DE2501870A1

DE2501870A1 - Verschleissarme, aus kohlenhaltigem material gefertigte bremsscheibe und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2501870A1
Application number: DE19752501870
Authority: DE
Inventors: Fred P Kirkhart
Original assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Current assignee: Goodyear Tire and Rubber Co
Priority date: 1974-01-16
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-09-25
Also published as: GB1426416A; BE824454A; FR2257821A1; CA1024085A; SE7415142L; AU7585074A; NL7500423A; JPS50101770A; IT1024478B; FR2257821B1

Description

Verschleißarme, aus kohlenhaltigem Material gefertigte Bremsscheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Hauptursache für die nachteilige Beeinträchtigung von Scheiben in Mehrfachscheibenbremsen ist die durch thermische Gradienten verurachte Wärmespannung„ Rs sind zahlreiche Versuche unternommen v/orden, die Reibungsmaterialien und/oder die Wärmeableitungscharakteristiken von Scheibenbremsen zu verbessern« Hohe Wärmeentwicklung, beispielsweise verursacht von der Abbremsung eines voll beladenen Flugzeugs aus hoher Geschwindigkeit führt zu Wärmespannungen und hat oft den Ausfall von Scheiben durch Verwölben (dishing) oder Bruch und folglich ein Versagen der Bremse und damit auch unsichere Betriebs zustände zur Folge'.

Aufgrund der bei großen Düsenflugzeugen auftretenden gewaltigen Bremsbeanspruchungen ist darüber hinaus die Abnutzungsrate ein wichtiges Merkmal (facet) jeder Scheibenbremse infolge der hohen Erneuerungskosten sowie auch hinsichtlich der Vermeidung des Ver— sagens der Bremse infolge dünngeschliffener Scheiben_o

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Es ist daher Ziel und Zweck der Erfindung, die vorstehend erwähnten und weitere Mangel zu vermeiden bzw. zu beseitigen und für eine Scheibenbremse ein homogenes Scheibenpaket zu schaffen, wobei jede Scheibe ein geringes Gewicht, e^ne niedrige Abnutzungsrate, hohe Wärmeableitungseigensehaften (heat sink characteristics) sowie gute Reibungseigenschaften gegenüber den benachbarten Scheiben aufweist, so daß die Wärmeverteilung bzw. -abführung (heat dissipation) schnell vor sich geht und die Betriebssicherheit der Bremse extrem hoch bleibt.

Erfindungsgemäß sollen die Scheiben aus Graphit und/oder einem Kohlegemisch hergestellt sein, um dadurch eine Kombination aus geringem Gewicht, hoher Wärmeableitung, niedriger Wärmeausdehnung und guten Reibungsbremseigenschaften zu erzielen.

Schließlich ist es Ziel und Zweck der Erfindung, eine Bremsscheibe zu entwickeln, die im hohen Maße graphitische Eigenschaften und einen geringen durchschnittlichen interlaminaren Abstand von kristallinem und amorphem Kohlenstoff aufweist.

Die vorstehend erwähnten Ziele der Erfindung werden durch Schaffung von aus Material auf Kohlenstoffbasis gefertigten homogenen Scheiben erreicht. Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich aus durch eine Biegefestigkeit (flexural strength), die größer als 351,5 kg/cm (5000 psi) ist, sowie durch einen durchschnittlichen Abstand von kristallinem und amorphem Kohlenstoff von höchstens 3,39 Angstromeinheiten bei 15°C

Weitere. Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus der in der Anlage beigefügten Zeichnung. Hierbei zeigen:

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Fig. 1 einen Schnitt durch ein Rad und dessen Achse mit einer Bremse gemäß der Erfindung, wobei einige Teile weggelassen und einige Teile geschnitten dargestellt sind;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Scheibe gemäß der Erfindung in vergrößerter Darstellung, wobei die Scheibe gegenüber dem Rad verkeilt ist;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Scheibe in vergrößerter Darstellung» wobei die Scheibe gegenüber der Nabe oder der Achse verkeilt ist;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Antioxydationsüberzug vorgesehen ist;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Scheibe, an der Metallbänder, die die Drehmoment übertragenden Kerben bzw. Ausnehmungen verstärken, angeordnet sind und die eine segmentierte Bauweise der Scheibe selbst darstellt;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Darstellung eines Metallstreifens und einer der Fig. 5 ähnlichen segmentierten Bauweise;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines an der Scheibe angeordneten Metallbandes zur Bildung einer Antriebslasche;

