WO2021213696A1 - Reibeinheit - Google Patents

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WO2021213696A1
WO2021213696A1 PCT/EP2021/000027 EP2021000027W WO2021213696A1 WO 2021213696 A1 WO2021213696 A1 WO 2021213696A1 EP 2021000027 W EP2021000027 W EP 2021000027W WO 2021213696 A1 WO2021213696 A1 WO 2021213696A1
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friction
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support body
friction unit
fabric
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PCT/EP2021/000027
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Walter Krenkel
Nico Langhof
Thorsten OPEL
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Universität Bayreuth
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    • F16D2250/0069—Adhesive bonding

Definitions

  • the present invention relates to a friction unit according to the preamble of claim 1.
  • brake disks made of metal are known with ceramic linings integrated in them, which serve to improve wear resistance and the coefficient of friction.
  • DE 101 54 333 A1 describes a wheel brake with a brake body that rotates with a wheel, in particular a brake disc, and a brake pad that does not rotate with the wheel against the brake body and has a friction body called a block body.
  • the contact surface of the brake body, in particular the brake disc, which points towards the brake pad, consists of a ceramic material.
  • the brake body has a base body made of metal, which is covered with a covering made of ceramic material.
  • the friction body consists of several segments of a ring and the segments, viewed in the radial direction, are equipped with inclined side surfaces.
  • the ceramic material used for the brake lining is silicon carbide, which is contained in a matrix made of carbon, in particular in the form of carbon fibers.
  • the brake body is attached to the support body in a form-fitting and force-fitting manner, for example by means of screws, rivets, interacting projections and depressions.
  • Electric vehicles which are becoming increasingly popular, require a brake concept that is adapted to the electric drive.
  • Vehicles with electric drive use the existing electric motors to brake the vehicle as a genera- gate and feed the generated energy back into the battery system. This type of braking is known as regenerative braking.
  • the present invention is based on the object of providing a brake disc which, even if the friction surfaces are not used for a very long time, has very good tribological properties due to the corrosion resistance of the friction surfaces, is light in weight, but can nevertheless be produced simply and thus inexpensively.
  • a brake disc should be suitable for electrically driven vehicles and preferably for those in which the motor and the brake system are arranged in the wheel, so-called wheel hub motors.
  • the friction unit according to the invention is characterized in that the friction body consists of at least one layer (layer) of a flat structure made of carbon fibers that are embedded in silicon, carbon and silicon carbide using a textile processing technique.
  • a 0/90 ° fabric ie one in which the fibers or fiber bundles run orthogonally to one another (below 0 ° and 90 °), or a fleece (a so-called non-woven structure) or a spiral weave in which the fiber bundles are oriented in the radial and tangential directions are used.
  • the invention provides for the friction body to be made very thin by preferably only one to three fabric or fleece layer (s) made of carbon fibers embedded in a matrix of carbon, silicon and silicon carbide, which then , as a friction body, is connected to the support body.
  • a layer or layer also referred to as a fiber mat (a mat is a fiber-containing sheet structure for reinforcing ceramic, thermosetting and thermoplastic materials), is so thin that it has a certain flexibility before being applied to the supporting body. This mat achieves its dimensional stability when it is connected to the supporting body that absorbs the mechanical loads during braking.
  • the support body is made of light metal or CFRP or GFRP, the overall friction unit, for example a brake disc, is particularly light in weight.
  • the friction body i.e. the mat-shaped element
  • the friction body can consist of several parts or segments which, distributed over the support body, are connected to it.
  • the friction body or the respective part of the friction body is preferably glued to the support body.
  • the supporting body of the brake disc from an aluminum base body which has a low density and high thermal conductivity while being inexpensive to manufacture and is consequently particularly suitable for brake discs in electric vehicles.
  • the ceramic friction body or the ceramic friction segments if the friction body is divided into several sections, consists of a carbon fiber reinforced silicon carbide (C / SiC).
  • This material has excellent tribological properties and is almost wear-free. Due to the very low level of wear and tear, there is a significantly lower proportion of fine dust as brake abrasion compared with conventional metal-based friction pairings.
  • the C / SiC used is preferably manufactured using the LSI process (Liquid Silicon Infiltration).
  • the green bodies are produced, for example, by a Hot pressing process. For this purpose, fabrics and fleeces (non-woven) are pressed at high temperature with a carbon-rich polymer.
  • the friction body can consist of 2 to 10 layers, preferably 2 to 5 layers, more preferably two or three layers, of a flat structure made of carbon fibers that are laminated or pressed together.
  • the use of prepregs for the production of the green bodies is also provided.
  • Prepregs are fabrics or fleeces (non-woven) that are already pre-impregnated with the polymer matrix, which are commercially available and only need to be made up and pressed.
  • a CFRP body is obtained which consists of 2 to 10, preferably 2 to 5 layers, more preferably two or three woven and / or non-woven layers. This CFRP body is then pyrolyzed under a nitrogen atmosphere at approx.
  • the C / C body is optionally carbonized at approx. 1500 ° C to 1800 ° C in a vacuum atmosphere (a process in which there is still a slight loss of mass, so that no degassing products escape during the subsequent siliconization Carbon matrix increased.).
  • the C / C body is then infiltrated with silicon or silicon alloys at temperatures between 1450 ° C and 1800 ° C in a vacuum atmosphere (liquid siliconization), a SiC matrix being formed by the reaction of the silicon with the carbon matrix of the C / C body. After this liquid siliconization, the final C / SiC material is available.
  • the prepreg can be pyrolysed and siliconized directly without a hot pressing process.
  • the LSI process is preferred, however, since this process can produce materials with low porosity and inexpensive starting materials such as silicon and carbon-rich aromatic polymers, and the process has been commercialized for years and is used to manufacture ceramic brake discs.
  • the carbon fiber reinforced SiC ceramic (C / SiC) is characterized by a high thermal shock resistance and damage tolerance compared to monolithic ceramics, which means that the friction unit does not flake off the support body or develop critical cracks at the start of braking and the associated high temperature gradient.
  • the friction body When producing the friction body, it can be advantageous to remove the fibers located near the friction surface prior to the heat pressing process at temperatures greater than 700 ° C. under a nitrogen atmosphere. As a result, up to three times the ceramic content can be obtained in the area of the friction surface in the liquid siliconization process, whereby the tribological properties and the wear behavior of the friction surface are improved.
  • the friction unit according to the invention is advantageous wherever use as a service brake is not required. It is therefore preferably used for applications in emergency brakes of electric drives, where short-term or supporting braking is necessary and where high coefficients of friction, low masses and the simple manufacture of the friction units are essential requirements.
  • the friction unit in particular in the form of a brake or clutch disc, has a low weight, especially when the friction body is made up of very thin mats which, when put together, have a thickness in the millimeter range, preferably 0.5 mm to 3 mm , it is particularly suitable for electric vehicles, preferably for applications in which the brake is used in conjunction with a wheel hub motor. In such an application, the unsprung mass can be kept low thanks to the very light brake disc in conjunction with a wheel hub motor.
  • the braking unit is only used to a limited extent for normal operation, since the braking process is largely carried out by reversing the polarity of the electric motor, which then acts as a generator.
  • the brake and thus both the supporting body and the friction body, can be designed for a significantly lower temperature load, since repeated braking processes (so-called fading braking) can largely be ruled out.
  • the friction body is preferably built up from layers of fabric, also referred to as mats.
  • the number of fabric layers from which the friction body is made up should be two to ten, preferably two to five, more preferably two or three, fabric layers. Depending on the conditions of use, a single layer of fabric can also be used.
  • the fibers in the respective fabric layer can be aligned in two main directions , which are advantageously oriented perpendicular to one another.
  • fabric mats are commercially available primarily as fabrics with a plain, twill and satin weave. These fabrics, but also non-woven fabrics, are already pre-impregnated with a polymer matrix, as so-called prepregs (pre-impregnated fabrics or non-woven fabrics), commercially available.
  • the orientation of one of the main fiber directions preferably runs in the respective fabric layer of the friction element in the radial direction to a fulcrum of the supporting body and the orientation of the other main fiber direction is tangential Direction to the pivot point.
  • Such layers can be taken from a spiral fabric. In such a spiral fabric, the fabric layers lie flat on top of one another in the form of a spiral and, in contrast to a layered structure, are continuously connected to one another. Ring segments of any size can be cut to length, depending on the type of friction body required that is to be connected to the support body.
  • these fabric layers should have a fiber direction that is at 45 ° to the two main fiber directions of the at least two layers of fabric run. If the friction body consists of more than one fabric layer, that fabric layer which forms the outermost fabric layer and with which a brake lining is brought into frictional engagement should have an orientation of fibers that is identical to the fabric layer below. This ensures that if the outermost fabric layer should be worn out, the friction behavior due to the underlying fabric layer does not change. For brake or clutch disks, the two fabric layers should then have a fiber orientation that is in the same orientation to the pivot point of the disk.
  • the friction body can consist of non-woven layers, the non-woven fabric of the individual non-woven layers being formed from short carbon fibers is.
  • a fleece is a layer of endless or finite fibers and / or fiber bundles arranged in a directionally or randomly to one another, solidified by friction and / or cohesion and / or adhesion.
  • the polymer matrix must be added or, if nonwoven prepregs are used, it is already contained in the nonwoven layer.
  • the short fibers are preferably in the form of bundles.
  • the length of such short fibers is 3 mm to 15 mm, preferably 10 mm to 15 mm. It must be ensured that the length is not too short in order to ensure adequate thermal shock resistance and strength.
  • the proportion by volume of the fibers in the friction body is set to a proportion between 20% and 50%, preferably between 30% and 40%.
  • the friction body can be screwed, glued or soldered to the supporting body, gluing being preferred, since this enables a thin and flat connection between the supporting body and the friction body.
  • the friction body can be centered on the support body by pin-shaped or web-shaped parts that are assigned to the support body, and depressions in the friction body that correspond to the pin-shaped or web-shaped parts.
  • the cross-sectional shape of the pin-shaped or bar-shaped parts can be adapted for a form fit and force fit.
  • An embodiment is also provided in which the friction body is inserted / glued into grooves present in the support body. This offers the advantage that centrifugal forces which act on the friction body can be absorbed not only by the joining material but also by the supporting body.
  • the support body has pin-shaped or bar-shaped parts that engage in corresponding openings in the friction body, these parts should have a height perpendicular to the friction surface that is less than the thickness of the friction body, so that the ends of the pin-shaped or bar-shaped parts are not in the End or protrude over the friction surface.
  • Such pins, or webs can also have an elliptical cross section in addition to a round one. Rectangular or polygonal cross-sections are also advantageous for certain applications.
  • the friction body is arranged on the outermost side surface of the support body, that is, on that surface which, based on a brake or clutch disc, protrudes farthest in the axial direction.
