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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Drehreibelement, und insbesondere
ein Drehreibelement mit einer eine Drehachse umgebenden Reibfläche sowie
ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dieser Typ von Drehreibelement
entspricht einer Bremsscheibe, einer Bremstrommel, einer Kupplungsplatte
oder dergleichen.
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Beschreibung
vom Stand der Technik
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Es
ist herkömmlich
eine Bremsscheibe bekannt, die aufgrund der Forderung nach einer
Gewichtsminderung aus einem Aluminiumlegierungs-Kompositmaterial
gebildet ist.
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Wenn
jedoch ein Fahrzeug, das eine wie oben beschrieben ausgebildete
Bremsscheibe aufweist, hart abgebremst wird, zum Beispiel mit hoher
Verzögerung
aus hoher Geschwindigkeit, könnte
sich ein Ringscheibenkörper
(die Reibfläche),
der mit einem Reibbelag in Reibkontakt steht, in Richtung der Drehachse
aufgrund der Reibungswärme
verwerfen, und dieses Verwerfen kann in einigen Fällen als
eine permanente Spannung verbleiben. Im Ergebnis entstehen Nachteile,
wie etwa Minderung der Bremswirkung, ungleichmäßige Abnutzung des Reibbelags
und dergleichen.
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Solche
Drehreibelemente sind zum Beispiel aus der FR-A-1 047 374 bekannt,
die ein Drehreibelement zeigt, das eine Metallmatrix aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Drehreibelement des
oben beschriebenen Typs anzugeben, worin das Verwerfen in der Drehrichtung
aufgrund der Reibungswärme
der Ringfläche,
die sich in einer diametralen Richtung um die Drehachse herum erstreckt,
wie etwa des Scheibenkörpers
der Bremsscheibe, weitgehend unterbunden werden kann.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Drehreibelement angegeben, das eine eine Drehachse
umgebende Reibfläche
aufweist, worin das Drehreibelement eine Metallmatrix, eine große Anzahl
von in der Metallmatrix verteilten Keramikkornaggregaten sowie eine
große
Anzahl feiner Keramikkörner
aufweist, wobei die Aggregate ein Aspektverhältnis A größer als 1 aufweisen. Die Keramikkornaggregate
sind mit ihren Längsrichtungen
in einer radialen Richtung in einer Ringfläche ausgerichtet, die sich in
der diametralen Richtung um die Drehachse herum erstreckt. Ein Verwerten
des Reibelements in einer Richtung der Drehachse aufgrund von Reibungswärme wird
verhindert.
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Mit
der obigen Anordnung wird die Ringfläche durch die Orientierung
der großen
Anzahl feiner Keramikkornaggregate derart verstärkt, das eine große Anzahl
von Metallverstärkungen
in der radialen Richtung eingebettet ist. Zusätzlich wird die Ringfläche über den
gesamten Bereich durch die große
Anzahl feiner Keramikkörner
verstärkt,
die in dem gesamten Bereich verteilt sind. Daher kann das Verwerfen
der Ringfläche
in der Richtung der Drehachse aufgrund von Reibungswärme weitgehend
verhindert werden.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Herstellungsprozess
des oben beschriebenen Typs anzugeben, wodurch ein Drehreibelement
mit der oben beschriebenen Anordnung massenproduziert werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines Drehreibelements
angegeben, das eine die Drehachse umgebende Reibfläche aufweist.
Das Reibelement umfasst eine Metallmatrix, eine große Anzahl
von in der Metallmatrix verteilten Keramikkornaggregaten sowie eine
große
Anzahl feiner Keramikkörner,
wobei die Aggregate ein Aspektverhältnis A größer als 1 aufweisen. Die Keramickornaggregate werden
mit ihren Längsrichtungen
in der radialen Richtung in einer Ringfläche orientiert, die sich in
der diametralen Richtung um die Drehachse herum erstreckt. Ein Verwerfen
des Drehreibelements in einer Richtung der Drehachse aufgrund von
Reibungswärme
wird verhindert. Das Verfahren umfasst die Schritte: Extrudieren
eines Rohmaterials, das eine Metallmatrix und eine große Anzahl
von Keramikkornaggregaten aufweist, die fein sind, in der Metallmatrix
verteilt sind und die angenähert
kugelförmig
sind, um hierdurch ein extrudiertes Material zu bilden, das die
große
Anzahl von Keramikkornaggregaten mit einem Aspektverhältnis A
größer als
1 sowie eine große
Anzahl feiner Keramikkörner
enthält.
