DE3220306A1 - Verfahren zur herstellung von reibscheiben - Google Patents

Verfahren zur herstellung von reibscheiben

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Description

Verfahren zur Herstellung von Reibscheiben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reibscheiben aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörper, insbesondere zur Verwendung als Rejborgane mit struktureller Festigkeit in Bremsen oder Kupplungen, die eine oder mehrere Scheiben in Verbindung mit anderen Scheiben oder Klötzen umfassen.
Es ist bekannt, zur Herstellung eines Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörpers ein Fasersubstrat aus Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoffbildner, der anschließend karbonisiert wird, zu erzeugen und dieses Substrat nachfolgend zu verdichten. Man erhält auf diese Weise einen Körper, der aus Kohlenstoffasern besteht, die in einer karbonisierten "Matrize" eingebettet sind.
Die Verdichtung dieses Substrates kann beispielsweise durch chemischen Niederschlag von Kohlenstoff aus der Dampfphase, durch einen oder mehrere Imprägniervorgänge mit karbonisierbaren Flüssigkeiten sowie nachfolgende Karbonisierunp oder Graphitierung oder durch gemeinschaftliche Anwendung dieser beiden Techniken erzielt werden.
Es ist weiterhin bekannt, daß die Eigenschaften des schließlich erhaltenen Körpers in hohem Maße von der Behandlung des ursprünglichen Fasersubstrats abhängen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von insbesondere scheibenförmigen Faserkörpern zu schaffen, das einerseits einfach und wirtschaftlich durchführbar ist und andererseits Scheiben erhalten läßt, die nach Durchführung der bekannten Verfahrensschritte der Karb'onisierunr und/oder Verdichtung sehr gute Reibeigenschaften aufweisen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Reibscheiben aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörper, bei dem auf einen zylindrischen Dorn ein bandförmiger Faserwerkstoff aufgewickelt, vernäht und verdichtet wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Band gleichzeitig mit dem Aufwickeln radial vernäht wird, wobei das Band aus mehreren Schichten von Pasern mit von Schicht zu Schicht wechselnder Länge und Orientierung besteht, und daß der erhaltene Wickel derart radial komprimiert wird, daß in allen seinen Schichten in Umfangsrichtung Wellungen entstehen.
Der auf diese Weise erhaltene Wickel wird karbonisiert, wenn die verwendeten Pasern aus einem Kohlenstoffbildner bestehen,
anschließend rechwinklig zu seiner Achse abgelängt, um eine große Zahl von Ronden als Grundkörper für mehrere Scheiben herzustellen, wenn die Breite des Bandes dies zuläßt.
Der Wickel oder die Ronden werden anschließend einer Verdichtungsbohandlung unterzogen, und zwar
entweder durch Verbringen in einen Ofen, um dort bei etwa 1OOO°C Kohlenstoff aus der Dampfphase niederzuschlagen, der die "Matritze" oder den Füllstoff des Körpers bildet,
oder durch Imprägnieren mit flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Steinkohlenteerpech, gefolgt von einer Karbonisierung und Graphitierung.
Diese letztere Möglichkeit dient dazu, nötigenfalls örtliche Porositäten des Substrates zu beseitigen oder die Gesamtdauer der Herstellung der "Matrize" zu verringern. Das Imprägnieren kann sich anschließen, wenn das Substrat zwischen 1/3 und 4/5 der endgültigen Dichte durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase erreicht hat.
Die verdichteten Scheiben erhalten anschließend eine Wärmebehandlung bei 1600 bis 250O0C, je nach vorgesehenem.Verwendungszweck.
Die hauptsächlichen Vorteile der nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen Bremsscheiben sind:
keine Vergeudung von Pasern während der Herstellung der Scheibe,
einfacher und rascher Niederschlag der Matrize (des Füllmaterials) zufolge der Form des Substrats, einfache industrielle Herstellung des Substrats, sehr hohe mechanische Festigkeit gegenüber dem Bremsmoment, hohe Verschleißfestigkeit zufolge der im allgemeinen stark geneigten Orientierung der Fasern in Bezujr auf die Reiboberflächen,
außerordentliche Abmessungsbeständigkeit der Scheibe während der Erhitzung zufolge des BremsVorganges, • einerseits bezogen auf die Scheibe wegen des in Dickenrichtung Null betragenden Ausdehnungskoeffizienten (die Parallelität der Bremsflächen bleibt gewahrt), ι andererseits bezogen auf die Fasern oder Fasergruppen wegen des Ausschlusses des Eintritts örtlicher geometrischer Änderungen, die die Entstehung von sogenannten heißen Punkten begünstigen würden,
sehr hohe Sicherheit gegen das Ablösen von Schichten in radialer Richtung zufolge der radialen Vernadelung und/oder der Wellungen, wobei diese beiden Maßnahmen sowohl für sich genommen als auch zusammenwirkend die nachteiligen Effekte der polaren Anisotropie des Wickels verringern, sehr hohe Druck- und Zugfestigkeit in axialer Richtung der Scheibe,
hohe Fähigkeit zur Abführung der Reibungswärme ins Innere der Scheibe.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Abwandlungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel betreffenden Zeichnunp näher erläutert. Es zeigt: _7-
Fig.l eine schematische Darstellung des Aufwickeins und Vernähens bzw. Vernadelns,
Fig.2 eine schematisehe Darstellung einer bevorzugten Art der in Umf angsrichtunp· verlaufenden Wellungen,
Fig.3A eine schematische Darstellung der Vorrichtungen zur Erzeugung der in Fig.2 gezeigten Wellungen.
