DE60038752T2

DE60038752T2 - Bremsscheibe für eine Scheibenbremse

Info

Publication number: DE60038752T2
Application number: DE60038752T
Authority: DE
Inventors: Ralf Siegfried Goller; Giovanni Paolo Pacchiana
Original assignee: Freni Brembo SpA
Current assignee: Brembo SpA
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: ATE393887T1; DE60044989D1; DE60038752D1; DE60029298D1; EP1124071B1; EP1942288A1; EP1683985B1; JP4870309B2; DE60029298T2; EP1942288B1; JP2003522913A; US20030146059A1; US6802403B2; EP1124071B2; EP1683985A1; ATE333054T1; WO2001059318A1; AU4055401A; EP1124071A1; DE60029298T3

Description

US-A-5 230 946 offenbart einen beschichteten Carbon-Carbon-Verbundwerkstoff aus einem Faserkern in einer Kohlenstoffmatrix und einer Antioxidantenbeschichtungslage aus Siliziumcarbid.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse umfassend einen Bremsbereich für das Zusammenwirken mit Bremssatteln, um einen Bremseffekt auf ein Fahrzeug auszuüben. Der Bremsbereich besteht aus einem Formkörper, der sich um eine Symmetrieachse erstreckt und durch Bremsflächen seitlich begrenzt ist. Der Formkörper kann in der Weise hergestellt werden, dass eine Mischung aus Filamentbündeln, die im wesentlichen aus Carbon bestehen, und Silizium bei einer Temperatur zusammenwirken, die hoch genug ist, um eine Fusion mit Silizium herbeizuführen.
Der Ausdruck „Filamente, die im wesentlichen aus Carbon bestehen" ist so zu verstehen, dass er auch fibröse Materialien, hergestellt durch Pyrolyse von verschiedenen Produkten synthetischen Ursprungs, beispielsweise Polyacrylnitril (PAN) oder Polysilazan oder natürlichen Ursprungs, beispielsweise Pechen oder auf Cellulose basierenden natürlichen Quellen wie Pflanzenfasern und Holz, umfasst.
Der Ausdruck „Filamentbündel" ist so zu verstehen, dass dadurch Filamentgruppen von 3000 bis 50000 Einheiten und mit Durchmessern zwischen 2 und 3 μm, die miteinander verbunden und mit einem Harz imprägniert sind, beispielsweise Polyurethanharz, erfasst sind.
Die Bündel werden anschließend gebrochen und haben Längen von weniger als 30 mm und sind letztendlich in der Mischung wahllos angeordnet.
Diese wahllos angeordneten Filamentbündel werden im allgemeinen auf der Basis der Anzahl von Einheiten, die das Bündel bilden, definiert, beispielsweise als 3 K, 10 K, 50 K usw. Es ist bekannt keramische Verbundmaterialien in verschiedenen Anwendungen zu verwenden, die eine hohe Schlagfestigkeit, Druckfestigkeit und Wär mewiderstand, erzeugt durch Reibung, erfordern, wobei diese Eigenschaften durch reine Keramikmaterialien wegen derer intrisinischen Brüchigkeit nicht gewährleistet sind. Insbesondere werden bekannte keramische Verbundmaterialien für Bremsanwendungen durch das Zusammenwirken von Silizium mit einer Mischung, die Carbonfilamentbündel und Additive, bei einer Temperatur, bei der das Silizium sich in der schmelzflüssigen Phase befindet, hergestellt.
Filamentbündel, wie sie voranstehend definiert sind, wurden während der Präparation der voranstehend erwähnten Materialien verwendet, da ein Verbundmaterial mit annehmbaren Kohäsionseigenschaften im wesentlichen produzierbar ist, mit relativ niedrigen Produktionskosten.
Nach dem Stand der Technik können diese Verbundmaterialien in der folgenden Weise aufbereitet werden:
Die Filamentbündel werden mit einem aggregierenden Harz, Pechen und anderen Additiven gemischt und die Mischung in eine Form eingebracht, in welcher sie durch Erhitzen und die Anwendung von Druck zu einem halbfertigen Produkt geformt wird. Das halbfertige Produkt wird in einem ersten Brenngang in einem Ofen einer derartigen Temperatur ausgesetzt, dass die Carbonisierung oder Pyrolyse des Harzes eingeleitet wird.
Als ein Ergebnis dieses Brennens weisen die halbfertigen Produkte einen Grad an Porosität als Folge des Verlustes von flüchtigem Material bei den Carbonisierungs- oder Pyrolysetemperaturen auf.