  • This side surface of the support body can be interrupted by depressions, cutouts and the like in order to support cooling of the friction body and / or the support body.
  • the friction body which is glued to this outer surface of the support body, for example, does not have a form fit with the support body and can be used in particular when high braking powers are to be generated that lead to high thermal loads.
  • a friction body with a mass fraction of SiC of at least 20% has proven itself. Different layers of tissue can have different SiC contents. To achieve this, fabrics are at least 700 ° C to reduce the functional groups on the surface of the carbon fibers. This leads to a decrease in the fiber-matrix bond in the CFRP body, which leads to an increased conversion of the carbon fibers to SiC during the liquid siliconization. In this way, the friction body can be designed as a graded structure, ie the ceramic component or SiC content increases in the direction of the friction surface.
  • a very thin friction layer in the form of a graphite foil is applied to a carbon fiber fabric or a carbon fiber fleece, which is infiltrated with liquid silicon during the siliconization process, so that the friction body consists of a composite of one or more layers of carbon fiber reinforced SiC ceramic and a high SiC-containing friction layer consists.
  • the advantage of such a friction layer is that the tribological properties are improved, wear is reduced and thus the service life can be increased.
  • the temperature distribution in the friction body and in the support body can be improved due to the increased thermal conductivity of the friction layer. It is also important that the friction layer is process-integrated, i. H. during the siliconization, can be manufactured.
  • an aqueous slip layer made of various carbon and SiC powder fractions can also be used.
  • the surface of the friction body that faces away from the carrier body and thus forms the friction surface is finished, while the opposite side, which is connected to the carrier body, is in an unmachined state, which corresponds to that after siliconization of the friction body ( so-called as-fired state).
  • This provides an unprocessed surface for gluing the friction body to the carrier body, which surface has a reticular structure for the adhesive and thus results in a high-strength adhesive connection between the friction body and the carrier body.
  • the adhesive layer or the material of the adhesive layer, via which the friction lining is connected to the support body is set to a thermal conductivity greater than 1 W / mK.
  • an additive for example graphite or metal, in a required amount.
  • Epoxy resins, MMA (methyl methacrylate) or silicone, for example are suitable as organic adhesives, while silicate-setting waterglass-based adhesives can be used as inorganic adhesives. Epoxy resin is particularly preferred, since epoxy resin is easy to process and can be easily added with additives.
  • the adhesive layer used is preferably one which withstands a repeated temperature load of 200 ° C. without degradation, ie without loss of mass or change in shape.
  • a friction body which is designed as a closed ring is particularly preferred.
  • Such a ring is easy to handle in order to connect it to the support body;
  • Such a ring can optionally be segmented into several parts and connected in a force-locking manner by means of an adhesive bond or in a form-locking and force-locking manner by inserting them into recesses in the support body and gluing them.
  • a thickness of the friction body is between 0.5 mm and 5 mm, preferably 0.5 mm and 3 mm, more preferably 0.5 mm to 1 mm, applicable.
  • a correspondingly thick fiber mat is used as prepreg (pre-impregnated semi-finished product), which does not have to be pressed into a green body.
  • prepreg pre-impregnated semi-finished product
  • These single-layer fiber mats are then pyrolyzed and siliconized.
  • friction bodies with a thickness of 0.1 mm to 0.2 mm can also be produced with a single-layer layer.
  • These thin C / SiC layers are flexible, which is advantageous when gluing them on. A rough underside also results in good interlocking of the adhesive with the friction body.
  • the support body can be made of aluminum (Al) or magnesium (Mg). However, materials such as gray cast iron, steel, titanium, MMC (Metal Matrix Composite) and alloys made from these materials can also be used for the support body.
  • Al aluminum
  • MMC Metal Matrix Composite
  • a support body made of MMC aluminum reinforced with SiC particles is used in particular.
  • the proportion of SiC is preferably 30% ⁇ 10%, while the proportion of aluminum or the Al alloy is 70%.
  • the heat resistance and the tribological properties can be adjusted via the SiC content. A lower proportion of SiC means that the Al softens as a result of the heat generated during the friction process, while a higher proportion of SiC reduces the thermal shock resistance.
  • GFK glass fiber reinforced plastic
  • SFK synthetic fiber reinforced plastic
  • CFRP CFRP
  • the advantage of such composites over metals is their low weight (density ⁇ 1.5 g / cm 3 ), high rigidity and low thermal expansion, which can be set to the same order of magnitude as that of the friction body.
  • GRP / SFK are cheaper than CFRP, which is used when particularly high demands are placed on strength and rigidity.
  • a support body made of CFRP is particularly preferred in order to approximate the thermal expansion coefficient of the support body to the expansion of the friction body.
  • the inner and / or outer diameter of the ring-shaped friction unit to be provided with a cycloid (for example sinusoidal) contour which is found as a negative in the form of a groove in the support body.
  • the friction body is glued into this groove. The friction unit is thus protected against twisting and the friction forces can be transmitted between the supporting body and the friction body via the form fit of the contour.
  • the friction unit according to the invention not only includes disc-shaped friction units, but also drum-shaped friction units which are used, for example, for drum brakes.
  • the support body is designed as a closed cylindrical surface and the friction body is applied to the inner diameter of the brake drum.
  • the above-described information relating to the friction body and the support body can be transmitted analogously. Further details and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing shows
  • Figure 1 is a perspective view of a friction unit according to the invention in the form of a brake or clutch disc
  • FIG. 2 shows a section through the friction unit along the section line l-l in FIG. 1,
  • Figure 3 is a perspective view of a friction unit corresponding to Figure 1 with an additional centering of the friction body on the support body,
  • FIG. 4 shows a section through the friction unit along the section line IV-IV in FIG. 3,
  • Figure 5 shows another brake or clutch disc in a plan view with a centering of the friction body on the support body by means of webs
  • FIG. 6 shows an enlarged detail view of the surface of the friction body, as it is used in the arrangements of FIGS. 1 to 5, with a marking of the fiber directions in the fabric layer,
  • FIG. 7 shows an enlarged detail view of the surface of the friction body corresponding to FIG. 6 with a marking of an additional fiber direction in the fabric layer
  • FIG. 8 shows a partial section of a friction unit in the form of a brake or clutch disk with a friction body, the fibers of which run in the radial and tangential directions to a pivot point of the brake or clutch disk
  • FIG. 9 shows a sectional view corresponding to FIG. 2, but with a support body which has a thickening on the outer radius which is thinner than the thickness of the friction body perpendicular to the friction surface.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a friction unit which can be used as a brake or clutch disk.
  • This friction unit includes a disk-shaped support body 1, the pivot point being identified by the reference number 2.
  • the support body 1 is divided into a central, hub-shaped part 3 with mounting holes 4, an outer support ring 5 and spoke parts 6 which connect the hub-shaped part 3 to the support ring 5.
  • a friction body 7 is attached to one outer side of the support ring 5, in the exemplary embodiment shown by means of an adhesive layer 8, as the sectional illustration in FIG. 2 illustrates.
  • FIG. 1 shows the friction body 7 only on one side, in the sectional view of FIG 8 glued, shown in broken line.
  • the friction body 7 is essentially composed of a carbon fiber reinforced SiC ceramic, which consists of at least one layer of a woven or nonwoven layer, also referred to as woven or nonwoven mat, made of carbon fibers 9 embedded in silicon, carbon and silicon carbide.
  • a carbon fiber reinforced SiC ceramic which consists of at least one layer of a woven or nonwoven layer, also referred to as woven or nonwoven mat, made of carbon fibers 9 embedded in silicon, carbon and silicon carbide.
  • two fabric layers 10 are placed one on top of the other. This structure from the two fabric layers 10 form the C / SiC ceramic across layers.
  • the support body 1 is made of aluminum or magnesium, which on the one hand has a low weight and on the other hand has a high thermal conductivity (> 150 W / mK) and heat capacity (> 800 J / kgK). The mechanical loads resulting from braking are also absorbed by the supporting body.
  • An organic or inorganic adhesive which has a thermal conductivity greater than 1 W / mK is preferably used as the material for the adhesive layer 8 when the support body 1 is made of aluminum or magnesium.
  • the thermal conductivity of the adhesive for the adhesive layer 8 is set in such a way that it has a bearing on the thermal conductivity of both the friction body 7 and the support body. pers 1 is adapted.
  • additional additives such as graphite or metal, can be embedded in the adhesive.
  • an adhesive examples include filled organic adhesives, such as epoxy resin adhesives or methacrylic acid methyl ester, or inorganic adhesives, such as, for example, water glasses.
  • friction units are preferably used in electric vehicles as emergency brakes in addition to regenerative braking via the drive motor operated as a generator and are therefore only loaded for a short time, the friction units, and thus also the adhesive layers 8, have to repeat temperatures of only Withstand 200 ° C to 250 ° C without degradation.
  • the friction body 7 is designed as a closed ring. However, it is also provided that the friction body 7 is segmented into several sections or parts, viewed in the circumferential direction, as shown in FIG.
  • the thickness 11 of the friction body 7 is set via the number of layers of fabric 10 stacked one on top of the other, which are used for the construction of the friction body 7. It is also provided that a very thin friction body 7, which is made up of only one fabric layer 10, is arranged on the support body 1. In this way, friction bodies 7 are obtainable which have a thickness 11 of only 0.1 mm to 0.3 mm and show a certain flexibility as a surface element, which can be advantageous for attachment to the support body 1.
  • the pin-shaped or web-shaped parts 12 have a height perpendicular to the friction surface or perpendicular to the contact surface of the friction body 7 on the support body 1, which is less than the thickness 11 of the friction body 7 achieves that the end surfaces 14 of the pin-shaped or web-shaped parts 12 do not serve as a friction surface but nevertheless serve to absorb force.
  • the pin-shaped or web-shaped parts 12 have a circular, elliptical or rectangular cross section.
  • the friction body 7 in FIG. 1 is made up of two fabric layers 10
  • the friction body 7 in the embodiment in FIG. 3 contains three fabric layers 10.
  • FIG. 5 which shows a top view of the disk-shaped friction unit and essentially corresponds in its structure to that of FIGS Pivot point 2 each extend over an angular segment of 120 °.
  • Adjacent segments 15 are separated from one another by webs 16 which protrude from the support body 1, comparable to the pin-shaped or web-shaped parts 12 of the embodiment of FIG. These webs 16 serve in particular to fix the segments 15 and thus the friction body 7 in the tangential direction against displacement by forces acting during the braking process.
  • FIGS. 6 and 7 show enlarged sections of the surface of the friction body 7 as it is used in the friction units of FIGS. 1 to 5.
  • two main fiber directions which are aligned at an approximately right angle to one another, are marked, in which the fibers of the fabric layer 10 run.
