WO2010049051A1 - Friction ring and method for the production thereof - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a friction ring for a brake disc according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a friction ring.
- DE 102 03 507 A1 discloses a brake disk for a vehicle, which comprises a base body of a metallic material which has at least one friction surface with a coating of a hard material with a high coefficient of friction.
- Such coatings consist for example of aluminum oxide, diamond or ceramic materials. They offer the advantage that surfaces with a high coefficient of friction can be produced, although base bodies made of relatively inexpensive and optionally also lightweight materials can be used.
- Coatings known from the prior art all have a constant layer thickness. Due to different thermal expansion coefficients of the base bodies and coatings, this can lead to tensions between the coating and the base body, which in the worst case can lead to a tearing of the coating.
- the so-called hotspot formation - at high temperatures of the brake disc whose surface unevenly expanded, resulting in the so-called H discloserubbeln the brake disc.
- the location of the hotspots can be determined experimentally for a wide variety of brake disc geometries or theoretically calculated with a good approximation. Due to the uneven contact between the brake disc and brake shoes it comes in such conditions to vibration and noise, which is undesirable and reduces both the ride comfort and braking performance.
- A1 coatings are known from Einschmelzlegleiteren whose Einschmelzmaterialien are preferably selected from the group, the nickel-boron-sili-zium, nickel-chromium-boron-silicon or cobalt-nickel-chromium-silicon contains.
- the fuser materials may additionally be applied hard particles or also solid lubricants, which are preferably selected from a group comprising molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite, calcium fluoride, barium fluoride, sodium fluoride, lithium fluoride and / or boron nitride.
- Such a friction ring for a brake disc has a coating at least in regions.
- the coating has a thickness profile with different coating thicknesses.
- the coating is applied unevenly thick on the friction surface of the friction ring.
- the surface of the friction ring, as used in the disc brake is level again.
- Criteria for the choice of the local coating thickness are on the one hand the thermal load at each point of the friction ring and on the other hand the radial course of the pressure load through the brake lining over the friction ring.
- the friction ring in this case has a surface profile which is designed to be complementary to the thickness profile of the coating.
- the combination of a profiling of the surface of the main body of the friction ring and the unevenly thick application of the coating results in a level Friction ring. This not only reduces hot scrubbing but also avoids vibrations and wear during cold operation of the brake.
- the type of profiling of the main body of the friction ring and the coating thickness is further dependent on the thermal expansion coefficient of the coating. As a rule, this will be higher than that of the main body of the friction ring.
- the combination of the different layer thicknesses and the different thermal expansion coefficients results in uniform thermal expansion of the entire brake disk, even in high-temperature operation.
- the contact of the friction ring with the brake lining of the brake shoes is uniform and plane-parallel over the entire operating range of the friction ring. Fading and lining wear are advantageously reduced.
- the thickness profile in the radial direction there are various possibilities for the execution of the thickness profile in the radial direction.
- an at least partially concave thickness profile of the coating is possible.
- the execution of the thickness profile is substantially dependent on the specific design of the friction ring itself, so that, for example, a one-piece, solid friction ring, a different coating profiling is obtained as an internally ventilated friction ring.
- a reinforced coating outside the dimple region or the webs along the cooling channels of the internal ventilation is necessary in order to compensate for different temperature derivatives and different thermal expansions. This results in the radial and tangential direction differently extending thickness profiles.
- the coating is a wear-resistant friction material.
- the coating preferably comprises chromium carbide and / or alumina and / or titanium dioxide and / or diamond and / or cermets.
- these materials are present as a component in composite materials with a metallic matrix, so-called metal matrix composites (MMC).
- MMC metal matrix composites
- a metallic matrix here in particular Ni, Cr, Mo or Co alloys are suitable.
- Further suitable coatings are formed from intermetallic composites (IMC).
- IMC intermetallic composites
- a particularly preferred IMC material is formed essentially from titanium aluminides and aluminum oxide.
- All these materials are characterized by a high hardness and sometimes high toughness and temperature resistance and thus have high wear resistance.
- they also have a high temperature resistance and good coefficients of friction in the pairing with the known friction linings of disc brakes.
- an intermediate layer can be provided between the coating and the main body of the friction ring.
- Such intermediate layers can take over several functions.
- the adhesion mediation between the coating and the base body is of great importance, so as to guarantee a secure adhesion of the coating, especially in the case of the loads of the braking operation.
- the intermediate layer can assume the function of dissipating the temperature, so that the thermal load capacity of the brake disk is increased.
- Such an intermediate layer may be a layer of aluminum and / or chromium-containing nickel alloys.
- the use of zirconium-nickel-chromium-aluminum-yttrium alloys is also possible.
- the main body of the friction ring is further preferably formed from gray cast iron or an aluminum alloy.
- Cast iron itself has excellent thermal conductivity, so that the thermal problems of the operation of the brake can be reduced.
- the use of an aluminum alloy is possible only in combination with a coating, since the coefficient of friction of aluminum is usually too low.
- the use of aluminum base bodies for the friction ring can be advantageous Reduction of the unsprung masses of the motor vehicle cause.
- the friction ring can continue to be made in one piece with a brake disc pot or in the form of a two-piece brake disc. Inventive friction rings can be both solid and internally ventilated.
- the invention further relates to a method for producing a friction ring for a brake disc which has the features mentioned.
