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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bremshebel für eine
Bremse eines Kraftfahrzeugs zur Übertragung einer Bremskraft
von einem Aktuator in einen Bremsbetätigungsmechanismus
für einen Reibungseingriff der Bremsbeläge.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine spezielle Materialzusammensetzung
von derartigen Bremshebeln.
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Bei
Schwerlastkraftfahrzeugen, Bussen, Anhängern oder dergleichen
kommen sowohl Trommelbremsen als auch Scheibenbremsen zum Einsatz, die
jeweils einen Bremshebel aufweisen. Scheibenbremsen mit einer entsprechenden
Hebelanordnung sind beispielsweise aus der
EP 0 553 105 B1 oder der
WO 2004/059187 A1 der
Anmelderin bekannt. Schwerpunktmäßig richtet sich
die Erfindung jedoch an Trommelbremsen, bei denen der Bremshebel
an einer S-Nockenkeilwelle angreift und ein Gehäuse aufweist,
in das eine selbsttätige Nachstelleinrichtung aufgenommen
ist, wie dies beispielsweise in der
EP 0 598 290 B1 und der
EP 1 064 472 B1 der Anmelderin
oder der
US 3,392,810 offenbart
ist.
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Der
Bremshebel für derartige Trommelbremsen dient dazu, die
lineare Bewegung eines Stößels von einem pneumatischen
oder hydraulischen Aktuator in eine Rotationsbewegung eines Nockens
einer solchen Trommelbremsenanordnung umzuwandeln, um bei Bremsbetätigung
die Bremsbeläge der Bremsbelagschuhe anzustellen. Der Bremshebel selbst
ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und weist einen
Gehäuseabschnitt auf, in welchem eine selbsttätige
Nachstelleinrichtung aufgenommen ist, um einen Ausgleich des Verschleißes
der Bremsbelagschuhe der Trommelbremse zu ermöglichen.
Zur genauen Funktionsweise der selbsttätigen Nachstelleinrichtung
und des Bremshebels in diesem Zusammenhang soll beispielsweise auf
die
EP 0 598 290 B1 der
Anmelderin verwiesen werden.
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Hinsichtlich
der in einer solchen Trommelbremse vorherrschenden dynamischen und
statischen Kraftbelastungen ist folglich der Bremshebel als das
wesentliche Bauteil der Gesamtanordnung anzusehen. Der Bremshebel
ist im Allgemeinen als ein längliches Bauteil ausgebildet
mit einem Gehäuseabschnitt, in welchen die selbsttätige
Nachstelleinrichtung eingefügt ist, und mit einem Hebelabschnitt, der
ein freies Ende aufweist, das mit dem Aktuator in Verbindung steht.
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Bisher
waren der Bremshebel und insbesondere das Gehäuse zur Aufnahme
der Nachstelleinrichtung üblicherweise aus einem Gusseisen
mit Kugelgraphit gefertigt, das mit unterschiedlichen ferritischen
und perlitischen Anteilen vorlag, das heißt dass die Grundmasse
des Gusseisens aus Ferrit bis Perlit besteht. Kugelgraphit bedeutet
hierbei, dass der freie Kohlenstoff in der Ferrit- und/oder Perlitmatrix
in sphärischer, das heißt kugel- oder knötchenartiger
Form eingebettet vorliegt. Es handelt sich hierbei um eine spezielle
Ausscheidungsform des Kohlenstoffs in einer Kugelform, das heißt
im Unterschied zu Stahl ist der Kohlenstoff nicht direkt in die
Elementarzelle des Eisens eingelagert, sondern bildet unterschiedlich
geformte Graphitphasen innerhalb der Legierung aus.
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Dabei
bewirkt ein größerer Anteil von Perlit in der
Matrix eine erhöhte Härte und Festigkeit, während
ein größerer Anteil von Ferrit sich für
eine bessere Dehnbarkeit bzw. Duktilität und leichtere
maschinelle Bearbeitbarkeit verantwortlich zeichnet.
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Alternativ
zu Gusseisen kann das Gehäuse eines Bremshebels nach dem
Stand der Technik auch aus Stahl geschmiedet sein.
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Das
Gehäuse bzw. der Gehäuseabschnitt des Bremshebels,
in welchem die Nachstelleinrichtung angeordnet ist, weist mehrere
innere Oberflächenabschnitte auf, die einem großen
Druckkontakt und Verschleiß ausgesetzt sind, da sich an
diesen Abschnitten Elemente der Nachstelleinrichtung abstützen,
diese als Widerlager oder als entsprechende Lagerfläche
für bewegliche Bauteile der Nachstelleinrichtung nutzen.
