DE60006292T2

DE60006292T2 - Verfahren zur herstellung einer bremsscheibe mit belüftungskanälen, und nach genanntem verfahren erhaltene bremsscheibe

Info

Publication number: DE60006292T2
Application number: DE60006292T
Authority: DE
Inventors: Paolo Giovanni PACCHIANA; Siegfried Ralf GOLLER
Original assignee: Freni Brembo SpA
Current assignee: Brembo SpA
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: WO2002051771A1; ATE253023T1; US20040035659A1; US6797094B2; EP1276704B1; EP1276704A1; JP2004516222A; DE60006292D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe bzw. eines Bremsbandes für eine Bremsscheibe mit Belüftungskanälen und eine mittels des Verfahrens hergestellte Bremsscheibe.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren für die Herstellung einer Bremsscheibe, die Belüftungskanäle aufweist und aus einem keramischen Material, wie etwa beispielsweise C/SiC hergestellt ist.
Im allgemeinen werden Bremsscheiben mit Belüftungskanälen, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, mit zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt.
Das erste Verfahren stellt das Gießen der Bremsscheibe als ein fester Körper und die nachfolgende Ausbildung radialer und nicht-radialer Löcher, die in einer zentralen Ebene der Dicke der Scheibe liegen und damit die Belüftungskanäle bilden, bereit.
Das zweite Verfahren stellt einen ersten Schritt zum Gießen von zwei spiegel-symmetrischen Teilen der Bremsscheibe bereit, die in ihren zugewandten Belagobertlächen Rillen aufweisen. Die zwei Teile werden dann in Kontakt gebracht und verklebt, um das endgültige Produkt zu bilden, bei dem jede Rille jedes der Teile einen halben Belüftungsgang repräsentiert.
Jedoch weisen die oben erwähnten Lösungen einige Nachteile auf.
Beim ersten Verfahren ist die Bildung der Löcher in der Dicke der Bremsscheiben zweifellos sehr schwierig, wegen der Härte der Materialien, die bei der Herstellung verwendet werden müssen.
Das zweite Verfahren weist andererseits den großen Nachteil auf, dass es notwendig ist, zwei Teile einer Bremsscheibe zu verkleben, die, da sie getrennt gebildet werden, nicht zueinander korrespondieren müssen und daher inkorrekt zueinander passen können. Dies könnte zu einem Produkt führen, das leicht einer gefährlichen Ablösung dieser zwei Teile unterworfen werden könnte.
Weiterhin ist aus der DE-A-44 38 456 bekannt, dass ein getrennt gegossener Kern und Reibungskörper einer Kohlenstoffreibungseinheit durch Infiltration mit geschmolzenem Si verbunden werden können. DE-A-198 34 571 offenbart eine Form, die einen Hohlraum zwischen zwei Löchern, eine Schwebemantelmatrize und einen ringförmigen Einsatz enthält.
Im Ergebnis gibt es einen Bedarf daran, ein Verfahren für die Herstellung von Bremsscheiben mit Belüftungskanälen bereitzustellen, das besonders einfach zu implementieren und effektiv ist, wie auch durch das Verfahren erzeugte Bremsscheiben.
Das Problem, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, ist daher, ein Verfahren für die Herstellung von Bremsscheiben zu ersinnen, welches Charakteristika aufweist, um die oben erwähnten Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik zu überwinden.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren für die Herstellung einer Bremsscheibe mit Belüftungskanälen gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst:

– Formen eines Kerns der Bremsscheibe in einer geeigneten Form,
– Formen von zwei Abdeckungen auf dem Kern in einer weiteren geeigneten Form, um so ein Halbzeug mit einer "Sandwich"-Struktur zu bilden,
– Brennen des Halbzeugs, um so eine vorgegebene Porosität der Abdeckungen zu erzeugen,
– Weiterbrennen des Halbzeugs in Anwesenheit von Silizium bei einer solchen Temperatur, dass im wesentlichen eine Verschmelzung des Siliziums und seine Infiltration in die Abdeckungen stattfindet.

Weitere Charakteristika und Vorteile des Verfahrens für die Herstellung von Bremsscheiben wie auch der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten Bremsscheiben wird aus der folgenden Beschreibung einiger ihrer bevorzugten Ausführungsformen klar werden, die als nicht-beschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer offenen Form für die Herstellung eines Halbkerns einer Bremsscheibe gemäß der Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht von zwei einander zugewandten, mit der Form aus 1 erzeugten Halbkernen ist;
3 eine perspektivische Ansicht eines Kerns einer durch Miteinander-Verbinden der zwei Halbkerne von 2 erzeugten Bremsscheibe ist;
4 im Querschnitt eine Form während des Betätigungsschritts für das Ausformen einer Abdeckung einer Bremsscheibe gemäß der Erfindung zeigt;
5 eine perspektivische Ansicht einer Bremsscheibe gemäß der Erfindung ist;
6 eine schematische perspektivische Ansicht einer offenen Form für die Herstellung eines Halbkerns einer Bremsscheibe gemäß einer Variante der Erfindung ist;
7 eine perspektivische Ansicht von zwei einander zugewandten, mit der Form von 6 erzeugten Halbkernen ist;
8 eine perspektivische Ansicht eines Kerns einer durch Miteinander-Verbinden der zwei Halbkerne von 7 erzeugten Bremsscheibe ist; und
9 eine perspektivische Ansicht einer Bremsscheibe gemäß einer Variante der Erfindung ist.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt das Formen eines Kerns, in dem Belüftungskanäle definiert sind und das nachfolgende Formen von zwei Abdeckungen auf den Kern, um so ein Halbzeug mit einer "Sandwich"-Struktur auszubilden, bereit.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ist der Kern vorteilhafterweise durch ein Verfahren erzeugt, das zu allererst das Gießen von zwei Halbkernen, in denen Rillen der Belüftungskanäle definiert sind und nachfolgend das Miteinander-Verbinden der zwei Halbkerne, um den Kern zu erzeugen, bereit.