  • Such fabric layers or fabric mats 10 are used when the friction body 7 is made up of one layer or two layers. Should the friction body 7 contain a further, additional fabric layer 10, this is introduced between the two fabric layers 10 with a fiber orientation, marked by the solid lines 18, which run at an angle of 45 ° to the main fiber directions 17. This results in a high-strength and quasi-isotropic structure of the ceramized friction body 7.
  • FIG. 8 shows a partial section of a friction unit, comparable to the friction units previously described, with a friction body 7, the fibers of which are denoted by the reference numeral 19 in the radial direction, and in the tangential direction, denoted by the reference numeral 20, to the pivot point 2 the brake or clutch disc.
  • These fabric layers 10 can be removed from an endless spiral fabric by cutting to length, so that there is almost no material waste in the production of annular friction bodies.
  • this alignment of the fibers is advantageous for a constant coefficient of friction and for a high application-specific strength in the circumferential direction due to the load-appropriate fiber orientation.
  • FIG. 9 shows a sectional view corresponding to FIG. 2.
  • the support body 1 encloses the friction body 7 on the outer diameter in order to absorb centrifugal forces and to center the friction body.
  • friction body 7 is glued to the support body 1 by an adhesive layer 8 in the exemplary embodiments described above, provision is also made for the friction body 7 to be screwed or riveted to the support body 1.
  • gluing is advantageous especially for the friction body 7 with a very small thickness, especially since the friction body 7 consists of two to five, but more preferably two or three layers of fabric, and also for a friction body 7 that consists of only consists of a fabric layer.
  • a circular, brake disc-shaped support body 1 made of achtme tall, such as aluminum or magnesium.
  • Aluminum has a high thermal conductivity and a high specific heat capacity.
  • On this support body 1 is a CFRP green body based friction body 7, be standing from 1 to 3 layers of fabric 10, glued with a 2-component epoxy resin adhesive that is filled with aluminum powder to increase the thermal conductivity of the adhesive layer 8.
  • the aluminum powder has a grain size of 0.5 to 50 ⁇ m.
  • the friction body 7 is designed as a three-part friction ring (in circular segments 15 from 118 ° to 119 °) and is glued into a groove made in the support body 1, divided by three webs 16 (see FIG. 5). In this embodiment, the webs 16 contribute to absorbing the circumferential forces that occur.
  • the starting material of the friction body the CFRP green body, consists of 1 to 3 fabric layers of a carbon fiber canvas fabric with a thermosetting phenolic resin matrix, which is pressed into a CFRP body in a hot pressing process at 170 ° C under a pressure of 1 to 2 MPa and then added 300 ° C are tempered ge.
  • the CFRP body is pyrolyzed at 900 ° C under a nitrogen atmosphere to form a C / C body and then carbonized at 1600 ° C under vacuum.
  • the carbonized C / C body is infiltrated with liquid silicon by means of liquid siliconization at 1600 ° C. under vacuum, the C / SiC friction body being created.
  • the corresponding contours of the friction ring sections 15 are worked out from the friction body by means of water jet cutting.
  • the C / SiC friction ring sections 15 are bonded to the support body 1 in a heatable press at approx. 80 ° C. and a pressure of approx. 0.1 to 1 MPa with the two-component epoxy resin adhesive, the adhesive being cured in the press. Finally, the friction surfaces of the friction body 7 are ground plane-parallel to the desired surface quality.
  • Example 2
  • the pressing temperature is (in contrast to Example 1) 400 ° C. and the pressing pressure is unchanged from 1 to 2 MPa.
  • the ring-shaped green body of the friction body 7 obtained therefrom is processed further, analogously to Example 1, in the LSI process to form a C / SiC friction body.
  • holes are introduced in the middle radius, for example by drilling, eroding, milling or Stan zen.
  • this friction body 7 is the orientation of the fibers 19, 20, which is always the same regardless of the axial angle of rotation of the friction unit, for example a brake disc, relative to the brake lining (see Fi gur 8). This leads to a particularly stable coefficient of friction.
  • the fiber orientation within the spiral fabric is also ideal for absorbing the frictional forces.
  • the spiral fabric can be manufactured near net shape so that there is no waste or material loss.
  • the support body 1 consists of an aluminum (MMC - Metal Matrix Composite) filled with SiC powder, which, among other things, is made of aluminum. characterized by increased temperature resistance (up to over 250 to 350 ° C and greater rigidity compared to a carrier body without SiC fillers (increased modulus of elasticity of over 100 GPa).
  • the carrier body 1 has, corresponding to the holes made in the friction body 7 13, via pins 12, which serve to absorb frictional forces occurring during braking, for example (see Figures 3 and 4). Due to the higher temperature resistance of the MMC carrier body 1 compared to metallic base bodies without filler, the friction body 7 is coated with a waterglass-based adhesive ( Adhesive layer 8) glued onto the support body 1.
  • a friction body 7 which has a graded ceramic content (SiC content) in the thickness direction (axial direction of the support body 1).
  • the friction body 7 consists of four fabric layers 10 of a carbon fiber fabric, three of the fabric layers 10 prior to a hot pressing process in an oven at different to which temperatures are stored under a nitrogen atmosphere (kept at the relevant temperature for one hour in a high-temperature oven).
  • the fabric layer 10 furthest away from the support body 1 is pretreated at 900 ° C., the subsequent fabric layer 10 at 800 ° C. and the subsequent fabric layer 10 at a maximum temperature of 700 ° C.
  • the fabric layers 10 are then stacked accordingly and processed into a CFRP (carbon fiber reinforced plastic) using a hot pressing process, for example with a phenolic resin (analogous to Example 1), and then processed into a C / SiC friction body 7.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the increased SiC content (up to 60% by weight compared to approx. 20% by weight without pretreatment) on the friction surface of the friction body 7 offers several advantages.
  • the higher SiC content leads to a higher thermal conductivity (increase due to the increased SiC content, for example from 6 to 8 W / mK to 18 to 24 W / mK) and thus to an improved and more uniform heat distribution in the friction body 7 the increased SiC content leads to improved tribological properties (higher coefficients of friction) and increased wear resistance.
  • the MMC support body 1 has through holes which are used to accommodate hollow rivets.
  • the friction unit is designed as a brake disk and has two friction bodies 7 on the two axially outer friction surfaces. Holes 13, for example by drilling, eroding, milling or punching, which correspond to the bores of the support body 1, are made in the friction body 7. The two friction bodies 7 are then connected and joined to the supporting body 1 via hollow rivets.
  • a friction body 7 is provided with a high (70%) SiC-containing friction layer. After carbonization of the friction body 7, this friction layer is applied to the C / C body in the form of a slip containing SiC and carbon and then dried.
  • the slip is an aqueous dispersion of C and SiC particles.
  • the C / C body is infiltrated with liquid silicon analogously to Example 1, the slip layer is also infiltrated and an SiC friction layer is formed in situ.
  • the friction body 7 is then glued to a support body 1, which consists of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) with an epoxy resin matrix, with an MMA adhesive (methyl methacrylate).
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the high SiC-containing friction layer (maximum approx. 60 to 70% by weight SiC) offers the advantage that it has improved tribological friction properties and higher wear resistance. Furthermore, the friction layer has a high thermal conductivity, which leads to a homogeneous heat distribution within the friction body 7.
  • the proportion of SiC should be selected to be high, but this increases the brittleness of the friction element and reduces the thermal shock resistance.
  • a proportion of SiC in the outermost layer of the friction layer of 60 to 70% by weight has therefore been found to be particularly suitable.
  • an SiC content of 20 to 30% by weight is particularly suitable, as a result of which the fiber content in the core area is higher.
  • the brittleness and the Thermal shock resistance increases. With the high proportion of SiC in the friction layer, a high coefficient of friction is achieved.
  • the CFRP support body also offers advantages. On the one hand, through a suitable fiber architecture or through a load-oriented fiber orientation within the support body 1, a high strength of the support body 1 with at the same time a very low weight and high energy absorption can be achieved. The difference in the coefficients of thermal expansion between the friction body and the support body is also very small when using a CFRP support body, which leads to a very good connection by means of adhesive bonding.
  • CFRP carrier body can reduce the weight by approx. 50% compared to a metallic or MMC carrier body.

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Abstract

Reibeinheit, insbesondere eine Bremsscheibe, mit einem Tragkörper (1) und mindestens einem auf zumindest einer seiner Seitenflächen verbundenen Reibkörper (7), wobei der Reibkörper im Wesentlichen aus einer kohlenstofffaserverstärkten SiC-Keramik aufgebaut ist, und der Reibkörper aus mindestens einer Lage eines mit einer textilen Verarbeitungstechnik erzeugten Flächengebildes aus Kohlenstofffasern, die in Silicium, Kohlenstoff und Siliciumcarbid eingebettet sind, besteht.

Description

Reibeinheit'
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reibeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Seit mehreren Jahren sind Leichtbaubremsen mit Bremsscheiben aus keramischen Verbundwerkstoffen bekannt. Sie zeichnen sich durch hohe Reibwerte, niedriges Gewicht, hohe Temperaturbeständigkeit und geringen Verschleiß aus. Nachteilig sind die extrem hohen Herstellungskosten.
Neben vollkeramischen Bremsscheiben sind Bremsscheiben aus Metall (Stahl, Grauguss, Aluminium, usw.) bekannt mit darin integrierten keramischen Belägen, die zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und des Reibwertes dienen.
Die DE 101 54 333 A1 beschreibt eine Radbremse mit einem sich mit einem Rad mitdrehenden Bremskörper, insbesondere einer Bremsscheibe, und einem nicht mit dem Rad mitdrehenden gegen den Bremskörper pressbaren Bremsklotz mit einem als Klotzkörper bezeichneten Reibkörper. Die Kontaktfläche des Bremskörpers, insbesondere der Bremsscheibe, die zum Bremsklotz hinweist, besteht aus einem keramischen Material. Der Bremskörper weist einen Basiskörper aus Metall auf, der mit einem Belag aus keramischem Material belegt ist. Der Reibkörper besteht aus mehreren Segmenten eines Rings und die Segmente sind, in radialer Richtung gesehen, mit schrägen Seitenflächen ausgestattet. Als keramisches Material für den Bremsbelag wird Siliciumcarbid eingesetzt, das in einer Matrix aus Kohlenstoff, insbesondere in Form von Kohlenstofffasern, aufgenommen ist. Der Bremskörper ist am Tragkör per form- und kraftschlüssig, beispielsweise mittels Schrauben, Nieten, zusammenwirkenden Vorsprüngen und Vertiefungen, befestigt.
