DE102021130045A1 - Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents
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Abstract
Eine Reibbremse insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Grauguß-Bremsscheibe, dessen Reibfläche mit einer Verschleißschicht aus einer Eisenlegierung versehen ist, die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche aufgebracht ist umfasst als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil sowie Carbon (C), Vanadium (V) und wahlweise Chrom (Cr) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Wolframcarbid (WC) .
Description
- Die Erfindung betrifft eine Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Grauguß-Bremsscheibe (1), dessen Reibfläche (5) mit einer Verschleißschicht (6) aus einer Eisenlegierung versehen ist und die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche (5) aufgebracht ist und die als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil sowie
Carbon (C),
Vanadium (V) und wahlweise
Chrom (Cr) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Wolframcarbid (WC) umfasst. - Derartige Verschleißschichten - neuerdings auch als Verschleißschutzschichten bezeichnet - bilden die Reibfläche auf Bremsscheiben von Reibbremskörpern an Fahrzeugen der genannten Art. Sie bestehen vorteilhaft aus abriebfesten Eisenlegierungszusammensetzungen, welche durch hohe Härte bei entsprechend verbesserter Abriebfestigkeit als Verschleißschutzbeschichtung für übliche Bremsscheiben aus Stahl- oder Grauguß geeignet sind.
- Einerseits können mit derartigen Eisenlegierungen im Bremsbetrieb vorteilhafte Reibwerte erzielt werden, welche dem Ideal der unbeschichteten Graugußbremsscheibe gleichkommen; andererseits wird die Feinstaubemission in die Umwelt auf Seiten des Bremsbelags der Bremszangen deutlich herabgesetzt.
- Als Folge der erzielten hohen Verschleißreduzierung der Reibfläche kann die Stärke der Bremsscheibe als solche deutlich verringert werden und die damit verbundene CO2 Ausscheidung sowohl im Bezug auf deren Fertigung als auch im laufenden Bremsbetrieb entsprechend reduziert werden.
- Die genannten Vorteile hinsichtlich der Umweltbelastung und der verbesserten Standzeit derartiger Reibbremskörper haben in der Fahrzeugtechnik fortschrittliche Entwicklungen ausgelöst und entsprechende Investitionen gerechtfertigt. Insbesondere durch den Einsatz neuer Fertigungstechniken bei der kosteneffizienten serienmäßigen Herstellung von Verschleißschutzschichten durch den Einsatz bekannter Verfahren wie PTA (Plasma-Transfer-Arc Pulverbeschichtung) und HVOF (High-Velocity-Oxygen-Fuel Spritzen) ist es gelungen, Wege zur Umsetzung gesetzlicher Forderungen erfolgreich zu beschreiten, wie die folgenden Beispiele zum Stand der Technik aufzeigen.
-
WO2020/173756 A1 - Gemäß
US 2017/0016497 A1 -
EP 3117025 B1 betrifft ebenfalls eine Verschleißschutzschicht aus einer Eisenlegierung auf einer Bremsscheibe aus Grauguß. Auch hier bestehen die wesentlichen Legierungsbestandteile aus Carbon zu 0,5 bis 2 Gew.%, Aluminium zu 3-13 Gew.% und wahlweise Chrom zu 0,5 bis 5 Gew.%. Hinzu kommen weitere Legierungsbestandteile wie Si, Mn, Ni, W, V, Nb und/oder B wahlweise in Betracht, bei einem Restanteil Eisen sowie weiteren Stahltypischen Verunreinigungsspuren. - Das Aufbringen der Schutzschicht erfolgt hier durch atmosphärisches Pulverplasma-Spritzen (APS), Flammspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen, je nachdem ob die Eisenlegierungszusammensetzung als Pulver oder als Draht vorliegt.
- Demzufolge liegt der vorliegenden, eingangs gekennzeichneten Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verbesserung der Reibbremse hinsichtlich Herstellungsaufwand, Verschleißfertigkeit und dauerhafter Wirksamkeit zu erzielen.
- Im Folgenden werden weitere Varianten und Ausgestaltungen der Erfindung erläutert.