- the method comprises two steps. First, a surface profile of the friction ring complementary to a thickness profile of a coating having different coating thicknesses is formed. This can already take place during the primary shaping - for example during casting - of the friction ring. Alternatively, it is possible to cast or otherwise mold a base body having a planer surface and to subsequently produce the surface profile by abrasive methods such as machining, erosion, or the like. In the following method step, a coating is finally applied to the main body of the friction ring to form the thickness profile with different coating thicknesses. As a result, preferably results in a flat friction surface. To apply the coating, thermal spraying methods such as flame spraying, plasma spraying, arc wire spraying (LDS) or the like or else physical vapor deposition (PVD) are preferably used.
- thermal spraying methods such as flame spraying, plasma spraying, arc wire spraying (LD
- Another suitable method is formed by melting the coating material, in which the carrier material is partially melted at the surface by radiation energy, the coating material is mixed with the melt and thus incorporated into the carrier material.
- FIG. 1 shows a cross section through an embodiment of a brake disc with a friction ring according to the invention
- Fig. 2 is an enlarged detail of the friction ring of the brake disc shown in FIG. 1 and
- Fig. 3 shows a cross section through an alternative embodiment of a brake disc with a friction ring according to the invention.
- Fig. 1 shows a designated as a whole with 10 brake disc for a motor vehicle. This comprises a friction ring 12 and a brake disk cup 14, wherein on the brake disk chamber 14, a receiving opening 16 is provided for fastening the brake disk 10 on an axle of the motor vehicle.
- friction ring 12 and brake disk cup 14 are made in one piece.
- Such brake discs are manufactured in particular as one-piece cast components, for example, cast iron.
- a coating 22, 24 is applied to the friction surfaces 18 and 20, respectively. This may be, for example, a ceramic coating of chromium carbide, aluminum oxide or titanium dioxide. Also diamond or cermet can be used.
- the friction ring 12 experiences uneven heating across its friction surfaces 18 and 20. So-called hotspots form, ie zones of elevated temperature. This results in conventional brake discs to an uneven expansion of the friction ring 12, which is why the friction ring 12 is no longer plane-parallel against the brake shoes of the brake system. This creates vibrations and noises, the so-called hot scrubbing of the brake ring.
- the coatings 22 and 24 are not uniformly applied in the example shown of a friction ring 12 according to the invention. This is illustrated in the enlarged detail view in FIG. 2.
- the coating 22 of the friction surface 20 of the friction ring 12 has a concave thickness profile, wherein the thickness of the coating 22 of a minimum thickness di at the outer edge 26 of the friction ring 12 increases radially inwardly until the coating 22 approximately in the middle of the friction ring 12 her Maximum thickness d 2 reached, whereupon the thickness is reduced radially inward again to the value d ⁇ .
- the friction ring 12 has a complementary surface profile to the coating 22, so that the overall result is a plane friction surface 20.
- a coating 24 is applied, which takes a wedge-shaped course in its thickness radially from outside to inside. At the outer edge 26 of the friction ring 12, the coating 24 has its maximum thickness d 3 .
- the thickness of the coating 24 is reduced radially inwardly to 0.
- the main body 28 of the friction ring 12 on its surface 18 has a complementary profile, so that in turn results in a plane friction surface 18 in the sum.
- the thickness profiles of the coatings 22 and 24 are chosen so that from the combination of the different coefficients of expansion of the body 28 and the coatings 22 and 24 with the different temperatures of the friction ring 12 during operation of the brake disc 10, a uniform longitudinal expansion of the entire friction ring 12 on the total friction surfaces 18 and 20 away.
- the friction surfaces 18 and 20 are thus both in the cold state and in active braking mode, ie in the hot state, each plan. There is no hot or cold rubbing of the brake disc, which reduces both vibration and noise and wear of the brake system.
- FIG. 3 shows an alternative embodiment of a brake disk 10 'with a brake disk cup 14 and an internally ventilated friction ring 12'.
- the friction ring 12 ' is not made massive as the friction ring 12 shown in FIGS. 1 and 2, but has air channels 30 which extend between the two friction ring halves 32 and 34.
- the friction ring halves 32 and 34 are supported by nubs 36 against each other.
- the first friction surface 18 of the friction ring half 34 is uncoated in the example shown, a coating is applied only on the friction surface 20 of the second friction ring half 32.
- the coating 22 of the friction ring half 32 initially has a constant thickness in a radially inner region 38. Only in a radially outer region 40 of the friction ring half 32, the coating 22 is thickened.
Abstract
The invention relates to a friction ring (12) for a brake disk, which has a coating (22, 24) in at least some areas, wherein the coating (22, 24) has a thickness profile with various coating thicknesses (d1, d2, d3).
Description
Daimler AG Dr. Zimmermann-Chopin Daimler AG Zimmermann Chopin
Reibring und Verfahren zu dessen HerstellungFriction ring and method for its production
Die Erfindung betrifft einen Reibring für eine Bremsscheibe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reibrings.The invention relates to a friction ring for a brake disc according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a friction ring.
