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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe sowie weiterhin auf eine entsprechend hergestellte Bremsscheibe.
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Aus
DE 10 2010 007 082 A1 ist eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse bekannt, bei welcher ein Topf durch Reibschweißen an einen Reibring angefügt ist. Hierdurch können der Reibring und der Topf aus unterschiedlichem Material hergestellt werden. Zur Vermeidung von Materialinkompatibilitäten kann an der Reibfläche des Reibrings zunächst ein dünne Scheibe angebracht werden, welche eine Befestigung des Topfs durch Reibschweißen erst möglich macht. Zu stabilen Verbindung mit dem Reibring wird in
DE 10 2010 007 082 A1 vorgeschlagen, dass die Verbindungsscheibe vom Material des Reibrings zumindest teilweise formschlüssig umschlossen wird, insbesondere in den Reibring eingegossen wird. Dabei soll die Verbindungsscheibe Halteöffnungen aufweisen, in die Haltestege des Reibrings formschlüssig eingreifen. Der Topf wird seinerseits als tiefgezogenes Bauteil hergestellt, welches sowohl den Topfboden als auch die Topfwand umfasst. Die Herstellung der Bremsscheibe ist dementsprechend aufwändig.
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Aus
DE 10 2007 061 954 A1 ist eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse bekannt, welche einen Reibring aus Grauguss und einen Topf aus einer Aluminiumlegierung aufweist. Zum Verbinden beider durch Reibschweißen wird vorgeschlagen, in den Reibring ein Zwischenstück aus Stahl einzugießen und den Topf mit diesem Zwischenstück durch Reibschweißen zu verbinden. Auch hier ist die Herstellung der Bremsscheibe aufwändig.
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Ferner wird in
US 2010/0159274 A1 vorgeschlagen, ein Rohrstück aus einer Aluminiumlegierung mit einer Scheibe aus Grauguss durch Reibschweißen direkt zu verbinden. Dazu werden in der Scheibe eine Ringnut und eine Verzahnungsstruktur ausgebildet, in welche beim Schweißen plastifiziertes Material verdrängt wird, so dass nach dem Reibschweißen ein Formschluss entsteht.
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Aus
DE 34 32 926 A1 ist für eine Bremsscheibe aus Stahl bekannt, einen Reibring, eine ringartige Topfwand und einen Topfboden zunächst als separate Bauteile herzustellen und dann durch Elektronenstrahlschweißen miteinander zu verbinden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Herstellung einer Bremsscheibe in Hybridbauweise aus unterschiedlichen Materialien weiter zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Durch diese Schnittstellen bleiben die einzelnen Komponenten der Bremsscheibe als solche in Aufbau und Herstellung einfach. Vor allem aber wird durch die Verwendung einer einheitlichen Fügetechnik für beide Schnittstellen der Fertigungsaufwand erheblich reduziert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Im Hinblick auf eine effiziente Fertigung können beide Reibschweißverbindungen gemeinsam in einem Fertigungsschritt erzeugt werden.
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Insbesondere können beide Reibschweißverbindungen auf der gleichen Maschine erzeugt werden, wodurch der Einsatz an Fertigungsmitteln gering gehalten werden kann.
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Weiterhin können beide Reibschweißverbindungen in der gleichen Aufspannung erzeugt werden, wodurch der der Handhabungsaufwand gering bleibt, da ein Umspannen der Bauteile entfällt. Gleichzeitig werden die Fertigungstoleranzen verbessert.
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Ferner ist es möglich, beide Reibschweißverbindungen gleichzeitig zu erzeugen, wodurch die benötigte Fertigungszeit verringert werden kann. Ein serielles Reibschweißen beider Verbindungen ist jedoch ebenfalls möglich.
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In einer weiteren Ausführungsvariante wird die ringartige Topfwand während des Reibschweißens drehfest eingespannt gehalten. Dies erleichtert eine simultane Erzeugung beider Reibschweißverbindungen.
