DE69532937T2 - Verstärktes Reibungsmaterial - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen verstärkten Reibungsmaterialteil gemäß einem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer verfestigten verstärkten Reibungsmaterialform gemäß einem Oberbegriff von Anspruch 18.
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Reibungsmaterialien, die nützlich bei Einbauten in verschiedenen Bremsenzusammenbauten und anderen Reibung erzeugenden Vorrichtungen sind, und insbesondere betrifft sie die Herstellung eines verstärkten Reibungsmaterials, welches einen eingebetteten Wabenkern zur Verstärkung aufweist.
  • Der Einsatz von verschiedenen Bremsvorrichtungen in Kraftfahrzeugen und anderen Transportfahrzeugen wie Trommelbremsenzusammenbauten, Scheibenbremsenzusammenbauten und Ähnlichem ist gut bekannt. Solche Vorrichtungen funktionieren, um die Fahrzeugbewegung zu verzögern oder anzuhalten, oft von hohen Geschwindigkeiten und mit hohen Fahrzeugverzögerungsraten. Im Bremsvorgang wird ein großer Teil oder fast die gesamte kinetische Energie des Fahrzeugs in Reibungswärme an der Oberfläche des Reibungsmaterials oder der Reibungsmaterialien, welche(s) in den Fahrzeugbremsvorrichtungen eingebaut ist (sind), umgesetzt. Solch ein Bremsvorgang führt auch häufig zu sehr hohen Betriebstemperaturen, die sich im Reibungsmaterial oder den Reibungsmaterialien entwickeln.
  • Reibungsmaterialien, welche in den bekannten Bremsenvorrichtungen eingebaut sind, haben im Allgemeinen einzelne Verstärkungsfasern oder Endlosverstärkungsfäden zu Materialverstärkungszwecken eingesetzt und oft mit einem Kompromiss in Bezug auf ein oder mehrere der Eigenschaftsmerkmale von Abriebbeständigkeit, Bremsgeräuschentwicklung und Freisetzung von Faserrückständen. US-A-3,639,197, erteilt an Spain zum Beispiel, offenbart den Einsatz von sowohl Endloskohlenstofffäden und willkürlich ausgerichtete kurzen Kohlenstofffasern als Verstärkung in Rotor- und Stator-Verbundstoffteilen eines Flugzeugbremsenzusammenbaus.
  • US-A-3,759,353, erteilt an Marin, lehrt den Einsatz von sowohl umfangsgewickelten Kohlenstofffäden- als auch verwebten Kohlenstofffadenstoffverstärkungen in einer Bremsscheibenverbundstoffstruktur für Scheibenbremsen.
  • US-A-4,373,038, erteilt an Moraw et al., lehrt ein Asbest freies Reibungsmaterial, welches für Bremsbeläge, Kupplungen usw. brauchbar ist und eine Verbindung aus einzelnen Aramidfasern, Mineralfasern und Stahlfasern umfasst, welche ein härtbares Bindemittel verstärken.
  • US-A-4,384,640, erteilt an Trainor et al., offenbart einen Reibungsverbundstoff, wobei Aramidfasern nur manchmal in Endlosfädenform und manchmal als Einzelfasern als Verstärkungen in der Herstellung von verschiedenen Bremsen- oder Kupplungsbauteilen eingesetzt werden.
  • US-A-4,418,115, erteilt an LeLannou, lehrt ein Bremsbeläge-Reibungsmaterial für den Einsatz in Bremsen, Kupplungen und anderen Anwendungen, welches sowohl Mineralfasern als auch organische Fasern als Verstärkungen in einer Mischung aufweist, welche Füllstoffe und ein Bindemittel aufweist. Die organischen Fasern sind wenigstens teilweise aus einem vernetzbaren und verschmelzbaren Typ wie Acryl- oder Modacrylfasern zusammengesetzt.
  • US-A-4,997,067, erteilt an Watts, lehrt Reibungsmaterial für Bremsen, Kupplungen usw., wobei das verstärkende Medium ein Gewebestoff ist, welches Fluor-(Polytetrafluorethylen)Fasern in Garnform umfasst. Siehe auch US-A-3,365,041, erteilt an Stormfaltz, für eine Lehre über eine Reibungskupplung des früheren herkömmlichen Einsatzes von sowohl Asbestfasern und Glasfasern in einem gewebten Verstärkungsstoff, welcher in einer Reibungsmaterialzusammensetzung eingebettet ist, die auch Füllstoffe und Phenolformaldehydharzbindemittel aufweist.
  • Zu Lehren in Bezug auf Lärmverringerung in einem Litzenaufnäher siehe US-A-5,083,643, erteilt an Hummel et al. und dem Rechtsnachfolger dieser Erfindung übertragen. Das Reibungsmaterial, welches in jener Patentschrift offenbart ist, umfasste Verstärkungsfasern, welche genauer als Glasfasern, Steinwollefasern, verarbeitete Mineralfasern oder Feuerfestmaterialfasern beschrieben sind.
  • Diese Erfindung bietet Leistungsvorteile gegenüber den Reibungsmaterialien, auf die oben Bezug genommen wurde, insbesondere in Bezug auf Resonanzlärmverringerung, erhöhten Abriebwiderstand, haltbarere Reibungsmaterialleistung und minimierte Freisetzung von Faserabrieb. Andere Vorteile werden durch eine sorgfältige Betrachtung der beschriebenen Erfindung und des Verfahrens der Reibungsmaterialherstellung oder -produktion, wie im Einzelnen ausgeführt und beansprucht, offensichtlich.
  • Der verstärkte Reibungsmaterialteil der vorliegenden Erfindung ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert.
