle, aufwändige Ausbildung in Kohlewerkstoff bei verstärktem Reibbelagverschleiß.
Die Erfindung löst sich von den bekannten Strategien durch den Vorschlag eines neuartigen Verbundgusskörpers umfassend wenigstens ein poröses keramisches Einlegeteil, welches infolge seiner Poren nicht nur eine geringe Masse beansprucht, sondern zusätzlich eine wesentlich vergrößerte Kühloberfläche zur Wärmeabgabe anbietet, so dass Wärmeenergie beschleunigt an die Luft abgegeben werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1a, b Schnitt durch Kraftfahrzeugbremsscheiben a) ohne und b) mit angegossenem Rand,
2 Längsschnitt durch einen Reibring einer Bremsscheibe nach 1a zur Erläuterung von axial gerichteten Streben und Wandabschnitten infolge von Kanälen im Einlegeteil,
3 Längsschnitt durch einen Reibring einer Bremsscheibe nach 1b zur Erläuterung von axial gerichteten Streben und Wandabschnitten, und
4 ausgehend von 3 eine Ausführungsform mit einer vereinfachten Strebenstruktur.
Der Kern der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bremsscheibe 1 mit einem ummantelten, teilweise hohlen, keramischen Einlegeteil 6, 6. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, dass metallische Reibflächen 3, 3` vom Reibring 2, 2` in gewohnter Art und Weise spanend fertigbearbeitet werden können (vgl. 1a, b). Dabei kann das Einlegeteil 6, 6` entweder gemäß 1a bis ganz nach radial außen erstreckt sein, oder gemäß 1b durch einen Rand 10 des Metallwerkstoffs eingefasst sein. Zusammen mit der Metall-Guß-Ummantelung wird es begleitend ermöglicht, einen Bremsscheibentopf 5 einstückig in einem Arbeitsgang anzugießen, so dass die drehfeste Anbindung zwischen Reibring 2, 2` und Bremsscheibentopf 5 ebenfalls kostengünstig ohne gesonderte Teile, Montagevorgänge oder Gusstransfers auszubilden ist. Alternativ ist es natürlich auf Wunsch möglich, die erfindungsgemäß verbesserten ummantelten Reibringe 2, 2` mit geeigneten Mitnehmern sowie Befestigungselementen verdrehsicher an einem gesonderten Bremsscheibentopf zwecks Anordnung an einer Radnabe vorzusehen.
Im Vergleich mit vollständig metallisch-gießtechnisch ausgebildeten Bremsscheiben wird durch die Einlegeteile 6, 6` eine strategische Gewichtsreduktion erzielt. Es ist möglich, Reibring 2, 2` oder Bremsscheibentopf 5 als Einlegeteil aus einem teilweise hohlen Keramikwerkstoff vorzufertigen. Das oder die Einlegeteile 6, 6` werden in einem Verarbeitungsschritt zusammen mit dem Metallwerkstoff gießtechnisch zu einem Bremsscheibenverbund gefügt, also eingegossen. Der metallische Werkstoff kann als Legierung im Sinne einer Werkstoffmatrix aufgebaut sein, welche eine Faserverstärkung (Kohle- und/oder Glasfaserfilamente) einschließt. Die Verstärkungsfasern sind regellos gerichtet in der Matrix angeordnet und multifilar sowie homogen in der Matrix verteilt.
Beispielsweise ist ein Reibring 2, 2`, ein Reibringträger oder ähnliches aus porösem Keramikschaum aufgebaut, welcher in die metallische Gußmatrix eingefügt oder eingebettet sein kann und wobei weiterhin Kühlkanäle 4, 4` zwischen den Reibringen 2, 2` ausgebildet sind. Ein besonderer Vorteil von dem Keramikwerkstoff besteht darin, dass keinerlei Korrosion eintritt. Weiterhin bietet Kohlefaseroptik ein wertiges High-Tech-Erscheinungsbild.
Die physikalische Gewichtsreduzierung wird erzielt, weil der poröse Keramikwerkstoff als spezifisch leichter Verdrängungskörper fungiert und Volumen kompensiert, welches bei den konventionellen Bremsscheiben durch Schwermetallwerkstoff eingenommen wird. Dadurch ist das Gesamtgewicht einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe 1 maßgeblich reduziert. Der teilweise hohle Keramikwerkstoff ermöglicht eine besondere Elastizität, Widerstandskraft und Festigkeit durch einander benachbarte Mikrokavitäten wobei sich Poren und Wandungen abwechseln. Ein wabenförmiger Aufbau (Bienenwabenstruktur) vom porösen Einlegeteil 6, 6` ist ebenfalls möglich. Mit steigendem (Verdrängungs-)Volumen des spezifisch leichteren Einlegeteils 6, 6` kann also zunehmend mehr Gewichtsersparnis erzielt werden.
