DE102022206154B4

DE102022206154B4 - Bremsklotz mit einer unterschicht mit anisotropen materialeigenschaften

Info

Publication number: DE102022206154B4
Application number: DE102022206154.3A
Authority: DE
Inventors: Hatem Shahin; Volker Kinder
Original assignee: HL Mando Corp
Current assignee: HL Mando Corp
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2025-01-09
Anticipated expiration: 2042-06-22
Also published as: KR20230174729A; DE102022206154A1; US20230407930A1

Abstract

Bremsklotz für eine Fahrzeugbremse, umfassend eine Rückplatte (1), eine Unterschicht (2) und ein Reibmaterial (3), die in dieser Reihenfolge in einer z-Richtung geschichtet sind, wobei der Bremsklotz dafür eingerichtet ist, in die z-Richtung bewegt zu werden, um zum Bremsen gegen einen rotierenden Körper gedrückt zu werden,
wobei die Unterschicht (2) eine anisotrope Materialeigenschaft hat, wobei mindestens ein Materialparameter in der z-Richtung einen Wert hat, der sich von seinem Wert in einer Richtung orthogonal zur z-Richtung unterscheidet,
wobei die Unterschicht ein Basismaterial (2.1) und in dem Basismaterial (2.1) angeordnete Einlageelemente (2.2) umfasst,
wobei zumindest einige der Einlageelemente (2.2) längliche Elemente (2.2a) sind, die in einer Hauptrichtung ausgerichtet sind, die um höchstens 30° von der z-Richtung abweicht,
wobei in einem Randbereich in der Nähe von Außenrändern der Unterschicht (2) eine höhere Dichte von Einlageelementen (2.2) vorgesehen ist als in einem zentralen Bereich der Unterschicht (2), wobei die Einlageelemente (2.2) in dem Randbereich den zentralen Bereich der Unterschicht (2) einrahmen.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus. Sie betrifft die Fahrzeugtechnik, nämlich Fahrzeugbremsen.
Die Technik aus der Druckschrift JP 2000- 161 406 A strebt an, einen Reibkoeffizienten zu verbessern, indem eine Basisschicht gebildet wird, die in der Lage ist, sich während der Reibungsgleitzeit mit einem Gegenmaterial auf einer Trägerplatte elastisch zu verformen. Die Basisschicht wird gebildet durch Auflaminieren einer Reibungsoberfläche , auf die Basisschicht, die ein Faserbasismaterial, ein Füllmaterial und ein Bindemittel enthält.
Die Druckschrift JP 2000- 027 912 A zeigt ein Reibmaterial, das 15 Vol.-% oder mehr Eisenfasern oder -pulver und hochbelastbare Körner, 20 Vol.-% oder mehr Graphitpulver oder ein entsprechendes pulverförmiges Material sowie ein Bindemittel und ein Reibungsregulierungsmittel enthält. Als Rückplatte wird hauptsächlich Eisen verwendet, aber auch andere Materialien wie Keramik, faserverstärktes Material und dergleichen können verwendet werden. Ein wärmeisolierendes Material wird zwischen dem Reibmaterial und der Rückplatte verwendet, und das wärmeisolierende Material enthält 15 Volumenprozent oder mehr Kohlenstoff, um die Wärmeleitung zu unterdrücken, und Volumenprozent oder mehr Eisenfasern oder -pulver und -korn, um den Unterschied in der Wärmeausdehnung mit dem Reibmaterial so weit wie möglich zu minimieren.
Die Druckschrift DE 36 17 846 A1 zeigt die Herstellung einer Bremsbacke für Scheibenbremsen, die aus einer Trägerplatte, einer Zwischenschicht und einer Reibschicht besteht. Dabei werden das Zwischenschichtmaterial und ein wärmeaktivierbarer Kleber miteinander gemischt. Das Gemisch wird in Plattenform auf ein Glasfasernetz aufgebracht und gleichmäßig verstrichen und danach getrocknet.
Die Druckschrift DE 11 43 404 A bezieht sich auf eine Scheibenbremse für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer die Bremsscheibe umgreifenden Bremszange, in welcher auf einer Stahlstützplatte angebrachte Bremsbeläge gegenüber der Bremsscheibe geführt und gehalten sind, wobei zwischen jedem Bremsbelag und seiner zugeordneten Stahlstützplatte eine mit der Bremsscheibe zusammenarbeitende Zwischenschicht angeordnet ist, deren Reibwert geringer ist als der Reibwert des Bremsbelages und die nach dem vollständigen Abrieb des Bremsbelages mit der Bremsscheibe in Reibungsschluß gelangt.