  • Das Verfahren zum Herstellen einer verfestigten, verstärkten Reibungsmaterialform ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 19 definiert.
  • Um die Aufgaben dieser Erfindung zu erfüllen, stellen wir einen Fahrzeugbremsenzusammenbau oder Ähnliches mit einem oder mehreren zusammenwirkenden Bremsenreibungselementen bereit (z. B. ein Scheibenbremsenreibungsklotz oder ein Trommelbremsenreibungsschuh), die unter Verwendung eines verbesserten verstärkten Reibungsmaterials hergestellt sind. Das verbesserte verstärkte Reibungsmaterial, welches typischerweise frei von Fasern ist oder relativ geringe Mengen an diskontinuierlichen Fasern umfasst, um die angestrebten Reibungs- und Abriebsmerkmale zu erzielen, ist grundsätzlich kohlenstofflicher Natur. Es umfasst eine ausgehärtete Mischung aus Reibungsmodifizierpartikeln, Füllstoffpartikeln, aus einem Polymerharzbindemittel und einem eingebetteten Verstärkungskern. Der Verstärkungskern schließt die Notwendigkeit von einzelnen Verstärkungsfasern oder Endlosverstärkungsfäden im Reibungsmaterial aus. Einige der Mischungspartikel können auch eine besondere Funktion wie die einer Schmierung erfüllen. Der das Reibungsmaterial verstärkende Kern, welcher eine Mehrzahl von an einander grenzenden, mit offenem Ende versehenen Zellen aufweist, ist in der Partikel- oder Pulvermischung während der Bremsenelementreibungsmaterialherstellung auf eine Weise eingelegt, wobei folgend auf die Polymerisation des Reibungsmaterialpolymerharzbindemittels die Verstärkungskernzellen vollständig mit der ausgehärteten Mischung ausgefüllt sind, die mit den Zellenwänden verklebt ist. Beispiele der eingesetzten kohlenstoffhaltigen Partikel umfassen Graphitpartikel, Russpartikel, Kokspartikel und Gummipartikel. Beispiele für brauchbare Füllstoffpartikel umfassen Metallpartikel, Metalloxidpartikel und Bariumoxid- und andere Mineralpartikel. Beispiele für brauchbare Verstärkungskernmaterialien umfassen aufgeschäumten Aluminiumwabenkern, geschweißten Stahlwabenkern, Glasfaser verstärkten Phenolharzwabenkern und ähnliche aufgeschäumte Kernmaterialien. Beispiel für diskontinuierliche Fasern, die verwendet werden, um die Reibungs- oder Abriebmerkmale innerhalb der Reibungsmaterialmischung zu modifizieren, umfassen Stahlwolle-, Kohlenstoff-, gemahlene Glas-, Mineral-, Fiberglas- und Kevlarfasern.
  • Es wird angenommen, dass das verstärkte Reibungsmaterial dieser Erfindung auch vorteilhafte Anwendung in der Herstellung von Reibungsbauteilen für Kupplungsmechanismen und Einsatzfähigkeit in anderen Anwendungen als Automobilen aufweisen kann.
  • Durchgehend in den Zeichnungen und der Beschreibung, welche folgen, wird häufige Anschauung und Bezug auf Verstärkungskerne, welche aneinander grenzende Kernzellen mit offenen Enden mit einer sechseckigen Querschnittskonfiguration aufweisen, als verstärkte Wabenkerne genommen. Der Begriff, der in dieser Anmeldung verwendet wird, wird in der Absicht verwendet, Verstärkungskerne mit aneinander grenzenden Zellen mit offen Enden von unterschiedlichen Querschnittskonfigurationen wie quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, trapezförmigen, rhombischen und ähnlichen (ebenförmigen) Konfigurationen zu umfassen.
  • Um die Erfindung völlig zu verstehen, wird Bezug auf die folgenden Zeichnungen genommen, wobei
  • 1 eine Draufsicht eines Scheibenbremsenreibungsklotzzusammenbaus ist, welcher eine bevorzugte Ausführungsform des verbesserten Reibungsmaterials dieser Erfindung aufweist, das darin eingebaut ist;
  • 2 eine Aufrissansicht ist, welche entlang der Linie 2-2 aus 1 aufgenommen ist;
  • 3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der 2 ist;
  • 4 bis 7 schematische Schnittansichten einer Druckgussvorrichtung in aufeinander folgenden Einsatzstadien in der Herstellung von strukturiertem Reibungsmaterial sind, welches den bevorzugten Wabenkern einsetzt, der in 1 bis 3 gemäß unserer Erfindung dargestellt ist;
  • 8 eine Draufsicht einer alternativen Form des Scheibenbremsenreibungsklotzzusammenbaus ist, welcher auch das verbesserte Reibungsmaterial dieser Erfindung in sich eingebaut aufweist;
  • 9 eine perspektivische Ansicht eines Trommelbremsenreibungsschuhzusammenbaus ist, welcher auch das verbesserte Reibungsmaterial dieser Erfindung in sich eingebaut aufweist;
  • 10 bis 13 unterschiedliche Zellenquerschnittsgeometrien darstellen, welche während der Herstellung bekannter Wabenkernmaterialien hergestellt werden;
  • 14 eine Schnittansicht ist, welche entlang der Linie 14-14 aus 8 aufgenommen ist;
  • 15 eine Schnittansicht ist, welche eine alternative Ausführungsform eines Wabenkerns zeigt; und
  • 16 bis 18 schematische Schnittansichten einer Druckgussvorrichtung in aufeinander folgenden Einsatzstadien in der Herstellung von strukturiertem Reibungsmaterial sind, welches die bevorzugte Wabenkernverstärkung einsetzt, die in 15 dargestellt ist.
