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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kohlenstoffreibscheiben
und insbesondere eine Kohlenstoffreibscheibe für eine Flugzeugbremse, die
zur Bereitstellung von konstruktiver Stabilität, angemessenem Reibkontakt
und ausreichender Wärmeaufnahme
ausgeführt
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Flugzeugbremsen
enthalten in der Regel mehrere Statorscheiben und Rotorscheiben,
die während
der Bremsbetätigung
eines Flugzeugs zusammengedrückt
werden. Die Statorscheiben und Rotorscheiben sind normalerweise
abwechselnd angeordnet, um einen Bremsscheibenstapel zu bilden.
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Die
stationären
Statorscheiben des Scheibenstapels sind in einer ein Flugzeugrad
oder eine Flugzeugwelle umgebenden nicht drehenden Position angeordnet.
Die sich drehenden Rotorscheiben sind an einem Außenumfang
des Flugzeugrads oder der Flugzeugwelle befestigt und können sich
normalerweise frei mit dem Flugzeugrad drehen, wenn die Bremse nicht
im Gebrauch ist.
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Ein
Bremsgehäuse
kann mehrere Druckkolbenstellglieder enthalten, die zur Bereitstellung
der Bremsdruckkraft angeordnet sind, die die Statorscheiben und
die Rotorscheiben des Scheibenstapels der Flugzeugbremse zusammendrückt. Es
können
Bremseinstellvorrichtungen in der Bremse eingesetzt werden, um die
relativen Positionen der Bremsscheiben zu verstellen, wenn diese
Reibungskomponenten während
des Gebrauchs der Bremse verschlissen werden.
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Kohlenstoffbremsscheiben
für die
oben erwähnten
Flugzeugbremssysteme sind im Stand der Technik wohlbekannt. Kohlenstoffbremsscheiben bieten
gegenüber
anderen Bremsscheiben des Stands der Technik wesentliche, Wärmeeigenschaften
und Verschleiß betreffende
Vorteile. Es wird erwartet, dass die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe
mindestens drei unterschiedliche Funktionen in einer Flugzeugbremse
erfüllen:
Eine Struktur-, Reib- und Wärmeaufnahmefunktion,
zum Beispiel als Kühlkörper dienen.
Es ist jedoch schwierig, alle drei Erfordernisse gleichzeitig zu
optimieren.
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Die
US-PS 3 712 427 und 3 800 392 beschreiben wiederherstellbare Kohlenstoff-
und/oder Graphit-Bremsscheiben
mit entfernbaren Verschleißdeckplatten.
Da Kohlenstoff- und Graphitbremsscheiben beschädigt oder verschlissen werden,
muss möglicherweise
die gesamte Bremsscheibenanordnung ausgetauscht werden, um die konstruktive
Stabilität
des Bremssystems zu gewährleisten
und/oder die Ausgangsabmessungen des Bremsstapels aufrechtzuerhalten.
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Die
Bremsscheiben können
maschinell so hergestellt werden, dass sie eine ringförmige Kernplatte
mit relativ dünnen
Verschleißplatten
aus auf Kohlenstoff basierenden Reibmaterialien enthalten, die die
Reibkontaktflächen
der Kernplatten bilden. Diese Verschleißplatten sind mit den ringförmigen Kernplatten
entweder verklebt oder durch wohlbekannte Mittel, wie zum Beispiel
Nieten oder Schrauben, mechanisch daran befestigt. Demgemäß bieten diese
Arten von entfernbaren Verschleißflächen billigere alternative
Verfahren zur Wiederherstellung und Reparatur von Bremsscheiben-Verchleißflächen.
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Die
US-PS 5 558 186 und 5 779 006 von Hyde et al. beschreiben Reibscheiben
mit wiederherstellbaren Verschleißflächen zur Erleichterung eines kostengünstigen
Wiederherstellens und Austauschens von Stator- und Rotorscheiben.
Diese Reibscheibenanordnungen enthalten einen ringförmigen strukturellen
Träger,
der mehrere ausgesparte Bereiche enthält, die um den Umfang des Trägers beabstandete
Wände und
Drehmomentantriebskerben aufweisen.
