DE69200762T2

DE69200762T2 - Bremsscheibe aus kohlenstoff-verbundwerkstoff mit positiver vibrationsdaempfung.

Info

Publication number: DE69200762T2
Application number: DE69200762T
Authority: DE
Inventors: Lawrence Mcallister; David Snyder; Jaring Veen
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1991-02-14
Filing date: 1992-01-21
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2012-01-22
Also published as: JPH06505325A; AU654525B2; CA2101636A1; AU1253492A; EP0570466B1; JP2531478B2; WO1992014946A1; DE69200762D1; EP0570466A1; US5143184A

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich allgemein mit Bremsscheiben von Luftfahrzeugen, insbesondere mit Flugzeugbremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, die während des Betriebes einer Luftfahrzeugbremse eine positive Vibrationsdämpfung schaffen.
Die Verwendung von Bremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in von Luftfahrzeugsbremsen ist wohlbekannt. Luftfahrzeugsbremsen, die Breinsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff benutzen, schließen sowohl sich drehende wie auch ortsfeste Scheiben aus Kohlenstoff ein. Die sich drehenden Scheiben aus Kohlenstoff (Rotoren) und die ortsfesten Scheiben aus Kohlenstoff (Statoren) können durch dieselben oder durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. Gewisse Reibglieder in Form von Scheiben aus Kohlenstoff können Vibrationseigenschaften aufweisen, die unerwünscht sind. Eine Form einer unerwünschten Vibration, die gemeinhin als "Quietschen" der Bremsen bezeichnet wird, kann durch etwas erregt oder verursacht werden, was einige als eine durch Bremsen erzeugte "Negativdämpfung" ansehen. Negativdämpfung steht gewöhnlich in Verbindung mit der partiellen Ableitung des Bremsmomentes in bezug auf die Gleitgeschwindigkeit ("Negativgefälle"). Das Quietschen der Bremsen kann allgemein als Torsionsschwingungen der ortsfesten Teile des Bremssystems beschrieben werden. Typischerweise können zahlreiche Arten des Quietschens erregt werden, wobei die Quietscharten von Bedeutung gewöhnlich in einem Bereiche von 150 bis 10 kHz liegen. Wenn die Quietschpegel hoch genug sind, kann dies den Bremsscheiben und/oder den Bremskomponenten schaden. Eine Art, eine unerwünschte Vibration der Bremsscheiben auszuschalten, besteht darin, jede Scheibe in zwei gesonderte Scheiben aufzuspalten und dann die geteilten, einzelnen Scheiben innerhalb der Luftfahrzeugsbremsen zu positionieren. Das Europäische Patent Nr. 0 020 389 mit dem Titel "Disc Brake Assembly Containing Split Discs" offenbart ein solches Verfahren. Während das Vorhandensein von solchen aufgespaltenen Scheiben eine unerwünschte Vibration dämpfen oder ausschalten kann, ist die Verfahrung von geteilten Scheiben im allgemeinen weniger zu bevorzugen als die Verwendung von Bremsscheiben, wovon eine jede eine einzelne einteilige Scheibe ist. Aufgespaltene Scheiben neigen dazu, sich unter hohen Temperaturbedingungen zu verformen, und aufgrund der Aufspaltung kommt es zu einer Abnahme der Scheibenfestigkeit. Die US-A-4,585,096 offenbart die Verwendung einer aufgespaltenen Scheibe mit einer zwischen den geteilten Scheiben gelegenen Trennscheibe. Wiederum kann der Mechanismus der geteilten Scheibe und der Trennscheibe eine unerwünschte Vibration ausschalten, ist aber weniger bevorzugt als die Verwendung von einteiligen, nicht aufgespaltenen Bremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff. Ein Problem, das durch geteilte Scheiben mit Trenngliedern oder mit dazwischen angeordneten trennenden Blattgliedern aus einer dünnen Folie verursacht werden kann, wie sie durch die obigen Patente offenbart sind, besteht darin, daß eine relativ starke Bewegung zwischen den gesonderten Scheiben zu einem Qualitätsverlust oder einer Abnutzung der Trennscheibe und des trennenden Blattgliedes führt, so daß die Trennscheibe oder das Glied zwischen den geteilten Scheiben auswandern kann und sich die Vibrationsdämpfung oder Verhütung des geltend gemachten Zusammenschmelzens bzw. Verschmelzens der aufgespaltenen Scheiben wesentlich verschlechtert.