  • 19 bis 21 sind schematische Schnittansichten einer Druckgussvorrichtung in aufeinander folgenden Einsatzstadien in der Herstellung von strukturiertem Reibungsmaterial, welches die bevorzugte Wabenkernverstärkung einsetzt, die in 8 dargestellt ist.
  • 1 und 2 stellen in Draufsicht beziehungsweise im Aufriss einen Reibungsklotzzusammenbau für Automobilscheibenbremsen (10) dar, umfassend eine Grundplattenkomponente (12) und eine Reibungsklotzkomponente (14), fest mit der Grundplattenkomponente verklebt durch einen geeigneten Kleber (16) wie einen Epoxykleber. Die Grundplattenkomponente (12) ist typischerweise ein Stahlpressteil und ist auch typischerweise mit Anbringungslöchern (18) zum Einsatz beim Einbau des Reibungsklotzzusammenbaus (10) in einer automobilen Radscheibenbremsenanlage ausgestattet. Die Reibungsklotzkomponente (14) ist aus dem verbesserten Reibungsmaterial dieser Erfindung hergestellt und umfasst im Wesentlichen eine warmgehärtete Mischung aus Reibungspartikel, Füllpartikel und Bindemittelpartikel mit einem eingebetteten Verstärkungskern. Reibungsklotzkomponenten (14) können einige diskontinuierliche Einzelfasern enthalten, wo dies notwendig ist, um gewünschte Reibungs- oder Abriebmerkmale zu erzielen. In den Zeichnungen ist die warm ausgehärtete Reibungsmaterialmischung mit (20) bezeichnet und der eingebettete Verstärkungskern ist mit (22) bezeichnet. Obwohl diese Erfindung eine warm ausgehärtete Reibungsmaterialmischung betrifft, sollte beachtet werden, dass das Bindemittel, welches im Reibungsmaterial eingesetzt wird, auch nicht warm aushärtbar sein kann. Zum Beispiel härten einige Bindemittel bei Raumtemperatur aus.
  • Es sollte aus Details in den Zeichnungen hervorgehend beachtet werden, dass der Verstärkungskern (22) in allen Fällen aus mehrfachen, aneinander grenzenden, offenendigen Zellen aufgebaut ist, welche durch Zellwände definiert sind. Jedoch können diese Zellen unterschiedliche Querschnittsgeometrien in Abhängigkeit vom angewendeten Verfahren der Wabenverstärkungskernherstellung aufweisen. In vielen Fällen wird eine sechseckige Querschnittsflächenform bevorzugt. (Siehe zum Beispiel 1 und 8 bis 10). Andere verfügbare Kernzellenquerschnittskonfigurationen sind dargestellt und beschrieben in Verbindung mit 11 bis 13. Allgemein bevorzugen wir zur Zeit Wabenverstärkungskerne, die aus Aluminiumlegierung, Fiberglas verstärktem Phenol, Aramid verstärkt mit Phenol oder Epoxy, Fiberglas verstärktem Polyimid, Kohlenstofffaser verstärktem Polyimid, Thermoplasten, warm ausgehärtetem Kunststoff, Mineral, Keramik, Metall oder Metalllegierung oder Kombinationen der zuvor erwähnten Materialien oder anderen vergleichbaren Materialien hergestellt sind. Solche Kerne weisen normalerweise ein Schüttdichte (expandierte Dichte) von 32,0 kg/m3 (2 engl. Pfund pro Kubikfuß) oder größer auf. In einigen Fällen kann die Kerndichte, wie durch anwendbare Zellgröße, Zellwanddicke und Zellwandmaterial bestimmt, auf bis zu 321,0 kg/m3 (20 engl. Pfund pro Kubikfuß) für ein expandiertes Kohlenstofffaser verstärktes Polyimidmaterial ansteigen, welches 0,476 cm (3/16 Inch) Wand-zu-Wand, offenendige Zellen aufweist. Es sollte beachtet werden, dass wir Wabenverstärkungskerne bevorzugen, in welchen die Zellwände mit 0,16 bis 2,54 cm (1/16 und 1 Inch) beabstandet sind. Auch sollte allgemein das Verhältnis des Gewichts des expandierten Wabenverstärkungskerns zum Gesamtgewicht des verstärkten Reibungsmaterials sich im Bereich von ungefähr 5% bis 20% befinden. Dies ist auch günstig im Vergleich zu herkömmlichen Faser verstärkten Reibungsmaterialien und Endlosfaden verstärkten Reibungsmaterialien, wobei das Gewicht der Faserverstärkung allein im Allgemeinen 20% des Gesamtgewichts des Reibungsmaterials übersteigt.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Einbetten des ausgewählten Verstärkungskerns (22) in die Reibungsmaterialmischung (20) ist schematisch in 4 bis 7 der Zeichnungen dargestellt. Natürlich ist das nicht das einzige Verfahren zur Herstellung eines Waben verstärkten Reibungsklotzes. Wie in 4 gezeigt, wird eine untere Formhälfte (30), welche einen Hohlraum (32) und Ausstoßstifte (34) aufweist, vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 160°C (320°F) vorgeheizt und ein herkömmliches Trennmittel wird als eine Beschichtung auf den Hohlraum (32) aufgebracht. Der Hohlraum (32) weist eine Flächenform und Abmessung auf, welche der Form und Größe der Reibungs materialkomponente entsprechen, die hergestellt werden soll. Als Nächstes werden ungefähr vierzig Prozent (40%) der erforderlichen Pulvermischung (36), die notwendig ist, um den Teilrohling herzustellen, in den Hohlraum (32) eingebracht und gleichmäßig verteilt. Es sollte beachtet werden, dass, wenn die Pulvermischung (36) einige diskontinuierliche Fasern enthält, um erwünschte Reibungs- oder Abriebmerkmale zu erzielen, die Fasern vorzugsweise eine Länge von nicht mehr als ungefähr ein Viertel des Abstands zwischen gegenüberliegenden Zellwänden oder dem Durchmesser der runden Zellen aufweisen.