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Des
Weiteren wird bei der Scheibenanordnung ein Reibbelag mit einer
flachen Verschleißfläche und
einer Vorderfläche
mit erhabenen Bereichen zum zusammenfügenden Eingriff mit den Wänden ausgesparter
Bereiche des Trägers
bereitgestellt. Hyde et al. beschreiben, dass die Tiefe der ausgesparten
Bereiche sogar geringer sein kann als die entsprechende Höhe der erhabenen
Bereiche des Reibbelags. Zum Beispiel zeigen die
4 und
5 der US-PS 5 558 186 einen Träger mit
mehreren ausgesparten Bereichen in Form von Fenstern ohne jegliches
Material. Die
1 und
3 der Schrift
GB 2191830 , die als der
nächstliegende
Stand der Technik betrachtet wird, zeigen einen Träger mit
Aussparungen, die mit entsprechenden Vorsprüngen des Reibbelags zusammengefügt werden.
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Wie
bei diesen oben erwähnten
Beispielen des Stands der Technik zu sehen kann jedoch die gewünschte Übertragung
von Kräften
zwischen dem Reibbelag und dem Träger komplexe Fertigungsschritte
erfordern. Zum Beispiel können
die entsprechenden Pass-Komponenten der Bremsscheibenanordnung mehrere
Bearbeitungsschritte erfordern, um die radialen und tangential ausgerichteten
Umfangskomponenten zu schaffen, die die Anordnung bilden.
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Deshalb
besteht Bedarf nach einer einfachen Flugzeugbremsscheibenanordnung
mit getrennten Reib- und Kernteilen, bei der das Drehmoment direkt
von der Reibkomponente auf den Kern übertragen wird. Auf diese Weise
könnte
der Kern für Festigkeit
und die Reibteile können
für Reib-/Verschleißleistung
optimiert werden.
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KURZE DARSTELLUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile und erzielt
andere Vorteile, die von dem Stand der Technik nicht realisiert
werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist teilweise eine Bestätigung dafür, dass eine wiederherstellbare Bremsscheibenanordnung
mit einer vereinfachten Konstruktion in der verwandten Technik äußerst vorteilhaft
wäre.
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Die
vorliegende Erfindung ist teilweise eine Bestätigung dafür, dass unebene Verschleißmuster zwischen
benachbarten Scheibenanordnungskomponenten zu dynamischer Instabilität führen. Demgemäß stellt
die vorliegende Erfindung eine Flugzeugbremsscheibenanordnung mit
dynamischer Stabilität bereit.
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Des
Weiteren ist die vorliegende Erfindung teilweise eine Bestätigung dafür, dass
die Erleichterung einer direkten Übertragung von Bremsdruckkräften zwischen
einem Reibbelagelement und einem Träger wünschenswerter ist als eine
indirekte Übertragung
durch die umgebende(n) Konstruktion und Befestigungselemente. Des
Weiteren sorgt die Übertragung
von Bremskräften
durch eine relativ große
Oberfläche
der Reibelemente für
eine verbesserte konstruktive Stabilität, eine längere Komponentenlebensdauer
und zuverlässige
Bremsbetätigungen. Deshalb
optimiert die vorliegende Erfindung die Übertragung von Druckkräften zwischen
Reibbelägen
und ihren zugehörigen
Trägern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Reibscheibe für eine Bremsanordnung einen ringförmigen strukturellen
Kern mit mindestens einer sinusförmigen
Montagefläche;
und mindestens ein Reibbelagelement mit einer sinusförmigen Montagefläche und
einer relativ flachen Verschleißfläche, die der
sinusförmigen
Montagefläche
axial gegenüberliegt,
wobei die Montagefläche
jedes Reibbelagelements die Montagefläche des strukturellen Kerns
zusammenfügend
in Eingriff nimmt.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen aus der im Folgenden angeführten ausführlichen
Beschreibung hervor. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche
Beschreibung und die besonderen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung angeben, aber nur der Veranschaulichung
dienen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der unten angeführten ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen,
die rein beispielhaft angegeben werden und die vorliegende Erfindung
somit nicht einschränken,
besser verständlich.
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1 ist
eine als Schnitt ausgeführte
Teilansicht einer Flugzeugbremsanordnung, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 ist
eine Draufsicht eines sinusförmigen
Reibbelags gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine Ansicht des in 2 gezeigten Reibbelags;
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4 ist
eine als Querschnitt ausgeführte Seitenansicht
einer Bremsscheibenanordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen ausführlich
beschrieben.
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1 ist
eine als Schnitt ausgeführte
Teilansicht einer Flugzeugbremsanordnung, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthalten könnte. Die Zahl 10 zeigt
allgemein eine Flugzeugbremsanordnung. Die Bremsanordnung 10 enthält ein Verdrehrohr 12,
das an einer Achse des (nicht gezeigten) Flugzeugrads, die sich
dort hindurch erstreckt, befestigt ist.