Die DE-A-2 537 038 offenbart einen Automobilbremsrdtor aus Gußmetall bzw. die Trommel einer Trommelbremse mit einem eingegossenen Kern, der an der Oberfläche der Scheibe oder der Trommel in vorbestimmten Bereichen zutage treten muß. Die DE-A- 2 458 335 offenbart einen Bremsrotor aus Gußmetall mit einem abgestützten Ring aus in den Bremsrotor eingegossenen Keramikfaserwerkstoff.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in das Bremssystem eine positive Dämpfung einzuführen, um die Quietschvibration wesentlich zu reduzieren oder auszuschalten. Es ist erwünscht, dies ohne die Verwendung von aufgespaltenen Scheiben, Trennscheibengliedern oder Trennblattgliedern zu bewerkstelligen, welche früher dazu benutzt wurden, die Vibration zu dämpfen oder ein Verschmelzen zu verhindern. Solche Strukturen werden vermieden, und die obigen Probleme werden gelöst, indem eine Scheibe für einen Reibungsmechanismus, wie eine Bremse oder Kupplung, geschaffen wird, welche Scheibe zueinander parallele Flächen zur Anlage an gegenüberliegende Flächen zugehöriger Glieder des Reibungsmechanismus aufweist, wobei die Scheibe ein einziges, einteiliges Scheibenelement und ein Einsatzglied umfaßt, das während des Betriebes des Reibungsmechanismus eine positive Vibrationsdämpfung des Scheibenelementes bewirkt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Scheibenelement aus einem Reibungsmaterial aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt und das Einsatzglied vollständig innerhalb des Scheibenelementes angeordnet und darin abgeschlossen ist.
Die folgenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, worin:
Figur 1 eine Schnittansicht einer Bremsscheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 2 ein ringförmiges Einsatzglied darstellt; Figur 3 ein ringförmiges Einsatzglied mit einer Mehrzahl kreisförmiger Öffnungen ist;
Figur 4 ein ringförmiges Einsatzglied mit zwei radial voneinander beabstandeten Ringen von kreisförmigen Öffnungen ist;
Figur 5 ein ringförmiges Einsatzglied mit einer Mehrzahl ringartig voneinander beabstandeter segmentierter Öffnungen ist;
Figur 6 ein ringförmiges Einsatzglied mit einem Ring von rautenförmigen Öffnungen ist;
Figur 7 ein ringförmiges Einsatzglied mit einer Mehrzahl radial voneinander beabstandeter Ringe mit rautenförmigen Öffnungen veranschaulicht;
Figur 8 ein im wesentlichen kreisförmiges Einsatzglied mit einem unregelmäßig gebildeten Umfange und mit einer Mehrzahl von kreisförmigen Öffnungen darstellt;
Figur 9 ein im wesentlichen kreisförmiges Einsatzglied mit unregelmäßig geformtem Umfang und mit einer Mehrzahl von rautenförmigen Öffnungen ist;
Figur 10 eine teilweise Schnittansicht einer Bremsscheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einem Einsatzglied darin darstellt, welches gegenüber der diametralen Mittellinie der Scheibe versetzt angeordnet ist;
Figur 11 eine Darstellung von zwei abgenutzten Scheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff ist, wie den in Figur 10 dargestellten, nach der Erneuerung über ein Erneuerungsverfahren "zwei-für-eins";
Figur 12 eine graphische Darstellung ist, die die unerwünschte Vibration einer Luftfahrzeugsbremse mit Bremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff veranschaulicht, welche eine negative Dämpfung erfahren;
Figur 13 eine graphische Darstellung ist, welche die Wirkungen einer positiven Dämpfung in einer Luftfahrzeugsbremse mit Bremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
Figur 14 eine Darstellung einer Luftfahrzeugsbremse unter Benutzung der vorliegenden Erfindung ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine positive Dämpfung in das Bremssystem einzuführen, um eine Quietschvibration, ohne Vergrößerung einer nachteiligen Verwerfung bzw. eine Verminderung der Festigkeit der Bremsbestandteile, wesentlich zu reduzieren oder auszuschalten. Das Bremssystem kann die Bremse eines Luftfahrzeuges umfassen, eine Kupplung oder jeglichen Reibungsmechanismus, der zur Steuerung der Bewegung eines Elementes des Mechanismus relativ zu einem anderen Element benutzt wird. Dies wird durch die Integration von Ringen oder Segmenten in fortlaufenden, unterbrochenen, stückweisen oder anderen geometrischen Teileformen eines temperaturbeständigen oder eines ein temperaturbeständiges Material bildenden Materiales in die Scheibe (oder Scheiben) bewerkstelligt, von dem in der letztlichen Scheibenform von einigen angenommen wird, daß es zu einer positiven bzw. hystereseartigen Dämpfung durch das Vorhandensein der Ringe bzw. Segmente und die geschaffene Grenzfläche führt, wenn die Scheibe beansprucht wird. Eine hystereseartige Dämpfung kann als eine Dämpfung definiert werden, bei der das innere Arbeiten innerhalb des Material es zu einem Energieverbrauch führt. Die Scheibenbelastungen und -durchbiegungen sind auf Grund der Überlagerung einer Drehverwindung