Fig. 8 einen vertikalen Querschnitt durch die Metallbandanordnung nach Linie 8-8 in Fig. 7; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Metallbandes zur Bildung einer Antriebslasche, die eine Abwandlung des in Fig. gezeigten Bautyps darstellt.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke einer verschleißarmen Bremsscheibe kann in einer Bremsanordnung gemäß der beigefügten Zeichnung verwendet werden. Gemäß Fig. 1 ist eine nicht drehbare Achse 1 dargestellt, an der ein an Lagern 3 und 4 drehbar gelagertes Rad 2 angebracht ist. Die Achse 1 ist mit einem radialen Drehmomentübertragungsflansch

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5 versehen, an dem eine drehmoment- und druckaufnehmende Platte 8 durch gleichmäßig am Umfang verteilte Schrauben 6 befestigt ist. Der druckaufnehmenden Platte 8 entgegengesetzt ist eine hintere Platte 9 vorgesehen.

Die Platten 8 und 9 sind mit am Umfang in bestimmten Abständen voneinander angeordneten axial fluchtenden Bohrungen 10 und 11 versehen, um eine entsprechend gewählte Anzahl von den Raum zwischen den Platten 8 und 9 überbrückenden Befestigungsschrauben 12 aufzunehmen. Jede Schraube 12 durchsetzt eine Bohrung eines Rohres (hib-like tubular torque tube) 13» das normalerweise kürzer ausgebildet ist als der Raum zwischen den Platten 8 und 9. Ein Federring oder ein Ring des Bellville-Typs 14 ist um jede Schraube 12 herum zwischen einer der Druckplatten 8,9 und dem Rohr 13 angeordnet, um die Platten 8,9 in Abstand voneinander festzuhalten und sie nach einem Bremsvorgang in die Ausgangsstellung zurückzubewegen. Das Rohr 13 ist gewöhnlich mit Hilfe einer (hier nicht dargestellten) Schraube an der Platte 8 angeschraubt, und zwar jeweils zwischen den am Umfang verteilt angeordneten Schrauben 12.

Zwischen der Druckplatte 8 und der hinteren Platte 9 sind beispielsweise mehrere Bremsscheiben 15 angeordnet, wobei jede Scheibe 15 am Außenumfang verteilt angeordnete Ausnehmungen bzw. Nuten aufweist, welche am Rad 2 angeordnete Federn (keys) 16 aufnimmt. Die Bremsscheiben 15 sind so angeordnet, daß sie entlang der Federn 16 gegenüber dem Rad 2 axial schwimmen bzw. sich hin und her bewegen. Auch zwischen den Platten 8 und 9 ist ein zweiter Satz von Bremsscheiben 17 alternativ zwischen den Bremsscheiben 15 angeordnet. Auch diese Scheiben weisen Ausnehmungen bzw. Nuten an ihrem Innenumfang auf, die mit am Rohr 13 angeordneten Federn in Wirkverbindung stehen, um bei Aufrechterhaltung eines axialen Spiels ihre Rotation zu verhindern O

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Die Scheiben 15 und 17 gemäß der Erfindung sind im wesentlichen aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt, das hohe Wärmeableitungseigenschaften und dennoch einen ausreichenden Reibungskoeffizienten aufweist, wenn es bei Bildung eines homogenen Scheibenspapels gegenseitig aneinander reibt. Der Begriff "homogen" wird verwendet, um anzuzeigen, daß jede zur Bildung des Stapels verwendete Scheibe in ihrer Zusammensetzung bei Betrachtung ihres Querschnitts im wesentlichen homogen ist, und daß jede Scheibe gegenüber jeder anderen Scheibe im wesentlichen gleich ausgebildet ist mit Ausnahme eventueller Abweichungen hinsichtlich ihrer Dicke oder Konfiguration aufgrund ihrer unterschiedlichen Anordnung im Stapel. Mit anderen Worten, keine der Scheiben weist ein zusätzliches Reibmaterial auf. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die Zusammen-' Setzung jeder Scheibe über ihren Querschnitt exakt gleichmäßig ist, da die Zusammensetzung über die Sckeibe variieren oder laminiert (laminated) sein kann oder dergleichen.

Das auf Kohlenstoffbasis hergestellte Material kann aus Kohlenstoff gemischen oder vorzugsweise aus Kohle selbst bestehen, etwa in Form eines kristallinen Graphits oder eines amorphen Kohlenstoffs. Darüberhinaus kann das auf Kohlebasis hergestellte Material die Form eines Kohlenstoff- oder Graphitgewebes aufweisen, das beispielsweise aus einem Kunstseide-(rayon)-Gewebe hergestellt sein kann durch Pyrolysieren, um ein Material auf Kohlenstoffbasis zu bilden. In jeder Form wird ein grober Scheibenrohling gebildet.

