DE69207781T2 - Bremsrotor mit leichtem gewicht und hoher wärmeleitungsfähigkeit - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Bremsrotor, der aus Verbundstoffen aus 15-80 Vol.-% Siliciumcarbid und 85-20 Vol.-% Eisenlegierung gefertigt ist. Das Siliciumcarbid verleiht dem Verbundstoff die Eigenschaft hoher Wärmeleitfähigkeit, wodurch die während einer Betätigung der Bremse zwischen ersten und zweiten Reibflächen und in einem Sattel untergebrachten Bremsbelägen entstehende thermische Energie abgeleitet wird.
• Bei den Bemühungen, den Gesamtkraftstoffverbrauch eines Fahrzeuges sparsamer zu gestalten, wurde seit einiger Zeit das Gesamtgewicht des Fahrzeuges verringert. Eine der Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung besteht darin, den Bremsrotor aus Gußeisen durch einen Bremsrotor aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall zu ersetzen. Leider ist Aluminium normalerweise nicht abriebfest. Daher muß bei der Verwendung von Aluminium eine verschleißfeste oberflächenbeschichtung der aus der US-PS 4 290 510 bekannten Art auf die der Reibung ausgesetzten Flächen aufgebracht werden. Diese Art von Schutz für Aluminiumrotoren ist für einige Anwendungen geeignet, solange die bei einer Bremsbetätigung entstehende thermische Energie niedriger als 900ºF bzw. 480ºC ist. In vielen Fällen übersteigt die entstehende thermische Energie jedoch den Schmelzpunkt von Aluminium, wodurch die Rotoren weich werden. Daher ist es zwingend notwendig, einen Rotor zu entwickeln, der in der Lage ist, thermische Energie von einer Verschleißfläche abzuleiten, während gute mechanische Eigenschaften wie Härte und Festigkeit bei hohen Temperaturen während einer Bremsbetätigung beibehalten werden.
• Ein Rotor aus einer chrom-Kupfer-Legierung besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa sechsmal größer ist als Gußeisen [sic], und arbeitet zufriedenstellend. Leider ist die Dichte solcher Chrom-Kupfer-Rotoren auch größer als entsprechende Gußeisen-Rotoren [sic], und somit wurde eine Erhöhung des Fahrzeuggesamtgewichtes nicht zu der gewünschten Verbesserung des Kraftstoffeinsparung führen.
• Nach Prüfung zahlreicher Zusammensetzungen wurden Verbundstoffe aus Siliciumcarbid-Kupferlegierungen der aus der anhängigen, am 27. Juni 1991 eingereichten US- Patentanmeldung 722 043 bekannten Art für die Verwendung als Bremsrotor entwickelt. Diese Rotoren aus Verbundstoffen aus Siliciumcarbid-Kupferlegierungen, die eine etwa eineinhalbmal größere Wärmeleitfähigkeit als Gußeisen und etwa zwei Drittel der relativen Dichte von Gußeisen besitzen, würden bei den meisten Bremsanwendungen zufriedenstellend arbeiten.
• Da den Materialkosten bei der Herstellung eines Bremsrotors eine bedeutende Rolle zukommt, wurde jetzt gefunden, daß ein Verbundstoff aus einer Eisenlegierung- Siliciumcarbid-Metallmatrix ebenfalls eine höhere Wärmeleitfähigkeit und größere Gesamtfestigkeit bei höheren Temperaturen als Grauguß besitzt und gleichzeitig eine Verringerung des Gesamtgewichtes aufweist, die Verbundstoffe aus Siliciumcarbid-Kupferlegierungen übertrifft. Es wurde jetzt ein Metallmatrix-Verbundstoff aus einer Metallegierung entwickelt, deren Zusammensetzung aus 15-80 Vol.-% Siliciumcarbid und 85-20 Vol.-% Eisenlegierung ausgewählt ist. Man füllt Siliciumcarbidpulver in eine Form und läßt in die Siliciumcarbidfüllung eine Eisenlegierung einfließen, wobei ein einheitlicher Bremsrotor entsteht. Der Bremsrotor verfügt über eine Nabe mit mehreren darin befindlichen Öffnungen zur Befestigung an einer Fahrzeugachse, die sich mit einem Rad dreht, sowie Speichen oder eine massive Scheibe, die radial von dieser Nabe zu einem ringförmigen Kopfteil ausgehend [sic]. Das Kopfteil weist erste und zweite darauf befindliche Reibflächen auf, die mit Bremsbelagen während einer Bremsbetätigung in Kontakt treten. Der Bremsrotor hat eine Dichte von 4,0 bis 6,4 g/cm³ und eine sich daraus ergebende Wärmeleitfähigkeit von bis zu 171 W/mK.