in der Ebene und einer Verbiegung aus der Ebene sowie von axialen Durchbiegungskräften, die während des Bremsens wirken, von Natur aus mehrdimensional. Diese einteiligen Dämpfungseinsatzglieder nach der vorliegenden Erfindung wurden ausgewählt, um den Vorteil von positiven Dämpfungsmechanismen zu erzielen, welche die Quietschvibrationen im Bremssystem reduzieren. Eine weiche Bindung zwischen dem Dämpfungseinsatzglied und dem umgebenden, Kohlefasern aufweisenden Verbundwerkstoff wird die positive Dämpfung unter dynamischen Belastungsbedingungen fördern. Dies kann durch die Verwendung eines Graphitmateriales, wie Grafoil , bewerkstelligt werden, das auf Grund seiner geringen kohäsiven Stärke seiner teilchenförmigen Graphitstruktur eine schlechte Flächenbindung bildet. Die Dämpfungseinsätze können aus einer einzigen Schicht oder aus mehreren bestehen. Figur 1 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff einschließlich eines Dämpfungseinsatzgliedes gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Scheibe 10 ist aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt, wie es im einzelnen unten beschrieben ist, und weist darin ein Dämpfungseinsatzglied 12 in Form eines Ringes auf, der innerhalb des Materiales des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffes eine Unterbrechung schafft. Obwohl die Unterbrechung das Material des Dämpfungseinsatzgliedes anstatt einer Leere aufweist, besteht die Wirkung des Einsatzgliedes in einer positiven Vibrationsdämpfung der Scheibe 10 während der dynamischen Belastungsbedingungen, wie dem Betrieb der Bremse, in der die Scheibe angeordnet ist. Mehrfache Schichten des Dämpfungseinsatzgliedes 12 würden zusätzliche Flächen für eine Wechselwirkung und zum Dämpfen von Quietschvibrationen schaffen. Das innere Dämpfungseinsatzglied 12 kann dünn sein (beispielsweise eine einzige Schicht von 0,005 Zoll), so daß die Dämpfung an der Grenzfläche dominant ist, oder dicker (beispielsweise 0,02 Zoll), um den Beitrag an hystereseartiger Dämpfung zu steigern. Wenn eine starke Grenzflächenbindung zwischen dem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und dem Dämpfungseinsatzglied erreicht wird, ist die hystereseartige Dämpfung ein Mechanismus zur Vibrationsverminderung.
Die US-A-4,585,096 offenbart die Verwendung einer dünnen Trennscheibe zwischen aufgespalteten Scheiben, um Geräusch und Vibrationen zu unterdrücken und die Wärmeabfuhr zu verbessern. Da aufgespaltete Scheibenelemente verwendet werden, ist während des Betriebes der zugehörigen Bremse eine Neigung zu einer starken Bewegung zwischen den Scheibenelementen vorhanden, so daß das Trennscheibenelement abgeschliffen wird und dann aus dem Bereiche zwischen den aufgespaltenen Scheiben auswandern oder sich wegbewegen kann. Eine solche Konstruktion fördert die Zerstörung der Trennscheibe. Die Verwendung eines inneren Dämpfungseinsatzgliedes gemäß der vorliegenden Erfindung schaltet ein solches Abschleifen und eine solche Zerstörung aus, weil erstens es keine Bewegung zwischen zwei aufgespaltenen Scheiben gibt, weil nur eine einzige einteilige Scheibe verwendet wird. Zweitens fördert die einzige, einteilige Scheibe mit dem innen angeordneten Dämpfungseinsatzglied die positive Dämpfung in einem deutlich unterschiedlichen Ausmaße, als es vorliegt, wenn zwei aufgespaltene, um eine Trennscheibe angeordnete Scheiben verwendet werden. Drittens ist das Dämpfungseinsatzglied zur Gänze innerhalb des einteiligen Scheibenelementes angeordnet, so daß es weder aus dem Scheibenelement wandern, noch sich bewegen kann. Die EP-A-0 020 389 offenbart die Verwendung zweier aufgespaltener Scheibenelemente, um Geräusche zu vermindern und eine Vibration hintanzuhalten. Zwischen den Scheibenelementen ist ein trennendes Blattelement aus einem Graphitblatt oder einem anderen, ähnlichen Material zwischengeschaltet, um ein Schmelzen oder Zusammenschweißen der beiden Scheibenelemente unter hohen Betriebstemperaturen und -drücken zu verhindern. Wegen der Bewegung der beiden Scheibenelemente während des Betriebes der Bremse relativ zueinander, können die Abnützungseffekte auf das trennende Blattelement sogar noch verheerender werden. Da die Scheiben an ihrem äußeren und inneren Durchmesser eine Öffnung aufweisen, wird es dem trennenden Blattelement gestattet, sich nach außen zu bewegen und von den einander gegenüberliegenden Grenzflächen der Scheibenelemente wegzuwandern und seine Wirkung zu verlieren. Die gemäß der vorliegenden Erfindung geoffenbarten Dämpfungseinsatzglieder sind zur Gänze innerhalb des einteiligen Scheibenelementes angeordnet, so daß sie nicht wandern bzw. sich nicht aus dem Scheibenelement herausbewegen können.
