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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bremshebel für eine Bremse eines Kraftfahrzeugs zur Übertragung einer Bremskraft von einem Aktuator in einen Bremsbetätigungsmechanismus für einen Reibungseingriff der Bremsbeläge.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine spezielle Materialzusammensetzung von derartigen Bremshebeln.
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Bei Schwerlastkraftfahrzeugen, Bussen, Anhängern oder dergleichen kommen sowohl Trommelbremsen als auch Scheibenbremsen zum Einsatz, die jeweils einen Bremshebel aufweisen. Scheibenbremsen mit einer entsprechenden Hebelanordnung sind beispielsweise aus der
EP 0 553 105 B1 oder der
WO 2004/059187 A1 der Anmelderin bekannt. Schwerpunktmäßig richtet sich die Erfindung jedoch an Trommelbremsen, bei denen der Bremshebel an einer S-Nockenkeilwelle angreift und ein Gehäuse aufweist, in das eine selbsttätige Nachstelleinrichtung aufgenommen ist, wie dies beispielsweise in der
EP 0 598 290 B1 und der
EP 1 064 472 B1 der Anmelderin oder der
US 3,392,810 offenbart ist.
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Der Bremshebel für derartige Trommelbremsen dient dazu, die lineare Bewegung eines Stößels von einem pneumatischen oder hydraulischen Aktuator in eine Rotationsbewegung eines Nockens einer solchen Trommelbremsenanordnung umzuwandeln, um bei Bremsbetätigung die Bremsbeläge der Bremsbelagschuhe anzustellen. Der Bremshebel selbst ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und weist einen Gehäuseabschnitt auf, in welchem eine selbsttätige Nachstelleinrichtung aufgenommen ist, um einen Ausgleich des Verschleißes der Bremsbelagschuhe der Trommelbremse zu ermöglichen. Zur genauen Funktionsweise der selbsttätigen Nachstelleinrichtung und des Bremshebels in diesem Zusammenhang soll beispielsweise auf die
EP 0 598 290 B1 der Anmelderin verwiesen werden.
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Hinsichtlich der in einer solchen Trommelbremse vorherrschenden dynamischen und statischen Kraftbelastungen ist folglich der Bremshebel als das wesentliche Bauteil der Gesamtanordnung anzusehen. Der Bremshebel ist im Allgemeinen als ein längliches Bauteil ausgebildet mit einem Gehäuseabschnitt, in welchen die selbsttätige Nachstelleinrichtung eingefügt ist, und mit einem Hebelabschnitt, der ein freies Ende aufweist, das mit dem Aktuator in Verbindung steht.
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Bisher waren der Bremshebel und insbesondere das Gehäuse zur Aufnahme der Nachstelleinrichtung üblicherweise aus einem Gusseisen mit Kugelgraphit gefertigt, das mit unterschiedlichen ferritischen und perlitischen Anteilen vorlag, das heißt dass die Grundmasse des Gusseisens aus Ferrit bis Perlit besteht. Kugelgraphit bedeutet hierbei, dass der freie Kohlenstoff in der Ferrit- und/oder Perlitmatrix in sphärischer, das heißt kugel- oder knötchenartiger Form eingebettet vorliegt. Es handelt sich hierbei um eine spezielle Ausscheidungsform des Kohlenstoffs in einer Kugelform, das heißt im Unterschied zu Stahl ist der Kohlenstoff nicht direkt in die Elementarzelle des Eisens eingelagert, sondern bildet unterschiedlich geformte Graphitphasen innerhalb der Legierung aus.
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Dabei bewirkt ein größerer Anteil von Perlit in der Matrix eine erhöhte Härte und Festigkeit, während ein größerer Anteil von Ferrit sich für eine bessere Dehnbarkeit bzw. Duktilität und leichtere maschinelle Bearbeitbarkeit verantwortlich zeichnet.
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Alternativ zu Gusseisen kann das Gehäuse eines Bremshebels nach dem Stand der Technik auch aus Stahl geschmiedet sein.
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Das Gehäuse bzw. der Gehäuseabschnitt des Bremshebels, in welchem die Nachstelleinrichtung angeordnet ist, weist mehrere innere Oberflächenabschnitte auf, die einem großen Druckkontakt und Verschleiß ausgesetzt sind, da sich an diesen Abschnitten Elemente der Nachstelleinrichtung abstützen, diese als Widerlager oder als entsprechende Lagerfläche für bewegliche Bauteile der Nachstelleinrichtung nutzen.