Im Detail stellt das Verfahren die Schritte bereit:

a) Bereitstellen einer geeigneten Form,
b) Vorbereiten einer Mischung, die eine vorgegebene Menge von Fasern und/oder Filamenten umfasst, die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, und einer vorgegebenen Menge von organischem Bindemittel,
c) Einbringen der Mischung in die geeignete Form,
d) Formen eines ersten Halbkerns in der Form,
e) Formen eines zweiten Halbkerns durch Wiederholen der Schritte a) bis d),
f) Aneinanderfixieren der ersten und zweiten Halbkerne, um den Kern zu erzeugen, in dem Belüftungskanäle abgegrenzt sind.

Die Mischung zum Formen der Halbkerne umfasst vorzugsweise Fasern und/oder Filamente aus Kohlenstoff-basierten Materialien, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Holz und Produkten der Holzverarbeitung, pflanzlichen Fasern, thermisch-aushärtenden Polymeren und durch die Pyrolyse von Substanzen synthetischen Ursprungs erzeugten Produkte, wie etwa beispielsweise Polyacrylnitril (PAN) und Polysilazan.
Insbesondere umfassen diese Materialien Sägemehl oder Späne und dergleichen, Hanf und ähnliche Textilfasern. Darüber hinaus sind die aus diesen Materialien abgeleiteten Filamente variabel von 3.000 bis 50.000 Einheiten und haben Durchmesser zwischen 2 und 3 μm. Diese Filamente können auch in Längen von weniger als 30 mm gehackt werden.
Diese Materialien werden mit einem aggregierenden Harz, beispielsweise Polyurethan oder bevorzugtererweise Phenolharz, Pechen (pitches) und anderen Additiven gemischt.
Wenn einmal präpariert, wird diese Mischung in der Formhöhle der Form abgelagert und einer Erhitzung auf Temperaturen im allgemeinen zwischen 80°C und 180°C und einer Kompression unterworfen, um einen Halbkern zu erzeugen.
Ein weiterer Halbkern wird durch Wiederholen des exakt gleichen Verfahrens wie oben beschrieben erzeugt.
Die zwei derart erzeugten Halbkerne werden dann so gegenüber gestellt, dass die Rillen der Belüftungskanäle zusammenpassen und werden aneinander wie schematisch in den 2 und 3 gezeigt befestigt, vorzugsweise durch Verkleben mit einem flüssigen, thermisch aushärtendem Harz. Bevorzugtererweise ist das Harz ein Phenolharz.
Falls das Kleben stattfindet, wenn die zwei Halbkerne noch heiß sind, d. h. wenn sie gerade aus der Form gekommen sind, härtet das Klebharz vorzugsweise unmittelbar aus. Es gibt folglich keinen Bedarf an weiteren Erwärmungsprozessen, um das Aushärten des Harzes zu bewirken.
Der nächste Schritt des Verfahrens für die Herstellung einer Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert das Bereitstellen einer weiteren Form, in welche der zuvor produzierte Kern eingesetzt wird, um zwei Abdeckungen um den Kern herum zu gießen.
Dieser Schritt des Formens der Abdeckungen wird nun unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. Der Begriff "Abdeckung" soll den äußeren Bereich der Bremsscheibe definieren, welche den Kern der Scheibe/des Bandes abdeckt und daher die Bremsoberfläche bildet, auf die beispielsweise durch die Backen einer Bremsscheibe eingewirkt wird.
4 zeigt die Form schematisch, allgemein als 101 gezeigt.
Die Form 101 umfasst zwei Platten 300 und 400, die unter Betriebsbedingungen in einer leckdichten Weise gekoppelt sind, um einen formenden Hohlraum 500 zu definieren.
Zwei gegenüberliegende Kolben 600 und 700 sind innerhalb der formenden Höhlung 500 montiert und längs einer gemeinsamen Achse X-X verschiebbar. Diese Kolben 600 und 700 sind in einer solchen Weise konstruiert, dass sie eine Dichtung gegen die internen Wände des formenden Hohlraums 500 ausbilden.
Insbesondere hat die Form 101 Trägermittel 800 zum Halten des Kerns 200, wie dem durch das oben stehende Verfahren beschriebenen, zwischen den zwei Kolben 600, 700.
Diese Trägermittel 800 sind vorzugsweise nachgiebige Mittel und noch bevorzugtererweise Federn.