- Mit Bezugnahme auf die eingangs beschriebene erfindungsgemäße Reibbremse sind im Rahmen der Erfindung Varianten gemäß den Patentansprüchen 2 bis 5 vorzugsweise geeignet. Diese Varianten beziehen sich auf unterschiedliche den Restbestandteil Eisen ergänzende Legierungsbestandteile, nämlich
gemäß Anspruch 2
Carbon (C), Vanadium (V) und Chrom (Cr);
gemäß Anspruch 3
Carbon (C), Vanadium (V) sowie Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo);
gemäß Anspruch 4
Carbon (C), Vanadium (V) sowie Molybdän (Mo) und/oder Wolframcarbid (WC), ferner
gemäß Anspruch 5
Carbon (C), Vanadium (V) sowie Wolframcarbid (WC) und/oder Niob (Nb). - Was diese Anspruchsvarianten betrifft, so soll dabei in besonderer Weise der Beobachtung entsprochen werden, wonach die chemischen Elemente bei der durch Spritzen oder Auftragschweißen erzeugten Beschichtung in der Schmelzphase ihre Reinstruktur verändern können, wie beispielsweise Wolfram in Wolframcarbid (WC). Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, bestimmte Elemente ganz oder teilweise zu substituieren. So kann es vorteilhaft sein, eine hochgradige Besetzung der Legierung mit Carbon teilweise durch das Element Bor zu substituieren, wobei der im Basiswerkstoff Grauguß der Bremsscheibe enthaltene Kohlenstoff dosierbar aus dem Graugußsubstrat herausgelöst wird. Soll ein hoher Kohlenstoffanteil in der Schmelze erwünscht sein, etwa um eine besonders hohe Härte der Verschleißschicht zu erhalten, so wird man einen hohen Carbonanteil in der Pulver-Rohstoffmischung der Legierungsbestandteile wählen und zusätzlich Kohlenstoff aus dem Gußeisensubstrat zuführen. Ersetzt man Kohlenstoff ganz oder zumindest teilweise durch Bor, so geschieht dies mit ergänzender Einbindung von im Substrat enthaltenen Kohlenstoffeinschlüsse. Zugabe von Bor fördert ähnlich Vanadium die Duktilität der Legierung.
- Besondere Härtebildner wie die Zugabe von Legierungsbestandteilen der Elemente Vanadium (V), Niob (Nb), Wolfram (W) und/oder Molybdän (Mo) können die Verschleißfestigkeit der Beschichtung zwar noch verbessern, sind aber gegenüber einer Legierungszusammensetzung umfassend die Elemente Carbon, Vanadium und Chrom mit dem Restlegierungsbestandteil Eisen (Fe) kostenintensiver.
- Diese Überlegung gilt entsprechend für die vollständige oder teilweise Substituierung des Legierungsbestandteils Chrom (Cr) durch die Legierungsbestandteile wie Niob (Nb), Wolfram (W), letzterer bevorzugt als Wolframcarbid (WC) und Molybdän (Mo), mit welchen die Abriebfestigkeit unter Inkaufnahme höherer Gestehungskosten weiter verbessert werden können. Dabei gilt es stets, besondere Mischungsverhältnisse zu beachten.
- Nach einer vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verschleißschicht, in Bezug auf die jeweilige alternative Legierungszusammensetzung, die Legierungsbestandteile
Chrom (Cr) von zumindest 12 Gew.%
Vanadium (V) von zumindest 1,0 Gew.%
Carbon (C) von zumindest 1,0 Gew.% oder
Bor (B) von zumindest 0,4 Gew.% enthält. - Wegen der hohen Bremsenergie, die bei einem Bremsvorgang in die Reibflächen eingeleitet wird, ist es ausreichend, die Schichtstärke der Verschleißschicht mit etwa 2 bis 4 mm zu bemessen.
- Um sicherzustellen, dass die Wärmeleitung in die Bremsscheibe möglichst verzögerungsfrei erfolgen kann ist es vorteilhaft, die Stärke der Bremsscheibe entsprechend anzupassen, vorzugsweise unter Beachtung eines Verhältnisses zwischen Schichtstärke der Verschleißschicht und der Stärke des beschichteten Substrats der Bremsscheibe etwa von 1:5 bis 1:7 zu bemessen.
