DE19721647A1 - Reibeinheit in Massivbauweise, insbesondere Bremsscheibe, mit mehreren Reibkörpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reibeinheit in Massivbauweise, insbesondere Bremsscheibe, mit mehreren Reibkörpern zum reibenden Eingriff mit einem Gegenkör­ per, die im Abstand zueinander in einem Halterungskörper angeordnet sind, der aus mindestens zwei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Halterungs­ teilkörpern besteht, wobei kanalartige Ausnehmungen vorgesehen sind, durch die sich die Reibkörper erstrecken, und wobei mindestens ein Endbereich der Reibkörper über eine Außenoberfläche des Halterungskörpers vorsteht und eine Stirnfläche aufweist, die eine Reibfläche bildet, und wobei jeder Reibkörper in seiner Längserstreckung senk­ recht zur Reibfläche gesehen unterschiedliche Querschnittsbreiten aufweist.

Eine solche Reibeinheit in Form einer Bremsscheibe ist aus der JP-A-61-157840 be­ kannt. Diese Bremsscheibe besitzt zwei durch Punktschweißen miteinander verbunde­ ne, ringförmige Halterungsteilkörper aus Metallscheiben, insbesondere aus Grauguß, in die Stifte eingesetzt sind, die durch beide Scheiben hindurchführen. Die Stifte stehen über die jeweiligen Außenseiten der Halterungsteilkörper vor und bilden Reibflächen. Die Stifte sind aus gesintertem Siliziumnitrid hergestellt, das noch zusätzlich Yttriumoxid und Aluminiumoxid enthalten kann. Die Stifte sitzen lose in dem aus den Halterungsteil­ körpern gebildeten Halterungskörper. Aufgrund der sehr unterschiedlichen Werkstoffe die einerseits für die Stifte und andererseits für die Halterungsteilkörper verwendet wer­ den, ist davon auszugehen, daß diese Bremsscheibe sehr großen Dimensionsschwan­ kungen beim Erwärmen, insbesondere im Hochleistungsbremsbereich, unterliegt, so daß gerade unter Erwärmung wegen der erheblich unterschiedlichen Ausdehnung der benutzten Werkstoffe die eingesetzten Stifte ein erhebliches Spiel besitzen dürften. Weiterhin erscheint diese Bremsscheibe auch dahingehend problematisch zu sein, daß die beiden Halterungsteilkörper durch Punktschweißen nur lokal miteinander verbunden sind.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reibeinheit, insbesondere eine Bremsschei­ be, so auszubilden, daß sie die aufgezeigten Nachteile der bekannten Bremsscheibe nicht aufweist und darüberhinaus die Wärme im Vergleich zu der bekannten Brems­ scheibe mit einer höheren Effektivität abführt, so daß eine solche Bremsscheibe auch im Hochleistungsbereich eingesetzt werden kann.

Die vorstehende Aufgabe wird, ausgehend von einer Bremsscheibe mit den eingangs genannten Merkmalen, dadurch gelöst, daß die Halterungsteilkörper aus einem mit Koh­ lenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärkten Verbundwerkstoff gebildet sind, wobei die Fasern in ihrer Längserstreckung im wesentlichen parallel zur Reibfläche verlaufen, daß die Reibkörper aus Kohlenstoff und/oder Siliziumkarbid enthaltendem Werkstoff gebildet sind und daß die Halterungsteilkörper miteinander und mit den Reibkörpern mittels einer hochtemperaturfesten Schicht fest verbunden sind.

Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen, die unter anderem darin zu sehen sind, daß sowohl die Halterungsteilkörper als auch die Reibkörper aus einem artgleichen Ma­ terial aufgebaut sind, ergeben sich Wärmeausdehnungskoeffizienten, die aneinander in sehr engen Bereichen angepaßt sind. Eine effiziente Wärmeabfuhr von den Reibflächen der einzelnen Reibkörper wird nur dadurch gewährleistet, daß die Reibkörper über die Halterungsteilkörper überstehen, so daß sie allseitig von Luft angeströmt werden, son­ dern darüberhinaus unterstützt die Faserorientierung in den Halterungsteilkörpern senk­ recht zu der Längserstreckung dieser Körper bzw. parallel zu der Reibfläche der Reibkörper auch die Abfuhr der Wärme, die in den Halterungsteilkörpern von den Reib­ körpern aufgenommen wird, radial nach außen. Hierdurch entsteht ein ständiger Wär­ megradient von den Reibflächen der Reibkörper zu den Halterungsteilkörpern hin. Durch die Verwendung der artgleichen Materialien, indem zum einen die Reibkörper aus Kohlenstoff und/oder Siliziumkarbid enthaltendem Werkstoff gebildet sind, zum anderen die Halterungsteilkörper aus einem mit Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärk­ ten Verbundwerkstoff gebildet sind, ist ein fester Verbund möglich, indem die Reibkörper und die mindestens zwei Halterungsteilkörper durch eine hochtemperaturfeste Schicht miteinander verbunden werden. Die gesamten Teile sind flächig miteinander verbunden, so daß sich ein homogener Aufbau ergibt mit einem für eine Reibeinheit günstigen Schwingungs- bzw. Dämpfungsverhalten. Weiterhin können die Reibkörper durch den verdickten Bereich formschlüssig und damit sicher gehalten werden.

Um die Materialien der Reibkörper an diejenigen der Halterungsteilkörper noch weiter anzupassen, können die Reibkörper mittels Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern ver­ stärkt werden. Gleichzeitig können solche Fasern mit einer Vorzugsrichtung senkrecht zu der Reibfläche orientiert werden, um eine Wärmeabfuhr der in dem Bereich der Reib­ fläche entstehenden Wärme zu den Halterungsteilkörpern hin zu unterstützen.

