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Die vorliegende Erfindung betrifft Bremsscheibe oder Bremstrommel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Fahrzeugbremse.
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Die Verwendung von Zement, Tonmineralien und Email im Bereich von Scheibenbremsen ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
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Die
DE 10 2009 050 025 A1 offenbart Keramikbremsscheiben mit einer Faserverstärkung aus Kohlenstofffasern. Die Keramikplatten als gebrannte Tonmineralplatten werden zur Erhöhung der Reibfestigkeit oberflächlich mit Siliziumcarbid versehen und zusätzlich mit einem Metall oder einer Metalllegierung gekapselt.
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Die
DE 10 2009 048 424 A1 als auch die
DE 103 38 200 A1 offenbart ein zementhaltiges Material, welches auch als Betonmaterial ausgebildet sein kann. Eine Anwendung dieses Materials sind Friktionsanwendungen, wie z.B. Reibbeläge oder Bremsscheiben. Dabei wird ein faserhaltiges Flächenstrukturmaterial als Armierung in das zementhaltige Material eingebunden.
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Die
DE 10 2015 200 054 A1 offenbart den Auftrag einer Emailschicht auf einen Basiskörper aus Aluminium zur Erzeugung einer Reibfläche einer Bremsscheibe.
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Aus der
WO 2007/033378 A1 wird offenbart dass für eine Vielzahl von Automobilteilen so u.a. Bremsscheibenrotoren welche durch unterschiedlichste Anzahl an Materialien, so u.a. auch zementhaltigen Verbundmaterialien verstärkt werden können. Die Auswahl der Materialien eröffnen dabei jedoch eine große Bandbreite der Nutzung von grundverschiedenen Materialien (Plastik, Metall, Legierung, Beton) für unterschiedlichbelastete Bauteile (Räder, Zylinderblock, Panzerung) in einem KfZ.
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Aus der
WO 2005 116 476 A2 ist eine Bremsscheibe mit einer kohlenstoffhaltigen pyrolysierten Zementschicht.
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Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neuartige Bremsscheibe oder Bremstrommel bereitzustellen, welche einfach herstellbar ist und eine hohe Festigkeit bei zugleich einer hohen spezifischen Wärmekapazität aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Bremsscheibe oder Bremstrommel ist geeignet den Einsatz in einer Bremse, insbesondere in einer Fahrzeugbremse. Besonders bevorzugt kann die Bremse für mittelschwere bis schwere Lastkraftwagen genutzt werden. Entsprechende gattungsgemäße Bremsen sind aus einer Vielzahl von Patentanmeldungen der Anmelderin bekannt.
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Die vorliegende Bremsscheibe umfasst zumindest eine Reibplatte mit zumindest einer ersten Reibfläche zur Wechselwirkung mit der Reibfläche eines Bremsbelags der Bremse.
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Die Reibplatte kann vorzugsweise ringförmig ausgebildet sein oder es können ebenfalls vorzugsweise mehrere Reibplatten entlang einer Kreisbahn angeordnet sein. Die Reibplatte kann beidseitig Reibflächen aufweisen und von beiden Seiten von jeweils einem Bremsbelag in Wechselwirkung treten. Es kann aber auch nur jeweils eine Reibfläche auf einer Reibplatte vorgesehen sein. Letztere Variante kann insbesondere vorgesehen sein, sofern die Reibplatte auf einem Reibplattenträger, z.B. einem scheibenförmigen Metallblech, angeordnet ist.
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Die Reibplatte besteht erfindungsgemäß aus einem faserarmierten zementhaltigen Material. Aufgrund der Faserarmierung kann eine besonders günstige Festigkeit, insbesondere eine bessere Zug- und Druckfestigkeit, aufweisen, als dies bei zementhaltigen Material ohne Faserarmierung der Fall ist. Diese Zugfestigkeit ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine Materialoptimierung für den Einsatz als Bremsmaterial.
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Das faserarmierte zementhaltige Material ist erfindungsgemäß ein faserarmiertes UHPC-Material und kann bevorzugt ein faserarmiertes HRUHPC-Material sein. Letzteres Material weist eine besonders günstige Druck- und Zufestigkeit auf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Für eine optimale Festigkeit sollte der Anteil an Fasern im zementhaltigen Material zumindest 1 Gew.%, vorzugsweise 2 bis 12 Gew.%, betragen.
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Besonders bevorzugt, da besonders wärmebeständig, sind Glasfasern und/oder Carbonfasern.