Die Druckschrift US 2013 / 0 240 304 A1 bezieht sich auf eine mehrschichtige Bremsbelaganordnung, die eine Schicht aus Reibmaterial, eine Schicht aus wärmeisolierendem Material und eine Trägerplatte umfasst. Das wärmeisolierende Material ist ein faserverstärkter Keramikmatrix-Verbundwerkstoff mit hoher Bruchzähigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit, der zwischen dem Reibmaterial und der Trägerplatte angeordnet ist und den durch die Trägerplatte in die Hydraulikflüssigkeit übertragenen Wärmestrom bei starkem Bremsen einschränkt, wodurch das Einsetzen von Bremsverlusten aufgrund von Verdampfen der Hydraulikflüssigkeit infolge von Überhitzung minimiert wird.
Die JP S61- 140 632 A zeigt, dass bei einem Bremsklotz ein Drahtgeflecht an der Grenzfläche zwischen einer Reibschicht und einer zweiten Schicht vorgesehen wird.
Die JP 2013- 19 526 A zeigt, dass zwischen einem Reibmaterial und einer Rückplatte ein Graphitplatte angeordnet ist.
DE 10 2011 051 061 A1 betrifft ein Bremsenbauteil, insbesondere für einen Bremsbacken und/oder für eine Bremse, der zumindest eine viskoelastische Schicht aufweist. Das Bremsenbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest eine Seite der viskoelastischen Schicht form- und/oder stoffschlüssig mit einer Stabilisierungsschicht verbunden ist, die die Seite der viskoelastischen Schicht unvollständig bedeckt.
DE 10 2018 216 346 A1 bezieht sich auf einen Bremsklotz für eine Fahrzeugbremse, wobei der Bremsklotz einen Reibbelag, der eine führende Kante und eine rückwärtige Kante an zwei entgegengesetzten Enden aufweist, eine Rückplatte, die den Reibbelag hält, und eine Unterlagenschicht, die zwischen der Rückplatte und dem Reibbelag angeordnet ist, aufweist, wobei die Unterlagenschicht den Reibbelag mit der Rückplatte verbindet. Ein vorderer Abschnitt der Unterlagenschicht, der sich von einer vorderen Seite der Unterlagenschicht, die unterhalb der führenden Kante des Reibbelags liegt, ausgehend erstreckt und/oder ein hinterer Abschnitt der Unterlagenschicht, der sich von einer hinteren Seite der Unterlagenschicht, die unterhalb der rückwärtigen Kante der Reibbelag liegt, ausgehend erstreckt, ist aus einem anderen Material gefertigt als ein verbleibender Teil der Unterlagenschicht.
Es ist ein Anliegen der Automobilhersteller, den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen zu senken. Ein Aspekt, der in dieser Hinsicht verbessert werden kann, ist die Reduzierung des Schleppmoments der Bremsen. D.h. während des Fahrens, im Nicht-Brems-Zustand, sollte ein Abstand zwischen Bremsscheibe und Belägen gewährleistet sein. Dieser Abstand sollte so schnell wie möglich nach dem Lösen der Bremsen erreicht und dann beibehalten werden. Lösungen zur Verringerung des Schleppmoments haben oft Nachteile hinsichtlich der Bremswirkung und/oder des Pedalgefühls. Einige Lösungen umfassen die Verwendung spezieller Fasen, Dichtungen oder Dichtungsnuten.
Ein zu berücksichtigender Aspekt ist, dass die Dichtung aufgrund eines hyperplastischen homogenen Verhaltens des Dichtungsmaterials den Kolben nach dem Lösen der Bremsen in Richtung Scheibe zurückdrückt.
In Anbetracht dessen ist es ein Ziel der Erfindung, das Schleppmoment zu reduzieren und die Einhaltung eines anvisierten Spalts zwischen Belägen und Scheibenoberfläche zu ermöglichen.
Dies wird z. B. durch einen Bremsklotz nach Anspruch 1 oder durch einen Bremsklotz, wie er im Folgenden beschrieben wird, erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, in der folgenden Beschreibung und in den Figuren.
Gemäß dieser Anmeldung umfasst ein Bremsklotz für eine Fahrzeugbremse eine Rückplatte, einer Unterschicht und ein Reibmaterial, die in dieser Reihenfolge in eine z-Richtung geschichtet sind. Der Bremsklotz ist dafür eingerichtet, in die z-Richtung bewegt zu, um zum Bremsen gegen einen rotierenden Körper gedrückt zu werden.
Die Unterschicht weist eine anisotrope Materialeigenschaft auf, wobei mindestens ein Materialparameter in der z-Richtung einen Wert hat, der sich von seinem Wert in einer zur z-Richtung orthogonalen Richtung unterscheidet.
Diese Art von anisotropen Materialeigenschaften kann das Zurückziehen des Bremsklotzes und/oder die Aufrechterhaltung eines gewünschten Spalts erleichtern. Insbesondere können die anisotropen Materialeigenschaften so eingestellt werden, dass sich die Unterschicht in die z-Richtung zusammenzieht, wenn das Bremssystem abkühlt. Umgekehrt kann sich der Bremsdruck bei betätigten Bremsen erhöhen, da sich die Unterschicht unter Hitzeeinwirkung ausdehnt.
Die anisotrope Materialeigenschaft ist zum Beispiel gegeben durch

