DE102017212608B4

DE102017212608B4 - Radnaben-Einheit mit Wärmedämmbeschichtung zur Reduzierung der thermischen Belastung eines Radlagers

Info

Publication number: DE102017212608B4
Application number: DE102017212608.6A
Authority: DE
Inventors: Marc Rettig; Thomas Wilwers; Clemens Maria Verpoort; Eckhard Voss
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2037-07-22
Also published as: DE102017212608A1; US20190024743A1; CN109278469A; US11396207B2

Abstract

Radnaben-Einheit (10) eines Kraftfahrzeugs, umfassend- eine Radnabe (12),- einen mit der Radnabe (12) fest verbundenen Anlageflansch (14), der eine Vielzahl von Befestigungselementen (16) zur Befestigung einer Radfelge sowie eine Anlagefläche (20) aufweist, die dazu vorgesehen ist, im befestigten Zustand einer Bremsscheibe (30) zumindest teilweise mit einem Bremsentopf (32) der Bremsscheibe (30) in mechanische Anlage zu gelangen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anlagefläche (20) mit einer als Emailbeschichtung gebildeten Wärmedämmbeschichtung (28) ausgestattet ist, die frei von Antimon, Gallium, Indium, Molybdän, Hafnium und Wismut sowie von Seltenerdmetallen und von Verbindungen der aufgeführten chemischen Elementen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radnaben-Einheit eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Radnaben-Einheit.
Die DE 101 32 429 A1 befasst sich mit einer Radlageranordnung, bei welcher ein Bremsenrattern unterdrückt werden soll. Dazu ist ein Film zwischen der Bremsscheibenmontagefläche des Radlagermontageflansches und einer Anlagefläche einer Bremsscheibe angeordnet, um einen Spalt zwischen diesen zu füllen. Der Film kann als Folie oder Schicht aufgeklebt bzw. aufgebracht werden, hat aber sowohl in der Ausgestaltung als Folie oder Schicht einen Hauptbestandteil aus kaltaushärtenden Harz. Spezielle Bespiele für solche kaltaushärtenden Harze werden mit den Handelsnamen Loctite bzw. Ferrocote-Lacke offenbart, wobei die Ferrocote-Lacke der Akryl-Emaille Lackfamilie zuzurechnen seien.
Die WO 2012 / 0 03 848 A1 offenbart eine Lageranordnung mit einem Anlageflansch. Der Anlageflansch hat eine Anlagefläche zur Anlage an einer Bremsscheibe. Der Flansch besteht aus einem zweiten Material und hat ein integral angegossenes Hitzeschild, das aus einem dritten Material besteht. Das Hitzeschild besteht aus rostfreiem Stahl oder aus einer Keramik.
Die DE 197 08 901 A1 befasst sich mit einer Bremsscheibe von Bremsanlagen für Schienenfahrzeuge. Die Bremsscheibe besteht aus Aluminium, wobei auch die Nabe aus Aluminium bestehen kann. Um einem Wärmeübertrag aus der Bremsscheibe zur Nabe zu vermeiden, sind wärmedämmende Schichten vorgesehen, die aus Isolierplatten, -scheiben, oder -ringen bestehen. Die Wärmeisolierschichten können aufgeklebt oder aufgespritzt werden.
Die DE 30 12 420 A1 beschäftigt sich mit einer Befestigung einer Bremsscheibe an einem radialen Flansch eines der Lagerringe der Radlagereinheit. Eine der Lagerflächen zwischen Bremsscheibe und Flansch ist mit gegenüber der anderen Anlagerfläche in axialer Richtung vorstehenden Erhöhungen versehen. In den Zwischenräumen zwischen den Erhöhungen ist ein Werkstoff mit schlechtem Wärmeleitfaktor eingebettet.
