DE19727585C2 - Bremseinheit aus Bremsscheibe und Bremsbelag - Google Patents
Bremseinheit aus Bremsscheibe und BremsbelagInfo
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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 gemäß der nachveröffentlichten DE 197 11 829 C1 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° Cel
sius. 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.
Die EP 515 193 A2 beschreibt eine faserverstärkte Keramik
bremsscheibe, die mit einem Bremsbelag, der aus ebenfalls
einem faserverstärkten Keramikmaterial besteht, in einer
Reibpaarung kombiniert wird.
In der DE 197 11 830 A1 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 einen
Sintermetall-Werkstoff oder einen anorganisch gebundenen Werkstoff
mit einer keramischen Binderphase und Metallpartikeln enthält.
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 ensteht 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. Vorteihafterweise 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 (12)
1. Bremseinheit umfassend eine Bremsscheibe aus einem
kurzfaserverstärkten C/SiC-Verbundkeramik-Werkstoff mit
im wesentlichen isotrop orientierten Kurzfasern 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 einer
kurzfaserverstärkten C/SiC-Verbundkeramik mit ca. 35-45 Vol.-%
Kohlenstofffasern, ca. 40-50 Vol.-% Siliziumcarbid
und max. ca. 15 Vol.-% Silizium.
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