- Unter Beachtung der jeweiligen Legierungszusammensetzung der Verschleißschicht gelingt es, die erforderliche Bremswirkung stoßartig zu erzeugen und die Wärme rasch in die Bremsscheibe abzuleiten. Diese Überlegung gilt sowohl für Reibbremskörper die einseitig oder beidseitig beschichtet sind. Sie gilt je nach Anwendungsfall sowohl für die vorliegend beispielhaft beschriebene Graugußbremsscheibe von Kraftfahrzeugen wie Straßen-, Schienen- oder Nutzfahrzeuge, als auch für vergleichbare Anwendungsfälle wie Windkraftanlagen.
- Bei Letzteren Windkraftanlagen sind zwei Bremssysteme zu unterscheiden. Ein erstes Bremssystem dient dem Abbremsen der Rotoren. Die Bremse für dieses Bremssystem sitzt dabei am Abtrieb der Rotoren. Die Bremse dient hier dazu, die Rotordrehung bei niedriger Drehzahl der Bremsscheibe möglichst schwingungsfrei zu verzögern und die damit verbundene hohe Feinstaubbelastung durch den Abrieb an organischem Bremsmaterial zu kontrollieren. Das zweite Bremssystem ist für den Generatorantrieb vorgesehen. Hier kommen Bremsscheiben mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser und für die Bremszangen mit Sinterbremsbelägen aus einer Messinglegierung in Frage, d.h. hier geht es speziell um Probleme des Abriebs (Feinstaub) und der Geräuschentwicklung.
- Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verschleißschicht hat sich auf dem Prüfungstand herausgestellt, dass verglichen mit einem blanken, d.h. nicht beschichteten Reibbremskörper aus Grauguß nicht nur die erwünschte Herabsetzung der Verschleißwerte erreicht wird. Bei der Reibwerteprüfung hat sich ferner herausgestellt, dass sogar die Reibwerte einer unbeschichteten Graugußbremsscheibe, also deren erwünschte Bremswirkung erzielt wird. Dabei ist die Art des Auftragens der Legierungsbestandteile, die vorzugsweise in Pulverform vorliegen, durch Anwendung geeigneter Prozessverfahren zu beachten. Als solche kommen bevorzugt das Auftragschweißen und das Flammspritzen in Frage, letzteres insbesondere durch Anwendung des bekannten Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren oder durch Einsatz des bekannten atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens, welche Verfahren in besonderer Weise geeignet sind, auf einer vorzugsweise an der Oberfläche aufgerauten Reibbremskörperstruktur eine dauerfeste Haftung zu gewährleisten und eine Verschleißschicht hoher Härte bei hinreichender Duktilität zu verwirklichen. Für als Pulver aufgetragene Eisenlegierungszusammensetzungen eignen sich bevorzugt das Laserauftragsverfahren und das thermische Pulverplasma-Spritzen, wobei es sich um an sich bekannte Verfahren handelt, die überdies eine homogene Qualität der fertigen Verschleißschutzbeschichtung gewährleisten. Deren erzielbare Oberflächenhärte übertrifft dabei um den Faktor 2 bis 3 jene der üblichen Grauguß-Bremsscheibe.
- Aber auch der Einsatz des Beschichtungsverfahrens durch Drahtauftragschweißen erweist sich als geeignet unter der Voraussetzung, dass erwünschte Materialzusammensetzungen verfügbar sind. Dieses Verfahren ist sauber und verlustfrei, bedarf aber einer kontrollierten präzisen Energieeinbringung.
- Ein Ausführungsbeispiel mit einem Reibbremskörper in Form einer üblichen Graugußbremsscheibe als Basiskörper und einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht wird im Folgenden für zwei verschiedene Ausführungsformen anhand der Zeichnung beschrieben.