Gernäß Fig. 1 werden auf einen zylindrischen Dorn 1 gleichzeitig vier Faserschichten aufgewickelt. Die mattenartigen Faserschichten 2a und 2b bestehen aus kurzen Fasern (von beispielsweise 3 bis 5 cm Länge), die In der Ebene der Schicht vließähnlich zufallsorientiert sind.
Die Schichten 3 und 2J bestehen aus Fasern 5, die gleichgerichtet verlaufen und ggf. auf einem dünnen, durch Wärmebehandlung entfernbaren Kunststoffträger angeordnet sind. In Bezug auf die Achse des Dorns 1 verläuft bei der Schicht 3 die Faserrichtung nach rechts, bei der Schicht 4 nach links.
Die Faserrichtungen können beispielsweise zwischen 3O°und 6O° liegen. In Fig. 1 sind die beiden Richtungen mit jweils 45° zugrundegelegt.
Der Dorn 1 dreht sich in Richtung des Pfeiles 9·
Während des Aufbaus des Wickels 8 perforiert ein mit einer großen Zahl von Nadeln J bestückter Nadelbalken 6 kontinuierlich hin- und hergehend den Wickel 8. Da die Nadeln mit Nasen oder Widerhaken versehen sind, werden hierbei die ursprünglich in den Schichten 2a und 2b liegenden kurzen Fasern herausgezogen und kommen in dem Wickel 8 in eine radiale Lage.
Sobald der auf diese Weise vernähte oder genadelte Wickel 8 ο
■--■- 322030b
einen hinreichend großen Durchmesser hat, wird er von dem Dorn abgenommen.
Der Wickel 8 besitzt einen sehr guten Zusammenhalt und kann ohne besondere Vorkehrung gehandhabt .werden. Mit Vorteil wird der Wickel 8 aus Schichten von Fasern hergestellt, die aus einem karbonisierbaren Werkstoff oder Kohlenstoffbildner wie etwa vernetztem Polyacrylnitril bestehen. Hierbei ist die Bruchanfälligkeit gemindert, was es gestattet, das Vernähen oder Vernadeln und die radiale Kompression gleichzeitig vorzunehmen. In diesem Fall wird das Substrat einer zusätzlichen Karbonisierunr unterzogen.
Fig. 2 zeigt sehr deutliche Wellungen sowohl in den die innere Lage pf des radial komprimierten Wickels bildenden Schichten als auch in den die äußere Lage P- bildenden Schichten. Zur Erzielung dieser Art von Wellungen ist es unerläßlich, bei der radialen Kompression die Durchmesser der äußeren Lage P. und der inneren Lage p. des Wickels 8 gleichzeitig und erheblich zu verringern.
Fig. 2 veranschaulicht weiterhin, daß kräftige Wellungen auch auf jedem anderen Umfang des Wickels vorliegen, so daß in der äußeren Lage und der inneren Lage gegeneinander versetzte Einschnitte entstehen.
Gemäß der Darstellung in den Figuren 3A und 3B befindet sich der vernadelte oder vernähte Wickel 8 im Inneren eines starren Zylinders 10 und liegt zu diesem koaxial (Achse 11). Zwischen diesem Zylinder 10 und dem Wickel 8 befinden sich Sektoren 12a und 12b für die radiale Kompression. Die Längsrichtung dieser Sektoren ist und bleibt parallel zur Achse des Zylinders 10 während des gesamten Kompressionsvorganges. Die Länge der Sektoren ist gleich derjenigen des Wickels 8 und des Zylinders 10.
Den Sektoren 12a und 12b werden eine Kraft und eine Bewegung in radialer Richtung in der Weise aufgeprägt, daß sich die -9-
Sektoren in der Richtung 12b schneller radial verschieben, als die Sektoren 12a.
