DE4333202A1 - Hartkohlenstoffverbund-Bremsscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Verbundbremsscheiben und insbesondere Kohlenstoff-Verbundbremsscheiben zur Verwendung bei Flugzeugbremsanordnungen.

Die Form und der Aufbau von Bremsanordnungen für Flugzeuge sind wohlbekannt und umfassen gewöhnlich einen Scheibensta­ pel mit einer Anzahl von nicht drehbaren, ringförmigen Sta­ torscheiben, die mit einer zugeordneten Anzahl von drehba­ ren, ringförmigen Rotorscheiben verschachtelt sind, sowie eine druckausübende Einrichtung, die angeordnet ist, um den Scheibenstapel so zu verschieben, daß die Stator- und Rotor­ scheiben in Reibungseingriff gebracht werden. Die druckaus­ übende Einrichtung umfaßt üblicherweise ein Drehrohr, das durch die ringförmigen Scheiben verläuft und einen sich ra­ dial von einem Ende, gegen das die Scheiben gedrückt sind, erstreckenden Reaktionsflansch aufweist, sowie einen Ring von hydraulischen "Brems"-Zylindern, die radial davon fort verschoben und starr am anderen Ende des Rohrs befestigt sind.

Scheiben des Stapels müssen in der Lage sein, Reibungskräfte zu erzeugen und Drehmomentbelastungen, erzeugte Wärme und direkt oder indirekt durch die Bremszylinder und den Reakti­ onsflansch auf sie ausgeübte axiale "Druck"-Belastung auszu­ halten. Gewöhnlich werden Scheiben aus Kohlenstoffverbundma­ terial verwendet, da sie gegen Betriebstemperaturen über 1000°C hinaus beständig sind, während sie den erforderlichen Reibungskoeffizientenwert beibehalten.

Derartige Verbundmaterialien sind wohlbekannt und sind ge­ wöhnlich vom Kohlenstoff-Kohlenstofftyp, bei dem Kohlenstoff durch Faserkohlenstoff, möglicherweise in der Form von kar­ bonisiertem Stoff oder Band verstärkt ist. Derartige Mate­ rialien in der Form von Scheiben sind nicht in der Lage, ohne Beschädigung hohe lokale, d. h. örtlich eingeschränkte Belastungen auszuhalten, obwohl sie in der Lage sind, der erforderlichen axialen Belastung zu widerstehen, falls diese über eine große Fläche gleichmäßig verteilt ist. Im äußer­ sten Fall kann ein Eindrücken durch Kunststoffdeformation oder Verschleiß der Scheiben dazu führen, daß eine Scheibe bricht und/oder zerbricht.

Örtlich eingeschränkte axiale Belastungen gibt es gewöhnlich nicht im Körper des Stapels, wo "Reibungsseite" an "Rei­ bungsseite" stößt, sondern an den Enden des Stapels, an denen die Endstatorscheiben jeweils eine nach innen weisende erste Reibungsseite und eine nach außen weisende Lastüber­ tragungsseite aufweisen. Die Lastübertragungsseiten der End­ statorscheiben unterliegen jeweils axialen Belastungen vom Reaktionsflansch oder von Bremszylindern. Um die Belastung vom Reaktionsflansch zu verteilen, wird eine ringförmige Re­ aktionsplatte verwendet, die als Lastverteilungseinrichtung wirkt. Diese Platte ist aus einem geeigneten Metall herge­ stellt und zwischen dem Flansch und der benachbarten Endsta­ torscheibe angeordnet. Ebenso sind eine oder mehrere ring­ förmige Verteilerplatten zwischen den Bremszylindern und der benachbarten Endstatorscheibe angeordnet.

Aufgrund der relativen Abmessung der anstoßenden Verteiler­ platte oder Reaktionsplatte in bezug auf diejenige der ent­ sprechenden Endstatorscheibe unterliegt lediglich etwa 50% jeder Scheibendruckseite einer axialen Belastung. Somit kommt es wahrscheinlich zu einer gewissen Verformung oder Verwindung der Scheibe infolge dieser ungleichmäßigen Bela­ stung oder auch gegebenenfalls aufgrund der unterschiedli­ chen Kühlung, die sich aus einem derartigen Aneinanderstoßen ergibt. Dies kann zu ungleichmäßigem Verschleiß und mögli­ chem Ausfall der Scheiben führen.