-
1 zeigt eine Wellenbremsscheibe in dreidimensionaler Darstellung und -
2 zeigt einen Halbschnitt durch ein Eisenbahnrad mit Bremsscheibe sowie eine Ausschnittvergrößerung A. - Die Ausführungsform einer Reibbremse gemäß
1 eignet sich nicht nur für den Einsatz an Kraftfahrzeugen wie Straßen- oder Nutzfahrzeigen, sondern auch als Wellenbremsscheibe nicht nur im Kraftfahrzeugbau, sondern beispielsweise auch an Turbinen von Windkraftanlagen oder allgemein im Zusammenhang mit rotatorischen Antrieben. - Die in
1 dargestellte Bremsscheibe 1 umfasst zwei Außenscheiben 2, die mittels eines Verbindungsstegs 3 ein Gußteil bilden. Der Verbindungssteg 3 sitzt umlaufend Öffnungen 4, die der Kühlung der unter Einwirkung der Bremskräfte erzeugten Erwärmung der Bremsscheibe dienen. Die ringförmige Reibfläche 5 der Bremsscheibe besitzt eine als Doppellinie gezeichnete Verschleißschicht 6, welche durch Auftragsschweißen auf der Bremsscheibe 1 aufgebracht ist und deren Reibfläche 5 bildet. Die Verschleißschicht 6 wird auf der Gußstruktur der Bremsscheibe durch Aufschweißen eines Legierungspulvers oder als Draht nach einem Plasmaspritzverfahren aufgebracht, wobei das Ausgangsmaterial jeweils eine vorgegebene Legierungszusammensetzung aufweist. Deren Legierungsbestandteile bestehen überwiegend aus Eisen als Restbestandteil und den weiteren Legierungsbestandteilen Carbon, Vanadium und Chrom, ggfs. im Austausch oder in Ergänzung weiterer den Anforderungen an die Verschleißschicht 6 genügender Legierungsbestandteile. - Die Bremswirkung wird ausgelöst mittels einer bevorzugt pneumatisch betätigbaren Bremszange 7, welche ein oder beidseitig gegen die Bremsscheibe 1 mittels eines an der Bremszange befestigten Bremsbelags gegen die mit der Bremsscheibe 1 rotierende Reibfläche 5 einwirkt.
- Die Bremsscheibe 1 wird drehfest auf einer nicht gezeichneten Achse bzw. Welle durch Aufschrumpfen befestigt. Dazu dient eine mit der Bremsscheibe 1 verschraubte Radscheibennabe 9.
-
2 zeigt in einem Halbschnitt eine Radscheibe 10 eines Schienenfahrzeugs mit der Gleisstruktur entsprechendem Laufprofil. An den beiden Außenseiten des Stegprofils 11 der Radscheibe 10 ist jeweils eine Bremsscheibe 1 befestigt, welche an den dem Stegprofil 11 zugewandten Innenseiten umlaufende Lüftungskanäle 12 aufweist. - Auf den Außenseiten der Bremsscheiben 1 ist jeweils eine Verschleißschicht 6 angebracht, deren Außenseite die Reibfläche 5 für eine Bremszange 7 bietet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel des in der Zeichnung dargestellten Eisenbahnrads sind an den Bremszangen 7 jeweils ein der Reibfläche zugewandter Bremsbelag 8 befestigt - auch unter der Bezeichnung Bremsklotz bekannt -, welcher üblicherweise aus einem Kompositwerkstoff besteht. Im Fahrbetrieb sind die Bremszangen 7 mit kurzem Abstand gegen die Reibfläche 1 eingestellt. Bei deren Betätigung im Bremsfall werden die Bremsbeläge 8 üblicherweise pneumatisch gegen die Reibfläche 1 angedrückt, wobei die Radscheibe 10 entsprechend der Andrückkraft ggfs. bis zum Stillstand abgebremst wird.
- Wie bereits zu
1 erläutert wird die Verschleißschicht 6 auf dem aus Stahlguß oder Grauguß bestehendem Grundmaterial der Radscheibe 10 durch thermisches Spritzen oder Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen aufgebracht. Und die Reibfläche 1 entsteht durch nachträgliches Polieren der Außenfläche der Verschleißschicht 6. - Abweichend von
1 ist bei der Ausführungsform gemäß2 die Radscheibennabe 9 einteilig an dem die Radscheibe 10 bildenden Gußteil ausgebildet. - Eine Ausschnittvergrößerung A zeigt die Details des Zusammenbaus von Radscheibe 10 mit Bremsscheibe 1, welche die Verschleißschicht 6 trägt.