Ausführungsbeispiele von Dämpfungseinsatzgliedern, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwenbar sind, werden in den Figuren 2-9 veranschaulicht. Figur 2 zeigt das in Figur 1 dargestellte ringförmige Dämpfungseinsatzglied 12. Das Glied 12 weist ein kontinuierliches ringförmiges Glied auf, das Unterbrechungen innerhalb der zugehörigen Bremsscheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bewirkt. Die Figur 3 zeigt ein ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 14 mit einer Vielzahl von Öffnungen 16 in Kreisform. Es wird angenommen, daß die Verwendung solcher Öffnungen im Dämpfungseinsatzglied eine verbesserte Integrität der Scheibe durch Bewirken einer besseren Kontinuität des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffes quer bzw. durch die Öffnungen schafft und die positive Dämpfung beeinflußen kann. Die Figur 4 veranschaulicht ein ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 18 mit zwei Ringen von radial voneinander beabstandeten kreisförmigen Öffnungen 20 und 22, die relativ zueinander über den Umfang gegeneinander versetzt sind. Figur 5 zeigt ein ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 24 mit einer Vielzahl von über einen Winkel voneinander beabstandeten, bogenf örmigen Segmenten 26. Figur 6 stellt ein ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 28 dar, das darin einen Ring von Öffnungen 30 aufweist, die rautenförmig sind. Figur 7 veranschaulicht ein ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 32 mit einer Vielzahl von radial voneinander beabstandeten Ringen von rautenförmigen Öffnungen 34. Figur 8 zeigt ein im wesentlichen ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 36 mit Abschnitten 38, 39 von unregelmäßiger bzw. sich radial verändernder Dimension, worin Abschnitte 38 kreisförmige Öffnungen 40 aufweisen. Die Figur 9 stellt ein im wesentlichen ringförmiges Dämpfungseinsatzglied 42 mit unregelmäßig geformtem Umfange dar, der darin einen Ring von rautenförmigen Öffnungen 44 besitzt. Die Verwendung von regelmäßige oder unregelmäßige Öffnungen oder segmentierte Öffnungen aufweisenden Einsatzgliedern oder von zerkleinerten Dämpfungseinsatzgliedern sollte die Querkopplungsfestigkeit des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffes innerhalb der Scheibe erhöhen und so die Verwendung von abgenützten Scheiben für die Wiederbenützung nach Überholung verbessern. Es ist nicht wesentlich, daß das Dämpfungseinsatzglied eben ist, wenn es entweder während der Herstellung der Scheibe eingeführt wird oder wenn die Herstellung beendet ist. Ringförmige Dämpfungseinsatzglieder sind wegen ihrer leichteren Handhabung vorzuziehen.
Die Verwendung von Dämpfungseinsatzgliedern gemäß der vorliegenden Erfindung liefert eine Anzahl deutlicher Vorteile gegenüber bekannten Vibrationsdämpfungsverfahren, wie aufgespaltenen Scheiben oder aufgespaltene Scheiben, die sandwichartig um ein trennendes Scheibenelement angeordnet sind, sowie aufgespaltene Scheiben mit einem trennenden Blattelement. Das positive Dämpfungseinsatzglied gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein integraler Teil der Bremsscheibe. Somit ist die sich ergebende Scheibe weder aufgespalten noch geschichtet. Es wird die volle strukturelle Fähigkeit jeder Scheibe aufrechterhalten. Da die Erfindung eine innere Dämpfung liefert, die durch den Einschluß des/der Dämpfungseinsatzglied(es/er) während der Verarbeitung innerhalb des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffes bewirkt wird, werden die bzw. das Dämpfungseinsatzglied(er) eine einteilige innere Komponente einer einstückigen Scheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff. Die örtlich begrenzte Festigkeit an der Grenzfläche zwischen einem Dämpfungseinsatzglied (oder den Dämpfungseinsatzgliedern) und dem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff können unter Kontrolle gehalten werden, um den gewünschten Grad an positiver Dämpfung zu erreichen. Ebenso kann die hystereseartige Dämpfung durch Veränderung des Volumens des Dämpfungseinsatzgliedes, der Zusammensetzung und der Mikrostruktur unter Kontrolle gehalten werden. Die einteilige Natur der Scheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff verhindert ein Verziehen der halben Scheibe, was