DE19911733B4

DE19911733B4 - Reibelement

Info

Publication number: DE19911733B4
Application number: DE1999111733
Authority: DE
Inventors: Masahito Mizuno; Osamu Shimase; Katsumi Kariya Uemura; Satoshi Kariya Narazaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Chemical Co Ltd
Current assignee: Advics Co Ltd; Aisin Chemical Co Ltd
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: US6455145B1; JPH11322959A; DE19911733A1; US20020098324A1

Abstract

Reibelement, bestehend aus einem faserähnlichen Substrat, einem Bindemittel und einem Füllmittel, dadurch gekennzeichnet, daß für eine kumulierte Porosität von Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für eine kumulierte Porosität von Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibelement, das für einen Bremsklotz eines Fahrzeugs oder dergleichen zu verwenden ist.
Üblicherweise sind für ein Reibelement, das für einen Bremsklotz eines Fahrzeugs zu verwenden ist, verschiedene Eigenschaften erforderlich, wie etwa daß es eine hohe Bremskraft und ein hervorragendes Antiverschleißverhalten aufweist, daß sich seine Bremskraft selbst bei einer Änderung von Temperatur und Druck kaum ändert und stabil ist (Antifadingverhalten), daß kein Wasser und Öl eindringt und daß es eine hohe Materialfestigkeit aufweist.
Als ein Reibelement, das die obengenannten Erfordernisse verhältnismäßig gut erfüllt, findet ein Reibelement Verwendung, das aus einem faserartigen Substrat, einem Bindemittel und einem Füllmittel besteht. Dieses Reibelement weist 10 bis 20 Vol.-% Poren auf, wobei in dem Reibelement Poren unterschiedlicher Größen von 0,01 μm bis einige zehn Mikrometer verteilt sind. Um den hohen Anforderungen durch das Fahrzeug wie etwa einer hohen Geschwindigkeit zu entsprechen, ist es in Hinblick auf das Reibelement erforderlich, das Antifadingverhalten zu verbessern und das Angriffsverhalten gegenüber einem Gegenelement, d.h. einem sich drehenden Teil bzw. einem Rotor, (nachstehend als "Gegenelement-Angriffsverhalten" bezeichnet) zu reduzieren, um eine Vibration der Bremse zu verhindern.
Im allgemeinen stehen das Antifadingverhalten und das Gegenelement-Angriffsverhalten im Gegensatz zueinander, wobei, mit anderen Worten ausgedrückt, ein Reibelement mit hervorragendem Antifadingverhalten ein ausgeprägtes Gegenelement-Angriffsverhalten aufweist und ein Reibelement mit einem schwach ausgeprägten Gegenelement- Angriffsverhalten kein ausreichendes Antifadingverhalten aufweist. Das heißt, daß bei einem herkömmlichen Reibelement mit hervorragendem Antifadingverhalten Gas, das beim Fading (Nachlassen der Bremswirkung) in einer Harzkomponente des Reibelements erzeugt wird, in die verhältnismäßig großen Poren in dem Reibelement entweicht, die einen Lochdurchmesser von mehr als 1 μm aufweisen, wodurch sich das Antifadingverhalten verbessert. Allerdings können in diesen großen Poren Abriebpulver, die aufgrund der Reibung zwischen dem Bremsklotz und dem Rotor entstehen, bei frei drehendem Rad festgehalten werden, so daß sie als Schleifpartikel wirken und der Rotor abgenutzt wird.
In Anbetracht dessen ist bei einem Bremsklotz, bei dem das Lochverhältnis der Poren mit einem Lochdurchmesser von größer gleich 3 μm verringert ist, um das Gegenelement-Angriffsverhalten einzuschränken, eine große Anzahl kleinerer Poren zwischen 0,1 bis 0,5 μm ausgebildet, wenn die Beziehung zwischen dem Porosität und dem Lochdurchmesser des gesamten Reibelements berücksichtigt wird. Obwohl sich das Antifadingverhalten bei normaler Fahrt aufrechterhalten läßt, kann ein derartiger Bremsklotz jedoch bei Bergrennen wie etwa bei einer Ralleyfahrt kein vorbestimmtes Antifadingverhalten beibehalten.