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Aus diesen Gründen ist es notwendig, diese inneren Oberflächen einer härtenden Wärmebehandlung zu unterziehen. Zum Einsatz kommt hierbei beispielsweise auch die Nitrierhärtung dieser Oberflächen. Derartige Härteverfahren sind sehr kostenintensiv. Darüber hinaus kommen bei derartigen Härtebehandlungen Chemikalien zum Einsatz, die die Umwelt und die Sicherheit sowie das Wohl der Arbeiter während der industriellen Fertigung erheblich negativ beeinflussen.
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An dem freien Ende des Bremshebels ist dieser mit einem Stößel eines pneumatischen oder hydraulischen Aktuators verbunden, indem ein Bolzen ein Loch in dem oberen Hebelabschnitt und eine Gabellasche des Aktuatorstößels durchsetzt. Das Loch im oberen Hebelabschnitt ist oftmals dadurch verstärkt, dass eine Lagerhülse eingepresst ist, die den während der Bremsbetätigung auftretenden Reibungseffekten einen besseren Verschleißwiderstand entgegenzusetzen vermag. Auch dieser zusätzliche Arbeitsschritt mit dem zusätzlichen Bauteil wirkt sich negativ auf die Gesamtkosten der Herstellung eines solchen Bremshebels aus.
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Allgemein ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bremshebel für eine Bremse zur Verfügung zu stellen, der einerseits kostengünstiger herstellbar ist und andererseits wesentlich bessere Materialeigenschaften sowohl hinsichtlich der Bearbeitbarkeit als auch hinsichtlich der Lebensdauer und der Funktionssicherheit aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die für den Bereich der Trommelbremsen bekannten Unzulänglichkeiten für Bremshebel auszuräumen.
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Gelöst werden diese Aufgaben mit einem Bremshebel nach Anspruch 1.
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Der Kern der Erfindung liegt demzufolge darin, dass das Gehäuse des Bremshebels aus einem mischkristallverfestigten ferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt ist. Idealerweise ist der Bremshebel einstückig aus einem solchen Gusseisen hergestellt.
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Mischkristallverfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit ist eine Gusseisensorte, bei der der Kugelgraphit in einer Matrix eingebettet ist, die überwiegend aus Ferrit besteht und die überwiegend aus Silizium-Mischkristall verfestigt wird. Der Kohlenstoff liegt überwiegend in Form von kugelförmigen Graphitpartikeln vor. Gegenüber ferritischem bis perlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit weisen die mischkristallverfestigten ferritischen Sorten bei einer gleichwertigen Zugfestigkeit eine höhere Dehngrenze und eine insgesamt höhere Dehnfähigkeit auf.
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Ein entscheidender Vorteil dieser mischkristallverfestigten ferritischen Sorten liegt in der geringeren Schwankung der Härte, was in einer verbesserten Bearbeitbarkeit von aus solchen Gusseisen hergestellten Bauteilen resultiert. Mit anderen Worten, das Niveau der mechanischen Eigenschaften solcher Bauteile wird durch das Ausmaß der Mischkristallverfestigung der ferritischen Matrix ihres Gusseisens bestimmt, welches Ausmaß wiederum üblicherweise durch den Siliziumgehalt beeinflusst wird.
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Vorzugsweise liegt der maximale Perlitanteil in der Matrix des Gusseisens, die überwiegend aus Ferrit besteht, im Bereich von 5%.
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Gemäß der Erfindung soll das Gusseisen für den Bremshebel eine Zugfestigkeit Rm zwischen 400 und 650 MPa, vorzugsweise von 600 MPa aufweisen.
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Vorzugsweise liegt die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 zwischen 70% und 90%, idealerweise von 80% der Zugfestigkeit Rm.
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Gemäß der Erfindung soll das Gusseisen eine Härte in HBW (Brinell-Härte) aufweisen, die einen Bereich zwischen 42% und 50% der 0,2-Dehngrenze Rp0,2 in MPa entspricht.
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Darüber hinaus soll gemäß der Erfindung das Gusseisen eine Dehnung A zwischen 8 und 18%, vorzugsweise zwischen 10% und 12% aufweisen.