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Zudem ist es hierdurch möglich, das Reibschweißen beider Reibschweißverbindungen gegenläufig durchzuführen, wodurch die benötigten Spann- und Haltekräfte verringert werden.
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Das vorstehend erläuterte Verfahren eignet sich insbesondere für Bremsscheiben, deren zu fügende Komponenten aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Insbesondere können beispielsweise der Reibring aus einer Gusseisenlegierung, die ringartige Topfwand aus einem Stahl und der Topfboden aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Gegebenenfalls kann der Topfboden auch aus einem Stahl gefertigt sein und/oder der Reibring aus einem Kompositwerkstoff bestehen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante wurde die ringartige Topfwand sehr einfach aus einem rohrförmigen Halbzeug hergestellt.
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Schweißwülste beider Reibschweißverbindungen können gemeinsam in einem Fertigungsschritt abgedreht werden. Der diesbezügliche Mehraufwand bleibt marginal, da Bremsscheiben in der Regel ohnehin rundum spanend bearbeitet werden. Entsprechende Spannmittel und Werkzeuge können multipel eingesetzt werden.
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Die Erfindung ermöglicht eine Bremsscheibe gemäß Patentanspruch 10.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 einen Explosionsdarstellung einer Bremsscheibe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einschließlich der zugehörigen Fertigungsvorrichtung,
- 2 die Bremsscheibe aus 1 im zusammengefügten Zustand, und in
- 3 eine mögliche Abwandlung der erfindungsgemäßen Bremsscheibe.
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Das erste Ausführungsbeispiel veranschaulicht in 1 die Herstellung einer Bremsscheibe gemäß 2 in einer entsprechenden Fertigungsvorrichtung.
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Die Bremsscheibe 1 für eine Scheibenbremse beispielweise eines Kraftfahrzeugs weist einen Reibring 2 sowie einen an den Reibring 2 angeschlossenen Topf 3 auf. Der Topf 3 weist wiederum eine ringartige Topfwand 4 und einen flachen Topfboden 5 auf. Diese Komponenten der Bremsscheibe 1 werden zunächst jeweils separat gefertigt und erst dann zusammengefügt.
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Die Bremsscheibe 1 kann abschließend noch nachbearbeitet, beispielsweise überdreht werden.
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Vorzugsweise ist die Bremsscheibe 1 rotationssymmetrisch um ihre Längsmittelachse A.
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Das Zusammenfügen erfolgt erfindungsgemäß durch Reibschweißen. Dazu werden sowohl der Reibring 2 mit der ringartigen Topfwand 4 wie auch die ringartige Topfwand 4 mit dem Topfboden 5 jeweils durch Reibschweißen miteinander zur Bremsscheibe 1 verbunden. Es ergeben sich somit zwei Reibschweißverbindungen, die in 2 mit den Bezugszeichen 6 und 7 versehen sind. Das Reibschweißen der beiden Fügeverbindungen kann seriell oder simultan erfolgen.
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Durch diese Schnittstellenbildung können die einzelnen Komponenten 2, 4 und 5 der Bremsscheibe 1 einfach gehalten werden. Zudem bleibt der Fügeaufwand gering.
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Wie 1 und 2 beispielhaft zeigen, kann der Reibring 2 als ringscheibenförmiger Körper ausgeführt werden. Aufgrund der gewählten Fügetechnik ist es nicht erforderlich, in diesen zusätzliche Bauteile zur Kopplung mit dem Topf einzubetten oder an dem Reibring 2 entsprechende Angüsse, Vorsprünge oder dergleichen vorzusehen. Dies vereinfacht die Herstellung des Reibrings 2. Monolithische Reibringe 2 lassen sich mit erheblich geringerem Aufwand fertigen als Verbundgussteile.