Der Schritt des Formens der Abdeckung unter Verwendung der oben erwähnten Abdeckungs-formenden Form wird unten stehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Zu allererst wird, wenn die Form 101 in der offenen Konfiguration (nicht gezeigt) ist, d. h., wenn die zwei Platten 300 und 400 mit den entsprechenden Kolben 600 und 700 auseinandergedrückt werden, eine Schicht 900 einer Mischung in Festphase identisch zur oben unter Bezugnahme auf das Formen des Kerns beschriebenen Mischung in den formenden Hohlraum 500 abgelagert. Insbesondere wird die Schicht 900 auf der Oberfläche 701 des Kolbens 700 eingebracht, der dem Kolben 600 der Platte 300 gegenüber steht.
Der Kern 200 wird dann auf der Schicht 900 so positioniert, dass er sie abdeckt und zur gleichen Zeit in einer Weise, dass er hängend gehalten wird und nicht in die Mischung sinkt. Diese Aufhängung wird mittels der oben erwähnten Trägermittel 800 erzielt.
Nachdem der Kern innerhalb des formenden Hohlraums 500 positioniert worden ist, wird eine weitere Schicht 901 der oben erwähnten Mischung auf dem Kern abgelagert, um eine geschichtete Struktur zu erzeugen.
An diesem Punkt kann die Form 101 geschlossen werden, so dass die untere Oberfläche 601 des Kolbens 600 in Kontakt mit der Schicht 901 gelangt.
Die Abdeckung kann dann durch geeignetes Erhitzen und durch von den Kolben 600 und 700 auf die Schichten der Mischung 900 und 901 ausgeübten Druck geformt werden.
Während der Schritte für das Ausformen sowohl der Halbkerne als auch der Abdeckungen gemäß dem Verfahren der Erfindung wird die, die Kohlenstoff-basierten Fasern umfassende Mischung in der Form auf eine Temperatur von 80°C bis 180°C, vorzugsweise 100 bis 120°C erhitzt, und ein Druck von zwischen 0,1 N/cm₂ und 5 N/cm², vorzugsweise 0,5 bis 1 N/cm², wird darauf ausgeübt.
Beim Fertigstellen des Ausformens wird ein Halbzeug mit einer "Sandwich"-Struktur erzeugt und aus der Form entfernt und einem ersten Brennen in einem Ofen bei einer Temperatur unterworfen, die eine Carbonisierung oder Pyrolyse des Harzes mit sich bringt.
Dieses Brennen wird in einem konventionellen Ofen bei einer Temperatur durchgeführt, die im wesentlichen von der Art des verwendeten Bindemittels abhängt und allgemein im Bereich von 900 bis 1200°C liegt.
Das Brennen wird in Anwesenheit eines Inertgasstroms wie etwa Stickstoff oder Argon und unter einem Gasdruck von 10 bis 100 mbar, vorzugsweise 20 bis 30 mbar, durchgeführt.
Dieser Strom entfernt vorteilhafterweise die Gase, welche durch die Pyrolyse des organischen Bindemittels freigesetzt werden. Während dieses Schritts des Verfahrens erwirbt das Halbzeug eine größere Porosität, was während des nachfolgenden Brennens wichtig ist, da dies dem verschmolzenen Silizium gestattet, in das Halbzeug zu infiltrieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren weiter einen Schritt zum Fertigbearbeiten der Oberfläche des Halbzeugs, das vom ersten Brennen kommt, umfassen.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass jegliche Oberflächendeformationen des Halbzeugs durch eine konventionelle Vorrichtung entfernt werden, um ihm die gewünschte Form zu geben.
Der Fertigbearbeitungsschritt wird vorzugsweise trocken durchgeführt, beispielsweise durch Diamanten, da das Halbzeug, welches nach dem ersten Brennen eine vorgegebene Porosität angenommen hat, nachteiligerweise flüssige Substanzen absorbieren könnte, falls das Fertigbearbeiten nass durchgeführt würde.
Das gebrannte Halbzeug wird dann einem zweiten Brennen bei Anwesenheit von Silizium bei einer solchen Temperatur unterworfen, dass eine Verschmelzung des Siliziums und seine Infiltration in die Poren des Halbzeugs stattfindet.
Wie oben gesagt, erhöht die Infiltration des Siliziums das Zusammenhaften der Kohlenstoff-Filamentbündel, während gleichzeitig das verschmolzene Silizium teils mit dem Kohlenstoff des Halbzeugs bei den Bedingungen des zweiten Brennens reagiert, was Siliziumcarbide bildet, die den Effekt des Verbesserns der Anhaftcharakteristika des Materials aufweisen.
Um das zweite Brennen durchzuführen, wird das gebrannte und gegebenenfalls einer Fertigbearbeitung unterworfene Halbzeug in die Kammer eines Behälters mit einem Volumen eingesetzt, welches das Halbzeug zusammen mit der nötigen Menge an Silizium aufnehmen kann, wobei der zwischen dem Halbzeug und dem Behälter gebildete Raum mit Silizium gefüllt wird, welches das Halbzeug umgibt. Die Menge an verwendetem Silizium ist daher diejenige, die benötigt wird, um die Porosität des Halbzeugs zu füllen, oder eine etwas größere Menge.
Der oben erwähnte Raum wird mit reinem Silizium oder mit einer Legierung von Silizium und Aluminium und Kupfer in Körner- oder Pulverform aufgefüllt.
Die Kammer kann mittels geeigneter Löcher in Verbindung mit dem Äußeren stehen, welche es während des Brennens freigesetzten Gasen gestatten, zu entweichen.