Das gebrannte halbfertige Produkt wird dann einer zweiten Brennung in Anwesenheit von Silizium einer derartigen Temperatur ausgesetzt, dass es zu einer Fusion und eines Eindringens des Siliziums in die Poren des halbfertigen Produkts kommt.
Die Infiltration des Siliziums erhöht die Kohäsion der Carbonfilamentbündel und zur gleichen Zeit reagiert teilweise das geschmolzene Silizium mit dem Kohlenstoff während der Bedingungen des zweiten Brandes, wobei Siliziumcarbide gebildet werden, die den Effekt besitzen die Kohäsionseigenschaften des Materials zu verbessern. Das Verbundmaterial, hergestellt nach der voranstehend beschriebenen Methode, wird oft in der Produktion von Brems-Kupplungskomponenten für Fahrzeuge verwendet, insbesondere für Scheibenbremsen, infolge der guten Eigenschaften bezüglich der Kompressionsstärke und des Hitze- und Verschleißwiderstandes.
Trotz der voranstehend beschriebenen guten Eigenschaften weisen bekannte Bremsscheiben aus diesem Verbundstoffmaterial den schweren Nachteil auf, dass jede Risse oder Brüche, die in ihnen gebildet werden als Ergebnis von Wärme und/oder Kompressionsspannungen dazu neigen, sich rasch durch die Struktur des Materials auszubreiten, und bringen dieses zum kompletten Zerfall. Der Einsatz bekannter Bremsscheiben für Fahrzeugscheibenbremsen führt somit klarerweise zu erheblichen Risiken für die Sicherheit des Anwenders.
Das durch die vorliegende Erfindung zu lösende Problem besteht darin, eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse zur Verfügung zu stellen, die strukturelle und funktionelle Eigenschaften besitzt, durch welche die zuvor erwähnten Nachteile im Stand der Technik überwunden werden.
Dieses Problems wird durch die Bremsscheibe für eine Scheibenbremse gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass der Einbau von verstärkenden Fasern in einer Mischung, die Bündel von wahllos angeordneten Filamente innerhalb des Formkörpers der Bremsscheibe für eine Scheibenbremse eine Scheibe aus einem Verbundstoffmaterial mit einem geformten Körper produziert, der gute Kohäsionseigenschaften besitzt und zur gleichen Zeit die Ausbreitung von Rissen durch den Gesamtkörper verhindert, wenn die Scheibe im Einsatz ist.
Die verstärkenden Fasern erstrecken sich bevorzugt in der Scheibenstruktur des Verbundstoffmaterials gemäß der Erfindung in der gesamten Gestalt.
Alternativ können die Verstärkungsfasern nur in einigen Bereichen der Scheibe vorgesehen sein, beispielsweise in den Bereichen, in denen Risse auftreten als auch in den Bereichen, die durch Bruch Ausbreitungspfaden beeinträchtigt sind, wobei diese Bereiche auf der Basis von Strukturberechnungen leicht identifizierbar sind.
Zum Beispiel ist es im Fall einer axialsymmetrischen Struktur, wie sie bei einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse vorliegt, aufgrund von Strukturberechnungen klar, dass die Riss-Ausbreitungspfade in Bezug auf den Formkörper mit größter Wahrscheinlichkeit radial verlaufen, so dass die Ausbreitung vom inneren der Scheibe nach außen in einem Ausmaß erfolgt, bei dem die Scheibe explodiert.
In einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse wird daher die Ausbreitung von Ris sen verhindert, indem die Verstärkungsfasern beispielsweise rings um kreisförmige Teile der Scheibe mit ansteigender Größe angeordnet sind.
Es ist wichtig, dass die Verstärkungsfasern ausreichende Kohäsionseigenschaften zu den anderen Komponenten des Verbundstoffmaterials haben, die die Bremsscheibe bilden, um zu verhindern, dass die Gesamtstruktur bei der Verwendung auseinanderfällt, selbst bei Abwesenheit von Rissen oder Brüchen.
Desweiteren sollen die Verstärkungsfasern im wesentlichen inert in Bezug auf die Komponenten des Verbundstoffmaterials sein und eine adäquate Möglichkeit besitzen den Temperaturen der Pyrolyse und der Infiltration von Silizium zu widerstehen, um deren Abbau während der Präparation des Materials, aus dem die Scheibe besteht, zu vermeiden.
