DE69209717T2

DE69209717T2 - Bremsscheibe für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE69209717T2
Application number: DE69209717T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Yamazaki; Hiroshi Yoshida; Morio Yumoto
Original assignee: Nissin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2012-05-22
Also published as: JPH04347020A; EP0515193A3; EP0515193B1; DE69209717D1; EP0515193A2; JPH07107413B2; US5306678A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Scheibenbremse für Fahrzeuge, wobei die Bremse eine zum integralen Rotieren mit den Rädern ausgebildete Scheibe sowie Bremsklötze aufweist, welche in Reibungskontakt mit jeder Seite der Scheibe gebracht werden. Die Erfindung betrifft auch einen Bremsklotz und eine Scheibe zur Verwendung in einer derartigen Bremse und ein Verfahren der Herstellung eines kohlenstoffaserverstärkten keramischen Verbundstoffes zur Verwendung in einer Scheibenbremse.
Als Reibungselemente von Scheibenbremsen für Fahrzeuge wurden im allgemeinen eine Gußeisenscheibe und Bremsklötze aus sogenannten Harzformmaterialien - wie halbmetallische Materialien und Asbestersatzstoffe - verwendet.
Allerdings ist der maximale Reibungskoeffizient, der durch die Kombination der obigen Typen von Scheiben und Bremsklötzen erzielt werden kann, 0.3 bis 0.4 µ (entsprechend JIS D4411), und eine solche Kombination von Scheibe und Bremsklötzen nutzt sich bald ab. Der Verschleiß von Bremsklötzen ist erhöht, besonders wenn Bremsklötze verwendet werden, die aus einem weichen Material herqestellt sind, um die Bremsempfindlichkeit zu verbessern und den Reibungskoeffizienten zu erhöhen. DE-A-3602132 offenbart ein Gleit- oder Reibungselement, welches ein Keramikverbundteil umfast, in dem Fasern in eine keramische Matrix eingebettet sind. EP-A-0351113 offenbart einen faserverstärkten Keramikverbundstoff und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundstoffes.
Von einem Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung eine Scheibenbremse für Fahrzeuge zur Verfügung, die eine zum integralen Rotieren mit den Rädern ausgebildete Scheibe sowie Bremsklötze umfaßt, welche im Reibungskontakt mit jeder Seite der Scheibe gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Scheibe oder der Bremsklötze aus einem kohlenstoffaserverstärkten Keramikverbundsstoff hergestellt ist, der aus einer Mullit enthaltenden Matrix mit in der Mullit-Korngrenze verstreuten Teilchen aus Karbid oder Nitrid besteht, wobei die Matrix durch eine Kohlenstoffaser verstärkt ist, und wobei das andere der Scheibe oder der Bremsklötze aus einem anderen Material hergestellt ist.
Von einem zweiten Aspekt aus betrachtet, stellt die vorliegende Erfindung die Kombination von einer Scheibe und Bremsklötzen zur Verwendung in einer Scheibenbremsen-Baugruppe zur Verfügung, dadurch gekennzeichnet, daß eines von der Scheibe oder den Bremsklötzen aus kohlenstoffaserverstärktem keramischen Verbundstoff hergestellt ist, welcher aus einer keramischen Matrix besteht, die Mullit mit in der Mullit-Korngrenze verstreuten Teilchen aus Karbid oder Nitrid enthält, wobei die Matrix durch eine Kohlenstoffaser verstärkt ist, und wobei das andere der Scheibe oder der Bremsklötze aus einem anderen Material hergestellt ist.
Der kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff der oben beschriebenen Zusammensetzung hat eine hohe Härte, und ist vorzüqlich in seiner Robustheit und Reißfestigkeit, was es ermöglicht, eine Scheibenbremse mit Reibungselementen zur Verfügung zu stellen, welche mit reduzierten Verschleißraten beständig einen hohen Reibungskoeffizienten liefern können, selbst unter Bedingungen von sich ändernder Temperatur.
Da die Reibungselemente einen hohen Reibungskoeffizienten liefern können und mit geringen Raten verschleißen, ist es ferner möglich, durch Reduzieren der Masse der Scheibe und der Bremsklötze die Größe und die Masse eines Bremssattels - und damit die ungefederte Masse - zu reduzieren, wodurch die Eetriebsstabilität beim Fahren eines Fahrzeugs verbessert wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun, nur beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei
Fig. 1 eine grafische Darstellung ist, die Temperaturänderungen in einem Versuch an einer ersten Ausführungsform zeigt, wobei die Änderungen durch die durch einen Bremsbetrieb erzeugte Reibungswärme verursacht werden.
Der zu verwendende kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff wird vorzugsweise in der folgenden Weise hergestellt: Mullit wird einer Lösung eines organometallischen Hochpolymers beigemischt, um eine breiige Imprägnierlösung zu bilden, und lange Kohlenstoffasern werden darin eingebettet, so daß die Lösung sich gleichmäßig an der Oberfläche der Faser absetzt. Die damit imprägnierte lange Faser wird in eine gewünschte Länge geschnitten, und eine nach der anderen geschichtet, wobei jedes Mal die Orientierung der Faser geändert wird, bis das resultierende Laminat eine vorbestimmte Dicke besitzt. Das Laminat wird dann unter einer Inertgasatmosphäre geheizt, um den organometallischen Hochpolymer unschmelzbar zu machen, und dann zu einer Form geformt, gefolgt von einem Ausbacken unter Druck durch eine heiße Presse unter Inertgasatmosphäre.
Somit wird die organische Komponente des organometallischen Hochpolymers pyrolytisch zerlegt und von diesem in Form von feinen Teilchen aus Karbid oder Nitrid freigesetzt, welche gleichmäßig in der ganzen Mullit-Korngrenze verteilt werden, wobei der kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff durch die darin verteilten Teilchen weiter verstärkt wird.
Der so erhaltene Verbundstoff, in welchem feine Teilchen und lange Fasern gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, besitzt eine deutlich verbesserte Bruchfestigkeit, weil Bruchverformung und Herausziehen von Fasern aus der Matrix gleichzeitig stattfinden, so daß ein beträchtlicher Betrag der Bruchenergie effektiv absorbiert wird, während der Verbundstoff einer von außen angewendeten Bremskraft ausgesetzt ist.
Ferner besitzen die Keramiken hohe Härte und sind ausgezeichnet in ihrer Wärmeschockfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit. Der oben beschriebene Keramikverbundstoff ist deshalb ein Material, das wirksam für eine Bremsvorrichtung eingesetzt werden kann, die auf dem Prinzip der Umsetzung kinetischer Energie in thermische Energie beruhend arbeitet. In einer Ausführungsform wurde der oben beschriebene kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff als Scheibe verwendet, während S45C, eine Art von Kohlenstoffstahl für maschinen-konstruktive Verwendung, als Bremsklotz verwendet wurde. In einem Versuch wurde diese Kombination von Scheibe und Bremsklötzen entsprechend JIS D4411 getestet. Die Ergebnisse sind wie folgt:
(1) Der durch diese Kombination erzielte Reibungskoeffizient ist 0.5 bis 0.6 µ; und stabil gegenüber Temperaturänderung.
(2) Wie aus Fig. 1 verstanden werden kann, ist die vorliegende Scheibe viel vorzüglicher in den Aufheizeigenschaften, den Wärmedissipationseigenschaften und der Effizienz der Umsetzung kinetischer Energie in thermische Energie als die herkömmliche Scheibe. Diese Figur zeigt eine Temperaturänderung - verursacht durch die durch den Bremsbetrieb erzeugte Reibungswärme - der vorliegenden Scheiben (durchgezogene Linie) im Vergleich mit der Temperaturänderung einer herkömmlichen aus Gußeisen hergestellten Scheibe (gestrichelte Line).
Deshalb kann die Energie, die für den Verschleiß der Scheibe verbraucht wird, entsprechend dieser Ausführungsform reduziert werden, woraus eine verbesserte Verschleißfestigkeit resultiert.
(3) Die Verschleißtiefe der vorliegenden Scheibe ist nicht mehr als fünf Mikron in Vergleich zu 20 bis 30 Mikron der herkömmlichen Gußeisenscheibe.
(4) Die Verschleißtiefe der vorliegenden Bremsklötze ist 0.2 mm bis 0.3 mm im Vergleich zu 0.5 mm bis 1 mm der herkömmlichen Harzform-Bremsklötze.
(5) Der kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff ist vorzüglich in der Härte, der Bruchfestigkeit und den thermischen Dissipationseigenschaften, und weist eine hohe Verschleißfestigkeit auf. Die vorliegende Scheibe kann deshalb ausreichend eine Dicke von einem Viertel oder weniger der Dicke einer herkömmlichen aus Gußeisen hergestellten Scheibe vom belüfteten Typ oder die Hälfte der Dicke einer herkömmlichen Scheibe vom massiven Typ aufweisen. Die Masse der Scheibe ist deshalb im Vergleich zu ungefähr 5 kg der aus Gußeisen hergestellten Scheibe auf etwa 1.6 kg reduziert.
