DE2642122C2

DE2642122C2 - Scheibenbremsen-Betätigungskolben

Info

Publication number: DE2642122C2
Application number: DE2642122A
Authority: DE
Inventors: Michael Derek Pitton Salisbury Wiltshire Cunnell
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-18
Publication date: 1983-11-17
Also published as: DE2642122A1; US4086985A; JPS5256268A; FR2324946B1; FR2324946A1; JPS5432106B2; ES451657A1; GB1551238A; IT1075852B

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheibenbremsen-Betätigungskolben, der aus einem topfförmigen Körper aus Kunststoff besteht, dessen offener Rand am Bremsbelag-Trägerteil anliegt. Einen solchen Scheibenbremsen-Betätigungskolben zeigt die DE-OS 21 55 134. Da der Kunststoff eine wesentlich geringere Festigkeit hat als das üblicherweise für solche Kolben verwendete Metall, haben die Wände dieses Kolbens eine so große Dicke, daß der Kolben zu rund 80% seines umhüllten Volumens aus Kunststoff besteht.

Aufgabe der Erfindung ist, einen aus Kunststoff bestehenden Scheibenbremsen-Betätigungskolben unter Verwendung einer erheblich geringeren Kunststoffmenge zu schaffen, und zwar einen Kolben, der beim Fahrer, wenn er die Bremse betätigt, das gleiche Bremsgefühl auslöst wie beim Betätigen einer im übrigen gleichen Bremse mit üblichem Stahlkolben.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß am Boden des topfförmigen Körpers ein aufrechtstehender, sich bis zum offenen Ende des Körpers erstreckender Vorsprung unter Bildung einer zusätzlichen Angriffsfläche gegenüber dem Bremsbelagträger ortsfest angeordnet ist wobei mindestens ein Teil des Vorsprungs über die gesamte Länge *iinweg in

ίο einem Bereich gebildet ist der von einem Kreis begrenzt ist der konzentrisch zum Körper liegt und einen Radius hat der eine Größe bis zur Hälfte des Radius der Bohrung am Boden des Körpers hat Ein solcher Kolben hat den Vorteil, daß er erheblich geringere Mengen an Kunststoff erfordert und wegen seines geringeren Gewichts geringere Betätigungskräfte erfordert

Durch das deutsche Gebrauchsmuster 18 55 586 ist ein Metallkolben für die Betätigung von Scheibenbremsen bekannt der topfförmig ist und an seinem Boden einen sich in Achsrichtung erstreckenden Vorsprung aufweist der einen kugelig gelagerten Teller trägt und bei dem nicht der Rand des Kolbens, sondern nur der Teller am Bremsbelagträger angreift Das ist eine verhältnismäßig komplizierte und verhältnismäßig störanfällige Konstruktion. Der Kolben gemäß der Erfindung ist demgegenüber wesentlich einfacher, dementsprechend mit erheblich geringerem Aufwand herstellbar und weniger störanfällig. Für eine andere Art von Maschinengattung, nämlich für einen hin- und hergehenden doppelt wirkenden Kolben eines gekühlten Zylinders eines Hochtemperaturmotors ist in der US-Patentschrift 30 76 440 vorgesehen, den hohlen, an seinen beiden Enden geschlossenen zylindrischen Kolben durch kreuzweise Wärde zu verstärken, die bis zu den geschlossenen Enden des Kolbens reichen. Bei dieser Anordnung greifen weder der Rand, noch die zentrale Verstärkung des Kolbens an einem anderen Gegenstand an.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Teil einer Festsattel-Scheibenbremse für ein Kraftfahrzeug, bei der mit zwei Betätigungskolben gearbeitet wird,

Fig.2 und 3 Schnitte durch einen der in Fig. 1 gezeigten Kolben,

Fig.4 und 5 einen Schnitt bzw. eine Ansicht eines abgewandelten Kolbens,

F i g. 6 und 7 eine Ansicht bzw. ein Schnitt durch einen Kolben nach einer weiteren Variante und

F i g. 8 einen Schnitt, der eine weitere Variante eines Kolbens darstellt.