Bei intermittierender, teilweiser oder dünnwandig abgewandelter Umhüllung des keramischen Einlegeteils 6, 6` durch die Legierung des metallischen Gußwerkstoffes ergibt sich ein Werkstoffverbund, auf dessen Grundlage die Reibungsverhältnisse beeinflusst werden können. Zu diesem Zweck ist es insbesondere möglich, das poröse Einlegeteil 6, 6` besonders oberflächennah derart einzubetten, dass es bis zu der Reiboberfläche der Reibfläche 3, 3` reicht. Zusätzlich zu der Gewichtsreduzierung ergibt sich infolge der Porösität des Einlegeteils 6, 6` eine Reib- und Kühlflächenvergrößerung wie auch Reibungsbeeinflussung auf der Reiboberfläche. Fertigungskosten werden im Vergleich zu konventionellen Keramikreibringen reduziert, weil die Einlegeteile 6, 6` aus Keramikwerkstoff mit normalen Toleranzanforderungen als standardisierte Gleichteile großserientechnisch kostengünstiger herstellbar und eingießbar sind.
Der Verbundgußprozess gestaltet sich gut beherrschbar, weil beispielsweise zwei vorgefertigte Keramikeinlegeteile zusammen mit einem Kern in eine Gußform einzulegen und lagezusichern sind, was gießtechnisch günstig realisierbar ist, ohne unlösbare Aufgaben auszulösen. Zusätzlich oder gesondert zu den kompakt aufgebauten prinzipiell ringförmig geschlossenen Einlegeteilen 6, 6` ist es möglich, jedes Einlegeteil 6, 6` mit offenen, integrierten Kanälen 7, 7` zu durchsetzen und wobei die Kanäle 7, 7` vollständig mit dem Metallgusswerkstoff ausgefüllt sind (2–4) so dass zwischen den axial beabstandeten Reibringen 2, 2` axiale Streben 8, 8` ausgebildet sind. Mit Vorteil verzweigen sich diese axial gerichteten Streben 8, 8` zusätzlich in Umfangsrichtung sowie nach radial außen im Sinne einer Struktur, welche die Reibringflächen 3, 3` besonders in einem druckbeanspruchten Bereich (Bremskolbendruckwirkung) gegen Kollabieren unterstützt und gleichzeitig die wirksame Kühloberfläche vergrößert. Wie 3 und 4 verdeutlichen, können sich weitgehend radial gerichtete Wandsegmente 9, 9` der Kühlkanäle 4, 4` mit den verzweigten Streben 8, 8` abwechseln. Für eine vollständige Füllung der Kanäle 7, 7` mit dem metallischen Gußwerkstoff können gesonderte Entlüftungsmaßnahmen, wie insbesondere Entlüftungskanäle in dem Einlegeteil 6, 6` vorgesehen sein.
Weiterhin kann durch die Porengröße des Keramikwerkstoffes und dessen geometrische Gestaltung die Festigkeit und Optik der Reibflächen 3, 3` beeinflusst werden. Das letztere gilt, falls das Einlegteil 6, 6` bis an die Reiboberfläche geführt ist. Ein Vorteil einer modular zerlegten Vorfertigung der Bremsscheibe 1 anhand vorgefertigter Einlegeteile 6, 6` besteht darin, dass die Einlegeteile 6, 6` auf einfachem Wege mit Kanälen 7, 7` und/oder Hinterschneidungen ausgebildet werden können.
Es ist prinzipiell denkbar, den Keramikkörper offenporig oder geschlossenporig auszubilden. Bei Verwendung von geschlossenporigen Werkstoffen können Legierungen verwendet werden, die bei Verabeitungstemperatur eine relativ dünnflüssige Metallschmelze ergeben, nachdem eine Durchtränkung vom Schaumkörper konstruktiv unterbunden ist. Bei Verwendung von offenporigen Schäumen oder seitlich offenen Bienenwabenstrukturen als Einlegeteil 6, 6` ist möglichst sicher zu stellen, dass die Metallschmelze nicht derart dünnflüssig eingestellt ist, dass eine vollständige Durchtränkung oder Füllung sämtlicher Poren des Keramikkörper eintritt. Denn die vollständige Durchtränkung eliminiert den genannten Gewichtsvorteil des Hohlkörpers. Für eine tragfähige mikromechanische Verzahnung zwischen Einlegeteil 6, 6` und Umhüllung empfiehlt sich die gezielte Abstimmung von Korngröße und Porösität (Porendurchmesser) des Einlegeteils 6, 6` und der kinematischen Viskosität vom metallischen Gußwerkstoff. Denn fehlende formschlüssige Mikroverzahnung in einer Grenzfläche zwischen Keramikkörper und Metallschmelze erschwert eine ausreichende Verdrehfestigkeit des Verbundkörpers.