Das extrudierte Material wird erhitzt, um ein Gussmaterial bereitzustellen,
worin die Metallmatrix geschmolzen ist, und das Gussmaterial wird
in einen Hohlraum einer Druckgussvorrichtung gegossen, so dass das
Gussmaterial von dem Innenumfang in den Ringflächenformungsbereich in der
radialen Richtung des Hohlraums fließen kann.
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Wenn
das Rohmaterial extrudiert wird, wird die große Anzahl der feinen Keramickornaggregate
in der Extrusionsrichtung gestreckt, so dass sie ein Aspektverhältnis A
größer als
1 haben. Einige der Keramikkornaggregate werden durch die Extrusion
desintegriert, um hierdurch eine große Anzahl feiner Keramikkörner herzustellen.
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Das
Gussmaterial nimmt einen pseudo-halbgeschmolzenen Zustand ein, worin
die Metallmatrix eine flüssige
Phase hat und die feinen Keramikkornaggregate und die feinen Keramikkörner feste
Phasen haben, aber ihre Formen beibehalten werden.
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Wenn
ein solches Gussmaterial von dem Innenumfang des Ringflächenformungsbereichs
in der radialen Richtung fließen
gelassen wird, wird eine große
Anzahl der Keramikkornaggregate so orientiert, dass ihre Längsrichtungen
mit der radialen Richtung ausgerichtet sind, die die Fließrichtung
ist, während
das Gussmaterial fließt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht
eines wesentlichen Abschnitts einer Bremsscheibe gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine vergrößerte Schnittansicht
entlang Linie 2–2
in 1.
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3 ist ein Diagramm ähnlich 2, jedoch um das Verwerten
eines Ringscheibenkörpers
zu erläutern.
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4 ist ein Diagramm zur Erläuterung
der Formänderung
eines Keramikkornaggregats durch Extrusion.
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5 ist eine Schnittansicht
einer Druckgussvorrichtung.
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6 ist eine Schnittansicht
entlang Linie 6–6
in 5.
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7 ist eine Schnittansicht
entlang Linie 7–7
in 5 zur Erläuterung
des Flusses von Gussmaterial.
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8 ist eine Schnittansicht
einer Bremstrommel ähnlich 2.
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DETAILBESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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In
Bezug auf die 1 und 2 umfasst eine Bremsscheibe 1,
die als Drehreibelement fungiert, einen Ringscheibenkörper 2 mit
einer durchmessergroßen
ringförmigen
Plattenform, die in Reibkontakt mit einem Reibbelag gebracht wird
und als eine eine Drehachse a umgebende Reibfläche fungiert, sowie einen Befestigungsabschnitt 3,
der um einen Innenumfang des Ringscheibenkörpers 2 herum angeordnet
ist, wobei der Befestigungsabschnitt 3 an einer Radnabe
angebracht wird. Der Befestigungsabschnitt 3 ist aufgebaut
aus einem ringförmigen
Mittelteil 3a, der eine durchmesserkleine ringförmige Plattenform
hat und eine Mehrzahl von Bolzeneinsetzbohrungen 4 aufweist,
und einen kurzen zylindrischen Teil 3b, der den Innenumfangsrand
des Ringscheibenkörpers 2 mit
einem Außenumfangsrand
des ringförmigen
Mittelteils 3a verbindet.
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Die
Bremsscheibe 1 umfasst eine Metallmatrix 6, eine
große
Anzahl von in der Metallmatrix 6 verteilten Keramikkornaggregaten 7 sowie
feine Keramikkörner 8.