• Die Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung von Zusammensetzungen aus Siliciumcarbid und Eisenlegierung für die Verwendung in einem Bremsrotor.
• Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung von Zusammensetzungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und relativ geringem Gewicht zur Verwendung in einem Bremsrotor, der der während einer Bremsbetätigung entstehenden thermischen Energie standhält, ohne in Mitleidenschaft gezogen zu werden.
• Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verbundstoffes zur Verwendung in einem Bremsrotor, der eine Zusammensetzung aus Siliciumcarbid und Eisenlegierung mit einer Dichte von etwa siebzig Prozent von Gußeisen [sic], jedoch mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit aufweist, wodurch die Wirksamkeit eines Bremssystems über einen breiteren Betriebsbereich erhalten bleibt.
• Diese Aufgaben und Vorteile sollten beim Lesen dieser Patentanmeldung und bei Ansicht der Figuren klar ersichtlich werden.
• Es zeigen:
• Figur 1 eine Skizze eines Bremssystems, worin sich ein nach dieser Erfindung hergestellter Rotor zwischen von einem Sattel getragenen Reibbelägen befindet;
• Figur 2 eine Seitenansicht des Rotors aus Figur 1;
• und
• Figur 3 eine Tabelle, aus der die physikalischen und thermischen Eigenschaften von verschiedenen Verbundstoffen für den Rotor aus Figur 1 ersichtlich sind.
• In dem in Figur 1 für ein Fahrzeugrad gezeigten Bremssystem hält ein Sattel 10 die Bremsbeläge 34 und 36 solange zurück, bis sie mit einem Rotor 12 aus einer Legierung, die aus einer Zusammensetzung aus Figur 3 ausgewählt wurde, in Kontakt treten.
• Der Rotor 12 verfügt über eine Nabe 26 mit mehreren darin befindlichen Öffnungen 25, 25'...25n zur Befestigung an einer Fahrzeugachse 27. Der Rotor 12 dreht sich mit einem Rad und kann Speichen 29, 29'...29n aufweisen, die radial von dieser Nabe zu dem ringförmigen Kopfteil 14 ausgehend [sic], oder eine massive Hauptscheibe, die die Nabe 26 mit dem ringförmigen Kopfteil 14 verbindet. Den Speichen 29, 29'...29n kann dabei jedoch der Vorzug gegeben werden, da sie eine bessere Möglichkeit bieten, Wärme an die Umgebung abzugeben. Das Kopfteil 14 weist ein Paar darauf ausgebildete Reibflächen 16 und 18 auf, die durch mehrere Stege 24, die über radial ausgehende beabstandet [sic] verfügen, miteinander verbunden sind. Die Stege 24 halten die Kontaktflächen 16 und 18 parallel, während die dazwischenliegenden Zwischenräume die Strömung von Kühlluft zwischen den Stegen gestatten, wodurch die Kühlung des Rotors 12 gefördert wird. Zusätzlich erlaubt der Zwischenraum zwischen den Speichen 29, 29'...29n die Strömung einer gewissen Luftmenge, wodurch der Rotor 12 ebenfalls gekühlt wird.
• Am Fahrzeug befindet sich ein Sattel 28, der über ein Paar Verlängerungen 30 und 32 verfügt, die von den Flächen 16 und 18 am Rotor 12 parallel beabstandet angebracht sind. Die Bremsbeläge 34 und 36, die aus einem Reibbelag 38 und einer Rückplatte 40 bestehen, sind am Sattel 28 so angebracht, daß sie sich axial in eine Richtung bewegen, die allgemein senkrecht zu der planaren Drehung des Rotors 12 ist, wobei die Bewegung als Reaktion auf das Füllen der Kammer 41 des Hydromotors 42 mit Hydraulikflüssigkeit erfolgt.