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Aus
diesen Gründen ist es notwendig, diese inneren Oberflächen
einer härtenden Wärmebehandlung zu unterziehen.
Zum Einsatz kommt hierbei beispielsweise auch die Nitrierhärtung
dieser Oberflächen. Derartige Härteverfahren sind
sehr kostenintensiv. Darüber hinaus kommen bei derartigen
Härtebehandlungen Chemikalien zum Einsatz, die die Umwelt
und die Sicherheit sowie das Wohl der Arbeiter während
der industriellen Fertigung erheblich negativ beeinflussen.
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An
dem freien Ende des Bremshebels ist dieser mit einem Stößel
eines pneumatischen oder hydraulischen Aktuators verbunden, indem
ein Bolzen ein Loch in dem oberen Hebelabschnitt und eine Gabellasche
des Aktuatorstößels durchsetzt. Das Loch im oberen
Hebelabschnitt ist oftmals dadurch verstärkt, dass eine
Lagerhülse eingepresst ist, die den während der
Bremsbetätigung auftretenden Reibungseffekten einen besseren
Verschleißwiderstand entgegenzusetzen vermag. Auch dieser
zusätzliche Arbeitsschritt mit dem zusätzlichen
Bauteil wirkt sich negativ auf die Gesamtkosten der Herstellung
eines solchen Bremshebels aus.
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Allgemein
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bremshebel
für eine Bremse zur Verfügung zu stellen, der
einerseits kostengünstiger herstellbar ist und andererseits
wesentlich bessere Materialeigenschaften sowohl hinsichtlich der Bearbeitbarkeit
als auch hinsichtlich der Lebensdauer und der Funktionssicherheit
aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die für den
Bereich der Trommelbremsen bekannten Unzulänglichkeiten
für Bremshebel auszuräumen.
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Gelöst
werden diese Aufgaben mit einem Bremshebel nach Anspruch 1.
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Der
Kern der Erfindung liegt demzufolge darin, dass das Gehäuse
des Bremshebels aus einem mischkristallverfestigten ferritischen
Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt ist. Idealerweise ist der Bremshebel
einstückig aus einem solchen Gusseisen hergestellt.
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Mischkristallverfestigtes
ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit ist eine Gusseisensorte,
bei der der Kugelgraphit in einer Matrix eingebettet ist, die überwiegend
aus Ferrit besteht und die überwiegend aus Silizium-Mischkristall
verfestigt wird. Der Kohlenstoff liegt überwiegend in Form
von kugelförmigen Graphitpartikeln vor. Gegenüber
ferritischem bis perlitischem Gusseisen mit Kugelgraphit weisen
die mischkristallverfestigten ferritischen Sorten bei einer gleichwertigen
Zugfestigkeit eine höhere Dehngrenze und eine insgesamt
höhere Dehnfähigkeit auf.
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Ein
entscheidender Vorteil dieser mischkristallverfestigten ferritischen
Sorten liegt in der geringeren Schwankung der Härte, was
in einer verbesserten Bearbeitbarkeit von aus solchen Gusseisen hergestellten
Bauteilen resultiert. Mit anderen Worten, das Niveau der mechanischen
Eigenschaften solcher Bauteile wird durch das Ausmaß der
Mischkristallverfestigung der ferritischen Matrix ihres Gusseisens
bestimmt, welches Ausmaß wiederum üblicherweise
durch den Siliziumgehalt beeinflusst wird.
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Vorzugsweise
liegt der maximale Perlitanteil in der Matrix des Gusseisens, die überwiegend
aus Ferrit besteht, im Bereich von 5%.
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Gemäß der
Erfindung soll das Gusseisen für den Bremshebel eine Zugfestigkeit
Rm zwischen 400 und 650 MPa, vorzugsweise
von 600 MPa aufweisen.
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Vorzugsweise
liegt die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 zwischen
70% und 90%, idealerweise von 80% der Zugfestigkeit Rm.
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Gemäß der
Erfindung soll das Gusseisen eine Härte in HBW (Brinell-Härte)
aufweisen, die einen Bereich zwischen 42% und 50% der 0,2-Dehngrenze
Rp0,2 in MPa entspricht.
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Darüber
hinaus soll gemäß der Erfindung das Gusseisen
eine Dehnung A zwischen 8 und 18%, vorzugsweise zwischen 10% und
12% aufweisen.
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Zur
Erfüllung dieser Eigenschaften kann ein mischkristallverfestigtes
ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit Verwendung finden, welches
unter der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-600-10/5.3110 gemäß der
vorläufigen Europäischen Norm bekannt ist. Es
weist eine Zugfestigkeit Rm von 600 MPa,
eine 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von 470 MPa,
eine Härte von 200 bis 230 HBW und eine Dehnung A von 10%
auf.