Die Aggregate 7 haben ein Aspektverhältnis A größer als 1. Der Ringscheibenkörper 2,
der eine Ringfläche
ist, erstreckt sich in diametraler Richtung um die Drehachse a herum.
Das Verwerten des Scheibenkörpers
in der Richtung b der Drehachse aufgrund von Reibungswärme wird
verhindert. Die Keramikkornaggregate 7 sind so orientiert,
dass ihre Längsrichtungen
c mit der radialen Richtung d ausgerichtet sind.
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Wenn
die Bremsscheibe 1 in der obigen Weise konstruiert ist,
wird der Ringscheibenkörper 2 durch die
Orientierung der großen
Anzahl feiner Keramikkornaggregate 7 verstärkt, derart,
dass eine große
Anzahl von Metallverstärkungen
in der radialen Richtung d eingebettet ist. Der Ringscheibenkörper 2 ist
auch durch eine große
Anzahl feiner Keramikkörner 8 verstärkt, die
in dem Gesamtbereich des Körpers 2 verteilt
sind. Daher kann das Verwerfen aufgrund der Reibungswärme des
Bremsscheibenkörpers 2 in
der Richtung b der Drehachse, nämlich
zu dem Befestigungsabschnitt 3 hin, wie in 3 mit einer gestrichelten Linie gezeigt, weitgehend
verhindert werden.
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In
dem ringförmigen
Mittelteil 3a des Befestigungsabschnitts 3 sind
die Keramickornaggregate 7 derart orientiert, dass ihre
Längsrichtungen
mit der radialen Richtung d fluchten, und in dem kurzen zylindrischen
Teil 3b sind die Keramikkornaggregate 7 derart
orientiert, dass ihre Längsrichtungen
mit der Richtung b der Drehachse ausgerichtet sind.
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Die
Metallmatrix 6 ist aus einer Aluminiumlegierung, einer
Magnesiumlegierung oder dergleichen gebildet. Die Keramikkornaggregate 7 entsprechen
Aluminiumoxidagglomeraten, Aluminiumoxidgranulaten oder dergleichen
mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 bis 100 μm. Die Aluminiumoxidagglome rate werden
notwendigerweise im Verlauf der Herstellung des Aluminiums aus Bauxit
hergestellt und sind relativ kugelförmige Agglomerate, die eine
große
Anzahl feiner Aluminiumoxidkörner
enthalten, und sind, im Vergleich zu Verstärkungskörnern, wie etwa Aluminiumoxidkörnern, Siliciumcarbidkörnern und
dergleichen, und einer Verstärkungsfasesr,
wie etwa Aluminiumoxidfaser, Silicafaser und dergleichen, billig.
Die Aluminiumoxidgranulate werden durch das Granulieren einer großen Anzahl
feiner Aluminiumoxidkörner
mit einem Bindemittel, wie etwa einem Harz, zu einer Granulatform
gebildet.
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Wie
in 4 gezeigt, sind die
Aluminiumoxidagglomerate 7 anfänglich im Wesentlichen kugelförmig, haben
jedoch ein Aspektverhältnis
A gleich L/W > 1,
infolge des Streckens der Aluminiumoxidagglomerate in der Extrusionsrichtung
e in einem Extrusionsschritt, um ein extrudiertes Material herzustellen,
das das Gussmaterial für
die Bremsscheibe 1 ist. In diesem Fall ist es erwünscht, dass
das Aspektverhältnis
A gleich oder größer als
2 ist (A ≥ 2),
um das Verwerfen des Ringscheibenkörpers 2 zuverlässig zu
verhindern. Die feinen Keramikkörner 8 sind
jene, die durch Disintegration der Keramikkornaggregate 7 in
dem Extrusionsschritt hergestellt werden, zum Beispiel feine Aluminiumoxidkörner.
