DE19704448A1

DE19704448A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunststoff

Info

Publication number: DE19704448A1
Application number: DE19704448A
Authority: DE
Inventors: Nabil Henein; Alfred Birkenbach; Helmut Rueckert
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1998-02-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für einen Bremskolben aus Kunststoff mit einem metallischen Einsatz teil entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemein sind in der Automobilindustrie Bremskolben aus Kunststoff, die sich aufgrund von Gewichtseinsparung und einfacher Herstellung als vorteilhaft erweisen, bekannt.

Beispielsweise wird in der DE 31 19 921 A1 ein Bremskolben aus Kunststoff beschrieben, dessen offenes Ende durch einen Überzug aus hitzebeständigem Material thermisch verstärkt ist. Dadurch wird eine thermische Überlastung des Kunst stoffbremskolbens vermieden, der an der metallischen Träger platte eines Bremsbelages anliegt, die während des Brems vorgang sehr heiß werden kann. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Wärme des Bremsbelages durch den Kunststoffbremskolben aufgrund seiner geringen Wärmeleit fähigkeit nur sehr schlecht abgeleitet wird. Bei einer star ken Bremsung kann daher der Bremsbelag extrem heiß werden, so daß sich eventuell sogar die Gefahr der Ablösung der Be lagmasse ergibt.

Aus der DE 27 11 692 A1 ist ferner ein Kunststoffkolben für eine Scheibenbremse bekannt, wobei der Kolben aus Kunstharz gezielt mit Zusätzen beispielsweise aus Metall versehen ist. Daraus ergibt sich eine höhere Wärmebeständigkeit des Brems kolbens sowie insbesondere eine verbesserte Wärmeleitfähig keit, wodurch ein Teil der beim Bremsvorgang am Bremsbelag entstehenden Wärme über den Bremskolben in die Bremsflüssig keit abgeführt wird.

Eine weitere Möglichkeit des kontrollierten Wärmeflusses durch den Bremskolben aus Kunststoff besteht darin, den Kunststoffkolben mit einem metallischen Einsatz zu versehen, der im wesentlichen die Ableitung der entstehenden Wärme übernimmt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunststoff mit Metallein satz anzugeben, wobei der Metalleinsatz auf einfache Weise innerhalb des Bremskolbens genau positioniert wird sowie sicher und dicht mit der Kunststoffmasse verbunden wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Dabei wird ein topfförmiger, dichter Me talleinsatz, der mit seinem am offenen Ende befindlichen abgewinkelten Kragen an der Stirnfläche des offenen Brems kolbenendes zu liegen kommt, auf einer radial aufspreizbaren Spannzange befestigt und unter Zuhilfenahme von teilbaren Formwerkzeugen mit der Kunststoffmasse umspritzt. Der topf förmige Metalleinsatz wird auf der radial aufspreizbaren Spannzange axial verrastet und gestattet damit die genaue Positionierung des Metalleinsatzes innerhalb des Bremskol bens.

Die auf der Mantelfläche des Bremskolbens vorgesehene um laufende Nut zur späteren Aufnahme einer Schutzkappe wird in einer bevorzugten Ausführungsform beim Spritzvorgang durch einen radial beweglichen Schieber mit Teilung gewährleistet, der die Negativkontur des Nutquerschnitts aufweist.

Vorteilhafterweise besitzt der topfförmige Metalleinsatz, dessen Wandfläche die Innenkontur des Bremskolbens bildet, an seiner Wandfläche mindestens eine umlaufende Nut oder aber einen umlaufenden Wulst. Nut bzw. Wulst dienen dabei gleichsam als Einrastmöglichkeit für eine Belaghaltefeder zur axialen Befestigung eines Bremsbelages am Bremskolben.

Die weiteren Unteransprüche 4 bis 10 betreffen Details der Vorrichtung zur Herstellung des Kunststoffbremskolbens mit Metalleinsatz, insbesondere Maßnahmen zur einfachen Handha bung sowie zur Verbesserung der Genauigkeit des Spritzguß verfahrens.

