DE19727585A1

DE19727585A1 - Bremseinheit aus Bremsscheibe und Bremsbelag

Info

Publication number: DE19727585A1
Application number: DE19727585A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Gross; Tilmann Dr Haug; Emil Dipl Ing Naeumann; Kolja Dipl Ing Rebstock; Michael Scheydecker
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Brembo SpA
Priority date: 1997-06-28
Filing date: 1997-06-28
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2017-06-29
Also published as: DE19727585C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremseinheit umfassend eine Bremsscheibe aus thermisch hochbelastbarem Material und einen mit ihr tribologisch zusammenarbeitenden Bremsbelag.

Eine neue Generation von Bremsscheiben besteht aus thermisch hochbelastbarem Material. Dazu gehören Keramik-Werkstoffe, insbesondere kurzfaserverstärkte C/SiC-Keramikwerkstoffe, wie sie in der deutschen Patentanmeldung 197 11 829.1 beschrieben sind. Eine weitere gattungsgemäße Bremsscheibe ist aus der DE 43 22 113 bekannt. Dabei handelt es sich um eine Bremsscheibe mit einem Tragkörper aus einem Stahl-, Gußeisen- oder Aluminiumwerkstoff, auf deren außenseitige Ringabschnitte je eine ringförmige Schicht aus einem thermisch hochbelastbaren Material, nämlich einem Keramikwerkstoff bzw. einem Metall-, Metallsinter- oder Metallkeramiksinterwerkstoff aufgebracht sind. Dieses Material ist temperaturbeständig bis über 1500° Celsius. Um zu verhindern, daß bei Bremsmanövern die Bremsscheibe so stark erhitzt, daß der Bremsbelag Schaden nimmt, ist vorgesehen, daß das Keramikmaterial eine wärmeleitende Metallfüllung hat, die die Wärme an den metallenen Tragkörper abgibt und daß die Bremsscheibe als innenbelüftete Bremsscheibe konstruiert ist.

Problematisch ist die Kombination derartiger Bremsscheiben mit einem geeigneten Bremsbelag. Ein gebräuchlicher anorganischer Bremsbelag ist z. B. in der DE 43 06 721 offenbart. Derartige Bremsbeläge sind jedoch nicht stabil genug.

In der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 197 11 830.5 ist ein gesinterter Bremsbelag für eine kurzfaserverstärkte C/SiC-Bremsscheibe beschrieben, der aus Metallpulver, primärem Kohlenstoff und ggf. Additiven besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bremseinheit der oben genannten Art bereit zu stellen, die über höhere Temperaturbereiche stabil ist, aber einfacher herzustellen ist.

Die Lösung besteht in einer Bremseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß der Bremsbelag aus einem Metall-Keramik-Werkstoff oder einem Serien- Sintermetallbelag besteht.

Sintermetallbeläge wurden bisher nur in Nutzfahrzeugen oder bei der Bahn verwendet. Für den PKW-Bereich eigneten sie sich in Verbindung mit der bisher üblichen Grauguß-Bremsscheiben nicht, da das Komfortverhalten (Rubbeln, Quietschen, Stottern) nicht ausreichend ist. Es hat sich nun überraschenderweise und für den Fachmann unerwartet herausgestellt, daß die bisher üblichen Unzuträglichkeiten bei der Paarung von gängigen Grauguß-Bremsscheiben mit Sintermetall-Bremsbelägen bei der Verwendung von Keramik-Bremsscheiben nicht auftreten. Bei der Kombination einer Keramik-Bremsscheibe mit einem Sintermetallbelag hat es sich ferner herausgestellt, daß sehr gute Reibbeiwerte von 0,3 bis 0,5 und eine Temperaturbeständigkeit bis 900 bis 1000°C erreichbar sind.

Dasselbe gilt für die Verwendung von Bremsbelägen mit einer mindestens teilweise keramischen Bindephase. Bei Temperaturen unter 1200° Celsius entsteht während der Wärmebehandlung eine nur teilweise umgewandelte Bindephase mit einem anorganischen und einem organischen Bestandteil, abhängig von den verwendeten Polymeren.

Die erfindungsgemäße Bremseinheit ist eine optimale Kombination hinsichtlich einer erhöhten thermischen Belastbarkeit auf Seiten der Keramik-Bremsscheibe im Hinblick auf eine zumutbare Standzeit des Bremsbelages sowie auf sonstige tribologische Anforderungen wie Reibbeiwerthöhe oder Temperaturabhängigkeit des Reibwertes. Die erfindungsgemäße Bremseinheit ist aufgrund ihrer stofflichen Beschaffenheit thermisch höher belastbar und auch verschleißresistenter als konventionelle Bremseinheiten.