Aus diesem Grund besteht das Material für die Verstärkungsfasern bevorzugt aus Carbonfasern. Jedoch ist es auch möglich andere Materialien wie SiC, Si₃N₄, und TiC als auch Metalle wie Platin, zu verwenden, die den Temperaturen bei dem Zusammenwirken mit Silizium widerstehen.
Die Verstärkungsfasern können in das Material auf verschiedene Weise eingebracht werden. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern in einer Vielzahl von Bündeln angeordnet sein, die in vordefinierten Richtungen angebracht sind.
Diese Richtungen können zum Beispiel Schuss- und Kettenrichtungen sein, wenn die Bündel ein Gewebe bilden.
Alternativ können die Verstärkungsfasern einen Vlies bilden, beispielsweise einen Filz.
Die Verstärkungsfasern können auch eine oder mehrere Lagen innerhalb des Formkörpers der Bremsscheibe formen.
Die Mengen der in dem Verbundstoffmaterial enthaltenen Komponenten, ausgebildet in Gestalt einer Bremsscheibe, können variieren, sie betragen in Volumenprozenten, relativ zu dem Volumen des Materials:

– Filamentbündel 40–70%, bevorzugt 50–60%,
– Bindemittel 5–30%, bevorzugt 15–25%,
– Additive 0,5–20%, bevorzugt 1–15%,
– Verstärkungsfasern 4–30%, bevorzugt 10–20%.

Weiteren Eigenschaften und Vorteile der Bremsscheibe für einen Scheibenbremse gemäß der Erfindung folgen aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, bilden jedoch keine begrenzenden Beispiele, unter Bezugnahme auf die anhängigen Zeichnungen, in denen:
1 ein Blockdiagramm zeigt, mit den Hauptschritten für die Präparation einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse entsprechend der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse gemäß der Erfindung,
3 eine perspektivische Ansicht eines Bremsbandes einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse entsprechend der Erfindung,
4 eine teilweise geschnittene, perspektivische Ansicht ein Detail eines Bremsbandes einer Bremsscheibe für eine Scheibenbremse,
5 ein Detail zeigt, angezeigt durch den Pfeil V des Bremsbandes der 4 im vergrößerten Maßstab,
6 bis 9 in Draufsicht vier verschiedene Ausführungsformen einer Komponente des Bremsbandes nach 4,
10 und 11 teilweise geschnittene, perspektivische Ansichten von Details einer Komponente eines Bremsbandes gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Wie aus 1 ersichtlich ist, kann das Verbundkeramikmaterial, aus dem der Körper der Bremsscheibe für eine Scheibenbremse gemacht ist, durch das folgende Verfahren produziert werden, das ausschließlich beispielhaft angegeben ist:

a) Mischen einer vorgegebenen Menge von Filamentbündeln, die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen und Längen nicht größer als 30 mm besitzen, mit einer vorgegebenen Menge eines organischen Binders zu einer Mischung,
b) Einbringung der Mischung in eine Form geeigneter Gestalt und gleichzeitige Einbringung einer Vielzahl von Verstärkungsfasern in die Mischung, die sich ringsum in der Gestalt in einer Weise erstrecken, dass die Ausbreitung von Rissen verhindert wird,
c) Formen der Mischung unter Einschluss der Verstärkungsfasern, um ein halbfertiges Produkt zu erzeugen,
d) Unterziehen des halbfertigen Produktes einer ersten Brennung bei einer Temperatur derart, um die Carbonisierung oder Pyrolyse des organischen Bindemittels im wesentlichen herbeizuführen,
e) Aussetzen des gebrannten halbfertigen Produkts einer zweiten Brennung in Anwesenheit von Silizium bei einer Temperatur derart, um die Fusion des Siliziums und das Eindringen desselben in das halbfertige Produkt herbeizuführen, um das geformte Verbundstoffmaterial zu produzieren.

Bei dem voranstehend beschriebenen Verfahren haben die Filamentbündel Durch messer von 0,1 bis 2 mm, bevorzugt von 0,3 bis 0,5 mm.
Die Menge an Filamentbündeln, die in der Mischung enthalten sind, kann von 50% bis 80 Volumen-% variieren, in Bezug auf das Volumen der Mischung und liegt bevorzugt im Bereich von 60 bis 70%.
Die Filamentbündel und/oder Verstärkungsfasern können vorab mit einem Schutzharz beschichtet sein, bevorzugt Polyurethanharz, bevor sie entsprechend der voranstehend beschriebenen Methode, angewandt werden.