- einen anisotropen Elastizitätsmodul und/oder
- einen anisotropen Schermodul und/oder
- eine anisotrope Poisson-Zahl, und/oder
- eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit, und/oder
- eine anisotrope Wärmeausdehnung, und/oder
- eine anisotrope Kompressibilität, und/oder
- einen anisotropen Speichermodul und/oder
- einen anisotropen Verlustmodul.

Im Rahmen dieser Erfindung ist es vorgesehen, dass die Unterschicht ein Basismaterial und in dem Basismaterial angeordnete Einlageelemente umfasst. Die Einlageelemente sind so angeordnet, dass die vorgenannte anisotrope Materialeigenschaft für die Unterschicht insgesamt erreicht wird. Beispielsweise führt die Wahl eines Materials für die Einlageelemente und ihre Anordnung in bestimmten Abschnitten der Unterschicht und/oder mit einer bestimmten Ausrichtung zu anisotropen Eigenschaften der gesamten Unterschicht, die das Basismaterial und die Einlageelemente umfasst. Spezifische Konfigurationen sind im Folgenden aufgeführt.
Die Einlageelemente können beispielsweise Gummi und/oder Mineralien, wie z.B. Stein, und/oder Glas und/oder Metall, wie z.B. Stahl, und/oder Phenol umfassen. Die Materialien können so ausgewählt und zusammengesetzt sein, dass bestimmte Materialeigenschaften erzielt werden.
Erfindungsgemäß sind zumindest einige der Einlageelemente längliche Elemente, wie z.B. Fasern oder Stäbe.
Die länglichen Elemente sind in einer Hauptrichtung ausgerichtet, die um höchstens 30° von der z-Richtung abweicht. Bestimmte Ausrichtungen und/oder Anordnungen in bestimmten Bereichen der Unterschicht können Anisotropie bewirken oder verstärken.
In einem Beispiel erstrecken sich die länglichen Elemente in die z-Richtung, d. h. sie sind der Länge nach überwiegend entlang der z-Richtung angeordnet, die die axiale Richtung des Bremssystems ist.
Zumindest einige der Einlageelemente, z. B. die länglichen Elemente, können einen Durchmesser von mindestens 40 µm oder mindestens 50 µm und/oder höchstens 110 µm oder höchstens 100 µm haben. Zusätzlich oder alternativ können sie eine Länge von mindestens 0,4 mm oder mindestens 0,5 mm und/oder höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm haben.
Zusätzlich oder alternativ können zumindest einige der Einlageelemente einen Durchmesser von höchstens 50 µm und/oder eine Länge von höchstens 0,1 mm haben. In möglichen Ausführungsformen sind diese Einlageelemente in einer Hauptrichtung ausgerichtet. Es kann auch vorgesehen sein, dass sie nicht in eine Hauptrichtung ausgerichtet sind.
Genauer gesagt kann es in möglichen Ausführungsformen längliche Elemente mit den oben genannten Abmessungen geben, die entlang einer Hauptrichtung angeordnet sind, und es kann zusätzliche kleinere Einlageelemente geben, die nicht in einer bestimmten Weise ausgerichtet sind. Dabei können die kleineren Elemente in bestimmten Bereichen der Unterschicht vorgesehen werden, um zu einer gewünschten Anisotropie beizutragen.
Erfindungsgemäß ist in einem Randbereich nahe der Außenränder der Unterschicht eine höhere Dichte an Einlageelementen (bezugnehmend auf alle Arten von Einlageelementen beziehen, wie z. B. längliche Einlageelemente, größere Einlageelemente oder kleinere Einlageelemente) vorgesehen als in einem zentralen Bereich der Unterschicht. Dann können die Einlageelemente im Randbereich als Umrahmung des zentralen Bereichs der Unterschicht betrachtet werden. Der zentrale Bereich kann frei von Einlageelementen sein oder eine geringere Dichte an Einlageelementen aufweisen.
Zusätzlich oder alternativ kann eine höhere Dichte von Einlageelementen in einem Nahbereich einer Rückplatte vorgesehen sein.
