DE2304732A1

DE2304732A1 - Kohlenstoff-metall-reibmaterial fuer bremsbelaege

Info

Publication number: DE2304732A1
Application number: DE19732304732
Authority: DE
Inventors: Francis William Aldrich
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1973-01-31
Publication date: 1973-08-09
Also published as: CA998792A; AU5130573A; JPS5735222B2; DE2304732C2; FR2170686A5; AU464673B2; ES411157A1; JPS4887268A; GB1387232A

Description

Southfield,Mich.48075_tUSA 31. Januar 1973

Anwaltsakte
M-2501

Kohlenstoff-Metall-Reibmaterial für Bremsbeläge

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kohlenstoff-Metall-Material für Bremsbeläge.

Bekannte organische Bremsbeläge bestehen aus einer Mischung aus organischen Bindemitteln, Asbestfasern und Modifiziermitteln zur Verbesserung der Betriebseigenschaften. Die organischen Bindemittel enthalten gewöhnlich ein Harz, das sich unter Hitzeeinwirkung verfestigt. Die Asbestfaser», die den Belag verstärken, bleiben/bei Temperaturschwankungen bis zu 425⁰C gewöhnlich verhältnismäßig stabil. Bei höheren Temperaturen »ersetzt sich jedoch Asbest infolge des Wasserentzugs, der Kristallisation und des reibungsbedingten Verschleißes.

Außerdem müssen nach Art und Gemischanteilen unterschiedliche Modifiziermittel zugesetzt werden, um den erwünschten Gütegrad

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hinsichtlich, der Abriebfestigkeit, des Bremsschwundwiderstands und der Geräuschbildung zu erhalten.

Wenn jedoch organische Bremsbeläge hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie sie bei einem sich eine Zeitlang' rasch wiederholenden Einrücken der Bremsen auftreten, unterliegen die thermisch unstabilen Bestandteile des Bremsbelaggefüges einer chemischen oder baulichen Veränderung. Asbest dehydratisiert und wandelt sich schließlich in Forsterit oder Olivin um. Anorganische Modifiziermittel, wie Karbonate und Sulfate, zerfallen und das Harzbindemittel verliert seine Stabilität. Wenn die organischen Bestandteile des Bremsbelags unter hohen Temperatureinflüssen zerfallen, ist der am Ende der lemperatureinwirkung verbleibende Rest des zersetzten Bestandteils Kohlenstoff. Die Größe des Zerfalls oder Verschleißes dieser Art von organischem Bremsbelag ist unmittelbar abhängig von der Anzahl und Zeitdauer der Hochtemperatureinwirkung.

Infolgedessen verringert sich im allgemeinen bei einer derartigen erhöhten Semperatureinwirkung der Reibungskoeffizient infolge der thermisohen Verschlechterung des organischen Bestandteils. Aufgrund dieser Verringerung des Reibungskoeffizienten des Reibbelagmaterials ergibt sich eine entsprechende Verschlechterung der reibschlüssigen Abbremsung.

Nach der US-PS 3 434 998 ist weiterhin die Asbestfaser des organischen Bremsbelags durch metallische Faser- und Füll-

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stoffe und Graphitpulver ersetzt, das als Reibungs-Modifiziemnittel verwendet wird. Die metallischen Faser- und Füllstoffe vermögen eine reversible Umwandlung von einem festen zu einem flüssigen Zustand zu durchlaufen, wenn sie einer vorgegebenen Temperatur von etwa 220⁰C ausgesetzt werden. Das G-raphitpulver ist in diesem Temperaturbereich thermisch beständig, und infolgedessen kann ein strukturell stabiles Bremsbelagmaterial hergestellt werden. Graphit bat jedoch einen geringen Reibungskoeffizienten, so daß eine Oberfläche erforderlich ist, an der der komibinierte Reibungskoeffizient von Graphit- und Metallfaser einen Gesamt-Reibungskoeffizienten des Bremsbelags ergibt, der für ein Anhalten eines Fahrzeugs innerhalb einer vorgegebenen Wegstrecke aus einer Geschwindigkeit von 96 krgfa ausreicht. Normalerweise ist der Graphitanteil im Bremsbelagmaterial größer als der der metallischen Faser- und Füllstoffe. Bei Erhöhung des Verhältnisses Graphit : metallischen Faser- und Füllstoffen ergibt sich ein geringerer Gesamt-Reibungskoeffizient und ein schlechteres Betriebsverhalten; das dadurch erzeugte Material hat jedoch-bessere Abriebseigenschaften und vermag die durch den Reibschluß erzeugten Geräusche zu absorbieren.

Wenn andererseits das Verhältnis des Graphits zu den metalli- . sehen Faser- und Füllstoffen verringert tfird, ergibt eich ein höherer Reibungskoeffizient und ein besseres Betriebsverhaltenj ■1er Verschleiß und die Geräuschbildung erhöhen sich jedoch merklich.