Elektrofahrzeuge, die eine zunehmende Verbreitung finden, erfordern ein an den Elektroantrieb angepasstes Bremsenkonzept. Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb nutzen die vorhandenen Elektromotoren zum Abbremsen des Fahrzeugs als Genera- toren und führen die erzeugte Energie in das Batteriesystem zurück. Diese Art des Bremsens wird als rekuperatives Bremsen bezeichnet.
Aufgrund der immer weiter steigenden rekuperativen Bremsleistungen elektrischer Fahrzeuge werden die Friktionsbremsen dieser Fahrzeuge (PKW, LKW, Schienenfahrzeuge, E-bikes, usw.) nur noch selten beansprucht. Dies führt zum Beispiel bei der klassischen Grauguss-Bremsscheibe dazu, dass bei Nicht-Gebrauch mit einer starken Korrosion bzw. Rostbildung zu rechnen ist und dadurch das Friktionsverhalten (Verschleiß, Reibwertaufbau) negativ beeinflusst wird. Es ist abzusehen, dass Friktionsbremsen in elektrischen Fahrzeugen nur noch als Notbremse für Fälle dienen müssen, falls der rekuperative Bremsvorgang versagt oder der rekuperative Bremsvorgang nicht ausreichend sein sollte. Allerdings ist gerade bei Notbremsungen ein schneller Aufbau des notwendigen Reibwerts essentiell wichtig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremsscheibe an zugeben, die auch bei sehr langer Nichtbenutzung in Folge einer Korrosionsbeständigkeit der Reibflächen sehr gute tribologische Eigenschaften aufweist, ein geringes Gewicht besitzt, aber dennoch einfach und damit kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere soll eine derartige Bremsscheibe für elektrisch angetriebene Fahrzeuge und bevorzugt für solche, bei denen der Motor und das Bremssystem im Rad, sogenannte Radnabenmotoren, angeordnet sind, geeignet sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Reibeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Reibeinheit sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Reibeinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper aus mindestens einer Lage (Schicht) eines mit einer textilen Verarbeitungstechnik erzeugten Flächengebildes aus Kohlenstofffasern, die in Silicium, Kohlenstoff und Siliciumcarbid eingebettet sind, besteht. Als Flächengebilde, das auch als Faser- Matte bezeichnet werden kann, wird bevorzugt ein 0/90° Gewebe, d.h. ein solches, bei dem die Fasern oder Faserbündel orthogonal zueinander (unter 0° und 90°) verlaufen, oder ein Vlies (eine sogenannte non-woven Struktur) oder auch ein Spiralge- webe, bei dem die Faserbündel in radialer und tangentialer Richtung orientiert sind, eingesetzt.
Die Erfindung sieht vor, den Reibkörper sehr dünn zu gestalten, indem bevorzugt nur ein bis drei Gewebe- oder Vliesschicht(en) aus Kohlenstofffasern, die in einer Matrix aus Kohlenstoff, Silicium und Siliciumcarbid eingebettet sind, eingesetzt wird (wer den), die dann, als Reibkörper, mit dem Tragkörper verbunden wird. Eine solche Schicht oder Lage, auch als Fasermatte (eine Matte ist ein faserhaltiges Flächengebilde zur Verstärkung von keramischen, duro- und thermoplastischen Werkstoffen) bezeichnet, ist so dünn, dass sie, vor dem Aufbringen auf den Tragköper, eine ge wisse Flexibilität aufweist. Ihre Formstabilität erreicht diese Matte dann, wenn sie mit dem Tragkörper verbunden ist, der die mechanischen Lasten beim Bremsvorgang aufnimmt. Falls der Tragkörper aus Leichtmetall oder CFK oder GFK aufgebaut ist, ergibt sich ein besonders geringes Gewicht der gesamten Reibeinheit, beispielsweise einer Bremsscheibe. Es kann ausreichend sein, eine solche Matte flächig mit dem Tragkörperzu verbinden. Der Reibkörper, d.h. das mattenförmige Element, kann aus mehreren Teilen oder Segmenten bestehen, die, über den Tragkörper verteilt, mit diesem verbunden werden. In einer solchen Ausgestaltung wird vorzugsweise der Reibkörper oder der jeweilige Teil des Reibkörpers mit dem Tragkörper verklebt.
Für eine Leichtbauweise ist es von Vorteil, den Tragkörper der Bremsscheibe aus einem Aluminium-Grundkörper aufzubauen, der eine niedrige Dichte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit bei kostengünstiger Herstellung besitzt und sich folglich besonders für Bremsscheiben von Elektrofahrzeugen eignet.
Der keramische Reibkörper oder die keramischen Reibsegmente, falls der Reibkörper in mehrere Abschnitte unterteilt ist, besteht aus einem Kohlenstofffaserverstärkten Siliciumcarbid (C/SiC). Dieses Material besitzt hervorragende tribologische Eigenschaften und ist nahezu verschleißfrei. Durch den sehr niedrigen Verschleiß fällt ein deutlich geringer Anteil von Feinstaub als Bremsabrieb an, verglichen mit metal lisch basierten, konventionellen Reibpaarungen. Das verwendete C/SiC wird vorzugsweise nach dem LSI-Verfahren (Liquid Silicion Infiltration - Flüssigsilicierung) hergestellt. Hierbei erfolgt die Herstellung der Grünkörper beispielsweise durch einen Warmpressvorgang. Gewebe und Vliese (non-woven) werden hierzu unter Temperatur mit einem kohlenstoffreichen Polymer verpresst. Dabei kann der Reibkörper, je nach erforderlicher Dicke, aus 2 bis 10 Lagen, bevorzugt aus 2 bis 5 Lagen, noch bevorzugter aus zwei oder drei Lagen, eines Flächengebildes aus Kohlenstofffasern, die übereinander laminiert bzw. miteinander verpresst werden, bestehen. Auch ist die Verwendung von Prepregs für die Herstellung der Grünkörper vorgesehen. Bei Prepregs handelt es sich um Gewebe oder Vliese (non-woven), die mit der polymeren Matrix bereits vorimprägniert sind, die kommerziell erhältlich sind und nur noch konfektioniert und verpresst werden müssen. Nach dem Warmpressvorgang erhält man einen CFK-Körper, der aus 2 bis 10, bevorzugt aus 2 bis 5 Lagen, noch bevorzugter aus zwei oder drei Gewebe- und/oder Vlieslagen, besteht. Dieser CFK-Körper wird anschließend unter Stickstoffatmosphäre bei ca. 800 °C bis 1000 °C zu einem C/C (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff) pyrolysiert. Der C/C-Körper wird optional bei ca. 1500 °C bis 1800 °C unter Vakuumatmosphäre carbonisiert (ein Vorgang, bei dem noch ein geringer Massenverlust zu verzeichnen ist, so dass während der folgenden Silicierung keine Entgasungsprodukte entweichen. Zusätzlich wird der Ordnungsgrad der Kohlenstoffmatrix erhöht.). Anschließend wird der C/C-Körper bei Temperaturen zwischen 1450 °C bis 1800 °C unter Vakuumatmosphäre mit Silicium oder Siliciumlegierungen infiltriert (Flüssigsilicierung), wobei sich durch Reaktion des Siliciums mit der Kohlenstoffmatrix des C/C-Körpers eine SiC-Matrix bildet. Nach dieser Flüssigsilicierung liegt der finale C/SiC-Werkstoff vor.
Bei der Verwendung von nur einer Gewebelage, kann das Prepreg ohne Warmpressvorgang direkt pyrolysiert und siliciert werden.
Es sind auch andere Herstellungsmethoden, wie das PIP-Verfahren (Polymer Infiltration and Pyrolysis), vorgesehen. Das LSI-Verfahren ist allerdings bevorzugt, da mit diesem Verfahren Materialien mit geringer Porosität erzeugt werden können und kostengünstige Ausgangsstoffe, wie Silicium und kohlenstoffreiche aromatische Polymere, verwendet werden können und das Verfahren seit Jahren kommerzialisiert ist und zur Herstellung keramischer Bremsscheiben eingesetzt wird. Die kohlenstofffaserverstärkte SiC-Keramik (C/SiC) zeichnet sich im Vergleich zu monolithischen Keramiken durch eine hohe Thermoschockbeständigkeit sowie Schadenstoleranz aus, das bedeutet, dass die Reibeinheit bei Bremsbeginn und den damit verbundenen hohen Temperaturgradienten nicht vom Tragkörper abplatzt oder kritische Risse bekommt.
Es kann von Vorteil sein, bei der Herstellung des Reibkörpers die nahe der Reibfläche befindlichen Fasern vor dem Wärmepressvorgang bei Temperaturen größer 700 °C unter Stickstoffatmosphäre auszulagern. Hierdurch kann im Bereich der Reibfläche ein bis zu dreifach höherer Keramikanteil beim Flüssigsilicierverfahren erhalten werden, wodurch die tribologischen Eigenschaften und das Verschleißverhalten der Reiboberfläche verbessert wird.
Die erfindungsgemäße Reibeinheit ist überall dort von Vorteil, wo ein Einsatz als Betriebsbremse nicht erforderlich ist. Sie ist daher für Anwendungen in Notbremsen von elektrischen Antrieben bevorzugt einzusetzen, wo ein kurzzeitiges oder unterstützendes Abbremsen notwendig ist und hohe Reibwerte, geringe Massen und die einfache Herstellung der Reibeinheiten wesentliche Forderungen sind.
Da die Reibeinheit, insbesondere in Form einer Brems- oder Kupplungsscheibe, ein geringes Gewicht besitzt, insbesondere dann, wenn der Reibkörper aus sehr dünnen Matten aufgebaut wird, die zusammengesetzt eine Dicke im Millimeter-Bereich, vorzugsweise 0,5 mm bis 3 mm, besitzen, ist sie für Elektrofahrzeuge besonders geeig net, vorzugsweise für Anwendungen, in denen die Bremse in Verbindung mit einem Radnabenmotor verwendet wird. In einer solchen Anwendung kann die ungefederte Masse durch die sehr leichte Bremsscheibe in Verbindung mit einem Radnabenmotor gering gehalten werden. Hierbei kommt die Bremseinheit für den normalen Betrieb nur in geringem Unfang zum Einsatz, da der Bremsvorgang weitgehend durch Umpolung des Elektromotors, in seinerWirkung dann als Generator, erfolgt. Insofern kann die Bremse, und damit sowohl der Trag- als auch der Reibkörper, auf eine wesentlich geringere Temperaturbelastung, ausgelegt werden, da wiederholte Bremsvorgänge (sogenannte Fadingbremsungen) weitgehend ausgeschlossen werden können. Bevorzugt wird der Reibkörper aus Gewebeschichten, auch als Matten bezeichnet, aufgebaut. Die Anzahl der Gewebeschichten, aus denen der Reibkörper aufgebaut ist, sollte zwei bis zehn, vorzugsweise zwei bis fünf, noch bevorzugter zwei oder drei, Gewebeschichten betragen. Entsprechend den Einsatzbedingungen kann auch eine einzelne Gewebeschicht verwendet werden.