Nachdem das Silizium geladen worden ist, wird der Behälter in einen geeigneten konventionellen Ofen, der auf eine Temperatur von 1400 bis 1700°C erhitzt ist, eingeführt.
Bei den oben erwähnten Temperaturen schmilzt das Silizium und infiltriert die Poren des Halbzeugs (Silizisierung).
Das Brennen wird unter vermindertem Druck durchgeführt, wobei der Druck um zwischen 900 mbar und 300 mbar, vorzugsweise um zwischen 800 und 500 mbar vermindert ist.
Beim Abschluss des Brennens wird der Kern und/oder die Abdeckung gekühlt, beispielsweise mit Argon oder vorzugsweise mit Stickstoff, so dass das Rest-Silizium in kleinen Kugeln erhärtet, die einfach aus dem Behälter rückgewonnen werden können.
Der Kern und/oder die Abdeckung gemäß der Erfindung, die so erhalten werden, können Fertigbearbeitungsvorgängen unterworfen werden, beispielsweise einer Oberflächenfertigbearbeitung, die trocken oder nass in konventioneller Weise durchgeführt werden kann.
Es ist klar, dass die Ofenbrennschritte, d. h. die Pyrolyse- und Silizisierungsschritte, in einem einzelnen Ofen stattfinden könnten, was die Produktionszeiten und die Komplexität der Vorrichtung vermindern könnte.
Beim Verfahren zum Formen einer Bremsschreibe gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher eine Bremsscheibe, die optimale Charakteristika an Kompaktheit aufweist, einfach und preisgünstig hergestellt werden.
Darüber hinaus ist es bekannt, dass in einigen Fällen mit den oben erläuterten Materialien aufgebaute Bremsscheiben zu Rissen oder Brüchen als Ergebnis von thermischen und/oder Kompressionslasten führen können, denen eine Bremsscheibe während der Verwendung unterworfen wird. Diese Risse oder Brüche tendieren dazu, sich rasch durch die Struktur einer Bremsscheibe auszubreiten und können sie dazu veranlassen, sich komplett zu zerlegen.
Eine Mehrzahl von Verstärkungsfasern kann vorteilhafterweise in die Mischung zum Formen des oben beschriebenen Kerns und/oder der Abdeckungen eingebracht werden, um so das Ausbreiten von Rissen zu verhindern.
Die Verstärkungsfasern erstrecken sich vorzugsweise konzentrisch und/oder radial in der Struktur der Bremsscheibe gemäß der Erfindung, durch ihre Form hindurch.
Alternativ können die Verstärkungsfasern nur in einigen Bereichen der Bremsscheibe vorgesehen sein, in Übereinstimmung mit den Bereichen, in denen Risse oder ihre Ausbreitungspfade auftreten, welche beide auf Basis struktureller Berechnungen vorhergesagt werden können.
Beispielsweise ist es wahrscheinlicher, dass die Rissausbreitungspfade radial angeordnet sind und sich vom Inneren auswärts ausbreiten, um eine Explosion der Bremsscheibe mit sich zu bringen.
Die Ausbreitung der Risse in einer Bremsschreibe wird daher durch Anordnen von Verstärkungsfasern längs konzentrischer ringförmiger Bereiche der Scheibe verhindert.
Es ist wichtig, dass die Verstärkungsfasern hinreichende Kohäsionscharakteristika mit den anderen Komponenten der Mischung der Bremsscheibe gemäß der Erfindung aufweisen, um zu verhindern, dass sich die gesamte Struktur während der Verwendung zerlegt, sogar in Abwesenheit von Rissen oder Brüchen.
Darüber hinaus müssen die Verstärkungsfasern im wesentlichen inert in Bezug auf die Komponenten der Mischung und hinreichend in der Lage sein, der Pyrolyse und den Silizium-Infiltrierungstemperaturen Stand zu halten, um ihren Abbau während der Herstellung der Bremsscheibe gemäß der Erfindung zu vermeiden.
Für diesen Zweck besteht das Material der Verstärkungsfasern vorzugsweise aus Kohlenstofffasern. Es ist jedoch möglich, andere Materialien, wie etwa SiC, Si₃N₄ oder TiC, wie auch metallische Materialien, beispielsweise Platin, zu verwenden, die den Temperaturen der Wechselwirkung mit Lithium widerstehen können.
Die Verstärkungsfasern können in den Kern und/oder in die Abdeckung der Bremsscheibe gemäß der Erfindung in verschiedenen Weisen eingearbeitet werden. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern in einer Mehrzahl von Bündeln angeordnet werden, die in vorgegebenen Richtungen angeordnet werden.
Diese Richtungen können Kett- und Schussrichtungen sein, wobei die Bündel ein Gewebe bilden.
Alternativ können verschiedene kombinierte oder verwebte Bündel von Verstärkungsfasern einen einzelnen Kett- oder Schussfaden bilden, um das Gewebe zu bilden.
Das Gewebe kann 2 bis 30 Fasern pro cm, vorzugsweise 5 bis 8 Fasern pro cm umfassen.
Anstelle des Anordnens der Fasern in der Mischung, so dass sie ein hier definiertes Gewebe bilden, kann ein vorgeformtes Gewebe vorteilhafterweise direkt in die Mischung eingeführt werden.