Die in Fig. 1 gezeigte Scheibenbremse weist ein Metallgehäuse auf, das in zwei Teilen 11a, life gebildet ist, die zwischen sich einen Raum 12 zur Aufnahme der rotierenden Scheibe (nicht dargestellt) der Bremse bilden. Im Raum 12 sind auch zwei Reibplatten 13 aufgenommen, die die ortsfesten Teile der Bremse bilden und die jeweils einen Metallträgerteil aufweisen, der einen oder mehrere Beläge aus Reibmaterial 15 trägt. Im Betrieb werden die Platten 13 durch jeweilige Betätigungskolben 16 in einen reibenden Angriff an jeweils gegenüberliegende Seiten der rotierenden Scheibe gedruckt, wobei die unter Druck gesetzte Hydraulikflüssigkeit, die zum Betätigen der Kolben 16 erforderlich ist, durch Kanäle 17 zugeleitet wird, die in den Körperteilen Ua. 116 eingeformt sind und mit jeweiligen kolbenaufnehmenden Ausnehmungen 18 in

Verbindung stehen. Darüber hinaus sind elastische Dichteinrichtungen 19 vorgesehen, die sich zwischen den Körperteilen und ihren jeweiligen Kolben 16 erstrecken, um das Eindringen von Fremdmaterial in die Ausnehmungen 18 zu verhindern.

Wie in F i g. 2 und 3 dargestellt, weist jeder Kolben 16 einen hohlen, zylindrischen Körper 21 auf, der an einem Ende offen und am anderen Ende durch ein einstückiges Bodenstück 22 verschlossen ist Die äußere zylindrische Fläche des Körpers 16 ist nach innen an seinem offenen Ende abgestuft, während ehje einstückige, allgemein zylindrische Säule 23 vom Bogenstück 22 vorsteht und koaxial zum Körper 21 liegt und an seinem freien Ende in einer Flucht mit der Fläche des offenen Endes des Körpers liegt In dieser Hinsicht versteht es sich, daß das freie Ende der Säule 23 in einer Flucht mit der Fläche des offenen Endes des Körpers liegt, weil im dargestellten Ausführungsbeispiel die Reibbelag-Trägerteile 14 eben sind. Wenn jedoch nicht ebene Trägerteile benutzt werden, endet die Säule 23 derart, daß sie im Gebrauch an dein Trägerteil angreift Der Körper 21 ist aus einem Kunststoff geformt uaJ folglich ist die Säule 23, obgleich sie in Fig. 2 so dargestellt ist als ob sie einen konstanten Durchmesser in ihrer Längsrichtung hat in der Praxis mit einer leichten Konizität versehen, um die Entformung aus dem Formwerkzeug zu erleichtern. Während im dargestellten Ausführungsbeispiel ferner die Säule 23 koaxial zum Körper 21 liegt kann sie natürlich auch gegen diese Achse versetzt sein. Mit der Vergrößerung einer solchen Versetzung ergibt sich jedoch eine entsprechende Vergrößerung in der nicht abgestützten Fläche des Bodenstücks 22, und deshalb ordnet man die Säule vorzugsweise in der Mitte an. Ein brauchbarer Kolben kann jedoch hergestellt werden, wenn mindestens ein Teil der Säule sich in einer Fläche erstreckt, die von einem konzentrisch zum Körper liegenden Kreis begrenzt ist und einen Radius bis zur Hälfte des Radius der Bohrung im Körper am Bodenstück 22 hat.

Der für oen erfindungsgemäßen Kolben benutzte Kunststoff kann eine glasfaserverstärkte und gefüllte phenolische wärmehärtende zweiteilige Fcrmsubstanz sein, wie beschrieben in Bülmeyer »Textbook of Polymer Science«, 2. Aufl., S. 468—471, beispielsweise ein Formstoff aus 20 Gew.-% katalysiertem Phenolharz, compoundiert mit 55Gew.-% Woolastonit und 15 Gew.-% kurzen Glasfasern, einer geringeren Menge Calciumcarbonat, Titandioxid und Holzkohle und einem Zinkstearat-Lösungsmiltel. Alternative Materialien für den Kolben nach der trfindung sind glasfaser- und mineralgefüllte phenolische Kondensate mit Arakyläther, glasfaserverstärkte Epoxydharze, beschrieben a. a. O. S. 478 bis 480 und glasfaserverstärkte wärmehärtende Phenole und Polyamide die durch Kondensation von Diaminen mit Polycarbonylsäure oder deren Anhydride, die dann durch Kondensation anhängender Gruppen miteinander vernetzt sind. Während die vorgenannten Materialien für das Druckformen vorgesehen sind, sind ihre Zusammensetzungen auch so einstellbar, daß sie für das Spritzformen geeignet sind, «>