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Die ringartige Topfwand 4 kann ebenfalls sehr einfach durch Ablängen eines entsprechenden Halbzeugs in Rohrform erhalten werden. Das Halbzeug kann dabei nach dem jeweils benötigten Durchmesser und der benötigten Wanddicke ausgewählt werden. Es ist jedoch auch möglich, die ringartige Topfwand 4 auf andere Art und Weise zu fertigen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die gesamte radiale Wand des Topfs 3 mit Ausnahme des eigentlichen Bodens durch ein separates Bauteil, nämlich die ringartige Topfwand 4 gebildet. Dabei ist die Axiallänge s der ringartigen Topfwand 4 größer als deren Wanddicke t.
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Die ringartige Topfwand 4 kann gegebenenfalls mit Löchern 4a versehen werden. Dies ermöglicht eine Verringerung des Gesamtgewichts der Bremsscheibe 2. Zudem kann über solche Löcher 4a ein Formschluss in der Aufspannung erzielt werden, was wiederum höhere Fügekräfte gestattet und verbesserte Toleranzen nach sich zieht.
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An der Stirnseite der ringartigen Topfwand 4 ist der Topfboden 5 angeordnet, welcher als flache Ringscheibe mit Befestigungsöffnungen 8 für Radschrauben ausgebildet ist. Im Unterscheid zu tiefgezogenen Töpfen weist diese Konfiguration den Vorteil auf, dass die radseitige Anlagefläche 9 des Topfs 3 radial nicht durch die beim Tiefziehen unvermeidlichen Biegeradien verjüngt wird. Zudem kann der Topfboden 5 mit einer deutlichen anderen Wanddicke b als die ringartige Topfwand 4 ausgeführt werden.
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Unterschiedliche Lochbilder im Topfboden 5 können mit unterschiedlichen Topftiefen s kombiniert werden. Zudem können die Wanddicken t und b variiert werden. Durch Kombination unterschiedlicher ringartiger Topfwände 4 und Topfböden 5 nach dem Baukastenprinzip lassen sich mit geringem Aufwand unterschiedliche Bremsscheiben 2 mit im Wesentlichen gleichen Fügebedingungen mittels der gleichen Fertigungsmittel herstellen.
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Sämtliche Komponenten
2,
4 und
5 der Bremsscheibe
1 können aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, wobei die Eignung zum Reibschweißen nur zwischen unmittelbar benachbarten Komponenten gegeben sein muss. Zusätzliche Verbindungsscheiben, welche erst ein Reibschweißen ermöglichen, wie dies beispielsweise in
DE 10 2010 007 082 A1 propagiert wird, werden vorliegend vermieden.
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Beispielsweise können der Reibring 2 aus einer Gusseisenlegierung, die ringartige Topfwand 4 aus einem Stahl und der Topfboden 5 aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Eine solche Werkstoffkombination ist im Hinblick auf die Beanspruchungen der Bremsscheibe 2 vorteilhaft.
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Gegebenenfalls kann der Topfboden 5 jedoch auch aus einem Stahl gefertigt sein.
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Weiterhin ist es möglich, den Reibring 2 beispielsweise aus einem Kompositwerkstoff zu fertigen.
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3 zeigt eine Abwandlung der Bremsscheibe des ersten Ausführungsbeispiels der 1 und 2, bei der die ringartige Topfwand 4' kegelförmig ausgebildet ist, so dass sich deren Außendurchmesser in Richtung des Topfbodens 5 verjüngt. Durch die kegelförmige Ausbildung kann beispielsweise die Anbindung größerer Reibringinnendurchmesser an standardisierte Topfböden 5 bewerkstelligt werden.
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Bremsscheiben 1 der oben erläuterten Art können wie nachfolgend erläutert hergestellt werden.
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Hierzu werden der Reibring 2, die ringartige Topfwand 4 bzw. 4' und der Topfboden 5 zunächst als separate Bauteile bereitgestellt.
