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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Träger für
einen Gleitsattel einer Scheibenbremse. Darüber hinaus
betrifft die Erfindung einen Bremssattel als Gleitsattel oder als
Festsattel für eine entsprechende Scheibenbremse.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine spezielle Materialzusammensetzung
von derartigen Trägern und Bremssatteln.
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Bei
Schwerlastkraftfahrzeugen, Bussen, Anhängern oder dergleichen
kommen Scheibenbremsen des Gleitsattel-Typs zum Einsatz, wie dieser
beispielsweise in der
WO
2003/023244 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Der Träger,
auf den der Gleitsattel mittels entsprechender Gleitlager in Achsrichtung
verschieblich geführt ist, ist üblicherweise an dem
Achskörper befestigt.
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Bei
derartigen Scheibenbremsen dient der Träger darüber
hinaus der Führung der Bremsbelaghalter. Zu diesem Zweck
weist der Träger Lagerflächen und Anschläge
auf, die die Beweglichkeit der Bremsbelaghalter in radialer und
tangentialer Richtung begrenzen und nur eine Verschiebebewegung der
Bremsbelaghalter in axialer Richtung, d. h. in Richtung zu der Bremsscheibe
und von dieser weg, gestatten. Eine Scheibenbremse mit einem derartigen
Träger ist beispielsweise aus der
EP 1 775 493 B1 der Anmelderin
bekannt.
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Bei
Festsattel-Bremsen ist der Bremssattel fixiert und oftmals auch
nicht auf einem Träger gelagert, sondern direkt an dem
Fahrzeugrahmen oder Achskörper befestigt. Die Bremsbelaghalter
sind daher an entsprechenden Lagerflächen oder Anschlägen
des Bremssattels axial geführt. Beispielhaft zeigt die
WO 2004/025134 A1 der
Anmelderin einen solchen Festsattel.
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Als
Material für den Träger für einen Gleitsattel
und für einen Bremssattel allgemein kommt üblicherweise
Gusseisen mit Kugelgraphit zur Verwendung, 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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Die
Lagerflächen bzw. Anschläge im Träger für
die Bremsbelaghalter sowie die entsprechenden Lagerflächen
in einem Festsattel müssen auf Grund der dynamischen Kraftbelastungen
maschinell bearbeitet werden. Um dem hohen Druckbelastungen entsprechend
entgegen zu treten und um den Verschleiß der seitlichen
Enden der Bremsbelaghalter gering zu halten, sind die Lagerflächen
oftmals oberflächengehärtet.
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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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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Träger
für einen Gleitsattel einer Scheibenbremse 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 vorliegenden Erfindung ist es, einen Bremssattel
für eine Scheibenbremse zur Verfügung zu stellen,
der ebenfalls 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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Gelöst
werden diese Aufgaben jeweils mit einem Träger nach Anspruch
1 bzw. mit einem Bremssattel nach Anspruch 8.
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Der
Kern der Erfindung liegt demzufolge darin, dass der Träger
und/oder der Bremssattel aus einem mischkristallverfestigten ferritischen
Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt ist. Idealerweise ist der Träger
oder der Bremssattel 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 Träger und/oder
den Bremssattel 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. 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 Träger für einen
Gleitsattel einer Scheibenbremse eine wesentlich höhere
Festigkeit bewerkstelligt werden kann, während sich gleichzeitig
die maschinelle Bearbeitbarkeit in idealen Bereichen bewegt. Ebenso
verhält es sich, wenn gemäß der Erfindung
diese Gusseisensorte für einen Bremssattel verwendet wird,
sowohl für einen Gleitsattel als auch insbesondere für
einen Festsattel, der entsprechende Lagerflächen für
die Bremsbelaghalter aufweist.
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Die
beigefügten 1 und 2 zeigen
zur Veranschaulichung der Erfindung einen Träger für
einen Gleitsattel, wobei 1 eine perspektivische Ansicht
eines exemplarischen Trägers und 2 eine Explosionsdarstellung
einer Scheibenbremse mit einem Gleitsattel wiedergibt.
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3 zeigt
exemplarisch einen Festsattel in perspektivischer Darstellung.
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Der
Träger 1 ist einstückig aufgebaut und weist
jeweils einander gegenüberliegend und zu beiden Seiten
einer hier nicht näher dargestellten Bremsscheibe, die
von dem Träger 1 umgriffen wird, Lagerflächen 2 auf.
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Wie
in 2 zu erkennen ist, ist ein Gleitsattel 3,
der einen Bremsbetätigungsmechanismus aufnimmt und die
Bremsscheibe ebenfalls umfasst, mittel Gleitbolzen 4 auf
dem Träger 1 verschieblich geführt. Der
Träger 1 selbst ist an einem Achskörper
fixiert.