(6) Die vorliegende Scheibe kann ausreichend eine Dicke von etwa zwei Dritteln der Dicke einer herkömmlichen Scheibe aufweisen, weil die vorliegende Scheibe eine kleinere Verschleißrate besitzt.
(7) Die vorliegende Scheibenbremse zeigt vorzügliche Schwundminderungseigenschaften weil die Scheibe bzw. die Bremsklötze beide aus hochwärmefesten Materialien sind.
Ferner wird, weil die Scheibe auch vorzügliche thermische Dissipationseigenschaften aufweist, die durch den Bremsbetrieb erzeugte Reibungswärme effizient dissipiert, was eine stabile Bremskraft selbst während eines Bremsbetriebs unter hoher Wärmebelastung erlaubt.
Außerdem erzielt man im wesentlichen die gleichen wie oben beschriebenen Ergebnisse, wenn der gleiche Versuch wie oben unter Verwendung der vorliegenden Scheibe, in Kombination mit Bremsklötzen, die aus gewalztem Stahl für allgemein-konstruktive Verwendung, bzw. einem gesinterten metallischen Material bzw. einem Harzformmaterial hergestellt sind, durchgeführt wird.
Wie aus dem obigen verstanden werden kann, kann wenigstens gemäß bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung die Dicke der Scheibe und diejenige der Bremsklötze gegenüber den herkömmlichen Dicken reduziert werden, und damit kann die Breite des Steges eines Bremssattels reduziert werden. Entsprechend kann nicht nur die Größe und die Masse des Sattels reduziert werden, sondern auch dessen Steifigkeit kann erhöht werden, und dies trägt seinerseits - in Verbindung mit der reduzierten Masse der Scheibe - zur Verringerung der ungefederten Masse bei, was die Betriebsstabilität beim Fahren eines Fahrzeugs verbessert.
In einer zweiten Ausführungsform wurde der kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff für die Bremsklötze verwendet, während S45C, eine Art von Kohlenstoffstahl für maschinen-konstruktive Verwendung, für die Scheibe verwendet wurde.
Diese Scheiben-Bremsklotz-Kombination wurde in der gleichen Weise wie bei dem oben beschriebenen Versuch (JIS D4411) getestet.
1) Der durch die Kombination erzielte Reibungskoeffizient ist 0.7 bis 0.9 µ und stabil gegenüber Temperaturänderung.
(2) Die Verschleißtiefe des vorliegenden Bremsklotzes ist 0.1 mm bis 0.2 mm im Vergleich zu 0.5 mm bis 1 mm der herkömmlichen Harzform-Bremsklötze.
(3) Die Verschleißtiefe der vorliegenden Scheibe ist nicht mehr als 10 Mikron im Vergleich zu 20 bis 30 Mikron der herkömmlichen Gußeisen-Scheiben.
(4) Die Dicke des vorliegenden Bremsklotzes kann ausreichend etwa zwei Drittel der Dicke von herkömmlichen Klötzen sein, weil der vorliegende Bremsklotz eine kleinere Verschleißrate aufweist.
Außerdem werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie oben beschrieben erzielt, wenn der gleiche Versuch wie oben unter everwendung des vorliegenden Bremsklotzes in Kombination mit einer Gußeisenscheibe bzw. einer Scheibe aus rostfreiem Stahl durchqeführt wird.
Wie aus dem obigen verstanden werden kann, kann die Dicke des Bremsklotzes entsprechend dieser Ausführungsform gegenüber den herkömmlichen Dicken verringert werden, und damit kann nicht nur die Größe und die Masse eines Bremssattels verringert werden, sondern auch dessen Steifigkeit erhöht werden. Ferner ist es möglich, weil wenigstens entsprechend bevorzugten Auzführungsformen dieser Erfindung ein hoher Reibungskoeffizient zwischen der Scheibe und dem Bremsklotz erzielt werden kann, sowohl den Durchmesser der Scheibe, wie auch den Oberflächenbereich des in Reibungskontakt mit der Scheibe zu bringenden Bremsklotzes zu verringern, wobei die Größe des Bremsklotzes und ihrerseits die Größe des Sattels verringert werden kann, um die Betriebsstabilität beim Fahren eines Fahrzeugs zu verbessern.
Daher wird zumindest in bevorzugten Ausführungsformen eine Scheibenbremse für Fahrzeuge unter Verwendung einer Kombination von einer Scheibe und Bremsklötzen zur Verfügung gestellt, die einen hohen Reibungskoeffizienten bei verringerten Verschleißraten liefert.