Beispielsweise kann der Randbereich mit der erhöhten Dichte an Einlageelementen auf einen Abstand von höchstens 4 mm oder höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm von einem Außenrand der Unterschicht begrenzt sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Nahbereich der Rückplatte mit der höheren Dichte an Einlageelementen auf einen Abstand von höchstens 0,5 mm von der Rückplatte beschränkt sein. Der restliche Teil der Unterschicht, der vom Randbereich an den Rändern und vom Nahbereich der Rückplatte entfernt ist, kann frei von Einlageelementen sein oder eine geringere Dichte (z. B. Volumendichte und/oder Massendichte) von Einlageelementen aufweisen als der Randbereich und/oder die Umgebung der Rückplatte.
Zum Beispiel beträgt der Abstand zwischen benachbarten Einlageelementen, insbesondere länglichen Elementen, im Randbereich durchschnittlich weniger als 0,5 mm oder weniger als 0,3 mm oder weniger als 0,1 mm. Zum Beispiel berühren sich zumindest einige der benachbarten Einlageelemente (wie z.B. die länglichen Elemente) im Randbereich.
So kann beispielsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einlageelemente mindestens doppelt so groß sein wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Basismaterials. In einer bevorzugten optionalen Ausführungsform beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einlageelemente mindestens das Dreifache des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Basismaterials. Durch die optionale Anordnung entlang der z-Richtung wirkt eine Ausdehnung vorwiegend in z-Richtung, was ein gewünschter Effekt sein kann.
Beispielsweise kann ein Material der Einlageelemente beim Erwärmen eine Wärmeausdehnung von mindestens 1,0 E-1/K und/oder höchstens 1,4 E-5 1/K haben und/oder das Basismaterial kann eine Wärmeausdehnung von mindestens 0,2 E-5 1/K und/oder höchstens 0,4 E-5 1/K aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das Material der Einlageelemente beim Abkühlen eine thermische Kontraktion von (betragsmäßig) mindestens -3 E-6 1/K und/oder (betragsmäßig) höchstens -5 E-6 1/K und/oder das Basismaterial kann eine thermische Kontraktion von (betragsmäßig) mindestens -1,2 E-6 und/oder (betragsmäßig) höchstens -1,6 E-6 1/K aufweisen.
In einer Ausführungsform des Bremsklotzes kann eine Dichte der Einlageelemente in der Unterschicht mindestens 10 % oder mindestens 15 % und/oder höchstens 40 % betragen. D. h., die Einlageelemente können mindestens 10 % oder mindestens 15 % und/oder höchstens 40 % eines Volumens und/oder einer Masse der Unterschicht ausmachen. In einem optionalen Beispiel handelt es sich bei den Einlageelementen um Fasern oder Stäbchen aus Mineral, Glas oder Metall.
In einem Beispiel ist die Unterschicht so eingerichtet, dass sie sich in die z-Richtung um mindestens 0,1 mm oder mindestens 0,2 mm ausdehnt, wenn sie von 20°C auf 150°C erhitzt wird. Dabei kann die Ausdehnung vorzugsweise einem Druck von mindestens 5 bar entgegenwirken. D.h. die Ausdehnung findet auch dann statt, wenn ein Druck von 5 bar oder vorzugsweise ein noch höherer Druck angewandt wird. Eine Dicke der Unterschicht kann dabei z. B. mindestens 1,5 mm oder mindestens 2 mm und/oder höchstens 3 mm und/oder höchstens 3,5 mm betragen, wobei diese Dicke z. B. die Dicke bei Raumtemperatur sein kann.
In einem Beispiel ist die Unterschicht so konfiguriert, dass sie sich um mindestens 0,03 mm und/oder höchstens 0,05 mm in der x-Richtung und/oder in der y-Richtung ausdehnt, wenn sie von 20°C auf 150°C erwärmt wird. In diesem Sinne kann die Unterschicht beispielsweise anisotrop sein, da sie so konfiguriert sein kann, dass sie sich bei Erwärmung mehr in die z-Richtung als in die x-Richtung oder die y-Richtung ausdehnt.
Zum Beispiel kann der Widerstand gegen die Kompression der Unterschicht mindestens 0,0008 mm³/bar und/oder höchstens 0,0012 mm³/bar betragen.
Die Unterschicht, insbesondere das Basismaterial der Unterschicht, kann zum Beispiel mindestens eines der folgenden Materialien umfassen:

- Gummi,
- Klebstoff,
- Phenol,
- Metallpartikel,
- Glaspartikel,
- Sandpartikel,
- organische Partikel,
- Kunststoffpartikel.

Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Darin:

1a zeigt ein Scheibenbremssystem,
1b zeigt eine Bremsscheibe mit einem Bremsklotz in einem Nicht-Brems-Zustand,
1c zeigt eine Bremsscheibe mit einem Bremsklotz in einem Bremszustand,
2 zeigt eine Bremsscheibe mit einer Unterschicht mit Einlageelementen,
3 illustriert anisotrope Materialeigenschaften der Unterschicht,
4 zeigt eine Unterschicht mit länglichen Einlageelementen, und
5a-5j zeigen verschiedene Verteilungen von Einlageelementen innerhalb einer Unterschicht.

1a zeigt ein Scheibenbremssystem, einen rotierenden Körper in Form einer Bremsscheibe 6 und einen Bremssattel 5 umfassend. Der Bremssattel 5 hält einen Kolben 4 und zwei Bremsklötze, die dafür eingerichtet sind, gegen die Bremsscheibe 6 gepresst zu werden. Der Bremsklotz auf der rechten Seite, der mit dem Kolben 4 verbunden ist, ist so konfiguriert, dass er zum Bremsen in eine positive z-Richtung bewegt wird, wie durch einen Pfeil angedeutet, und der gegenüberliegende Bremsklotz, der von einem Finger des Bremssattels 5 gehalten wird, ist so konfiguriert, dass er zum Bremsen in eine negative z-Richtung bewegt wird. Nach dem Lösen der Bremsen werden beide Bremsklötze von der Bremsscheibe 6 wegbewegt und sollten ihre nicht-bremsende Position so zuverlässig wie möglich wieder einnehmen und beibehalten, um ein Schleppmoment zu vermeiden. Jeder Bremsklotz umfasst eine Rückplatte 1, eine Unterschicht 2 und ein Reibmaterial 3, die in dieser Reihenfolge entlang der z-Richtung geschichtet sind (positive z-Richtung für den Bremsklotz auf der rechten Seite und spiegelbildlich negative z-Richtung für den Bremsklotz auf der linken Seite). Die Unterschicht 2 ist in den folgenden Figuren deutlicher zu erkennen. Wie weiter unten erläutert wird, weist die Unterschicht 2 gemäß der vorliegenden Anmeldung eine anisotrope Materialeigenschaft auf, wobei mindestens ein Materialparameter in z-Richtung einen anderen Wert hat als in einer zur z-Richtung orthogonalen Richtung.
1b und c zeigen vergrößerte Ansichten eines Teils des rechten Bremsklotzes und eines Teils der Bremsscheibe 6. 1b zeigt einen Nicht-Brems-Zustand, und 1c zeigt einen Bremszustand.
Im Nicht-Brems-Zustand von 1b hat ein Spalt g zwischen der Bremsscheibe 6 und dem Bremsklotz eine Sollspaltbreite von 0,1 mm bis 0,15 mm, die zuverlässig wiederhergestellt und eingehalten werden soll. Die Dicke d der Unterschicht 2 beträgt im Nihct-Brems-Zustand zwischen 2 mm und 3 mm.
Wenn die Bremsen betätigt werden (1c), verschwindet der Spalt g, da die Bremsklötze (d. h. die Reibmaterialien 3) gegen die Bremsscheibe 6 gedrückt werden. Durch Reibung erzeugte Wärme führt dazu, dass die Dicke der Unterschicht 2 durch thermische Ausdehnung um Δd zunimmt. Dabei ist die Unterschicht so eingerichtet, dass sie sich bei einer Erwärmung von 20°C auf 150°C in z-Richtung um mindestens 0,1 mm ausdehnt, wobei diese Ausdehnung in axialer z-Richtung stattfindet während sie einem Druck von mindestens 5 bar entgegenwirkt. Die Erwärmung und Ausdehnung erfolgt zum Beispiel während einer 15s-Bremsanwendung. Zum Beispiel: Δd=0,12 mm. Die Unterschicht 2 kann so konfiguriert sein, dass sie sich bei einer Erwärmung von 20°C auf 150°C in die x-Richtung und in die y-Richtung jeweils um 0,03 mm bis 0,05 mm ausdehnt. In diesem Sinne ist die thermische Ausdehnung anisotrop, da die Ausdehnung in der axialen z-Richtung die thermische Ausdehnung in einer zur z-Richtung orthogonalen Ebene übersteigt.
Nach dem Lösen der Bremse verschwindet die äußere Last und die Erwärmung der Unterschicht 2 wird gestoppt. Wenn die Unterschicht 2 wieder eine niedrigere Temperatur annimmt, z. B. Raumtemperatur, nehmen die Abmessungen der Unterschicht wieder ihre ursprüngliche Länge, Breite und Höhe in x-, y- und z-Richtung an.
2 zeigt einen Teil der Bremsscheibe 6 und zwei Bremsklötze, wobei jeder Bremsklotz eine Rückplatte 1, eine Unterschicht 2 und ein Reibmaterial 3 umfasst. Die Unterschicht 2 umfasst ein Basismaterial 2.1 und Einlageelemente 2.2, die im Basismaterial 2.1 angeordnet sind. Wie noch erläutert wird, ermöglichen die Einlageelemente 2.2 die Bereitstellung der anisotropen Materialeigenschaften für die Unterschicht 2.
Insbesondere kann die Unterschicht 2 durch Einlageelemente, z. B. in Form von Hartmetall- und/oder Glasstücken, verstärkt werden, die einen sehr hohen Kompressionswiderstand und einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Einlageelemente 2.2 können z. B. Gummi und/oder Mineralien, wie Stein, und/oder Glas und/oder Metall, wie Stahl, und/oder Phenol umfassen.
Das Basismaterial 2.1 der Unterschicht 2 kann mindestens eines der folgenden Materialien umfassen: Gummi, Klebstoff, Phenol, Metallpartikel, Glaspartikel, Sandpartikel, organische Partikel, Kunststoffpartikel.
Die Einlageelemente 2.2 haben einen Kompressionsmodul, der zum Beispiel das 4- bis 5-fache des Kompressionsmoduls des Basismaterials 2.1 beträgt.
Die Einlageelemente 2.2 haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der z. B. mindestens das Dreifache des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Basismaterials 2.1 beträgt.
Zum Beispiel hat ein Material der Einlageelemente bei Erwärmung eine Wärmeausdehnung von 1,0 E-1/K bis 1,4 E-5 1/K und das Basismaterial eine Wärmeausdehnung von 0,2 E-5 1/K bis 0,4 E-5 1/K. Zum Beispiel hat das Material der Einlageelemente bei Abkühlung eine thermische Kontraktion von -3 E-6 1/K bis -5 E-6 1/K und das Basismaterial eine thermische Kontraktion von -1,2 E-6 bis -1,6 E-6 1/K.
3 zeigt die Unterschicht 2 gemäß der Anmeldung, wobei die axiale z-Achse sowie die zur z-Richtung senkrecht stehenden x- und y-Richtungen bezeichnet sind. Wie bereits erwähnt, hat die Unterschicht 2 insgesamt anisotrope Materialeigenschaften. Diese anisotropen Materialeigenschaften können bereitgestellt werden durch

Ein anisotroper Elastizitätsmodul E kann zum Beispiel die folgenden Tensorkomponenten (in MPa) haben:

E_xx = 14500 (von 12000 bis 18000)
E_yy = 14500 (von 12000 bis 18000)
E_zz = 4600 (von 2500 bis 7500)

Ein anisotroper Schermodul G kann beispielhaft die folgenden Tensorkomponenten (in MPa) haben:

G_xz = 3800 (von 1800 bis 6800)
G_yz = 3800 (von 1800 bis 6800)
G_xy = 6200 (von 4000 bis 9500)

Eine anisotrope Poissonzahl v kann beispielhaft die folgenden Tensorkomponenten (dimensionslos) haben:

v_xz = v_yz = 0,15 (von 0,12 bis 0,18)
v_zx = v_zy = 0,08 (von 0,05 bis 0,10)
v_xy = V_yx = 0,25 (von 0,18 bis 0,30)