Der Rohling wird vorzugsweise mit Hydrokohlenstoffharz oder einem Gas imprägniert und gebrannt (baked) oder gehärtet (cured), um die Dichte des Rohlings zu erhöhen sowie andere physikalische, mechanische und thermophysikalische Eigenschaften zu verbessern. Obwohl die Scheibe mit einem Hydrokohlenstoffgas durch ein chemisches Dampfabscheideverfahren imprägniert wer-

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den kann, wird in der Praxis oft eine flüssige Imprägnierung bevorzugt. Beispielsweise kann der grobe Scheibenrohling mit einem Furanharz imprägniert werden, das im wesentlichen etwa 50 Gew.-% Kohlenstoff enthält, so daß sich nach Pyrolyse in den Poren und Durchgängen des groben Bremscheibenrohlings eine hohe Kohlenstoff menge anreichert. Eine andere allgemein übliche Methode wäre die Verwendung von Kohleteer, welches umgefähr 60 Gew.-% Kohlenstoff enthält und sich besser verdichten läßt, so daß es nicht zur Abdichtung von Hohlräumen neigt und somit Gaspunkte (gas spots) zurückläßt. Teerkohle ist leichter auf Erhitzen hin graphitisierbar.

Unabhängig vom benutzten Imprägnierverfahren wird der grobe Scheibenrohling erhitzt, um Pyrolysierung hervorzurufen und somit eine Lage Kohlenstoffs niederzuschlagen. Die Imprägnierung eines aus Material auf Kohlenstoffbasis hergestellten Scheibenrohlings und die Erhitzung werden wiederholt, bis die Dichte auf ein zufriedenstellendes Maß gebracht worden ist. Im allgemeinen sind vier bis sieben Imprägnierungen erforderlich.

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß die Bildung einer in hohem Maße graphitischen Kohlenstoffbremsscheibe für die Produktion einer verschleißarmen Scheibe bedeutsam ist. Eine in hohem Maße graphit!sehe Bremsscheibe liegt vor, wenn der durchschnittliche interlaminare Abstand der Kohlenstoffatome in der Scheibe bei 15°C höchstens 3»39 Angstromeinheiten beträgt. Insbesondere, da der interlaminare Abstand von 100%ig kristallinem Graphitmaterial 3,3538 Angstromeinheiten beträgt, rangiert der wünschenswerte Abstand zwischen 3 »356 bis 3 »390 Angstromeinheiten, wie durch die Beugung von Röntgenstrahlen (X-Strahlen) bestimmt ist.

Es hat sich erwiesen, daß die erwünschten hochgraphitischen Kohlenstoffbremsscheiben gebildet werden können durch Brennen

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oder Härten der Scheiben durch Erhitzen derselben auf Temperaturen von 2500⁰C oder darüber. Gewöhnlich wächst das Maß des Ordnens oder der Bildung einer graphitischen Struktur bei höheren Temperaturen. Somit werden z.B. bei ungefähr 2800⁰C etwa 80% bis etwa 90% der Scheibenbremse graphitisch. Durch Erhitzung der Scheiben auf eine Temperatur von etwa 3000⁰C bildet sich sogar eine hohe Menge der graphitischen Struktur. Die Erwärmung der Bremsscheiben auf derartig hohe Temperaturen erhöhen nicht nur die graphitische Natur der Bremsscheibe! sondern erhöht auch deren Dichte, so daß die kristallisierte oder graphitische Struktur zur Folge, hat, daß der Kohlenstoff schwindet. Obwohl die exakte und unerwartete Verminderung der Abnutzungsrate nicht vollständig aufgeklärt ist, wird vermutet, daß eine derartige Veränderung sich aus einem der nachfolgend erwähnten Faktoren oder Kombinationen derselben ergibt: erhöhte Dichte, erhöhte Kristallinität, reduzierte Porosität, erhöhte Leitfähigkeit oder die Verminderung des Reibungskoeffizienten infolge wahrscheinlich der Reduktion der Hohlräume.

Im allgemeinen muß die Anzahl der Imprägnierungen ausreichend oft wiederholt werden, um einen Rohling zu erzeugen, der eine Biegefestigkeit von mehr als 351,5 kg/cm (5000 psi) und eine Dichte von mehr als 1,4 g/cnr aufweist. Abhängig von den Zusätzen und vom Aufbau der Scheiben kann die Dichte bis zu 2,0 g/cm betragen. Soweit alle diese Bedingungen erfüllt sind, kann eine verschleißarme Bremsscheibe erzeugt werden. Darüberhinaus hat es sich gezeigt, daß derartige Bremsscheiben eine sehr niedrige Schlagfestigkeit aufweisen, etwa in der Größenordnung von 5 in.lb/in. (5 inch pounds

per inch). Natürlich kann die Kerbschlagfestigkeit variieren bis zu ungefähr 55 in.lb./in. (55 inch pounds

per inch).