In der Praxis können Kohlenstoffverbundscheiben leicht ein zyklisches Durchlaufen zu und von hohen Betriebstemperaturen überstehen. Dies ist jedoch nicht der Fall bei Reaktions- oder Verteilerplatten. In diesen Platten kann eine thermi­ sche Dauerdeformation auftreten, die zu einer ungleichmäßi­ gen Lastausübung auf die Endstatorscheiben führen wird, wo­ bei möglicherweise an erster Stelle der Vorteil der Verwen­ dung derartiger Platten beseitigt wird. Zur Überwindung die­ ses Nachteils ist im US-Patent 4 878 563 vorgeschlagen wor­ den, eine miteinander verbundene Endstatorscheibe und Ver­ teilerplatte herzustellen, die durch eine mechanische Befe­ stigung verbunden sind, die thermische Ausdehnung gestattet. Diese Anordnung versagt jedoch bei der Überwindung eines weiteren Nachteils, der darin besteht, daß Metallplatten leicht Wärme vom Scheibenstapel bzw. -paket zum hydrauli­ schen Bremszylinder und den Kolbenanordnungen leiten, was zu deren vorzeitigem Ausfall führen könnte.

Wenn eine Bremsscheibe überwiegend aus Kohlenstoffverbundma­ terial hergestellt werden könnte, die aus einem Stück be­ stünde und ausreichend elastisch gegenüber Deformation oder gegenüber lokalisierten Belastungen bruchfest wäre, dann würden die vorhandenen Reaktions- oder Verteilerplatten nicht mehr benötigt, wodurch einige, wenn nicht sämtliche der obigen Nachteile überwunden würden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine solche Scheibe zu schaffen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt eine bifunk­ tionelle Kohlenstoffverbundscheibe zum oder bei Gebrauch als Einrichtung oder Einbauteil am Ende eines Bremsscheibensta­ pels eine erste, nicht fest oder hart gemachte Kohlenstoff- Kohlenstoffreibungsseite und eine gegenüberliegende Last­ übertragungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Fläche hart bzw. fest gemacht worden ist, um eine erhöhte Beständigkeit gegenüber Deformation, Brechen und/oder Verschleißfestigkeit vorzusehen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt eine ring­ förmige Kohlenstoffverbundscheibe für einen Bremsscheiben­ stapel äußere und innere Umfangskantenflächen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein Teil von wenigstens einer fest oder hart gemacht worden ist, um eine erhöhte Bestän­ digkeit gegenüber Deformation, Brechen und/oder Verschleiß­ festigkeit vorzusehen.

Vorzugsweise ist der Teil die gesamte Fläche und zweckmäßig wird eine Härtung bzw. Versteifung durch Nadeln und/oder ein chemisches Behandlungsverfahren vorgesehen.

Eine derartige Behandlung ist ein chemisches Verfahren, das eine örtlich fixierte Umwandlung von Kohlenstoff zu einer härteren oder steiferen Substanz bewirken kann. Die Behand­ lung könnte thermochemisch sein, wie zum Beispiel Behandlung mit Silicium oder Chrom oder deren Verbindungen, insbeson­ dere zur Herstellung von Carbiden, eine Tränkung mit Flüs­ sigkeit wie zum Beispiel mittels Harz, das anschließend ver­ kohlt wird, oder mittels Metall oder Metalloid; oder mittels Materialablagerung, folgend auf Eindringen, mittels einer gasförmigen Phase.

Infolge der Behandlung kann der Abschnitt mit einer Be­ schichtung als Ergebnis der Behandlung versehen sein. Es kann eine geeignete Härtung während eines Faserbehandlungs­ verfahrens vor der Bildung des Kohlenstoffverbundstoffs aus­ geführt werden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 in einer Teilschnittansicht eine Bremsscheibenan­ ordnung veranschaulicht, die Endstatorscheiben ge­ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er­ findung umfaßt; und

Fig. 2 im Teilschnitt eine Endstatorscheibe 10 von Fig. 1 veranschaulicht.

Eine Bremsscheibenanordnung 1 umfaßt einen allgemein mit 2 bezeichneten ringförmigen Scheibenstapel, der eine Anzahl von verschachtelten Doppelstatorscheiben 3 und Rotorscheiben 4 umfaßt, wobei die Scheiben aus Kohlenstoffverbundmaterial hergestellt sind. Sie umfaßt weiter ein nicht drehbares Drehrohr 5, das sich axial durch den Scheibenstapel 2 er­ streckt, wobei sich ein Reaktionsflansch 6 radial von seinem axial inneren Ende fort erstreckt. Am äußeren Ende des Dreh­ rohrs 2 ist ein Ring von Bremszylindern 7 befestigt und er­ streckt sich radial nach außen, wobei jeder Bremszylinder eine entsprechende Kolbenanordnung 8 aufweist. Gegenüber ei­ ner derartigen Kolbenanordnung 8 befindet sich ein entspre­ chendes kegelstumpfförmiges Reaktionselement 9, das an sei­ nem axial äußeren Ende am Reaktionsflansch 6 befestigt ist, und wobei der Scheibenstapel 2 zwischen den Kolbenanordnun­ gen 8 und Reaktionselementen 9 angeordnet ist.