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Danach werden der Reibring 2 mit der ringartigen Topfwand 4 sowie die ringartige Topfwand 4 mit dem Topfboden 5 durch Reibschweißen verbunden. Für beide Schnitt- bzw. Fügestellen kommt somit die gleiche Fügetechnik, nämlich Rotationsreibschweißen zum Einsatz. Die bedeutet eine erhebliche Vereinfachung in der Fertigung.
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Denn hierdurch ist es beispielsweise möglich, beide Reibschweißverbindungen 6 und 7 auf der gleichen Maschine zu erzeugen. Dies kann gegebenenfalls gemeinsam im gleichen Fertigungsschritt erfolgen.
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Insbesondere kann die entsprechende Vorrichtung derart konfiguriert sein, dass beide Reibschweißverbindungen 6 und 7 in der gleichen Aufspannung hergestellt werden können. Dadurch wird ein etwaiges Umspannen obsolet.
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Zudem ist es möglich, beide Reibschweißverbindungen 6 und 7 gleichzeitig zu erzeugen.
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1 zeigt beispielhaft eine mögliche, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Herstellung der oben erläuterten Bremsscheibe 2. Diese Vorrichtung umfasst drei separate Spanneinrichtungen, nämlich eine erste Spanneinrichtung 10 für den Reibring 2, eine zweite Spanneinrichtung 11 zum radialen Einspannen der ringartigen Topfwand 4 und eine dritte Spanneinrichtung 12 für den Topfboden 5. Weiterhin ist eine Antriebseinrichtung 13 zur Erzeugung einer Relativverdrehung zwischen den Spanneinrichtungen 11, 12 und 13 um eine gemeinsame Drehachse vorgesehen. Diese gemeinsame Drehachse fällt mit der Längsachse A der Bremsscheibe 2 zusammen.
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Die Relativverdrehung kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die zweite Spanneinrichtung 11 angetrieben wird, während die erste und dritte Spanneinrichtung 10 und 12 stationär sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in 1 ist hingegen die zweite Spanneinrichtung 11 für die ringförmige Topfwand 4 stationär, während die erste und dritte Spanneinrichtung angetrieben sind. Beim Reibschweißen wird somit die ringartige Topfwand 4 während des Reibschweißens drehfest eingespannt gehalten, während die Reibscheibe 2 und der Topfboden 5 rotieren. Dies gestattet es, das Reibschweißen beider Reibschweißverbindungen 6 und 7 gegenläufig durchzuführen, wodurch die benötigten Spann- und Haltekräfte an der zweiten Spanneinrichtung 11 kleiner werden.
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Beide Spanneinrichtungen 10 und 12 sind an entsprechenden Spindeln angeordnet, welche z.B. simultan oder zeitliche überlappend oder zeitlich versetzt an das jeweilige Ende der ringartigen Topfwand 4 herangeführt werde, um mit individuellen Parametern die jeweilige Schweißung auszuführen. Die Spindeln der ersten und dritten Spanneinrichtungen 10 und 12 sind hierzu separat ansteuerbar.
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Nach erfolgtem Reibschweißen können etwaige Schweißwülste beider Reibschweißverbindungen 6 und 7 gemeinsam im gleichen Fertigungsschritt abgedreht werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch die nachfolgend erläuterten Vorteile aus.
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Die vorzugsweise als einfacher Zylindermantel ausgeführte ringartige Topfwand 4 aus Stahlblech dient als Vermittlerwerkstoff zwischen einem Reibring 2 beispielsweise aus Grauguss und einem Topfboden 5 aus einer Aluminiumlegierung.
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Damit kann z. B. die als nicht-schweißbar geltende Verbindung GJL (Gusseisen mit Lamellengraphit)-Aluminiumlegierung umgangen werden, indem die schweißtechnisch beherrschbaren Fügezonen GJL-Stahl und Stahl-Aluminiumlegierung ausgeführt werden.
