DE3220306C2 - Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörper. Die Reibscheibe wird durch Ablängen von einem Wickel erhalten. Der Wickel wird seinerseits durch Aufwickeln eines aus einem Fasermaterial bestehenden Bandes auf einen zylindrischen Dorn erzeugt. Das Band besteht hierbei aus mehreren Faserschichten, wobei die Orientierung und die Länge der Fasern von Schicht zu Schicht unterschiedlich ist. Während der Herstellung des Wickels wird dieser in radialer Richtung unter Verwendung von Fasern mindestens einer der Schichten vernadelt oder vernäht. Der fertige Wickel wird in radialer Richtung in der Weise komprimiert, daß sich in allen seinen Lagen über seinen gesamten Umfang dauerhafte Wellungen bilden. Die Reibscheiben können als Bremsscheiben oder Kupplungsscheiben verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. ,. Es 1st bekannt, zur Herstellung eines Kohlenstoff-Kohienstoff-Verbundkörpers ein Fasersubstrat aus Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoffblldner, 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 Karbonisierung oder Graphltlerung 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.
Ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung ist aus der US-PS 37 59 353 bekannt. Auf den starren zylindrischen Dorn wird hierbei ein bandförmiger Faserwerkstoff derart lose aufgewickelt, daß anschließend eine radiale Kompression von außen nach innen mittels schmaler, parallel zur Achse des Doms orientierter Profilstäbe durchgeführt werden kann. Auf diese Weise werden in Umfangsrichtung verlaufende Wellungen erzielt, die zwar zu einer Verdichtung und einer entsprechenden Festigkeitssteigerung des Wickels in der unmittelbaren Umgebung der sie erzeugenden Profilstäbe führen, andererseits aber auch die Entstehung von Bereichen verminderter Dichte veranlassen, so daß die Dichte des Wickels Insgesamt Inhomogen ist und die hiervon abhängigen Eigenschaften der Reibscheibe eine starke Anisotropie aufweisen.
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65 Aus der AT-PS 1 02 860 Ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Reibscheiben bekannt, bei dem die die Reibscheibe bildenden Faserstoffschnü>-e auf einen der Form der herzustellenden Reibscheibe entsprechenden Dorn übereinander gewickelt werden und die einzelnen Bindungen miteinander über radial verlaufende und sich von Windung zu Windung kreuzende Fäden miteinander verbunden sind. Beim Verfahren der gattungsgemäßen Art besteht diese Möglichkeit zur radialen Verbindung der einzelnen Lagen aus bandförmigen Faserwerkstoff allerdings nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, das zu Reibscheiben hoher Abmessungsbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und Sicherheit gegen das Ablösen von Schichten in radialer Richtung führt.
Diese Aufgabe Ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der nach diesem Verfahren erhaltene Wickel wird ;
·%, ■ <■
"S karbonisiert, wenn die verwendeten Fasern aus einem ·7· "-_ Kohlenstoffbildner bestehen,
4 anschließend rechtwinklig 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 Verdichtungsbehandlung unterzogen, und zwar
- entv/eder durch Verbringen in einen Ofen, um dort bei etwa 1000° C Kohlenstoff aus der Dampfphase nieder- r zuschlagen, der die »Matrize« oder den Füllstoff des Körper? bildet,
- oder durch Imprägnieren mit flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Steinkohlenteerpech, gefolgt von einer Kar-
:■; bonisierung 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 zvlschen V3 und V5 der endgültigen Dichte durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase erreicht hat.
Die verdichteten Scheiben erhalten anschließend eine Wärmebehandlung bei 1600° bis 2500° C, je nach vorgesehenem Verwendungszweck.
Die hauptsächlichen Vorteile der nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren erhaltenen Bremsscheiben sind:
- keine Vergeudung von Fasern 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 bezug auf die Reiboberflächen,
- außerordentliche Abmessungsbeständigkeit der Scheibe während der Erhitzung zufolge des Bremsvorganges,
einerseits bezogen auf die Scheibe wegen des in DIkkenrichtung Null betragenden Ausdehnungskoeffizienten (die Parallelität der Bremsflächen bleibt gewahrt),
10
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 Ablßr>en von Schichten In radialer Richtung zufolge der radialen Vsrnadelung 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 Fähigkell zur Abführung der Reibungswärme ins Innere der Scheibe.
r>
Vorteilhafte Weiterbildungen und Abwandlungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den UnleransprO-chen angegeben.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel betreffenden Zeichnuiig näher erläutert. Es zeigt ,
, Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufwickeins und Vernähens bzw. Vernadelns,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Art der in Umfangsrlchtung verlaufenden Wellun- -gen,
Fig. 3A und 3B eine schematische Darstellung der Vorrichtungen zur Erzeugung der in Fig. 2 gezeigten Weüungen.
Gemäß Fig. 1 werden auf einen zylindrischen Dorn I ..gleichzeitig vier Faserschichten aufgewickelt. Die mattlenartigen Faserschichten la und Ib bestehen aus kurzen Fasern (von beispielsweise 3 bis 5 cm Länge), die in der Ebene der Schicht vließähnlich zufallsorientiert sind.
Die Schichten 3 und 4 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. w
Die Faserrichtungen können beispielsweise zwischen 30° und 60° liegen. In Fig. 1 sind die beiden Richtungen mil jeweils 45° zugrundegelegt.