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Andere wünschenswerte Eigenschaften des die Kohlenstoffscheiben bildenden Materials sind die, daß die spezifische Wärme größer ist als 0,17 cal/g grd (0,17 cal/öÄ-«*;) über **r. den normalen Betriebstemperaturbereich der Scheiben, und daß die Konduktivität größer ist als 0,04 cal·cm/cm sec ⁰C (0,04 calories-centimeter/square centimeter-second-degree centigrade). Zusätzlich hierzu sollte der Reibungskoeffizient im allgemeinen größer als 0,10 unter typischen Betriebsbedingungen und größer als 0,08 unter anomalen Betriebsbedingungen sein. Unter großen oder außergewöhnlich hohen Belastungen hat sich Jedoch gezeigt, daß der Reibungskoeffizient der vorliegenden Bremsscheibe unter diesen anomalen und robusten Betriebsbedingungen zeitweise niedriger sein kann als 0,10.

Um diese Eigenschaften zu erzielen, ist im allgemeinen eine Kohlenstoff- oder Graphitmenge von wenigstens etwa 15% des gesamten Scheibenvolumens erforderlich. Das verbleibende Scheibenvolumen kann aus Verstärkungsmaterialien zusammengesetzt sein, etwa aus Wolfram-Metall, Siliziumcarbid und anderen Hochteraperaturzusätzen. Darüberhinaus kann es wünschenswert sein, Antioxydationsmittel hinzuzufügen, die aus der Metallgruppe ausgewählt sind, welche Bor, Wolfram, Silizium, Zirkonium, Titan und dergleichen oder Carbide derselben aufweisen. Es können auch Bindemittel, Füllmaterialien und Verstärkungsfasern verwendet werden, und die Bremsscheibe kann gegenüber den FaserfiBschenmaterialien laminiert sein, oder sie kann bestimmte Abschnitte, etwa nahe der das Drehmoment aufnehmenden Flächen, aufweisen, die beispielsweise in ihrer Dichte, dem Aufbau oder der Zusammensetzung variieren können. Unabhängig von den verschiedenen Füllmaterialien ist es für den Anmeldungsgegenstand wichtig, daß wenigstens die letzte Erhitzung der Scheibe nach der letzten Imprägnierung mit Harz bei sehr hohen Temperaturen, etwa bei Temperaturen von über 2500⁰C, durchgeführt wird, damit in hohem Maße ein graphitisches Gefüge oder ein

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graphitischer Charakter im Material erzielt wird. Vorzugsweise wird nur die letzte Imprägnierung bei sehr hohen Temperaturen ausgeführt. Wie auch bei anderen Bremsscheiben können die erfindungsgemäßen Scheiben auf Wunsch auch besonders behandelt oder im Bereich der Antriebsnuten verstärkt werden, um in diesem kritischen Bereich eine Zerstörung der Bremse . infolge Festigkeitsverlust (strength degradation) oder Oxydation zu vermeiden.

Ein anderes Verfahren zur Verhinderung von Zerstörung durch Oxydation besteht darin, die Kerben bzw. Nuten mit einem Überzug und alle nicht reibenden Teile der Scheibe mit einem Antioxydationsüberzug zu versehen. Dies ist in Fig. 4 der Zeichnung dargestellt, wobei eine Bremsscheibe 30 mit den gleichen Eigenschaften, wie oben beschrieben, mit einem Antioxydationsüberzug 32 versehen ist, um die gesamte nicht-reibende Fläche der Scheibe zu bedecken. Dieser Überzug kann durch Schlammauftragsverfahren (slurry techniques)» Elektrolyse, Elektroplattieren, durch Aufsprühen von Plasma, durch Aufstäuben und durch Dampfabschei deverfahren aufgebracht werden. Typische Be-. Schichtungen umfassen Elektrolyse-Nickel und elektroplattiertes Chrom, elektroplattiertes Nickel und durch Blitzverdampfung aufgetragenes Chrom (chrome flash), Chrom und Chromoxid, Siliziumcarbid, Siliziummetall, elektroplattiertes Nickel über Kupferj und elektroplattiertes Cadmium über Nickel. Die Überzüge sind so dick wie erforderlich aufzutragen, wobei die Dicke im Bereich von etwa 0,051 mm (0,002 in.) bis 0,38 mm (0,015 in.) liegen sollte.