In einer bevorzugten Ausbildung wird die Reibeinheit aus drei verschiedenen Reibkör­ per-Arten aufgebaut: Reibkörper aus Siliziumkarbid, aus Kohlenstoff und aus faserver­ stärktem Siliziumkarbid. Grundsätzlich kann mit den Kohlenstoff-Reibkörpern der Reib­ wert belastungsunabhängig über einen weiten Temperaturbereich eingestellt werden. Über den Anteil der Siliziumkarbid-Reibkörper wird erreicht, daß die Verschleißbestän­ digkeit erhöht wird. Der Anteil der faserverstärkten Reibkörper führt zu einer hohen Fe­ stigkeit, insbesondere auch zum Zusammenhalten der mindestens zwei Halterungsteil­ körper.

Die Reibkörper können auch im wesentlichen aus Graphit oder Siliziumkarbid gebildet werden, wobei diese Materialien gut sowohl mit Kohlenstoff- als auch mit Keramik-Fa­ sern, falls die Reibkörper verstärkt werden, verträglich sind. Über den Gehalt an Silizi­ umkarbid kann die Verschleißbeständigkeit der Reibkörper eingestellt werden, die sich mit zunehmendem Siliziumkarbid-Gehalt erhöht, während der Kohlenstoff den Reibwert im wesentlichen temperaturunabhängig gestaltet. Unter diesem Aspekt sollten die Reibkörper in ihrer Materialzusammensetzung bezüglich Kohlenstoff und Siliziumkarbid eingestellt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine bestimmte Anzahl an Reibkörpern nur aus Siliziumkarbid zu fertigen, während ein anderer Anteil der Reibkör­ per nur aus Kohlenstoff gebildet wird, um die materialspezifischen, vorstehend ange­ führten Vorteile in Bezug auf die jeweiligen Reibkörper zu erhalten.

Weiterhin können Reibkörper, die Siliziumkarbid enthalten, zusätzlich freies Silizium enthalten, wodurch der zusätzliche Effekt erzielt wird, daß sich im Reibeingriff der Reib­ körper bei hohen Temperaturen das Silizium zu einer oxidationshemmenden SiO₂-Schicht bildet.

Die hochtemperaturfeste Schicht, mit der die einzelnen Teile der Reibeinheit, d. h. die Halterungskörper und die Reibkörper, miteinander verbunden werden, sollte mindestens 30 Vol.-% Siliziumkarbid enthalten. Die Verbindungsschicht kann über ein pastenförmi­ ges Material hergestellt werden; es besteht auch die Möglichkeit, flüssiges Silizium in die Trennstelle zwischen den einzelnen Bauteilen zu infiltrieren, das sich dann, unter Wärmebehandlung, mit Kohlenstoff zu Siliziumkarbid umwandelt.

Wie bereits vorstehend ausgeführt ist, kann die Wärmeableitung von der Reibfläche der Reibkörper dadurch gefördert werden, daß bevorzugt ein Anteil der Fasern von der Reibfläche zu den Halterungsteilkörpern hin ausgerichtet ist. Es sollten hierbei, um ei­ nen bevorzugten Wärmegradienten in dieser Richtung zu erzielen, mindestens 50% der Fasern des Reibkörpers in ihrer Längsrichtung so ausgerichtet sein, daß sie mit den Flächennormalen der Reibflächen einen Winkel ≦ 45° einschließen. Der bevorzugte, eingeschlossene Winkel liegt allerdings bei < 30° und sollte möglichst kleiner 10° betra­ gen, d. h. der größte Anteil der Fasern in den Reibkörpern wird im wesentlichen parallel zu der jeweiligen Flächennormalen ausgerichtet; im Idealfall würden diese Fasern senk­ recht zur Reiboberfläche oder parallel zu den Flächennormalen der Reibfläche enden. Der Anteil solcher senkrecht zur Oberfläche bzw. in Richtung der Flächennormalen ver­ laufenden Fasern sollte hierbei mehr als 75% betragen, wobei vorzugsweise der Anteil bei über 90% liegt. In einem Idealkörper werden die Reibkörper durch Faserbündel ge­ bildet, deren Fasern zueinander parallel ausgerichtet sind und in Richtung der Flächen­ normalen, zumindest im Oberflächenbereich der Reibfläche, verlaufend orientiert sind.

Die Matrix des Verbundwerkstoffs der Halterungsteilkörper, d. h. das das Fasergerüst zusammenhaltende Bindematerial, kann wesentliche Anteile an Keramik und/oder Koh­ lenstoff aufweisen, wobei über diese beiden Materialien wiederum die Festigkeit zum ei­ nen und zum anderen die Temperaturbeständigkeit eingestellt werden kann.

Um die Wärmeleitfähigkeit der Halterungsteilkörper weiter zu erhöhen und einzustellen können in die Matrix des Verbundwerkstoffs Metallteile in Form von Metalleinlagen ein­ gesetzt werden. Solche Metalleinlagen können beispielsweise dünne Metallspäne oder Metalldrähte oder -fasern sein. In Bezug auf die Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern der Halterungsteilkörper sollten mindestens 50% der Fasern im wesentlichen parallel zur Reibfläche, verlaufen; der Gehalt an Fasern in den Halterungsteilkörpern sollte dar­ überhinaus mindestens 50 Vol.-% betragen, um die angestrebte Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit in den Halterungsteilkörpern zu erzielen.