Am einen Ende des Scheibenstapels 2 weist eine bifunktio­ nelle End- oder Druckstatorscheibe 10 eine Kohlenstoff-Koh­ lenstoffreibungsseite 11 und eine äußere gehärtete Lastüber­ tragungsfläche 12 auf, die an die Reaktionselemente 9 an­ stößt. Am anderen Ende des Scheibenstapels 2 ist eine bi­ funktionelle End- oder Druckstatorscheibe 13 vorgesehen, die eine Kohlenstoff-Kohlenstoffreibungsseite 14 und eine äußere gehärtete Lastübertragungsfläche 15 aufweist, die mit einer ringförmigen Wärmeisolierungsscheibe 16 in Eingriff steht, die zwischen dem Ring der Kolbenanordnungen 8 und der End­ statorscheibe 13 angeordnet ist. An der axial äußeren Fläche der Isolierscheibe 16 ist ein Wärmeschutz bzw. eine Abschir­ mung 17 befestigt. Die erwähnten Scheiben 10, 13 wirken beide als Reibungsscheiben an ihren nicht gehärteten Rei­ bungsseiten und zur Aufnahme einer in axialer Richtung auf den Scheibenstapel 2 ausgeübten externen Belastung, und sie werden demzufolge hier als bifunktionell beschrieben. Bei einigen Anordnungen kann die Isolierscheibe 16 alternativ fortgelassen werden, wobei die Übertragungsfläche 15 direkt mit der Wärmeabschirmung 17 in Eingriff tritt.

Der Innenumfang der Statorscheiben 3 erstreckt sich vom ent­ sprechenden Umfang der Rotorscheiben 4 radial einwärts und tritt mit den Drehmoment übertragenden Keilnuten im Drehrohr 5 in Eingriff. Demzufolge sind die Statorscheiben 3 in bezug auf das Drehrohr drehfixiert. Die Rotorscheiben 4 sind zur Drehung um das Drehrohr 5 frei, aber an ihrem Außenumfang an einer zugeordneten Radfelge (nicht gezeigt) verkeilt, so daß sie relativ nicht drehbar sind. Somit bringt die Relativbe­ wegung von Kolbenanordnungen 8 zu den Reaktionselementen 9 die Scheiben der Packung 2 in Reibungsbremseingriff, wodurch jegliche Drehbewegung der Radfelge in bezug auf das Drehrohr 5 angehalten wird. Es wird erkannt, daß bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in Fig. 1 gezeigt, Identische Endstatorscheiben 10 und 13 verwendet werden und daß die gesamten Lastübertragungsflächen 12 und 15 der End­ statorscheiben 10 und 13 jeweils gehärtet sind. In Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Teils der Scheibe 10 veran­ schaulicht, bei der die Dichte der "Schattierung" unter der Oberfläche die Materialstruktur darstellt, die sich in der axialen Richtung von der Oberfläche 12 zur Oberfläche 11 hin fortschreitend ändert. Wie einzusehen ist, kann es, falls gewünscht, eine lediglich örtlich begrenzte Härtung eines Teils bzw. Abschnittes jeder Scheibe 10 und 13 im Ringbe­ reich geben, der direkt an Reaktionselemente 9 bzw. die Iso­ lierscheibe 16 anstößt.

Bei herkömmlichen Konstruktionen von Kohlenstoffverbundmate­ rial-Bremsanordnungen haben die Endscheiben eine identische chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften wie die anderen Statorscheiben in der Packung. Es war somit bislang erforderlich, zusätzliche Metalldruck- oder Verteilerplatten an jedem Ende des Scheibenstapels vorzusehen.