- Bei üblicher Bauweise des Reibbremskörpers an einem Fahrzeug ist die Reibfläche 5 der Geometrie der Bremsscheibe 1 angepasst, so dass im Bereich des Reibkontakts zwischen Verschleißschicht 6 und dem an der Bremszange 7 befestigten Bremsbelag 8 der Abrieb seitens der Reibfläche 5 weitgehend reduziert ist. Eine umfassende Prüfstand-Untersuchung am Beispiel einer Graugußbremsscheibe eines Lastkraftfahrzeugs hat eine signifikante Reduzierung der Verschleißwerte durch den Einsatz einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verschleißschicht ergeben. Gemessen an der Reduzierung des Feinstaubanteils zeigte sich bei Einsatz gleicher Bremsbeläge ein Rückgang um etwa 50 Gew.%.
- Dabei kam neben einem üblichen Bremsbelag auf Seiten der Bremszange eine Verschleißschicht als Pulverbeschichtung mit einer Auswahl von erfindungsgemäß vorgeschlagenen Legierungsbestandteilen zum Einsatz.
- 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
-
- WO 2020/173756 A1 [0006]
- US 2017/0016497 A1 [0007]
- EP 3117025 B1 [0008]
Claims (12)
- Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Grauguß-Bremsscheibe, dessen Reibfläche (1) mit einer Verschleißschicht (2) aus einer Eisenlegierung versehen ist, die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche (1) aufgebracht ist und als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil, sowie Carbon (C), Vanadium (V) und wahlweise Chrom (Cr) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Wolframcarbid (WC) umfasst.
- Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Bremsscheibe aus Grauguß (GG), dessen Reibfläche (1) mit einer Verschleißschicht (2) aus einer Eisenlegierung versehen ist, die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche aufgebracht ist und als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil, sowie Carbon (C), Vanadium (V) und Chrom (Cr) umfasst.
- Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Bremsscheibe aus Grauguß (GG), dessen Reibfläche (1) mit einer Verschleißschicht (2) aus einer Eisenlegierung versehen ist, die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche (1) aufgebracht ist und als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil, sowie Carbon (C), Vanadium (V), sowie Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) umfasst.
- Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Bremsscheibe aus Grauguß (GG), dessen Reibfläche (1) mit einer Verschleißschicht (2) aus einer Eisenlegierung versehen ist, die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche (1) aufgebracht ist und als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil, sowie Carbon (C), Vanadium (V) sowie Molybdän (Mo) und/oder Wolframcarbid (WC) umfasst.
- Reibbremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge wie Straßen-, Schienen- und Nutzfahrzeuge, umfassend einen Reibbremskörper, insbesondere eine Bremsscheibe aus Grauguß (GG), dessen Reibfläche (1) mit einer Verschleißschicht (2) aus einer Eisenlegierung versehen ist, die durch thermisches Spritzen oder Auftragschweißen, insbesondere durch Laserauftragschweißen, auf der Reibfläche (1) aufgebracht ist und als Legierungsbestandteile überwiegend Eisen (Fe) als Restbestandteil, sowie Carbon (C), Vanadium (V) sowie Wolframcarbid (WC) und/oder Niob (Nb) umfasst.
- Reibbremse nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass Bor (B) in der Verschleißschicht (2) enthalten ist. - Reibbremse nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht (2) als Legierungsbestandteile Chrom (Cr) von zumindest 12 Gew.%, Vanadium (V) von zumindest 1,0 Gew.% und Carbon (C) von zumindest 1,0 Gew.% enthält. - Reibbremse nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsbestandteile Niob (Nb) und Molybdän (Mo) zusammen maximal 2 Vol.% der Verschleißschicht (2) betragen. - Reibbremse nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht (2) ein- oder mehrschichtig aufgetragen ist und eine Gesamtstärke von 2 bis 4 mm aufweist. - Reibbremse nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht (2) durch Pulverauftragsschweißen erzeugt ist. - Reibbremse nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht (2) durch Flammspritzen aufgetragen ist. - Reibbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht (2) eine gegenüber der Grauguß-Bremsscheibe um den Faktor 2 bis 3 höhere Oberflächenhärte aufweist.
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