Beschichtete Reibringe sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die DE 102 03 507 A1 eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug, welche einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff umfasst, der wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material mit hohem Reibwert aufweist. Solche Beschichtungen bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid, Diamant oder keramischen Materialien. Sie bieten den Vorteil, dass Oberflächen mit hohem Reibwert erzeugt werden können, obwohl Grundkörper aus relativ kostengünstigen und gegebenenfalls auch leichten Materialien verwendbar sind. Aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungen weisen alle eine konstante Schichtdicke auf. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörpern und Beschichtungen kann es hierbei zu Spannungen zwischen Beschichtung und Grundkörper kommen, welche schlimmstenfalls zu einem Abreißen der Beschichtung führen können. Weiterhin wird durch eine ungleichmäßige Wärmeverteilung in der Bremsscheibe beim Bremsvorgang - die so genannte Hotspotbildung - bei hohen Temperaturen der Bremsscheibe deren Oberfläche ungleichmäßig ausgedehnt, was zum so genannten Heißrubbeln der Bremsscheibe führt. Die Lage der Hotspots lässt sich für unterschiedlichste Bremsscheibengeometrien experimentell bestimmen oder auch mit guter Näherung theoretisch berechnen. Durch die ungleichmäßige Berührung zwischen Bremsscheibe und Bremsbacken kommt es bei solchen Bedingungen zu Vibrationen und zu Geräuschbildung, was unerwünscht ist und sowohl den Fahrkomfort als auch die Bremsleistung herabsetzt.Coated friction rings are known in the art. Thus, DE 102 03 507 A1 discloses a brake disk for a vehicle, which comprises a base body of a metallic material which has at least one friction surface with a coating of a hard material with a high coefficient of friction. Such coatings consist for example of aluminum oxide, diamond or ceramic materials. They offer the advantage that surfaces with a high coefficient of friction can be produced, although base bodies made of relatively inexpensive and optionally also lightweight materials can be used. Coatings known from the prior art all have a constant layer thickness. Due to different thermal expansion coefficients of the base bodies and coatings, this can lead to tensions between the coating and the base body, which in the worst case can lead to a tearing of the coating. Furthermore, by uneven heat distribution in the brake disc during braking - the so-called hotspot formation - at high temperatures of the brake disc whose surface unevenly expanded, resulting in the so-called Heißrubbeln the brake disc. The location of the hotspots can be determined experimentally for a wide variety of brake disc geometries or theoretically calculated with a good approximation. Due to the uneven contact between the brake disc and brake shoes it comes in such conditions to vibration and noise, which is undesirable and reduces both the ride comfort and braking performance.
Aus der DE 10 2005 008 569 A1 sind Beschichtungen aus Einschmelzlegierungen bekannt, deren Einschmelzmaterialien vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt sind, die Nickel-Bor-Sili-zium, Nickel-Chrom-Bor-Silizium oder Kobalt-Nickel-Chrom-Silizium
enthält. Die Einschmelzmaterialien können zusätzlich Hartpartikel aufgebracht werden oder auch Festschmierstoffe, die vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Graphit, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Natriumfluorid, Lithiumfluorid und/oder Bornitrid umfasst.From DE 10 2005 008 569 A1 coatings are known from Einschmelzlegierungen whose Einschmelzmaterialien are preferably selected from the group, the nickel-boron-sili-zium, nickel-chromium-boron-silicon or cobalt-nickel-chromium-silicon contains. The fuser materials may additionally be applied hard particles or also solid lubricants, which are preferably selected from a group comprising molybdenum disulfide, tungsten disulfide, graphite, calcium fluoride, barium fluoride, sodium fluoride, lithium fluoride and / or boron nitride.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reibring nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Reibrings derart weiter zu entwickeln, dass Materialspannungen zwischen Beschichtung und Grundkörper des Reibringes reduziert werden und thermische Verzüge bei hohen Bremstemperaturen vermindert werden.It is therefore an object of the present invention to further develop a friction ring according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a friction ring, that material stresses between the coating and body of the friction ring are reduced and thermal distortions are reduced at high brake temperatures.
Diese Aufgabe wird durch einen Reibring mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 11 gelöst.This object is achieved by a friction ring with the features of claim 1 and by a method having the features of claim 11.
Ein derartiger Reibring für eine Bremsscheibe weist zumindest bereichsweise eine Beschichtung auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Beschichtung ein Dickenprofil mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken aufweist. Mit anderen Worten wird die Beschichtung ungleichmäßig dick auf die Reibfläche des Reibringes aufgebracht. Die Oberfläche des Reibringes, wie er in der Scheibenbremse zum Einsatz kommt ist selbstverständlich wieder eben. Durch eine entsprechende Wahl des Dickenprofils der Beschichtung ist eine belastungsgerechte Auftragung der Beschichtung möglich. Kriterien für die Wahl der lokalen Beschichtungsdicke sind dabei zum einen die thermische Belastung an jedem Punkt des Reibringes und zum anderen der radiale Verlauf der Druckbelastung durch den Bremsbelag über den Reibring hinweg. Durch eine solche belastungsgerechte Aufbringung einer Beschichtung kann ein möglichst homogenes Temperaturfeld in der Reibfläche der Bremsscheibe erzeugt werden. Hierdurch wird vorteilhaft Gefahr von Dickenschwankungen - so genannten DTVs (Disc Thickness Variation) über die Bremsscheibe hinweg reduziert. Damit wird insbesondere das so genannte Heißrubbeln, also Vibrationen und Geräusche, welche beim Hochtemperaturbetrieb der Bremsscheibe auftreten, reduziert. Ebenso wird der punktuelle Verschleiß der Bremsscheibe an so genannten Hotspots, also Punkten die sich besonders stark aufheizen, vermindert.Such a friction ring for a brake disc has a