Konventionelle Bremsscheiben für Kraftfahrzeuge werden vornehmlich aus einem Rohling aus Grauguss (GG15, GG25) oder Sphäroguss (Gusseisen mit Kugelgraphit: GGG60, GGG70) durch spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen, hergestellt. Aus dem Stand der Technik sind Vorschläge bekannt, das schwere Grauguss-Material durch Aluminium zu ersetzen. Aufgrund der niedrigen Dichte von Aluminium kann das Gewicht der Bremsscheibe dadurch um ca. 50% reduziert werden. Zur Herstellung der erforderlichen Abrasionsbeständigkeit der Bremsscheibe ist die Verwendung von Aluminium-Legierungen mit einem erhöhten Siliziumgehalt von 20% bis 40% vorgeschlagen worden, durch den der Schmelzpunkt gegenüber konventionellen Aluminium-Legierungen deutlich erhöht ist. Derartige Aluminium-Legierungen lassen sich beispielsweise durch Sprühkompaktierung herstellen.
Alternativ schlägt die DE 10 2015 200 054 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe für ein Fahrzeug vor, bei welchem auf einem Basiskörper der Bremsscheibe eine Schutzschicht angeordnet wird. Der Basiskörper ist aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Vorgeschlagen wird, dass das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:

- Vorbearbeiten zumindest der Reibflächen des im Rohling vorliegenden Basiskörpers;
- Aufbringen einer Email-Beschichtung als Korrosions- und/oder Verschleißschutzschicht zumindest an den Reibflächen der Bremsscheibe, und
- Nachbehandlung des zumindest bereichsweise beschichteten Basiskörpers, wobei sich die Email-Beschichtung mit dem Grundwerkstoff des Basiskörpers metallurgisch verbindet. Die DE 10 2015 200 054 A1 befasst sich demnach mit einem Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe sowie mit der Bremsscheibe. Zumindest auf die Reibflächen der Bremsscheibe wird eine Emaille-Beschichtung als Korrosionsschutzschicht und/oder Verschleißschutzschicht aufgebracht. Die Korrosionsschutzschicht kann auch auf der gesamten Bremsscheibe aufgebracht werden.

Weiterhin beschreibt die US 3 390 750 A einen Reibkörper für Nass-Kupplungen und -Bremsen, mit einem Träger und mindestens einem am Träger angebrachten gesinterten, porösen und metallischen Reibbelag aus Metallfasern mit einem Porositätsgrad von mindestens 50%. In einem Ausführungsbeispiel sind die Reibbeläge gehärtet und die Haltbarkeit der äußeren Reibungsflächen durch diese Maßnahme erhöht, wobei die Härtung dieser Außenflächen mittels Aufbringen einer glasigen Email-Beschichtung auf die Fasern erfolgt. Dazu wird, nachdem der Reibbelag aus gesinterten Metallfasern auf dem Träger fest aufgebracht ist, eine Emailfritte in Form eines Schlickers auf die Reibungsflächen aufgebracht. Die Reibkörper werden dann in einen ausreichend aufgeheizten Ofen gebracht, so dass die Fritte schmilzt und in die Hohlräume der Reibbeläge eindringt.
Ferner beschreibt die US 2016 / 0 025 167 A1 eine Bremsscheibe mit einem Basiskörper und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bremsscheibe. Das Verfahren kann das Aufrauen mindestens einer Fläche/von Flächen einer Oberfläche des Basiskörpers der Bremsscheibe umfassen, wobei eine Metallbeschichtung als korrosions- und/oder verschleißbeständige Beschichtung mindestens auf der aufgerauten Fläche/den aufgerauten Flächen der Oberfläche des Basiskörpers gebildet wird. Ein Email-Schlicker wird als Korrosionsschutzbeschichtung zumindest in einem Übergangsbereich zwischen der aufgerauten Fläche/den aufgerauten Flächen des Basiskörpers und dem Bremsentopf aufgetragen. Der aufgetragene Email-Schlicker wird getrocknet. Der Basiskörper wird zur Ausbildung der Email-Beschichtung und zur metallurgischen Verbindung der Metallbeschichtung mit dem Basiskörper erhitzt. Die Email-Beschichtung kann auf einer Innen- und auf einer Außenseite der genannten Bereiche aufgebracht werden.