Um einen solchen Kunststoffkolben herzustellen, wird die Formsubstanz zunächst als Granulat in einem erwärmten Extruder vorplastifiziert und dann bei 170" C druckgeformt. Nach Entfernung aus dem Druckformwerkzeug wird der Kolben 16 Stunden lang bei 170° C nachgehärtet und dann gekühlt und geschliffen, um den leichter. Konus zu entfernen, der an der zylindrischen Außenfläche des Kunststoffkolbens vorgesehen ist, um die Trennung von den Formwerkzeugen zu erleichtern. Darüber hinaus ist ein Schleif Vorgang zur Herstellung einer Oberflächengüte von 16 μ über die Außenseite des Kolbens hinweg vorgesehen.

Ein herkömmlicher Scheibenbremsenbetätigungskolben, den die erfindungsgemäßen Kolben ersetzen sollen, ist in einem Schmiedeverfahren aus Stahl gefertigt zweckmäßigerweise aus Kaltformstahl EN2A und hat eine entsprechende Außenform wie die Kolben nach der Erfindung, weist jedoch keine inneren Vorsprünge auf. Es versteht sich, daß EN2A-Stahl einen Elastizitätsmodul und eine Biegefestigkeit von etwa dem Zehnfachen des Kunststoffs hat der bei den Kolben naqh der Erfindung benutzt wird. Es ist berechnet worden, daß zur Herstellung eines Kolbens aus Kunststoff, der die gleiche Gesamtform und Leistungscharakteristiken wie ein Stahlkolben hat die Wand- und Bodendicke des Kolbens auf etwa das Dreifache der entsprechenden Abmessungen der Siahlversion vergrößert werden muß. Gegenüber einem Stahlkolben aus ?5 000 mm³; Stahl erfordert also ein Kunststoffkolben der gleichen Form etwa 55 000 mm³. Kunststoff. Wenn jedoch die erfindungsgemäßen Kolbenformen benutzt werden, kann das erforderliche Volumen an Kunststoff auf 45 000 mm³ reduziert werden, während das Gewicht des Kolbens nur mehr 80 g beträgt verglichen mit einem Gewicht von 260 g für einen vergleichbaren Stahlkolben. Es ist ferner festgestellt worden, daß dann, wenn die Kolben 16 dem zur Bremsbetätigunpr erforderlichen Hydraulikdruck ausgesetzt werden, die Gesamtverzerrung jedes Kolbens ähnlich derjenigen ist die ein vergleichbarer Stahlkolben erfährt Das bedeutet daß bei der Bedienung der Scheibenbremse durch Fußkraft die Verwendung von Kunststoffkolben anstelle von Stahlkolben keine oder nur geringe Rückwirkung auf das Empfinden der Bedienungsperson hat ]

In einem praktischen Ausführungsbeispiel hat der Körper jedes Kolbens 16 nach dem Schleifen einen Außendurchmesser von 54 mm, einen größten Innendurchmesser von 38 mm und eine Höhe von 29 mm, wäh ;end das Bodenstück 22 des Kolbens eine geringste Dicke von 8 mm und die Säule 23 einen kleinsten Durchmesser von 16 mm hat. Der Kolben wurde aus einem 85-g-Schuß der Formsubstanz hergestellt, die vorstehend beschrieben worden ist, und vor dem Schleifen wurde von der äußeren zylindrischen Fläche des Körpers ein Konus mit einem eingeschlossenen Winkel von 2° gebildet. Der Schleifvorgang zum Entfernen des Konus wurde durch spitzenloses Naßschleifen unter Verwendung von Wasser oder Öl und einer 80-Grit-Scheibe durchgeführt, die mit 7000 U/min rotierte, wobei das Gewicht des Kolbens durch den Schle^fKorgang auf 80 g reduziert wurde. Im Einsatz wurde jeder der Kolben 16 in die betreffende Ausnehmung 18 gesetzt, wobei das offene Ende des Körpers 21 und das freie Ende der Säule 23 an der zugehörigen Reibplatte 13 angriffen und beide in der Lage waren, einem maximalen Hydraulikdruck von 321 bar zu wideruehen, verglichen mit 28,5 bar, die normalerweise in der betreffenden Scheibenbremse auftreten. Der Kunststoff der Kolben hatte außerdem eine Wärmeausdehnungszahl von Ii bis 13" · 10—^β cm/° C (bis zu 50° C), die ähnlich der von Stahl ist und die von den extremsten Temperaturbedingungen unbeeinflußt blieb, die im ßetrieb vorkamen, d.h. wenn eine maximale Temperatur von 400° C am offenen" Ende jedes Kolbens herrschte und der Temperaturabfall zwischen den gegenüberliegenden Enden des Kolbens