  • 5 stellt den nächsten Verfahrensschritt dar, welcher die Anordnung eines vorweg zugeschnittenen und expandierten Waben verstärkten Kerns (38) innerhalb des Formhohlraums (32) umfasst und wobei der Wabenkern (38) in die verteilte Pulvermischung (36) eingetaucht wird, bis er die untere Oberfläche des Formhohlraums berührt. Grundsätzlich sind die Achsen der Kernzellen in rechten Winkeln zur untersten Oberfläche des Hohlraums (32) ausgerichtet. Danach wird der Herstellungsvorgang durch Anordnen des verbleibenden Teils der erforderlichen Pulvermischung (36), die notwendig ist, um den vorgefertigten Teil im Formhohlraum (32) herzustellen, und durch sein gleichmäßiges Verteilen über der Wabenverstärkungskernform (38) fortgesetzt, um so alle Kernzellen vollständig auszufüllen. Siehe 6.
  • Wie in 7 gezeigt, wird als Nächstes eine obere Formhälfte (40), ebenfalls vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 160°C (320°F) vorgeheizt, auf die untere Formhälfte (30) aufgesetzt, wodurch die untere Oberfläche des Stoßmerkmals (42) der oberen Formhälfte die verteilte volle Menge der Mischung (36) berührt und verursacht, dass sie verdichtet wird. Wir bevorzugen, dass die Verdichtungskräfte, die auf die Formhälften (30 und 40) angelegt werden, ausreichen, um einen isostatischen Verdichtungs druck von ungefähr 4,13 MPa (600 engl. Pfund pro Quadratinch) durch die gesamte Mischung (36) hindurch aufzubringen.
  • Als Nächstes wird das Innere des gefüllten Hohlraums (32) mit der Atmosphäre in 1-Minuten, 2-Minuten und 3-Minuten Abständen zum Zeitpunkt der anfänglichen Verdichtung belüftet. Danach werden die Verdichtungskräfte vorzugsweise auf ein Niveau erhöht, welches eine isostatische Verdichtung von ungefähr 8,26 MPa (1200 engl. Pfund pro Quadratinch) in der verdichteten Mischung erzeugt, und dieses Verdichtungsniveau wird vorzugsweise für einen Zeitraum von ungefähr 2 Minuten gehalten.
  • Zuletzt wird der auf diese Art verdichtete und teilweise ausgehärtete Teil aus dem Formzusammenbau unter Verwendung der Ausstoßstifte (34) ausgestoßen und anschließend in einen Aushärtungsofen übergeben. Im Ofen wird der Teil durch lineares Erhöhen der Reibungsmaterialtemperatur auf ungefähr 149°C (300°F) über eine Zeitspanne von 3 Stunden ausgehärtet und dann wird der erhitzte Teil auf den 149°C (300°F) für zusätzliche 4 Stunden Verarbeitungszeit gehalten. Nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur ist der Reibungsmaterialrohling bereit für die Endbearbeitung und den nachfolgenden Einbau in die Bremsvorrichtung oder ähnliche Vorrichtung, für die er bestimmt ist.
  • Eine alternative Wabenkernverstärkung (24) kann durch Bezugnahme auf 15 studiert werden. Der Kern (24) weist angrenzende, offenendige Zellen auf, die durch Wände gleich wie Kern (22), dargestellt in 1 bis 9, definiert werden. Der Kern (24) weist auch ein Abdeckblatt (26) auf, welches an einem Ende seiner Zellenwände angebracht ist. Das Blatt (26) stellt zusätzliche Steifigkeit für den Verstärkungskern (24) bereit.
  • Ein Verfahren zum Einbetten des alternativen Wabenverstärkungskerns (24), dargestellt in 15 in einer Reibungsmaterialmatrix, ist schematisch in 16 bis 18 gezeigt. Wie in 16 gezeigt, wird eine untere Formhälfte (43), welche einen Hohlraum (44) und Ausstoßstifte (45) aufweist, vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 160°C (320°F) vorgeheizt und ein herkömmliches Trennmittel wird als eine Beschichtung auf den Hohlraum (44) aufgebracht. Der Hohlraum (44) weist eine Flächenform und Abmessung auf, welche der Form und Größe der Reibungsmaterialkomponente entsprechen, die hergestellt werden soll. Danach wird der Verstärkungskern (24) im Hohlraum (44) eingelegt, wobei das Abdeckblatt (26) den Boden des Hohlraums (24) berührt. Es ist ersichtlich, dass die Achsen der Kernzellen in rechten Winkeln zur Oberfläche des Abdeckblatts (26) und zur untersten Fläche des Hohlraums (44) ausgerichtet sind. Danach wird der Herstellungsvorgang durch Anordnen der erforderlichen Pulvermischung (46), die notwendig ist, um den Teilrohling herzustellen, in den Hohlraum (44) der Form eingebracht und gleichmäßig über den Wabenverstärkungskern (24) verteilt, um die Kernzellen vollständig aufzufüllen. Siehe 17.