Die Grundidee der Erfindung basiert also auf einer Bremsscheibe 1, und einem entsprechenden Herstellungsverfahren wobei ein Gussverbund aus mehreren unterschiedlichen Teilen und unterschiedlichen Werkstoffen geschaffen wird, wobei wenigstens ein hochtemperaturbeständiges zumindest bereichsweise hohl aufgebautes Einlegeteil 6, 6` (aus poröser Keramik), insbesondere ein Reibringkern aus einem Keramikwerkstoff, in eine Form eingelegt und zumindest teilweise mit einem metallischen Gußwerkstoff (insbesondere GG15) umhüllt wird.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeugbremsscheibe
2, 2`: Reibring
3, 3`: Reibfläche
4, 4`: Kühlkanal
5: Bremsscheibentopf
6, 6`: poröses Einlegeteil
7, 7`: Kanal
8, 8`: Strebe
9, 9`: Wandsegment
10, 10`: Rand
A: Raddrehachse
Ax: Axialrichtung
R: Radialrichtung
T: Tangentialrichtung

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

EP 0788468 B1 [0003]
DE 4237655 A1 [0004]
EP 2522875 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) sowie Verfahren zu deren Herstellung umfassend zwei zueinander planparallele Reibflächen (3) an einem oder mehreren Reibringen (2, 2`) mit integrierten Kühlkanälen (4, 4`), wobei der wenigstens eine Reibring (2, 2`) konzentrisch sowie drehfest an einem Bremsscheibentopf (5) angeordnet ist, der Bremsscheibentopf (5) konzentrisch zu einer Raddrehachse (A) vorgesehen ist, und die beiden Reibflächen (3, 3`) orthogonal zu der Raddrehachse (A) arrangiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (2, 2`) als Werkstoffverbund ausgebildet ist, und wenigstens ein festes und zumindest teilweise hohles Einlegeteil (6, 6`) aus einem Keramikwerkstoff umfasst, und wobei das Einlegeteil (6, 6`) formschlüssig von einem metallischen Gußwerkstoff umhüllt ist, der im Wesentlichen die Reibflächen (3, 3`) bildet.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibringe (2, 2`) durch Streben (8, 8`) verbunden sind, welche im Wesentlichen parallel zur Raddrehachse (A) angeordnet sind.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (6, 6`) als poröser und definiert geformter Schaumwerkstoff ausgebildet ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (6, 6`) kreisringförmig geschlossen ausgebildet ist.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung aus Gußwerkstoff Ausnehmungen aufweist, wobei Bereiche des Einlegeteiles (6, 6`) bis an eine Oberfläche der Reibfläche (3, 3`) geführt sind.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Gußwerkstoff als Werkstoffmatrix aufgebaut ist, welche mindestens eine metallische Gußwerkstofflegierung einschließlich eine Faserverstärkung umfasst.
Innenbelüftete Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung als regellos gerichtet in der Werkstoffmatrix angeordnete, multifilare sowie homogene Glas- oder Kohlenstofffaserverteilung ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer innenbelüfteten Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Werkstoff aufgeschäumt wird um ein Einlegeteil (6, 6`) als Träger für einen Reibring (2, 2`) zu erzeugen, dass das erhärtete Einlegeteil (6, 6`) in eine offene Form eingelegt und darin lagegesichert wird, dass je nach Bedarf ein oder mehrere Kerne in die Form eingelegt werden, dass die Form anschließend geschlossen, gegebenenfalls evakuiert und dann mit flüssigem Metallgusswerkstoff abgegossen wird, um das Einlegeteil (6, 6`) zumindest partiell zu ummanteln, und wobei nach Abkühlung, nach dem Öffnen der Form und dem Entnehmen des gebildeten Rohteiles sowie Kernentnahme ein Formteil der Kraftfahrzeugbremsscheibe (1) erhalten wird.