• Der Hydromotor 42 wird von der Verlängerung 32 des Sattels 28 getragen und weist einen Kolben 44 auf, der in der Zylinderbohrung 46 untergebracht ist. Eine flexible Manschette oder Dichtung 48 ist mit einem Ende am Sattel und mit dem anderen Ende am Kolben 44 befestigt, wodurch die Kammer 41 abgedichtet und das Eindringen von Schmutz, Wasser oder anderen Verunreinigungen in die Bohrung 46 verhindert wird.
• Während einer Bremsbetätigung strömt Hydraulikflüssigkeit in die Kammer 41, wodurch der Kolben 44 sowie der Bremsbelag 34 in Richtung Fläche 18 am Rotor 12 bewegt wird und gleichzeitig die Verlängerung 32 durch den Steg 31 und die Verlängerung 30 wirkt, wodurch der Bremsbelag 36 in Richtung Fläche 16 am Rotor 12 gezogen wird. Da das Reibmaterial 38 der Bremsbeläge 34 und 36 mit den Reibflächen 16 und 18 in Kontakt kommt, entsteht thermische Energie. Bei Temperaturen unterhalb 400ºF bzw. 205ºC wird der Abnutzungsgrad des Reibmaterials vorwiegend durch die Wahl der Reibungsmodifizierungsmittel im Reibmaterial gesteuert, während sich der Abnutzungsgrad bei Temperaturen oberhalb 400ºF bzw. 205ºC aufgrund der thermischen Zersetzung des Bindemittels im Reibmaterial mit steigender Temperatur exponentiell erhöht. Daher ist es wichtig, daß die bei der Bremsung entstehende thermische Energie so schnell wie möglich von dem Reibmaterial abgeleitet wird.
• In Figur 3 sind verschiedene Eisenlegierungsstoffe, aus denen Rotoren 12 gefertigt werden können, mit ihren entsprechenden Eigenschaften aufgeführt. Anhand von Versuchen wurde nachgewiesen, daß ein typischer Rotor 12 aus Grauguß etwa 12 Pfund bzw. etwa 5,5 Kg wiegt. Von einem Rotor dieser Art kann angenommen werden, daß er 46 W/mK thermische Energie mit einer Geschwindigkeit von 15 M2 [sic] /sec x 10&supmin;&sup6; von den Reibbelägen 34 und 36 ableitet. Solange die bei einer Bremsbetätigung entstehende Temperatur niedriger als 1600ºF bzw. 870ºC ist, arbeitet diese Art von Rotor zufriedenstellend.
• Um das Gesamtgewicht eines Fahrzeuges zu reduzieren, wurde vorgeschlagen, bei einem Rotor das Gußeisen durch einen Verbundstoff aus einer Aluminium- Metallmatrix zu ersetzen, die zu 20 Vol.-% aus Siliciumcarbid besteht. Ein aus dieser Zusammensetzung herge stellter Rotor 12 hätte ein Gewicht von etwa 4,6 Pfund bzw. 2,1 Kg [sic]. Es läßt sich daher auf einfache Weise zeigen, daß die Verwendung einer Zusammensetzung aus Aluminiumlegierung bei einem Rotor zu einer bedeutenden Gewichtseinsparung führt. Zusätzlich würde sich die Wärmeleitfähigkeit eines solchen Rotors theoretisch etwa um das Dreieinhalbfache erhöhen, wodurch sich eine um etwa fünffache Diffusionsgeschwindigkeit vom Reibmaterial weg ergibt. Solange die bei einer Bremsbetätigung entstehende thermische Energie niedriger als 900ºF bzw. 480ºC ist, arbeitet ein Rotor aus dieser Art Aluminiumzusammensetzung zufriedenstellend. Leider überschreitet die entstehende thermische Energie bei Befolgen der derzeit gültigen Norm für Bremsen des United States Department of Transportation (US-Verkehrsministerium) höchstwahrscheinlich 900ºF bzw. 480ºC, wodurch der Bremsbelag und die Bremsflächen an den Rotoren aus Aluminiumverbundstoff in Mitleidenschaft gezogen werden. Daher besteht die Notwendigkeit, die thermische Leistung des Bremsrotors zu erhöhen.
• Ein Bremsrotor 12 wurde aus einer Chrom-Kupfer- Legierung der aus der US-Patentanmeldung 722 043 bekannten Art hergestellt. Theoretisch hat ein Rotor aus einer solchen Chrom-Kupfer-Legierung verglichen mit einem entsprechenden Gußeisen-Rotor eine etwa sechsmal größere Geschwindigkeit der Wärmeleitfähigkeit und Diffusionsgeschwindigkeit. Leider würde sich das Gewicht eines solchen Rotors auf etwa 15,2 Pfund bzw. 6,9 Kg erhöhen, wodurch sich eine Erhöhung des Fahrzeuggesamtgewichtes ergäbe. Die verbesserten thermischen Eigenschaften der Chrom-Kupfer-Legierung wurden jedoch als Grundlage bei der Entwicklung eines Materials aus Eisenlegierung zur Verwendung als Bremsrotor in der vorliegenden Erfindung genutzt.