Die Ansprüche 11 bis 13 beschreiben den Zeiten Prozeß abschnitt, den Temperprozeß, zur Definition der mechanisch gewünschten Eigenschaften des Kunststoffkolbens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an hand der Zeichnung in vier Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Teilansicht einer Spritzgußvor richtung zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunststoff mit topfförmigem Metalleinsatz,

Fig. 2 eine geschnittene Teilansicht der Spritzgußvorrich tung aus Fig. 1 mit einem unterschiedlichen topfför migen Metalleinsatz,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer ungespannten Spannzange mit konischem Spanndorn,

Fig. 4 eine Seitenansicht einer gespannten Spannzange mit eingeschobenem Spanndorn im Zustand während des Spritzvorgangs.

Fig. 5 Temperatur-Zeit-Verlauf des Temperprozesses.

In Fig. 1 ist eine Spritzvorrichtung 1 für den ersten Pro zeßabschnitt, der Formgebung, zur Herstellung eines Brems kolbens 2 aus Kunststoff mit topfförmigem Metalleinsatz 3 zu erkennen. Die Spritzvorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus zwei Formwerkzeugen 4, 5, die durch eine Formteilung 6 voneinander getrennt sind sowie einer Spannzange 7 mit darin axial verlaufendem Spanndorn 8, die den topfförmigen Metall einsatz 3 aufnimmt. Der topfförmige Metalleinsatz 3 ist in nerhalb der Fig. 1 ebenso wie der gesamte Bremskolben 2 aus Kunststoff mit seinem offenen Ende nach oben innerhalb der Spritzvorrichtung orientiert. An seinem offenen Ende besitzt der topfförmige Metalleinsatz 3 einen abgewinkelten Kragen 9, der an der Stirnfläche des offenen Bremskolbenendes zu liegen kommt. Im späteren Einbauzustand des gesamten Brems kolbens 2 innerhalb einer Bremse liegt der Kragen 9 an einer nicht gezeigten Rückenplatte eines Bremsbelages an. Der Kra gen 9 ist damit der größten Wärmebelastung ausgesetzt und dient einerseits zum Schutz des thermisch nicht so stark belastbaren Kunststoffbremskolbens 2 sowie zur verbesserten Wärmeaufnahme und -abführung in den Metalleinsatz 3. In ei ner Weiterbildung des topfförmigen und dichten Metallein satzes 3 umgreift der Kragen 9 die gesamte Stirnfläche des Bremskolbens und endet mit einem auf der äußeren Mantelflä che des Bremskolbens anliegenden Rand. Der großflächige Me talleinsatz 3, der mit seiner Wandfläche 10 und seinem Boden 11 die Innenkontur des fertigen Kunststoffbremskolbens 2 bildet, gestattet einen verbesserten Wärmetransport an die Umgebungsluft sowie die Kunststoffmasse gegenüber einem al lein aus Kunststoff bestehenden Bremskolben. Weiterhin be sitzt der topfförmige Metalleinsatz 3 an seiner Wandfläche 10 mindestens eine umlaufende Nut 12, die den Eingriff einer nicht gezeigten Belaghaltefeder zur Befestigung eines Brems belages am Bremskolben 2 ermöglicht. Selbstverständlich muß die Nut 12 nicht zwangsläufig umlaufend sein. Sie kann auch unterbrochen ausgebildet sein oder aber der Metalleinsatz 3 weist an seiner Wandfläche 10 auf der Innenseite eingewölbte Taschen auf.

Analog zur Anordnung einer Nut 12 im Metalleinsatz 3 ist selbstverständlich auch die Ausbildung mindestens eines Wul stes 13 an der Wandfläche 10 denkbar, der ebenso von einer Belaghaltefeder hintergriffen werden kann. Dabei kann der Wulst 13 umlaufend oder unterbrochen ausgeführt sein.

Der abgewinkelte Kragen 9 des Metalleinsatzes 3 erstreckt sich radial vorzugsweise über die gesamte Stirnfläche des Bremskolbens 2 mit einem Kragenaußendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser der Schutzkappennut 16 ausgeführt ist. Damit bewirkt der Kragen 9, insbesondere bei Ausführung der Formteilung 6 gemäß Fig. 1, eine sichere Abdichtung zwi schen den Formwerkzeugen 4, 5. Der Boden 11 des Metallein satzes 3 kann neben der flachen Ausführung nach den Fig. 1 und 2 ebenso auch in axialer Richtung gewölbt sein.