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Zur Erfüllung dieser Eigenschaften kann ein mischkristallverfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit Verwendung finden, welches unter der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-600-10/5.3110 gemäß der vorläufigen Europäischen Norm bekannt ist. Es weist eine Zugfestigkeit Rm von 600 MPa, eine 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von 470 MPa, eine Härte von 200 bis 230 HBW und eine Dehnung A von 10% auf.
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Vergleicht man dieses mischkristallverfestigte ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit mit bisher zum Einsatz kommenden herkömmlichen Gusseisen mit Kugelgraphit, so würde man hinsichtlich einer besseren maschinellen Bearbeitbarkeit das Gusseisen mit Kugelgraphit unter der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-500-7/5.3200 auswählen, das eine Zugfestigkeit Rm von 500 MPa und eine Härte von ca. 150 bis 230 HBW aufweist. Jedoch, was die Werte der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von 320 MPa und die Dehnung A von 7% angeht, zeigt dieses Gusseisen ungünstige Eigenschaften, die einer leichten Bearbeitbarkeit entgegenstehen. Wählt man dahingegen ein Gusseisen mit Kugelgraphit aus, das eine 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von 480 MPa bei einer Zugfestigkeit Rm von 800 MPa aufweist, so zeigen sich hinsichtlich einer Härte mit 245 bis 335 HBW und einer Dehnung A von nur 2% ebenfalls kaum geeignete Werte. Ein solches Gusseisen wäre beispielsweise das Gusseisen mit der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-800-2/5.3301.
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Ebenfalls wesentlich für die Erfindung ist die Tatsache, dass das mischkristallverfestigte ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit einen Silizium-Anteil zwischen 3 und 4,5% aufweist. Wie bereits vorgehend erwähnt ist es vor allem die erhöhte Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gusseisen mit Kugelgraphit, die durch die Mischkristallverfestigung bei einem sehr hohen Silizium-Anteil erreicht wird. Üblicherweise wurde eine erhöhte Festigkeit im Gusseisen durch Erhöhung des Anteils von Perlit in der Matrix erwirkt, was jedoch wiederum einer leichten maschinellen Bearbeitbarkeit eines solchen Werkstoffs entgegensteht.
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Die Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass für ein geplantes Bauteil aus einem mischkristallverfestigten ferritischen Gusseisen mit Kugelgraphit ein besserer Abgleich zwischen der maschinellen Bearbeitbarkeit einerseits und der Festigkeit andererseits bewerkstelligt werden kann.
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Die maschinelle Bearbeitbarkeit wird hauptsächlich durch die Härte der jeweils härtesten Stellen innerhalb der zu bearbeitenden Bauteilkomponenten bestimmt.
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Hierbei gibt es sehr harte Stellen im Gusseisen, wo das Material aufgrund Abkühlzeit usw. härter ist als im Vergleich zu der unmittelbaren Umgebung (Makrobereich). Darüber hinaus können sehr kleine, lokal begrenzte harte Stellen im Mikrobereich auftreten, die sich aufgrund einer nicht-homogenen Struktur des Materials des Gusseisens mit Kugelgraphit ausbilden. Demgegenüber zeigt mischkristallverfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit eine sehr viel homogenere Struktur als herkömmliche Gusseisensorten, die im Mikrobereich diese Stellen bzw. Abschnitte mit unterschiedlichen Härten aufweisen. Da der Anteil dieser Bereiche durch die Abkühlzeit usw. beeinflusst wird, sind sehr große Variationen zwischen den härtesten und den weichsten Stellen bei herkömmlichen Gusseisen die Regel.
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Es zeigt sich auch der Nachteil bei herkömmlichen Gusseisen mit üblichen ferritischen und perlitischen Anteilen, dass stets im Bereich der Oberfläche eine dünne Schicht mit einem reduzierten Perlit-Anteil auftritt, was die tatsächlich nutzbare Festigkeit reduziert, denn es sind die Stellen mit dem weichsten Material, die hauptsächlich die nutzbare Festigkeit eines Bauteils bestimmen.
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Aus diesen Gründen ist es eine übliche Vorgehensweise der Konstrukteure, vorab eine obere Grenze für die Härte eines zu gießenden Bauteils festzulegen, mit der Maßgabe, Probleme, und damit verbundene hohe Kosten, bei einer anschließenden maschinellen Bearbeitung zu vermeiden. Ausgehend von dieser Härte wählt der Konstrukteur dann den entsprechenden Werkstoff aus und legt danach abschließend die tatsächlich mögliche nutzbare Festigkeit für seine Festigkeitsberechnungen fest.