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Ein
Scheibenstapel wird durch abwechselnd angeordnete Statorscheiben 14 und
Rotorscheiben 16 gebildet. Mehrere ringförmige, stationäre Statorscheiben 14 sind
auf wohlbekannte Weise, wie zum Beispiel Antriebsnasen, am Verdrehrohr 12 befestigt. Mehrere
entsprechend geformte, sich drehende Rotorscheiben 16 sind
auf wohlbekannte Weise abwechselnd zwischen den Statorscheiben 14 angeordnet.
Die Rotorscheiben 16 sind jeweils an ihrem radial äußeren Umfang
am (nicht gezeigten) Rad befestigt, das in der Regel konzentrisch
um das Verdrehrohr 12 herum angeordnet ist. Axial innere
und äußere Statoren 14a sind
an einander gegenüberliegenden
Enden des Scheibenstapels angeordnet und können als Druckplatten zur Aufnahme
des Scheibenstapels dienen.
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Des
Weiteren enthält
die Bremse 10 ein Gehäuse 20,
das Druckkolbenvorrichtungen 24 zum Zusammendrücken des
Stapels der Scheiben 14 und 16 enthält. Mehrere
Bremseinstellvorrichtungen 22 können vorgesehen sein, um eine
eingestellte Anfangsposition der Scheiben zu ändern, wenn diese verschlissen
werden. Es können
Statorschlitze 15 und Rotorschlitze 17 zur Befestigung
ihrer jeweiligen Scheiben am Verdrehrohr 12 und Flugzeugrad
vorgesehen sein. Bei der vorliegenden Erfindung sind in der Regel
Antriebsnasen an einem Innendurchmesser des strukturellen Kerns 40 zur
Montage an einem Stator der Bremsanordnung angeordnet (siehe 4).
Als Alternative dazu können
auch an einem Außendurchmesser
des strukturellen Kerns 40 angeordnete Antriebsnasen zur
Montage an einem Rotor der Bremsanordnung vorgesehen sein.
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2 ist
eine Draufsicht eines sinusförmigen
Reibbelags 30 gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. 3 ist eine Ansicht des in 2 gezeigten
Reibbelags 30. 4 ist eine als Querschnitt ausgeführte Seitenansicht
einer Bremsscheibenanordnung 50 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in den beigefügten
Zeichnungen zu sehen, ist ein Paar Reibbeläge 30 an einem wiederverwendbaren
strukturellen Kern 40 befestigt. Jede Reibbelagscheibe 30 ist
mit einer sinusförmigen Montagefläche 31 und
einer relativ flachen Verschleißfläche 32 versehen.
Die strukturelle Kernscheibe 40 weist mindestens eine sinusförmige Montagefläche 41 auf,
die der sinusförmigen
Montagefläche 31 der
Reibbelagscheibe 30 entspricht. Ein struktureller Kern 40 für eine Druckplatte
weist normalerweise nur eine Montagefläche auf, während einzelne Stator- oder
Rotorscheibenanordnungen strukturelle Kerne 40 mit zwei
Montageflächen
aufweisen.
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Der
strukturelle Kern 40 kann über viele Betriebszyklen verwendet
werden. Die Reibbelagscheiben 30, deren Herstellung kostengünstig ist,
können nach
Bedarf entsorgt und erneuert werden. Ein innewohnender Vorteil der
vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Konfiguration des
Reibbelags/strukturellen Kerns dazu führt, dass der Antriebsmechanismus
Reibmoment von den Belagringen 30 über die ineinander greifenden
sinusförmigen Wellenmuster
auf den strukturellen Kern 40 überträgt.
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Die
Bremsscheibenanordnung 50 aus Verbundwerkstoff wird durch
Befestigung zweier Reibbelagscheiben 30 auf beiden Seiten
der strukturellen Kernscheibe 40 über Nieten, Klammern oder einen anderen
mechanischen Verriegelungsmechanismus zusammengefügt, um zu
gewährleisten,
dass die sinusförmigen
Wellen auf beiden Flächen
in Eingriff gebracht werden und Scherkräfte von einer Scheibe zur anderen übertragen.
Es können
ein Niet, eine Schraube oder ein anderes mechanisches Befestigungselement 45 zur
Befestigung der Reibbelagscheiben 30 an ihrem jeweiligen
strukturellen Kern 40 verwendet werden.