Der Dorn 1 dreht sich in Richtung des Pfeiles 9.
Während des Aufbaus des Wickels 8 perforiert ein mil einer großen Zahl von Nadeln 7 bestückter Nadelbalken (5 kontinuierlich hin- und hergehend den Wickel 8. Da die Nadeln mit Nasen oder Widerhaken versehen sind, werden hierbei die ursprünglich in den Schichten la und Ib liegenden kurzen Fasern herausgezogen und kommen 5» in dem Wickel 8 in eine radiale Lage.
Sobald der auf diese Welse vernähte oder genadelte Wickel 8 einen hinreichend großen Durchmesser hat. wird er von dem Dorn 1 abgenommen.
Der Wickel 8 besitzt einen sehr guten Zusammenhalt und kann ohne besondere Vorkehrung gehandhabt Werden. Der Wickel 8 wird aus Schichten von Fasern hergestellt, die aus einem Karbonisierbaren Werkstoff oder Kohlenstoffbüdner wie etwa vernetzten! Polyacrylnitril bestehen. Hierbei ist die Bruchanfälligkeit geminderl, was es gestattet, das Vernähen oder Vernadeln und die radiale Kompression gleichzeitig vorzunehmen. In diesem Fall wird das Substrat einer zusätzlichen Karbonisierung unterzogen.
Flg. 2 zeigt sehr deutliche Wellungen sowohl In den die Innere Lage pt des radial komprimierten Wickels bildenden Schichten als auch In den die äußere Lage P1 bildenden Schichten. Zur Erzielung dieser Art von Wellungen Ist es unerläßlich, bei der radialen Kompression die Durchmesser der äußeren Lage P1 und der inneren Lage p, des Wickels 8 gleichzeitig und erheblich zu verringern.
Fl g. 2 veranschaulicht weiterhin, daß kräftige Wellungen auch auf jedem anderen Umfang des Wickels vorlie gen. so daß in der äußeren Lage und der inneren Lage gegeneinander versetzte Einschnitte entstehen.
Gemäß der Darstellung in den Fi g. 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 Wikkel 8 befinden sich Sektoren 12a und IU für die radiale !Kompression. Die Längsrichtung dieser Sektoren ist und bleibt parallel zuv Achse des Zylinders 10 während des gesamten Kompressionsvorganges. Die Länge der Sektoren Ist gleich derjenigen de Wickels 8 und des Zylinders 1«.
Den Sektoren 12« und 126 werden eine Kraft und eine Bewegung in radialer Richtung in der Welse aufgeprägt, daß sich die Sektoren in der Richtung 126 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 Elastomer bestehen oder aus mechanischen Teilen aufgebaut sein, aber in beiden Fällen muh ,ich sein Durchmesser während der radialen Kompression verringern können. Der Kern 13 hat auf seinem Umfang (und über seine gesamte axiale Länge," Vorsprünge oder Unebenheiten 13σ, deren Längsrichtung parallel zur Achse des Kerns 13 verläuft. In dem Winkelraum um die Achse 11 herum ergibt sich eine regelmäßige Aufeinanderfolge zwischen Sektoren Hb und Vorsprüngen 13c, so daß bei der radialen Kompression sich wiederholende Wellungen bilden, wie sie in den Fig. 2 und 3B dargestellt sind.
Der erhaltene gewellte Wickel wird dann rechtwinklig zu seiner Achse tn Ronden abgelängt, die das Substrat oder Ausgangsmaterial für die Scheiben darstellen und die einer Verdichiungsbehandiung unterzogen werden.
Die schließlich erhaltenen, 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 Flugzeugrades befestigt sind und in alle oder einen Teil der Einkerbungen am Außenumfang der Scheibe eingreifen Beim Einsatz der Scheibe als Stator kann dieser durch Keiie festgelegt werden, die auf einer stillstehenden Achse fixiert sind und in alle oder einen Teil der Einschnitte am Innenumfang dei- Scheibe eingreifen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Reibscheibe aus einem Kohlenstöff-Kohlenstoff-Verbundkörper, bei dem auf einen zylindrischen Dorn ein bandförmiger Faserwerkstoff aus mehreren Schichten mit Fasern wechselnder Länge und Orientierung aufgewickelt und der erhaltene Wickel derart radial komprimiert wird, daß In Umfangsrlchtung Wellungen entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Band gleichzeitig mit dem Aufwickeln radial vernadelt oder vernäht wird, daß mindestens eine Schicht (la, Ib) aus kurzen ungerlchteten Fasern besteht, daß der Dorn (I) durch einen Kern (13) aus einem kompressiblen Werkstoff ersetzt wird, und daß auf den Umfang des Wickels (8) abwechselnd kurze und lange Sektoren (12a, YIb) aufgelegt werden, auf die eine radial nach Innen gerichtete Kraft ausgeübt wird, so daß der WIkkel (8) die Wellungen in allen seinen radialen Lagen (P1, Pj) aufweist. ;
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- a. zeichnet, daß der Kern (13) mit Vorsprüngen (Ua) ' oder Unebenheiten versehen Ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus einem Kohlenstoffbildner wie vernetztem Polyacrylnitril bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaltene Wickel karbonisiert wird.
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