Alternativ können die Filamentbündel und die Verstärkungsfasern vorab mit dem gleichen organischen Bindemittel beschichtet sein, das für das Herstellen der Mischung verwendet wird.
Auf diese Weise wird eine größere Kohäsion des Materials und ein kompakteres Produkt erhalten.
Während der ersten Brennung des halbfertigen Produkts carbonisieren das Harz und das organische Bindemittel, wodurch eine Schutzschicht auf den Filamentbündeln und den Verstärkungsfasern entsteht, so dass deren Zerfall oder deren Lösung während der nachfolgenden Behandlung mit Silizium verhindert wird.
Die Filamentbündel und die Verstärkungsfasern behalten ihre ursprüngliche Gestalt während des Prozesses, so dass ein Material mit guten Kohäsions- und Festigkeitseigenschaften erzeugt wird.
Das organische Bindemittel ist ein herkömmliches Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Phenol- und Acrylharze, Paraffin, Peche, Polystyrole und dergleichen.
Das Bindemittel ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, umfassend Peche und Phenolharze.
Das Bindemittel kann zu der Mischung in jeder gewünschten Form hinzugefügt werden, beispielsweise in fester, halbflüssiger oder flüssiger Phase oder in Lösung. Beispielsweise kann Phenolharz in Form von Pellets, Pulver oder Granulaten hinzugegeben werden.
Die Menge des organischen Bindemittels in der Mischung kann von 5 bis 30 Volumen-%, bezogen auf das Volumen der Mischung, variieren und liegt bevorzugt innerhalb des Bereichs von 20 bis 26%.
Die Mischung kann ebenso andere herkömmliche Additive enthalten, die als Füller genutzt werden und indirekt die Porosität und die Dichte des gewünschten Verbundstoffmaterials regulieren.
Diese Additive bestehen aus Partikeln von anorganischen Materialien wie beispielsweise bevorzugt Grafit, Siliziumcarbid, oder Metallcarbiden oder -nitriden in Pulverform.
Die Menge der Additive in der Mischung kann von 0,7% bis 23 Volumen-% variieren, bezogen auf das Volumen der Mischung, und liegt bevorzugt innerhalb des Bereichs von 9% bis 15%.
Das Mischen kann in herkömmlicher Weise ausgeführt werden und mit üblichen Apparaturen und die Filamentbündel werden wahllos in verschiedenen Richtungen angeordnet.
Die Verstärkungsfasern können in verschiedener Weise in die Mischung eingefügt werden.
Entsprechend einer bevorzugten Weise für das Implementieren des Verfahrens, wird das Einbringen durch folgende Schritte durchgeführt:

i) Anordnen einer ersten Schicht der Mischung entlang der Gestalt der Form,
ii) Hinzufügen, auf die erste Schicht der Mischung, eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, die sich ringsum in der Gestalt in einer Weise erstrecken, dass sie die Ausbreitung von Rissen verhindern,
iii) Anordnen einer zweiten Schicht der Mischung auf der ersten Schicht, um die Vielzahl von Verstärkungsfasern vollständig abzudecken.

Die Verstärkungsfasern können der Mischung in Form einer Vielzahl von Bündeln hinzugefügt werden, die in vordefinierten Richtungen angeordnet sind.
Diese vordefinierten Richtungen können Schuss- und Kettenrichtungen sein, so dass die Bündel ein Gewebe bilden.
Alternativ können mehrere Bündel der Verstärkungsfasern kombiniert oder miteinander verdrillt sein, um einen einzelnen Schussfaden oder Kettenfaden für das Gewebe zu bilden.
Das Gewebe kann 2–30 Verstärkungsfasern pro cm, bevorzugt 5–8 Fasern pro cm enthalten.
Alternativ können die Verstärkungsfasern einen Vliesstoff, beispielsweise einen Filz, bilden.
Die Menge der eingebauten Verstärkungsfasern in der Mischung hängt von dem geforderten Verstärkungsfasergehalt des finalen Verbundstoffmaterials ab, dieser Gehalt kann im Bereich von 4–30 Volumen-%, bezogen auf das Materialvolumen liegen, bevorzugt im Bereich von 10–20%.