Zur weiteren Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des ges am ten Bremskolbens 2 mit Metalleinsatz 3 ist es darüber hinaus möglich, den topfförmigen Metalleinsatz 3 bis zum Bremskol benboden 14 durchzustellen, um einen Wärmeübergang vom Me talleinsatz 3 unmittelbar auf die Bremsflüssigkeit zu erlau ben. Im Falle einer derartigen Anordnung ergeben sich al lerdings Schwierigkeiten mit der Abdichtung zwischen Metall einsatz 3 und Kunststoffkolben 2.

Auf der Mantelfläche 15 besitzt der Kunststoffbremskolben 2 eine umlaufende Nut 16 zur Aufnahme einer Schutzkappe, die in ihrer speziellen Querschnittsform von der innenliegenden Kontur eines in radialer Richtung 17 beweglichen Schiebers 18 bestimmt wird. Dabei ist der Schieber 18 in einer durch die Bremskolbenachse verlaufenden Ebene geteilt und ist mit seiner dem Bremskolben 2 zugewandten Innenkontur kreisrund geformt.

Der wesentliche Ablauf des Herstellungsverfahrens für einen Kunststoffbremskolben besteht aus zwei Prozeßschritten, dem Formgebungsprozeß und einem Prozeß zur Fertigung der gefor derten mechanischen Eigenschaften, dem Temperprozeß.

Der Formgebungsprozeß für einen Kunststoffkolben 2 mit topf förmigem Metalleinsatz 3 beginnt bei geöffneten Formwerkzeu gen mit dem axialen Aufschieben des topfförmigen Metallein satzes auf die gelöste Spannzange 7. Die Spannzange 7, die im Detail in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, verfügt über axial verlaufende, in radialer Richtung federnde Segmente 19, die durch schmale Schlitze 20 voneinander getrennt sind. Im ungespannten Zustand der Spannzange 7 nach Fig. 3, das heißt der Spanndorn 8 mit konisch zulaufendem Endteil 21, ist nicht vollständig in die Spannzange 7 eingeführt, läuft auch die Spannzange 7 leicht konisch zu, wobei die federnden Segmente 19 am Ende der Spannzange aneinander anliegen.

Der aufgeschobene topfförmige Metalleinsatz 3 verrastet nach dem Aufschieben axial an der Spannzange 7, die im gespannten Zustand (siehe Fig. 4) auf der Außenfläche der federnden Segmente 19 die Negativkontur des topfförmigen Metallein satzes 3 aufweist. Die Verrastung des Metalleinsatzes 3 auf der Spannzange 7 gestattet die genaue Positionierung des Metalleinsatzes 3 innerhalb der noch geöffneten Formwerkzeu ge 4, 5. Anschließend werden die beiden Formwerkzeuge 4, 5, die eine Formteilung 6 etwa in Höhe des offenen Bremskolben endes aufweisen, geschlossen. Danach wird der Spanndorn 8 axial soweit in die Spannzange 7 eingeführt, bis er mit sei nem Ende an den Boden 11 des topfförmigen Metalleinsatzes 3 stößt. Durch den konischen Verlauf des Endteiles 21 werden die Segmente 19 der Spannzange 7 radial aufgeweitet und lie gen rundum an der Innenfläche des topfförmigen Metallein satzes 3 an. Der Schieber 18 wird radial nach innen in die Position verschoben, die der maßgenauen Ausbildung der Schutzkappennut 16 auf der Mantelfläche 15 des Bremskolbens 2 entspricht. Die axial genaue Positionierung des Spanndorns 8 im gespannten Zustand der Spannzange 7 wird durch eine Abstandshülse 22 bewerkstelligt, die in ihren axialen Ab messungen derart ausgelegt wird, daß der Metalleinsatz 3 an seinem Boden 11 während des Einspritzens der Kunststoffmasse stets durch das anliegende konische Endteil 21 unterstützt wird. Die Unterstützung des recht dünnwandigen Metallein satzes 3 auf der Innenseite durch Spannzange 7 und Spanndorn 8 verhindert die Verformung des Metalleinsatzes 3 während des Kunststoff-Spritzvorganges, der unter hohem Druck er folgt. Die Kunststoffmasse wird über eine Einspritzdüse 23 unter hohem Druck in den Hohlraum zwischen den Formwerkzeu gen 4, 5 eingebracht. Nach Aushärtung der Kunststoffmasse und damit unlösbarer Verbindung mit dem topfförmigen Metallein satz 3 werden die Schieberteile 18 in radialer Richtung 17 nach außen verschoben, der Spanndorn 8 wird aus der Spann zange 7 axial herausgezogen und der Kunststoff-Bremskolben 2 mit Metalleinsatz 3 wird als Fertigteil durch einen Auswer fer 24 aus den geöffneten Formwerkzeugen 4, 5 entfernt.