Um die Reibkörper in den Halterungskörpern zu verankern, werden die Reibkörper be­ vorzugt so ausgebildet, daß sie sich von der Trennfläche zwischen den mindestens zwei Halterungsteilkörpern aus gesehen zu ihrer Reibfläche hin verjüngen. Hierzu kann der sich verjüngende Reibkörperteil konisch ausgebildet werden; eine andere Möglichkeit besteht darin, daß im Bereich der Verjüngung eine Anschlagfläche oder ein Absatz ge­ bildet ist. Der verdickte Bereich des Reibkörpers wird dann von der Trennfläche bzw. Trennebene der zwei Halterungsteilkörper aus in diese, und zwar in entsprechende, ka­ nalartige Ausnehmungen oder Durchbrechungen, eingesetzt. Ein solcher Aufbau hat darüberhinaus den Vorteil, daß die Reibkörper in den sich konisch verjüngenden Öff­ nungen der Halterungsteilkörper unter hoher Wärmeeinwirkung klemmend gehalten werden. Durch die Schulter- und Anschlagflächen können definierte Lagen der Reibkör­ per in den Halterungskörpern, insbesondere in Bezug auf den über die Außenseite der Halterungsteilkörper vorstehenden Abschnitt, erreicht werden. Eine andere Variante, um zum einen die Halterungsteilkörper durch die Bohrungen oder kanalartigen Vertiefun­ gen, in die die Reibkörper eingesetzt werden, nicht zu stark zu schwächen, gerade wenn die Halterungsteilkörper mit einer sehr hohen Anzahl von Reibkörpern versehen ist, und um zum anderen aber eine große Reibfläche an den Stirnflächen der Reibkörper zu erzielen, können die Reibkörper im Querschnitt T-förmig ausgebildet werden, wobei sich der erweiterte Bereich der Reibkörper an die Außenseite der Halterungsteilkörper anlegt. In dieser Anordnung können in im Querschnitt gering bemessenen Aufnahme­ bohrungen Reibkörper eingesetzt werden, die eine große Reibfläche besitzen.

Um noch weiterhin die Belegungsdichte der Halterungsteilkörper mit Reibkörpern zu er­ höhen, können Ausnehmungen vorgesehen werden, die in radialer Richtung der schei­ benartigen Halterungsteilkörper gesehen einseitig offen ausgebildet sind, d. h. diese ka­ nalartigen Ausnehmungen sind in den radial innen- bzw. außenliegenden Stirnflächen der Halterungsteilkörper eingebracht. In diese Ausnehmungen werden dann von der In­ nen- bzw. Außenseite aus die Reibkörper eingesetzt. In solchem Fall sind insbesonde­ re Reibkörper, die einen H-förmigen Querschnitt besitzen, von Vorteil, da diese Reibkör­ per dann gleichzeitig dazu dienen können, die mindestens zwei Halterungsteilkörper fest miteinander zu verbinden bzw. zu verklemmen.

Gerade dann, wenn Reibkörper mit einem axial in der Mitte liegenden, sich verdicken­ den Bereich verwendet werden, ist es von Vorteil, mindestens drei Halterungsteilkörper vorzusehen, wobei der mittlere Halterungsteilkörper mit Bohrungen oder Ausnehmungen versehen ist, die dem verdickten Bereich der Reibkörper entsprechen. Solche Bohrun­ gen können durch den mittleren Halterungsteilkörper mit gleichem Querschnitt hindurch­ gebohrt werden, so daß sich ein fertigungstechnisch einfacher Aufbau ergibt.

Falls die Reibkörper einen ausreichenden Querschnitt aufweisen, können sie mit einem Hohlraum versehen und rohr- oder hülsenförmig ausgebildet werden mit einer Öffnung im wesentlichen senkrecht zu der Reibfläche. Über eine solche Öffnung kann darüber­ hinaus Abrieb aufgenommen und von der Reibfläche abgeführt werden.

Unter dem Begriff Reibeinheit, wie er hier verwendet wird, sind nicht nur Bremsscheiben und Bremsklötze zu verstehen, sondern auch Reibbeläge, die für Kupplungen, oder der­ gleichen, eingesetzt werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Reibeinheit in Form einer Bremsschei­ be, wobei vier Reibkörper vorgesehen sind,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Reibeinheit entsprechend der Fig. 1, wobei in die­ ser Schnittdarstellung verschiedenartig geformte Reibkörper dargestellt sind die mit den Buchstaben A bis F jeweils bezeichnet sind,

Fig. 3A eine perspektivische Ansicht eines Reibkörpers, wie er in Verbindung mit der Reibeinheit der Fig. 1 eingesetzt ist, mit zwei gegenüberliegenden Reibflächen,

Fig. 3B eine Ansicht eines Reibkörpers entsprechend der Fig. 3A, allerdings mit nur einer Reibfläche,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Reibkörpers, der prinzipiell dem Reibkörper der Fig. 3B entspricht, allerdings mit rechteckiger Querschnittsform im Ge­ gensatz zu der runden Querschnittsform der Ausführungsform der Fig. 3B,

Fig. 5 einen Reibkörper mit zwei Reibflächen, wobei die Reibflächen einen langge­ streckten, rechteckigen Querschnitt aufweisen,

Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch eine Reibeinheit mit drei Halterungsteilkörpern, wobei drei verschiedenartige geformte Reibkörper eingesetzt sind, die mit G, H und I jeweils bezeichnet sind,

Fig. 7 eine Reibeinheit in Form eines schmalen Rings, bei der von der radialen Au­ ßenstirnfläche und Innenstirnfläche jeweils H-förmige Reibkörper eingesetzt sind,

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung eines Reibkörpers, wie er in Fig. 7 zu sehen ist,

Fig. 9A bis 12A sowie die Fig. 9B bis 12B jeweils in einer stirnseitigen Draufsicht sowie in einem Schnitt entsprechend der angegebenen Schnittlinien Reibkör­ per mit schematisch dargestelltem Faserverlauf, um die verschiedene Variati­ onsmöglichkeiten im Rahmen der Erfindung zu erläutern, und

Fig. 13 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen, maßstäblichen Bremsscheibe mit unterschiedlichen Geometrien und Arten von Reibkörper-Materialien.