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Verwendet der Konstrukteur mischkristallverfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit gemäß der Erfindung, wird er folglich zu einer beträchtlich höheren nutzbaren Festigkeit für das zu gießende Bauteil gelangen, als dies für herkömmliches Gusseisen mit Kugelgraphit der Fall wäre.
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Es zeigt sich hier, dass durch die Verwendung von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit gemäß der Erfindung für einen Bremshebel eine wesentlich höhere Festigkeit bewerkstelligt werden kann, während sich gleichzeitig die maschinelle Bearbeitbarkeit in idealen Bereichen bewegt.
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Die beigefügten 1 und 2 zeigen zur Veranschaulichung der Erfindung einen Bremshebel für eine Trommelbremse, wobei 1 eine Seitenansicht des Bremshebels im Teilschnitt und 2 eine Schnittdarstellung entlang A-A aus 1 wiedergibt.
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Der Bremshebel 1 ist einstückig aufgebaut und weist einen oberen Hebelabschnitt 2 und einen unteren Gehäuseabschnitt 3 zur Aufnahme einer selbsttätigen Nachstelleinrichtung 4 auf.
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Ein Schneckenrad 5 der Nachstelleinrichtung 4 ist in einer entsprechenden Ausnehmung 6 im Gehäuseabschnitt 3 drehbar aufgenommen und wirkt mit entsprechenden Innenkeilnuten mit einer hier nicht näher dargestellten S-Nockenkeilwelle für die Bremsbeläge zusammen. Das Schneckenrad 5 kämmt mit einer Schneckenspindel 7, die in dem Gehäuseabschnitt 3 senkrecht zu dem Schneckenrad 5 in einer entsprechenden Ausnehmung 8 gelagert ist.
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Hinsichtlich der Art und Funktion der übrigen Bauteile des selbsttätigen Nachstelleinrichtung, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, wird hiermit auf die
EP 0 598 290 B1 der Anmelderin verwiesen.
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Wie zu erkennen ist, weist die Ausnehmung 6 für das Schneckenrad 5 entsprechende innere Lagerflächen 9 auf, ebenso wie die Ausnehmung 8 für die Schneckenspindel 7 entsprechende Lagerflächen 10 aufweist.
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An diesen inneren Lagerflächen 9, 10 herrscht ein starker Druckkontakt vor, weswegen diese Lagerflächen bisher durch entsprechende Härteverfahren, wie beispielsweise Nitrierhärten, bearbeitet werden mussten, mit den bereits oben erwähnten Nachteilen einer erhöhten Umweltbelastung sowie damit verbundenen Kostennachteilen.
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Die Verwendung von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit, das im Vergleich zu herkömmlichen ferritischen oder perlitischen Sorten für die gleiche Härte, wie vorgehend erwähnt, eine höhere nutzbare Festigkeit aufweist, bietet daher gegenüber sehr hohen Druckbelastungen, vor allem im Punktbereich, einen erhöhten Widerstand, ohne sich plastisch zu verformen.
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Insbesondere hinsichtlich der inneren Lagerflächen 9, 10 in dem Gehäuseabschnitt 3 des Bremshebels 1 für eine Trommelbremse zeigt sich der Einsatz von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit gemäß der Erfindung als besonders vorteilhaft, da die erwähnten nachträglichen Härtungsverfahren vollständig entfallen können. Maschinelle Bearbeitungsschritte an den Lagerflächen 9, 10 lassen sich insgesamt leichter durchführen.
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Im oberen Bereich des Hebelabschnitts 2 ist eine Bohrung 11 vorgesehen, die der Verbindung mit einem hier nicht näher dargestellten Stößel eines Aktuators dient. Hierbei durchgreift ein Bolzen dieses Loch 11. Aufgrund der Relativbewegungen zwischen dem Bolzen des Stößels und dem Loch 11 des Hebelabschnitts 2 bei einer Schwenkbewegung des Bremshebels 1 muss der dadurch auftretenden Reibung ein entsprechender Widerstand entgegengesetzt werden, um den Verschleiß gering zu halten, weshalb das Loch 11 oftmals dadurch verstärkt wird, dass eine entsprechende gehärtete Lagerhülse bei Bremshebeln im Stand der Technik in das Loch eingepresst wird.