Es ist offensichtlich, dass die voranstehend beschriebenen Beschichtungsschritte entsprechend einer vorgegebenen Anzahl wiederholt werden können, um so ein Vielschichtverbundstoffmaterial zu erzeugen, in dem jede Schicht aus Verstärkungsfasern zwischen zwei Schichten der Mischung, bestehend aus Filamentbündeln, eingeschlossen ist.
Während des Formungsschrittes des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Mischung, die die Verstärkungsfasern enthält, in der Form auf eine Temperatur von 80°–180°C erhitzt, bevorzugt auf 100–120°C und der Druck beträgt zwischen 0,1 N/cm² und 5 N/cm², bevorzugt 0,5–1 N/cm². Das geformte und kompakte Halbfertigprodukt, das erhalten wird, wird aus der Form entfernt und anschließend einem ersten Brand unterzogen, um das organische Bindemittel zu carbonisieren (Schritt d), Pyrolyse).
Dieses Brennen wird in einem herkömmlichen Ofen bei einer Temperatur ausgeführt, die im wesentlichen vom Typ des Bindemittels abhängt und im allgemeinen innerhalb des Bereiches von 900–1200°C liegt.
Das Brennen wird in Anwesenheit eines Inertgasstromes wie Stickstoff oder Argon ausgeführt und mit einem Überdruck von 10–100 mbar, bevorzugt 20–30 mbar.
Der Gasstrom entfernt vorteilhafterweise die Gase, die bei der Pyrolyse des organischen Bindemittels freigesetzt werden.
Während dieses Verfahrensschrittes erlangt das Halbfertigprodukt eine größere Porösität, die für das nachfolgende Brennen wichtig ist, da sie das Eindringen des geschmolzenen Siliziums ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren auch einen Verarbeitungsschritt des Rohmaterials oder des Finishens der Oberfläche des Halbfertigprodukts umfassen, das bei dem ersten Brennschritt d) erzeugt wurde.
Dies ermöglicht es, jede Oberflächendeformation des Halbfertigprodukts mittels herkömmlicher Apparaturen zu entfernen, um dem Produkt die gewünschte Gestalt zu geben.
Der Fertigbearbeitungsschritt wird bevorzugt trocken durchgeführt, beispielsweise mittels Diamanten, da das Halbfertigprodukt, das nach dem ersten Brennen einen Grad an Porösität erreicht hat, in nachteiliger Weise Flüssigsubstanzen absorbieren könnte, wenn die Endbearbeitung nass durchgeführt wird.
Das bearbeitete Halbfertigprodukt, gebrannt gemäß dem Schritt d) wird einem zweiten Brennvorgang in Anwesenheit von Silizium (Schritt e)) ausgesetzt.
Zum Ausführen des zweiten Brennvorgangs wird das Halbfertigprodukt gebrannt und möglicherweise einer Endbearbeitung unterzogen, in die Kammer eines Containers eingeschoben, die ein Volumen ungefähr doppelt so groß wie das Halbfertigprodukt besitzt, der Raum zwischen dem Halbfertigprodukt und dem Behälter wird mit Silizium gefüllt, das das Halbfertigprodukt umgibt. Die verwendete Siliziummenge ist daher diejenige, die erforderlich ist, um die Poren des Halbfertigprodukts zu füllen oder ist geringfügig größer.
Reines Silizium oder eine Legierung aus Silizium und Aluminium oder Kupfer in Granulat- oder Pulverform wird zum Füllen des Raumes verwendet.
Die Kammer steht in Verbindung mit der Außenumgebung mittels geeigneten Löchern für das Ausströmen der während des Brennvorgangs freigesetzten Gase. Nachdem das Silizium eingebracht wurde, wird der Behälter in einen geeigneten herkömmlichen Ofen eingeschoben und auf eine Temperatur von 1400–1700°C erhitzt.
Bei diesen Temperaturen schmilzt das Silizium und infiltriert die Poren des Halbfertigprodukts (Silizifikation).
Das Brennen erfolgt unter einem Teilvakuum bei einem reduzierten Druck von 900 mbar–300 mbar, bevorzugt von 800–500 mbar.
Nach Beendigung des Brennens wird das Verbundstoffmaterial abgekühlt, beispielsweise mit Argon oder bevorzugt mit Stickstoff, so dass das restliche Silizium, verdichtet in kleinen Sphären, die ohne Schwierigkeiten aus dem Container entfernt werden können.
Die Scheibe aus Verbundstoffmaterial entsprechend der Erfindung, die so produziert wurde, kann wahlweise einer Oberflächenendbearbeitung unterzogen werden, die trocken oder nass, in herkömmlicher Weise durchgeführt wird.