  • Nun mit Bezugnahme auf 18, ist ersichtlich, dass als Nächstes die obere Formhälfte (47), ebenfalls vorzugsweise auf eine Temperatur von ungefähr 160°C (320°F) vorgeheizt, auf die untere Formhälfte (43) aufgesetzt wird, wodurch die untere Oberfläche des Stoßmerkmals (48) der oberen Formhälfte die verteilte volle Menge der Mischung (46) berührt und verursacht, dass sie verdichtet wird. Vorzugsweise reichen die Verdichtungskräfte, die auf die Formhälften (43 und 47) angelegt werden, aus, um einen isostatischen Verdichtungsdruck von ungefähr 4,13 MPa (600 engl. Pfund pro Quadratinch) durch die gesamte Mischung (46) hindurch aufzubringen.
  • Als Nächstes wird das Innere des gefüllten Hohlraums (44) mit der Atmosphäre in Ein-Minuten, Zwei-Minuten und Drei-Minuten Abständen zum Zeitpunkt der anfänglichen Verdichtung belüftet. Danach werden die Verdichtungskräfte vorzugsweise auf ein Niveau erhöht, welches eine isostatische Verdichtung von ungefähr 8,26 MPa (1200 engl. Pfund pro Quadratinch) in der verdichteten Mischung erzeugt, und dieses Verdichtungsniveau wird vorzugsweise für einen Zeitraum von ungefähr zwei Minuten gehalten. Zuletzt wird der auf diese Art verdichtete und teilweise ausgehärtete Teil aus dem Formzusammenbau unter Verwendung der Ausstoßstifte (45) ausgestoßen. Anschließend in einen Aushärtungsofen übergeben, um durch lineares Erhöhen der Reibungsmaterialtemperatur auf ungefähr 149°C (300°F) über eine Zeitspanne von drei Stunden und dann Halten des erhitzten Teils auf den 149°C (300°F) für zusätzliche vier (4) Stunden Verarbeitungszeit warm auszuhärten. Nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur ist der Reibungsmaterialrohling bereit für die Endbearbeitung und den nachfolgenden Einbau in die Bremsvorrichtung oder ähnliche Vorrichtung, für die er bestimmt ist.
  • In Tabelle 1 im Folgenden stellen wir Einzelheiten von drei Beispielen von Reibungsmaterialmatrixmischungen bereit, welche in der Herstellung unserer verbesserten Reibungsmaterialien, die eine Wabenkernverstärkung (22 und 24) aufweisen, eingesetzt werden. Die Mischung, die als "Gemisch 1" bezeichnet wird, weist, wenn ausgehärtet, ein Reibungsniveau auf, geeignet zum Vermeiden von thermisch bedingtem Schwinden, wenn es mit Glasfaser verstärkten Verbundstoffwabenkernen verwendet wird, welche eine expandierte Dichte größer als ungefähr 128,33 kg/m3 (8 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweisen. Die Mischung, die als "Gemisch 2" bezeichnet wird, ist zufriedenstellend im Einsatz mit Wabenkernen, welche aus Blech- oder Folienaluminium (z. B. 5052 Knetaluminiumlegierung) hergestellt sind und welche eine expandierte Dichte von wenigstens ungefähr 80,2 kg/m3 (5 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweisen. Die Mischung, die als "Gemisch 3" bezeichnet wird, umfasst diskontinuierliche Kohlenstofffasern, welche wünschenswert sind, wenn erhöhter Abriebs- oder Schwundwiderstand erforderlich ist. Die Mischung ist geeignet im Einsatz mit Glasfaser verstärkten Verbundstoffwabenkernen, welche eine expandierte Dichte von größer als ungefähr 128,33 kg/m3 (8 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweisen. Es hat sich heraus gestellt, dass, wenn diskontinuierliche Fasern zu einer Pulvermischung in der Herstellung eines Reibungsmaterialteils hinzugefügt werden, die Faserlänge vorzugsweise kleiner als ein Viertel des Abstands zwischen gegenüberliegenden Zellwänden oder des Durchmessers der Zellen ist, wenn sie rund sind, um eine gute Füllung der Wabenzellenwände sicher zu stellen. Wenn die bevorzugte Faserlänge ausgenutzt wird, so tritt eine gute Füllung der Kernzellen unabhängig vom Prozentsatz der einzelnen diskontinuierlichen Fasern ein, die der Mischung hinzugefügt werden. Alle konstituierenden Werte sind als Prozentteile auf Basis des Gewichts angegeben.
  • TABELLE 1
    Figure 00130001
  • In der Dynamometerprüfung verschiedener mit wabenkernverstärkter Reibungsmaterialien wurde beobachtet, dass gewisse Scheibenklotzkomponenten, die Wabenkernverstärkungen eingebaut haben, die ihrerseits eine expandierte Dichte von weniger als ungefähr 448,7 kg/m3 (5 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweisen, manchmal eine Tendenz in Richtung Haarrisse zeigen. Um das Haarrissprobleme zu überwinden, entwickelten wir einen Hybridscheibenbremsenklotz, in welchem das Reibungsmaterial mit Wabenkernverstärkung an seinen Flächenkanten und an einer Seite durch ein unterschiedliches, aber kompatibles Reibungsmaterial gebunden ist. 8 stellt den sich daraus ergebenden Hybridscheibenbremsenklotzzusammenbau (50) dar, in welchem die Reibungsklotzkomponente (52), die mit der Stahlgrundplattenkomponente (54) verklebt ist, einen gelegenen Hauptreibungsmaterialbereich (56) aufweist, der mit einem eingebetteten, niedrig dichten Wabenkern vorgefertigt ist, der in eine Schale oder mit Wand versehene Aufnahme (58) aus kompatiblem Reibungsmaterial eingeschoben ist. Der Reibungsmaterialbereich (58) kann, muss aber nicht im Mittelpunkt der Klotzkomponente (52) liegen. Tatsächlich kann der Reibungsmittelbereich (58) seitlich oder in Längsrichtung in der Klotzkomponente (52) versetzt sein und kann einen relativ kleinen Bereich der Gesamtfläche der Klotzkomponente (52) einnehmen. Das kompatible Reibungsmaterial kann, muss aber nicht eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzen.