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Vergleicht
man dieses mischkristallverfestigte ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit
mit bisher zum Einsatz kommenden herkömmlichen Gusseisen mit
Kugelgraphit, so würde man hinsichtlich einer besseren
maschinellen Bearbeitbarkeit das Gusseisen mit Kugelgraphit unter
der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-500-7/5.3200 auswählen,
das eine Zugfestigkeit Rm von 500 MPa und
eine Härte von ca. 150 bis 230 HBW aufweist. Jedoch, was
die Werte der 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von
320 MPa und die Dehnung A von 7% angeht, zeigt dieses Gusseisen
ungünstige Eigenschaften, die einer leichten Bearbeitbarkeit
entgegenstehen. Wählt man dahingegen ein Gusseisen mit
Kugelgraphit aus, das eine 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 von
480 MPa bei einer Zugfestigkeit Rm von 800
MPa aufweist, so zeigen sich hinsichtlich einer Härte mit
245 bis 335 HBW und einer Dehnung A von nur 2% ebenfalls kaum geeignete Werte.
Ein solches Gusseisen wäre beispielsweise das Gusseisen
mit der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-800-2/5.3301.
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Ebenfalls
wesentlich für die Erfindung ist die Tatsache, dass das
mischkristallverfestigte ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit
einen Silizium-Anteil zwischen 3 und 4,5% aufweist. Wie bereits
vorgehend erwähnt ist es vor allem die erhöhte
Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gusseisen mit
Kugelgraphit, die durch die Mischkristallverfestigung bei einem
sehr hohen Silizium-Anteil erreicht wird. Üblicherweise
wurde eine erhöhte Festigkeit im Gusseisen durch Erhöhung
des Anteils von Perlit in der Matrix erwirkt, was jedoch wiederum
einer leichten maschinellen Bearbeitbarkeit eines solchen Werkstoffs entgegensteht.
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Die
Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass für
ein geplantes Bauteil aus einem mischkristallverfestigten ferritischen
Gusseisen mit Kugelgraphit ein besserer Abgleich zwischen der maschinellen
Bearbeitbarkeit einerseits und der Festigkeit andererseits bewerkstelligt
werden kann.
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Die
maschinelle Bearbeitbarkeit wird hauptsächlich durch die
Härte der jeweils härtesten Stellen innerhalb
der zu bearbeitenden Bauteilkomponenten bestimmt.
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Hierbei
gibt es sehr harte Stellen im Gusseisen, wo das Material aufgrund
Abkühlzeit usw. härter ist als in der unmittelbaren
Umgebung (Makrobereich). Darüber hinaus können
sehr kleine, lokal begrenzte harte Stellen im Mikrobereich auftreten,
die sich aufgrund einer nicht-homogenen Struktur des Materials des
Gusseisens mit Kugelgraphit ausbilden. Demgegenüber zeigt
mischkristallverfestigtes ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit
eine sehr viel homogenere Struktur als herkömmliche Gusseisensorten,
die im Mikrobereich diese Stellen bzw. Abschnitte mit unterschiedlichen
Härten aufweisen. Da der Anteil dieser Bereiche durch die
Abkühlzeit usw. beeinflusst wird, sind sehr große
Variationen zwischen den härtesten und den weichsten Stellen
bei herkömmlichen Gusseisen die Regel.
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Es
zeigt sich auch der Nachteil bei herkömmlichen Gusseisen
mit üblichen ferritischen und perlitischen Anteilen, dass
stets im Bereich der Oberfläche eine dünne Schicht
mit einem reduzierten Perlit-Anteil auftritt, was die tatsächlich
nutzbare Festigkeit reduziert, denn es sind die Stellen mit dem
weichsten Material, die hauptsächlich die nutzbare Festigkeit
eines Bauteils bestimmen.
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Aus
diesen Gründen ist es eine übliche Vorgehensweise
der Konstrukteure, vorab eine obere Grenze für die Härte
eines zu gießenden Bauteils festzulegen, mit der Maßgabe,
Probleme, und damit verbundene hohe Kosten, bei einer anschließenden maschinellen
Bearbeitung zu vermeiden. Ausgehend von dieser Härte wählt
der Konstrukteur dann den entsprechenden Werkstoff aus und legt
danach abschließend die tatsächlich mögliche
nutzbare Festigkeit für seine Festigkeitsberechnungen fest.