Eine Bremsscheibe der genannten Bauart weist allerdings auch Nachteile auf. Bei der Durchführung von Bremsentests wie beispielsweise dem sogenannten AMS (Auto Motor und Sport)-Test werden nach wiederholten Bremsmanövern aus einer Geschwindigkeit von 115 km/h oder auch 135 km/h bis zum Stillstand an der Bremsscheibe Temperaturen oberhalb von 750°C gemessen. Aluminium oder die beschriebenen Aluminium-Legierungen weisen gegenüber Grauguss-Materialien eine vielfach höhere Wärmeleitfähigkeit λ und Temperaturleitfähigkeit $\frac{λ}{c \cdot ρ},$
(c: spezifische Wärmekapazität, ρ: Dichte) auf, so dass die beim Bremsentest entstehende Reibungswärme und -temperatur schneller an die Umgebungsluft, aber auch an die Radnabe abgeführt wird, an der die Bremsscheibe üblicherweise montiert ist. Hierbei besteht die Gefahr einer Beschädigung des Radlagers durch Überhitzung des Lagerschmiermittels, das üblicherweise von Lagerfett gebildet ist, oder auch einer Beschädigung von elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Sensoreinheiten für ein Antiblockiersystem (ABS) oder ähnliches.
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Radnabeneinheiten, die in Kombination mit Bremsscheiben aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung verwendet werden, hinsichtlich einer Wärmeabführung noch Raum für Verbesserungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Radnaben-Einheit bereitzustellen, die in Kombination mit einer Bremsscheibe aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung wärmetechnisch kompatibel und dauerhaft und zuverlässig betreibbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Radnaben-Einheit eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Aufgezeigt wird eine Radnaben-Einheit eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Radnabe, und einen mit der Radnabe fest verbundenen Anlageflansch, der eine Vielzahl von Befestigungselementen zur Befestigung einer Radfelge sowie eine Anlagefläche aufweist, die dazu vorgesehen ist, im befestigten Zustand einer Bremsscheibe zumindest teilweise mit einem Bremsentopf der Bremsscheibe in mechanische Anlage zu gelangen.
Zumindest ein Teil der Anlagefläche ist mit einer als Emailbeschichtung gebildeten Wärmedämmbeschichtung ausgestattet, die frei von Antimon, Gallium, Indium, Molybdän, Hafnium und Wismut sowie von Seltenerdmetallen und von Verbindungen der aufgeführten chemischen Elementen ist.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 zur Herstellung einer derartigen Radnaben-Einheit gelöst.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Wie bereits erwähnt, umfasst die Radnaben-Einheit eines Kraftfahrzeugs eine Radnabe und einen mit der Radnabe fest verbundenen Anlageflansch. Der Anlageflansch weist eine Vielzahl von Befestigungselementen zur Befestigung einer Radfelge sowie eine Anlagefläche auf, die dazu vorgesehen ist, im befestigten Zustand einer Bremsscheibe zumindest teilweise mit einem Bremsentopf der Bremsscheibe in mechanische Anlage zu gelangen. Wie oben auch erwähnt ist zumindest ein Teil der Anlagefläche mit einer Wärmedämmbeschichtung ausgestattet.
Von einer durch wiederholte Betätigung stark erhitzten Bremsscheibe wird die entstehende Reibungswärme durch freie Konvektion (im Stillstand) oder erzwungene Konvektion (durch Fahrtwind), durch Abstrahlung in die Umgebung oder durch Wärmeleitung in Trägerstrukturen der Bremsscheibe abgeleitet, die von dem Anlageflansch und der Radnabe gebildet werden. Die Anteile der durch die jeweiligen Wärmeabführmechanismen abgeführten Wärme hängen von einer Temperatur der erhitzten Bremsscheibe, von äußeren Bedingungen (Stillstand, Fahrt) und Wärmeleitungseigenschaften der in den Trägerstrukturen verwendeten Materialien ab.
Die Erfindung beruht auf dem Konzept, die Anteile der durch freie oder erzwungene Konvektion sowie durch Abstrahlung in die Umgebung abgeführten Wärme zu erhöhen und den Anteil der durch Wärmeleitung in die Trägerstrukturen abgeführten Wärme zu verringern, indem in einem Wärmeleitungspfad mittels der Wärmedämmbeschichtung ein erhöhter Wärmewiderstand eingefügt ist.