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Der Anteil an Zement im zementhaltigen Material kann vorteilhaft zumindest 10 Gew.%, vorzugsweise zumindest 25 Gew.%, betragen.
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Die Bremsscheibe oder Bremstrommel weist erfindungsgemäß einen metallischen Reibplattenträger mit zumindest einem Flansch zur Verbindung der Bremsscheibe oder der Bremstrommel mit einer Fahrzeugachse auf.
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Das zementhaltige Material kann zumindest ein Additiv zur Einstellung des Reibwerts aufweisen, wobei das Additiv eine größere Härte aufweisen als das übrige zementhaltige Material und wobei das Additiv ausgesucht aus einer Klasse bestehend aus Carbide oder Oxide. Typische und bevorzugte Verbindungen solcher Additive sind Titan- und/oder Siliziumcarbide.
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Der Reibplattenträger kann zumindest bereichsweise im zementhaltigen Material vergossen sein, so dass eine Anbindung an die Fahrzeugachse durch den Reibplattenträger erfolgen kann.
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Die Bremsscheibe kann aus Massiv-Material bestehen, mit einer Scheibendicke von kleiner als 40 Millimeter, vozugsweise kleiner als 35 mm, insbesondere kleiner als 30 mm. Durch die Nutzung von faserarmiertem Betonmaterial kann eine Bremsscheibe wesentlich dünner ausgebildet werden, was eine Miniaturisierung der Fahrzeugbremse insgesamt möglich macht.
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Besonders bevorzugt kann es sich in einer bevorzugten Variante bei dem carbonfaserarmierten Betonmaterial nicht wie im Fall von Emaille um eine Beschichtung sondern die Reibplatte handeln, besteht vollständig oder zumindest zu 80 Gew.% aus dem carbonfaserarmierten Betonmaterial. Der restliche Anteil der Reibplatte kann beispielsweise auf im Betonmaterial eingegossenen Verbindungsmittel, wie z.B. Gewindebolzen oder dergleichen, entfallen.
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Der erfindungsgemäße Reibkörper und die erfindungsgemäß verwendete Reibplatte werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Einzelne insbesondere konstruktive Merkmale der dargestellten Ausführungsvarianten sind gesondert von den speziellen Ausführungsvarianten als vorteilhaft zu verstehen. Es zeigt:
- 1 eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe;
- 2 eine perspektivische Schnittansicht eines Reibplattenträgers welcher in der Bremsscheibe der 1 einsetzbar ist;
- 3 eine perspektivische Schnittansicht der Bremsscheibe der 1 mit dem Reibplattenträger der 2;
- 4 eine axiale Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe;
- 5 eine transparente Perspektivansicht der Ausführungsvariante der Flg. 4;
- 6 eine axiale Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe;
- 7 eine transparente Perspektivansicht der Ausführungsvariante der 6;
- 8 eine transparente Perspektivansicht eines Teilbereichs der Bremsscheibe der Flg. 6;
- 9 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe;
- 10 eine teiltransparente Perspektivansicht der Bremsscheibe der 9;
- Flg. 11 eine Schnittansicht der Ausführungsvariante der 9 und 10;
- Flg. 12 eine transparente Perspektivansicht der Ausführungsvariante der 9-11;
- Flg. 13 eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe; und
- Flg. 14 eine Detailansicht der 13.
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1-3 zeigen eine erfindungsgemäße Bremsscheibe 1 umfassend zwei ringförmige Reibplatten 2, 2' mit entsprechenden Reibflächen 7, 7' und einen dazwischen angeordneten Reibplattenträger 3, wobei die Bremsscheibe 1 eine Längsachse A aufweist.
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Die Bremsscheibe 1 kann in Fahrzeugbremsen im Bereich der Kraftfahrzeuge, vorzugsweise der Nutzkraftfahrzeuge der Sattelzugmaschinen der Klasse „mittelschwere LKW'S und insbesondere „schwere LKW's“ , verwendet werden.
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Der Reibplattenträger 3 weist einen Flansch 4 zur Durchführung von mechanischen Verbindungselementen, insbesondere von Schrauben, auf und ermöglicht einen Anschluss des Reibkörpers 1 an eine Fahrzeugachse. Der Reibplattenträger weist einen ringförmigen Bereich 6 auf, welcher zwischen zwei Reibplatten 2 angeordnet ist.
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Der Flansch 4 ist gegenüber dem ringförmigen Bereich 6 in Richtung der Längsachse A der Bremsscheibe 1 versetzt, insbesondere parallelverschoben, angeordnet.