Es ist offensichtlich, dass die Schritte des Brennens in einem Ofen, das sind die Pyrolyse- und Silizifikationsschritte, in einem einzigen Ofen vorgenommen werden können, wodurch die Produktionszeiten und die Komplexität der Vorrichtung reduziert werden.
Das voranstehend beschriebene Material kann direkt in eine Bremsscheibe 1 für eine Scheibenbremse geformt werden, umfasst einen Trägertopf 2 für dessen Verbindung mit der Stützstruktur und eine Bremsfläche 3 (2).
Wahlweise kann das Verbundstoffmaterial als ein Bremsring oder eine Bremsfläche für eine Scheibe geformt sein, die mit einem getrennten Trägertopf aus dem gleichen Material oder einem unterschiedlichen Material wie beispielsweise Aluminium oder Stahl verbunden ist, mittels einer Vielzahl von Sitzen oder Löchern 2a, die gleichmäßig längs einem inneren ringförmigen Teil 4a verteilt sind (3). Entsprechend einer davon unterschiedlichen Ausführungsform kann dieser innere kreisförmige Teil 4a eine Vielzahl von Ausdehnungen oder Vorsprünge 4b aufweisen, die Löcher 2a für die Verbindung mit dem Trägertopf besitzen (4).
Die Bremsfläche 3 hat einen ringförmigen Körper 4, der sich um eine Symmetrie- und Rotationsachse X-X erstreckt. Der Körper ist seitlich durch Bremsflächen 5 und 6 festgelegt, die mit Bremssatteln zusammenwirken, um einen Bremseffekt auf ein Fahrzeug auszuüben. Die Bremsflächen 5, 6 sind zueinander parallel und die Dicke S des Körpers 4 in 4 ist zwischen ihnen festgelegt.
Wie voranstehend beschrieben wurde, umfasst der Körper 4 Bündel von Carbon- bzw. Kohlenstofffilamenten 7 mit Längen kleiner als 30 mm, beispielsweise in der Länge von 5 mm, die wahllos in dem Bindemittel 8 angeordnet sind, das aus einem aggregierenden Harz mit Additiven besteht, gebrannt in Zusammenwirkung mit Silizium (4 und 5).
Die voranstehend beschriebenen Verstärkungsfasern 9 sind in dem Körper 4 eingefügt. Beispielsweise bestehen die Verstärkungsfasern 9 aus Bündeln von Carbonfasern. Gemäß einer Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern 9 in einer Vielzahl von Verstärkungsfasern in gekreuzter oder ausgerichteter Anordnung in einer einzelnen Ebene 10 angebracht. Insbesondere ist eine Vielzahl von Bündeln aus Verstärkungsfasern 9 relativ zueinander so angeordnet, dass sie eine Verstärkungsstruktur, angezeigt durch die Bezugszahl 11 (6 bis 11) bilden. Beispielsweise hat die Verstärkungsstruktur die Gestalt eines Netzes 12. Das Netz 12 ist vorzugsweise flach und kreisförmig, so dass es zumindest eine innere Schicht 13 des Körpers 4 (4) bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Netz 12 Maschen 14 auf, geformt von Bündeln aus Verstärkungsfasern 9, die miteinander verdrillt sind.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die netzgleiche Verstärkungsstruktur aus Bündeln von Verstärkungsfasern 9 gebildet, die konzentrisch angeordnet sind, verbunden mit Bündeln aus Verstärkungsfasern 9, die im wesentlichen radial verlaufen (6), um so die Ausbreitung von Rissen in der Bremsfläche 4 zu verhindern oder mit anderen Worten Widerstände in den berechneten oder vordefinierten Risspfaden vorzusehen.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform ist die Verstärkungsstruktur 11 parallel zu den Bremsflächen 5, 6 (4) angeordnet. Zum Beispiel ist die netzähnliche Verstärkungsstruktur 12 im Zentrum des Körpers 4 der Scheibe 1 angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Vielzahl von Verstärkungsstrukturen 11, beispielsweise eine Vielzahl von netzähnlichen Verstärkungsstrukturen 12 in dem Körper 4 eingebaut. Beispielsweise ist die Vielzahl von netzähnlichen Verstärkungsstrukturen 12 in dem Körper 4 in einem Drittel (S') seiner Dicke (S) und in zwei Drittel (S'') seiner Dicke (S) eingefügt.