Alternativ können die Verstärkungsfasern ein Vliesgewebe bilden, beispielsweise einen Filz.
Die Verstärkungsfasern können auch in Schichten sowohl im Kern als auch in der Abdeckung oder nur in einer dieser beiden angeordnet sein.
Wenn die Verstärkungsfasern durch ein Gewebe oder ein Vliesgewebe gebildet werden, sind sie bidirektional und können daher so angeordnet werden, dass sie entweder coplanar mit oder orthogonal zur Ebene sind, in der die Bremsscheibe liegt.
Die Gehalte der Komponenten der zum Ausbilden des Kerns und/oder der Abdeckung gemäß der Erfindung verwendeten Mischung können bezüglich ihrer Volumenprozente relativ zum Volumen des Materials wie folgt variiert werden:
Filamentbündel 40 bis 70%, vorzugsweise 50 bis 60%;
Bindemittel 5 bis 30%, vorzugsweise 15 bis 25%;
Zusätze 0,5 bis 20%, vorzugsweise 1 bis 15%;
Verstärkungsfasern 4 bis 30%, vorzugsweise 10 bis 20%.
Beim Verfahren gemäß der Erfindung können die Filamentbündel Durchmesser von 0,1 bis 2 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 0,5 mm aufweisen.
Man sollte insbesondere anmerken, dass bei Abwesenheit der Verstärkungsfasern der Gehalt der Filamentbündel in der Mischung von 50 bis 80 Vol.-% relativ zum Volumen der Mischung variieren kann und vorzugsweise im Bereich von 60 bis 70% liegt.
Die Filamentbündel und/oder die Verstärkungsfasern können zunächst vorteilhafterweise mit einem Schutzharz, vorzugsweise Polyurethan, beschichtet sein, bevor sie gemäß dem Verfahren der Erfindung verwendet werden.
Alternativ können die Filamentbündel und die Verstärkungsfasern vorab mit dem selben organischen Bindemittel beschichtet werden, das bei der Herstellung der Mischung verwendet wird.
Eine größere Kohäsion des Materials und ein kompakteres Produkt werden damit erhalten.
Während des ersten Brennens des Halbzeugs karbonisieren das Harz und das organische Bindemittel, womit sie eine Schutzschicht auf den Filamentbündeln und den Verstärkungsfasern erzeugen, was jegliche Zerlegung oder sogar Auflösung dieser während der nachfolgenden Behandlung mit Silizium verhindert.
Die Filamentbündel und die Verstärkungsfasern behalten daher während des Verfahrens ihre ursprünglichen Formen, wodurch ein Produkt mit guten Charakteristika an Kohäsion und Festigkeit erzeugt wird.
Das organische Bindemittel ist ein konventionelles Bindemittel, das aus der Gruppe ausgewählt werden kann, die Phenol- und Acrylharze, Paraffin, Peche, Polystyrole, etc. umfasst.
Das Bindemittel wird vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die Peche und Phenolharze umfasst.
Das Bindemittel kann der Mischung in jeglicher gewünschten Form zugegeben werden, beispielsweise in festem, halbflüssigem und flüssigem Zustand oder in Lösung.
Beispielsweise kann Phenolharz in Form von Pellets, Pulver oder Körnern zugegeben werden.
Der Gehalt an organischem Bindemittel der Lösung kann von 5 bis 30 Vol.-%, relativ zum Volumen der Mischung variieren und liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 26%.
Die Mischung kann auch andere konventionelle Zusätze, die als Füllstoffe und indirekt zum Regulieren der Porosität und der Dichte des gewünschten Kompositmaterials verwendet werden, enthalten.
Diese Zusätze bestehen aus Partikeln anorganischer Materialien, wie etwa vorzugsweise Graphit, Siliziumcarbid oder Metallcarbid, oder Nitridpulvern.
Der Gehalt an Additiven in der Mischung kann von 0,7 bis 23 Vol.-%, relativ zum Volumen der Mischung variieren und liegt vorzugsweise im Bereich von 9 bis 15%.
Das Mischen kann in konventioneller Weise und mit einer konventionellen Vorrichtung durchgeführt werden und die Filamentbündel werden in verschiedenen Richtungen zufallsverteilt angeordnet.
Die Verstärkungsfasern können auf verschiedene Weise in die Mischung eingebracht werden.
Laut einer bevorzugten Methode des Implementierens des Verfahrens gemäß der Erfindung wird dieses Einbringen durch die folgenden Schritte durchgeführt:

i) Platzieren einer ersten Schicht der Mischung in dem formenden Hohlraum der Form für den Kern und/oder für die Abdeckung,
ii) Hinzufügen zur ersten Schicht der Mischung, der Mehrzahl von Verstärkungsfasern, welche sich längs der Form in einer Weise erstrecken, die das Ausbreiten von Rissen verhindert, und
iii) Platzieren einer zweiten Schicht der Mischung auf der ersten Schicht, um so die Mehrzahl der Verstärkungsfasern komplett in die Mischung einzubetten.

Es ist klar, dass die oben beschriebenen Beschichtungsschritte eine vorgegebene Anzahl von Malen wiederholt werden können, um einen Mehrschichtkern und/oder eine Abdeckung zu erzeugen, bei der jede Schicht von Verstärkungsfasern zwischen zwei Schichten der Mischung eingebettet ist, die Filamentbündel umfasst.