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Bremsbelaghalter 5,
die entsprechende Bremsbeläge 6 halten, sind an
den Lagerflächen 2 des Trägers 1 ebenfalls
verschieblich geführt, indem die seitlichen Enden 7 der
Bremsbelaghalter 5 an den Lagerflächen 2 im
zusammengebauten Zustand der Scheibenbremse axial gleiten, um bei
Bremsbetätigung ein Zustellen der Bremsbeläge 6 an
die Scheibenbremse zu ermöglichen. Bedingt durch die Reaktionskraft
gleitet dann bei geschlossenem Kraftfluss der Bremssattel 3 auf
dem Träger 1.
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Bei
dem in der 3 gezeigten Festsattel 8 sind
seitlich Lagerflächen 9 vorgesehen, an denen die
Bremsbelaghalter 10 der Bremsbeläge 11 axial verschieblich
geführt sind.
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Es
wird deutlich, dass an den Lagerflächen 2 entsprechende
dynamische Druckbelastungen sowie Reibungseffekte auftreten, 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. Gleiches
trifft auf die entsprechenden Lagerflächen 9 des
Festsattels 8 zu.
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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 Lagerflächen 2 des Trägers 1 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 2, ebenso wie an den entsprechenden
Lagerflächen 9 des Festsattels 8, lassen
sich insgesamt leichter durchführen.
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Selbsterklärend
stellt der Träger einer Scheibenbremse des Gleitsattel-Typs
eine wesentliche sicherheitskritische Komponente der gesamten Bremsanordnung
dar, da im Fall eines Versagens, beispielsweise An- oder Durchbrechens
des Trägers die Bremsfunktion für das entsprechende
Rad komplett ausfallen würde oder sogar das Rad blockieren
könnte. Auch bei einem Festsattel ist aus Gründen
der Funktionssicherheit ein An- oder Durchbrechen von Bereichen
des Festsattels unbedingt zu vermeiden.
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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 einerseits insbesondere
für einen Träger und anderseits für einen
Bremssattels allgemein besonders eignet.
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Der
Träger 1 überträgt die Reibungskraft
als Reaktionskraft im geschlossen Kraftfluss bei Bremsbetätigung
von der Bremsscheibe in die Achse des Kraftfahrzeugs und in den
umgebenden Rahmen. Insbesondere im Bereich der Nutzfahrzeuge sind
die dabei auftretenden Kräfte extrem hoch. Auf Grund der
beschränkten Einbauverhältnisse kann der Träger 1 nur
einen gewissen Bauraum einnehmen und folglich sind die Abschnitte
im Träger 1, die diese Kräfte aufnehmen
und weiterleiten sollen, in der Regel sehr dünn ausgebildet
und mit wenig Gusseisenmasse versehen.
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Diese
eher schwach ausgeprägten Stellen sind einerseits anfällig
für Gussfehler und andererseits für Fehlfunktionen
und Überbelastungen, beispielsweise bei einem Versagen
des Radlagers.
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Die
Verwendung von mischkristallverfestigtem ferritischem Gusseisen
mit Kugelgraphit weist eine bessere Duktilität als bekannte
Gusseisensorten auf, so dass der Träger 1 aus
einem solchen Material wesentlich besser den Kraftbelastungen nachgeben kann
und sich bis zu einem gewissen Maß verformt, bevor ein
Bruchversagen auftreten würde. Gleiches trifft für
einen Bremssattel zu. Hierdurch kann die Funktionssicherheit der
gesamten Bremsanordnung erheblich erhöht werden.
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Ebenso
zeigt sich der Vorteil bei der Verwendung des erfindungsgemäßen
Gusseisens auch darin, dass solche Gussfehler nicht im Bereich der
Lagerflächen 2 bzw. 9 auftreten, wo die
Bremsbelaghalter 5 bzw. 10 einen erhöhten
dynamischen Druckkontakt ausüben, der solche Rissentstehungen
eher unterstützen würde.
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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 Träger für Gleitsättel
sowie insbesondere für einen Festsattel die Sicherheit
in der Anwendung wesentlich erhöht.
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Allgemein
kann es jedoch auch von Vorteil sein, mischkristallverfestigtes
ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit als Material in anderen
Bauteilen oder Komponenten der gesamten Bremsanordnung zu verwenden,
insbesondere im Bereich des Bremssattels oder anderen Gehäuseteilen,
im Bereich der Bremsbelaghalter oder beispielsweise für
einzelne Komponenten des Bremsbetätigungsmechanismus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2003/023244
A1 [0003]
- - EP 1775493 B1 [0004]
- - WO 2004/025134 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN-GJS-600-10/5.3110 [0021]
- - EN-GJS-500-7/5.3200 [0022]
- - EN-GJS-800-2/5.3301 [0022]