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Der Reibplattenträger 3 kann vorzugsweise aus Metall, beispielsweise einem Gussmaterial, ausgebildet sein. Der Reibplattenträger 3 kann allerdings auch als Umformteil, z.B. aus einem Metallblech, ausformt sein.
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Der Reibplattenträger 3 weist Vorsprünge 5 und/oder Vertiefungen auf, zur Verbindung, insbesondere zum Eingriff, mit einer reibplattenträgerseitigen Fläche 8, 8'.
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Der ringförmige Bereich 6 des Reibplattenträgers 3 kann zwei Metallringe 9, 10 umfassen, welche miteinander verbunden sind. Als Abstandshalter kann eine Niete mit zwei Auflageflächen für die beiden Metallringe 9, 10 vorgesehen sein.
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Jeder der zwei Metallringe definiert eine Ringebene Y und Z mit senkrechtem Verlauf zur Längsachse A. Dabei weisen die Metallringe 9 und 10 jeweils die Vorsprünge 5 auf. Sie stehen vorzugsweise axial in Richtung der jeweiligen anzuschließenden Reibplatte 2, 2' aus der jeweiligen Ringebene Y oder Z des jeweiligen Metallrings 9 oder 10 hervor.
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Die Ringebenen Y und Z können vorzugsweise zueinander beabstandet sein, so dass zwischen den Metallringen 9 und 10 Belüftungsräume 11 z.B. in Form von Belüftungskanälem angeordnet sein können.
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Die beiden Reibplatten 2, 2' der erfindungsgemäßen Bremsscheibe 1 weist eine Reibfläche 7, 7' aus einem zementhaltigen Material mit einer Faserarmierungen auf. Die Fasern des zementhaltigen Materials können vorteilhaft als Carbonfasern und/oder Glasfasern ausgebildet sein, da diese eine besonders gute Hitzeverträglichkeit gegenüber der bei einer Bremsung erzeugten Wärme aufweisen.
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Bevorzugt kann die Reibplatte 2 vollständig aus einem carbonfaserarmierten zementhaltigen Material bestehen.
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Zusätzlich zu den Carbonfasern kann die Armierung auch Stahl, Eisen und/oder ein Gussmaterial, vorzugsweise in Form von Streben oder Drähten umfassen.
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Der Anteil der Armierungen in der ringförmigen Reibplatte beträgt mehr als 1 Gew%, vorzugsweise 2 bis 12 Gew.%.
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Bei dem Betonmaterial kann es sich bevorzugt um ein sogenanntes UHPC-Material (ultra high performance concrete) handeln. Eine besonders bevorzugte Klasse für den Einsatz in einem Reibkörper einer Bremse ist ein ein sogenanntes HRUHPC-Material (heavy reinforced ultra high performance concrete), welche eine bevorzugte sehr hohe Zugfestigkeit von zumindest 150 MPa oder mehr erreichbar ist.
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In einer in 4 und 5 dargestellten Ausführungsvariante ist eine Bremsscheibe 60 derart ausgebildet, dass ein metallischer Reibplattenträger 63 direkt in dem faserarmierten zementhaltigen Material vergossen ist. Der Reibplattenträger weist ein zylindrisches Mittelsegment 65 mit einem Flansch 66 auf. Vom zylindrischen Mittelsegment 65 gehen radial Streben 67 ab, welche vorzugsweise vom zementhaltigen Material der Reibplatte 62 umschlossen sind. Auf Belüftungsräume, z.B. Belüftungskanäle wurde bei dieser Ausführungsvariante zugunsten einer bevorzugten verminderten Scheibendicke verzichtet.
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In 6-8 ist eine Ausführungsvariante einer Bremsscheibe 20 analog zu 4 und 5 dargestellt, mit einem in das zementhaltige Material einer Reibplatte 22, umfassend zwei Reibflächen 27, 27', eingegossenen Reibplattenträger 23. Dieser weist ein trommelartiges Mittelsegment 24 und radial davon abgehende Streben 25, wobei zumindest die Streben 25 von dem zementhaltigen Material der Reibplatte 22 umgeben sind.
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Das trommelartige Mittelsegment 24 weist, analog zu Flg. 1-5 einen Flansch 26 zum Anschluss an eine Fahrzeugachse auf.
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Der Reibplattenträger 23 kann mittels eines Spheroguss-Verfahrens als Einlegeteil hergestellt werden.
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Nach der Platzierung des Einlegeteils in eine Gießform wird das zementhaltige Material in die Gießform gegossen und anschließend ggf. unter Temperaturzufuhr ausgehärtet.