2 zeigt zwei komplementäre Halbkerne 2, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren für das Formen eines Kerns erzeugt worden sind.
Insbesondere sind die Halbkerne 2 von ringförmiger Form und jeder hat eine äußere Fläche 20, eine innere Fläche 21, eine äußere Randkante 22 und eine innere Randkante 23.
Rillen 24 erstrecken sich durch die äußere Fläche 20 und sind vorzugsweise radial angeordnet, sind durch flache Bereiche 25 voneinander gleichmäßig beabstandet und erstrecken sich durch die äußere Fläche 20 von der äußeren Randkante 22 zur inneren Randkante 23 des Halbkerns 2.
Die innere Fläche 21 weist ebenfalls im Bereich der flachen Bereiche 25 ausgebildete Rillen 26 auf.
Insbesondere ist die Umfangserstreckung der Rillen 26 größer als die der entsprechenden Rillen 24 und darüber hinaus öffnen sich die Rillen 26 in die äußere Randkante 22, enden aber an einer Verschlusswand 27 im Bereich der inneren Randkante 23.
In 3 sind zwei Halbkerne 2 aneinander angepasst worden, um einen Kern 200 einer Bremsscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Wie ersichtlich, sind die Halbkerne 2 aneinander mit zwei jeweils komplementären inneren Flächen 21 befestigt worden, die zusammenwirken, um Belüftungskanäle 28 der Bremsscheibe zu bilden.
Anders ausgedrückt, bildet jede Rille 26 der zwei Halbkerne 2 einen Kanal, der mit einem korrespondierenden Kanal verbunden ist, um den Belüftungskanal oder -gang 28 zu schließen.
Die Belüftungskanäle 28 sind somit an der äußeren Randkante 22 offen, sind aber durch die Wände 27 an der inneren Randkante 23 jedes der zwei Halbkerne 2 geschlossen.
Wie bereits oben vollständig beschrieben, werden zwei Abdeckungen 8 direkt auf den Kern 200 geformt, und insbesondere auf die jeweiligen äußeren Flächen der Halbkerne 2.
5 zeigt eine Bremsscheibe 10, die den Kern 200 und zwei Abdeckungen 8 umfasst, die angeordnet sind, um eine "Sandwich"-Struktur zu erzeugen.
Darüber hinaus weist die Bremsscheibe 10 eine äußere Randkante 11 mit Öffnungen 12 auf, die den oben beschriebenen Belüftungskanälen 28 entsprechen, und eine mit Aufnahmen 14 versehene innere Randkante 13, die sich um eine vorgegebene Distanz hin zur äußeren Randkante 11 erstrecken.
Insbesondere sind diese Aufnahmen 14 derart, dass sie entsprechende Zähne einer Bremsscheibenglocke (nicht gezeigt) aufnehmen.
Der oben beschriebene Schritt des Formens der Halbkerne kann mit einer geeigneten Form durchgeführt werden, die nunmehr unten beschrieben wird.
1 zeigt schematisch eine Form 1 zum Formen eines Halbkerns, bei der zwei Platten 3 und 4 einander zugewandt angeordnet sind. Wenn einmal diese Platten 3 und 4 in Kontakt gebracht worden sind, definieren sie einen internen Hohlraum, der einen formenden Hohlraum der Form 1 bildet.
Nur eine der zwei Platten, d. h. die Platte 4, wird nunmehr beschrieben, da die andere Platte im wesentlichen komplementär ist.
Die Platte 4 hat die Form eines Rings 41, der eine Zentralöffnung 40 definiert. Der Ring 41 hat einen zentralen Hohlraum 5, der mit einem entsprechenden in der Platte 3 vorgesehenen Hohlraum einen Hohlraum zum Formen des Kerns bestimmt.
Der zentrale Hohlraum 5 wird durch eine Basis 50, eine äußere Seitenwand 51 und eine innere Seitenwand 52 gebildet. Die äußere Seitenwand 51 ist in der Nähe des Rands der Form 1 positioniert und die innere Seitenwand 52 ist in der Nähe der zentralen Öffnung der Form 1 positioniert.
Darüber hinaus weist der zentrale Hohlraum 5 voneinander durch Rillen 7 beabstandete Vorragungen 6 auf. Die Vorragungen 6 dienen dazu, die Oberflächen der Belüftungskanäle der Bremsscheibe der Erfindung zu bilden. Die Rillen 7 bilden andererseits die Unterbrechungspunkte zwischen den Kanälen.
Insbesondere erstrecken sich die Vorragungen 7 radial von der äußeren Seitenwand 51 des zentralen Hohlraums 5 hin zur inneren Seitenwand 52 des zentralen Hohlraums 5. Diese Vorragungen enden vorzugsweise um einen vorgegebenen Abstand von der inneren Seitenwand 52, um so eine Form eines kreisförmigen Kanals 53 im zentralen Hohlraum 5 zu bestimmen.
Man sollte anmerken, dass die Wand 27 jedes Halbkerns 2 mittels des bestimmten Kanals 53 ausgebildet wird.
Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf die 7, 8 und 9 können die oben beschriebenen Halbkerne unterschiedliche Formen aufweisen.