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Da das mischkristallverfestigte ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit bei gleicher Härte eine bessere nutzbare Festigkeit aufweist, ist es auch für das Loch 11 nicht mehr notwendig, eine zusätzliche Lagerhülse vorzusehen, da die Innenfläche des Lochs 11 bereits selbst dem Druckkontakt des Bolzens einen ausreichend großen Widerstand entgegensetzen kann, ohne sich zu verformen. Als Folge davon lassen sich die Kosten durch eine verkürzte Montagezeit und durch das Weglassen einer zusätzlichen Lagerhülse weiter reduzieren.
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Selbsterklärend stellt der Bremshebel, sei es für eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse, eine wesentliche sicherheitskritische Komponente der gesamten Bremsanordnung dar, da im Fall eines Versagens, beispielsweise An- oder Durchbrechens des Bremshebels, die Bremsfunktion für das entsprechende Rad komplett ausfallen würde.
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Gusseisen, die ähnliche Bearbeitungseigenschaften aufweisen und sich im Bereich ähnlicher 0,2%-Dehngrenzen wie das erfindungsgemäße Gusseisen bewegen, sind jedoch, wie vorhergehend bereits mehrfach erwähnt wurde, weniger homogen und weisen vermehrt Gussfehler auf, die dann Ausgangspunkte für sich ausbreitende Risse sein können. Ein derartiges Bruchrisiko wird jedoch durch die weitaus homogenere Struktur des mischkristallverfestigten ferritischen Gusseisens mit Kugelgraphit vermieden, wodurch sich dessen Einsatz für einen Bremshebel besonders eignet.
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Die Ausnehmungen 6 und 8 mit ihren zylindrischen Flächen weisen minimal größere Abmessungen auf als das Schneckenrad 5 und die Schneckenspindel 7, weshalb die zylindrischen Flächen sich elastisch und plastisch verformen, wenn während der Bremsbetätigung hohe Kräfte durch das Schneckenrad 5 bzw. die Schneckenspindel 7 auf diese Flächen ausgeübt werden. Bei der Verwendung von herkömmlichen Gusseisen zeigen sich auf Grund der schlechteren Bearbeitbarkeit oftmals Abmessungsabweichungen oder auch Gussfehler. Durch die geringere Duktilität im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Gusseisen zeigen derartige Fehler das Risiko von Rissbildungen während der Verformung. Das Risiko wird darüber hinaus noch erhöht, da eine Härtebehandlung der entsprechenden Lagerflächen 9, 10 die Duktilität weiter herabsetzt.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Gusseisens für den Hebel 1 werden die Verformungen, die aus dem durch das Schneckenrad 5 bzw. der Schneckenspindel 7 ausgeübten Druck resultieren, durch eine höhere Duktilität des umgebenden Materials der Lagerflächen 9, 10 besser vertragen, so dass derartige Rissbildungen während der Verformung ausgeschlossen werden können.
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Darüber hinaus zeigt sich auch ein Vorteil des mischkristallverfestigten ferritischen Gusseisens mit Kugelgraphit gemäß der Erfindung darin, dass der erforderliche Anteil des in Kugeln oder Knötchen verfestigten Kohlenstoffs im Vergleich zu den ferritischen und perlitischen Sorten erheblich reduziert ist, um die Mindesteigenschaften bei Zugbeanspruchung zu erfüllen. Bei herkömmlichen Gusseisen mit Kugelgraphit wird aufgrund des Herstellungsverfahrens der Kohlenstoff dazu bewegt, sich in Form von Kugeln zu verfestigen, anstatt in der Form von Flocken wie beim Grauguss. Sollte jedoch diese Kugelbildung aus irgendwelchen Gründen fehlschlagen bzw. nicht vollständig vollendet werden können, ist das Gusseisen weitaus spröder und neigt dadurch zu leichter Rissbildung, wodurch sich das Risiko von Brüchen erhöht.
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Derartige Unzulänglichkeiten bei der Herstellung im Material von entsprechenden Bauteilen werden durch die Verwendung von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit ausgeschlossen, was insbesondere für einen Bremshebel die Sicherheit in der Anwendung wesentlich erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0553105 B1 [0003]
- WO 2004/059187 A1 [0003]
- EP 0598290 B1 [0003, 0004, 0036]
- EP 1064472 B1 [0003]
- US 3392810 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN-GJS-600-10/5.3110 [0023]
- EN-GJS-500-7/5.3200 [0024]
- EN-GJS-800-2/5.3301 [0024]