Auf diese Weise kann eine über den Wärmeleitungspfad an die Radnabe und insbesondere an ein Lagerschmiermittel des Radlagers abgeleitete Wärmemenge verringert und eine Überhitzung des Lagerschmiermittels wirksam verhindert werden.
Unter einem „Fahrzeug“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Kraftomnibus verstanden werden.
Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere speziell dafür ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Radnaben-Einheit beinhaltet der mit der Wärmedämmbeschichtung ausgestattete Teil zumindest einen Teil einer Umfangsfläche der Radnabe und/oder zumindest einen Teil einer Umfangsfläche des Anlageflansches. Durch Fertigungstoleranzen, beispielsweise bei der Anordnung der Vielzahl von Befestigungselementen im Anlageflansch oder bei der Ausführung des Bremsentopfes der Bremsscheibe, kann die Bremsscheibe bei der Montage mit der Umfangsfläche der Radnabe und/oder mit der Umfangsfläche des Anlageflansches in Anlage gelangen. Durch Ausstattung dieser Flächen mit der Wärmedämmbeschichtung kann ein Wärmewiderstand des Wärmeleitungspfades von der Bremsscheibe in die Radnabe und insbesondere zum Lagerschmiermittel des Radlagers weiter erhöht und der Anteil der durch Wärmeleitung in die Trägerstrukturen der Bremsscheibe abgeführten Wärme weiter verringert werden.
Bevorzugt ist die Anlagefläche vollständig mit der Wärmedämmbeschichtung ausgestattet.
Wie oben beschrieben, ist die Wärmedämmbeschichtung als Emailbeschichtung ausgebildet. Auf diese Weise kann ein effektiver Wärmewiderstand in den Wärmeleitungspfad von der Bremsscheibe in die Radnabe eingeführt werden, ohne Lokalelemente an der Grenzfläche zwischen dem Material der Bremsscheibe und dem Material der Radnabe zu erzeugen, so dass eine Bildung von Korrosion weitgehend vermieden werden kann. Anstelle einer Emailbeschichtung könnten auch andere wärmeisolierende Materialen bzw. Werkstoffe verwendet werden. Diese Alternativen sind jedoch zumeist nicht so temperaturbeständig und auch nicht so hart. Die Härte ist allerdings wichtig, da an dem Flansch nahezu keine Kompressibilität zugelassen werden kann.
Das Email kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Schmelzgemisch von glasbildenden Oxiden beinhalten, beispielsweise Siliziumdioxid SiO₂, Bortrioxid B₂O₃, Natriumoxid Na₂O Kaliumoxid K₂O, Zirkonoxid ZrO₂, Kupferoxid CuO und Aluminiumoxid Al₂O₃. Ferner kann das Email Anteile von Borax, Feldspat, Fluorid, Quarz, Soda und Natriumnitrat aufweisen. Das Email kann zumindest eine weitere Haftkomponente wie etwa Kobaltoxid, Manganoxid oder Nickeloxid umfassen. Ferner können als Trübungsmittel für das Email Oxide von Titan oder Molybdän dienen. Üblicherweise wird das Email aus einem getrockneten Emailschlicker durch Anwendung von Temperaturen zwischen 720°C und 900°C hergestellt.
Bevorzugt enthält das Email etwa 50% bis 80% SiO₂.
Es ist vorteilhaft, wenn das Email etwa 10% bis 30% ZrO₂ enthält.
Bevorzugt ist es, wenn das Email wenigstens einen Anteil im Bereich von 1% bis 10% aus der Gruppe der Oxide B₂O₃, Al₂O₃, CuO und Na₂O enthält.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enthält das Email etwa 65% SiO₂, 5% B₂O₃, 5% Al₂O₃, 18% ZrO₂, 5% CuO und 2% Na₂O.
In vorteilhaften Ausführungsformen weist die Wärmedämmbeschichtung eine Schichtdicke auf, die in einem Bereich zwischen 150 µm und 700 µm, bevorzugt zwischen 200 µm und 600 µm und, besonders bevorzugt, zwischen 250 µm und 500 µm liegt. Bei Schichtdicken in diesem Bereich kann eine plastische Verformung der Wärmedämmbeschichtung durch eine Befestigung der Bremsscheibe an der Radnabe und eine dadurch verursachte Lockerung der Befestigung der Bremsscheibe vermieden werden.