In Fig. 1 ist schematisch eine Reibeinheit in Form einer Bremsscheibe 1 dargestellt, die ringförmig mit einer zentralen Öffnung 2 aufgebaut ist. Typischerweise weist eine solche Bremsscheibe einen Außendurchmesser 3 von ca. 300 bis 350 mm auf, während die Dicke 4 zwischen 8 und 15 mm beträgt.

Die Bremsscheibe 1 umfaßt einen Halterungskörper 6, der aus zwei scheibenförmigen Halterungsteilkörpern 7 zusammengesetzt ist. Die Halterungsteilkörper 7 sind aus ei­ nem mit Kohlenstoff- und/oder Keramik-Faser verstärkten Verbundwerkstoff gebildet. Die Fasern dieses Verbundwerkstoffs, wobei es sich überwiegend um kontinuierliche Fasern handelt, verlaufen in ihrer Längserstreckung im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der Halterungsteilkörper 7 bzw. zu der Reibfläche 8 von bolzenartigen Reib­ körpern 9, die in Bohrungen 5 eingesetzt von der Oberfläche 10 des Halterungsteilkör­ pers 7 vorstehen. Je nach Art der Bremsscheibe bzw. der Reibeinheit, die aufgebaut werden soll, sind die Reibkörper 9 nur auf der einen Seite des Halterungskörpers 6 ein­ seitig oder beidseitig vorstehend, wie dies noch anhand der Fig. 2 erläutert wird. Die Reibkörper 9 sind aus einem Kohlenstoff- und/oder Siliziumkarbid enthaltenden Werk­ stoff gebildet und können zusätzlich geringe Mengen an freiem Silizium enthalten. Die Reibkörper sind mittels Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärkt, die dann weit­ gehendst, d. h. bevorzugt in einer Menge von mehr als 90% der vorhandenen Fasern, senkrecht zu der Reibfläche 8 bzw. parallel zu der auf der Reibfläche 8 stehenden Flä­ chennormalen ausgerichtet sind. Durch diese bevorzugte Ausrichtung wird unmittelbar die auf den Reibflächen 8 der Reibkörper 9 entstehende Wärme beim reibenden Eingriff mit einem Gegenkörper zu dem Halterungskörper 6 abgeführt, indem die bevorzugte Richtung der Wärmeleitung radial nach außen durch die sich in der Ebene der Halte­ rungsteilkörper 7 erstreckenden Fasern liegt.

Wie anhand der Fig. 1 ersichtlich ist, wird die Reibfläche, mit der diese Bremsscheibe 1 mit einem Gegenstück, beispielsweise einem Bremsklotz, in Eingriff gelangt, nur durch die Reibflächen 8 der Reibkörper 9 gebildet. Insofern stehen diese Reibkörper 9 über die Oberfläche 10 des Halterungsteilkörpers 7 vor.

In Fig. 2 sind verschiedene, bevorzugte Ausführungsformen von Reibkörpern 9 darge­ stellt, die mit A bis F bezeichnet sind. Bei dem Reibkörper 9 der Ausführungsform A handelt es sich um einen kurzen Bolzen, der im Querschnitt zylindrisch oder rechteckig geformt sein kann. Dieser Reibkörper 9 erstreckt sich nur durch die Bohrung 5 bis zu der Verbindungsfläche 11 zwischen dem oberen Halterungsteilkörper 7 und dem unte­ ren Halterungsteilkörper 7. Um die Reibkörper 9 in dem Halterungskörper 6 fest zu ver­ ankern, ist eine Form der Reibkörper zu bevorzugen, wie sie in Fig. 2 mit B und C so­ wie den Fig. 3 bis 5 zu sehen sind.

Der Reibkörper B der Fig. 2 sowie die Reibkörper der Fig. 3A, 3B und 4, weisen ei­ nen Teilbereich auf, der eine größere Querschnittsfläche als der außenliegende, die Reibfläche 8 aufweisende Teilbereich besitzt. Im Bereich der Verjüngung ist jeweils eine Schulterfläche 12 gebildet, die sich in eine entsprechend erweiterte Bohrung des jeweili­ gen Halterungsteilkörpers 7 einsetzt. Wie anhand des Reibkörpers B der Fig. 2 zu se­ hen ist, wird dadurch ein axiales Verschieben der Reibkörper unterbunden. Aufgrund der Zweiteiligkeit des Halterungskörpers 6 ist es in einfacher Weise möglich, die Aus­ nehmung zur Aufnahme der Reibkörper 9 mit seinem verdickten Bereich zu fertigen. Je nach Anforderung können die Reibkörper einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie dies die Fig. 3A und 3B zeigen, oder aber einen rechteckigen Querschnitt, wie dies die Fig. 4 zeigt. Darüberhinaus können die Reibflächen 8 entsprechend lang aus­ gebildet werden, wie dies die Ausführungsform des Reibkörpers 9 der Fig. 5 zeigt. Es ist aber auch möglich, unterschiedliche Querschnittsformen miteinander zu kombinieren beispielsweise in der Form, daß der verdickte Teil des Reibkörpers 9 im Querschnitt quadratisch oder rechteckig ausgebildet ist, wie dies die Fig. 4 zeigt, während der sich verjüngende Fortsatz, der über die Schulterflächen 12 vorsteht, einen kreisrunden Quer­ schnitt aufweist, wie dies die Ausführungsformen der Fig. 3A und 3B zeigen. Eine weitere bevorzugte Form eines Reibkörpers, der sich von seinem mittleren Abschnitt zu der Reibfläche 8 hin verjüngt, ist in der Ausführungsform C der Fig. 2 dargestellt, wo­ bei der Reibkörper 9 beidseitig der Verbindungsfläche 11 einen sich verjüngenden Ko­ nus aufweist. Diese grundsätzliche Querschnittsform entspricht auch der Fig. 5, in Richtung der Längsachse, die mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet ist, gesehen.