bei bisher verwendeten aufgespaltenen Scheiben auftreten kann. Schließlich wird die einteilige Natur der Scheibe eine Erneuerung "zwei für eine" ohne neuerliche Verarbeitung erlauben. Dies könnte nicht leicht bewerkstelligt werden, wenn die Scheibe anfänglich gespalten wäre, wie zuvor beschrieben wurde. Unter Bezugnahme auf die Figur 10 wird dort eine Scheibe 50 aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff in einer teilweisen Schnittansicht gezeigt, die ein Dämpfungseinsazuglied 52 einschließt, welches gegenüber der diametralen Mittellinie der Scheibe 50 versetzt ist. Es sollte klar verständlich sein, daß das Dämpfungseinsatzglied 52 auch entlang der diametralen Mittellinie (wie durch die Mittellinie D in Figur 1 gezeigt ist) angeordnet sein kann, oder es kann in jeder beliebigen Entfernung gegenüber der diametralen Mittellinie der Scheibe versetzt sein. Es ist wichtig, daß das Dämpfungseinsatzglied 52 in einer ausreichenden Entfernung von einer axialen Reibfläche 54, 56 der Scheibe 50 gelegen ist, so daß die Reibfläche während des Gebrauches oder der Abnützung nicht bis zu jenem Punkte abgenutzt wird, daß das Dämpfungseinsatzglied an der Reibfläche liegt und abgeschliffen oder zerstört würde. Ein Erneuerungsverfahren "zwei für eine" für die Scheibe würde die Scheibe 50 mit dem Einsatzglied 52 derart gebrauchen, daß eine Reibfläche 56 der Scheibe 50 im Erneuerungsverfahren "zwei für eine" als zukünftige Reibfläche bestimmt wird. Nachdem die Scheibe 50 abgenutzt worden ist, werden zwei solcher abgenutzter Scheiben 50 zusammengekoppelt, um ein erneuertes Scheibenglied 60 zu bilden, bei dem jede Reibfläche 56 zur Anlage an einer benachbarten Scheibe axial nach außen angeordnet ist, und die Dämpfungseinsatzglieder 52 werden an den axial einwärts gelegenen, einander benachbarten Flächen 54 angeordnet. So liefert die erneuerte Bremsscheibe 60 an jeder Reibfläche 56 den maximalen Anteil an axialer Tiefe des Verbundwerkstoffes zur Abnützung während des Gebrauches in einer zugehörigen Bremse.
Eine Bremsscheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, welche ein Dämpfungseinsatzglied gemäß der vorliegenden Erfindung benützt, kann durch mehrere Verfahren hergestellt werden. Unten sind drei exemplarische Verfahren zum Herstellen einer solchen Bremsscheibe beschrieben. Ein erstes Herstellungsverfahren weist die Anwendung einer gegossenen, zufällig angeordneten Kohlefaser auf, um eine zusammengesetzte Bremsscheibe zu schaffen. Eine Bremsscheibe aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff wurde durch Einbau eines Dämpfungseinsatzgliedes in eine Vorform hergestellt, die danach preßgeformt zu einer einstückigen Bremsscheibe verarbeitet wurde. Eine Anzahl solcher Bremsscheiben, welche Stator- und Rotor-Reibungskomponenten umfaßten, wurde hergestellt. Das folgende ist eine Zusammenfassung der Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens. Zuerst wird eine zum Herstellen einer Vorform einer Bremsscheibe erforderliche Menge an geschnittenen Kohlefasern und einer Phenolgießverbindung in zwei Teile geteilt. Die beiden Teile können entweder gleich oder ungleich sein, je nach dem, ob es gewünscht ist, das Dämpfungseinsatzglied axial innerhalb der Vorform und der sich ergebenden Scheibe anzuordnen. Ein Teil der Gießverbindung wird gleichmäßig der Vorform zugeführt. Dann wird das Dämpfungseinsatzglied, in diesem Falle ein Graphitring aus Grafoil , in die Vorform auf die Oberfläche der Gießverbindung gelegt. Das ringförmige Dämpfungseinsatzglied kann in seinem Innendurchmesser, seinem Außendurchmesser, der Dicke und der Anzahl der Schichten variieren. Es muß jedoch einen geringeren Außendurchmesser als die Vorform besitzen und einen grösseren Innendurchmesser als die Vorform. Zusätzlich sollte es im allgemeinen bezüglich der axialen Mittellinie der Vorform (siehe die axiale Mittellinie A der Figur 1) zentriert sein. Alternativ kann ein ringförmiger Einsatz durch Zugabe von dämpfendem Einsatzmaterial in Form einer zerkleinerten Folie oder anderer geometrischer Stückformen, wie Kreise, Rechtecke, Dreiecke etc. bewirkt werden. Dann wird der zweite Teil der Gießverbindung der Vorform hinzugefügt. Als nächstes wird der Vorformling durch Anwendung von Hitze und durch Druck auf den Vorformling in axialer Richtung gebildet. Der sich ergebende Vorformling wird dann dazu benützt, durch ein Druckgießverfahren (Hitze und Druck) eine gegossene Scheibe aus Kohlenstoff und Phenol zu bilden. Die sich