Bevorzugt weist die Wärmedämmbeschichtung bei Temperaturen oberhalb von 350°C eine Wärmeleitfähigkeit λ von weniger als 2,0 W/(m K) auf. Auf diese Weise kann ein im Vergleich zur Bremsscheibe besonders hoher Wärmewiderstand in einem Wärmeleitungspfad für die durch Wärmeleitung von der Bremsscheibe in die Radnabe potenziell abführbare Wärme erzielt werden.
In vorteilhaften Ausführungsformen weist die Wärmedämmbeschichtung bei Temperaturen oberhalb von 350°C eine Temperaturleitfähigkeit $\frac{λ}{c \cdot ρ},$
(c: spezifische Wärmekapazität, ρ: Dichte) auf, die weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und, besonders bevorzugt, weniger als 2% einer Temperaturleitfähigkeit des Materials der Bremsscheibe beträgt.
Wie oben auch schon beschrieben, ist die Wärmedämmbeschichtung frei von Antimon, Gallium, Indium, Molybdän, Hafnium und Wismut sowie von Seltenerdmetallen und von Verbindungen der aufgeführten chemischen Elemente. Zu den Seltenerdmetallen gehören die chemischen Elemente Scandium, Yttrium und Lanthan sowie die auf das Lanthan folgenden Elemente Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. Die zuvor genannten Elemente gehören zu den so genannten „strategisch wichtigen Metallen“. Ohne eine Verwendung dieser Materialien kann eine weitgehend uneingeschränkte Verfügbarkeit von Materialien zur Herstellung der Wärmedämmbeschichtung gewährleistet sein.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Radnaben-Einheit ist eine aus zumindest einer Aluminium-Legierung hergestellte Bremsscheibe zur lösbar festen Verbindung mit dem Anlageflansch vorgesehen. Unter dem Begriff „lösbar feste Verbindung“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere verstanden werden, dass ein Monteur mit Hilfe von Werkzeug eine solche mechanische Verbindung in reversibler Weise bilden und lösen kann. In einer derartigen Radnaben-Einheit können die eingangs genannten Vorteile der aus der Aluminiumlegierung hergestellten Bremsscheibe in vollem Umfang ausgenutzt werden, ohne Gefahr zu laufen, das Radlager durch Überhitzung des Lagerschmiermittels zu beschädigen oder auch Sensoreinheiten zu beschädigen (z.B. ABS).
Insbesondere kann die aus der Aluminium-Legierung hergestellte Bremsscheibe einen Siliziumanteil von mehr als 10 %, bevorzugt mehr als 20%, und, besonders bevorzugt, mehr als 30% aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Radnaben-Einheit vorgeschlagen. Das Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß durch wenigstens folgende Schritte aus:

- Bereitstellen eines Radnaben-Rohlings aus Grauguss,
- Herstellen der Anlagefläche des Anlageflansches durch spanende Bearbeitung,
- Behandeln der Anlagefläche durch Strahlen mit einem Strahlgut,
- Aufbringen eines Emailschlickers zumindest auf Teilen der Anlagefläche,
- Trocknen des Emailschlickers, und
- Erhitzen des Radnaben-Rohlings auf eine Temperatur oberhalb von 720°C, und
- Endformen der Radnaben-Einheit gemäß vorbestimmter Bemaßung durch spanende Bearbeitung.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Radnaben-Einheit mit den zuvor genannten Vorteilen in effektiver Weise hergestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen

1 eine Radnaben-Einheit ohne Bremsscheibe in einer perspektivischen, schematisierten Ansicht von oben,
2 die Radnaben-Einheit gemäß der 1 mit eingebauter Bremsscheibe in einer perspektivischen, schematisierten Ansicht von der Seite,
3 die Radnaben-Einheit gemäß der 2 in einer seitlichen, geschnittenen Teilansicht, und
4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Radnaben-Einheit gemäß der 1.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Radnaben-Einheit 10 eines Kraftfahrzeugs, das als Personenkraftwagen ausgebildet ist, ohne Bremsscheibe. Die Radnaben-Einheit 10 ist zur Verwendung an einem Ende einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Die Radnaben-Einheit 10 umfasst eine Radnabe 12 und einen mit der Radnabe 12 einstückig ausgeführten und daher durch Stoffschluss fest mit der Radnabe 10 verbundenen, kreisringförmigen Anlageflansch 14. Der Anlageflansch 14 weist eine Vielzahl von fünf Befestigungselementen 16 auf, die als kreisrunde Durchgangsöffnungen ausgebildet und in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Durch die kreisrunden Durchgangsöffnungen können aus einer rückwärtigen Richtung nach vorn, d.h. auf einen Betrachter der 1 zu, Schraubenbolzen (nicht dargestellt) gesteckt werden, mittels derer eine Radfelge (nicht dargestellt) an der Radnaben-Einheit 10 befestigt werden kann. Weiterhin ist der Anlageflansch 14 mit einer Gewindedurchgangsbohrung 18 ausgestattet, die zur Aufnahme einer Zentrierungsschraube 38 (2) zur Fixierung einer Bremsscheibe 30 vorgesehen ist.