  • Wenn eine hohe thermische Leitfähigkeit erwünscht ist, kann ein halbmetallisches Material für die Aufnahme eingesetzt werden. Die Herstellung eines Hybridscheibenbremsenklotzzusammenbaus, welcher einen mittigen Reibungsmaterialbereich (56) aufweist, der mit einem eingebetteten Wabenkern hergestellt und in einer mit Wand versehenen Aufnahme (58) eingeschlossen ist, kann unter Einsatz des im Folgenden beschriebenen Vorgangs erzielt werden. Eine erste Form zur Herstellung des zentralen Materialbereichs (56) wird auf eine Temperatur von ungefähr 110°C (230°F) erhitzt. Als Nächstes werden vierzig Prozent (40%) des erforderlichen Pulvergemisches für den zentralen Reibungsmaterialbereich (56) in den unteren Formhohlraum eingebracht und gleichmäßig verteilt. Danach wird ein vorgeschnittener und expandierter Wabenverstärkungskern in den unteren Formhohlraum eingeschoben, wobei der Wabenkern in die verteilte Mischung eindringt, bis er die untere Oberfläche des unteren Formhohlraums berührt. In der Folge wird der verbleibende Teil der erforderlichen Pulvermischung, die notwendig ist, um den zentralen Bereich (56) herzustellen, in den unteren Formhohlraum eingebracht und über die Wabenverstärkungskernform verteilt, um die Kernzellen vollständig zu füllen. Danach wird die obere Formhälfte auf die untere Formhälfte aufgesetzt, was die untere Oberfläche der oberen Formhälfte halb aufzwängt, um mit der ganzen Menge der Mischung in Kontakt zu kommen, und sie zusammen drückt. Eine Verdichtungskraft von ungefähr 1,37 MPa (200 engl. Pfund pro Quadratinch) wird für ungefähr drei Minuten angelegt, um einen Vorförmling auszubilden. Dieser Vorgang ist identisch mit jenem, der zuvor in 4 bis 7 beschrieben ist.
  • Danach wird der auf diese Weise hergestellte zentrale Reibungsmaterialbereich (56) aus der ersten Form entnommen. In weiterer Folge wird der zentrale Reibungsmaterialbereich (56) in einem zweiten Formzusammenbau (72) angeordnet, welcher eine Flächenform des fertig gestellten Klotzes aufweist, wie ersichtlich unter Bezugnahme auf 19 bis 21. Diese Form (72) ist auf eine Temperatur von 160°C (320°F) vorgeheizt. Der Bereich (56) wird in den zentralen Bereich der unteren Formhälfte (74) der zweiten Form eingeschoben und die Mischung (55), welche die ummantelte Aufnahme (58) umfasst, gleichmäßig entlang des Umfangs (57) des Bereichs (56) und über die obere Oberfläche (59) des Bereichs (56) verteilt. In weiterer Folge wird die obere Formhälfte (76) auf die untere Formhälfte (74) aufgesetzt, um eine Verdichtungskraft auf den zentralen Bereich (56) und die Mischung (55), welche die Ummantelung der Aufnahme (58) ausbildet, aufzubringen. Vorzugsweise wird eine Verdichtungskraft von ungefähr 8,26 MPa (1200 engl. Pfund pro Quadratinch) auf eine zweite Form für eine Mindestzeit von zwei Minuten aufgebracht. Danach wird der so verdichtete und teilweise ausgehärtete Teil durch die Stifte (78) aus dem zweiten Formzusammenbau (72) ausgestoßen und in einen Aushärteofen übergeben, wo er warm ausgehärtet wird.
  • Ein Beispiel eines zufriedenstellenden halbmetallischen, nicht verstärkten Reibungsmaterials für einen Hybridscheibenbremsenklotzzusammenbau ist in Tabelle 2 dargelegt, welches als "Gemisch 4" aufscheint. Wiederum sind alle konstituierenden Werte als Prozentteile auf Basis des Gewichts angegeben.
  • TABELLE 2
    Figure 00160001
  • 9 stellt die vorliegende Erfindung als Anwendung für einen Trommelbremsenreibungsschuhzusammenbau, mit (60) bezeichnet, dar. Der Zusammenbau (60) umfasst eine gebogene Schuhplatte (62), welche an eine senkrechte Schuhbahn (64) angefügt und von dieser getragen wird. Eine Reibungsschuhkomponente (66), welche eine gebogene untere Oberfläche aufweist, die der oberen Oberfläche der gebogenen Schuhplatte (62) entspricht und mit dieser zusammen wirkt, ist an der oberen Oberfläche der Schuhplatte (62) durch ein Grenzflächenklebemittel befestigt. Andere bekannte Befestigungstechniken wie der Einsatz von Nieten oder Ähnlichem können eingesetzt werden, um den Reibungsschuh (66) an die Schuhplatte (62) zusammen zu fügen, wenn dies gegenüber dem Einsatz eines Klebemittels den Vorzug bekommt. In der Bremsschuhkonstruktion, dargestellt in 9, ist es wichtig, dass der Reibungsschuh (66) aus dem verstärkten Reibungsmaterial unserer Erfindung hergestellt wird. Das Vorhandensein der eingebetteten Wabenkernverstärkung in der Reibungsmaterialmatrix wird deutlich in 9 gezeigt.