In diesem Zusammenhang wird ferner auf die DE 4420593 A1 hingewiesen, die ein Reibelement offenbart, bei dem mit Hilfe von Silicat-Mikrohohlbällen eine bestimmte Porosität in der Größenordnung von 1–40% des Belagvolumens eingestellt werden kann, wodurch sich das Reibungsverhalten gegenüber dem Gegenelement gezielt einstellen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reibelement bereitzustellen, das trotz eines hervorragenden Antifadingverhaltens ein schwach ausgeprägtes Gegenelement-Angriffsverhalten aufweist.

Die Erfinder führten Untersuchungen bezüglich der Porositäten des Reibelements durch, woraufhin sich herausstellte, daß sich die Aufgabe dadurch lösen läßt, daß die Anzahl der Poren mit großem Durchmesser, die darin die Abriebpulver festhalten können, gesenkt wird und daß die kumulierte Porosität von Poren erhöht wird, die eine ausreichende Lochgröße aufweisen, um während eines Fadings erzeugtes Gas entweichen zu lassen. "Porosität" bedeutet in diesem Zusammenhang das Verhältnis des Hohlraumanteils der Poren in Bezug auf ein nach außen hin gezeigtes Gesamtvolumen des Reibelements und wird in Volumenprozent (Vol.-%) ausgedrückt.

Die Erfindung ist durch die Merkmale gekennzeichnet, daß in dem Reibelement, das aus dem faserartigen Substrat, dem Bindematerial oder -mittel und dem Füllmaterial oder -mittel besteht, für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von größer gleich (nicht weniger als) 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind. Die Bedeutung der obengenannten kritischen Werte (2 Vol.-% und 3,5 Vol.-%) ergibt sich wie folgt: Falls die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm auf über 2 Vol.-% zunimmt, nimmt auch das Gegenelement-Angriffsverhalten des Reibelements zu, wohingegen sich, falls sich die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm auf unter 3 Vol.-% verringert, auch das Antifadingverhalten abschwächt.

Bei der Erfindung ist es vorzuziehen, daß für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von größer gleich (nicht weniger als) 3,5 μm in einem Teil oder Abschnitt des Reibelements, der in Dickenrichtung zwischen einer Oberfläche und einem Punkt in 8 mm Tiefe gelegen ist, nicht mehr als 2 Vol.-% und für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind. Das heißt, daß eine Bereitstellung oder Verteilung von Poren, die in dem Teil des Abriebelements, der zwischen der Oberfläche und dem Punkt in 8 mm Tiefe gelegen ist, die obengenannten Volumenprozentwerte erfüllt, in ausreichendem Maß ein Entweichen des beim Fading erzeugten Gases ermöglicht. Die Porosität wird gesteuert, indem bei einem Warmformen des Reibelements die Formzeit und die Formtemperatur eingestellt werden.

Für das Bindemittel können gleichermaßen ein Phenolharz, ein Epoxyharz oder ein Polyimidharz verwendet werden, wie sie bei herkömmlichen Reibelementen Verwendung finden.

Für das Füllmittel können ein organisches und anorganisches Schmiermittel und Füllmittel verwendet werden, wie sie bei herkömmlichen Reibelementen Verwendung finden. Dazu zählen beispielsweise Ruß, Graphit, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat, Siliziumoxid, Gummiteilchen oder Kaschu- bzw. Acajustaub.

Hinsichtlich der Oberfläche des Reibelements ist es vorzuziehen, daß sie einer Schmorbehandlung unterzogen wird. Mit "Schmorbehandlung" ist in diesem Zusammenhang eine Behandlung gemeint, bei der eine Reiboberfläche vorgebacken wird, um das Auftreten des Fadings infolge eines gelösten Gases zu verhindern, das von dem in dem Reibelement enthaltenen organischen Substrat aus erzeugt wird. Die der Schmorbehandlung unterzogene Reiboberfläche weist eine größere Porosität als ein innerer, nicht der Schmorbehandlung unterzogener Abschnitt auf, so daß ein Entweichen des Gases zugelassen wird.

Die Schmorbehandlung erfolgt entlang einem Abschnitt des Reibelements, der zwischen 2 bis 4 mm von der Reiboberfläche entfernt gelegen ist. Bei einem Abschnitt, der zwischen 2 bis 8 mm von der Reiboberfläche entfernt gelegen ist und nicht der Schmorbehandlung unterzogen ist, ist es vorzuziehen, daß für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind.