Die Dichte der Unterschicht 2 beträgt z. B. 2,3 gr/cm³ (2,0 bis 2,5). Der Widerstand gegen Komprimierbarkeit der Unterschicht 2 beträgt mindestens 0,0008 mm³/bar und/oder höchstens 0,0012 mm³/bar.
4 zeigt einen Schnitt durch eine Unterschicht 2 mit richtungsorientierten Einlageelementen 2.2, die im Basismaterial 2.1 angeordnet sind, gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung. Die Einlageelemente 2.2 sind längliche Elemente 2.2a. Konkret handelt es sich bei den gezeigten Einlageelementen 2.2 um Fasern oder Stäbe, zum Beispiel aus Metall und/oder Glas. Sie haben einen annähernd kreisförmigen Querschnitt. Sie sind in Längsrichtung entlang der z-Richtung als Hauptrichtung ausgerichtet, d. h. sie erstrecken sich in z-Richtung.
Die länglichen Elemente 2.2a haben einen Durchmesser zwischen 50 µm und 100 µm und eine Länge zwischen 0,5 mm und 2 mm, wobei die Länge der länglichen Elemente 2.2a, die in z-Richtung orientiert sind, typischerweise die Dicke der Unterschicht 2 nicht überschreitet.
Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Dichte der länglichen Einlageelemente 2.2 in einem Randbereich in der Nähe von Außenrändern der Unterschicht 2 im Vergleich zur Dichte der länglichen Einlageelemente in einem zentralen Bereich der Unterschicht 2 erhöht. Der Randbereich ist ein Bereich, der sich z. B. bis zu 2 mm von einem Außenrand der Unterschicht 2 erstreckt. Der zentrale Bereich ist der Teil der Unterschicht 2, der von dem Randbereich umgeben ist. Die Einlageelemente 2.2 bilden somit einen Rahmen um den zentralen Bereich der Unterschicht 2. Im Randbereich ist ein Abstand zwischen benachbarten Einlageelementen 2.2, die als längliche Elemente 2.2a ausgeführt sind, im Mittel geringer als deren Dicke, d.h. z.B. weniger als 0,1 mm, wobei sich einige der benachbarten Einlageelemente im Randbereich berühren, wodurch sich eine regional vergleichsweise hohe Volumendichte der Einlageelemente 2.2 ergibt (Volumen der Einlageelemente 2.2 pro Volumen der Unterschicht 2). Im Vergleich dazu ist die Volumendichte der Einlageelemente 2.2 im zentralen Bereich geringer, da die Einlageelemente 2.2 verteilter angeordnet sind.
Die durchschnittliche Gesamtvolumendichte der Einlageelemente in der Unterschicht 2 liegt zwischen 10 % und 40 %.
Die in 4 gezeigte Anordnung der Einlageelemente 2.2 erleichtert die Bereitstellung der anisotropen Materialeigenschaften. Weitere Ausführungsformen zur Bereitstellung anisotroper Materialeigenschaften sind in den 5b-j dargestellt.
5a zeigt noch einmal eine Übersicht über ein Bremssystem, wobei eine Schnittansicht die Bremsscheibe 6 und zwei Bremsklötze zeigt, wobei jeder Bremsklotz eine Rückplatte 1, eine Unterschicht 2 und ein Reibmaterial aufweist. In den folgenden 5b bis 5j werden Ausführungsformen des Bremsklotzes gemäß dieser Anmeldung gezeigt, beispielhaft am rechten Bremsklotz, der so gestaltet ist, dass er zum Bremsen in positiver z-Richtung bewegt wird. Alle gemachten Angaben gelten sinngemäß auch für den linken Bremsklotz.
5b zeigt eine Ausführungsform des Bremsklotzes, bei der die Unterschicht 2 ein Basismaterial 2.1 und Einlageelemente 2.2 aufweist, wobei die Einlageelemente 2.2 ausschließlich in einem Randbereich der Unterschicht 2, in einem Abstand von höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm von Außenrändern der Unterschicht 2 angeordnet sind.
5c zeigt eine Ausführungsform des Bremsklotzes, bei der die Einlageelemente 2.2 längliche Elementen 2.2a umfassen, die in einem Randbereich der Unterschicht 2 angeordnet sind und sich in die z-Richtung erstrecken. Zusätzlich umfassen die Einlageelemente 2.2 weitere Einlageelemente 2.2b, die sich im Nahbereich der Rückplatte 1, zum Beispiel orthogonal zur z-Richtung, erstrecken. Die weiteren Einlageelemente 2.2b können aus dem gleichen oder einem anderen Material bestehen als die sich in z-Richtung erstreckenden länglichen Elemente 2.2a. Die länglichen Elemente 2.2a, die sich in z-Richtung erstrecken, sind auf einen Abstand von höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm von einem Außenrand der Unterschicht 2 beschränkt. Die weiteren Einlageelemente 2.2b sind auf einen Abstand von höchstens 0,5 mm zur Rückplatte beschränkt. Die weiteren Einlageelemente 2.2b erstrecken sich bis zu 1 cm in Richtung der Mitte der Unterschicht 2, weg vom äußeren Rand der Unterschicht 2.
Alle Einlageelemente 2.2 können einen Durchmesser von z. B. 50 µm bis 100 µm haben.
5d zeigt eine Ausführungsform des Bremsklotzes, bei der ähnlich wie bei der Ausführungsform von 5c sich in z-Richtung erstreckende längliche Elemente 2.2a vorgesehen sind, die auf den Randbereich bis zu 3 mm oder bis zu 2 mm vom Außenrand der Unterschicht begrenzt sind. Zusätzlich sind weitere Einlageelemente 2.2b in einem Abstand von höchstens 0,5 mm von der Rückplatte 1 vorgesehen, wobei sich die weiteren Einlageelemente 2.2b durch die Unterschicht, beispielsweise über die gesamte Unterschicht, erstrecken. Die weiteren Einlageelemente 2.2b können aus dem gleichen oder einem anderen Material bestehen als die sich in z-Richtung erstreckenden länglichen Elemente 2.2a.