Eine weitere Reibkörperform ist mit D in Fig. 2 bezeichnet. Hierbei ist der sich durch den einen Halterungsteilkörper 7 erstreckende Teil des Reibkörpers 9 im Durchmesser größer ausgebildet als der sich in den anderen Halterungsteilkörper 7 erstreckende Abschnitt, wobei die Querschnittsverengung im Bereich der Verbindungsfläche 11 gebil­ det ist, so daß die jeweiligen Bohrungen, um den Reibkörper 9 mit seinem unterschiedli­ chen Durchmesser aufzunehmen, in einfacher Weise in den jeweiligen Halterungsteil­ körper gebildet werden können.

Es wird verständlich, daß die über die Oberseite 10 der Halterungsteilkörper 7 vorste­ henden Abschnitte der Reibkörper 9 den Vorteil haben, daß sie allseitig von Kühlluft umströmt werden. Darüberhinaus ist anzustreben, eine möglichst große Gesamtreibflä­ che, die sich aus den einzelnen Reibflächen 8 der Reibkörper 9 zusammensetzt, zu er­ zielen. Je dichter die Halterungsteilkörper 7 mit Reibkörpern 9 belegt werden, desto mehr wird durch die erforderlichen Bohrungen die Struktur der Halterungsteilkörper zer­ stört. Um eine möglichst große Reibfläche 8 zu erzielen, allerdings die Halterungsteil­ körper 7 mit möglichst geringen Bohrungsquerschnittsflächen zu durchsetzen, ist eine Ausführung eines Reibkörpers 9 von Vorteil, wie er in Fig. 2 mit E bezeichnet ist. Der Reibkörper weist einen etwa T-förmigen Querschnitt auf mit einer erweiterten Kopfplatte und einem sich verjüngenden Schaftbereich. Ein solcher T-förmiger Reibkörper 9 muß falls eine beidseitig reibende Reibeinheit aufgebaut werden soll, von beiden Seiten der beiden Halterungsteilkörper 7 aus eingesetzt werden, wie dies in Fig. 2 zu sehen ist.

Weiterhin ist mit der Ausführungsform F der Fig. 2 ein Reibkörper 9 dargestellt, der ei­ ne Mittelbohrung 14 besitzt, die sich entlang der Längsachse 13 erstreckt. Mit dieser Mittelbohrung 14 wird die Oberfläche des Reibkörpers 9, die Wärme abgeben kann, er­ höht, darüberhinaus kann eine solche Mittelbohrung 14 Abriebmaterial von der Reibflä­ che 8 aufnehmen.

Wie anhand der Fig. 2 zu erkennen ist, kann es eine gewisse Schwierigkeit bereiten, Bohrungen 5 in die Halterungsteilkörper 7 einzubringen, die einen abgestuften Quer­ schnitt besitzen, um zum Beispiel einen Reibkörper 9 entsprechend der Ausführungs­ form B aufzunehmen. Um dies zu erleichtern, kann ein Aufbau des Halterungskörpers 6 von Vorteil sein, der aus drei Halterungsteilkörpern 7 aufgebaut ist, wie dies in Fig. 6 angedeutet ist. Durch diesen dreiteiligen Aufbau ist es möglich, in dem mittleren Halte­ rungsteilkörper 7 Bohrungen einzubringen, die dem verdickten Querschnittsbereich der jeweiligen Reibkörper 9 entsprechen, d. h. Bohrungen mit einem gleichbleibenden Quer­ schnitt über die Dicke des mittleren Halterungsteilkörpers 7, während in den beiden äußeren Halterungsteilkörpern 7 Bohrungen mit einem geringeren Durchmesser einge­ bracht werden, um den sich verjüngenden Abschnitt der Reibkörper 9 aufzunehmen, wie dies in Fig. 6 anhand der Ausführungsformen G und H der Reibkörper 9 zu sehen ist. Gleiches gilt für den Reibkörper 9 der Ausführung I der Fig. 6, der einen zylindrischen mittleren Abschnitt besitzt, der dem mittleren Halterungsteilkörper 7 zugeordnet ist, wäh­ rend sich an diesen mittleren Abschnitt konisch verjüngende äußere Abschnitte, die je­ weils die Reibfläche 8 tragen, anschließen, die den äußeren Halterungsteilkörpern 7 zu­ geordnet sind.

Um die einzelnen Halterungsteilkörper 7 im Bereich der Verbindungsfläche 11 kraft- und/oder formschlüssig zu verbinden, können Zapfen und Nuten 15, 16 vorgesehen werden, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist; solche Zapfen und Nuten können aber auch bei einem zweiteiligen Aufbau des Halterungskörpers 6 entsprechend der Fig. 1 und 2 vorgesehen werden.