150°C betrug. Das Material hatte eine Biegefestigkeit von 7135 N/mm² bei 2O⁰C und einen Elastizitätsmodul von 2 · 10* N/mm² bei 20° C.

In der in Fig.4 und 5 gezeigten Variante ist jeder Kolben 16 ähnlich dem vorstehend beschriebenen, außer daß die allgemein zylindrische Säule 23 durch einen aufrechtstehenden Vorsprung 24 ersetzt ist, der eine mittlere Partie 24a, die sich längs der Achse des Kolbens 16 erstreckt, und vier im gleichen Winkelabstand angeordnete Rippen 24b aufweist, die die mittlere <o Partie 24a mit der Innpnfläche des Körpers 21 verbinden. Der Vorsprung 24 hat damit Kreuzform bei der Betrachtung in der Draufsicht, und er ist auch der Säule 23 insofern ähnlich, als er einstückig mit dem Bodenstück 22 ausgebildet ist und sich zum offenen Ende ded Körpers 21 erstreckt. Die Abmessungen der Partie 24a und der Rippen 24b sind ebenfalls im wesentlichen über die Länge des Kolbens hinweg konstant, abgesehen von einer geringen Konizität, die zum Entformen aus den Formwerkzeugen vorgesehen ist.

Während die in Fig.4 und 5 gezeigte Kreuzform koaxial mit dem Körper 21 vorgesehen ist. versteht es sich, daß sie aus der Achse versetzt sein kann und für eine zufriedenstellende Abstützung des Bodens sorgt, 2ϊ vorausgesetzt, daß mindestens ein Teil der Kreuzform sich innerhalb des Halbradiuskreises erstreckt, wie er vorstehend definiert worden ist.

Während in den dargestellten Ausführungsbeispielen die Kolben 16 auf gegenüberliegenden Seiten der Jo rotierenden Scheibe angeordnet sind und jeder die zugehörige Reibplatte 13 direkt berührt, können die beschriebenen Kunststoffkolben auch bei Scheibenbremsen eingesetzt werden, bei der zwei Kolben Rücken an Rücken in einem Zylinder angeordnet sind, der auf einer Seite der Bremscheibe liegt. In diesem Fall wirkt ein Kolben direkt auf den einen Bremsbelag ein. während der andere Kolben eine Koppel trägt, die mit dem anderen Bremsbelag verbunden ist. und wenn Hydraulikdruck zwischen die Kolben eingeleitet wird. ^ir> greifen beide Bremsbeläge an der Bremsscheibe an. Die Koppel ist mit dem Kolben dadurch verbunden, daß eine Zunge an der Koppel in einen Schlitz in einem Kunststofformstück eingesetzt wird, das in der Bohrung des Kolbens eingesetzt und dort festgehalten ist.

In der weiteren, in den F i g. 6 und 7 gezeigten Variante, hat jeder Kolben 16 vier aufrechtstehende Vorsprünge 25a, die in einem Kreis mit der Hälfte des Radius der Bohrung im Körper liegen und von denen jeder mit der Innenfläche des Körpers 21 durch eine Rippe 25b verbunden ist. um zwei Paare paralleler Arme zu bilden, die einen Kanal zur Aufnahme der Zunge 27 (gestrichelt dargestellt) der vorstehend beschriebenen Koppel bilden, wobei die Vorsprünge 25a so angeordnet sind, daß sie an der Zunge 27 angreifen und die Rippen 256 im Abstand dazu angeordnet sind.