Aus Gründen der Festigkeit, der tribologischen Leistungsfähigkeit und einer kostengünstigen Fertigung der Matte bzw. der Matten (Gewebeschicht(en)) des Reibkör pers können die Fasern in der jeweiligen Gewebeschicht, insbesondere in der Anwendung für Brems- oder Kupplungsscheiben, in zwei Hauptrichtungen ausgerichtet werden, die in vorteilhafter weise senkrecht zueinander orientiert sind. Solche Gewebematten sind kommerziell vor allem als Gewebe mit Leinwand-, Köper- und Atlasbindung erhältlich. Diese Gewebe, aber auch Vliese (non-woven), sind bereits mit Polymer-Matrix vorimprägniert, als sogenannte Prepregs (vorimprägnierte Gewebe oder Vliese), kommerziell erhältlich.
Für einen scheibenförmigen Tragkörper, beispielsweise für eine Brems- oder Kupp lungsscheibe, verläuft bevorzugt die Orientierung der einen Faser-Hauptrichtung, in der jeweiligen Gewebeschicht des Reibkörpers, in radialer Richtung zu einem Drehpunkt des Tragkörpers und die Orientierung der anderen Faser-Hauptrichtung verläuft in tangentialer Richtung zu dem Drehpunkt. Solche Lagen können einem Spiralgewebe entnommen werden. Bei einem solchen Spiralgewebe liegen die Gewebelagen flächig in Form einer Spirale aufeinander, und sind, im Gegensatz zu einem geschichteten Aufbau, durchgehend miteinander verbunden. Es können beliebig große Ringsegmente, je nach der Art des benötigten Reibkörpers, der mit dem Tragkörper verbunden werden soll, abgelängt werden.
Falls aus Gründen der Thermoschockbeständigkeit oder Festigkeit der Reibschicht zu den Gewebelagen, deren Faserorientierungen senkrecht zueinander verlaufen (0790°-Gewebe), weitere Gewebelagen zum Einsatz kommen, sollten diese Gewebelagen eine Faserrichtung aufweisen, die unter 45° zu den beiden Faser- Hauptrichtungen der mindestens zwei Gewebeschichten verlaufen. Wenn der Reibkörper aus mehr als einer Gewebelage besteht, sollte diejenige Gewebelage, die die äußerste Gewebelage bildet und mit der ein Bremsbelag in Reibeingriff gebracht wird, eine Orientierung von Fasern haben, die identisch zu der darunter liegenden Gewebelage ist. Dadurch ist gewährleistet, dass sich dann, wenn die äußerste Gewebelage abgenutzt sein sollte, das Reibverhalten durch die darunter liegende Gewebelage nicht ändert. Für Brems- oder Kupplungsscheiben sollten dann die beiden Gewebelagen eine Faserorientierung haben, die in derselben Orientierung zum Drehpunkt der Scheibe vorliegt.
Falls zum einen Kostengründe und zum anderen ein hoher SiC-Anteil (um eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit zu erreichen) wesentliche Aspekte der Reibeinheit darstellen, kann der Reibkörper aus Vlieslagen (non-woven) bestehen, wobei das Vlies der einzelnen Vlieslagen aus Kohlenstoff-Kurzfasern gebildet ist. Ein solches Vlies ist eine Schicht aus gerichtet angeordneten oder wahllos zueinander befindlichen, endlosen oder endlichen Fasern und/oder Faserbündeln, verfestigt durch Reibung und/oder Kohäsion und/oder Adhäsion. Zur Verfestigung zum CFK- Grünkörper muss die polymere Matrix hinzugegeben werden oder ist bei der Verwendung von Vlies-Prepregs schon in der Vlieslage enthalten.
Bevorzugt liegen die Kurzfasern in Form von Bündeln vor. Die Länge solcher Kurzfa sern beträgt 3 mm bis 15 mm, bevorzugt 10 mm bis 15 mm. Es ist darauf zu achten, dass die Länge nicht zu gering ist, um eine ausreichende Thermoschockbeständig keit und Festigkeit zu gewährleisten. Bewährt haben sich Bündel aus Kohlenstoff- Kurzfasern mit 1000 bis 50000, bevorzugt 6000 bis 12000, Einzelfilamenten mit einem Durchmesser der Einzelfilamente von 5 pm bis 15 pm, bevorzugt 6 pm bis 10 pm, noch bevorzugter von 7 pm. Durch eine solche Anzahl und Dicke der Einzelfilamente wird nach der Infiltration der Matte mit kohlenstoffreichem Polymer, dessen Pyrolyse und anschließende Infiltration mit flüssigem Silicium eine hochfeste Struktur aus kohlenstofffaserverstärkter SiC-Keramik erhalten.
Um hohe und gleichmäßige Reibwerte zu erreichen, wird der Volumenanteil der Fasern im Reibkörper auf einen Anteil zwischen 20 % und 50 %, bevorzugt zwischen 30 % und 40 %, eingestellt. Der Reibkörper kann mit dem Tragkörper verschraubt, verklebt oder verlötet werden, wobei eine Verklebung bevorzugt ist, da so eine dünne und flächige Verbindung zwischen Trag- und Reibkörper ermöglicht wird.
Der Reibkörper kann an dem Tragkörper durch stift- oder stegförmige Teile, die dem Tragkörper zugeordnet sind, und zu den stift- oder stegförmigen Teilen korrespondierende Vertiefungen im Reibkörper zentriert werden. Die stift- oder stegförmigen Teile können in ihrer Querschnittsform für einen Form- und Kraftschluss angepasst werden. Auch ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der der Reibkörper in im Tragkörper vorhandene Nuten eingelegt/eingeklebt wird. Dies bietet den Vorteil, dass Fliehkräfte, welche auf den Reibkörper wirken, nicht nur durch das Fügemäterial, sondern auch durch den Tragkörper aufgenommen werden können.
Falls der Tragkörper stift- oder stegförmige Teile aufweist, die in korrespondierende Öffnungen des Reibkörpers eingreifen, sollten diese Teile eine Höhe senkrecht zur Reibfläche aufweisen, die geringer ist als die Dicke des Reibkörpers, so dass die Enden der stift- oder stegförmigen Teile nicht in der Reibfläche enden oder darüber vorstehen. Solche Stifte, oder auch Stege, können neben einem runden auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Für bestimmte Anwendungen sind auch recht- oder vieleckige Querschnitte von Vorteil.
Der Reibkörper wird auf der äußersten Seitenfläche des Tragkörpers angeordnet, das bedeutet auf derjenigen Fläche, die, bezogen auf eine Brems- oder Kupplungs scheibe, in axialer Richtung gesehen am Weitesten vorsteht. Diese Seitenfläche des Tragkörpers kann durch Vertiefungen, Aussparungen und dergleichen unterbrochen sein, um eine Kühlung des Reibkörpers und/oder des Tragkörpers zu unterstützen. Der Reibkörper, der auf dieser äußeren Fläche des Tragkörpers beispielsweise an geklebt ist, besitzt keinen Formschluss mit dem Tragkörper und kann insbesondere dann angewandt werden, wenn hohe Bremsleistungen zu erzeugen sind, die zu hohen thermischen Belastungen führen.
Bewährt hat sich ein Reibkörper mit einem Massenanteil an SiC von mindestens 20 %. Unterschiedliche Gewebeschichten können unterschiedliche SiC-Gehalte haben. Um dies zu erreichen, werden Gewebe vor dem Warmpressvorgang bei mindestens 700 °C ausgelagert, um die funktionalen Gruppen auf der Oberfläche der Kohlen stofffasern zu reduzieren. Dies führt zu einer Abnahme der Faser-Matrix-Bindung im CFK-Körper, was während der Flüssigsilicierung zu einer gesteigerten Umsetzung der Kohlenstofffasern zu SiC führt. Auf diese Weise kann der Reibkörper als gradiertes Gefüge, d.h. der Keramikanteil bzw. SiC-Gehalt steigt in Richtung der Reibfläche, ausgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine sehr dünne Reibschicht in Form einer Graphitfolie auf einem Kohlenstofffasergewebe oder einem Kohlenstofffaservlies aufgebracht, das während des Siliciervorgangs mit flüssigem Silicium infiltriert wird, so dass der Reibkörper aus einem Verbund aus einer oder mehreren Lagen kohlenstofffaserverstärkter SiC-Keramik und einer hoch SiC-haltigen Reibschicht besteht. Der Vorteil einer solchen Reibschicht besteht darin, dass die tribologischen Eigen schaften verbessert werden, der Verschleiß verringert wird und damit die Lebensdauer gesteigert werden kann. Außerdem kann die Temperaturverteilung im Reibkörper und im Tragkörper aufgrund der gesteigerten Wärmeleitfähigkeit der Reib schicht verbessert werden. Wichtig ist außerdem, dass die Reibschicht prozessintegriert, d. h. während der Silicierung, gefertigt werden kann. Anstelle einer Graphitfolie kann auch eine wässrige Schlickerschicht aus verschiedenen Kohlenstoff- und SiC- Pulverfraktionen eingesetzt werden.
In einerweiteren Ausführungsform ist die Oberfläche des Reibkörpers, die dem Tragkörper abgewandt ist und somit die Reibfläche bildet, endbearbeitet, während die gegenüberliegende Seite, die mit dem Tragkörper verbunden ist, in einem unbearbeiteten Zustand, der demjenigen nach einer Silicierung des Reibkörpers entspricht, vorliegt (sogenannter as-fired Zustand). Dadurch wird eine unbearbeitete Oberfläche zum Verkleben des Reibkörpers mit dem Tragkörper bereitgestellt, die eine retikuläre Struktur für das Klebemittel besitzt und dadurch eine hochfeste Haftverbindung zwischen Reibkörper und Tragkörper ergibt.
Um zu vermeiden, dass der Reibkörper thermisch überlastet wird, wird die Klebeschicht bzw. das Material der Klebeschicht, über die der Reibbelag mit dem Tragkörper verbunden ist, auf eine Wärmeleitfähigkeit größer 1 W/mK eingestellt. Hierzu kann in das Grundmaterial der Klebeschicht, zum Beispiel ein organischer oder anorganischer Kleber, ein Additiv, zum Beispiel Graphit oder Metall, in einer erforderlichen Menge eingebettet werden. Als organischer Kleber sind beispielsweise Epoxidharze, MMA (Methacrylsäuremethylester) oder Silicon geeignet, während als anorganischer Kleber silikatisch abbindende Wasserglas-basierte Adhäsiva verwendet werden können. Besonders bevorzugt ist Epoxidharz, da Epoxidharz einfach zu verarbeiten ist und gut additiviert werden kann. Als Klebeschicht wird vorzugsweise eine solche verwendet, die degradationsfrei, d.h. ohne Masseverlust und Formveränderung, einer wiederholten Temperaturbelastung von 200 °C standhält.