coating at least in regions. According to the invention, it is provided that the coating has a thickness profile with different coating thicknesses. In other words, the coating is applied unevenly thick on the friction surface of the friction ring. Of course, the surface of the friction ring, as used in the disc brake, is level again. By a suitable choice of the thickness profile of the coating, a load-appropriate application of the coating is possible. Criteria for the choice of the local coating thickness are on the one hand the thermal load at each point of the friction ring and on the other hand the radial course of the pressure load through the brake lining over the friction ring. By such a load-appropriate application of a coating as homogeneous a temperature field in the friction surface of the brake disc can be generated. This advantageously reduces the danger of thickness fluctuations - so-called DTVs (Disc Thickness Variation) across the brake disc. Thus, in particular the so-called hot scrubbing, so vibrations and noise, which occur during high-temperature operation of the brake disc is reduced. Likewise, the punctual wear of the brake disc at so-called hotspots, so points that heat up particularly strong, reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reibring dabei ein Oberflächenprofil auf, welches komplementär zu dem Dickenprofil der Beschichtung ausgebildet ist. Mit anderen Worten ergibt die Kombination aus einer Profilierung der Oberfläche des Grundkörpers des Reibringes und dem ungleichmäßig dicken Auftrag der Beschichtung eine ebene
Reibringfläche. So wird nicht nur das Heißrubbeln vermindert, sondern auch im kalten Betrieb der Bremse Vibrationen und Verschleiß vermieden. Die Art der Profilierung des Grundkörpers des Reibringes und der Beschichtungsdicke ist dabei des Weiteren vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung abhängig. In der Regel wird dieser höher sein, als derjenige des Grundkörpers des Reibringes. In Kombination mit dem ungleichmäßigen Temperaturprofil über den Reibring hinweg ergibt sich so aus der Kombination der unterschiedlichen Schichtdicken und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine gleichmäßige Wärmeausdehnung der gesamten Bremsscheibe auch bei Hochtemperaturbetrieb. Der Kontakt des Reibrings mit dem Bremsbelag der Bremsbacken ist dabei über den gesamten Betriebsbereich des Reibringes hinweg gleichmäßig und planparallel. Fading und Belagschrägverschleiß werden vorteilhaft reduziert.In a preferred embodiment, the friction ring in this case has a surface profile which is designed to be complementary to the thickness profile of the coating. In other words, the combination of a profiling of the surface of the main body of the friction ring and the unevenly thick application of the coating results in a level Friction ring. This not only reduces hot scrubbing but also avoids vibrations and wear during cold operation of the brake. The type of profiling of the main body of the friction ring and the coating thickness is further dependent on the thermal expansion coefficient of the coating. As a rule, this will be higher than that of the main body of the friction ring. In combination with the non-uniform temperature profile over the friction ring, the combination of the different layer thicknesses and the different thermal expansion coefficients results in uniform thermal expansion of the entire brake disk, even in high-temperature operation. The contact of the friction ring with the brake lining of the brake shoes is uniform and plane-parallel over the entire operating range of the friction ring. Fading and lining wear are advantageously reduced.
Für die Ausführung des Dickenprofils in radialer Richtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Es ist beispielsweise möglich, die Beschichtung in radialer Richtung keilförmig auszubilden, so dass sich beispielsweise eine Dickenzunahme von innen nach außen hin ergibt. Alternativ hierzu ist ein zumindest bereichsweise konkaves Dickenprofil der Beschichtung möglich.There are various possibilities for the execution of the thickness profile in the radial direction. For example, it is possible to form the coating wedge-shaped in the radial direction, so that, for example, an increase in thickness results from the inside to the outside. Alternatively, an at least partially concave thickness profile of the coating is possible.
Die Ausführung des Dickenprofils ist dabei wesentlich von der konkreten Ausgestaltung des Reibringes selbst abhängig, so dass beispielsweise ein einteiliger, massiver Reibring eine andere Beschichtungsprofilierung erhalten wird, als ein innenbelüfteter Reibring. Insbesondere beim innenbelüfteten Reibring ist eine verstärkte Beschichtung außerhalb des Noppenbereiches, bzw. der Stege entlang der Kühlkanäle der Innenbelüftung notwendig, um unterschiedliche Temperaturableitungen und unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu kompensieren. Hierdurch ergeben sich in radialer und tangentialer Richtung unterschiedlich verlaufende Dickenprofile.The execution of the thickness profile is substantially dependent on the specific design of the friction ring itself, so that, for example, a one-piece, solid friction ring, a different coating profiling is obtained as an internally ventilated friction ring. In particular, in the case of the internally ventilated friction ring, a reinforced coating outside the dimple region or the webs along the cooling channels of the internal ventilation is necessary in order to compensate for different temperature derivatives and different thermal expansions. This results in the radial and tangential direction differently extending thickness profiles.
Da die thermische Ausdehnung des Reibringes im Bereich der Noppen, bzw. Stege in axialer Richtung (senkrecht zur Reibringoberfläche) größer ist als in den Bereichen mit Kühlkanälen, wird hier bevorzugt eine dünnere Beschichtung ausgeführt.Since the thermal expansion of the friction ring in the region of the knobs, or webs in the axial direction (perpendicular to the friction ring surface) is greater than in the areas with cooling channels, a thinner coating is preferably carried out here.
Bei der Beschichtung handelt es sich um verschleißresistente Reibmaterialien. Hier kann weit gehend auf bekannte verschleißfeste und Reib-Materialien zurückgegriffen werden, wie sei beispielsweise auch in den DE 102 03 507 A1 , DE 10 2005 008 569 A1.