5e zeigt eine Ausführungsform des Bremsklotzes, bei der eine Vielzahl von länglichen Elementen 2.2a vorgesehen ist, die sich in z-Richtung erstrecken. Die länglichen Elemente 2.2a sind über das gesamte Volumen der Unterschicht 2 verteilt und somit nicht auf einen Randbereich der Unterschicht 2 beschränkt. Weitere Einlageelemente 2.2b, die sich orthogonal zur z-Richtung erstrecken, sind ebenfalls vorgesehen. Die weiteren Einlageelemente 2.2b sind auf einen Abstand von höchstens 0,5 mm zur Rückplatte 1 begrenzt.
5f zeigt eine Ausführungsform, bei der die länglichen Elemente 2.2a in einer Hauptrichtung ausgerichtet sind, die leicht von der z-Richtung abweicht, wobei die länglichen Elemente von der z-Richtung um einen Winkel von beispielsweise 30 Grad oder weniger abweichen. Dabei sind die länglichen Elemente 2.2a in positiver z-Richtung nach außen zum Außenrand der Unterschicht 2 hin abgewinkelt.
5g zeigt eine Ausführungsform des Bremsklotzes, bei der eine Vielzahl verschiedener Einlageelemente 2.2 mit unterschiedlichen Formen und Größen vorgesehen sind. Sie beschränken sich auf einen Randbereich der Unterschicht 2, der bis zu 2 oder 3 mm vom Außenrand der Unterschicht 2 entfernt ist. Die Einlageelemente 2.2 enthalten partikelartige Einlageelemente 2.2c, die Gummi und/oder Gummipulver und/oder Phenolpartikel enthalten können. Die partikelartigen Einlageelemente 2.2c können eine annähernd kugelförmige oder eine beliebige Form mit einem Durchmesser von z. B. höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm haben. Die Unterschicht 2 enthält auch längliche Elemente 2.2a mit einem Durchmesser von höchstens 50 µm und einer Länge von höchstens 0,1 mm. Zumindest einige der länglichen Elemente 2.2a im Randbereich der Unterschicht sind entlang der z-Richtung ausgerichtet. Zusätzlich befinden sich im Nahbereich der Rückplatte 1 weitere Einlageelemente 2.2b, die in einer Richtung orthogonal zur z-Richtung ausgerichtet sind. Die weiteren Einlageelemente 2.2b haben ebenfalls einen Durchmesser von höchstens 50 µm und eine Länge von höchstens 0,1 mm, und die weiteren Einlageelemente 2.2b sind ebenfalls auf den Randbereich beschränkt.
5h zeigt einen Bremsklotz, bei dem die Unterschicht 2 längliche Elemente 2.2a mit einem Durchmesser von höchstens 50 µm und einer Länge von höchstens 0,1 mm aufweist. Sie beschränken sich auf einen Randbereich der Unterschicht 2, der sich bis zu 2 oder 3 mm vom Außenrand der Unterschicht 2 erstreckt. Die länglichen Elemente 2.2a sind entlang der z-Richtung ausgerichtet. Zusätzlich befinden sich im Nahbereich der Rückplatte 1 weitere Einlageelemente 2.2b, die in einer Richtung orthogonal zur z-Richtung ausgerichtet sind. Die weiteren Einlageelemente 2.2b haben ebenfalls einen Durchmesser von höchstens 50 µm und eine Länge von höchstens 0,1 mm. Die weiteren Einlageelemente 2.2b sind in der gesamten Unterschicht 2 im Nahbereich der Rückplatte 1 verteilt.
5i zeigt einen Bremsklotz, bei dem die Unterschicht 2 längliche Elemente 2.2a mit einem Durchmesser von höchstens 50 µm und einer Länge von höchstens 0,1 mm aufweist. Die länglichen Elemente 2.2a sind entlang der z-Richtung ausgerichtet. Die länglichen Elemente 2.2a sind über die gesamte Unterschicht verteilt. Zusätzlich befinden sich im Nahbereich der Rückplatte 1 weitere Einlageelemente 2.2b, die in einer Richtung orthogonal zur z-Richtung ausgerichtet sind. Die weiteren Einlageelemente 2.2b haben ebenfalls einen Durchmesser von höchstens 50 µm und eine Länge von höchstens 0,1 mm. Die weiteren Einlageelemente 2.2b sind in der gesamten Unterschicht 2 im Nahbereich der Rückplatte 1 verteilt. Zusätzlich gibt es partikelartige Einlageelemente 2.2c mit einer annähernd kugelförmigen oder beliebigen Form, mit einem Durchmesser von z.B. höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm, wobei die partikelartigen Einlageelemente 2.2c im Randbereich der Unterschicht 2 angeordnet sind und sich bis zu 2 oder 3 mm vom äußeren Rand der Unterschicht 2 erstrecken.
5j zeigt einen Bremsklotz, bei dem die Unterschicht 2 längliche Elemente 2.2a mit einem Durchmesser von höchstens 50 µm und einer Länge von höchstens 0,1 mm aufweist. Sie beschränken sich auf einen Randbereich der Unterschicht 2, der sich bis zu 2 oder 3 mm vom Außenrand der Unterschicht 2 erstreckt. Die länglichen Elemente 2.2a sind in einer Richtung ausgerichtet, die leicht von der z-Richtung abweicht, um 30 Grad oder weniger. Dabei sind die länglichen Elemente 2.2a in positiver z-Richtung nach außen zum Außenrand der Unterschicht 2 hin abgewinkelt. Außerdem enthält die Unterschicht 2 Staub 2.2d, der in der gesamten Unterschicht 2 verteilt ist, aber auf den Nahbereich der Rückplatte 1 beschränkt ist, bis zu 0,5 mm von der Rückplatte 1 entfernt.
Bezugszeichenliste