  • 10 bis 13 sind in den Zeichnungen bereit gestellt, um einige der unterschiedlichen Zellenquerschnittsgeometrien darzustellen, welche im Handel als Wabenkernverstärkungsmaterialien erhältlich sind. Die dargestellten Wabenkernfragmente sind mit 70, 80, 90 beziehungsweise 100 bezeichnet. Im Allgemeinen, wie oben fest gestellt, bevorzugen wir den Einsatz von Wabenkernen mit Kernzellengrößen im Bereich von so wenig wie ungefähr 0,16 cm (1/16 Inch) (Minimalabstand, gemessen von Zellenwand zur gegenüber liegenden Zellenwand im expandierten Zustand) bis zu 2,54 cm (1 Inch). Auch, wie früher bereits angesprochen, bevorzugen wir grundsätzlich die Definition des eingebauten oder eingebetteten Wabenverstärkungskerns in Bezug auf seine Schüttdichte (expandiert), welche typischerweise von 32,0 kg/m3 (2 engl. Pfund pro Kubikfuß) bis zu 321,0 kg/m3 (20 engl. Pfund pro Kubikfuß) reicht und welche deutlich durch die Kernzellenwandstärken, durch die Dichte des besonderen Materials, aus welchem die Kernzellen aufgebaut sind, und durch Kernzellenquerschnittsabmessungen beeinflusst wird.
  • Das neue verstärkte Reibungsmaterial dieser Erfindung enthält vorzugsweise keine Fasern, weder diskontinuierlich noch kontinuierliche, als Verstärkung. Dies ist besonders in jenen Fällen anstrebenswert, wo die Wabenkern verstärkung aus einem Metall (z. B. Aluminium) hergestellt ist. Auch in Fällen, in denen die Wabenkernverstärkung aus einem Glasfaser verstärktem oder Kohlenstofffaser verstärktem Material wie einem Glasfaser verstärkten Phenolverbundstoff oder einem Kohlenstofffaser verstärkten Polyimidverbundstoff besteht, bleibt die Menge des fasrigen Materials im hergestellten Reibungsmaterialprodukt gering im Vergleich zu einem herkömmlichen Faser verstärkten Reibungsmaterial. Zum Beispiel durch Wabenkern verstärktes Reibungsmaterial, welches unter Verwendung von Gemisch 2 aus der obigen Tabelle 1 hergestellt ist, setzte eine eingebettete Wabenkernverstärkung ein, welche aus 27,6 Glasfaser auf Gewichtsbasis und 72,4% Phenolharz auf Gewichtsbasis erzeugt wurde. Da der Verstärkungskern nur 10,8% auf Gewichtsbasis des fertigen Reibungsmaterials umfasste, betrug der tatsächliche Fasermaterialgehalt bloße 2,98% auf Gewichtsbasis. Dieses Niveau des Fasergehalts ist deutlich geringer als die typischen 20% oder mehr Fasergehalt bekannter Faser verstärkter Reibungsmaterialien.
  • Das verstärkte Reibungsmaterial, welches mit dem Verfahren dieser Erfindung hergestellt ist, wird ohne die Notwendigkeit verarbeitet, gleichmäßig diskontinuierliche Fasern mit den Pulver-(Partikel-)Mischungkomponenten zu mischen, außer wo kleine Mengen solcher Fasern ausgenutzt werden, um angestrebte Reibungs- oder Abriebmerkmale zu erzielen, und vermeidet daher einen Hauptgrund für Qualitätsschwankungen bei der Herstellung. Ein im Wesentlichen faserfreier Mischvorgang ist ein viel wirkungsvollerer Mischvorgang und führt zu einer deutlich verbesserten Qualitätskonsistenz.
  • Auch hat in Abnutzungswiderstandsprüfungen das neue verstärkte Reibungsmaterial bislang deutlich geringere Abnutzungsraten von 0,07% im Vergleich zu 0,35% für ein Faser verstärktes Reibungsmaterial unter denselben Prüfbedingungen gezeigt.
  • Es ist allgemein klar, dass die Kontaktsteifigkeit zwischen dem Reibungsmaterial und dem Rotor oder der Trommel das Auftreten von Bremsgeräuschen beeinflusst. Um die Neigung zu Bremsgeräuschen auszuschalten oder zu verringern, ist es oft notwendig, die Steifigkeit des Reibungsmaterials an den optimalen Wert anzupassen. Jedoch bedeutet das für herkömmliche Reibungsmaterialien eine Neuformulierung der Materialien und kann andere nachteilige Folgen mit sich bringen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch den Einbau von Wabenkernen in das Reibungsmaterial erfolgreich. Sobald eine Mischung für eine bestimmte Anwendung ausgearbeitet ist, kann die Steifigkeit des Bremsbelags durch Anpassen der Steifigkeit des Verstärkungskerns verändert werden, um Bremsgeräusche zu vermeiden. Die Reibungsmerkmale des Belags bleiben dabei fast unberührt, da die ausgehärtete Mischung den größten Teil des Oberflächenbereichs bedeckt.
  • Schließlich führt bei herkömmlichen Faser verstärkten Reibungsmaterialien eine ungleichmäßige Verteilung von Fasern oft zu ungleichmäßiger Behandlung von Bremsrotor- oder Bremstrommelabnutzung, was sich in Rillenbildung an der Oberfläche zeigt. Im Vergleich dazu ergab Krauss- und Trägheitsdynamometerprüfung des neuen verstärkten Reibungsmaterials unserer Erfindung, dass es zu sehr gleichmäßiger Bremsrotorabnutzung führt.
  • Andere geeignete Materialien, Komponentenformen und Komponentenabmessungen können in der Praxis dieser Erfindung eingesetzt werden.