Bezugnehmend auf die 1 ist die Radnaben-Einheit 10 an einem vorderen, hohlzylinderförmigen Ende der Radnabe 12 in der üblichen Weise mit einer Nabenmutter 40 an der nicht dargestellten Antriebswelle gesichert.
Der Anlageflansch 14 weist eine Anlagefläche 20 auf, die eine nach vorne gerichtete, kreisringförmige Oberfläche 22 des Anlageflansches 14 sowie eine Umfangsfläche 24 des Anlageflansches 14 und einen Teil einer Umfangsfläche 26 der Radnabe 12 beinhaltet, der an die nach vorne gerichtete, kreisringförmige Oberfläche 22 des Anlageflansches 14 angrenzt.
Die Radnaben-Einheit 10 weist ferner eine aus Aluminium-Legierungen hergestellte Bremsscheibe 30 auf (2). Die Bremsscheibe 30 weist in an sich bekannter Weise einen Bremsentopf 32 und einen Reibring 34 mit beidseitigen Reibflächen auf, die von einem Bremssattel 36 und darin angeordneten Bremsbelägen (nicht dargestellt) in an sich bekannter Weise umgriffen werden. Der Bremssattel 36 ist dabei an einem hinteren Achsschenkel (nicht sichtbar) des Kraftfahrzeugs befestigt.
Der Bremsentopf 32 besitzt im Wesentlichen die Form eines nach hinten offenen Zylinders. Eine vordere Abdeckung des zylindrischen Teils weist eine zentrale Durchgangsöffnung zur Zentrierung und fünf durchgehende Befestigungslöcher auf, deren Durchmesser und Positionen mit den kreisrunden Durchgangsöffnungen des Anlageflansches 14 übereinstimmen, so dass die Bremsscheibe 30 mittels der Schraubenbolzen zur lösbar festen Verbindung mit dem Anlageflansch 14 vorgesehen ist. Des Weiteren ist die Bremsscheibe 30 mit einer Zentrierungsschraube 38 im Anlageflansch 14 gesichert. Der Bremsentopf 32 ist vollständig aus der beispielhaften Aluminium-Schmiedelegierung mit der Werkstoffnummer EN AW-6061 (AIMg1SiCu) gefertigt.
Der Reibring 34 ist mit einer Randregion des Bremsentopfs 32, die am hinteren Ende des zylindrischen Teils angeordnet ist, einstückig verbunden und besteht zu einem überwiegenden Anteil aus der beispielhaften Aluminium-Legierung AlSi20Fe5Ni2 mit einem Siliziumgehalt von 20%.
Die Wärmeleitfähigkeit der für die Herstellung der Bremsscheibe verwendeten Aluminium-Legierungen liegt in einem Bereich von 100-150 W/(m·K).
Wie in 3 dargestellt gelangt die Anlagefläche 20 des Anlageflansches 14 in einem Einbauzustand der Bremsscheibe 30 zumindest teilweise mit dem Bremsentopf 32 der Bremsscheibe 30 in mechanische Anlage.