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Verwendet
der Konstrukteur mischkristallverfestigtes ferritisches Gusseisen
mit Kugelgraphit gemäß der Erfindung, wird er
folglich zu einer beträchtlich höheren nutzbaren
Festigkeit für das zu gießende Bauteil gelangen,
als dies für herkömmliches Gusseisen mit Kugelgraphit
der Fall wäre.
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Es
zeigt sich hier, dass durch die Verwendung von mischkristallverfestigtem
ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit gemäß der
Erfindung für einen Bremshebel eine wesentlich höhere
Festigkeit bewerkstelligt werden kann, während sich gleichzeitig
die maschinelle Bearbeitbarkeit in idealen Bereichen bewegt.
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Die
beigefügten 1 und 2 zeigen
zur Veranschaulichung der Erfindung einen Bremshebel für
eine Trommelbremse, wobei 1 eine Seitenansicht
des Bremshebels im Teilschnitt und 2 eine Schnittdarstellung
entlang A-A aus 1 wiedergibt.
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Der
Bremshebel 1 ist einstückig aufgebaut und weist
einen oberen Hebelabschnitt 2 und einen unteren Gehäuseabschnitt 3 zur
Aufnahme einer selbsttätigen Nachstelleinrichtung 4 auf.
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Ein
Schneckenrad 5 der Nachstelleinrichtung 4 ist
in einer entsprechenden Ausnehmung 6 im Gehäuseabschnitt 3 drehbar
aufgenommen und wirkt mit entsprechenden Innenkeilnuten mit einer
hier nicht näher dargestellten S-Nockenkeilwelle für
die Bremsbeläge zusammen. Das Schneckenrad 5 kämmt
mit einer Schneckenspindel 7, die in dem Gehäuseabschnitt 3 senkrecht
zu dem Schneckenrad 5 in einer entsprechenden Ausnehmung 8 gelagert
ist.
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Hinsichtlich
der Art und Funktion der übrigen Bauteile des selbsttätigen
Nachstelleinrichtung, auf die hier nicht näher eingegangen
werden soll, wird hiermit auf die
EP 0 598 290 B1 der Anmelderin verwiesen.
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Wie
zu erkennen ist, weist die Ausnehmung 6 für das
Schneckenrad 5 entsprechende innere Lagerflächen 9 auf,
ebenso wie die Ausnehmung 8 für die Schneckenspindel 7 entsprechende
Lagerflächen 10 aufweist.
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An
diesen inneren Lagerflächen 9, 10 herrscht
ein starker Druckkontakt vor, weswegen diese Lagerflächen
bisher durch entsprechende Härteverfahren, wie beispielsweise
Nitrierhärten, bearbeitet werden mussten, mit den bereits
oben erwähnten Nachteilen einer erhöhten Umweltbelastung
sowie damit verbundenen Kostennachteilen.
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Die
Verwendung von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen
mit Kugelgraphit, das im Vergleich zu herkömmlichen ferritischen
oder perlitischen Sorten für die gleiche Härte,
wie vorgehend erwähnt, eine höhere nutzbare Festigkeit aufweist,
bietet daher gegenüber sehr hohen Druckbelastungen, vor
allem im Punktbereich, einen erhöhten Widerstand, ohne
sich plastisch zu verformen.
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Insbesondere
hinsichtlich der inneren Lagerflächen 9, 10 in
dem Gehäuseabschnitt 3 des Bremshebels 1 für
eine Trommelbremse zeigt sich der Einsatz von mischkristallverfestigtem
ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit gemäß der
Erfindung als besonders vorteilhaft, da die erwähnten nachträglichen Härtungsverfahren
vollständig entfallen können. Maschinelle Bearbeitungsschritte
an den Lagerflächen 9, 10 lassen sich
insgesamt leichter durchführen.
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Im
oberen Bereich des Hebelabschnitts 2 ist eine Bohrung 11 vorgesehen,
die der Verbindung mit einem hier nicht näher dargestellten
Stößel eines Aktuators dient. Hierbei durchgreift
ein Bolzen dieses Loch 11. Aufgrund der Relativbewegungen
zwischen dem Bolzen des Stößels und dem Loch 11 des
Hebelabschnitts 2 bei einer Schwenkbewegung des Bremshebels 1 muss
der dadurch auftretenden Reibung ein entsprechender Widerstand entgegengesetzt
werden, um den Verschleiß gering zu halten, weshalb das
Loch 11 oftmals dadurch verstärkt wird, dass eine
entsprechende gehärtete Lagerhülse bei Bremshebeln
im Stand der Technik in das Loch eingepresst wird.