ergebende gegossene Scheibe enthält das Dämpfungseinsatzglied als einstückigen Teil ihrer Struktur. Als nächstes wird die gegossene Scheibe durch eine Reihe von Verfahrensschritten zu einer Kohie/Kohle-Bremsscheibe für ein Luftfahrzeug verarbeitet, was eine Karbonisierung zur Umwandlung des Phenol s in Kohlenstoff, eine Verdichtung durch chemische Dampfablagerung (CVD) zu einer porösen Struktur, und eine Hitzebehandlung (1600-2800ºC) umfaßt, um Kohlenstoff oder einen Graphit der gewünschten Kristallstruktur herzustellen. Das Kohlenmaterial wird dann auf die Endabmessungen bearbeitet. Zahlreiche Variationen der Grundkarbonisierungs- und der Verdichtungsschritte können angewandt werden. Alternativ kann das CVD- Verfahren durch mehrere Schritte einer Imprägnierung und Karbonisierung durch eine kohlebildende Flüssigkeit ersetzt werden, um die Poren des Kompositmateriales mit Kohle zu füllen. Wenn ein wärmehärtbares Harz (Phenol) oder eine andere Verbindung benutzt wird, wird die die karbonisierte Scheibe imprägniert, gefolgt von einem Aushärten und einem Verkohlen, und dann werden die Schritte des Imprägnierens, Aushärtens und Verkohlens wiederholt, bis die gewünschte Scheibe geschaffen ist. Falls Pech in Form von Kohlenteer oder Petroleum verwendet wird, dann wird das Pech geschmolzen und in die Scheibe hineinimprägniert, gefolgt von einem Verkohlen. Das Verkohlen kann unter Druck erfolgen. Welcher der Schritte auch immer angewandt wird (CVD, wärmehärtendes Harz, Pech), die sich ergebende Kohle/Kohle-Bremsscheibe enthält ein Dämpfungseinsatzglied, das ein einstückiger Teil der Scheibenstruktur ist.
Es wird vorgeschlagen, bei der vorliegenden Erfindung gegossene Verbundwerkstoffe mit laminiertem Stoff zu benutzen. Bei diesem Verfahren der Schaffung einer Kohle/Kohle-Bremsscheibe für ein Luftfahrzeug wird die Scheibe durch Einbau eines bzw. von Dämpfungseinsatzglied(es/ern) in gegossene Konstruktionen aus laminiertem gewebten oder ungewebten Stoffe (Lage auf Lage eines vorimprägnierten Materiales aus Kohlestoff und Phenol) in ähnlicher Weise wie beim obigen Beispiel hergestellt. Das imprägnierte Stoffmaterial wird auf eine niedrige Temperatur von weniger als 200ºC erhitzt, um flüchtige Stoffe zu entfernen. An Stelle der Verwendung einer Gießverbindung wird das vorimprägnierte Material aus Kohlestoff und Phenol aus einem Stoffmaterial in Form von Ringen oder Ringsegmenten zur Herstellung des Vorformlings benutzt. Wenn ein erster Teil oder die Hälfte des Vorformlingstuches oder Stoffes der Vorform hinzugefügt wird, wird auch das Dämpfungseinsatzglied hinzugegeben, gefolgt vom Rest des vorimprägnierten Materiales. Der Vorformling wird dann gebildet, gefolgt vom Gießen der Scheibe und dem Kohle/Kohle-Verarbeiten, wie oben. Die Karbonisierung erfolgt typischerweise bei 800-1100ºC, und die Hitze beträgt am Ende 1600-2800ºC und wird von der Bearbeitung gefolgt. Die sich ergebende Bremsscheibe enthält ein Dämpfungseinsatzglied als einstückigen Teil der Scheibenstruktur.
Ein drittes vorgeschlagenes Verfahren zur Schaffung der Bremsscheibe mit dem Dämpfungseinsatzglied nach der vorliegenden Erfindung umfaßt die Verwendung von Verbundwerkstoffen aus ungewebtem laminierten Stoff. Vorformlinge aus ungewebtem laminierten Stoff werden aus vielen Lagen von zufällig oder ausgerichtet orientierten Matten hergestellt, die in Dickenrichtung durchwegs durch textile Verfahren verstärkt werden, wie durch Anheften, Nähen oder Tuftieren. Die sich ergebenden Vorformlinge besitzen eine Verstärkung in mehreren Richtungen und werden als Vorläufer für die anschließende Verarbeitung zu Kohle/Kohle-Verbundwerkstoffen verwendet. Bei der Herstellung solcher Vorformlinge für die Verwendung bei der Herstellung von Bremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen ist es möglich, Vorformlinge in der allgemeinen Form der herzustellenden Bremsscheiben zu erzeugen. Während des Aufbaues des Vorformlings ist es möglich, (ein) Dämpfungseinsatzglied(er) in die Mitte der Vorform einzubauen, indem ein Material, wie Grafoil, für Ringe oder Segmente des Vorformmateriales ersetzt wird. Wie bei den vorherigen beiden Beispielen muß das Dämpfungseinsatzglied einen geringeren Aussendurchmesser und einen größeren Innendurchmesser besitzen als die Vorform. Das Anheften und andere Verfahren zur Erzielung einer die Dicke durchsetzenden Verstärkung wird das Dämpfungseinsatzglied durchsetzen und sollte eine Wirksamkeit der Dämpfung schaffen. Der Vorformling ais ungewebtem, laminiertem Stoffe kann einer Kohle-Kohle-Verarbeitung unterworfen werden, wie sie oben besprochen wurde. Die untereinander verbundenen Schichten oder Matten und Dämpfungseinsatzglieder können eine letztliche Hitzebehandlung von 1600- 2800ºC erhalten, gefolgt von einer Bearbeitung. Die sich ergebende Kohle/Kohle-Bremsscheibe enthält den Dämpfungseinsatz als einstückigen Teil der Scheibenstruktur.