Die Beschichtung umfasst bevorzugter Weise Chromcarbid und/oder Aluminiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Diamant und/oder Cermets. Diese Werkstoffe liegen insbesondere als Komponente in Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix vor, so genannte Metall-Matrix-Composites (MMC). Als metallische Matrix sind hier insbesondere Ni-, Cr, Mo- oder Co-Legierungen geeignet. Weiter geeignete Beschichtungen sind aus intermetallischen Composits (IMC) gebildet. Ein besonders bevorzugter IMC-Werkstoff wird im Wesentlichen aus Titanaluminiden und Aluminiumoxid gebildet.The coating is a wear-resistant friction material. Here can be widely used on known wear-resistant and friction materials, as for example, in DE 102 03 507 A1, DE 10 2005 008 569 A1. The coating preferably comprises chromium carbide and / or alumina and / or titanium dioxide and / or diamond and / or cermets. In particular, these materials are present as a component in composite materials with a metallic matrix, so-called metal matrix composites (MMC). As a metallic matrix here in particular Ni, Cr, Mo or Co alloys are suitable. Further suitable coatings are formed from intermetallic composites (IMC). A particularly preferred IMC material is formed essentially from titanium aluminides and aluminum oxide.
Weitere geeignete Beschichtungen sind W/Cr/Ni-Beschichtungen oder WC/Cr/Ni- Beschichtungen.Other suitable coatings are W / Cr / Ni coatings or WC / Cr / Ni coatings.
Alle genannten Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Härte und teilweise hohe Zähigkeit sowie Temperaturbeständigkeit aus und besitzen damit hohe Verschleißbeständigkeit. Vorteilhafterweise weisen sie darüber hinaus eine hohe Temperaturbeständigkeit und gute Reibkoeffizienten in der Paarung mit den bekannten Reibbelägen von Scheibenbremsen auf.All these materials are characterized by a high hardness and sometimes high toughness and temperature resistance and thus have high wear resistance. Advantageously, they also have a high temperature resistance and good coefficients of friction in the pairing with the known friction linings of disc brakes.
Zusätzlich kann zwischen der Beschichtung und dem Grundkörper des Reibrings eine Zwischenschicht vorgesehen sein. Solche Zwischenschichten können mehrere Funktionen übernehmen. Zum einen ist die Haftungsvermittlung zwischen Beschichtung und Grundkörper von großer Bedeutung, um so gerade bei den Belastungen des Bremsbetriebes eine sichere Haftung der Beschichtung zu garantieren. Die Zwischenschicht kann zum anderen die Funktion der Temperaturableitung übernehmen, so dass die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe erhöht wird.In addition, an intermediate layer can be provided between the coating and the main body of the friction ring. Such intermediate layers can take over several functions. On the one hand, the adhesion mediation between the coating and the base body is of great importance, so as to guarantee a secure adhesion of the coating, especially in the case of the loads of the braking operation. On the other hand, the intermediate layer can assume the function of dissipating the temperature, so that the thermal load capacity of the brake disk is increased.
Bei einer solchen Zwischenschicht kann es sich um eine Schicht aus aluminium- und/oder chromhaltigen Nickellegierungen handeln. Für besonders gute Temperaturbeständigkeit ist auch die Verwendung von Zirkonium-Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen möglich.Such an intermediate layer may be a layer of aluminum and / or chromium-containing nickel alloys. For particularly good temperature resistance, the use of zirconium-nickel-chromium-aluminum-yttrium alloys is also possible.
Der Grundkörper des Reibringes ist weiterhin bevorzugt aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Grauguss weist dabei selbst hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die thermischen Probleme des Betriebes der Bremse reduziert werden. Die Verwendung einer Aluminiumlegierung wird erst in Kombination mit einer Beschichtung möglich, da der Reibwert von Aluminium in der Regel zu gering ist. In Kombination mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Beschichtung kann die Verwendung von Aluminiumgrundkörpern für den Reibring jedoch eine vorteilhafte
Reduktion der ungefederten Massen des Kraftfahrzeuges bewirken. Der Reibring kann weiterhin einteilig mit einem Bremsscheibentopf ausgeführt sein oder auch in Form einer zweiteiligen Bremsscheibe. Erfindungsgemäße Reibringe können sowohl massiv als auch innenbelüftet sein.The main body of the friction ring is further preferably formed from gray cast iron or an aluminum alloy. Cast iron itself has excellent thermal conductivity, so that the thermal problems of the operation of the brake can be reduced. The use of an aluminum alloy is possible only in combination with a coating, since the coefficient of friction of aluminum is usually too low. However, in combination with a coating designed according to the invention, the use of aluminum base bodies for the friction ring can be advantageous Reduction of the unsprung masses of the motor vehicle cause. The friction ring can continue to be made in one piece with a brake disc pot or in the form of a two-piece brake disc. Inventive friction rings can be both solid and internally ventilated.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Reibrings für eine Bremsscheibe welche die eingangs genannten Merkmale aufweist. Das Verfahren umfasst dabei zwei Schritte. Zunächst wird ein zu einem Dickenprofil einer Beschichtung mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken komplementäres Oberflächenprofil des Reibringes ausgebildet. Dies kann bereits während des Urformens - also beispielsweise während des Gießens - des Reibringes erfolgen. Alternativ ist es möglich, einen Grundkörper mit planer Oberfläche zu gießen oder anderweitig urzuformen und das Oberflächenprofil in der Folge durch abtragender Verfahren, wie beispielsweise Spanen, Erodieren oder dergleichen, zu erzeugen. Im folgenden Verfahrensschritt wird schließlich eine Beschichtung unter Ausbildung des Dickenprofils mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken auf den Grundkörper des Reibrings aufgebracht. In der Folge ergibt sich so bevorzugt eine ebene Reibfläche. Zum Aufbringen der Beschichtung werden dabei bevorzugt thermische Spritzverfahren wie Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogen-Drahtspritzen (LDS) oder dergleichen oder auch Physical Vapour Deposition (PVD) verwendet.The invention further relates to a method for producing a friction ring for a brake disc which has the features mentioned. The method comprises two steps. First, a surface profile of the friction ring complementary to a thickness profile of a coating having different coating thicknesses is formed. This can already take place during the primary shaping - for example during casting - of the friction ring. Alternatively, it is possible to cast or otherwise mold a base body having a planer surface and to subsequently produce the surface profile by abrasive methods such as machining, erosion, or the like. In the following method step, a coating is finally applied to the main body of the friction ring to form the thickness profile with different coating thicknesses. As a result, preferably results in a flat friction surface. To apply the coating, thermal spraying methods such as flame spraying, plasma spraying, arc wire spraying (LDS) or the like or else physical vapor deposition (PVD) are preferably used.