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Da
das mischkristallverfestigte ferritische Gusseisen mit Kugelgraphit
bei gleicher Härte eine bessere nutzbare Festigkeit aufweist,
ist es auch für das Loch 11 nicht mehr notwendig,
eine zusätzliche Lagerhülse vorzusehen, da die
Innenfläche des Lochs 11 bereits selbst dem Druckkontakt
des Bolzens einen ausreichend großen Widerstand entgegensetzen
kann, ohne sich zu verformen. Als Folge davon lassen sich die Kosten
durch eine verkürzte Montagezeit und durch das Weglassen
einer zusätzlichen Lagerhülse weiter reduzieren.
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Selbsterklärend
stellt der Bremshebel, sei es für eine Scheibenbremse oder
eine Trommelbremse, eine wesentliche sicherheitskritische Komponente der
gesamten Bremsanordnung dar, da im Fall eines Versagens, beispielsweise
An- oder Durchbrechens des Bremshebels, die Bremsfunktion für
das entsprechende Rad komplett ausfallen würde.
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Gusseisen,
die ähnliche Bearbeitungseigenschaften aufweisen und sich
im Bereich ähnlicher 0,2%-Dehngrenzen wie das erfindungsgemäße Gusseisen
bewegen, sind jedoch, wie vorhergehend bereits mehrfach erwähnt
wurde, weniger homogen und weisen vermehrt Gussfehler auf, die dann
Ausgangspunkte für sich ausbreitende Risse sein können.
Ein derartiges Bruchrisiko wird jedoch durch die weitaus homogenere
Struktur des mischkristallverfestigten ferritischen Gusseisens mit
Kugelgraphit vermieden, wodurch sich dessen Einsatz für
einen Bremshebel besonders eignet.
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Die
Ausnehmungen 6 und 8 mit ihren zylindrischen Flächen
weisen minimal größere Abmessungen auf als das
Schneckenrad 5 und die Schneckenspindel 7, weshalb
die zylindrischen Flächen sich elastisch und plastisch
verformen, wenn während der Bremsbetätigung hohe
Kräfte durch das Schneckenrad 5 bzw. die Schneckenspindel 7 auf
diese Flächen ausgeübt werden. Bei der Verwendung
von herkömmlichen Gusseisen zeigen sich auf Grund der schlechteren
Bearbeitbarkeit oftmals Abmessungsabweichungen oder auch Gussfehler.
Durch die geringere Duktilität im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen
Gusseisen zeigen derartige Fehler das Risiko von Rissbildungen während
der Verformung. Das Risiko wird darüber hinaus noch erhöht,
da eine Härtebehandlung der entsprechenden Lagerflächen 9, 10 die
Duktilität weiter herabsetzt.
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Bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Gusseisens
für den Hebel 1 werden die Verformungen, die aus
dem durch das Schneckenrad 5 bzw. der Schneckenspindel 7 ausgeübten
Druck resultieren, durch eine höhere Duktilität
des umgebenden Materials der Lagerflächen 9, 10 besser
vertragen, so dass derartige Rissbildungen während der Verformung
ausgeschlossen werden können.
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Darüber
hinaus zeigt sich auch ein Vorteil des mischkristallverfestigten
ferritischen Gusseisens mit Kugelgraphit gemäß der
Erfindung darin, dass der erforderliche Anteil des in Kugeln oder
Knötchen verfestigten Kohlenstoffs im Vergleich zu den
ferritischen und perlitischen Sorten erheblich reduziert ist, um
die Mindesteigenschaften bei Zugbeanspruchung zu erfüllen.
Bei herkömmlichen Gusseisen mit Kugelgraphit wird aufgrund
des Herstellungsverfahrens der Kohlenstoff dazu bewegt, sich in
Form von Kugeln zu verfestigen, anstatt in der Form von Flocken
wie beim Grauguss. Sollte jedoch diese Kugelbildung aus irgendwelchen
Gründen fehlschlagen bzw. nicht vollständig vollendet
werden können, ist das Gusseisen weitaus spröder
und neigt dadurch zu leichter Rissbildung, wodurch sich das Risiko
von Brüchen erhöht.
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Derartige
Unzulänglichkeiten bei der Herstellung im Material von
entsprechenden Bauteilen werden durch die Verwendung von mischkristallverfestigtem
ferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit ausgeschlossen, was insbesondere
für einen Bremshebel die Sicherheit in der Anwendung wesentlich
erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0553105
B1 [0003]
- - WO 2004/059187 A1 [0003]
- - EP 0598290 B1 [0003, 0004, 0036]
- - EP 1064472 B1 [0003]
- - US 3392810 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN-GJS-600-10/5.3110 [0023]
- - EN-GJS-500-7/5.3200 [0024]
- - EN-GJS-800-2/5.3301 [0024]