In den Fig. 9 bis 12 sind verschiedene schematische Anordnungen von Reibkörpern in Bolzenform, d. h. mit etwa kreisförmigem Querschnitt, dargestellt, beispielsweise ent­ sprechend der Ausführungsform A des Reibkörpers 9 der Fig. 2.

In den Fig. 9A und 9B ist ein Reibkörper 9 dargestellt, der aus einem zweidimensio­ nalen Gewebe, das in einzelne Lagen, wie die Fig. 9A zeigt, über den Querschnitt ge­ schichtet, aufgebaut ist. Die Fasern laufen unter 0 Grad und 90 Grad zu der Längsach­ se, in den Figuren mit der strichpunktierten Linie 13 gekennzeichnet. Das Wesen dieses Reibkörpers 9 ist darin zu sehen, daß eine Vorzugsrichtung der Kohlenstoff-Fasern in Richtung der Längsachse 13 verläuft, während ein etwa gleich großer Teil quer dazu ausgerichtet ist. Dadurch erfolgt gleichwertig ein Wärmetransport sowohl in Richtung der Längsachse 13 als auch von der Reibfläche 8 weg.

In den Fig. 10A und 10B ist ein Reibkörper 9 gezeigt, der aus einem zweidimensio­ nalen Fasergewebe aufgebaut ist, das beispielsweise mit der Längsachse 13 als Zen­ trum gewickelt wurde. Wie die Fig. 10A schematisch darstellt, enden die Fasern mit ih­ ren Enden in der Reibfläche 8, so daß die an der Reibfläche 8 erzeugte Wärme durch die definierte Ausrichtung der Fasern unter einem Winkel von 45 Grad zu der Längsach­ se 13, zu der gegenüberliegenden Seite abgeführt wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß alle Fasern gleichzeitig in Richtung der Längsachse 13 wie auch quer dazu die Wärme ableiten.

Die Fig. 11A und 11B zeigen einen Aufbau, bei dem im wesentlichen nur zu der Längsachse 13 parallele Fasern vorgesehen sind. Hierbei handelt es sich quasi um ein Faserbündel, in dem die gesamten Fasern parallel orientiert sind, so daß sie senkrecht zu der Reibfläche 8 verlaufen.

Die Fig. 12A und 12B zeigen eine Variante eines Reibkörpers 9 mit einem äußeren Mantelbereich, mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet, und einem Kernbereich 18. In dem Kernbereich 18 sind die Fasern entsprechend der Fig. 11A und 11B parallel zu der Längsachse 13 ausgerichtet, während der Mantelbereich 17 entsprechend der Aus­ führungsform der Fig. 9A und 9B aus einem zweidimensionalen Gewebe aufgebaut ist. Mit diesem Aufbau des Reibkörpers 9 wird ein abgestufter Wärmegradient zu der Längsachse 13 und von der Reibfläche 8 weg zu der gegenüberliegenden Seite er­ zeugt, so daß die Wärme definiert von der Reibfläche 8 und quer zur Längsachse 13 abgeführt wird.

In den Fig. 7 und 8 ist schematisch ein weiterer Aufbau einer ringförmigen Reibein­ heit mit zwei Halterungsteilkörpern 7 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Mög­ lichkeit aufgezeigt, Reibkörper 9 in radial innenliegenden oder radial außenliegenden Ausnehmungen 19 einzusetzen. Hierzu können im Querschnitt H-förmige Reibkörper 9 verwendet werden, falls diese Reibeinheit für einen doppelseitigen reibenden Eingriff vorgesehen ist, so daß die Reibkörper 9 jeweils vergrößerte Kopfbereiche aufweisen, die auf der Oberfläche 10 der Halterungsteilkörper aufliegen und die Reibfläche 8 je­ weils tragen. Diese H-förmigen Reibkörper 9, vorzugsweise mit einem rechtwinkligen Querschnitt senkrecht zu deren Längsachse, können als zusätzliche Verbindung der Halterungsteilkörper 7 dienen; darüberhinaus ist mit solchen Reibkörpern 9 eine Bele­ gung des Halterungskörpers 6 bis zu dem radial äußeren und inneren Rand hin möglich, so daß eine große Gesamtreibfläche, die sich aus den einzelnen Reibflächen 8 zusam­ mensetzt, erhalten werden kann.

Eine bevorzugte Ausführung eines Aufbaus einer solchen Reibeinheit in faserverstärkter Bauweise ist dann gegeben, wenn sowohl die Halterungsteilkörper 7 als auch die Reibkörper 9 aus einem Gerüst aus Kohlenstoff-Fasern aufgebaut sind, unter definierter Orientierung der Fasern in dem Reibkörper 9 so, wie dies vorstehend angegeben ist; hierzu werden die Reibkörper und die Halterungsteilkörper als poröser Kohlenstoff-Fa­ sergerüst-Rohling hergestellt, und dann mit flüssigem Silizium infiltriert, das sich dann unter Wärmebehandlung, mit Kohlenstoff zu Siliziumkarbid umwandelt. Nach der Kera­ misierung wird eine hochfeste Bremseinheit erzielt, die zum einen den Anforderungen als Hochleistungs-Bremseinheit gerecht wird, bei der auf der Reibfläche 8 sehr hohe Temperaturen erzeugt werden, die aber andererseits einen extrem hohen Grad einer Wärmeabfuhr liefert. Für den Aufbau der Reibkörper und der Halterungsteilkörper wer­ den vorzugsweise hoch wärmeleitende Fasern, wie sogenannte Hoch-Modul-Fasern, eingesetzt, die durch eine Wärmeleitfähigkeit größer 20 W/mK gekennzeichnet sind.