Natürlich können auch andere Bremsscheiben oder Befestigungsvorgänge verwendet werden. Das wesentliche der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein Wärmeübergang aus der Bremse in das Radlager zumindest reduziert wird.
Die gesamte Anlagefläche 20 des Anlageflansches 14 (1, 3) ist mit einer Wärmedämmbeschichtung 28 ausgestattet. Die Wärmedämmbeschichtung 28 ist als Emailbeschichtung ausgebildet und weist eine Schichtdicke von 450 µm auf. Bei Temperaturen oberhalb von 350°C besitzt die Emailbeschichtung eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2,0 W/(m·K).
Bei der Herstellung wurde das Material bewusst so gewählt, dass die Wärmedämmbeschichtung 28 frei von Antimon, Gallium, Indium, Molybdän, Hafnium und Wismut sowie von Seltenerdmetallen und von Verbindungen der aufgeführten chemischen Elemente ist.
Aus der 3 ist zu erkennen, dass der Anteil der im Reibring 34 der Bremsscheibe 30 entstehenden Reibungswärme, der durch Wärmeleitung abführbar ist, entlang eines Wärmeleitungspfades fließt, der vom Reibring 34 in den Bremsentopf 32 und von dort durch die Wärmedämmbeschichtung 28 entweder über den Anlageflansch 14 oder direkt in die Radnabe 12 führt.
Die Wärmedämmbeschichtung 28 stellt aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit einen Wärmewiderstand dar, durch den der Anteil der durch Wärmeleitung abführbaren Reibungswärme im Vergleich zu einer Konfiguration ohne die Wärmedämmbeschichtung 28 reduziert ist. Dadurch sind die Radnabe 12 und insbesondere das damit verbundene Radlager mit dem darin enthaltenen Lagerschmiermittel vor Überhitzung wirksam geschützt. Die Wärmedifferenz wird durch eine Erhöhung des Anteils der durch freie oder erzwungene Konvektion abführbaren Reibungswärme und des Anteils der durch Wärmestrahlung abführbaren Reibungswärme kompensiert.
Bei transienten (instationären) Wärmetransportvorgängen, wie sie beispielsweise bei einem harten Bremsvorgang mit einer zu Beginn kühlen Bremsscheibe zu erwarten sind, bewirkt die Wärmedämmbeschichtung 28 aufgrund ihrer im Vergleich zum Material der Bremsscheibe 30 geringen Temperaturleitfähigkeit $\frac{λ}{c \cdot ρ}$
eine langsamere Ausbreitung der Temperatur von der durch den Bremsvorgang erhitzten Bremsscheibe 30 bis zur Radnabe 12 bzw. dem Radlager.
Nachfolgend wird eine mögliche erfindungsgemäße Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung der Radnaben-Einheit 10 beschrieben. Ein Flussdiagramm des Verfahrens ist in 4 dargestellt. Die in der Beschreibung des Verfahrens für Objekte angegebenen Bezugszeichen gelten für die 1 bis 3.
In einem ersten Schritt 42 des Verfahrens wird ein Radnaben-Rohling aus Grauguss bereitgestellt. Im anschließenden Schritt 44 wird die Anlagefläche 20 des Anlageflansches 14 durch spanende Bearbeitung, nämlich durch Drehen, hergestellt. Danach werden in einem weiteren Schritt 46 die Durchgangsöffnungen 16 des Anlageflansches 14, beispielsweise durch Bohren, hergestellt.
Anschließend erfolgt ein Schritt 48 zur Behandlung der Anlagefläche 20 durch Strahlen mit einem Strahlgut, so dass die Anlagefläche 20 für die folgende Beschichtung mit Email vorbereitet ist.
In einem weiteren Schritt 50 wird auf die gesamte Anlagefläche 20 ein Emailschlicker aufgetragen und in einem daran anschließenden Schritt 52 getrocknet. In einem geeigneten Ofen wird der Radnaben-Rohling in einem weiteren Schritt 54 für wenige Minuten auf eine Temperatur von 850°C erhitzt, wodurch der Glasfluss auf der Anlagefläche 20 entsteht. Nach Abkühlen erfolgt in einem weiteren Schritt 56 des Verfahrens ein Endformen der Radnaben-Einheit 10 gemäß vorbestimmter Bemaßung durch spanende Bearbeitung.