In der Mitte des vernähten Wickels 8 und koaxial zu diesem sowie zu dem Zylinder 10 befindet sich ein kompressibler zylindrischer Kern 13, der die gleiche axiale Länge wie die Teile 10 und 8 hat,
Dieser Kern 13 kann entweder aus einem Elastomere bestehen oder aus mechanischen Teilen aufgebaut sein, aber in beiden Fällen muß sich sein Durchmesser während der radialen Kompression verringern können. Der Kern 13 hat auf seinem Umfang (und über seine gesamte axiale Länge) Vorsprünge oder Unebenheiten 13a, deren Längsrichtung parallel zur Achse des Kerns 13 verläuft. In dem Winkelraum um die Achse 11 herum ergibt sich eine regelmäßige Aufeinanderfolge zwischen Sektoren 12b und Vorsprüngen 13a, so daß bei der radialen Kompression sich wiederholende Weilungen bilden, wie sie in den Figuren 2 und 3B dargestellt sind.
Der erhaltene gewellte Wickel wird dann rechtwinklig zu seiner Achse in Ronden abgelängt, öle das Substrat oder Ausgangsmaterial für die Scheiben darstellen und die einer Verdichtungsbehandlung unterzogen werden.
Die schließlich erhaltener;,mit Einkerbungen versehenen Scheiben lassen sich in vielfacher Weise verwenden. Beim Einsatz der Scheibe als Rotor kann dieser mit Hilfe von Keilen angetrieben werden, die im Inneren der Felge beispielsweise eines Flügzeugrades befestigt sind und in alle oder einen Teil der Einkerbungen am Außenumfang der Scheibe eingreifen. Beim Einsatz der Scheibe als Stator kann dieser durch Keile festgelegt werden, die auf einer stillstehenden Achse fixiert sind und in alle oder einen Teil der Einschnitte am Innenumfang der Scheibe eingreifen .
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Claims (1)

  1. PATENTANWÄLTE
    DIETRICH LEWINSKY HEINZOOACHIMHUBER REINER PRIETSCH MÖNCHEN 21
    *oTTHA«Dm. ei 28. Mai 1982
    Le Carbone-Lorraine I1». 123-IV/N1
    PATENTANSPRÜCHE :
    1. Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörper, bei dem auf einen zylindrischen Dorn ein bandförmiger Faserwerkstoff aufgewickelt, vernäht oder vernadelt und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Band gleichzeitig mit dem Aufwickeln radial vernadelt oder vernäht wird, wobei das Band aus mehreren Lagen oder Schichten von Fasern mit von Schicht zu Schicht wechselnder Länge und Orientierung besteht, und daß der erhaltene Wickel derart radial komprimiert wird, daß in allen seinen Lagen in Umfangsrichtung Wellungen entstehen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Wellungen in Umfangsrichtung in den Wickel ein Kern von gleicher Länge wie der Wickel und koaxial zu diesem spielfrei eingeführt wird, und daß auf den Umfang des Wickels abwechselnd kurze und lange Sektoren aufgelegt werden, auf die eine radial nach innen gerichtete Kraft ausgeübt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern aus einem kompresslblen Werkstoff verwendet wird, der beim radialen Komprimieren des Wickels die gleichzeitige Verminderung dessen inneren und äußeren Durchmessers gestat tet.
    h. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mit Vorsprüngen oder Unebenheiten versehen ist.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umfänglichen Wellungen derart erzeugt werden, daß sie an dem Außenumfang und dem Innenumfang des Wickels versetzte Einkerbungen entstehen lassen, d.h., daß jede Einkerbung einer Lage sich über oder unter der Mitte des Bogens befindet, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einkerbungen der nächstfolgenden Lage liegt.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen derart verteilt angeordnet und ausgebildet werden, daß sie alle oder daß ein Teil von ihnen als Keilnuten verwendbar sind bzw. ist.
    7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern aus einem Inkompressiblen Werkstoff verwendet wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Paserwerkstoff aus folgenden vier Schichten besteht:
    einer Schicht aus kurzen, ungerlchtet verlaufenden Pasern,
    einer Schicht aus parallelen Pasern, deren Richtung schräg zu der Achse des Dorns verläuft, einer Schicht aus kurzen, ungerichteten verlaufenden Pasern,
    einer Schicht aus parallelen Pasern, deren Richtung in einem anderen Winkel schräg au der Achse des Dorns verläuft,
    wobei diese Schichten gemeinsam aufgewickelt und gleichzeitig vernadelt oder vernäht werden und der erhaltene Wickel anschließend komprimiert wird.
    S. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus einem karbonisierbaren Werkstoff oder Kohlenstoffbildner wie vernetzten! Polyacrylnitril bestehen.
    10.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Wickel in Ronden (Scheiben) abgelängt (gesägt) wird, die anschließend verdichtet werden.
    11.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Wickel karbonisiert, anschließend in Ronden abgelängt und diese nachfolgend verdichtet werden.
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