  • Da gewisse Veränderungen im oben beschriebenen System und in der Vorrichtung gemacht werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen, ist beabsichtigt, dass alle Dinge, die in der Beschreibung enthalten oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, als veranschaulichend und nicht in einem beschränkenden Sinne ausgelegt werden dürfen.

Claims (21)

  1. Ein verstärktes Reibungsmaterial (10), umfassend Reibungspartikel, Füllpartikel und Bindemittel, gekennzeichnet durch eine Wabenkernverstärkung (22; 24) mit vielfachen, aneinandergrenzenden, offenendigen Zellen, die von Zellwänden getrennt werden, worin ein ausgehärtetes Gemisch (20) aus Reibungspartikeln, Füllpartikeln und Bindemittel besagte offenendige Verstärkungszellen füllt und an besagte Zellwände gebunden ist.
  2. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) eine Aluminiumlegierung enthält.
  3. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) glasfaserverstärktes ausgehärtetes Phenolharz enthält.
  4. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) glasfaserverstärktes ausgehärtetes Polyimidharz enthält.
  5. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) kohlenstofffaserverstärktes Polyimidharz enthält.
  6. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) eine Eisenlegierung enthält.
  7. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) ein Aramidmaterial enthält.
  8. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) ein thermoplastisches Material enthält.
  9. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) ein Keramikmaterial enthält.
  10. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei die offenendigen Zellen besagter Wabenkernverstärkung (22; 24) jeweils eine Zellenquerschnittsflächenform haben, gewählt aus der Gruppe bestehend aus dreieckigen, quadratischen, rechteckigen, trapezförmigen, rhombusförmigen und sechseckigen Querschnittsflächenformen.
  11. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) eine Schüttdichte (expandierte Dichte) im Bereich von 32,0 kg/m3 (2 engl. Pfund pro Kubikfuß) bis 321,0 kg/m3 (20 engl. Pfund pro Kubikfuß) hat.
  12. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte Wabenkernverstärkung (24) einen Verkleidungsbogen (26) aufweist, der an einem Ende der besagten Zellwände befestigt ist.
  13. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagtes Gemisch aus Reibungspartikeln und Füllpartikeln auch diskontinuierliche Fasern enthält.
  14. Das durch Anspruch 13 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil, wobei besagte diskontinuierliche Fasern Längen aufweisen, die weniger als etwa ein Viertel des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Zellwänden besagten Wabenverstärkungskerns oder des Durchmessers der Zellen, wenn diese kreisförmig sind, betragen.
  15. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), wobei besagte einander gegenüberliegende Zellwände besagter Wabenkernverstärkung (22; 24) mit einem Abstand von 0,16 bis 2,54 cm (ein Sechzehntel Zoll bis etwa ein Zoll) zueinander angeordnet sind.
  16. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil, wobei besagte Zellwände besagter Wabenkernverstärkung (22; 24) einen Durchmesser haben, der zwischen 0,16 bis 2,54 cm (ein Sechzehntel Zoll bis etwa ein Zoll) liegt.
  17. Das durch Anspruch 1 definierte verstärkte Reibungsmaterialteil (10), das weiterhin folgendes enthält: ein Basiselement (12) mit struktureller Steifigkeit; und Sicherungsmittel zum Sichern besagten verstärkten Reibungsmaterialteils (10) an besagtem Basiselement (12).
  18. Ein Verfahren zur Herstellung einer verfestigten, verstärkten Reibungsmaterialform, gekennzeichnet durch die Schritte des: Anbringens und gleichmäßig Verteilens einer ersten abgemessenen Menge eines aus Reibungspartikeln, Füllpartikeln und Bindemittelpartikeln bestehenden Reibungsmaterialgemischs in einem Formenhohlraum (32; 44), der eine Flächenform aufweist, die der Flächenform besagter Reibungsmaterialform entspricht; Anbringens einer Wabenkernverstärkung (22; 24) in besagtem Formenhohlraum (32; 34), wobei nur ein unterer Bereich der besagten Verstärkung (22; 24) das besagte gleichmäßig verteilte Reibungsmaterialgemisch vollständig durchdringt; Anbringens und gleichmäßig Verteilens einer zweiten abgemessenen Menge besagten Reibungsmaterialgemischs in besagtem Formenhohlraum (22; 24), um den oberen Bereich besagter Wabenkernverstärkung vollständig zu füllen; und Komprimierens besagter angebrachter und gleichmäßig verteilter Reibungsmaterialgemische auf einen erhöhten isostatischen Druck und des Erhöhens der Temperatur besagten angebrachten und gleichmäßig verteilten Reibungsmaterialgemischs und besagter Wabenkernverstärkung, um besagte verstärkte Reibungsmaterialform zu bilden.
  19. Das durch Anspruch 18 definierte Verfahren, wobei die in besagtem Formenhohlraum (32; 44) angebrachte besagte Wabenkernverstärkung (22; 24) im Eindringverhältnis zu besagtem Reibungsmaterialgemisch eine Schüttdichte (expandierte Dichte) im Bereich von 32,0 kg/m3 (2 engl. Pfund pro Kubikfuß) bis 321,0 kg/m3 (20 engl. Pfund pro Kubikfuß) aufweist.
  20. Das durch Anspruch 18 definierte Verfahren, wobei einander gegenüberliegende Zellwände besagter Wabenkernverstärkung mit einem Abstand von 0,16 bis 2,54 cm (ein Sechzehntel Zoll bis etwa ein Zoll) zueinander angeordnet sind.
  21. Das durch Anspruch 18 definierte Verfahren, wobei besagte Zellwände besagter Wabenkernverstärkung einen Durchmesser im Bereich von 0,16 bis 2,54 cm (ein Sechzehntel Zoll bis etwa ein Zoll) aufweisen.
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