Ein weiteres geeignetes Verfahren wird durch Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials gebildet, bei dem das Trägermaterial an der Oberfläche partiell durch Strahlungsenergie aufgeschmolzen, der Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze vermischt und so in das Trägermaterial eingebunden wird.Another suitable method is formed by melting the coating material, in which the carrier material is partially melted at the surface by radiation energy, the coating material is mixed with the melt and thus incorporated into the carrier material.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:In the following, the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Hereby show:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Bremsscheibe mit einem erfindungsgemäßen Reibring,1 shows a cross section through an embodiment of a brake disc with a friction ring according to the invention,
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des Reibrings aus der in Fig. 1 gezeigten Bremsscheibe undFig. 2 is an enlarged detail of the friction ring of the brake disc shown in FIG. 1 and
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Bremsscheibe mit einem erfindungsgemäßen Reibring.
Fig. 1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Bremsscheibe für einen Kraftwagen. Diese umfasst einen Reibring 12 sowie einen Bremsscheibentopf 14, wobei am Bremsscheibentopf 14 eine Aufnahmeöffnung 16 zur Befestigung der Bremsscheibe 10 an einer Achse des Kraftwagens vorgesehen ist. Im gezeigten Beispiel sind Reibring 12 und Bremsscheibentopf 14 einteilig ausgeführt. Solche Bremsscheiben werden insbesondere als einteilige Gussbauteile, beispielsweise aus Grauguss gefertigt. Um die Reibungseigenschaften der Reibflächen 18 und 20 des Reibringes 12 zu verbessern, ist auf den Reibflächen 18 und 20 jeweils eine Beschichtung 22, 24 aufgebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine keramische Beschichtung aus Chromcarbid, Aluminiumoxid oder Titandioxid handeln. Auch Diamant oder Cermet kann verwendet werden.Fig. 3 shows a cross section through an alternative embodiment of a brake disc with a friction ring according to the invention. Fig. 1 shows a designated as a whole with 10 brake disc for a motor vehicle. This comprises a friction ring 12 and a brake disk cup 14, wherein on the brake disk chamber 14, a receiving opening 16 is provided for fastening the brake disk 10 on an axle of the motor vehicle. In the example shown, friction ring 12 and brake disk cup 14 are made in one piece. Such brake discs are manufactured in particular as one-piece cast components, for example, cast iron. In order to improve the friction properties of the friction surfaces 18 and 20 of the friction ring 12, a coating 22, 24 is applied to the friction surfaces 18 and 20, respectively. This may be, for example, a ceramic coating of chromium carbide, aluminum oxide or titanium dioxide. Also diamond or cermet can be used.
Während des Betriebs der Bremsscheibe 10 erfährt der Reibring 12 eine ungleichmäßige Erwärmung über seine Reibflächen 18 und 20 hinweg. Es bilden sich so genannte Hotspots, also Zonen erhöhter Temperatur. Hierdurch kommt es bei üblichen Bremsscheiben zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung des Reibringes 12, weswegen der Reibring 12 nicht mehr planparallel an den Bremsbacken des Bremssystems anliegt. Hierdurch entstehen Vibrationen und Geräusche, das so genannte Heißrubbeln des Bremsringes. Um dem vorzubeugen, sind die Beschichtungen 22 und 24 im gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Reibringes 12 nicht gleichmäßig aufgebracht. Dies ist in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung in Fig. 2 verdeutlicht.During operation of the brake disk 10, the friction ring 12 experiences uneven heating across its friction surfaces 18 and 20. So-called hotspots form, ie zones of elevated temperature. This results in conventional brake discs to an uneven expansion of the friction ring 12, which is why the friction ring 12 is no longer plane-parallel against the brake shoes of the brake system. This creates vibrations and noises, the so-called hot scrubbing of the brake ring. In order to prevent this, the coatings 22 and 24 are not uniformly applied in the example shown of a friction ring 12 according to the invention. This is illustrated in the enlarged detail view in FIG. 2.