Es wurden Bremsscheiben aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gemäß dem ersten Beispiel hergestellt und wurden zu fertigen Kohlescheiben verarbeitet, die sowohl dynamischen Strukturtests als auch Tests bezüglich der Vibrationseigenschaften unterzogen wurden. Von diesen Bremsscheiben hatte eine jede ein ringförmiges Dämpfungseinsatzglied aus Grafoil , wie es in Figur 2 veranschaulicht ist. Die Ergebnisse der dynamischen Strukturtests zeigten, daß zu6ammengesetzte Scheiben mit Dämpfungseinsatzgliedern dazu im Stande sind, die strukturelle Integrität im selben Maße zu erhalten, wie zusammengesetzte Scheiben ohne Dämpfungseinsatzglieder. Figur 12 ist eine graphische Darstellung einer unerwünschten, ein Bremsquietschen umfassenden Vibration, die bei einer Flugzeugbremse nach dem Stande der Technik mit aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, nicht gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Bremsscheiben auftritt. Die Flugzeugbremse wurde durch mehrfaches Anhalten bei "Kalttaxi"-Zufahrten (40 mph - 0), bei Landung und bei "Heißtaxi"-Zufahrten (40 mph - 5mph) betrieben. Figur 12 veranschaulicht diejenige Vibration, die das Bremssystem während der mehrfachen Anhalteserien von "Kalttaxi"-Zufahrten, Landung und "Heißtaxi"-Zufahrten (in Begriffen der Beschleunigung in G, der Erdbeschleunigungskraft) durchmacht. Die Vibration bzw. das Quietschen der Flugzeugbremse war deutlich. Figur 13 ist eine graphische Darstellung einer Flugzeugbremse mit Bremsscheiben aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff unter Einschluß von Dämpfungseinsatzgliedern gemäß dem obigen ersten Beispiel. Das Diagramm veranschaulicht die Tests bezüglich der Vibrationseigenschaften, die im Laboratorium an einer Bremse in voller Größe durchgeführt wurden. Es wurde ein ähnliches Testprogramm mit mehrfachem Anhalten bei "Kalttaxi"-Zufahrten (40 mph - 0), bei Landung und bei "Heißtaxi"-Zufahrten (40 mph - 5mph) an den Bremsen durchgeführt, um das Vorhandensein und die Größe von Vibrationen des Bremsquietschtyps innerhalb des Bremssystems zu bestimmen. Das Diagramm zeigt, daß alle Vibrationen über den getesteten Frequenzbereich im Vergleiche zu den an der Grundlinie der Figur 12 dargestellten Bremscharakteristiken im wesentlichen eliminiert waren. In dem durch diese Charakterisierung abgedeckten Test war die Vibration im wesentlichen eliminiert, wenn alle Statoren und Rotoren in der Bremse die Dämpfungseinsätze enthielten. Dieselben Ergebisse wurden erhalten, wenn nur die Statoren die Dämpfungseinsätze enthielten. Es mag möglich sein, die Anzahl von Dämpfungseinsätze enthaltenden Scheiben weiter zu vermindern, so daß nur eine minimale Anzahl von Scheiben mit Einsatz bzw. Einsätzen erforderlich ist, um ein Bremsquietschen umfassende Vibrationen innerhalb der Bremse auszuschalten.
Scheiben, welche gemäß der vorliegenden Erfindung ein Dämpfungseinsatzglied benützen, können in vielen verschiedenen Arten von Reibungsmechanismen verwendet werden. Beispielsweise umfassen die oben geoffenbarten Scheiben zusammengesetzte Kohle/Kohle-Bremsscheiben, die bei Flugzeugbremsen benutzt werden. Solche Scheiben könnten auch in Kupplungen oder jeglicher Anzahl von Reibungsmechanismen angewandt werden, wo die Bewegung eines Gliedes durch Anlage an ein benachbartes Glied bzw. benachbarte Glieder gesteuert wird. Figur 14 zeigt eine typische Flugzeugbremse 100, die in einem Rade 101 angeordnet ist, in welchem eine Mehrzahl Rotoren 110 aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff Statoren 120 aus Kohlenstoff-Verbundwerkstoff benachbart angeordnet sind. Die Rotoren 110 umfassen Dämpfungseinsatzglieder 115, und die Statoren 120 umfassen Dämpfungseinsatzglieder 125. Die Dämpfungseinsatzglieder können, wie oben geoffenbart wurde, an der diametralen Mittellinie der jeweiligen Scheibe angeordnet sein oder dazu versetzt, und sie können relativ zum Dämpfungseinsatzglied einer benachbarten Scheibe in zahlreichen Konfigurationen angeordnet sein, wie jenen, die in Figur 14 veranschaulicht sind.