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Die Bremsscheibe 20 weist zudem Belüftungskanäle 21 auf. Diese sind jedoch materialbedingt anders als bei metallischen Bremsscheiben nicht zwingend notwendig, sondern die erfindungsgemäße Bremsscheibe kann auch eine Massiv-Bremsscheibe ausgebildet sein.
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Die Belüftungskanäle 21 können mit einem Bohrer randseitig nach der Aushärtung des zementhaltigen Materials eingefügt werden oder es können Röhrchen, z.B. Metallröhrchen, in die Giesform eingelegt werden.
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9-12 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Bremsscheibe 30 umfassend mehrere benachbart zueinander angeordnete identische Reibplatten 32, 32', welche nebeneinander auf einer Ringbahn 39 angeordnet sind. Die Anordnung muss dabei nicht zwingend benachbart sein, so kann ein Abstandshalter zwischen den Reibplatten vorgesehen sein. Die Reibplatten 32, 32' weisen jeweils zumindest einen Belüftungskanal 31 auf.
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Ein Reibplattenträger 33 weist ein trommelartiges Mittelsegment 34 mit Flansch 35 auf. Der Reibplattenträger 33 kann radial vom trommelartigen Mittelsegment 34 hervorstehende Nasen 36 aufweisen, welche in Hinterschnitte 38 der Reibplatten 32, 32' angeordnet sind.
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Jede der Reibplatten 32, 32' weist zwei Reibflächen 37, 37' auf.
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Die Ausformung der Reibplatten 32, 32' kann durch entsprechende Gießformen erreicht werden.
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Alternativ können die Belüftungskanäle 41 auch in einem ringförmigen Bereich 50 des Reibplattenträgers 43 ausgebildet sein, wobei sich der ringförmige Bereich 50 scheibenförmig ausgebildet ist und sich über den gesamten Durchmesser der Bremsscheibe 41 eines in 13 -14 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Bremsscheibe 40 erstreckt. Dieser ringförmige Bereich 50 kann Ausnehmungen 41 aufweisen, in welche ein Vorsprung 44 einer Reibplatte 42, 42' eingreift.
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Die materialspezifischen Angaben zu dem Ausführungsbeispiel der 1-3, insbesondere zu den Reibplatten 2, 2' kann selbstverständlich auch auf die anderen in 4-14 dargestellten Reibplatten angewandt werden.
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Die spezifische Wärmekapazität von zementhaltigen Material, insbesondere von Beton, beträgt mehr als 0,8 kJ/(kg*K) und ist damit um mehr als das 1,5-fache höher als Grauguss. Somit eignet sich Beton aus Sicht einer Wärmeableitung hervorragend zum Einsatz in Bremsscheiben und anderen Reibkörpern von Bremsen.
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Allerdings bestehen gegenüber Beton als Werkstoff für Reibflächen gewisse Vorurteile. Bekannte Nachteile werden jedoch durch die vorgesehene Armierung, insbesondere im Fall von Carbonfasern oder Glasfasern, deutlich verringert und die Festigkeit des Reibkörpers zur Übertragung der Bremsmomente wird deutlich erhöht.
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Durch die Kombination aus Fasern als Armierung erfolgt eine Reduzierung des Verschleißes, zudem erfolgt eine Erhöhung der Lebensdauer, eine Reduzierung der Korrosionsanfälligkeit und eine Vermeidung von Hitzerissen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Reibkörper durch Verbundguss des Betonmaterials mit dem Verbindungskörper hergestellt.
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Dies erfolgt wie folgt:
- a) Bereitstellen des Verbindungskörpers
- b) Einlegen des Verbindungskörpers in eine Gussform
- c) Bereitstellen des Betonmaterials unter Zumischung von Carbonfasern als Armierung
- d) Teilweises Umgießen des Verbindungskörpers mit dem Betonmaterial
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird eine Reibplatte aus armiertem Betonmaterial unlösbar mit dem Reibplattenkörper verbunden.
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Eine entsprechende Reibplatte kann als Ringscheibe ausgebildet sein oder lediglich einen Teilbereich einer Ringscheibe darstellen, welche mit weiteren Teilbereichen auf dem Verbindungskörper anordenbar sein kann.
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Es ist zudem auch denkbar dass die Reibplatten in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante lösbar am Verbindungskörper angeordnet sein. So ist es möglich, dass die Verbindung durch Verbindungsmittel wie z.B. Schrauben oder Gewindebolzen erfolgt. Letztere können bei der Herstellung der Reibplatten im zementhaltige Material eingegossen werden.