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Die
sinusförmigen
Wellen an beiden Scheiben werden formschlüssig miteinander verriegelt oder
greifen ineinander ein, um Scherkräfte zwischen den Scheiben zu übertragen.
Ein innewohnender Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die sinusförmigen
Wellenmuster eine vergrößerte Oberfläche bieten,
die eine größere Kontaktzone
zwischen dem strukturellen Kern 40 und einem benachbarten
Reibbelag 30 gewährleistet.
Im Stand der Technik werden die relativ flachen Montageflächen entlang
einer relativ kleinen Oberfläche,
die einfach durch die Breite und Höhe der Kontaktzone definiert
wird, in Eingriff gebracht. Die sinusförmigen Wellenmuster der vorliegenden
Erfindung gewährleisten
jedoch eine größere Oberfläche, da
die Pass-Flächen
geneigt und durchgehend sind. Deshalb stellt die vorliegende Erfindung
letztendlich eine größere Lagerfläche zur
Gewährleistung
einer gleichmäßigeren
Lastverteilung zwischen dem Belag und dem Kern, einschließlich einer
verbesserten Übertragung
von Bremsdruckkräften
durch Scherbelastung, bereit.
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Die
sinusförmigen
Wellenmuster gewährleisten
weiterhin eine ordnungsgemäße Positionierung der
Reibbelagscheiben 30 bezüglich des strukturellen Kerns 40 durch
Verhindern einer Relativbewegung zwischen dem strukturellen Kern 40 und
den Reibbelagscheiben 30, die in formschlüssig verriegeltem
Eingriff gehalten werden. Demgemäß werden die
Reibbelagscheiben 30 daran gehindert, sich bezüglich des
strukturellen Kerns zu drehen und verbessern dadurch die dynamische
Stabilität
der Bremsscheiben während
der Kraftübertragung.
Jedoch könnte
es beim Bremsen zu einer gewissen Relativbewegung kommen, und die
abgeführte
Energie könnte
die dynamische Stabilität
der Bremsscheiben verbessern.
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Wie
in den 2 und 3 zu sehen, enthält jedes
sinusförmige
Wellenmuster inhärent
Gipfel 35 und Täler 39.
Die Gipfel 35 und die Täler 39 jedes sinusförmigen Wellenmusters
treten an Stellen maximaler bzw. minimaler Amplitude auf. Entlang
jedem Gipfel 35 der sinusförmigen Wellenmuster sind radial verlaufende,
gedachte Rippenlinien 36 ausgebildet.
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Aufgrund
der Ringform jeder Reibbelagscheibe 30 und des strukturellen
Kerns vergrößern sich
die Wellenlängen
des sinusförmigen
Musters mit Verlauf der Rippenlinien 36 radial nach außen. Zum Beispiel
ist eine zwischen benachbarten Rippenlinien 36 entlang
dem Umfang der Reibbelagscheibe 30 oder des strukturellen
Kerns 40 gemessene erste Bogenlänge 37 länger als
eine zwischen den gleichen Rippenlinien 36, aber an einer
Position entlang dem Innendurchmesser der Reibbelagscheibe 30 gemessene
zweite Bogenlänge 38.
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Die
Reibbelagscheiben 30 können
aus mehreren Arten von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff,
verbunden mit der wiederverwendbaren strukturellen Kernscheibe 40,
die auch aus einer Art Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist, hergestellt
sein. Obgleich sowohl die Reibbelagscheiben 30 als auch
der strukturelle Kern 40 aus dem gleichen oder aus ähnlichen
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen hergestellt sein können, ist
die vorliegende Erfindung besonders insofern von Vorteil, als getrennte
Materialien, die für
die getrennten Funktionen der Beläge 30 und des Kerns 40 optimiert
sind, in die Ausführung
integriert werden können.
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Der
strukturelle Kern 40 ist aus festigkeitsoptimiertem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit
Antriebsnasen am Innen- und Außendurchmesser
für die
Stator- bzw. Rotoranwendung herausgearbeitet. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
sind sinusförmige
Wellenmuster an beiden Kontaktflächen
vorgesehen, die ansonsten gemäß dem Stand der
Technik flach sind.