In bezug auf das Reibelement ist es ausreichend, daß lediglich der von der Reiboberfläche in 2 bis 4 mm Tiefe gelegene Abschnitt der Schmorbehandlung unterzogen wird, da der von der Reiboberfläche in 2 bis 8 mm Tiefe gelegene und nicht der Schmorbehandlung unterzogene Abschnitt anschließend der Schmorbehandlung unterzogen wird, indem das Reibelement aufgrund der Hitze bei einem harten Bremsen während der Fahrt gebacken wird, während die der Schmorbehandlung unterzogene Reiboberfläche abgetragen wird.

Das faserartige Substrat umfaßt vorzugsweise eine metallische Faser und eine anorganische Faser in einem Verhältnis von nicht weniger als 25 Gew.-%, wobei für das Reibelement 100 Gew.-% angenommen werden. Die metallische Faser und die anorganische Faser bilden in dem Reibelement ein Netzwerk aus und erhalten es aufrecht, so daß die darin ausgebildeten Poren nicht zusammengedrückt werden. Daraus folgt, daß die Poren in dem Reibelement zusammengedrückt werden, falls das Verhältnis der anorganischen Faser kleiner als 25 Gew.-% ist, so daß sich das Antifadingverhalten des Reibelements verschlechtert.

Für die metallische Faser kann eine Stahlfaser, eine Faser aus rostfreiem Stahl, eine Titanfaser oder eine Kupferfaser verwendet werden, und für die anorganische Faser kann Steinwolle, eine Glasfaser, eine Silikatfaser, eine Aluminiumfaser, eine Karbonatfaser, eine Kalziumsilikatfaser oder eine Kalziumtitanatfaser verwendet werden.

Das faserartige Substrat enthält zusätzlich zu der metallischen Faser und anorganischen Faser von nicht weniger als 25 Gew.-% vorzugsweise eine organische Faser wie etwa Flachs, Baumwolle oder eine aromatische Polyamidfaser. Mit anderen Worten ist es ausreichend, daß das Substrat die metallische Faser und die anorganische Faser mit einem Anteil von nicht weniger als 25 Gew.-% enthält, wodurch zugelassen wird, daß die organische Faser enthalten ist, die sich von den obengenannten zwei Arten an Fasern unterscheidet.

Das Reibelement kann durch ein übliches Herstellungsverfahren hergestellt werden. Das heißt, daß Ausgangsmaterialien wie etwa das faserartige Substrat, das Bindemittel und das Füllmittel im vorbestimmten Verhältnis ausreichend miteinander vermischt, dann mittels Warmformen in die vorbestimmte Gestalt geformt und daraufhin der Wärmebehandlung unterzogen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Reibelement bleibt nicht nur das Gegenelement-Angriffsverhalten schwach ausgeprägt, da die Anzahl an Poren, in denen die Abriebpulver festgehalten werden, reduziert ist, sondern bleibt auch das Antifadingverhalten stark ausgeprägt, da die Anzahl an Poren, die beim Fading erzeugtes Gas entweichen lassen, erhöht ist. Aufgrund der metallischen Faser und der anorganischen Faser, die in das Reibelement eingemischt sind, werden die Poren darüber hinaus kaum zusammengedrückt, so daß das schwach ausgeprägte Gegenelement-Angriffsverhalten und das stark ausgeprägte Antifadingverhalten aufrechterhalten werden können.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert.