Nachdem der Auswerfer 24 in seine Ausgangsstellung zurück verschoben wird, kann ein neuer Zyklus des Herstellungsver fahrens beginnen.

Analog zu der Formteilung 6 der beiden Formwerkzeuge 4, 5 in Höhe des offenen Bremskolbenendes ist in einer anderen be vorzugten Ausführungsform die Formteilung 6 axial in Höhe des Bremskolbenbodens 14 vorgesehen. Andere Formteilungen 6 sind selbstverständlich ebenfalls denkbar.

Die Verschiebung von Spanndorn 8, Schieber 18 und Auswerfer 24 erfolgt vorzugsweise über einen pneumatischen, elektri schen oder hydraulischen Antrieb.

In den Fig. 3 und 4 ist die Spannzange 7 mit Spanndorn 8 nach Fig. 1 im gelösten (Fig. 3) und gespannten Zustand (Fig. 4) dargestellt. Die Außenkontur der axialen Segmente 19 entspricht bei gespannter Spannzange 7 der Negativkontur des topfförmigen Metalleinsatzes 3. Insbesondere ist eine Erhebung 25 auf den Segmenten 19 vorgesehen, die in die zu gehörige Nut im Metalleinsatz 3 eingreift und damit den Me talleinsatz 3 axial an der Spannzange 7 verrastet. Der be reits an der gelösten Spannzange 7 verrastete Metalleinsatz 3 wird durch Einführen des Spanndornes 8 in die Spannzange 7 auf seiner gesamten axialen Länge auf der Innenseite von den Segmenten 19 unterstützt. Dadurch wird sicher gewährleistet, daß sich der Metalleinsatz 3 infolge des hohen Einspritz druckes der Kunststoffmasse nicht verformt. Dazu sind die Schlitze 20, die die einzelnen Segmente 19 der Spannzange 7 voneinander trennen, möglichst schmal ausgelegt, um den Me talleinsatz 3 auf größtmöglicher Fläche abzustützen.

In einer Weiterbildung der Spannzange 7 aus Metall können die Schlitze 20 mit einer elastischen Masse (beispielsweise Gummi) ausgefüllt sein. Darüber hinaus kann auch die gesamte Spannzange 7 durchgehend aus elastischem Kunststoff ausge führt sein, die allein durch das konische Endteil 21 des Spanndornes 8 in radialer Richtung aufgeweitet wird. Anson sten bleibt die beschriebene Funktion der Spannzange 7 er halten.

Dem ersten Prozeßschritt des Fertigungsverfahrens zur Form gebung der Werkstücke, hier der Bremskolben, durch einsprit zen des Kunststoffs in die dafür vorgesehene Form, folgt dann der zweite Prozeßschritt, das Tempern, das dem Bauteil, hier dem Bremskolben, die seiner Funktion entsprechenden und er forderlichen mechanischen Eigenschaften wie Härte, Festig keit und Duktilität verleiht.

Um die speziefischen Eigenschaften zu erreichen, sind wäh rend des Tempervorgangs spezifische Eckwerte hinsichtlich Temperatur und Einwirkzeit genau einzustellen und einzuhal ten. Der genaue Temperatur-Zeit-Verlauf ist in Fig. 5 darge stellt.