Die Größe der Kerben bzw. Nuten in den Scheiben 15 und 17 ist, um auf die Bremsanordnung zurückzukommen, von allgemeiner Bedeutung, damit der erforderliche homogene Scheibenstapel hergestellt werden kann, um die angestrebten Ziele der Erfindung zu erfüllen. Hierbei hat es sich gezeigt, daß die Seiten des

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Federschlitzes in richtiger Stellung angeordnet sein sollten, und zwar innerhalb eines Bereiches, der nicht größer als 0,25 mm (0,010 in.) ist, vorzugsweise aber innerhalb eines Bereiches von 0,102 mm (0,004 in.) liegt. Die Anzahl der Federschlitze hängt von der Scheibendicke, von dem erforderlichen Drehmoment usw. ab, und sie sollte so bestimmt werden, daß die Lagerbeanspruchung zwischen jedem Schlitz und der zugehörigen Feder 16 nicht größer als 351»5 kg/cm (5000 psi) während des normalen Betriebs beträgt und dabei 1054 kg/cm (15000 psi) während kurzzeitiger Spitzenbelasturigen nicht übersteigt. Die gegenüberliegenden Seiten jedes Schlitzes, sind parallel ausgebildet und liegen in Gebrauchslage eng an den zugehörigen parallelen Seiten der Feder 16 an. Das Toleranzspiel zwischen den Seiten der Feder 16 und den Seiten der Nut 15a sollte nicht größer sein als 1,574 mm (0,062 in.). Vorzugsweise sollte das Spiel im Bereich zwischen 0,304 mm (0,012 in.) und 0,635 mm (0,025 in.) liegen, obwohl dieser Bereich in Abhängigkeit von der besonderen Verwendung der Scheibe variieren kann. Gemäß der Erfindung ist beabsichtigt, daß am Außenumfang der Scheibe 15 wenigstens vier Nuten 15a angeordnet werden sollten.

Ähnliche Eigenschaften sind bei der in Fig. 3 dargestellten Scheibe 17 und den zugehörigen Nuten 17a gegeben. Die Federn an der Nabe oder dem Rohr 13 müssen im wesentlichen mit den gleichen Abmessungen versehen werden, wie dies bei den oben

erwähnten Scheiben 15 und der Nabe 2 der Fall war. Die tatsächlichen physikalischen Abmessungen der Nuten 17a werden jedoch kleiner sein, da sie an einer radial einwärts gerichteten Fläche angeordnet sind. Die Nuten 17a werden jedoch im wesentlichen mit gleicher Umfangsverteilung an der Scheibe 17 angeordnet sein, wie dies bei den Nuten 15a bcjzüglich der Scheibe 15 der Fall ist.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, die drehmDmentbeanspruchten oder belasteten Teile der in den Fig. 1 bis 4

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dargestellten Scheiben mit einem anderen Material zu verstärken, als mit Zusätzen zum kohlenstoffhaltigen Material. Hierzu werden nachfolgend weitere Ausführungsforraen der Erfindung in den Fig. 5 "bis 9 dargestellt.

Gemäß Fig. 5 ist eine Scheibe 30 dahingehend abgewandelt, daß sie in einzelne Segmente 30a, 30b und 30c unterteilt ist, die leichter auszubilden sind und bei denen im wesentlichen der Anfall von Abfallmaterial vermieden ist. Die Segmente 30a, 30b und 30c sind miteinander durch gestanzte Metallbänder verbunden, die in Gebrauchslage mit Hilfe von Nieten 34 vernietet sind und Antriebsnuten 36 bilden. Die Bänder bzw. Streifen 32 sind aus einem einzigen Metallstück ausgestanzt, wobei das Nutteil 36 nach unten gebogen ist, um mit der Konfiguration der entsprechenden Scheibensegmente übereinzustimmen und die Segmente in der dargestellten Weise fluchtend aneinanderliegend festzuhalten. Die die Nieten 34 aufnehmenden Seiten sind mit geringer Toleranz entlang des radialen Außenrandes der Segmente angeordnet. Es ist wichtig, daß die Segmente 30a usw. eng aneinanderliegen und von den Bändern 32 fest zusammengehalten werden. Es sei betont, daß die Bänder 32 auch bei den-Scheiben gemäß den Fig. 1 bis 4 zur Verstärkung des Nutbereichs verwendet werden könnten und nicht notwendigerweise ausschließlich für die in Fig. 5 dargestellte segmentierte Bauweise der Scheibe anwendbar ist. Die Streifen 32 erhöhen jedoch sehr deutlich die Fähigkeit der Drehmomentenaufnahme durch Verteilung der Drehmomentbelastung über einen wesentlich größeren Bereich.