Die Bremsscheibe aus dem Verbundstoffmaterial entsprechend der Erfindung unterscheidet sich durch ihre optimalen Reibungseigenschaften, Härte, Biegestärke, Wärme- und Verschleißwiderstand, erzeugt durch Reibung, Schlagfestigkeit und Druckfestigkeit, welche sie insbesondere geeignet für die Anwendung in Bremsapplikationen machen.
Der Hauptvorteil der Bremsscheibe aus dem Verbundstoffmaterial entsprechend der Erfindung liegt jedoch in der Tatsache, dass sie sehr sicher in der Anwendung ist, da jede Risse oder Brüche, die in der Bremsscheibe während ihrer Verwendung auftreten, nicht zu einem kompletten Zerfall der Struktur führen, da ihre Ausbreitung durch die Verstärkungsfasern, die in dem Material eingebaut sind, verhindert wird.
Ein weiterer Vorteil der Bremsscheibe aus dem Verbundstoffmaterial entsprechend der Erfindung besteht darin, dass sie leicht und wirtschaftlich herstellbar ist, ohne dass wesentliche zusätzliche Kosten, insbesondere teure Werkzeuge, erforderlich sind.
Tatsächlich ist darauf hinzuweisen, dass die Bremsscheibe aus Verbundstoffmaterial entsprechend der Erfindung durch herkömmliche Techniken hergestellt werden kann, die bei der Produktion von entsprechenden bekannten Verbundstoffmaterialien eingesetzt werden.
Es ist offensichtlich, dass Varianten und/oder Ergänzungen zu den voranstehend beschriebenen und illustrierten Ausführungsbeispielen vorgesehen werden können. Als eine Alternative zu der Anordnung, die in 6 gezeigt ist, besteht die netzähnliche Verstärkungsstruktur 12 aus einem Bündel von Verstärkungsfasern 9, die konzentrisch angeordnet sind und mit Bündel aus Verstärkungsfasern 9, die hierzu quer verlaufen, verbunden sind, um so Kreisbogenstücke oder Spiralen zu bilden (8).
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform bilden die Verstärkungsfasern 9 der Bündel eine netzähnliche Verstärkungsstruktur 12, die an einigen oder allen geometrischen Schnittpunkten miteinander verknotet sind (7).
Als eine Alternative zu den in den 6 bis 8 gezeigten Anordnungen besteht die Verstärkungsstruktur 11 aus einer Vielzahl von Bündeln aus Verstärkungsfasern 9, die miteinander verwoben sind (9).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verstärkungsstruktur 11 dreidimensional (10 und 11). Beispielsweise ist eine Vielzahl von Bündeln aus Verstärkungsfasern 9 miteinander verflochten oder ineinander verschlungen, um verschiedene Schichten 13 zu bilden, die parallel zu den Bremsflächen 5 und 6 angeordnet sind. Die Schichten sind miteinander quer durch eine zweite Vielzahl von Bündeln von Verstärkungsfasern 9 verbunden, beispielsweise an den Schnittpunkten der Bündel, welche die Schichten 13 formen (10). Wahlweise können die Schichten 13 quer relativ zu den Bremsflächen 5 und 6 angeordnet sein oder in anderen Worten, bilden die Schichten aus den Bündeln von Verstärkungsfasern 9 miteinander gekreuzte, verflochtene oder ineinander verschlungene konzentrische Ringe. Wenn diese Schichten 13 in dem Formkörper der Scheibe eingebaut sind, unterteilen sie die potentiellen Riss-Ausbreitungslinien in Teile oder Abschnitte, um so die weitere Ausbreitung von Rissen über die Distanz zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten 13 hinaus zu verhindern.
Als eine Alternative zu der dreidimensionalen Verstärkungsstruktur ist es möglich, in den Körper der Scheibe eine Vielzahl von Verstärkungsfasern oder Bündel von Verstärkungsfasern einzubauen, die miteinander so verbunden sind, dass sie einen Vliesstoff bilden, der sich durch die gesamte Ausdehnung des Körpers erstreckt, um in diesem angeordnet zu sein oder mit anderen Worten, die potentiellen Riss-Ausbreitungspfade zu blockieren.
Um eventuelle oder spezifische Anforderungen zu erfüllen, kann der Fachmann an den voranstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Bremsscheibe für eine Scheibenbremse vielerlei Modifikationen, Adaptionen und den Ersatz von Elementen durch funktionelle äquivalente Elemente vornehmen, ohne aus dem Schutzbereich der anhängigen Ansprüche zu gelangen.