Es wurde ein Bremsklotz angefertigt, der aus dem erfindungsgemäßen Reibelement gemacht ist. Der Bremsklotz wurde im einzelnen hergestellt, indem Ausgangsmaterialpulver, bei denen das in der Tabelle 1 gezeigte Verhält nis eingestellt war, gemischt und dann in eine Formkammer geschüttet wurden, um unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen warmgeformt zu werden, woraufhin sie einer Wärmebehandlung bei 200 bis 300°C unterzogen wurden. Die bei dem Reibelement verwendete metallische Faser und anorganische Faser wiesen eine Zusammensetzung auf, wie sie in Tabelle 2 angegeben ist. Die Zusammensetzungen in den Tabellen 1 und 2 sind in Gewichtsprozent (Gew.-%) des Reibelements angegeben.
Von den Reibklötzen gemäß den in den Tabellen 1 und 2 aufgeführten Ausführungsbeispielen 1 bis 6 wurden lediglich die Klötze gemäß den Ausführungsbeispielen 5 und 6 der Schmorbehandlung unterzogen, indem die Klötze für 1 bis 5 Minuten auf eine auf 500 bis 700°C geheizte Eisenplatte gedrückt wurden. Bei einem derartigen Vorgang erfolgt die Schmorbehandlung für den zwischen 2 und 3 mm von der Reiboberfläche entfernt gelegenen Abschnitt.
In bezug auf die Poren jedes Ausführungsbeispiels wurden die Porositäten bei einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm und einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm gemessen, wobei die Ergebnisse in Tabelle 3 gezeigt sind. Da die Reibklötze gemäß den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 nicht der Schmorbehandlung unterzogen wurden und homogen waren, wurde der zwischen der Oberfläche und dem Punkt in 4 mm Tiefe gelegene Abschnitt als Reibklotzoberfläche angenommen. Dann wurde an der Reibklotzoberfläche das Verhältnis des Hohlraumanteils der Poren der Reibklotzoberfläche in bezug auf das nach außen hin gezeigte Gesamtvolumen gemessen.
Der Reibklotz gemäß den Ausführungsbeispielen 5 und 6 wurde an der Klotzoberfläche der Schmorbehandlung unterzogen, weswegen als Reibklotzoberfläche der verschmorte Abschnitt angenommen wurde. Dann wurden das Verhältnis des Hohlraumanteils der Poren an der Reibklotzoberfläche in Bezug auf das nach außen hin gezeigte Gesamtvolumen und das Verhältnis des Hohlraumanteils der Poren in dem zwischen 2 mm und 8 mm von der Klotzoberfläche entfernt gelegenen und nicht der Schmorbehandlung unterzogenen Abschnitt in Bezug auf das nach außen hin gezeigte Gesamtvolumen gemessen.
Für die Messung der Porosität des Reibklotzes wurde ein Quecksilber-Porosimeter verwendet, bei dem die Porosität anhand von in die Poren gepreßtem Quecksilber berechnet wurde.
Darüber hinaus wurden entsprechend den obengenannten Ausführungsbeispielen, wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt ist, unter ähnlichen, aber leicht unterschiedlichen Bedingungen Vergleichsbeispiele 1 bis 4 hergestellt. Bei dem Vergleichsbeispiel 3 wurde die gleiche Schmorbehandlung wie bei den Ausführungsbeispielen 5 und 6 durchgeführt, wobei bei sämtlichen Vergleichsbeispielen 1 bis 4 die Porosität gemessen wurde und die Ergebnisse in Tabelle 3 gezeigt sind.
Das Vergleichsbeispiel 1 weist dabei eine geringe kumulierte Porosität bei den Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm, das Vergleichsbeispiel 2 eine hohe kumulierte Porosität bei den Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm, das Vergleichsbeispiel 3 in dem in 2 bis 8 mm Tiefe von der Reiboberfläche gelegenen Abschnitt, der nicht der Schmorbehandlung unterzogen wurde, eine hohe kumulierte Porosität bei den Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm und Vergleichsbeispiele 4 ein geringes Mischungsverhältnis der in dem Reibelement enthaltenden anorganischen Faser und metallischen Faser auf.
(Beurteilung)
Die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 wurden beurteilt, indem im Rahmen eines Antifadingversuchs, der unter Verwendung einer Bremsdynamoprüfmaschine erfolgte, der minimale Reibungskoeffizient (Min. μ) und der Rotorabrieb gemessen wurden.
(Messung von Min. μ)
Min. μ wurde im Rahmen eines Versuchs gemessen, bei dem zehnmal ein Abbremsen unter Verringerung der Geschwindigkeit von 100 km/h auf 0 km/h durchgeführt wurde. Bei diesen Versuchen betrugen das Maß der Geschwindigkeits verringerung 0,9 G, die Temperatur vor dem Bremsen (IBT) 80°C und das Bremsintervall 22 Sekunden. Dieser Versuch erfolgte unter Verwendung eines Bremssattels vom Typ PD 51–18V und einer Massenträgheit (Trägheit) von 5 kgfms² (1 kgf = 9, 81 kgm/s²) .
(Messung des Rotorabriebs)
Die Messung des Rotorabriebs erfolgte, indem das Abnahmemaß der Rotordicke nach 250-mal wiederholtem Abbremsen unter Verringerung der Geschwindigkeit von 65 km/h auf 0 km/h gemessen wurde. Das Maß für die Geschwindigkeitsverringerung betrug 0,35 G und IBT 120°C. Diese Prüfung erfolgte unter Verwendung eines Bremssattels vom Typ PD 51–18V und eines herkömmlichen Rotors bei einer Trägheit von 4 kgfms² (1 kgf = 9, 81 kgm/s²) .
Die Meßwerte für Min. μ und den Rotorabrieb sind zusammen mit der entsprechenden Beurteilung in Tabelle 4 gezeigt. Als Richtmaß erfolgte eine Beurteilung mit gut oder zufriedenstellend (o), wenn der Wert für Min. μ mehr als 0,2 betrug, und mit schlecht oder unzufriedenstellend (x), wenn der Wert unter 0,2 lag; es wurde mit gut (o) beurteilt, wenn der Rotorabrieb geringer als 6 μm war, und mit schlecht (x) beurteilt, wenn der Abrieb mehr als 6 μm betrug.
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, weisen sämtliche Klötze gemäß den Ausführungsbeispielen 1 bis 6 einen Wert für Min. μ von mehr als 0,20 auf und können als Reibelement zufriedenstellen, wobei der Rotorabrieb (mit weniger als 5 μm) ausreichend gering ist, um das Gegenelement-Angriffsverhalten zu verhindern. Im Gegensatz dazu ist bei dem Vergleichsbeispiel 1 die Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser zwischen 0,5 bis 3,5 μm so gering, daß Min. μ verringert und das Antifadingverhalten verschlechtert ist. Bei den Vergleichsbeispielen 2 und 3 ist das Gegenelement-Angriffsverhalten ausgeprägt, da die kumulierte Porosität der Poren mit dem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm hoch ist. Bei dem Vergleichsbeispiel 4, bei dem der Mischungsanteil der metallischen Faser und anorganischen Faser (mit 20 Gew.-%) gering ist, werden die Poren an der Reibklotzoberfläche zusammengedrückt, so daß die Porosität verringert und das Antifadingverhalten abgeschwächt und verschlechtert wird.
Die vorstehenden Versuchsergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäße Reibelement ein stark ausgeprägtes Antifadingverhalten und ein schwach ausgeprägtes Gegenelement-Angriffsverhalten aufweist. Ein derartiges Reibelement wird dadurch erzielt, daß bei einem aus einem faserartigen Substrat, einem Bindemittel und einem Füllmittel bestehenden Reibelement für eine kumulierte Porosität von Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für eine kumulierte Porosität von Poren mit einem Lochdurchmesser zwischen 0,5 und 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt werden. Bei dem Reibelement ist die Anzahl der Abriebpulver festhaltenden Poren reduziert, so daß das Gegenelement-Angriffsverhalten schwach ausgeprägt bleibt, und ist die Anzahl an Poren mit einer Größe, die das Entweichen des beim Fading erzeugten Gases erlaubt, erhöht, so daß das Antifadingverhalten stark ausgeprägt bleibt, wobei die metallische Faser und anorganische Faser derart eingemischt sind, daß das schwach ausgeprägte Gegenelement-Angriffsverhalten und das stark ausgeprägte Antifadingverhalten aufrechterhalten werden.