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An Hand von Versuchen wurde festgestellt, daß Kohle im G-egensatz zu Graphit einen hohen Reibungskoeffizienten, ein großes thermisches Absorptionsvermögen und eine hohe Druckfestigkeit hat. Kohle hat jedoch eine geringe Zugspannungsfestigkeit, was sich daran zeigt, daß sie unter stoßartigen Krafteinwirkungen zersplittert.

Srfindungsgemäß soll ein Brembelagmaterial geschaffen werden, das Kohlenstoff in nicht-graphitartiger Form enthält und dennoch eine gute mechanische Festigkeit ohne Verschlechterung der bezüglich des Reibungskoeffizienten und des Abriebs erforderlichen Eigenschaften aufweist.

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Bremsbelagmaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es, in Vol.-96 der Gesaiitmischung, 15 bis 55 % Metall- oder Metalloxydteilohen, 10 bis 75 % Kohlenstoffteilchen und 15 bis 35 % organisches Harz zum Zusammenhalten des Kohlenstoffs und des Metalls oder Metalloxyds enthält.

Bas Molekulargefüge des Kehlenstoffs in der Mischung bleibt im wesentlichen unverändert, wenn es den Temperatureinwirkungen ausgesetzt wird, die durch den reibschlüssigen Eingriff einer Kraftfahrzeug-Radbremee erzeugt werden können. Der Reibungskoeffizient des Bremsbelags bleibt daher bei Anlage an einem Gegenbauteil unter veränderlichen Semperaturbedingungen im wesentlichen konstant.

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Außerdem hat das Kohle-Metall-Bremsbelag-Verbundmaterial innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs einen verhältnismäßig beständigen Reibungskoeffizienten und hohen Abriebwiderstand.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Soweit der Ausdruck Kohlenstoff verwendet wird, ist die Kohlenstoff-Modifikation Graphit ausgenommen. Unter Kohlenstoff wird seine amorphe oder nicht-kristallische Modifikation verstanden, während Graphit dasjenige Material ist, das sich bei Erhitzung von Kohlenstoff auf 2600 bis 3000⁰O ergibt. Die Molekularstruktur von Kohlenstoff bei dieser Temperatur ist ein geordnetes Gefüge in übereinanderliegenden parallelen Ebenen, anstelle der ursprünglich regellos verteilten Atome · Aufgrund dieses geordneten Gefüges hat somit Graphit einen geringeren Reibungskoeffizienten als die ursprüngliche Kohle.

Wenn ein Fahrzeug ein längeres Gefälle herabfährt, ist es häufig erforderlich, die Bremsen kurzzeitig einzurücken. Beim Einrücken der Bremsen wirkt der Bremsbelag jedes Pahraeugrades reibschlüssig mit einem Gegenbauteil zusammen, um die Drehgeschwindigkeit für Tahrzeugräder zu verringern. Während des reibschlüssigen Eingriffs entsteht Wärme, da die Breme-

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trommel oder -scheibe über den Bremsbelag gleitet. Wenn die thermische Energie im Bremsbelag und der Bremstrommel oder -scheibe ansteigt, ergibt sich eine entsprechende Verringerung des Reibungskoeffizienten zwischen diesen Bauteilen, die als Bremsschwund oder Jading bezeichnet wird. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kohle-Metallbelags ist das sich wiederholende fading im wesentlichen einer geraden linie angenähert.

Die Zusammensetzung des Kohle-Metallbelags ist eine Mischung von Kohlenstoffpartikeln zwischen 10 und 75 Vol.-96 der Gesamtmiechung und Metall- oder Metalloxydpartikeln, Vorzugsweise Eisen-, Stahl- und Kupferpartikeln, zwischen 10 und 55 Vol.-% der Gesamtmisohung, die durch ein warmhärtendes Phenolharz miteinander verbunden sind«

Zwischen 5 und 20 Vol.-96 der verwendeten Metall- oder Metalloxydpartikel sollten in Faserform Torliegen, um der Gesamtmischung eine Formbeständigkeit und Zugfestigkeit zu verleihen. In manchen Fällen können Modifiziermittel, wie Graphit, anorganischer Verschleiß-Füllstoff, Metalloxyde und Elastomere, zur Geräusch- und Verechleißregulierung von Vorteil sein. Sas nachfolgende Beispiel einer typischen, erfindungsgemäßen Mischung zeigte einen guten Bremssohwund, Verschleiß und im wesentlichen gleichförmigen Reibungskoeffizienten in einem breiten Temperaturbereich.

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- 7 -Beispiel 1

YoI.-% der Beatandteil Creaamtmlschung

Kohle 45

Eisenpulver 25 Stahlfaser 10 Piienolharz 20

Sie Bestandteile im Beispiel 1 werden sorgfältig zusammengemischt und in eine kalte Vorform eingebracht, um «ine dosierte Menge der Mischung in einer "vorgegebenen Gestalt zu erhalten. Dann wird die Mischung in eine Endform, die die Gestalt des Bremsbelags aufweist, übertragen und die Temperatur langsam angehoben, so daß das Phenolharz zäh biegsam wird, Dann wird die Mischung druckbeaufschlagt, so daß das Harz ein Haltegefüge bildet, irjdem es um die anderen Bestandteile der Mischung herumfließt. Die Dichte des eich ergebenden Verbundmaterials ist unmittelbar von der Größe der Druckkraft abhängig, mit der die erhitzte Mischung beaufschlagt wird. Die Mischung verbleibt in der erhitzten Endform, bis das Phenolharz begonnen hat auszuhärten. Wenn die Aushärtung soweit fortgeschritten ist, daß das Material stabil 1st, wird das Gießteil in einen Ofen gebracht, wo die Temperatur angehoben wird, um das Harz rollständig auszuhärten.