Insbesondere zeigt 7 zwei identische, einander zugewandte Halbkerne 220. Die Halbkerne 220 sind ebenfalls ringförmig und jeder hat eine äußere Fläche 221, eine innere Fläche 222, eine äußere Randkante 223 und eine innere Randkante 224.
Rillen 225 erstrecken sich von der äußeren Randkante 223 durch die innere Fläche 222, wobei Gruppen von drei Rillen 225 in eine einzelne Rille 226 konvergieren, welche sich in die innere Randkante 224 öffnet.
Darüber hinaus weist die innere Randkante 224 Aufnahmen 227 auf, die sich zwischen benachbarten Rillen 226 zur äußeren Randkante 222 erstrecken.
In 8 sind die beiden Halbkerne 220 aneinander angepasst, um einen Kern 228 eines Bremsbands gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Wie ersichtlich, sind die zwei Halbkerne 220 aneinander befestigt worden, wobei die zwei entsprechenden komplementären inneren Flächen 222 miteinander wirken, um den Belüftungskanal 229 einer Bremsscheibe auszubilden.
Insbesondere bilden die entsprechenden Rillen 225 und 226 jedes der beiden Halbkerne 220 Kanäle, die aneinander angepasst werden, um die Belüftungskanäle 229 zu bestimmen.
Die Belüftungskanäle 229 sind daher sowohl an der äußeren Randkante 223 als auch an der inneren Randkante 224 der Halbkerne 220 offen.
Zwei Abdeckungen 230 sind direkt auf dem Kern 228 geformt, wie oben unter Bezugnahme auf die Bremsscheibe von 5 gezeigt.
Der Kern 228 ist daher wie ein "Sandwich" zwischen den zwei Abdeckungen 230 eingeschlossen, um eine Bremsscheibe bzw. Bremsband 240 zu bilden (9).
Es sollte angemerkt werden, dass bei dieser Ausführungsform der Erfindung die oben beschriebenen Aufnahmen 227 den Aufnahmen 14 der Bremsscheibe 10 entsprechen und in derselben Weise wie die letzteren dazu dienen, mit den entsprechenden Zähnen einer Bremsscheibenglocke (nicht gezeigt) gekoppelt zu werden.
Darüber hinaus kann der oben beschriebene Schritt des Formens der Halbkerne durch Adaptieren der für die Herstellung der Halbkerne 2 von 2 verwendeten Form durchgeführt werden.
6 zeigt schematisch eine Form 111 für die Herstellung der Halbkerne 220. Es ist klar, dass der formende Hohlraum der Form präzise einen Eindruck der Halbkerne 220 bildet, und er daher nicht im Detail beschrieben wird.
Der durch die bestimmte Form des Kerns 228 bereitgestellte Vorteil liegt in der Tatsache, dass neben dem Vergrößern der wärmetauschenden Oberfläche er auch einen Luftstrom durch die Scheibe gestattet, was ihre Wärmeabstrahlungseffizienz verbessert.
Der Vorteil des Verfahrens zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß der Erfindung ist, dass es einfach und preisgünstig implementiert werden kann. Tatsächlich sind sowohl die Form für das Formen des Kerns als auch die Form für das Formen der Abdeckung besonders einfach, leicht herzustellen, und einfach zu verwenden.
Darüber hinaus sollte angemerkt werden, dass die Bremsscheibe gemäß der Erfindung mit Hilfe von konventionellen, für die Produktion von entsprechenden bekannten Bremsscheiben verwendeten Techniken hergestellt werden kann und darüber hinaus die Menge der dem Material zugesetzten Verstärkungsfasern relativ niedrig ist (nicht mehr als 30 Vol.-%).
Zusätzlich stellt die besondere Verwendung des nachgiebigen Mittels 800 einen geeigneten Träger für den Kern bereit und erzielt gleichzeitig eine optimale Balance der durch die zwei Kolben 600 und 700 während des Formens der Abdeckung ausgeübten Drücke.
Auch ist klar, dass die Bremsscheibe gemäß der Erfindung sich durch ihre optimalen Reibungscharakteristika, ihre Härte, ihre Biegefestigkeit, ihre Abnutzungsfestigkeit und Hitzebeständigkeit, die durch Reibung erzeugt werden, und Einschlags- und Kompressionsfestigkeit unterscheidet.
Es sollte insbesondere angemerkt werden, dass die Abwesenheit einer Adhäsivschicht jeglicher Art zwischen den Abdeckungen und dem Kern der gemäß der Erfindung produzierten Bremsscheibe sowohl die gesamte Struktur der Scheibe vereinfacht als auch eine stärkere Struktur als im Stand der Technik erzeugt.