In Fig.2 bis 5 und 6 ist das Bodenstück 22 jedes Kolbens 16 allgemein an der Seite eben, die vom offenen Ende des Körpers 21 des Kolbens 16 abgewandt ist. Als eine Alternative zu dieser Anordnung kann diese Seite des jeweiligen Kolbens 16 jedoch mit einer Ausnehmung (nicht dargestellt) versehen sein, obgleich es in diesem Fall vorzuziehen ist, daß die Wand der Ausnehmung im Querschnitt rund ist und/oder einen Drehkörper um die Achse des Kolbens bildet. Eine solche Alternative ist in Fig. 8 gezeigt, in der ein Kolben mit vier im gleichen Winkelabstand angeordneten Rippen 28 gezeigt ist, die den Rippen 24b des in Fig.4 und 5 gezeigten Kolbens entsprechen und die von der konvexen Innenseite eines gewölbten Bodenstücks 29 vorstehen. Die konkave Außenseite des Cliedes 29 bildet dann einen Teil einer allgemein teilk-Jgeügen Ausnehmung 31. Unter Benutzung der Anordnung nach diesem Ausführungsbeispie! wird die Länge der vorstehenden Rippen 28 verringert, verglichen mit den vorstehend beschriebenen ebenen Bodenkonstruktionen, und folglich kann bei der Produktion oine weitere Einsparung an Kunststoffmaterial verwirklicht werden.

Versuchsarbeiten mit Kunststoffkolben 16 haben gezeigt, daß die Benutzung solcher Kolben die Möglichkeit bietet, auf Quictschhemmscheiben und Fette zu verzichten, die bei Scheibenbremsen mit herkömmlichen Stahikoiben benutzt werden

Es versteht sich, daß andere Vorsprungsausbildungen als die vorstehend beschriebenen beim erfindungsgemäßen Kolben benutzt werden können, während der Kolben im Betrieb immer noch die erforderlichen Charakteristiken behält und auch eine effiziente Ausnutzung der Kunststoffmenge sowie der Formzeiten ermöglicht wird. Beispielsweise braucht die zylindrische Säule nicht kreisrund im Schnitt zu sein und/oder sie könnte hohl sein, um das Bodenstück des Kolbens freizulegen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Scheibenbremseo-Betätigungskolben, bestehend aus einem topfförmigen Körper aus Kunststoff, dessen offener Rand am Bremsbelag-Trägerteil anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden (22, 29) des topfförmigen Körpers (16) ein aufrechtstehender, sich bis zum offenen Ende des Körpers (16) erstreckender Vorsprung (23, 24, 2Sa^ unter Bildung einer zusätzlichen Angriffsfläche gegenüber dem nicht mit dem Körper (16) verbundenen Trägerteil (14) eines Scheibenbremsen-Reibbelags (13) ortsfest angeordnet ist wobei mindestens ein Teil des Vorsprungs (23,24,25a,) über die gesamte Länge hinweg in einem Bereich gebildet ist, der von einem Kreis begrenzt ist, der konzentrisch zum Körper (16) liegt und einen Radius hat, der eine Größe bis zur Hälfte des Radius der Bohrung im Körper (16) am Boden (22,29) hat

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (23, 24,253^) einstückig mit dem Boden (22,29) ausgebildet ist.

3. Kolben nach' Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (24, 25a,l eine Mehrzahl von Rippen (24Z>, 256,28) aufweist, die sich axial vom Boden (22, 29) unter Bildung einer Angriffsfläche gegenüber dem Reibbelag-Trägerteil (14) erstrecken und den Vorsprung (24,25a) mit der zylindrischen Wand (21) des Körpers (16) verbinden.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen {24b, 25b, 28) symmetrisch um den Vorsprung (24a, 25a,J herum angeordnet sind.

5. Kolben nach t-inem üer Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung im wesentlichen aus einer zyIi;Jrischen Säule (23) besteht.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Säule (23) koaxial zum Körper (16) liegt und massiv ist.

7. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Säule (23) hohl ist und die Bohrung der Säule sich bis zum Boden des Körpers (16) erstreckt.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitts-Abmessungen des Vorsprungs (23, 24, 25a) über die gesamte Länge im wesentlichen konstant sind, abgesehen von einer geringen Konizität für das Entfernen des Körpers (16) aus dem zu seinem Formen benutzten Werkzeug.