Claims

Bremsscheibe (1) für eine Scheibenbremse umfassend – einen Bremsbereich (3) für das Zusammenwirken mit Bremssatteln (3), um einen Bremseffekt auf ein Fahrzeug auszuüben, – der Bremsbereich (3) weist einen Formkörper (4) auf, der sich um eine Symmetrieachse (X-X) erstreckt und seitliche Bremsflächen (5, 6) hat, der Formkörper (4) aus einem keramischen Verbundmaterial ist durch das Aufeinanderwirken einer Mischung aus Filamentbündeln (7), die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, zufallsverteilt angeordnet sind und Abmessungen nicht größer als 30 mm haben, und Silizium hergestellt, bei einer ausreichend hohen Temperatur für eine Fusion des Siliziums, und – eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, die in dem Formkörper (4) eingefügt sind und sich im Formkörper in einer Weise erstrecken, die das Ausbreiten von Spannungsrissen verhindert.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 1, in der die Mischung ein Bindemittel (8) enthält.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 2, in der das Bindemittel (8) ein organisches Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Phenol- und Acrylharze, Paraffin, Peche und Polystyrole, ist.
Bremsscheibe (1) nach jedem der voranstehenden Ansprüche, in der die Verstärkungsfasern Carbonfasern sind.
Bremsscheibe (1) nach jedem der voranstehenden Ansprüche, in der die Fasern der Mehrheit von Verstärkungsfasern in einer Vielzahl von Bündeln (9) angeordnet sind, die in vorgegebenen Richtungen eingebaut sind.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 5, in der Bündel (9) aus Verstärkungsfasern in eine sich gegenseitig kreuzenden oder ausgerichteten Ausführung angeordnet sind.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 5 oder 6, in der die Bündel (9) aus Verstärkungsfasern in einer einzelnen Ebene angeordnet sind.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 5 bis 7, in der die Bündel (9) aus Verstärkungsfasern relativ zueinander in einer Weise derart angeordnet sind, dass sie eine Verstärkungsstruktur (11) in Form einer netzähnlichen Verstärkungsstruktur (12) bilden.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 8, in der die netzähnliche Verstärkungsstruktur (12) Maschen (14) aufweist, geformt von Bündeln (9) aus Verstärkungsfasern, die miteinander verdreht sind.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 8 oder 9, in der die netzähnliche Verstärkungsstruktur (12) aus Bündeln (9) aus Verstärkungsfasern geformt ist, die konzentrisch zu der Symmetrieachse (X-X) des Formkörpers (4) angeordnet sind und mit Bündeln (9) aus Verstärkungsfasern assoziiert sind, die im wesentlichen radial in Bezug auf den Formkörper (4) ausgerichtet sind.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 8 oder 9, in der die netzähnliche Verstärkungsstruktur (12) aus Bündeln (9) aus Verstärkungsfasern geformt ist, die konzentrisch zu der Symmetrieachse (X-X) des Formkörpers (4) ausgerichtet und mit Bündeln (9) aus Verstärkungsfasern assoziiert sind, die in Bezug auf die konzentrischen Bündeln in einer Weise quer angeordnet sind, dass sie Kreisbögen oder Spiralbögen bilden.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 8 bis 11, in der die Bündel (9) aus Verstärkungsfasern die netzähnliche Verstärkungsstruktur (12) bilden, miteinander an einigen oder allen geometrischen Schnittpunkte verflochten sind.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 5 bis 12, in der die Bündel (9) aus Verstärkungsfasern durchflochten sind, um Kette und Schuss eines Gewebes zu bilden.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 8 bis 13, in der die netzähnliche Verstärkungsstruktur (12) parallel zu den Bremsflächen (5, 6) angeordnet ist.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 8 bis 14, in der die netzähnliche Verstärkungsstruktur (12) im Zentrum des Formkörpers (4) angeordnet ist.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 8 bis 15, in der eine Vielzahl von netzähnlichen Verstärkungsstrukturen (12) in den Formkörper (4) eingearbeitet ist.
Bremsscheibe (1) nach Anspruch 16, in der die netzähnlichen Verstärkungsstrukturen (12) drei Bereiche des Formkörpers (4) festlegen.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 8 bis 17, in der die Verstärkungsstruktur (11) dreidimensional ist.
Bremsscheibe (1) nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, in der die Vielzahl von Verstärkungsfasern einen Vliesstoff bilden.