Durch Ausschaltung der Verteilerplatten und Druckflansche ist es dadurch möglich, falls gewünscht, Endstatorscheiben gemäß der Erfindung zu verwenden, die in axialer Richtung dicker als diejenigen sind, die sie ersetzen. Dies führt zu einer nützlichen Verbesserung der Wärmeisolation, da das Statormaterial gewöhnlich eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Platten und/oder des Flansches hat, das ersetzt worden ist. Demzufolge funktionieren so aufgebaute Bremsenanordnungen länger, bevor sie für eine Überhitzung der Bremszylinder anfällig werden. Falls bevorzugt, können die dazwischenliegenden Scheiben des Stapels eine größere Dicke aufweisen. Wie beim bevorzugten Ausführungsbeispiel gestattet die vergrößerte "Festigkeit" der Endscheiben al­ ternativ die Verwendung von Scheiben, die axial dünner als diejenigen sind, die sie ersetzen. In diesem Fall überwindet das weitere Vorsehen einer Isolierscheibe die der Scheibe 16 thermische Nachteile der Verwendung einer dünneren End­ scheibe benachbart den Zylinder- und Kolbenanordnungen.

Es ist erkennbar, daß nicht nur die Endstatoren einer nicht auf Reibung beruhenden Belastung ausgesetzt sind, sondern ebenso die Innen- und Außenumfänge 18 und 19 der Stator­ scheiben 3 bzw. der Rotorscheiben 4. Diese Umfangsflächen sind schlitzversehen, um mit entsprechenden Keilnuten 20 im Drehrohr 5 und Keilnuten in der Radfelge (nicht gezeigt) in Eingriff zu treten. Die Radialseiten der Schlitze übertragen die Bremskräfte auf das Rad und können demzufolge einer De­ formation unterliegen. Die Umfangsflächen bewegen sich auch axial zum Rohr 5 oder der Felge 14 und können eine bleibende Verformung oder Formänderung) Brechen oder Verschleiß erfah­ ren. Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung sind demzufolge die Umfangsflächen der Kohlenstoffver­ bund-Bremsscheiben gehärtet, um Verschleiß, Deformation und das Auftreten von Brechen herabzusetzen, denen gewöhnlich bei Kohlenstoff-Kohlenstoffscheiben begegnet wird.

Offenbar unterliegt nicht der gesamte Oberflächenbereich der Druckseite der Endstatorscheiben oder der Keilnuteingriffs­ umfangsflächen der Stator- und Rotorscheiben einer Belastung oder Verschleiß. Um die benötigten verbesserten Materialei­ genschaften zu erhalten, kann es erwünscht sein, lediglich einen Teil dieser Flächen zu härten.

Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung können Kohlenstoffverbund-Bremsscheiben geeigneter Form einen auf eine oder mehrere beliebige, nachfolgend beschriebene Arten und Weisen gehärteten Abschnitt ihrer Umfangs- oder Stirn­ flächen aufweisen.

Insbesondere kann der Abschnitt durch ein Nadelverfahren oder ein chemisches Behandlungsverfahren gehärtet sein.

Um Zweifel zu vermeiden, sei festgestellt, daß ein derarti­ ges Härten während eines Faserbehandlungsverfahrens vor der Bildung von Kohlenstoffverbundmaterialien ausgeführt werden kann, oder sobald die Verbundstruktur gebildet worden ist. Es wird ersichtlich, daß der Ausdruck Härten bzw. Steif- und Festmachen so verwendet wird, daß er Härten, Aussteifen oder beides enthält und daß das Härten einer Fläche bedeutet, daß das unterhalb der Oberfläche befindliche Material gehärtet wird. "Nicht gehärtet" gibt an, daß ein Härten wie hier be­ schrieben nicht absichtlich ausgeführt worden ist.

Eine bevorzugte Form des Härtens ist Nadeln während eines Faserbehandlungsverfahrens vor der Bildung des Kohlenstoff­ verbundmaterials. Es können andere gehärtete Materialien mit sich fortschreitend ändernder Struktur während der Bildung des Verbundmaterials hergestellt werden, indem Keramikparti­ kel oder Fasern, Hartkohlenstoffpartikel oder -fasern oder eine zunehmende Volumenfraktion von Kohlenstoffasern oder in verschiedenen Richtungen orientierte Kohlenstoffasern einge­ arbeitet werden.

Sobald die Kohlenstoffverbundstruktur gebildet worden ist, kann die örtlich beschränkte Umwandlung der Struktur des Kohlenstoffs zu einer härteren oder steiferen Substanz durch chemische Verarbeitung, möglicherweise thermochemische Be­ handlung bewirkt werden. Als Beispiel hierfür wird angenom­ men, daß eine Bearbeitung durch Behandlung mit Silicium oder Chrom oder deren Verbindungen, insbesondere zur Herstellung von Carbiden, gute Ergebnisse liefert.