Die keramische Bindephase entsteht vorzugsweise durch Pyrolyse mindestens eines präkeramischen Polymeres. Bspw. können konventionelle Belagmischungen für organisch gebundene PKW- Serienbeläge zum Einsatz kommen, wobei der herkömmliche organische Binder durch ein präkeramisches Polymer ersetzt ist. Die Zusammensetzung dieser konventionellen Serienbeläge ist dem Fachmann wohlbekannt. Dabei kann es sich um einen C- Precursor wie z. B. Vinylharze oder um siliziumhaltige Polymere handeln. Die Bindephase kann durch ein sogenanntes Polymer- Pyrolyse-Verfahren (PP-Verfahren) eingebracht und hergestellt werden. Die einzelnen Komponenten werden gemischt und gepreßt und bei Temperaturen bis zu 1200° Celsius ca. 60 Minuten pyrolisiert und ggf. endbearbeitet. Die aus Belagmischung und Binder resultierende keramische Bindephase ist meist amorph, d. h. glasartig. Sie ist temperaturbeständig, je nach Typ bis zu 1600° Celsius.

Der Metallanteil des Bremsbelages ist z. B. aus der Gruppe bestehend aus Kupfer und Kupferlegierungen sowie Eisen und Eisenlegierungen ausgewählt. Die Metalle werden in Form von Spänen, Metallwolle oder Metallpulver als Einbettphase eingesetzt. Vorteilhafterweise sind im Reibbelag ferner Kohlenstoff, Koks oder Graphit, feste Schmiermittel wie z. B. SbS₃, MoS₂, CaF₂ und Füllstoffe, z. B. aus Keramik, Aluminiumoxid, Glas, Glimmermehl, Schwerspat und/oder Eisenoxid enthalten die als Putzmittel dienen.

Die Bremsscheibe besteht in vorteilhafter Weise aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere Oxidkeramik oder faser verstärkter Keramik, wie C/C-Keramik, SiC/SiC-Keramik oder C/SiC-Keramik. Es ist bevorzugt, daß die Fasern isotrop orientiert sind, da dadurch eine gleichmäßig hohe Wärmeleitfähigkeit auch im Querschnitt der Bremsscheibe erzielt wird. Dadurch wird die Oberflächentemperatur im Belastungsfall abgesenkt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein lichtmikroskopisches Gefügebild einer erfindungsgemäßen Bremsscheibe mit hoher Wärmeleitfähigkeit;

Fig. 2a, b Ergebnisse eines Bremsversuchs mit einer Bremsscheibe gemäß Fig. 1 und einem Bremsbelag mit anorganisch gebundener Matrix;

Fig. 3a, b Ergebnisse eines weiteren Bremsversuchs, diesmal mit einem konventionellen Sintermetall-Bremsbelag.

Die in Fig. 1 gezeigte Bremsscheibe besteht aus ca. 35-45 Vol.-% Fasern, ca. 40-50 Vol.-% Siliziumcarbid und max. ca. 15 Vol.-% Silizium. Bei der Herstellung (vgl. die deutsche Patentanmeldung 197 11 829.1) wurde darauf geachtet, daß die Ausgangssubstanzen möglichst homogen gemischt wurden. Dadurch erhielt man isotrop orientierte Fasern und nur wenige, kleine Poren, in denen sich bei der Flüssigsilizierung reines Silizium sammeln kann (vgl. DE 197 11 829.1, auf die hiermit Bezug genommen ist). Die isotrope Faseranordnung und die Verkleinerung der Poren bis gegen Null erhöhen die Wärmeleitfähigkeit der resultierenden Keramik. Zur Herstellung der Bremsbeläge wurde eine Mischung aus Metallen und Putzmitteln nach und nach mit Graphit vermischt und homogenisiert. Anschließend wurde das Polysiloxan zugefügt. Die Mischung wurde warmgepreßt gesintert und pyrolysiert. Bei einer Verwendung anderer präkeramischer Polymere muß der Pressling unter Schutzgas pyrolysiert werden. Der fertige Belag wird ggf. noch endbearbeitet. Er enthält eine zumindest teilweise keramische Bindephase. Der Grad der Keramisierung beeinflußt das Komfortverhalten. Eine nicht vollständige Keramisierung, z. B. zwischen 20 und 80%, insbesondere zwischen 40 und 60%, ist bevorzugt. Besonders vorteilhaft ist es, auf die Pyrolyse zu verzichten und den Pressling direkt als Bremsbelag einzusetzen. Die sich beim Bremsmanövern entwickelnde Reibungshitze bewirkt, daß die Pyrolyse während des Einfahrens stattfindet.