Der Temperprozeß beginnt bei Raumtemperatur und wird inner halb einer halben Stunde linear auf 150°C 26 angehoben. Die Verweilzeit der Werkstücke in dieser Temperatur 27 beträgt eine Stunde. Danach wird die Temperatur ebenfalls linear auf 200°C 28 gesteigert. In dieser Temperatur verharrt das Tem pergut 15 Stunden 29 bis die Temperatur wiederholt innerhalb von 2 Stunden linear auf 240°C 30 erhöht wird, in der die Bremskolben dann 7 Stunden verbleiben. Nach Beendigung des Temperprozesses wird das Tempergut im Temperofen linear in nerhalb von 4 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der gesammte Temperprozeß findet in Umgebungsatmosphäre, Luft, statt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens (2) aus Kunststoff mit oder ohne umlaufenden Nut (16) auf der Mantelfläche (15) des Bremskolbens (2) und mit einem topfförmigen Metalleinsatz (3), dessen Wand- (10) und Bodenfläche (11) die Innenkontur des Brems kolbens (2) bilden, wobei der topfförmige Metallein satz (3) an seinem offenen Ende mit einem abgewin kelten Kragen (9) abschließt, der am offenen Brems kolbenende an der Stirnfläche des Bremskolbens (2) zu liegen kommt, gekennzeichnet durch folgende Ver fahrensschritte:

- der Metalleinsatz (3) wird axial auf eine radial aufspreizbare Spannzange (7) geschoben und axial auf dieser verrastet,
- die Spannzange (7) mit aufgeschobenem Metalleinsatz (3) wird innerhalb zumindest eines Formwerkzeuges (4, 5) mit Formteilung (6) positioniert,
- der Metalleinsatz (3) wird bei geschlossenem Form werkzeug (4, 5) mit Kunststoffmasse umspritzt,
- nach dem Spritzvorgang wird der Bremskolben aus Kunststoff (2) mit integriertem topfförmigen Metall einsatz (3) als Fertigteil aus dem Formwerkzeug (4, 5) entfernt.

2. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Formwerkzeuges (4, 5) ein radial bewegli cher Schieber (18) mit Teilung enthalten ist, der an seiner dem Bremskolben (2) zugewandten Stirnfläche die Negativkontur der Querschnittsform der umlaufenden Nut (16) der Bremskolbenmantelfläche (15) aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der topfförmige Metalleinsatz (3) an seiner Wandfläche (10) mindestens eine umlaufende Nut (12) oder einen umlaufenden Wulst (13) besitzt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannzange (7) im aufgespreizten Zustand auf ihrer Mantelfläche die Negativkontur der Innenkontur des topf förmigen Metalleinsatzes (3) aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannzange (7) aus Metall ausgeführt ist und in axialer Richtung des Bremskolbens (2) axial sich erstreckende federnde Seg mente (19) aufweist, die durch axiale Schlitze (20) von einander getrennt sind und in radialer Richtung auf spreizbar sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannzange (7) aus elastischem Material, vorzugs weise Kunststoff, ausgebildet ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Spannzange (7) von einem axial in die Spannzange (7) eingeschobenen Spanndorn (8) mit konischem Endteil (21) radial aufgespreizt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndorn (8) bei geschlossenem Formwerkzeug (4, 5) während des Kunststoffspritzvorganges mit seiner Stirn fläche am Boden (11) des topfförmigen Metalleinsatzes (3) anliegt.

9. dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Planfläche des Kragens (9) am Metalleinsatz (3) kleiner als der Innendurchmesser der umlaufenden Nut (16) auf der Mantelfläche (15) des Bremskolbens (2) ausgebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremskolbenfertigteil (2) von einem Auswerfer (24) aus dem Formwerkzeug (4, 5) gedrückt wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Kunststoffkolben nach dem Form gebungsprozeß noch einen Temperprozeß durchläuft.

12. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Bremskolben ein Temperprozeß mit folgende Temperatur-Zeit-Verlauf durchhläuft:

- lineare Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf 150°C innerhalb einer 1/2 Stunde (26)
- 1 Stunden Verweildauer des Tempergutes in 150°C Umge bungstemperatur (27)
- lineare Temperaturerhöhung von 1500 C auf 200°C inner halb 2er Stunden (28)
- 15 Stunden Verweildauer des Tempergutes in 200°C Umge bungstemperatur (29)
- lineare Temperaturerhöhung von 200°C auf 240°C inner halb 2er Stunden (30)
- 7 Stunden Verweildauer des Tempergutes in 240°C Umge bungstemperatur (31)
- lineare Abkühlung des Tempergutes von 240° auf Umge bungstemperatur (32) innerhalb von 4 Stunden.

13. Verfahren zur Herstellung eines Bremskolbens aus Kunst stoff (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Temperprozeß in Luft als Umge bungsmedium durchgeführt wird.