Besonders bevorzugt wird ein Reibkörper, der als geschlossener Ring ausgeführt ist. Ein solcher Ring ist in einfacherWeise handhabbar, um ihn mit dem Tragkörperzu verbinden; ein solcher Ring kann gegebenenfalls in mehrere Teilstücke segmentiert werden und kraftschlüssig über eine Klebung oder form- und kraftschlüssig durch Einlegung in Vertiefungen des Tragkörpers und Verklebung verbunden werden.
Durch die Art des für die erfindungsgemäße Reibeinheit verwendeten Reibkörpers ist eine Dicke des Reibkörpers, senkrecht zur Reibfläche gesehen, zwischen 0,5 mm und 5 mm, vorzugsweise 0,5 mm und 3 mm, noch bevorzugter von 0,5 mm bis 1 mm, einsetzbar. Um einen Reibkörper zu erhalten, der eine geringe Dicke von 1 mm, oder noch weniger, aufweist, eine entsprechend dicke Fasermatte als Prepreg (vorimprägniertes Halbzeug), das nicht zu einem Grünkörper verpresst werden muss, eingesetzt. Diese einlagigen Fasermatten werden anschließend pyrolysiert und sili- ciert. Es können so mit einer einlagigen Schicht auch Reibkörper mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,2 mm hergestellt werden. Diese dünnen C/SiC-Schichten sind flexibel, was Vorteile beim Aufkleben mit sich bringt. Eine raue Unterseite ergibt zusätzlich eine gute Verzahnung des Klebers mit dem Reibkörper.
Der Tragkörper kann aus Aluminium (AI) oder Magnesium (Mg) bestehen. Allerdings sind auch Materialien für den Tragkörper wie Grauguss, Stahl, Titan, MMC (Metal Matrix Composite) sowie Legierungen aus diesen Materialien einsetzbar. Für einen Tragkörper aus MMC wird insbesondere mit SiC-Partikeln verstärktes Aluminium verwendet. Der Anteil an SiC beträgt vorzugsweise 30 % ± 10 %, während der Anteil an Aluminium bzw. der Al-Legierung 70 % beträgt. Über den Anteil an SiC können die Warmfestigkeit und die tribologischen Eigenschaften eingestellt werden. Ein geringerer Anteil an SiC führt dazu, dass das AI in Folge der Wärmeentwicklung wäh rend des Reibvorgangs erweicht, während ein höherer Anteil an SiC die Thermoschockbeständigkeit reduziert. Für den Tragkörper können auch GFK (GFK = Glas faserverstärkter Kunststoff), SFK (Synthesefaserverstärkter Kunststoff) mit z.B. Ara- midfasern oder CFK (CFK = kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) verwendet werden. Der Vorteil solcher Composites gegenüber Metallen ist ein geringes Gewicht (Dichte < 1,5 g/cm3), eine hohe Steifigkeit und eine geringe thermische Ausdehnung, die auf dieselbe Größenordnung wie diejenige des Reibkörpers eingestellt werden kann. GFK/SFK sind kostengünstiger als CFK, was dann eingesetzt wird, wenn an Festigkeit und Steifigkeit besonders hohe Ansprüche gestellt werden. Besonders bevorzugt ist ein Tragkörper aus CFK, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Tragkörpers an die Ausdehnung des Reibkörpers anzunähern.
Es ist auch vorgesehen, den Innen- und/oder Außendurchmesser der ringförmigen Reibeinheit mit einer zykloiden (zum Beispiel sinusförmigen) Kontur zu versehen, die sich als Negativ in Form einer Nut in dem Tragkörper wiederfindet. In diese Nut wird der Reibkörper eingeklebt. Die Reibeinheit ist somit gegen ein Verdrehen geschützt und die Reibkräfte können über den Formschluss der Kontur zwischen Trag- und Reibkörper übertragen werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass unter die erfindungsgemäße Reibeinheit, wie sie vorstehend beschrieben ist, nicht nur scheibenförmige Reibeinheiten fallen, sondern auch trommelförmige Reibeinheiten, die beispielsweise für Trommelbremsen Anwendung finden. Hierzu ist der Tragkörper als geschlossene zylindrische Fläche ausgeführt und der Reibkörper wird am inneren Durchmesser der Bremstrommel aufgebracht. Auch für eine Trommelbremse können oder beliebig geformte Reib- und Kupplungsbeläge die vorstehend beschriebenen Angaben, die den Reibkörper und den Tragkörper betreffen, analog übertragen werden. Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeich nung zeigt
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Reibeinheit gemäß der Erfindung in Form einer Brems- oder Kupplungsscheibe,
Figur 2 einen Schnitt durch die Reibeinheit entlang der Schnittlinie l-l in Figur 1,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Reibeinheit entsprechend der Figur 1 mit einer zusätzlichen Zentrierung des Reibkörpers an dem Tragkörper,
Figur 4 einen Schnitt durch die Reibeinheit entlang der Schnittlinie IV-IV in Figur 3,
Figur 5 eine weitere Brems- oder Kupplungsscheibe in einer Draufsicht mit einer Zentrierung des Reibkörpers an dem Tragkörper mittels Stegen,
Figur 6 eine vergrößerte Ausschnittsansicht der Oberfläche des Reibkörpers, wie er in den Anordnungen der Figuren 1 bis 5 verwendet wird, mit einer Mar kierung der Faserrichtungen in der Gewebelage,
Figur 7 eine vergrößerte Ausschnittsansicht der Oberfläche des Reibkörpers ent sprechend der Figur 6 mit einer Markierung einer zusätzlichen Faserrichtung in der Gewebelage,
Figur 8 einen Teilausschnitt einer Reibeinheit in Form einer Brems- oder Kupplungsscheibe mit einem Reibkörper, dessen Fasern in radialer und tangentialer Richtung zu einem Drehpunkt der Brems- oder Kupplungsscheibe verlaufen, und
Figur 9 eine Schnittdarstellung entsprechend Figur 2, jedoch mit einem Tragkör per, der am äußeren Radius eine Verdickung aufweist, welche senkrecht zur Reibfläche dünner ist, als die Dicke des Reibkörpers.
Die Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Reibeinheit, die als Bremsoder Kupplungsscheibe eingesetzt werden kann. Diese Reibeinheit umfasst einen scheibenförmigen Tragkörper 1, wobei der Drehpunkt mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet ist. Der Tragkörper 1 ist in einen mittleren, nabenförmigen Teil 3 mit Montagelöchern 4, einen äußeren Tragring 5 und Speichenteilen 6, die den naben förmigen Teil 3 mit dem Tragring 5 verbinden, unterteilt.
Wie die Figur 1 zeigt, ist auf der einen Außenseite des Tragrings 5 ein Reibkörper 7, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels einer Klebeschicht 8, wie dies die Schnittdarstellung der Figur 2 verdeutlicht, befestigt.
Während der Tragkörper 1 der Figur 1 den Reibkörper 7 nur auf einer Seite zeigt, ist in der Schnittdarstellung der Figur 2 als weitere Ausgestaltung der Reibeinheit auf der gegenüberliegenden Seite des Tragrings 5 des Tragkörpers 1 ein weiterer Reibkörper 7, mit dem Tragring 5 über eine Klebeschicht 8 verklebt, in unterbrochener Linie dargestellt.
Der Reibkörper 7 ist im Wesentlichen aus einer kohlenstofffaserverstärkten SiC- Keramik aufgebaut, die aus mindestens einer Lage einer Gewebe- oder Vliesschicht, auch als Gewebe- oder Vliesmatte bezeichnet, aus Kohlenstofffasern 9, die in Silicium, Kohlenstoff und Siliciumcarbid eingebettet sind, besteht. Allerdings sind in der gezeigten Ausführungsform der Figur 2 zwei Gewebelagen 10 übereinander gelegt. Diese Struktur aus den zwei Gewebelagen 10 bilden lageübergreifend die C/SiC- Keramik.
Der Tragkörper 1 ist aus Aluminium oder Magnesium gefertigt, das zum einen ein geringes Gewicht aufweist und zum anderen eine hohe Wärmeleitfähigkeit (> 150 W/mK) und Wärmekapazität (> 800 J/kgK) zeigt. Ebenfalls werden durch den Tragkörper die durch die Bremsung entstehenden mechanischen Lasten aufgenommen.
Als Material für die Klebeschicht 8 wird vorzugsweise dann, wenn der Tragkörper 1 aus Aluminium oder Magnesium besteht, ein organisches oder anorganisches Klebemittel eingesetzt, das eine Wärmeleitfähigkeit größer 1 W/mK aufweist. In jedem Fall wird die Wärmeleitfähigkeit des Klebemittels für die Klebeschicht 8 so eingestellt, dass sie an die Wärmeleitfähigkeit sowohl des Reibkörpers 7 als auch des Tragkör- pers 1 angepasst ist. Hierzu können in das Klebemittel zusätzliche Additive, wie Graphit oder Metall, eingebettet werden.
Beispiele für ein solches Klebemittel sind gefüllte organische Klebstoffe, wie Epoxidharzkleber oder Methacrylsäuremethylester, oder anorganische Kleber, wie bei spielsweise Wassergläser.
Da Reibeinheiten, wie sie hier beschrieben sind, vorzugsweise in Elektrofahrzeugen als Notbremse zusätzlich zu einem rekuperativen Bremsen über den als Generator betriebenen Antriebsmotor eingesetzt werden und daher nur kurzzeitig belastet wer den, müssen die Reibeinheiten, und damit auch die Klebeschichten 8, wiederholten Temperaturen von nur 200 °C bis 250 °C degradationsfrei standhalten.
In der Ausführungsform der Figur 1 ist der Reibkörper 7 als geschlossener Ring ausgeführt. Es ist aber auch vorgesehen, dass der Reibkörper 7 in mehrere Abschnitte oder Teilstücke, in Umfangsrichtung gesehen, segmentiert ist, wie dies in Figur 5 dargestellt ist.
Die Dicke des Reibkörpers 7, mit dem Bezugszeichen 11 in Figur 2 bezeichnet, senkrecht zur Reibfläche gesehen, liegt zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm und noch bevorzugter bis etwa 1 mm. Die Dicke 11 des Reibkörpers 7 wird über die Anzahl der übereinandergeschichteten Gewebelagen 10, die für den Aufbau des Reibkörpers 7 verwendet werden, eingestellt. So ist auch vorgesehen, einen sehr dünnen Reibkörper 7 auf dem Tragkörper 1 anzuordnen, der aus nur einer Gewebelage 10 aufgebaut ist. Auf diese Art und Weise sind Reibkörper 7 erhältlich, die eine Dicke 11 von nur 0,1 mm bis 0,3 mm haben und als Flächen element eine gewisse Flexibilität zeigen, was für eine Befestigung an dem Tragkörper 1 vorteilhaft sein kann.