Die vorliegende Erfindung wird daher durch die Implementierung eines einfachen und preisgünstigen Prozesses realisiert, der auch eine Bremsscheibe mit den geeigneten Sicherheitscharakteristika vom strukturellen Standpunkt und vom Standpunkt der einfachen Produktion aus erzeugt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (10; 240) mit Belüftungskanälen (12; 229), die folgenden Schritte umfassend: – Formen eines Kerns (200; 228) der Bremsscheibe in einer geeigneten Form (1; 111), – Formen von zwei Abdeckungen (8; 230) auf dem Kern in einer weiteren geeigneten Form (101), um so ein Halbzeug mit einer "Sandwich"-Struktur zu bilden, – Brennen des Halbzeugs, um so eine vorgegebene Porosität der Abdeckungen zu erzeugen, – Weiterbrennen des Halbzeugs in Anwesenheit von Silizium bei einer solchen Temperatur, dass im wesentlichen eine Verschmelzung des Siliziums und seine Infiltration in die Abdeckungen stattfindet.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Formens des Kerns (200; 228) der Bremsscheibe Formen der zwei Halbkerne (2; 220) und deren Nebeneinanderstellung und Aneinanderbefestigung umfassen, um den Kern mit den Belüftungskanälen (12; 229) auszubilden.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (10; 400) gemäß Anspruch 2, bei dem das Formen der Halbkerne die Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer geeigneten Form (1; 111), b) Präparieren einer Mischung, die eine vorgegebene Menge an im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Fasern und/oder Filamenten und eine vorgegebene Menge an organischem Bindemittel umfasst, c) Ablagern der Mischung in der geeigneten Form, d) Formen eines ersten Halbkerns (2, 220) in der Form, e) Formen eines zweiten Halbkerns (2; 220) durch Wiederholen der Schritte a) bis d), f) Befestigen der nebeneinandergebrachten ersten und zweiten Halbkerne aneinander, um den Kern zu erzeugen, in dem die Belüftungskanäle (28; 229) definiert sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Mischung für das Formen des Kerns Filamente aus Kohlenstoff-basierten Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Holz und Produkten der Holzverarbeitung, pflanzlichen Fasern und thermisch aushärtenden Harzen besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß Anspruch 4, bei dem die Materialien Sägemehl oder Späne, Hanf und dergleichen, und flüssige, thermisch aushärtende Harze sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das Befestigen durch Kleben mit einem thermisch aushärtenden Harz erfolgt, wobei das Harz vorzugsweise ein Phenolharz ist.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß Anspruch 6, wobei das Kleben erfolgt, wenn erster und zweiter Halbkern gerade aus der Form gekommen sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Schritt des Formens der Abdeckungen (8; 230) umfasst: – Bereitstellen einer geeigneten Form (101), – Ablagern einer ersten Schicht einer Mischung in der geeigneten Form, wobei die Mischung eine vorgegebene Menge von im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden Fasern und/oder Filamenten und eine vorgegebene Menge an organischem Bindemittel umfasst, – Positionieren und Halten des Kerns (200; 228) in der Form, so dass er in Kontakt mit der ersten Schicht der Mischung steht, – Ablagern einer zweiten Schicht der Mischung auf dem Kern, – Formen der Abdeckungen um den Kern, um so eine "Sandwich"-Struktur zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 8, bei dem der Kern (200; 229) in der Form mittels nachgiebiger Elemente (800), die vorzugsweise Federn sind, so gehalten wird, das er auf der ersten Schicht aus der Mischung schwimmt.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Mischung für das Formen des Kerns und/oder der Abdeckung Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff- oder aus Metallmaterialien umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß Anspruch 10, bei dem die Verstärkungsfasern SiC-, Si₃N₄-, TiC- oder Platinfasern sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß Anspruch 10, bei dem die Verstärkungsfasern miteinander kombiniert oder in Bündeln verflochten sind, die einen einzelnen Kett- oder Schussfaden ausbilden, um ein Gewebe zu bilden.
Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe gemäß Anspruch 10, bei dem die Verstärkungsfasern ein Vlies-Gewebe, vorzugsweise einen Filz bilden.
Bremsscheibe (10; 240) mit Belüftungskanälen (12; 229), erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 14, umfassend einen Kern (200; 228) mit den Belüftungskanälen (12; 229) und zwei Abdeckungen (8; 230), die direkt außen am Kern befestigt sind, um so eine "Sandwich"-Struktur auszubilden.
Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 15, bei welcher der Kern (200; 228) an den Abdeckungen durch pyrolytische Behandlung zwischen den jeweiligen Kontaktflächen befestigt ist.
Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 15 oder 16, bei der die Belüftungskanäle (12; 229) sich durch den Kern (200; 228) von dessen einer äußeren Randkante (22; 223) zu dessen einer inneren Randkante (23; 224) erstrecken.
Bremsscheibe (10; 240) gemäß Anspruch 17, bei der die Belüftungskanäle (28) sich in die äußere Randkante (22) öffnen, aber durch eine Wand im Bereich der inneren Randkante (23) des Kerns (200) geschlossen sind.
Bremsscheibe (10; 240) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der die Belüftungskanäle (12; 229) im wesentlichen radial angeordnet sind.
Bremsscheibe gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der Gruppen von drei Kanälen (225) sich von der äußeren Randkante (223) erstrecken, wobei jede Gruppe von drei Kanälen (225) in einen einzelnen Kanal (226) mündet, der sich in der inneren Randkante (224) des Kerns öffnet.
Form (101) zur Herstellung einer Bremsscheibe, umfassend zwei Platten (300, 400), die einen Hohlraum (500) für das Formen der Bremsscheibe umgrenzen, zwei in einer gegenüberliegenden Weise im Hohlraum (500) montierte und längs einer gemeinsamen Achse (X-X) verschiebbare Kolben (600, 700) und Trägermittel (800) zum Halten eines Kerns (200) der Bremsscheibe.
Form (101) gemäß Anspruch 21, bei der die Trägermittel (800) nachgiebige Mittel, vorzugsweise Federn, sind.