Die Beschichtung 22 der Reibfläche 20 des Reibringes 12 weist ein konkaves Dickenprofil auf, wobei sich die Dicke der Beschichtung 22 von einer Mindestdicke di am Außenrand 26 des Reibringes 12 radial nach innen erhöht, bis die Beschichtung 22 in etwa in der Mitte des Reibringes 12 ihre Maximaldicke d2 erreicht, woraufhin sich die Dicke radial nach innen wiederum bis auf den Wert d^ reduziert. Der Reibring 12 weist ein komplementäres Oberflächenprofil zur Beschichtung 22 auf, so dass sich in der Summe eine plane Reibfläche 20 ergibt. Auf der zweiten Reibfläche 18 des Reibringes 12 ist eine Beschichtung 24 aufgebracht, welche radial von außen nach innen einen keilförmigen Verlauf in ihrer Dicke nimmt. An der Außenkante 26 des Reibringes 12 weist die Beschichtung 24 ihre Maximaldicke d3 auf. Die Dicke der Beschichtung 24 reduziert sich radial nach innen bis auf 0. Auch hier weist der Grundkörper 28 des Reibringes 12 auf seiner Oberfläche 18 ein komplementäres Profil auf, so dass sich in der Summe wiederum eine plane Reibfläche 18 ergibt.
Die Dickenprofile der Beschichtungen 22 und 24 sind dabei so gewählt, dass sich aus der Kombination der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers 28 und der Beschichtungen 22 und 24 mit den unterschiedlichen Temperaturen des Reibringes 12 im Betrieb der Bremsscheibe 10 eine gleichmäßige Längenausdehnung des gesamten Reibringes 12 über die gesamten Reibflächen 18 und 20 hinweg ergibt. Die Reibflächen 18 und 20 sind somit sowohl im kalten Zustand als auch im aktiven Bremsbetrieb, also im heißen Zustand, jeweils plan. Weder ein Heiß- noch ein Kaltrubbeln der Bremsscheibe findet statt, was sowohl Vibrationen und Geräusche als auch Verschleiß des Bremssystems reduziert.The coating 22 of the friction surface 20 of the friction ring 12 has a concave thickness profile, wherein the thickness of the coating 22 of a minimum thickness di at the outer edge 26 of the friction ring 12 increases radially inwardly until the coating 22 approximately in the middle of the friction ring 12 her Maximum thickness d 2 reached, whereupon the thickness is reduced radially inward again to the value d ^. The friction ring 12 has a complementary surface profile to the coating 22, so that the overall result is a plane friction surface 20. On the second friction surface 18 of the friction ring 12, a coating 24 is applied, which takes a wedge-shaped course in its thickness radially from outside to inside. At the outer edge 26 of the friction ring 12, the coating 24 has its maximum thickness d 3 . The thickness of the coating 24 is reduced radially inwardly to 0. Here too, the main body 28 of the friction ring 12 on its surface 18 has a complementary profile, so that in turn results in a plane friction surface 18 in the sum. The thickness profiles of the coatings 22 and 24 are chosen so that from the combination of the different coefficients of expansion of the body 28 and the coatings 22 and 24 with the different temperatures of the friction ring 12 during operation of the brake disc 10, a uniform longitudinal expansion of the entire friction ring 12 on the total friction surfaces 18 and 20 away. The friction surfaces 18 and 20 are thus both in the cold state and in active braking mode, ie in the hot state, each plan. There is no hot or cold rubbing of the brake disc, which reduces both vibration and noise and wear of the brake system.
Fig. 3 zeigt schließlich eine alternative Ausführungsform einer Bremsscheibe 10' mit einem Bremsscheibentopf 14 und einem innenbelüfteten Reibring 12'. Der Reibring 12' ist nicht wie der in Fig. 1 und 2 gezeigte Reibring 12 massiv ausgeführt, sondern weist Luftkanäle 30 auf, welche zwischen den beiden Reibringhälften 32 und 34 verlaufen. Die Reibringhälften 32 und 34 sind dabei durch Noppen 36 gegeneinander abgestützt. Die erste Reibfläche 18 der Reibringhälfte 34 ist im gezeigten Beispiel unbeschichtet, eine Beschichtung ist lediglich auf der Reibfläche 20 der zweiten Reibringhälfte 32 aufgebracht. Die Beschichtung 22 der Reibringhälfte 32 weist dabei zunächst in einem radial innen gelegenen Bereich 38 eine konstante Dicke auf. Lediglich in einem radial außen gelegenen Bereich 40 der Reibringhälfte 32 ist die Beschichtung 22 verdickt. Dies dient im gezeigten Beispiel dem Ausgleich unterschiedlicher Temperaturabfuhr im Bereich der Luftkanäle 30 und Noppen 36. Hierdurch wird die bei innenbelüfteten Bremsscheiben 10' besonders hohe Gefahr der Dickenvariation des Reibringes 12' reduziert, indem gegebenenfalls auftretende unterschiedliche Wärmeausdehnungen in verschiedenen Bereichen 38, 40 des Reibringes 12' durch unterschiedliche Ausdehnungen der Beschichtung 22 jeweils kompensiert werden.
Finally, FIG. 3 shows an alternative embodiment of a brake disk 10 'with a brake disk cup 14 and an internally ventilated friction ring 12'. The friction ring 12 'is not made massive as the friction ring 12 shown in FIGS. 1 and 2, but has air channels 30 which extend between the two friction ring halves 32 and 34. The friction ring halves 32 and 34 are supported by nubs 36 against each other. The first friction surface 18 of the friction ring half 34 is uncoated in the example shown, a coating is applied only on the friction surface 20 of the second friction ring half 32. The coating 22 of the friction ring half 32 initially has a constant thickness in a radially inner region 38. Only in a radially outer region 40 of the friction ring half 32, the coating 22 is thickened. This serves in the example shown to compensate for different temperature dissipation in the air ducts 30 and nubs 36. This is the internally ventilated brake discs 10 'particularly high risk of thickness variation of the friction ring 12' reduced by possibly occurring different thermal expansions in different areas 38, 40 of the friction ring 12 'are compensated by different extents of the coating 22 respectively.