Während die Fig. 1 bis 12 schematische Darstellungen von Bremsscheiben und Reibkörpern zeigen, ist in Fig. 13 eine in etwa maßstabsgetreue und bevorzugte Bremsscheibe 1 mit einem Außendurchmesser von 330 mm dargestellt. Diese Brems­ scheibe 1 besitzt eine zentrale Aufnahmeöffnung mit einem Durchmesser von 162 mm die, entsprechend der Darstellung der Fig. 1, mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Weiterhin sind nahe dem Rand der zentralen Öffnung 2 gleichmäßig verteilt Befesti­ gungsbohrungen 20 zu sehen, mittels derer die Bremsscheibe an einer angetriebenen Einheit befestigt werden kann. Der Halterungskörper 6 besitzt in einem gleichmäßigen Muster verteilt fünf Reihen mit Reibkörpern 9, entsprechend der Fig. 1 mit dem Be­ zugszeichen 9 bezeichnet, wobei die Reibkörper 9 der einzelnen Reihen jeweils in ra­ dialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, so daß zwischen benachbarten Reibkörpern 9 jeweils ein schmaler Freiraum verbleibt. Diese Reibkörper 9 können bei­ spielsweise eine Querschnittform aufweisen, wie dies in Fig. 3A dargestellt ist. Als Be­ sonderheit der Bremsscheibe 1, die in Fig. 13 dargestellt ist, ist hervorzuheben, daß über den Umfang verteilt aus verschiedenartigen Werkstoffen aufgebaute Reibkörper 9 eingesetzt sind, die darüberhinaus einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Insgesamt sind drei Arten von Reibkörpern 9 eingesetzt wie folgt: Graphit-Reibkörper 9 (in Fig. 13 schwarz dargestellt) mit einem Durchmesser von 15 mm und 32 Stück, die einen Gesamtreibflächenanteil von 25% haben. Die zweite Art sind silizium-infiltrierte Si­ liziumkarbid-Reibkörper 9 (in Fig. 13 weiß dargestellt) mit einem Durchmesser von 15 mm und 32 Stück, die einen Anteil an der Gesamtreibfläche von 25% haben. Die dritte Art sind mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Siliziumkarbidbolzen mit einem Durchmesser von 11 mm und einer Anzahl von 96 Stück, deren Reibflächenanteil 50% der Gesam­ treibfläche dieser Bremsscheibe 1 bildet.

Die Graphit-Reibkörper 9 besitzen einen Anteil von 100% Graphit und haben den Zweck, den Reibwert temperaturstabil zu halten. Die silizium-infiltrierten Siliziumkarbid-Reib­ körper 9 sind überwiegend aus Siliziumkarbid aufgebaut und sollen die Verschleiß­ festigkeit erhöhen, während die faserverstärkten Siliziumkarbid-Reibkörper 9 aus Koh­ lenstoff-Fasern und einer Siliziumkarbid-Matrix aufgebaut sind, die den Zweck haben, eine hohe Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit der Reibeinheit zu gewährleisten. Wie anhand der Fig. 13 zu erkennen ist, kann mit der geeigneten Wahl der jeweiligen Art der Reibkörper 9, die in der Bremsscheibe 1 verwendet werden, und der eingesetz­ ten Anzahl sowie deren Verteilung das Reibverhalten insbesondere in Bezug auf die Verschleißfestigkeit, die Wärmeabfuhr und das Temperaturverhalten bei unterschiedli­ chen Temperaturen eingestellt werden.

Die verschiedenen Reibkörper 9, wie sie in der vorstehenden Beschreibung erläutert sind, sollen u. a. die Funktion erfüllen, eine in Richtung der Flächennormalen der Reib­ fläche 8 hohe Wärmeleitung zu erzielen, um definiert die Wärme von der Reibfläche 8 wegzuführen. Um einen solchen Effekt zu erzielen, bieten sich verschiedene Aufbauten für die Reibkörper an, wie zum Beispiel Reibkörper aus mit Kohlenstoff-Fasern verstärk­ tem Verbundwerkstoff, der Einbau von Metalleinlagen in die Reibkörper, sowie Reibkör­ per, deren Kohlenstoff-Fasern in Siliziumkarbid, das durch Flüssiginfiltration von Silizi­ um und Reaktion mit Kohlenstoff gebildet wird, eingebettet sind. Ein solcher mit Kohlen­ stoff-Fasern verstärkter Verbundwerkstoff wird zunächst mit der angestrebten Faserori­ entierung als Grünkörper gebildet, wobei die Kohlenstoff-Fasern mit ausgehärteten Po­ lymeren durchsetzt sind. Anschließend wird dieser Körper pyrolisiert, so daß sich eine Mikrorißstruktur bildet, die anschließend mit flüssigem Silizium infiltriert wird, und zwar unter Wärmeeinwirkung mit Temperaturen im Bereich von 1410°C bis 1700°C in einer eingestellten Atmosphäre, so daß sich das infiltrierte Silizium mit Kohlenstoff, und zwar unter der Wärmeeinwirkung, zu Siliziumkarbid umwandelt. Mit dieser Verfahrenstechnik ist es möglich, zunächst einen porösen Kohlenstoffkörper als Rohling zu fertigen, der eine definierte Form aufweist, um ihn erst dann nach der Infiltration von Silizium und der Wärmebehandlung zu einem Verbundkörper zu verfestigen bzw. zu keramisieren.