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In
der Metallmatrix 6 ist die Volumenfraktion Vf einer Dispersion,
die Keramikkornaggregate 7 und feine Keramikkörner 8 aufweist,
in einen Bereich von 5% ≤ Vf ≤ 50% gesetzt.
Wenn jedoch Vf < 5%,
ist die Verschleißbeständigkeit
des Drehreibelements, zum Beispiel der Bremsscheibe 1,
reduziert, und es wird keine ausreichende Verstärkungsleistung der Dispersion
erhalten. Wenn andererseits Vf > 50%,
wird die Bearbeitbarkeit des Drehreibelements, z.B. der Bremsscheibe 1,
verringert.
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Nachfolgend
wird ein bestimmtes Beispiel beschrieben.
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Zuerst
wurde eine Bremsscheibe 1 folgendermaßen hergestellt:
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(a)
Eine Aluminiumlegierung (A6061) und im Wesentlichen kugelförmige Aluminiumoxidaggregate 7 mit
einem durchschnittlichen Durchmesser von 50 μm und einer Volumenfraktion
Vf von 20% wurden in einen Schmelzofen gegeben, um hierdurch ein
Rohmaterial herzustellen, das eine Aluminiumlegierungsmatrix 6 und eine
große
Anzahl von Aluminiumoxidaggregaten 7 aufweist, die fein
waren, in der Matrix 6 verteilt waren und die eine angenäherte Kugelform
hatten.
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(b)
Das Rohmaterial wurde einer Induktionserhitzung bis zu 570°C unterzogen
und dann in einen Behälter
gegeben. Der Behälter,
mit dem darin eingesetzten Rohmaterial, wurde in eine Extrusionsmaschine
gegeben und dann einer Extrusion unterzogen, unter den Bedingungen
eines Extrusionsverhältnisses
von 7,2 und einer Schaftgeschwindigkeit von 3 m/min, zur Herstellung
eines Extrudats.
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Während dieser
Extrusion wurde eine große
Anzahl feiner Aluminiumoxidaggregate 7 in der Extrusionsrichtung
e gestreckt, so dass sie ein Aspektverhältnis von A nahezu gleich 2,2
(A ≅ 2,2)
hatten. Einige der Aluminiumoxidaggregate 7 wurden durch
die Extrusion desintegriert, um eine große Anzahl feiner Aluminiumoxidkörner 8 herzustellen.
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(c)
Das in eine vorbestimmte Länge
geschnittene Extrudat wurde auf 645°C induktionserhitzt, um ein Gussmaterial
mit einer geschmolzenen Aluminiummetallmatrix 6 herzustellen.
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(d)
Wie in den 5 und 6 gezeigt, enthält die Druckgussvorrichtung 9 einen
oberen Formblock 10 und einen unteren Formblock 11.
Eine Zylinderbohrung 12, die in dem oberen Formblock 10 definiert
ist, steht mit einem ringförmigen
Befestigungsteil-Formungsbereich f in einem Bremsscheiben-Formungshohlraum 13, der
durch die oberen und unteren Formblöcke 10 und 11 definiert
ist, durch drei Zugänge
g in Verbindung, die durch drei Vorsprünge 14 an der Unterseite
des oberen Formblocks 10 unterteilt sind. Das Gussmaterial 15 wurde
in die Zylinderbohrung 12 gegeben, und dann wurde ein Kolben 16 abgesenkt,
um das Gussmaterial 15 durch die Zugänge g in den Hohlraum 13 zu
laden. Danach wurde eine Druckkraft auf das Gussmaterial 15 in dem
Hohlraum 13 ausgeübt.
In diesem Fall wurde die Geschwindigkeit des Kolbens 16 auf
zwischen einer hohen Geschwindigkeit von 1 m/sec und einer niedrigen
Geschwindigkeit von 0,7 m/sec gesteuert, und die Druckkraft wurde
auf 80 MPa gesetzt.