Bezugszeichenliste:

10: Radnaben-Einheit
12: Radnabe
14: Anlageflansch
16: Befestigungselement
18: Gewindedurchgangsbohrung
20: Anlagefläche
22: Oberfläche Anlageflansch
24: Umfangsfläche Anlageflansch
26: Umfangsfläche Radnabe
28: Wärmedämmbeschichtung
30: Bremsscheibe
32: Bremsentopf
34: Reibring
36: Bremssattel
38: Zentrierungsschraube
40: Nabenmutter Verfahrensschritte:
42: Bereitstellen eines Radnaben-Rohlings
44: Herstellen der Anlagefläche des Anlageflansches
46: Herstellen der Durchgangsöffnungen
48: Behandeln der Anlagefläche durch Strahlen mit einem Strahlgut
50: Auftragen von Emailschlicker
52: Trocknen des Emailschlickers
54: Erhitzen des Radnaben-Rohlings auf mindestens 720°C für einige Minuten
56: Endformen der Radnaben-Einheit

Claims

Radnaben-Einheit (10) eines Kraftfahrzeugs, umfassend - eine Radnabe (12), - einen mit der Radnabe (12) fest verbundenen Anlageflansch (14), der eine Vielzahl von Befestigungselementen (16) zur Befestigung einer Radfelge sowie eine Anlagefläche (20) aufweist, die dazu vorgesehen ist, im befestigten Zustand einer Bremsscheibe (30) zumindest teilweise mit einem Bremsentopf (32) der Bremsscheibe (30) in mechanische Anlage zu gelangen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anlagefläche (20) mit einer als Emailbeschichtung gebildeten Wärmedämmbeschichtung (28) ausgestattet ist, die frei von Antimon, Gallium, Indium, Molybdän, Hafnium und Wismut sowie von Seltenerdmetallen und von Verbindungen der aufgeführten chemischen Elementen ist.
Radnaben-Einheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Wärmedämmbeschichtung (28) ausgestattete Teil der Anlagefläche (20) zumindest einen Teil einer Umfangsfläche (26) der Radnabe (12) und/oder zumindest einen Teil einer Umfangsfläche (24) des Anlageflansches (24) beinhaltet.
Radnaben-Einheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Emailbeschichtung 50% bis 80% SiO₂ enthält.
Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emailbeschichtung 10% bis 30% ZrO₂ enthält.
Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emailbeschichtung wenigstens einen Anteil im Bereich von 1% bis 10% aus der Gruppe der Oxide B₂O₃, Al₂O₃, CuO und Na₂O enthält.
Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emailbeschichtung 65% SiO₂, 5% B₂O₃, 5% Al₂O₃, 18% ZrO₂, 5% CuO und 2% Na₂O enthält.
Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmbeschichtung (28) eine Schichtdicke aufweist, die in einem Bereich zwischen 150 µm und 700 µm liegt.
Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmbeschichtung (28) bei Temperaturen oberhalb von 350°C eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2,0 W/(m·K) aufweist.
Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus zumindest einer Aluminium-Legierung hergestellten Bremsscheibe (30) zur lösbar festen Verbindung mit dem Anlageflansch (14) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Radnaben-Einheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend wenigstens die folgenden Schritte: - Bereitstellen (42) eines Radnaben-Rohlings aus Grauguss, - Herstellen (44) der Anlagefläche (20) des Anlageflansches (14) durch spanende Bearbeitung, - Behandeln (48) der Anlagefläche (20) zumindest durch Strahlen mit einem Strahlgut, - Aufbringen (50) eines Emailschlickers zumindest auf Teilen der Anlagefläche (20), - Trocknen (52) des Emailschlickers, und - Erhitzen (54) des Radnaben-Rohlings auf eine Temperatur oberhalb von 720°C, und - Endformen (56) der Radnaben-Einheit (10) aus dem Radnaben-Rohling gemäß vorbestimmter Bemaßung durch spanende Bearbeitung.