Claims

1. Scheibenbremse für Fahrzeuge, umfassend eine zum integralen Rotieren mit den Rädern ausgebildete Scheibe sowie Bremsklötze, die in Reibungskontakt mit jeder Seite der Scheibe gebracht werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

eines der Scheibe oder der Bremsklötze aus einem kohl enstoffaserverstärkten Keramikverbundstoff hergestellt ist, welcher aus einer keramischen Matrix besteht, die Mullit mit Teilchen aus Karbid oder Nitrid in der Mullit-Korngrenze verteilt enthält,

wobei die Matrix durch eine Kohlenstoffaser verstärkt ist, und

wobei das andere der Scheibe oder der Bremsklötze aus einem anderen Material hergestellt ist.

2. Kombination von einer Scheibe und Bremsklötzen zur Verwendung in einer Scheibenbremsen-Baueinheit,

dadurch gekennzeichnet, daß

eines der Scheibe oder der Bremsklötze aus einem kohlenstoffaserverstärkten Keramikverbundstoff hergestellt ist, der aus einer keramischen Matrix besteht, die Mullit mit Teilchen aus Karbid oder Nitrid in der Mullit-Korngrenze verteilt enthält,

wobei die Matrix durch eine Kohlenstoffaser verstärkt ist, und

3. Verfahren zur Herstellung einer Scheibenbremse nach Anspruch 1 oder einer Kombination von einer Scheibe und Bremsklötzen nach Anspruch 2, wobei der kohlenstoffaserverstärkte Keramikverbundstoff hergestellt wird durch:

Einbetten einer langen Kohlenstoffaser in eine breiige Imprägnierlösung, die durch Beimischen von Mullit zu einer Lösung aus einem organometallischen Hochpolymer derart hergestellt ist, um zu erlauben, daß die Imprägnierlösung sich gleichmäßig auf der Oberfläche der langen Kohlenstoffaser absetzt;

Zuschneiden der so imprägnierten langen Kohlenstoffasern auf eine gewünschte Länge;

Schichten der zugeschnittenen Stücke der langen Kohlenstoffaser eine nach der anderen, wobei jedes Mal die Orientierung der langen Kohlenstoffaser-Stücke geändert wird, bis das resultierende Laminat aus den langen Kohlenstoffaser-Stücken eine vorbestimmte Dicke aufweist;

Heizen des resultierenden Laminats unter einer Inertgasatmosphäre, um den organometallischen Hochpolymer unschmelzbar zu machen;

Formen des Laminats zu einer Form; und

Ausbacken des geformten Laminats unter Druck durch eine heiße Presse unter Inertgasatmosphäre.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das andere Material ein Harzformmaterial ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das andere Material ein eisen-enthaltendes Material ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das andere Material S45C-Stahl ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das andere Material Gußeisen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das andere Material rostfreier Stahl ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das andere Material gewalzter Stahl ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das andere Material ein gesintertes metallisches Material ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 10, wobei die Bremsklötze aus dem kohlenstoffaserverstärkten Keramikverbundsstoff hergestellt sind und die Bremsscheibe aus einem anderen Material hergestellt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 10, wobei die Bremsscheibe aus dem kohlenstoffaserverstärkten Keramikverbundstoff hergestellt ist und die Bremsklötze aus dem anderen Material hergestellt sind.