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Das
Gussmaterial 15 floss in der radialen Richtung d in den
ringförmigen
Mittelteil-Formungsbereich
f des Hohlraums 13, und floss dann in der Richtung b der
Drehachse in einen Formungsabschnitt h des kurzen zylindrischen
Teils. Danach floss das Gussmaterial 15 in der radialen
Richtung d aus dem Innenumfang eines Ringscheibenkörper-Formungsbereichs
(Ringflächen-Formungsbereich)
k, wie auch in 7 gezeigt.
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In
dem Gießschritt
nahm das Gussmaterial 15 einen pseudo-halbgeschmolzenen
Zustand ein, in dem die Aluminiumlegierungsmatrix 6 eine
flüssige
Phase hatte und die feinen Aluminiumoxidaggregate 7 und
die feinen Aluminiumoxidkörner 8 feste
Phasen hatten, wobei aber ihre Formen beibehalten wurden. Dieses
Gussmaterial 15 wurde in der radialen Richtung d von dem
Innenumfang des Ringscheibenkörper-Formungsbereichs
k des Hohlraums 13 fließen gelassen, und eine große Anzahl
der Aluminiumoxidaggregate 7 wurde während des Flusses des Gussmaterials 15 derart
orientiert, dass ihre Längsrichtungen
c mit der radialen Richtung d ausgerichtet waren.
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Die
Volumenfraktion Vf der Dispersion in der in der obigen Weise hergestellten
Bremsscheibe 1 betrug 20%, die die gleiche ist wie die
des Rohmaterials. Diese Bremsscheibe 1 wird ein erstes
Beispiel der vorliegenden Erfindung genannt.
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Zum
Vergleich wurde eine Bremsscheibe, in der im Wesentlichen kugelförmige Aluminiumoxidaggregate
verteilt waren, in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, hergestellt,
außer,
dass der Extrusionsschritt nicht durchgeführt wurde. Diese Bremsscheibe
wird Vergleichsbeispiel genannt.
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Die
Bremsscheiben in dem ersten Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung
und dem Vergleichsbeispiel wurden einem Werkbankbremstest unterzogen,
und dann wurde der Verwertungsbetrag m der Ringscheibenbremskörper 2 in
dem ersten Beispiel und des Vergleichsbeispiels gemessen. Die Testbedingungen
waren wie folgt: Die Geschwindigkeit wurde auf 220 km/h → 0 km/h
eingestellt; die Verzöge rung
wurde auf 0,7 G eingestellt; die Trägheit wurde auf 15 kg · m2 eingestellt; und die Bremshäufigkeit
wurde auf 50 Mal eingestellt. Der Verwertungsbetrag m wurde bestimmt
als ein Verformungsbetrag in der Richtung b der Drehachse am Außenende
des Ringscheibenkörpers 2,
nämlich
zu dem ringförmigen
Befestigungsteil 4 hin, wie in 3 gezeigt.
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In
der radialen Richtung d wurden lange Zugteststücke aus den Ringscheibenkörpern 2 in
sowohl dem ersten Beispiel gemäß der vorliegenden
Erfindung als auch dem Vergleichsbeispiel hergestellt und in einer Längsrichtung
gezogen, wodurch ihre Zugfestigkeit gemessen wurde.
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Tabelle
1 zeigt Ergebnisse der beiden Tests für die beiden Beispiele.
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Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich, wurde festgestellt, dass der Verwertungsbetrag
m in dem ersten Beispiel ein Fünftel
von jenem des Vergleichsbeispiels ist, und die Festigkeit in dem
Beispiel etwa das 1,4-fache jenes des Vergleichsbeispiels ist. Diese
Unterschiede sind den Unterschieden zwischen den Formen und Orientierung
der Aluminiumoxidaggregate 7 und dem Auftreten oder Nichtauftreten
der Verteilung der feinen Aluminiumoxidkörner 8 zuordenbar.