Fig. 6 zeigt eine leicht abgewandelte Ausführungsform gegenüber der in Fig. 5 segmentierten Bauweise der Scheibe. In dieser Ausführungsform weist eine Scheibe 40 Segmente 40a, 40b usw. auf. In diesem Fall erstreckt sich ein kleiner Metalleinsatz 42 zwischen aneinanderstoßenden Segmenten und bildet eine metallverstärkte Antriebsnut oder einen Schlitz

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Ein Band bzw. Streifen 46 ist mit Hilfe von Nieten 48 zwischen den benachbarten Enden des Einsatzes 42 angeordnet und bildet somit einen verstärkten Metallrand um die gesamte Außenfläche der Scheibe 40. Diese Konstruktion wird bevorzugt, wenn die Scheibensegmente 40a usw. kürzer sind,und eine größere Drehmcmentaufnahmefähigkeit erforderlich ist,um eine Erhöhung der Festigkeit und eine Verstärkung im Falle unsachgemäßer Handhabung der Bremsanordnung (abuse resistance) zu erzielen.

Fig. 7 zeigt eine Scheibe 50, die einen nicht unterbrochenen Innenumfang 50a und einen nicht unterbrochenen Außenumfang 50b aufweist. Eine das Drehmoment aufnehmende Antriebslasche wird mit Hilfe eines Streifens bzw. Bandes 52 gebildet, der mit Hilfe von Nieten 54 am Außenumfang der Scheibe 50 befestigt ist. Ein Paar von sich radial nach außen erstreckenden Schenkeln 56 wirkt mit einem Metalleinsatz 58 zusammen, der zur Bildung einer Antriebslasche oder eines Mitnehmers zwischen den Schenkeln 56 eingelötet bzw. eingeschweißt oder in anderer geeigneter Weise befestigt ist. Fig. 8 zeigt noch deutlicher die Anordnung des Einsatzes 58 gegenüber den Schenkeln 56.

Fig. 9 zeigt einen einstückig gestanzten Streifen in perspektivischer Darstellung, der in geeigneter Weise mit Hilfe von Nieten oder dergleichen am äußeren Umfangsrand der Scheibe, etwa der Scheibe 50 gemäß Figo 7, befestigt werden kann und der die Antriebslasche oder den Mitnehmer bildet. Dies stellt eine mögliche Abwandlung der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Konstruktion dar.

Um den Scheibenstapel mit dem Bremsdruck zu beaufschlagen, erfüllt jede konventionelle Einrichtung, mit welcher die Platten 8,9 aufeinander zu bewegt und somit die Scheiben 15 und 17 in gegenseitige Reibverbindung gebracht werden, die er-

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findungsgemäßen Ziele. Eine einfache Anordnung zur Aufbringung des Druckes auf die Scheibenbremse ist in der US-PS 3 038 559 erläutert. Im wesentlichen wird bei diesem System ein in einer Hülse 20 angeordneter Umfangszylinder 19 mit einem um einen Bolzen 18 innerhalb des Zylinders 19 gleitbar befestigten, ringförmigen Kolben 21 verwendet. Der Zylinder 19 und der Kolben 21 sind zwischen der Druckplatte 8 und dem Bolzenkopf 18 befestigt. Zur Dichtung des Zylinders 19 ist zwischen der Hülse 20 und dem Bolzen ein Dichtungsring 22 angebracht, während am Kolben 21 innerhalb des Zylinders 19 ein Dichtungsring 23 * befestigt ist. Um den Zylinder 19 mit Druck zu beaufschlagen» kann um die Achse 1 herum eine ringförmige Rohrleitung (annular manifold) 24 angeordnet und über eine von einem (nicht dargestellten) Steuerventil herangeführte Leitung gespeist werden. Die Zylinder 19 sind mit der Rohrleitung 24 durch flexible Leitungen 25 verbunden.

Was die Verschleißarmen Brennscheiben anbelangt, wurden zwei Kohlenstoffbremsscheiben hergestellt, wobei die eine einer bisher üblichen Temperatur ausgesetzt wurde, während die zweite Scheibe mit erhöhter Temperatur hergestellt wurde. Insbesondere wurde die erste Scheibe einer Wärmebehandlung bis zu einer Temperatur von ungefähr 2200⁰C in ihrer letzten Form ausgesetzt. Der durchschnittliche interlaminare Abstand des kristallinen und amorphen Kohlenstoffs, wie er bei 15°C durch Beugung von X-Strahlen bestimmt wurde, wurde mit 3,40 Angstromeinheiten ermittelt, was einer Graphitisierung von etwa 25% entspricht. Die zweite Bremsscheibe wurde einer Hitzeeinwirkung von ungefähr 2600°C in ihrer endgültigen Form ausgesetzt. Der durchschnittliche interlaminare Abstand bei 15°C betrug 3,37 Angstromeinheiten, was einer Graphitisierung von etwa 70% entspricht.