Claims

Reibelement, bestehend aus einem faserähnlichen Substrat, einem Bindemittel und einem Füllmittel, dadurch gekennzeichnet, daß für eine kumulierte Porosität von Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für eine kumulierte Porosität von Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind.
Reibelement nach Anspruch 1, wobei in einem Abschnitt des Reibelements, der zwischen einer Oberfläche dessen und einem Punkt in 8 mm Tiefe gelegen ist, für eine kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für eine kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind.
Reibelement nach Anspruch 2, wobei an zumindest einer Reiboberfläche eine Schmorbehandlung durchgeführt ist.
Reibelement nach Anspruch 3, wobei die Schmorbehandlung für einen 2 bis 4 mm von der Reiboberfläche entfernt gelegenen Abschnitt des Reibelements erfolgt ist und in einem Abschnitt des Reibelements, der 2 bis 8 mm von der Reiboberfläche entfernt gelegen ist und nicht der Schmorbehandlung unterzogen ist, für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von nicht weniger als 3,5 μm nicht mehr als 2 Vol.-% und für die kumulierte Porosität der Poren mit einem Lochdurchmesser von 0,5 bis 3,5 μm nicht weniger als 3 Vol.-% gewählt sind.
Reibelement nach Anspruch 1, wobei unter der Voraussetzung, daß das Reibelement 100 Gew.-% umfaßt, das faserähnliche Substrat eine metallische Faser und eine anorganische Faser mit insgesamt nicht weniger als 25 Gew.-% enthält.