Eine weitere Möglichkeit ist eine massive Ausbildung der Reibkörper aus Kohlenstoff, vorzugsweise aus Graphit, oder aus monolithischem, unverstärktem Material, vorzugs­ weise Siliziumkarbid bzw. gesintertem Siliziumkarbid oder aus mit Silizium infiltriertem Siliziumkarbid. Von den vorstehenden Materialien sollten monolithische Keramiken dann in einem gewissen Umfang für solche Reibkörper eingesetzt werden, wenn zusätzlich eine Verschleißminderung angestrebt wird, während Reibkörper, die wesentliche Anteile an Kohlenstoff, insbesondere an Graphit, enthalten, zur Geräuschdämpfung und für die Reibwertkonstanz dienen; darüberhinaus sind Reibkörper aus Graphit auch kostengün­ stig aufbaubar, und schließlich ist deren Wärmeleitfähigkeit sehr gut einstellbar, so daß der angestrebte Wärmegradient im Bereich der Reibkörper erreicht wird.

Claims (27)

1. Reibeinheit in Massivbauweise, insbesondere Bremsscheibe, mit mehreren Reibkörpern zum reibenden Eingriff mit einem Gegenkörper, die im Abstand zueinander in einem Halterungskörper angeordnet sind, der aus mindestens zwei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Halterungsteil­ körpern besteht, wobei kanalartige Ausnehmungen vorgesehen sind, durch die sich die Reibkörper erstrecken, und wobei mindestens ein Endbereich der Reibkörper über eine Außenoberfläche des Halterungskörpers vorsteht und ei­ ne Stirnfläche aufweist, die eine Reibfläche bildet, und wobei jeder Reibkörper in seiner Längserstreckung senkrecht zur Reibfläche gesehen unterschiedliche Querschnittsbreiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsteil­ körper (7) aus einem mit Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärkten Verbundwerkstoff gebildet sind, wobei die Fasern in ihrer Längserstreckung im wesentlichen parallel zur Reibfläche (8) verlaufen, daß die Reibkörper (9) aus Kohlenstoff und/oder Siliziumkarbid enthaltendem Werkstoff gebildet sind und daß die Halterungsteilkörper (7) miteinander und mit den Reibkörpern (9) mit­ tels einer hochtemperaturfesten Schicht fest verbunden sind.

2. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibkörper (9) mittels Kohlenstoff- und/oder Keramik-Fasern verstärkt sind.

3. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibkörper (9) aus einem Werkstoff gebildet sind, der neben Siliziumkarbid noch Kohlenstoff und freies Silizium enthält.

4. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Reib­ körper (9) im wesentlichen aus Kohlenstoff und ein Teil der Reibkörper im we­ sentlichen aus Siliziumkarbid gebildet sind.

5. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumkarbid enthaltenden Reibkörper (9) freies Silizium enthalten.

6. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtempera­ turfeste Schicht mindestens 30 Vol.-% Siliziumkarbid enthält.

7. Reibeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 50% der Fasern der Reibkörper (9) in ihrer Längsrichtung so ausgerichtet sind, daß sie mit den Flächennormalen der Reibflächen (8) einen Winkel ≦ 45° einschließen.

8. Reibeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlos­ sene Winkel < 30° beträgt.

9. Reibeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlos­ sene Winkel < 10° beträgt.

10. Reibeinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der Reibkörper (9) nahezu parallel zur Flächennormalen der Reibfläche (8) verlaufen.

11. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der ausgerichteten Fasern der Reibkörper (9) mehr als 75% beträgt.

12. Reibeinheit nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der ausgerichteten Fasern der Reibkörper (9) mehr als 90% beträgt.

13. Reibeinheit nach Anspruch 9 und Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu die gesamten Fasern der Reibkörper parallel zueinander und in Rich­ tung der Flächennormalen der Reibfläche (8) verlaufen.

14. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerk­ stoff der Halterungsteilkörper (7) eine Matrix aus Keramik und/oder Kohlenstoff aufweist.

15. Reibeinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix Metall in Form von Metalleinlagen enthält.

16. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Fa­ sern in den Halterungsteilkörpern (7) mindestens 50 Vol.-% beträgt.

17. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 50% der Fasern in den Halterungsteilkörpern (7) im wesentlichen parallel zur Reib­ fläche verlaufen.

18. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Reibkör­ per (9) von der Trennfläche (11) der mindestens zwei Halterungsteilkörper (7) zu ihrer Reibfläche (8) hin verjüngen.

19. Reibeinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjün­ gende Teil der Reibkörper (9) konisch ausgebildet ist.

20. Reibeinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Verjüngung eine Anschlagfläche (12) gebildet ist.

21. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibkörper (9) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

22. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Ausnehmungen (19) in radialer Richtung der Scheibe gesehen einsei­ tig offen ausgebildet ist.

23. Reibeinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Halterungs­ körper (6) aus mindestens drei Halterungsteilkörpern (7) aufgebaut ist, wobei der dickere Bereich der Reibkörper (9) in dem mittleren Halterungsteilkörper angeordnet ist.

24. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibkörper an ihrem die Reibfläche (8) bildenden Ende jeweils einen flanschartigen Abschnitt aufweisen, der sich an die Außenoberfläche (10) des Halterungsteilkörpers (7) anlegt.

25. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibkörper (9) als Hohlkörper ausgebildet sind.

26. Reibeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Anzahl Reibkörper (9) aufweist, die im wesentlichen aus mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Siliziumkarbid gebildet sind.

27. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibkörper (9) auf ihrer der Reibfläche (8) abgewandten Seite als Halteele­ mente zum Befestigen der Reibeinheit ausgebildet sind.