Um eine sehr geringe Dicke 11 des Reibkörpers 7 zu erreichen, wird eine einzelne Prepreglage, die pyrolysiert und siliciert wird, eingesetzt.
Da beim Bremsvorgang hohe Kräfte auf den Reibkörper 7, bei der gezeigten Bremsoder Kupplungsscheibe in tangentialer Richtung, übertragen werden, sind in der Aus- führungsform der Reibeinheit, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, für eine Zentrierung stift- oder stegförmige Teile 12 vorgesehen, die von dem Tragkörper 1 vorstehen und in korrespondierende Bohrungen 13 in dem Reibkörper 7 eingreifen, wodurch der Reibkörper 7 an dem Tragkörper 1 zusätzlich zentriert gehalten ist.
Wie anhand der Schnittdarstellung der Figur 4 zu erkennen ist, haben die stift- oder stegförmigen Teile 12 eine Höhe senkrecht zur Reibfläche bzw. senkrecht zur Auflagefläche des Reibkörpers 7 auf dem Tragkörper 1, die geringer ist als die Dicke 11 des Reibkörpers 7. Hierdurch wird erreicht, dass die Endflächen 14 der stift- oder stegförmigen Teile 12 nicht als Reibfläche aber dennoch zur Kraftaufnahme dienen.
Die stift- oder stegförmigen Teile 12 haben anwendungsspezifisch einen kreisrunden, elliptischen oder rechteckigen Querschnitt.
Während der keramische Reibkörper 7 der Figur 1 aus zwei Gewebelagen 10 aufge baut ist, enthält der Reibkörper 7 der Ausführungsform der Figur 3 drei Gewebelagen 10.
Die Ausführungsform der Figur 5, die eine Draufsicht auf die scheibenförmige Reibeinheit zeigt und in ihrem Aufbau im Wesentlichen demjenigen der Figuren 1 und 3 entspricht, umfasst einen Reibkörper 7, der in Umfangsrichtung gesehen in drei Segmente 15 unterteilt ist, die sich in Bezug auf den Drehpunkt 2 jeweils über ein Winkelsegment von 120° erstrecken. Benachbarte Segmente 15 sind durch Stege 16 voneinander getrennt, die von dem Tragkörper 1 , vergleichbar mit den stift- oder stegförmigen Teilen 12 der Ausführungsform der Figur 3, vorstehen. Diese Stege 16 dienen insbesondere dazu, die Segmente 15 und damit den Reibkörper 7 in tangentialer Richtung gegen ein Verschieben durch beim Bremsvorgang wirkende Kräfte zu fixieren.
Die Figuren 6 und 7 zeigen vergrößerte Ausschnitte der Oberfläche des Reibkörpers 7, wie er in den Reibeinheiten der Figuren 1 bis 5 verwendet wird. Mit den strichpunktierten Linien 17 sind zwei Faser-Hauptrichtungen, die unter einem annähernd rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind, markiert, in denen die Fasern der Gewebelage 10 verlaufen. Derartige Gewebelagen oder Gewebematten 10 werden dann eingesetzt, wenn der Reibkörper 7 aus einer Lage oder aus zwei Lagen aufgebaut ist. Sollte der Reibkörper 7 eine weitere, zusätzliche Gewebelage 10 enthalten, wird diese zwischen den zwei Gewebelagen 10 mit einer Faserorientierung, markiert durch die durchgezogenen Linien 18, eingebracht, die zu den Faser-Hauptrichtungen 17 unter einem Winkel von 45° verlaufen. Hierdurch ergibt sich eine hochfeste und quasi-isotrope Struktur des keramisierten Reibkörpers 7.
Figur 8 zeigt einen Teilausschnitt einer Reibeinheit, vergleichbar mit den zuvor be schriebenen Reibeinheiten, mit einem Reibkörper 7, dessen Fasern in radialer Rich tung, mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet sind, und in tangentialer Richtung, mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet, zu dem Drehpunkt 2 der Brems- oder Kupplungsscheibe verlaufen. Diese Gewebelagen 10 können von einem endlosen Spiralgewebe, durch Ablängen, entnommen werden, wodurch sich annähernd kein Materialverschnitt bei der Herstellung von ringförmigen Reibkörpern ergibt. Außerdem ist diese Ausrichtung der Fasern für einen konstanten Reibwert sowie für eine durch die lastgerechte Faserorientierung hohe anwendungsspezifische Festigkeit im Umfangs richtung von Vorteil.
Die Figur 9 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend Figur 2. Gegenüber der Ausführungsform der Figur 2 ist der Reibkörper 7 zu dem radial äußeren Rand oder der Umfangskante 21 des Tragkörpers 1 nach innen zum Drehpunkt 2 hin geringfügig versetzt. Der Tragkörper 1 umschließt den Reibkörper 7 am äußeren Durchmesser, um Fliehkräfte aufzunehmen und den Reibkörper zu zentrieren.
Während in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Reibkörper 7 mit dem Tragkörper 1 durch eine Klebeschicht 8 verklebt ist, ist auch vorgesehen, den Reibkörper 7 an dem Tragkörper 1 zu verschrauben oder anzunieten. Allerdings ist ein Verkleben gerade für die Reibkörper 7 mit einer sehr geringen Dicke von Vorteil, zumal der Reibkörper 7 aus zwei bis fünf, bevorzugter jedoch aus zwei oder drei, Gewebelagen oder -schichten, besteht, und auch für einen Reibkörper 7, der aus nur einer Gewebelage besteht. Nachfolgend werden verschiedene Beispiele für die Herstellung einer Reibeinheit und/oder eines Reibkörpers beschrieben, insbesondere solcher, die in den Figuren gezeigt sind.
Beispiel 1:
Es wird ein kreisrunder, bremsscheibenförmiger Tragkörper 1 aus einem Leichtme tall, wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium, hergestellt. Aluminium besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe spezifische Wärmekapazität. Auf diesen Tragkörper 1 wird ein auf einem CFK-Grünkörper basierender Reibkörper 7, be stehend aus 1 bis 3 Gewebelagen 10, mit einem 2-Komponenten Epoxidharzkleber aufgeklebt, der mit Aluminiumpulver gefüllt ist, um die Wärmeleitfähigkeit der Klebe schicht 8 zu erhöhen. Das Aluminiumpulver besitzt eine Korngröße von 0,5 bis 50 pm. Der Reibkörper 7 wird als dreigeteilter Reibring (in Kreissegmenten 15 von 118° bis 119°) ausgeführt und wird in eine in den Tragkörper 1 eingebrachte Nut, unterteilt durch drei Stege 16, eingeklebt (vgl. Figur 5). Die Stege 16 tragen in dieser Ausführung dazu bei, die auftretenden Umfangskräfte aufzunehmen.
Das Ausgangsmaterial des Reibkörpers, der CFK-Grünkörper, besteht aus 1 bis 3 Gewebelagen eines Kohlenstofffaser-Leinwandgewebes mit einer duromeren Phenolharzmatrix, die in einem Warmpressvorgang bei 170 °C unter einem Pressdruck von 1 bis 2 MPa zu einem CFK-Körper verpresst und anschließend bei 300 °C ge tempert werden. Der CFK-Körper wird bei 900 °C unter Stickstoffatmosphäre zu einem C/C-Körper pyrolysiert und anschließend bei 1600 °C unter Vakuum carboni- siert. Der carbonisierte C/C-Körper wird mittels Flüssigsilicierung bei 1600 °C unter Vakuum mit flüssigem Silicium infiltriert, wobei der C/SiC-Reibkörper entsteht. Aus dem Reibkörper werden mittels Wasserstrahlschneidens die entsprechenden Konturen der Reibringabschnitte 15 ausgearbeitet.
Die C/SiC-Reibringabschnitte 15 werden auf den Tragkörper 1 in einer heizbaren Presse bei ca. 80 °C und einem Druck von etwa 0,1 bis 1 MPa mit dem Zwei- Komponeten Epoxidharzkleber verklebt, wobei der Kleber in der Presse ausgehärtet wird. Abschließend werden die Reibflächen des Reibkörpers 7 auf die gewünschte Oberflächengüte planparallel geschliffen. Beispiel 2:
Ein Reibkörper 7 aus einer Kohlenstofffaser-Spiralgewebslage mit eingewebter PEEK-Matrix (PEEK = Polyetheretherketon) wird in einem Warmpressvorgang ver- presst. Die Presstemperatur beträgt (im Gegensatz zu Beispiel 1) 400 °C und der Pressdruck beträgt unverändert 1 bis 2 MPa. Der daraus erhaltene ringförmige Grünkörper des Reibkörpers 7 wird analog zu Beispiel 1 im LSI-Prozess zu einem C/SiC-Reibkörper weiterverarbeitet. In diesen ringförmigen Reibkörper 7 werden im mittleren Radius Löcher, beispielsweise durch Bohren, Erodieren, Fräsen oder Stan zen, eingebracht. Der Vorteil dieses Reibkörpers 7 besteht in der Orientierung der Fasern 19, 20, welche unabhängig vom axialen Drehwinkel der Reibeinheit, beispielsweise einer Bremsscheibe, relativ zum Bremsbelag immer gleich ist (siehe Fi gur 8). Dies führt zu einem besonders stabilen Reibwert. Ebenfalls ist die Faserorien tierung innerhalb des Spiralgewebes für die Aufnahme der Reibkräfte ideal. Ferner kann das Spiralgewebe endkonturnah gefertigt werden, so dass kein Verschnitt bzw. Materialverlust entsteht.
Der Tragkörper 1 besteht aus einem mit SiC-Pulver gefüllten Aluminium (MMC - Me- tal Matrix Composite), welches sich u. a. durch eine erhöhte Temperaturbeständigkeit (bis über 250 bis 350 °C und eine gegenüber einem Tragkörper ohne SiC-Füllstoffe höhere Steifigkeit (gesteigertes E-Modul von über 100 GPa) auszeichnet. Der Trag körper 1 verfügt, korrespondierend zu den in den Reibkörper 7 eingebrachten Löchern 13, über Stifte 12, die dazu dienen, beispielsweise während einer Bremsung entstehende Reibkräfte aufzunehmen (siehe Figuren 3 und 4). Aufgrund der gegenüber metallischen Grundkörpern ohne Füllstoff höheren Temperaturbeständigkeit des MMC-Tragkörpers 1 wird der Reibkörper 7 mit einem auf Wasserglas basierten Kleber (Klebeschicht 8) auf den Tragkörper 1 aufgeklebt.