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In bezug auf die Abnutzungseigenschaften wurde jede Bremsscheibe, die einen Außendurchmesser von (8 1/2"0D) hatte, Testversuchen unterworfen. In jedem Versuch betrug der Energieverlust etwa 445,000 ft - lb/lbs.

für 45 Totalstops zuzüglich etwa 711,000 ft lb/lbs. für 5 zusätzliche Stops. Die durchschnittliche Abnutzung für jede Reibfläche pro Stop betrug für das am wenigstens graphitische Material (Scheibenbremsnummer Ί) 0,00635mm (0,00025 in.) und für das am meisten graphitisierte Material (Scheibenbremsnummer 2) 0,000381 mm (0,000015 in.).

Darüberhinaus betrug die mit Hilfe des Izod-Verfahrens ermittelte Schlagfestigkeit für nicht-genutete Probestücke für das Material 1 (also für das weniger graphitisierte Material)

28 inch - lbs/inches und für das Material 2 (also für das mehr Graphit enthaltende Material) 10 inch - lb/inches, wobei die Schalgfestigkeit jeweils in einer zu den Laminierungen im Material parallelen Richtung gemessen wurde.

Wie leicht zu ersehen ist, weist eine Bremsscheibe mit sehr hohen graphitischen Eigenschaften und einer niedrigen Schlagfestigkeit von etwa 10 inch - lb/inches eine sehr niedrige Abnutzungsräte auf, und zwar eine mehr als I6mal kleinere Abnutzungsrate im Vergleich mit der in herkömmlicher Weise hergestellten Bremsscheibe.

Die Bestimmung des durchschnittlichen Zwischenraums zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen wurde wie folgt durchgeführt.

Die Beugung von X-Strahlen von planparallelen Feldern (planar arrays) der Kohlenstoff atome wird zusammen mit dem Gesetz von Braggs (Braggs Law) verwendet, um den Abstand zwischen den brechenden Ebenen zu bestimmen, die interlaminarer oder

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ηd"-Abstand genannt werden. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden (A-B) Ebenen (ⁿd"-Abstand) eines vollkommen kristallinen Graphits beträgt 3,3538 Angstromeinheiten. Der Abstand zwischen den Ebenen eines amorphen Kohlenstoffs beträgt 3, 44 Angstromeinheiten. Die Analyse des X-Strahlenbrechungsverlaufs eines intermediären Kohlenstoffs ergibt einen Mittelwert zwischen dem vorhandenen kristallinen Graphit und dem vorhandenen amorphen Kohlenstoff. Somit kann die sogenannte prozentuale Graphitisierung ermittelt werden.

Das verwendete Verfahren schließt die Bereitstellung einer Beugungsprobe ein, die etwa 80 Teile Kohlenstoffpartikelchen /7 mit einem Durchmesser von 74 μπι ( 74 ) sowie etwa 20 Teile Na Cl mit einem Durchmesser von ebenfalls 74 μπι (74 um diameter). Die Gemischprobe wird unter Verwendung von Kollodium auf eine Glasplatte mit gleichförmiger Dicke von etwa 0,6 mm aufgebracht. Die Probe wird dann von einem Gitter mit einem Winkel von 52° bis 58° (52°29 to 58°2Q) verlegt, was ein Streifengitterspektrum über der 004 (h,k,l)-Spitze des Graphits und der 222-Spitze des Na Cl ergibt (which results in a strip chart diffraction pattern over the 004 (h,k,l) peak of graphite and the 222 peak of Na Cl). Die Probentemperatur wird aufgezeichnet. Die Position jeder Spitze bei halber Spitzenhöhe wird aufgezeichnet. Die Position der Na Cl-Spitze wird dann mit der theoretischen Position jener Spitze bei der Temperatur der Probe verglichen. Die beobachtete Korrektur, falls sie überhaupt erforderlich ist, wird dann auf die Kohlenstoffspitze übertragen bzw. angewandt (applied), und der Abstand "d" unter Verwendung der korrigierten Spitzenposition wird mit Hilfe des Gesetzes von Braggs ermittelt. Der ermittelte Abstand "d" wird dann bei 15⁰C korrigiert, wobei der (Wärm©-)Ausdehnungskoeffizient für Graphit von 28.10" /⁰C (28x10"⁶C"¹) verwandt wird. Die prozentuale Graphitisierung wird dann durch die nachfolgende Formel ermitteltj

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prozentuale Graphitisierung -- (1 - P)100;

wobei P aus folgender mathematischer Formel berechnet wird: "d" = 3,44O-O,O86(1~P)-O,O64P(1-P).