Claims

1. Scheibe für einen Reibungsmechanismus, wie eine Bremse oder eine Kupplung, welche Scheibe (10, 60, 110, 120) zueinander parallele Flächen zur Anlage an gegenüberliegende Flächen zugehöriger Glieder des Reibungsmechanismus aufweist, wobei die Scheibe ein einziges, einteiliges Scheibenelement (10, 60, 110, 120) und ein Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) umfaßt, das während des Betriebes des Reibungsmechanismus eine positive Vibrationsdämpfung des Scheibenelementes (10, 60, 110, 120) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Scheibenelement aus einem Reibungsmaterial aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt und das Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) vollständig innerhalb des Scheibenelementes (10, 60, 110, 120) angeordnet und darin abgeschlossen ist.

2. Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) ein solches aus Graphitmaterial, Papier und Tuch umfaßt.

3. Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) einen Teil des Scheibenelementes (10, 60, 110, 120) umfaßt, der ein Fehlen des Reibungsmateriales aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff zeigt, wobei der Teil eine Ungleichmäßigkeit des Reibungsmateriales aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff darstellt, um die positive Vibrationsdämpfung zu bewirken.

4. Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) eine Mehrzahl von Öffnungen (20, 22, 26, 30, 34, 40, 44) aufweist, durch die sich das Reibungsmaterial aus einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hindurcherstreckt.

5. Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) gegenüber der diametralen Mittellinie der Scheibe (10, 60, 110, 120) versetzt angeordnet ist.

6. Scheibe nach Anspruch 1, bei der der Reibungsmechanismus eine Flugzeugbremse (100) umfaßt und jeweils eine Scheibe (10, 60, 110, 120) einen Stator (120) und einen Rotor (110) der Flugzeugbremse (100) bildet.

7. Scheibe nach Anspruch 1, bei der das Einsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) ein zerkleinertes Glied aufweist.

8. Verfahren zum Herstellen des Scheibenelementes (10, 60, 110, 120) nach Anspruch 1, bei dem das Scheibenelement (10, 60, 110, 120) eine Bremskomponente (10, 60, 110, 120) aus einem Kohle/Kohle-Verbundwerkstoff mit rund um ein Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) angeordneten Kohlenstoffmaterial aufweist, welches die Verfahrensschritte des Gießens eines Gemisches von geschnittenen Kohlefasern, von wärmehärtendem Harz und einem Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) in die Form einer Bremskomponente (10, 60, 110, 120) aufweist, des Erhitzens des gegossenen Gemisches zum Umwandeln des wärmehärtenden Harzes in glasartigen Kohlenstoff, des Verdichtens des Kohlenstoffmateriales zur Verminderung seiner Porosität durch Ablagerung zusätzlichen Kohlenstoffes darin, des Erhitzens des Kohlenstoffmateriales auf einen Temperaturbereich von 1600-2800ºC und des Bearbeitens des Kohlenstoffmateriales auf die letztlichen Abmessungen der Bremskomponente (10, 60, 110, 120), wobei das Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) eine positive Dämpfung der Bremskomponente (10, 60, 110, 120) zur Minimierung dynamischer Vibrationen bewirkt.

9. Verfahren zum Herstellen des Scheibenelementes (10, 60, 110, 120) nach Anspruch 1, bei dem das Scheibenelement (10, 60, 110, 120) eine Bremskomponente (10, 60, 110, 120) aus einem Kohle/Kohle-Verbundwerkstoff mit rund um ein Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) angeordneten Kohlenstoffmaterial aufweist, welches die Verfahrensschritte des Imprägnierens eines Stoffmateriales aus Kohle in einem Harzbad, des Erhitzens des Stoffmateriales auf eine geringe Temperatur von weniger als 200ºC zum Entfernen flüchtiger Stoffe daraus und zur Schaffung eines vorimprägnierten Materiales aufweist, des Formens von Lagen des vorimprägnierten Materiales und des Dämpfungseinsatzgliedes (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) in eine gewünschte Form, des Gießens der Lagen und des Gliedes unter Druck und Hitze zum Bilden eines Bremsmateriales aus einem Kohlestoff, des Erhitzens des Bremsmateriales aus einem Kohlestoff auf eine Temperatur im Bereiche von 800- 1100 ºC, um ein poröses Substrat mit einer glasartigen Kohlenstof fmatrix zu erzeugen, des Verdichtens des porösen Substrates zur Verminderung der Porosität und zur Zugabe zusätzlichen Kohlenmateriales dazu, der Wärmebehandlung des sich ergebenden Verbundwerkstoffes bei einer Temperatur von 1600-2800ºC und des Bearbeitens des Kohlenstoffmateriales auf die Abmessungen der Kohlenstoff-Bremskomponente (10, 60, 110, 120), wobei das Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) eine positive Dämpfung der Bremskomponente (10, 60, 110, 120) zur Minimierung dynamischer Vibrationen bewirkt.

10. Verfahren zum Herstellen des Scheibenelementes (10, 60, 110, 120) nach Anspruch 1, bei dem das Scheibenelement (10, 60, 110, 120) eine Bremskomponente (10, 60, 110, 120) aus einem Kohle/Kohle-Verbundwerkstoff mit rund um ein Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) angeordneten Kohlenstoffmaterial aufweist, welches die Verfahrensschritte des Anordnens einer Mehrzahl von Lagen von Kohlefasern rund um eine das Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) aufweisende Lage aufweist, des Verstärkens der Lagen durch eine das Anheften, Nähen oder Tuftieren umfassende Methode zur Bildung eines Vorformlings, des Verdichtens des Vorformlings zur Verminderung der Porosität und zur Zugabe zusätzlichen Kohlenmateriales dazu, der Wärmebehandlung des sich ergebenden Verbundwerkstoffes bei einer Temperatur von 1600- 2800ºC und des Bearbeitens des Kohlenstoffmateriales auf die Abmessungen zur Schaffung der Kohlenstoff-Bremskomponente (10, 60, 110, 120), wobei das Dämpfungseinsatzglied (12, 14, 18, 24, 28, 32, 36, 42, 52, 125) eine positive Dämpfung der Bremskomponente (10, 60, 110, 120) zur Minimierung dynamischer Vibrationen bewirkt.