Beispiel 3:
Es wird ein Reibkörper 7 hergestellt, der einen gradierten Keramikgehalt (SiC- Gehalt) in Dickenrichtung (axiale Richtung des Tragkörpers 1) aufweist. Der Reibkörper 7 besteht aus vier Gewebelagen 10 eines Kohlenstofffasergewebes, wobei drei der Gewebelagen 10 vor einem Warmpressvorgang in einem Ofen bei verschie- denen Temperaturen unter Stickstoffatmosphäre ausgelagert (im Hochtemperatur ofen eine Stunde bei der betreffenden Temperatur gehalten) werden. Die am weitesten vom Tragkörper 1 entfernte Gewebelage 10 wird bei 900 °C, die darauffolgende Gewebelage 10 bei 800 °C und die sich anschließende Gewebelage 10 bei 700 °C Maximaltemperatur vorbehandelt. Die Gewebelagen 10 werden anschließend entsprechend gestapelt und im Warmpressverfahren beispielsweise mit einem Phenolharz (analog Beispiel 1) zu einem CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) verarbeitet und dann zu einem C/SiC-Reibkörper 7 prozessiert.
Durch die Auslagerung der Kohlenstofffasergewebe werden funktionale Gruppen auf der Oberfläche der Kohlenstofffasern abgebaut, welche für die Stärke der Faser- Matrix-Bindung verantwortlich sind. Mit steigender Auslagerungstemperatur (beginnend bei ca. 700 °C) nimmt die Anzahl der funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Kohlenstofffasern ab und somit verringert sich auch die Faser-Matrix-Bindung. Die reduzierte Faser-Matrix-Bindung führt während der Pyrolyse zu einem mehr oder minder ausgeprägten Ablösen der Matrix von den Kohlenstofffasern. Je höher die Vorbehandlungstemperatur ist, desto niedriger ist die Faser-Matrix-Bindung und um so ausgeprägter die Ablösung der Matrix von den Kohlenstofffasern. Diese Ablösung der Matrix von den Kohlenstofffasern der Gewebe führt während der Flüssigsilicie- rung zu einem stärkeren Faserangriff (d.h. Umsetzen der Kohlenstofffasern zu SiC) durch das Silicium und somit zu einem höheren SiC-Gehalt. Durch die unterschiedli chen Auslagerungstemperaturen der Gewebe kann ein gradierter SiC-Gehalt innerhalb des Reibkörpers 7 eingestellt werden.
Der gesteigerte SiC-Gehalt (bis zu 60 Gew.-% im Vergleich zu ca. zu 20 Gew.-% ohne Vorbehandlung) an der Reiboberfläche des Reibkörpers 7 bietet mehrere Vorteile. Einerseits führt der höhere SiC-Gehalt zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit (Steigerung durch den erhöhten SiC-Gehalt, beispielsweise von 6 bis 8 W/mK auf 18 bis 24 W/mK) und somit zu einer verbesserten und gleichmäßigeren Wärmeverteilung im Reibkörper 7. Ferner führt der erhöhte SiC-Gehalt zu verbesserten tribologischen Eigenschaften (höhere Reibwerte) sowie zu einer gesteigerten Verschleißbeständigkeit. Der MMC-Tragkörper 1 verfügt über durchgehende Bohrungen, die zur Aufnahme von Hohlnieten dienen. Die Reibeinheit ist als Bremsscheibe ausgeführt und verfügt über zwei Reibkörper 7 auf den beiden axial äußeren Reibflächen. In den Reibkörper 7 werden Löcher 13, beispielsweise durch Bohren, Erodieren, Fräsen oder Stanzen, eingebracht, die mit den Bohrungen des Tragkörpers 1 korrespondieren. Anschließend werden die beiden Reibkörper 7 mit dem Tragkörper 1 über Hohlnieten verbunden und gefügt.
Beispiel 4:
Es wird ein Reibkörper 7 mit einer hoch (70 %) SiC-haltigen Reibschicht versehen. Diese Reibschicht wird nach der Carbonisierung des Reibkörpers 7 in Form eines SiC- und Kohlenstoff-haltigen Schlickers auf den C/C-Körper aufgebracht und anschließend getrocknet. Bei dem Schlicker handelt es sich um eine wässrige Dispersion aus C- und SiC-Partikeln. Der C/C-Körper wird analog Beispiel 1 mit flüssigem Silicium infiltriert, dabei wird auch die Schlickerschicht infiltriert und es kommt in situ zu einer SiC-Reibschichtbildung. Der Reibkörper 7 wird anschließend auf einen Tragkörper 1, der aus einem Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) mit Epoxidharzmatrix besteht, mit einem MMA-Kleber (Methacrylsäuremethylester) aufgeklebt.
Die hoch SiC-haltige Reibschicht (maximal ca. 60 bis 70 Gew.-% SiC) bietet den Vorteil, dass sie verbesserte tribologische Reibeigenschaften sowie eine höhere Ver schleißbeständigkeit aufweist. Ferner weist die Reibschicht eine hohe Wärmeleitfä higkeit auf, was zu einer homogenen Wärmeverteilung innerhalb des Reibkörpers 7 führt.
Der Anteil an SiC sollte hoch gewählt werden, allerdings erhöht sich damit die Sprödigkeit des Reibkörpers und die Thermoschockbeständigkeit wird geringer. Daher wurde ein Anteil an SiC in der äußersten Lage der Reibschicht von 60 bis 70 Gew.-% als besonders geeignet ermittelt. Im Kernbereich der Reibschicht ist ein SiC-Gehalt von 20 bis 30 Gew.-% besonders geeignet, wodurch der Fasergehalt im Kernbereich höher ist. Im gesamten Reibkörper wird dadurch die Sprödigkeit geringer und die Thermoschockbeständigkeit erhöht sich. Mit dem hohen Anteil an SiC in der Reibschicht wird ein hoher Reibwert erzielt.
Der CFK-Tragkörper bietet ebenfalls Vorteile. Einerseits kann durch eine geeignete Faserarchitektur bzw. durch eine lastorientierte Faserorientierung innerhalb des Tragkörpers 1 eine hohe Festigkeit des Tragkörpers 1 bei gleichzeitig sehr niedrigem Gewicht und hoher Energieabsorption realisiert werden. Ebenfalls ist die Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Reib- und Tragkörper bei der Verwendung eines CFK-Tragkörpers sehr gering, was zu einer sehr guten Verbindung mittels Klebung führt.
Bei denselben Abmessungen einer Reibeinheit kann durch die Verwendung eines CFK-Tragkörpers im Vergleich zu einem metallischen oder MMC Tragkörper das Gewicht um ca. 50 % verringert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Reibeinheit, insbesondere Bremsscheibe, mit einem Tragkörper (1) und mindestens einem auf zumindest einer seiner Seitenflächen verbundenen Reibkörper (7), wobei der Reibkörper (7) im Wesentlichen aus einer kohlenstofffaserverstärkten SiC-Keramik aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) aus mindestens einer Lage (10) eines mit einer textilen Verarbeitungstechnik erzeugten Flächengebildes aus Kohlenstofffasern (9), die in Silicium, Kohlenstoff und Siliciumcarbid eingebettet sind, besteht.
2. Reibeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus einem Gewebe, bevorzugt einem 0/90° Gewebe besteht.
3. Reibeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) aus zwei bis zehn, vorzugsweise aus zwei bis fünf, noch bevorzugter zwei oder drei Gewebeschichten (10) besteht.
4. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in der jeweiligen Gewebeschicht (10) in zwei Hauptrichtungen ausgerich tet sind.
5. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für einen scheibenförmigen Tragkörper (1) die Gewebeschichten aus einem Spiralgewebe bestehen, wobei die Orientierung der einen Faser-Hauptrichtung in der jeweiligen Gewebeschicht (10) des Reibkörpers (7) in radialer Richtung zu einem Drehpunkt (2) des Tragkörpers (1) verläuft und die Orientierung der anderen Fa ser-Hauptrichtung in tangentialer Richtung zu dem Drehpunkt (2) verläuft.
6. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Orientierung von Fasern in mehreren übereinanderliegenden Gewebelagen (10) in Projektion aufeinander identisch zueinander ist.
7. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) aus Vlieslagen (non-woven) besteht, wobei das Vlies der einzelnen Vlieslagen aus Kurz- oder Endlosfasern gebildet ist.
8. Reibeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern in Form von Bündeln oder Einzelfasern vorliegen.
9. Reibeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern eine Länge von 3 mm bis 15 mm, bevorzugt von 10 mm bis 15 mm, aufweisen.
10. Reibeinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündel aus Kurzfasern mit 1000 bis 50000, bevorzugt 6000 bis 12000, Einzelfilamenten mit einem Durchmesser der Einzelfilamente von 5 pm bis 15 pm, bevorzugt von 6 pm bis 10 pm, noch bevorzugter von 7 pm, bestehen.
11. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der Fasern im Reibkörper (7) zwischen 20 % und 50 %, bevorzugt zwischen 30 % und 50 %, beträgt.
12. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) mit dem Tragkörper (1) verschraubt, verklebt oder verlötet ist.
13. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) an dem Tragkörper (1) durch stift- oder stegförmige Teile (12), die dem Tragkörper (1) zugeordnet sind, und zu den stift- oder stegförmigen Teilen (12) korrespondierende Vertiefungen (13) im Reibkörper (7) zentriert ist.
14. Reibeinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver bindung zwischen Reibkörper (7) und Tragkörper (1) Nuten im Tragkörper umfasst.
15. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) auf der äußersten Seitenfläche des Tragkörpers (1) angeord net ist.
16. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) einen Massenanteil an SiC von mindestens 20 % aufweist.
17. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Reibkörpers (7), die dem Tragkörper (1) abgewandt ist und die Reibfläche bildet, endbearbeitet ist, während die gegenüberliegende Seite, die mit dem Tragkörper (1) verbunden ist, in einem unbearbeiteten Zustand, der demjenigen nach einer Silicierung des Reibkörpers (7) entspricht (as-fired), vorliegt.
18. Reibeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material einer Klebeschicht (8), über die der Reibkörper (7) mit dem Tragkörper (1) verbunden ist, eine Wärmeleitfähigkeit größer 1 W/mK aufweist.
19. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper (7) als geschlossener Ring ausgeführt ist.
20. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Reibkörpers (7), senkrecht zur Reibfläche gesehen, zwischen 0,5 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 3 mm, noch bevorzugter 0,5 mm bis 1 mm, beträgt.
21. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (1) aus AI oder Mg besteht.
22. Reibeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (1) aus GFK, SFK oder CFK besteht.
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