1: Rückplatte
2: Unterschicht
2.1: Basismaterial
2.2: Einlageelemente
2.2a: längliche Elemente
2.2b: weitere Einlageelemente
2.2c: Partikelartige Einlageelemente
2.2d: Staub
3: Reibmaterial
4: Kolben
5: Gehäuse
6: Bremsscheibe

Claims

Bremsklotz für eine Fahrzeugbremse, umfassend eine Rückplatte (1), eine Unterschicht (2) und ein Reibmaterial (3), die in dieser Reihenfolge in einer z-Richtung geschichtet sind, wobei der Bremsklotz dafür eingerichtet ist, in die z-Richtung bewegt zu werden, um zum Bremsen gegen einen rotierenden Körper gedrückt zu werden, wobei die Unterschicht (2) eine anisotrope Materialeigenschaft hat, wobei mindestens ein Materialparameter in der z-Richtung einen Wert hat, der sich von seinem Wert in einer Richtung orthogonal zur z-Richtung unterscheidet, wobei die Unterschicht ein Basismaterial (2.1) und in dem Basismaterial (2.1) angeordnete Einlageelemente (2.2) umfasst, wobei zumindest einige der Einlageelemente (2.2) längliche Elemente (2.2a) sind, die in einer Hauptrichtung ausgerichtet sind, die um höchstens 30° von der z-Richtung abweicht, wobei in einem Randbereich in der Nähe von Außenrändern der Unterschicht (2) eine höhere Dichte von Einlageelementen (2.2) vorgesehen ist als in einem zentralen Bereich der Unterschicht (2), wobei die Einlageelemente (2.2) in dem Randbereich den zentralen Bereich der Unterschicht (2) einrahmen.
Bremsklotz nach Anspruch 1, wobei die anisotrope Materialeigenschaft bereitgestellt wird durch - einen anisotropen Elastizitätsmodul und/oder - einen anisotropen Schermodul und/oder - eine anisotrope Poisson-Zahl, und/oder - eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit, und/oder - eine anisotrope Wärmeausdehnung, und/oder - eine anisotrope Kompressibilität, und/oder - einen anisotropen Speichermodul und/oder - einen anisotropen Verlustmodul.
Bremsklotz nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einlageelemente (2.2) Gummi und/oder Mineralien, wie z.B. Stein, und/oder Glas und/oder Metall, wie z.B. Stahl, und/oder Phenol umfassen.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die länglichen Elemente (2.2a) Fasern oder Stäbe sind.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die länglichen Elemente (2.2a) in die z-Richtung erstrecken.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Einlageelemente (2.2), beispielsweise die länglichen Elemente (2.2a), einen Durchmesser von mindestens 40 µm oder mindestens 50 µm und/oder höchstens 110 µm oder höchstens 100 µm und/oder eine Länge von mindestens 0,4 mm oder mindestens 0,5 mm und/oder höchstens oder höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm aufweisen.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Einlageelemente (2.2) einen Durchmesser von höchstens 50 µm und/oder eine Länge von höchstens 0,1 mm aufweisen und beispielsweise nicht in einer Hauptrichtung ausgerichtet sind.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Randbereich auf einen Abstand von höchstens 4 mm oder höchstens 3 mm oder höchstens 2 mm von einem Außenrand der Unterschicht (2) begrenzt ist und/oder der Nahbereich der Rückplatte auf einen Abstand von höchstens 0,5 mm von der Rückplatte begrenzt ist.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Einlageelementen (2.2), insbesondere länglichen Elementen (2.2a), im Randbereich im Mittel weniger als 0,5 mm oder weniger als 0,3 mm oder weniger als 0,1 mm beträgt, wobei beispielsweise zumindest einige der benachbarten Einlageelemente (2.2), insbesondere länglichen Elemente (2.2a), im Randbereich einander berühren.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einlageelemente (2.2) mindestens das Doppelte des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Basismaterials (2.1), vorzugsweise mindestens das Dreifache des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Basismaterials (2.1) beträgt.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material der Einlageelemente bei Erwärmung eine Wärmeausdehnung von 1.0 E-1/K bis 1,4 E-5 1/K hat und/oder das Basismaterial eine thermische Ausdehnung von 0,2 E-5 1/K bis 0,4 E-5 1/K hat und/oder das Material der Einlageelemente beim Abkühlen eine thermische Kontraktion von -3 E-6 1/K bis -5 E-6 1/K hat und/oder das Basismaterial eine thermische Kontraktion von -1,2 E-6 bis -1,6 E-6 1/K hat.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichte der Einlageelemente (2.2), beispielsweise in Form von Mineralfasern, in der Unterschicht mindestens 10 % oder mindestens 15 % und/oder höchstens 40 % beträgt.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unterschicht derart eingerichtet ist, dass sie sich in z-Richtung um mindestens 0,1 mm oder mindestens 0,2 mm ausdehnt, wenn sie von 20°C auf 150°C erwärmt wird, wobei die Ausdehnung vorzugsweise einem Druck von mindestens 5 bar entgegenwirkt, wobei eine Dicke der Unterschicht vorzugsweise mindestens 1,5 mm oder mindestens 2 mm und/oder höchstens 3 mm und/oder höchstens 3,5 mm beträgt.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unterschicht (2) derart eingerichtet ist, dass sie sich um mindestens 0,03 mm und/oder höchstens 0,05 mm in die x-Richtung und/oder in die y-Richtung ausdehnt, wenn sie von 20°C auf 150°C erhitzt wird.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Widerstand gegen Kompression der Unterschicht mindestens 0,0008 mm³/bar und/oder höchstens 0,0012 mm³/bar beträgt.
Bremsklotz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismaterial (2.1) der Unterschicht (2) mindestens einen der folgenden Bestandteile aufweist: - Gummi, - Klebstoff, - Phenol, - Metallpartikel, - Glaspartikel, - Sandpartikel, - organische Partikel, - Kunststoffpartikel.