Es ist somit zu ersehen, daß die Ziele der Erfindung durch Schaffung eines homogenen Breiusscheibenstapels erfüllt sind, wobei ein leichtgewichtiges, stark wärmeabführendes Material verwendet wird, das darüberhinaus zufriedenstellende Reib« eigenschaften und geringe Abnutzungscharakteristiken aufweist, wenn das Material aneinander reibt. In der Tat weist der erfindungsgemäße Scheibenstapel bei Temperaturbehandlung mit den oben erwähnten Temperaturen eine wesentlich geringere Abnutzungsrate auf, als dies bei den nach herkömmlichen Härtungsverfahren hergestellten Bremsscheiben der Fall ist. Darüberhinaus beseitigt die niedrige Wärmeausdehnung im wesentlichen die sonst übliche Wärmebeanspruchung, womit die dem Stahl innewohnenden Probleme überwunden sind.

Vorstehend sind nur die bekanntesten Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und genauer beschrieben. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch andere Lösungen möglich.

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Claims

Patentansprüche :

Verschleißarme, aus kohlenstoffhaltigem- Material ge~ fertigte Bremsscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefestigkeit größer ist als "351,5 kg/cm*¹ (5000 psi) ist, und daß der durchschnittliche interlaminare Abstand des kristallinen und amorphen Kohlenstoffs bei 15°C höchstens 3*39 Angstromeinheiten beträgt.
2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der interlaminare Abstand eine im Bereich zwischen etwa 3,35 und etwa 3,39 Angstromeinheiten liegende Größe aufweist.
3. Bremsscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe durch Erhitzen eines auf Kohlenstoff basierenden Materials bei einer Temperatur von über 2500⁰C hergestellt ist.
4. Bremsscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe durch wiederholte Imprägnierungs- und Erhitzungsschritte hergestellt ist, wobei der letzte Erwärmungsschritt bei einer Temperatur von über 2500⁰C vorgenommen wird.
5. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aufweist

eine Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als 0,04 cal/sec/

einen Reibungskoeffizienten von wenigstens 0,08 zwischen den benachbarten Scheiben bei einer Betriebstemperatur

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innerhalb eines Bereiches von -53 bis + 2204⁰C (~65°F Ms 400O⁰F).
6. Bremsscheibe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichi.et, daß die Scheibe eine Kerbschlagfestigkeit (impact strength) aufweist, die größer ist als 5 in. lbs./in.
7. Bremsscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe eine Kerbschlagfestigkeit von 5 bis etwa 55 in.lbs./in. aufweist.
8. Bremsscheibe nach Anspruch 1, die in eine Bremsanordnung eingebaut ist, gekennzeichnet

•durch einen drehbaren Körper,

durch eine diesen Körper drehbar lagernde feste Achse und durch mehrere Scheiben, die mit Federn versehene Teile aufweisen, welche fluchtend mit entsprechend an der Achse und dem Körper ausgebildeten Nuten zusammenwirken.
9. Bremsscheibe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Scheiben in Erdatmosphäre angeordnet ist.
10. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der vorstehenden'Ansprüche, bei dem zunächst

a) ein aus kohlenstoffhaltigem Material gefertigter Scheibenrohling ausgebildet und

b) mit einer/einem Kohlenwasserstoffflüssigkeit oder -gas imprägniert wird,

gekennzeichnet durch folgende weitere Verfahrensschritte:

c) durch Erwärmen des Rohlings auf eine Temperatur von wenigstens 2500⁰C derart, daß sich dabei im Material ein hoher Graphitanteil ergibt, und

d) durch ausreichend oft vorgenommenes Wiederholen der

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Verfahrensschritte (b) und (c) derart, daß der Rohling eine Biegefestigkeit erhält, die größer als 351,5 kg/cm ist, und eine Dichte aufweist, die über 1,4 g/cnr liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche interlaminare Abstand des kristallinen und amorphen Kohlenstoffs bei 15°C höchstens 3,39 Angstromeinheiten beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der interlaminare Abstand eine Größe aufweist, die im Bereich zwischen 3»35 bis 3»39 Angstromeinheiten liegt.

DipL-Ing, H, J. Presting

Patentanwalt"'

509839/0 9 77