• Unter dem Begriff Eisenlegierung soll in dieser Patentschrift ein Material bezeichnet werden, das die folgenden Bestandteile enthält: Bereich Tatsächlich bis zu Gew.-% Rest der Mischung Gesamt
• wobei X ein Legierungszusatz ist, der aus der Gruppe bestehend aus Cr (0,13), Mo (0,08), Cu (0,28), Mn (0,75), Ni (0,13), P (0,06) und 5 (0,08) ausgewählt ist.
• Die Chrom-Kupfer-Legierung wurde durch Eisenlegierung ersetzt, da die Eisenlegierung eine hohe Festigkeit bei Temperaturen über 1560ºF bzw. 850ºC, eine geringere Dichte sowie geringere Materialkosten aufweist. Die folgenden in Figur 3 als A, B, C, D und E bezeichneten spezifischen Zusammensetzungen wurden zur Ermittlung eines Anwendungsbereiches für die Eisenlegierung in einem Bremsrotor entwickelt.
• Ein Bremsrotor 12 aus Zusammensetzung A mit etwa 20 Vol.-% Siliciumcarbid und 80 Vol.-% Eisenlegierung würde ein Gewicht von etwa 10,8 Pfund bzw. 4,9 Kg [sic], aufweisen, was um etwa 11% weniger ist als ein Rotor aus Grauguß. Ein Rotor 12 aus Zusammensetzung A weist zusätzlich sowohl eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit als auch der thermischen Diffusionsgeschwindigkeit auf, wie aus Figur 3 hervorgeht.
• Ein Bremsrotor 12 aus Zusammensetzung B mit etwa 30 Vol.-% Siliciumcarbid und 70 Vol.-% Eisenlegierung hätte ein Gewicht von etwa 10,0 Pfund bzw. 4,6 Kg (sic], was um etwa 17% weniger ist als ein Rotor aus Grauguß. Ein Rotor 12 aus Zusammensetzung B weist zusätzlich sowohl eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit als auch der thermischen Diffusionsgeschwindigkeit auf, wie aus Figur 3 hervorgeht.
• Ein Bremsrotor 12 aus Zusammensetzung C mit etwa 50 Vol.-% Siliciumcarbid und 50 Vol.-% Eisenlegierung hätte ein Gewicht von etwa 8,6 Pfund bzw.3,9 Kg [sic], was um etwa 28% weniger ist als ein Rotor aus Grauguß. Ein Rotor 12 aus Zusammensetzung C weist zusätzlich sowohl eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit als auch der thermischen Diffusionsgeschwindigkeit auf, wie aus Figur 3 hervorgeht.
• Ein Bremsrotor 12 aus Zusammensetzung D mit etwa 70 Vol.-% Siliciumcarbid und 30 Vol.-% Eisenlegierung hätte ein Gewicht von etwa 7,3 Pfund bzw. 3,3 Kg [sic], was um etwa 39% weniger ist als ein Rotor aus Grauguß. Ein Rotor 12 aus Zusammensetzung D weist zusätzlich sowohl eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit als auch der thermischen Diffusionsgeschwindigkeit auf, wie aus Figur 3 hervorgeht.
• Ein Bremsrotor 12 aus Zusammensetzung E mit etwa 80 Vol.-% Siliciumcarbid und 20 Vol.-% Eisenlegierung hätte ein Gewicht von etwa 6,7 Pfund bzw. 3,1 Kg [sic], was um etwa 44% weniger ist als ein Rotor aus Grauguß. Ein Rotor 12 aus Zusammensetzung E weist zusätzlich sowohl eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit als auch der thermischen Diffusionsgeschwindigkeit auf, wie aus Figur 3 hervorgeht.
• Bei der Herstellung eines Rotors 12 aus Zusammensetzung A, B, C, D oder E ließ man in eine mit Siliciumcarbidpulver gefüllte Form geschmolzene Eisenlegierung von etwa 2190-2730ºF bzw. 1200-1500ºC einfließen. Diese Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Siliciumcarbid liegt, ist für den Schmelzfluß der Eisenlegierung sowie für die Herstellung einer zusammenhängenden Matrix für einen daraus entstehenden Rotor 12 ausreichend.