Die Behandlung des Oberflächenabschnittes durch Flüssig­ keitstränkung mit einem Polymerharz, gefolgt von einem Ver­ kohlungsverfahren ist eine weitere Alternative, wie dies die Tränkung mit einem Metall oder Metalloid ist. Eine weitere Behandlung bringt die Ablagerung von Material folgend auf Eindringen durch eine gasförmige Phase mit sich.

Selbstverständlich können einige der Härtungsverfahren zu einer Außenbeschichtung des Kohlenstoffverbundmaterials füh­ ren, das zu einem Materialaufbau führt, der im Querschnitt von einem Kohlenstoff-Kohlenstoff zu einem weiteren härteren Material führt, wobei sich der Materialaufbau bzw. dessen Struktur dazwischen ändert.

Zusammengefaßt:
Gegenstand der Erfindung sind Bremsscheiben mit gehärtetem Kohlenstoffverbundmaterial. Ein Scheibenstapel 1 für Flug­ zeuge umfaßt eine Anzahl von verschachtelten Stator- und Ro­ torscheiben 3, 4, die jeweils mit einem Drehrohr 5 und einer nicht gezeigten Radnabe verkeilt sind. Der Stapel 1 umfaßt weiter bifunktionelle Reibungs/Lastübertragungsscheiben in der Form von Endstatorscheiben 10, 13. Die Scheiben 10, 13 unterliegen einer nicht gleichmäßigen Belastung, da Nicht­ reibungsflächen 12, 15 bei Gebrauch auf Flächen zusammenge­ drückt werden, die kleiner als die Last tragenden Flächen der gegenüberliegenden Reibungsseiten 11, 14 sind. Dies kann zu vorzeitigem Scheibenausfall führen, und in der Vergangen­ heit sind Lastverteilungsplatten verwendet worden, um die Belastung über diesen Flächen zur Minimierung des Ausfalls­ risikos zu verteilen. Gemäß der Erfindung sind Teile bzw. Abschnitte der Lasttragflächen von Nichtreibungsflächen 12, 15 gehärtet, d. h. unterhalb dieser Flächen befindliches Ma­ terial ist gehärtet, um deren Festigkeit gegenüber Deforma­ tion, Brechen und/oder Verschleiß zu vergrößern, wodurch das Erfordernis zusätzlicher Lastverteilungsplatten beseitigt ist, die bislang benötigt wurden.

Claims (16)

1. Bifunktionelle Kohlenstoffverbundscheibe für den Einbau am Ende eines Bremsscheibenstapels, umfassend eine erste, nicht gehärtete Kohlenstoff-Kohlenstoffreibungsseite, und eine gegenüberliegende Lastübertragungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Fläche (12, 15) gehärtet ist, um eine vergrößerte Festigkeit gegenüber Deformation, Brechen und/oder Verschleißfestigkeit vorzusehen.

2. Ringförmige Kohlenstoffverbundscheibe für einen Brems­ scheibenstapel, umfassend äußere und innere Umfangsseiten­ flächen, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens ein Teil der Flächen (18, 19) gehärtet ist, um eine vergrößerte Beständigkeit gegenüber Deformation, Brechen und/oder Verschleißfestigkeit vorzusehen.

3. Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abschnitt die gesamte Fläche ist.

4. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abschnitt durch Nadeln gehärtet ist.

5. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abschnitt durch ein chemisches Behandlungsverfahren gehärtet ist.

6. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abschnitt chemisch be­ handelt ist, um eine örtlich beschränkte Umwandlung von Koh­ lenstoff zu einer härteren oder steiferen Substanz zu be­ wirken.

7. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abschnitt thermochemisch be­ handelt ist.

8. Scheibe nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die thermochemische Behandlung Behandlung mit Silicium oder Chrom oder deren Verbindungen, insbesondere zur Herstellung von Carbiden, ist.

9. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abschnitt durch Flüssigtränkung behandelt wird.

10. Scheibe nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit ein Polymerharz ist, das nach der Tränkung verkohlt worden ist.

11. Scheibe nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit Metall oder Metalloid ist.

12. Scheibe nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Behandlung Materialablagerung, folgend auf Eindringen durch eine gasförmige Phase umfaßt.

13. Scheibe nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt mit einer Beschichtung infolge der Behandlung versehen ist.

14. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt während eines Faserbehandlungsverfahrens vor der Bildung des Koh­ lenstoffverbundmaterials gehärtet worden ist.

15. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine sich in axialer Richtung ändernde Materialstruktur aufweist.

16. Bremsscheibenstapel, dadurch gekennzeich­ net, daß er eine Stoß- und/oder Druckstatorscheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.