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8 zeigt eine Bremstrommel 17 als
Drehreibelement. Die Bremstrommel 17 umfasst einen Trommelkörper 18 mit
einer zylindrischen Form zum Anordnen in Reibkontakt mit einem Belag
als Reibfläche,
welche die Drehachse a umgibt, und einen Befestigungsabschnitt 19,
der um einen Innenumfang am einen Ende des Trommelkörpers 18 herum
angeordnet und an einer Radnabe angebracht ist. Der Befestigungsabschnitt 19 ist
gebildet aus einem Ringmittelteil 19a, der eine durch messerkleine
Ringplattenform einnimmt und eine Mehrzahl von Bolzeneinsetzbohrungen 20 aufweist,
einem kurzen verjüngten
zylindrischen Teil 19b mit einem durchmesserkleinen Ende,
das mit einem Außenumfangsrand
des Ringmittelteils 19a verbunden ist, und einem ringförmigen Außenumfangsteil 19c,
der eine durchmessergroße
Ringplattenform einnimmt und ein Ringende des Trommelkörpers 18 mit
einem durchmessergroßen
Ende des verjüngten
zylindrischen Abschnitts 19b verbindet.
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Das
Material für
die Bremstrommel 17 ist das gleiche wie das für die oben
beschriebene Bremsscheibe 1, und der Gießprozess
für die
Bremstrommel 17 ist im Wesentlichen der gleiche wie jener
für die
Bremsscheibe 1. Daher wird in einem Ringbereich, der sich
in der diametralen Richtung um die Drehachse herum erstreckt, dessen
Verwerfung in der Richtung b der Drehachse aufgrund von Reibungswärme, nämlich zu
dem Ringmittelteil 19a hin, verhindert. In dem ringförmigen Außenumfangsteil 19c sind
die Aluminiumoxidaggregate 7, wie im Ringscheibenkörper 2,
derart orientiert, dass ihre Längsrichtungen
mit der radialen Richtung d ausgerichtet sind.
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In
dem Ringmittelteil 19a sind die Aluminiumoxidaggregate 7 derart
orientiert, dass ihre Längsrichtungen
zu der radialen Richtung d ausgerichtet sind. In dem verjüngten zylindrischen
Teil 19b sind die Aluminiumoxidaggregate 7 derart
orientiert, dass ihre Längsrichtungen
zu dem Verjüngungswinkel
ausgerichtet sind. Ferner sind in dem Trommelkörper 18 die Aluminiumoxidaggregate 7 derart
orientiert, dass ihre Längsrichtungen zu
der Richtung b der Drehachse ausgerichtet sind.
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Wenn
in dem Trommelkörper 18 die
Aluminiumoxidaggregate 7 wie oben beschrieben orientiert
sind, kann ein Aufspreizen einer Öffnung aufgrund von Reibungswärme, wie
in 8 mit der gestrichelten
Linie gezeigt, weitgehend unterbunden werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Drehreibelement derart ausgebildet, dass das
Verwerfen der Ringfläche
in Richtung der Drehachse um die Drehachse herum aufgrund der Reibungswärme durch
die oben beschriebene Anordnung weitgehend verhindert werden kann.
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Zusätzlich ist
es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
einen Herstellungsprozess anzugeben, wodurch ein Drehreibelement,
wie oben beschrieben, durch die Verwendung der oben beschriebenen
Mittel massenproduziert werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die gegenwärtig offenbarten
Ausführungen
werden daher in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht einschränkend betrachtet,
wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche anstatt durch die vorstehende
Beschreibung angegeben wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sicher, dass das Verwerfen des Ringscheibenkörpers einer
Bremsscheibe in Richtung einer Drehachse aufgrund von Reibungswärme weitgehend
verhindert wird. Die Bremsscheibe enthält eine Aluminiumlegierungsmatrix,
eine Vielzahl von in der Matrix verteilten Aluminiumoxidaggregaten
sowie eine Vielzahl feiner Aluminiumoxidkörner. Die Aluminiumoxidaggregate
haben ein Aspektverhältnis
A größer als
1. In einem Ringscheibenkörper
sind die Aluminiumoxidaggregate derart orientiert, dass ihre Längsrichtungen
zu der radialen Richtung des Scheibenkörpers ausgerichtet sind.