Claims (7)

1. Rotor zur Verwendung bei einer Sattelbremseinrichtung, bestehend aus:

einer Nabe mit mehreren darin befindlichen Öffnungen zur Befestigung an einer Fahrzeugachse, wobei die Nabe sich zusammen mit einem an diesem Fahrzeug befindlichen Rad dreht,

Speichen, die von der Nabe radial ausgehen, sowie

einem ringförmigen Kopfteil, das an diesen Speichen befestigt ist, wobei das Kopfteil erste und zweite darauf befindliche Reibflächen aufweist, die bei Betätigung des Sattels die Bremsbeläge kontaktieren, wodurch eine Bremswirkung zustande kommt, wobei der Rotor aus einer Zusammensetzung aus 15-80 Vol.-% Siliciumcarbid und 85-20 Vol.-% einer Eisenlegierung gefertigt ist und wobei die Zusammensetzung eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 171 W/mK besitzt.

2. Rotor nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung aus 70 Vol.-% Siliciumcarbid und 30 Vol.-% Eisenlegierung besteht, wodurch sich eine Dichte von 4,4 g/cm³ ergibt.

3. Rotor nach Anspruch 2, wobei die Eisenlegierung zwecks gleichmäßiger Ableitung der thermischen Energie von den ersten und zweiten Reibflächen beim Kontaktieren der Bremsbeläge eine Matrix bildet.

4. Rotor nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung aus 85 Vol.-% Siliciumcarbid und 15 Vol.-% Eisenlegierung besteht, wodurch sich eine Dichte von 4,0 g/cm³ ergibt.

5. Rotor zur Verwendung bei einer Sattelbremseinrichtung, bestehend aus:

einer Nabe mit mehreren darin befindlichen Öffnungen zur Befestigung an einer Fahrzeugachse, um sich zusammen mit einem Rad zu drehen,

einer ringförmigen Scheibe, die von dieser Nabe radial ausgeht, sowie

einem ringförmigen Kopfteil, der an der ringförmigen Scheibe befestigt ist, wobei das Kopfteil erste und zweite darauf befindliche Reibflächen aufweist, die bei Betätigung des Sattels die Bremsbeläge kontaktieren, wodurch eine Bremswirkung zustande kommt, wobei der Rotor aus einer Zusammensetzung aus 15-80 Vol.-% Siliciumcarbid und 85-20 Vol.-% Eisenlegierung gefertigt ist und wobei die Zusammensetzung eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 171 W/mK besitzt, wodurch sich eine Dichte von 4,0 bis 6,4 (kg/m³) x 10&supmin;³ ergibt.

6. Rotor nach Anspruch 5, wobei die Eisenlegierung zwecks gleichmäßiger Ableitung der thermischen Energie von den ersten und zweiten Reibflächen beim Kontaktieren der Bremsbeläge eine Matrix bildet.

7. Rotor nach Anspruch 6, wobei die von dem Kopf stammende thermische Energie zwecks Ableitung in die Umgebung zu der ringförmigen Scheibe weitergeleitet wird.