Claims
1. Reibring (12, 12') für einen Bremsscheibe (10, 10'), welcher zumindest bereichsweise eine Beschichtung (22, 24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 24) ein Dickenprofil mit unterschiedlichen1. friction ring (12, 12 ') for a brake disc (10, 10'), which at least partially a coating (22, 24), characterized in that the coating (22, 24) has a thickness profile with different
Beschichtungsdicken (di, d2, d3) aufweist.Coating thicknesses (di, d 2 , d 3 ).
2. Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Reibring (12, 12") ein Oberflächenprofil aufweist, welches komplementär zu dem Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) ausgebildet ist.Second friction ring (12, 12 ') according to claim 1, characterized in that the friction ring (12, 12 ") has a surface profile which is complementary to the thickness profile of the coating (22, 24).
3. Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) in radialer Richtung keilförmig ausgebildet ist.Third friction ring (12, 12 ') according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness profile of the coating (22, 24) is wedge-shaped in the radial direction.
4. Reibring (12, 12") nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) zumindest bereichsweise konkav ausgebildet ist.4. friction ring (12, 12 ') according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness profile of the coating (22, 24) is at least partially concave.
5. Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) in etwa der Verteilung der Hotspots folgt. 5. friction ring (12, 12 ') according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness profile of the coating (22, 24) follows approximately the distribution of the hotspots.
6. Reibring (12, 12') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (22, 24) oberhalb der Kühlkanäle höher ist als oberhalb der zugeordneten Noppen (36) oder Stege.6. friction ring (12, 12 ') according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the coating (22, 24) above the cooling channels is higher than above the associated knobs (36) or webs.
7. Reibring (12, 12') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 24) Cr3C2 und/oder AI2O3 und/oder TiO2 und/oder Diamant und/oder MMC und/oder IMC und/oder Cermet umfaßt.7. friction ring (12, 12 ') according to any one of the preceding claims, characterized in that the coating (22, 24) Cr 3 C 2 and / or Al 2 O 3 and / or TiO 2 and / or diamond and / or MMC and / or IMC and / or cermet.
8. Reibring (12, 12') nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Beschichtung (22, 24) und einem Grundkörper (28) des Reibringes (12, 12') eine Zwischenschicht vorgesehen ist.8. friction ring (12, 12 ') according to one of the preceding claims, characterized in that between the coating (22, 24) and a base body (28) of the friction ring (12, 12') an intermediate layer is provided.
9. Reibring (12, 12') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aluminium- und/oder chromhaltige Nickellegierungen und/oder ZrNiCrAlY-Legierungen umfasst.9. friction ring (12, 12 ') according to claim 8, characterized in that the intermediate layer comprises aluminum and / or chromium-containing nickel alloys and / or ZrNiCrAlY alloys.
10. Reibring (12, 12") nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (28) des Reibringes (12, 12') aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.10. friction ring (12, 12 ') according to one of the preceding claims, characterized in that the base body (28) of the friction ring (12, 12') is formed from gray cast iron or an aluminum alloy.
11. Verfahren zum Herstellen eines Reibrings (12, 12") für eine Bremsscheibe (10, 10') nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten:11. A method for producing a friction ring (12, 12 ') for a brake disc (10, 10') according to one of the preceding claims, comprising the steps:
- Ausbildung eines zu einem Dickenprofil einer Beschichtung (22, 24) mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (O1 , d2, d3) komplementären Oberflächenprofils des Reibrings (12, 12');- Forming a to a thickness profile of a coating (22, 24) with different coating thicknesses (O 1 , d 2 , d 3 ) complementary surface profile of the friction ring (12, 12 ');
- Aufbringen der Beschichtung (22, 24) unter Bildung des Dickenprofils mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (di, d2, d3). - Applying the coating (22, 24) to form the thickness profile with different coating thicknesses (di, d 2 , d 3 ).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen der Beschichtung (22, 24) eine ebene Reibfläche (18, 20) erzeugt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that when applying the coating (22, 24) a flat friction surface (18, 20) is generated.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (22, 24) durch ein thermisches Spritzverfahren oder Physical Vapor Deposition aufgebracht wird. 13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that the coating (22, 24) is applied by a thermal spraying method or physical vapor deposition.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10, 10' Bremsscheibe10, 10 'brake disc
12, 12' Reibring12, 12 'friction ring
14 Bremsscheibentopf14 brake disk pot
16 Aufnahmeöffnung16 receiving opening
18 Reibfläche18 friction surface
20 Reibfläche20 friction surface
22 Beschichtung22 coating
24 Beschichtung24 coating
26 Außenrand26 outer edge
28 Grundkörper28 basic body
30 Luftkanal30 air duct
32 Reibringhälfte32 friction ring half
34 Reibringhälfte34 friction ring half
36 Noppen36 pimples
38 innen gelegener Bereich38 indoor area
40 außen gelegener Bereich di Mindestdicke d2 Maximaldicke d3 Maximaldicke 40 outside area di minimum thickness d 2 maximum thickness d 3 maximum thickness
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Legal Events
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