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Stahl ist für die ringartige Topfwand 4 von Vorteil, da er radial (in Blechdickenrichtung) den knappen Bauraum für Bremssattel und Radnabe am wenigsten einschränkt, die höchste Steifigkeit gegen Bremsdrehmoment und Kippmomente bietet und zudem als Halbzeug in Rohrform günstig und variantenreich verfügbar ist. Blechdicken, Durchmesser, Werkstoffqualitäten und Topfhöhe können hierdurch sehr flexibel gestaltet werden.
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Die Ausführung des Topfbodens 5 aus einer Aluminiumlegierung mag zwar tendenziell höhere Wanddicken b erfordern, als die Topfwand 4 aus Stahlblech. Dies ist konstruktiv jedoch akzeptabel, da die Wanddicke b des Topfbodens 5 im Zusammenbauzustand am Fahrzeug die Spurweite der betreffenden Radachse bestimmt. Auf dicke Graugusstöpfe ausgelegte Fahrzeuge können so ohne Spurweitenänderung auf Bremsscheiben mit Aluminiumtopfboden umgerüstet werden.
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Ein vollständig aus dünnwandigem Stahlblech gefertigter Topf 3 aus Boden und Wand würde hierzu eine zusätzliche Distanzscheibe zur Spurweitenerhöhung erfordern. Zum hätte eine solche einstückige Topfausführung den Nachteil, dass der umformtechnisch erforderliche äußere Biegeradius die Felgenanlagefläche verkleinert, was durch bauraumtechnische Maßnahmen kompensiert werden müsste. Das erfindungsgemäße Hybridteil hingegen umgeht dieses Problem exzellent.
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In Bezug auf das Herstellungsverfahren ist von Vorteil, dass vorliegend ein einheitliches Fügeverfahren für alle Verbindungen der Hybridbremsscheibe zu Einsatz kommt. Die zwei Fügezonen können insbesondere auf der gleichen Maschine in einer gleichen oder ähnlichen Aufspannung gefügt werden. Hierdurch sinkt der Investitionsaufwand für die benötigten Fertigungsmittel. Umspann- und Transportvorgänge sowie Prüfschritte entfallen. Zudem können Prozessschritte zeitlich parallel ablaufen, wie z.B. das Abdrehen der Schweißwülste. Das erforderliche Abdrehen der Schweißwülste stellt nur einen marginalen Mehraufwand dar. Weil alle Bremsscheiben ohnehin rundum durch Drehen spanend bearbeitet werden müssen, können bereits vorhandene Spannmittel und Werkzeuge multipel eingesetzt werden.
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Das Herstellungsverfahren ist zudem voll automatisierbar.
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Es gestattet überdies die Fertigung von Bremsscheibenvarianten nach dem Baukastenprinzip. Die Fügezonen für das Rotationsreibschweißen können dazu gegebenenfalls gleiche Durchmesser aufweisen.
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Vorzugsweise stehen die Fügepartner der Reibschweißverbindungen 6 und 7 jeweils senkrecht zueinander.
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Im Ergebnis werden Investitionen in Fertigungsmittel gebündelt, die Fertigungszeit verkürzt, und Nebenzeiten reduziert.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen und weiteren Abwandlungen näher erläutert. Technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiter Einzelmerkmale erläutert wurden, können sowohl unabhängig von diesen als auch in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, auch wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist ausdrücklich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremsscheibe
- 2
- Reibscheibe
- 3
- Topf
- 4
- ringartige Topfwand
- 4'
- ringartige Topfwand, kegelförmig
- 4a
- Loch
- 5
- Topfboden
- 6
- Reibschweißverbindung
- 7
- Reibschweißverbindung
- 8
- Befestigungsöffnung
- 9
- radseitige Außenwand
- 10
- erste Spanneinrichtung
- 11
- zweite Spanneinrichtung
- 12
- dritte Spanneinrichtung
- 13
- Antriebseinrichtung
- b
- Wanddicke Topfboden
- s
- Axiallänge der ringartigen Topfwand
- t
- Wanddicke der ringartigen Topfwand
- A
- Längsachse der Bremsscheibe