Ein auf diese Weise hergestellter Bremsbelag besteht im Gegensatz zu den bekannten Bremsbelägen in vorteilhafter Weise

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aus einem Material, das trotz sich ändernder Betriebsbedingungen einen im wesentlichen gleichförmigen Reibungsschluß oder Reibungskoeffizienten aufweist.

In der folgenden Tabelle 1 sind Yergleichsergebnisse des oben beschriebenen Bremsbelagmaterials in Verbindung mit herkömmlichen Bremsen eines Kraftfahrzeuges angeführt, das aus einer Geschwindigkeit von 96 km/h innerhalb einer vorgegebenen Zelt in Abständen von 0,64 km 10-mal im Lauf 1 und 15-mal im Lauf 2 auf einer Fahrbahn zum Inhalten gebracht werden mußte.

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Tabelle 1

Art der Belag-Zusammensetzung

O CO CO

Organisch

Halbmetallisch

Kohle/Metall

lauf 10 Stillstände

Bremsdruck * Fading-

2 tempgratur Lauf

kg/cm*

85

67

74

370

339

354

10 Stillstände	Fading- temgeratur	15 Stillstände	Fading temperatur C
Bremsdruck kg/cm	329	Bremsdruck kg/cm	370
54	272	52	316
53	355	60	394
67	79

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In der obigen Tabelle 1 ist der Reibungskoeffizient für die verschiedenen Bremsbeläge umgekehrt proportional dem im wesentlichen durch gleich große Eingangskräfte erzeugten Bremsdruck.

Beim organischen Bremsbelag erhöht sich der Reibungskoeffizient während des zweiten Fading (Lauf 2) entsprechend der.Änderung in der Wärmeentwicklung beträchtlich. Palls die Wärmeentwicklung nicht unterbrochen wird, wird der organische Bremsbelag zerstört.

Der .halb-metallische Bremsbelag zeigt einen gleichförmigeren Gesamt-Reibungskoeffizienten als der organische Bremsbelag, ohne daß sich während des zweiten Fadings eine Reibschlußspitze ergibt, so daß die Gefahr einer Selbstzerstörung verringert wird.

Der Kohle-Metallbelag zeigt einen noch gleichförmigeren Reibungskoeffizienten als die organischen oder halb-metallischan Beläge innerhalb des Wärmebereichs, der eich bei/len oben angeführten Versuchen durch aufeinanderfolgende, sich wiederholende Abbremsungen bis zum Stillstand ergab. Beim Kohle-Metallbeiag besteht somit eine geringere Gefahr der Selbstzerstörung als bei anderen Bremsbelägen, da die Wärmeentwicklung verhältnismäßig konstant bleibt.

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In manchen Fällen hat sich herausgestellt, daß beim reibschlüssigen Eingriff von Kohle-Metallbauteilen eine Geräuschbildung auftritt. Um diese Geräusehbildung zu unterdrücken, werden der Mischung gemäß Seispiel 1 zwisohen 0 und 10 Vol.-Ji. eines Elastomers zugesetzt. Das Elastomer modifiziert die Mischung soweit, daß die Geräuschbildung verringert wird, hat jedoch keinen merkliohen Einfluß auf das Q-esamtmaterial und beeinträchtigt daher nicht den Reibungskoeffizienten des Bremsbelags .

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Claims

Patentansprüche

1. Bremsbelagmaterial für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, in ToI.-% der G-esamtmischung, 15 Ms 55 % Metall- oder Metalloxydpartikel, 10 bis 75 % Kohlenstoff partikel und 15 "bis 35 % organisches Harz zum Zusammenhalten des Kohlenstoffs und des Metalls oder Metalloxyds enthält.

2. Belagmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß in den 15 Ms 55 Vol.-Ji Metall- oder Metalloxydpartikeln mindestens 5 Yol*-% Metallfasern zur Gefügeverfestigung der G-esamtmischung enthalten sind.

3» Belagmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Belagmaterial zusätzlich, bezogen auf die G-esamtmischung, zwischen 0 und 10 VoI.-^ eines Elastomers zur Dämpfung des beim reibschlüssigen Eingriff des Bremsbelags erzeugten Geräusches enthalten sind.

4. Belagmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Harz ein warmhärtendes Phenolharz ist.

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5. Belagmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder Metalloxyd aus der Gruppe Eisen, Kupfer, Stahl, Eisenoxyd und deren Gemische gebildet ist.

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