In den Bremsversuchen wurde eine C/SiC-Bremsscheibe mit 285 mm Durchmesser mit einem Bremsbelag aus Metall und 5-15 Gew.-% Polysiloxan H62C der Firma Wacker als präkeramische Bindephase verwendet. Der Metallzuschlag enthält 2/3 Stahlwolle und 1/3 Kupferpulver. 1/2 Gew.-% Al₂O₃ dienten als Putzmittel. Als festes Schmiermittel waren max. 5 Gew.-% Molybdänsulfid und/oder Calciumfluorid und/oder Graphit zugefügt. Der Bremsdruck betrug 15 bar bei einer Geschwindigkeit von 60-200 km/h.

Die gemessenen Reibwerte lagen zwischen 0,35 und 0,55. Die Temperatur in der Scheibenmitte stieg auf über 600°C. Das liegt daran, daß zwischen den einzelnen Bremszyklen nicht bis zur vollständigen Abkühlung der Versuchsanordnung gewartet wurde. In der Praxis werden diese Temperaturen aber nicht erreicht. Der gemessene Verschleiß betrug bei der Bremsscheibe 0,2-0,3 mm und beim Bremsbelag ca. 1-1,5 g.

In den Fig. 3a und 3b sind die Ergebnisse eines entsprechenden Bremsversuches unter Verwendung eines konventionellen Sintermetall-Bremsbelages dargestellt. Dabei handelt es sich um einen konventionellen Bremsbelag, der wegen seines schlechten Komfortverhaltens bisher nur in Verbindung mit herkömmlichen Grauguß-Bremsscheiben in Nutzfahrzeugen und bei der Bahn Verwendung fand. Die gemessenen Reibwerte lagen zwischen 0,4 und 0,6. Die Änderung des Kurvenverlaufs illustriert das "Einlaufverhalten" bedingt durch die Mikrorauhigkeit des Bremsbelages auf der Scheibe. Die Temperatur in der Scheibenmitte blieb unter 500°C.

Die bei den Versuchen verwendete Bremsscheibe aus kurzfaserverstärkten C/SiC-Keramik wies eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Dies trug dazu bei, daß die Temperaturen nicht übermäßig austragen.

Claims

1. Bremseinheit umfassend eine Bremsscheibe aus einem thermisch hochbelastbarem Material und einen mit ihr tribologisch zusammenarbeitenden Bremsbelag, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsbelag einen Sintermetall- Werkstoff oder einen anorganisch gebundenen Werkstoff mit einer keramischen Binderphase und Metallpartikeln enthält.

2. Bremseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Bindephase durch vollständige oder teilweise Pyrolyse mindestens eines präkeramischen Polymers erhältlich ist.

3. Bremseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Bindephase durch vollständige oder teilweise Umwandlung des präkeramischen Polymers während des Betriebs der Bremseinheit erhältlich ist.

4. Bremseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine präkeramische Polymer aus der Gruppe bestehend aus C-Precursoren wie z. B. Vinylharzen und/oder präkeramischen Polymeren auf Siliziumbasis wie z. B. Polysilanen, Polysiloxanen, Polysilazanen, Polyborocarbosilanen, Polyborosilazanen, Polyborosilanen, Polycarbosilazanen und Polycarbosilanen ausgewählt ist.

5. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsbelag ferner anorganische Schmierstoffe enthält.

6. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel aus der Gruppe bestehend aus Kupfer und Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing sowie Eisen und Eisenlegierungen wie Grauguß oder Stahl ausgewählt sind.

7. Bremseinheit nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel in Form von Spänen und/oder von Metallwolle und/oder in Pulverform zugesetzt sind.

8. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsbelag ferner Kohlenstoff vorzugsweise in Faserform enthalten ist.

9. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsbelag als feste Schmiermittel Calciumfluorid, Graphit und/oder Sulfide, insbesondere Molybdänsulfid oder Antimonsulfid enthalten sind.

10. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsbelag ferner Hartpartikel aus Keramik, vorzugsweise aus Carbiden wie Borcarbid, Siliziumcarbid, Titancarbid und/oder Metallcarbide enthalten sind.

11. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsbelag Hartpartikel aus Aluminiumoxid und/oder Glas enthalten sind.

12. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsscheibe aus Keramik, insbesondere Oxidkeramik, C/SiC-Werkstoff, C/C-SiC- Werkstoff, SiC/SiC-Werkstoff oder aus C/C-Werkstoff besteht.

13. Bremseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern der faserverstärkten Verbundkeramik im wesentlichen isotrop orientiert sind.

14. Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsscheibe aus einer kurzfaserverstärkten C/SiC-Verbundkeramik besteht, vorzugsweise mit ca. 35-45 Vol.-% Kohlenstoffasern, ca. 40-50 Vol.-% Siliziumcarbid und max. ca. 15 Vol.-% Silizium.