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Die Reibplatte kann vorteilhaft einfach herstellbar als einstückiger Reibring ausgebildet sein, oder vorteilhaft bei partieller Schädigung als Reibringsegment, vorzugsweise auswechselbar, ausgebildet sein.
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Die Reibwerte der in den vorbeschriebene Ausführungsbeispielen genutzen Reibplatte sind durch Additive, insbesondere bei deren Herstellung, einstellbar. Bevorzugte Additive können als Carbide oder Oxide ausgebildet sein. Beispielsweise können Titan- oder Silizium- aber auch Alkali- und/oder Erdalkalioxide oder -carbide genutzt werden. Besonders bevorzugt können Hartstoffe eingesetzt werden.
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Bei der Bremsscheibe kann es sich aufgrund des geringen Abriebs um eine sogenannte Lifetime-Bremsscheibe handeln, welche über die gesamte Lebensdauer der Scheibenbremse, ohne Auswechslung, eingesetzt werden kann.
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Die Reibflächen der Bremsscheiben können nach der Aushärtung des zementhaltigen Materials auf die Anforderungen der Scheibenbremse angepasst werden. Hierfür können in einem abrasiven Anpassungsverfahren vorteilhaft und vorzugsweise sogenannte Betonschleifmaschinen genutzt werden.
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Das zementhaltige Material der Reibplatte kann zumindest 10 Gew.%, vorzugsweise zumindest 25 Gew.%, Zement aufweisen.
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Eine erfindungsgemäße Bremsscheibe kann, besonders bevorzugt in einer Massiv-Variante ohne Belüftungskanäle, wesentlich dünner ausgebildet sein als bisher bekannte Bremsscheiben. Eine erfindungsgemäße Bremsscheibe kann vorteilhaft eine Scheibendicke von Reibfläche zu Reibfläche von kleiner als 40 Millimeter, vozugsweise kleiner als 35 mm, insbesondere kleiner als 30 mm, aufweisen.
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Die wesentlich geringere Scheibendicke der Bremsscheibe kann zu einer Miniaturisierung weiterer Bauteile einer Scheibenbremse, z.B. der Betätigungszylinder oder dergleichen, führen und zu einer Miniaturisierung der Baugröße der Scheibenbremse insgesamt.
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Zudem kann die erfindungsgemäße Scheibenbremse eine Druckfestigkeit von mehr als 120 MPa aufweisen.
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Neben der besseren Zug- und Druckfestigkeit ist auch die Bruchtendenz von faserarmierten zementhaltigen Reibplatten gegenüber zementhaltigen Reibplatten ohne Faserarmierungen bei mechanischen Erschütterungen ist deutlich verringert, so dass die Tendenz zu einem Bremsversagen bei mechanischen Schlägen auf die Reibplatten deutlich verringert ist.
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Es versteht sich aus der vorgenannten Beschreibung für eine Scheibenbremse, dass auch Bremstrommeln mit dem vorbeschriebenen Material ausgestattet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremsscheibe
- 2
- Reibplatte
- 2'
- Reibplatte
- 3
- Reibplattenträger
- 4
- Anschlussflansch
- 5
- Vorsprung
- 6
- ringförmiger Bereich
- 7
- Reibfläche
- 7'
- Reibfläche
- 8
- Reibplattenträgerseitige Fläche
- 8'
- Reibplattenträgerseitige Fläche
- 9
- Metallring
- 10
- Metallring
- 11
- Belüftungsraum
- 20
- Bremsscheibe
- 21
- Belüftungskanal
- 22
- Reibplatte
- 23
- Reibplattenträger
- 24
- Mittelsegment
- 25
- Streben
- 26
- Flansch
- 27
- Reibfläche
- 27'
- Reibfläche
- 30
- Bremsscheibe
- 31
- Belüftungskanal
- 32
- Reibplatte
- 32'
- Reibplatte
- 33
- Reibplattenträger
- 34
- Mittelsegment
- 35
- Flansch
- 36
- Nase
- 37
- Reibfläche
- 37'
- Reibfläche
- 38
- Hinterschnitt
- 40
- Bremsscheibe
- 41
- Belüftungskanal
- 42
- Reibplatte
- 42'
- Reibplatte
- 43
- Reibplattenträger
- 44
- Vorsprung
- 50
- ringförmiger Bereich
- 60
- Bremsscheibe
- 62
- Reibplatte
- 63
- Reibplattenträger
- 65
- Mittelsegment
- 66
- Flansch
- 67
- Streben
- A
- Längsachse
- X
- Ringebene
- Y
- Ringebene