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Die
Reibbelagscheiben 30 sind aus reibungs-/verschleißoptimiertem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
herausgearbeitet, wobei das sinusförmige Wellenmuster aus der
reibungsfreien flachen Fläche
herausgearbeitet ist. Bei Betriebseinsatz werden verschlissene Reibbelagelemente
entsorgt oder recycliert, während
der strukturelle Kern für
eine große
Anzahl von Betriebszyklen wiederverwendet wird. Demgemäß können die
Materialkosten der Bremsscheibenanordnung 50 optimiert
werden, da strukturelle Kerne 40 höherer Qualität in die
Anordnung 50 eingebaut werden können. Reibbelagscheiben 30,
die ausgetauscht werden müssen,
können
einfach von dem strukturellen Kern 40 entfernt werden,
und eine Austausch- oder wiederhergestellte Reibbelagscheibe 30 kann
am strukturellen Kern 40 befestigt werden
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Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe sind
Hochtemperaturwerkstoffe, die für
Kühlkörper in Hochtemperatur-/rauen
Umgebungen für
Flugzeugbremsen sowie für
andere Luft- und Raumfahrtanwendungen, die ihre einzigartigen Eigenschaften
erfordern, verwendet werden. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe
weisen eine geringe Dichte, hohe Festigkeit und einen hohen Modul
auf. Diese Eigenschaften werden bis zu Temperaturen von über 2000°C beibehalten.
Des Weiteren sind die Kriechfestigkeit und die Zähigkeit hoch, und die hohe
Wärmeleitfähigkeit
und der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient
gewährleisten
Thermoschockbeständigkeit.
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Demgemäß weist
der für
die Reibbelagscheiben 30 der vorliegenden Erfindung verwendete reibungs-/verschleißoptimierte
Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
in der Regel einen höheren Reibungskoeffizienten
auf als der des festigkeitsoptimierten strukturellen Kerns. Der
strukturelle Kern 40 kann eine höhere Bruchfestigkeit, Zugfestigkeit und/oder
Druckfestigkeit aufweisen als die Reibbelagscheiben 30.
Die Reibbelagscheiben 30 und der strukturelle Kern 40 können anhand
einer wohlbekannten Technologie zur Fertigung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffvorrichtungen hergestellt
und/oder herausgearbeitet werden.
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Die
Materialeigenschaften eines Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs
können
in Abhängigkeit
von der Faserfraktion, der gewählten
Faserart, der Textilwebart und ähnlichen
Faktoren sowie den individuellen Eigenschaften der Fasern und des
Matrixmaterials variieren. Fasereigenschaften hängen von den verwendeten Materialien,
dem Produktionsprozess und/oder dem Graphitisierungs- und dem Ausrichtungsgrad
ab.
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Weitere
Beispiele für
geeignete Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und ihre erwünschten
Materialeigenschaften, mögliche
Anwendungen der vorliegenden Erfindung und zusätzliche Merkmale von Flugzeugbremssystemen
des Stands der Technik werden in den folgenden US-Patenten beschrieben:
4 804 071 von Schultz et al., 5 558 186 von Hyde et al. und 5 779
006, auf deren Gesamtheit hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Es
können
verschiedene wohlbekannte mechanische Befestigungsvorrichtungen,
wie zum Beispiel Klemmen, Halteblöcke, Nieten, Schrauben und Halteklammern,
leicht in der vorliegenden Erfindung mit aufgenommen werden. Obgleich
Reibbelagscheiben 30 mit dem strukturellen Kern 40 der
vorliegenden Erfindung verklebt werden können, ist es wahrscheinlich
vorteilhafter, mechanische Befestigungsvorrichtungen zu verwenden.
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Wie
oben beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine stark vergrößerte Oberfläche entlang der
sich zwischen den Reibbelagscheiben 30 und dem strukturellen
Kern 40 befindenden Kontaktzone bereit. Belastungen, die
normalerweise durch mechanische Befestigungselemente oder andere
Umgebungsstruktur übertragen
werden würden,
können nun
durch den Belag und den strukturellen Kern direkt übertragen
werden. Da die Materialeigenschaften jeder Komponente unabhängig optimiert
werden können,
erreicht die vorliegende Erfindung eine optimierte Wärmeübertragung,
Reibungs-/Verschleißfestigkeit
und strukturelle Abstützung/Festigkeit.
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Demgemäß versteht
sich für
einen Fachmann, dass alternative Muster, wie zum Beispiel ineinander
eingreifende dreieckige oder trapezförmige Montageflächen, entlang
der Kontaktzone zwischen dem strukturellen Kern 40 und
den Reibbelagscheiben 30 eingesetzt werden können. Des
Weiteren können
Schutzüberzüge, wie
zum Beispiel Wärmesperrüberzüge oder
Antioxidantien, auf die Verschleißflächen 32 der Reibbelagscheiben 30 aufgebracht
werden.