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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Fertigung einer belüfteten Bremsscheibe.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fertigung
einer belüfteten
Bremsscheibe aus rostfreiem Stahl.
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2. Technischer
Hintergrund
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Fahrrad
fahren wird gerade zunehmend populär, sowohl als Form der Erholung
als auch als Transportmittel. Außerdem hat sich Fahrradfahren
zu einem sehr populären
Wettkampfsport entwickelt. Unabhängig
davon, ob das Fahrrad für
Erholungs-, Transport- oder Wettkampfzwecke verwendet wird, führt die
Fahrradindustrie laufend eine Verbesserung von dessen Bauteilen
durch. Insbesondere werden fortlaufend Fahrradbauteile entwickelt,
die leichter sind und dabei über
verbesserte Leistungsfähigkeit verfügen. Ein
spezielles Fahrradbauteil, das in den vergangenen Jahren umfassend
neu gestaltet wurde, ist das Bremssystem von Fahrrädern.
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Es
gibt mehrere Typen von Fahrradbremsvorrichtungen, die im Moment
auf dem Markt verfügbar
sind. Beispiele für
einige übliche
Typen von Fahrradbremsvorrichtungen umfassen Felgenbremsen, Zangenbremsen
und Scheibenbremsen. Wenn ein Fahrradfahrer nach einem Hochleistungsbremssystem
verlangt, möchte
er typischerweise ein Scheibenbremssystem. Scheibenbremssysteme
liefern eine beträchtliche
Bremsleistung im Verhältnis
zur auf den Bremsgriff aufgebrachten Größe der Bremskraft. Außerdem sorgen
Scheibenbremssysteme typischerweise für ein hohes Beständigkeitsniveau
bei allen Typen von Wetter- und Fahrbedingungen.
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Jedoch
besteht ein bei Scheibenbremsen angetroffenes Problem darin, dass
bei dem Hydraulik- oder Betätigungsfluid
ein Überhitzen
auftreten kann, derart, dass durch Dampfbildung ein Blockieren auftritt.
Mit anderen Worten führt
die durch den Bremsvorgang erzeugte Wärme dazu, dass das Volumen
des Hydraulikfluids zunimmt, was zur Folge hat, dass die Bremsbeläge mit der
Bremsscheibe in Eingriff kommen, sogar wenn sich der Bremshebel
in der Freigabeposition befindet. Wenn ein durch Dampfbildung bedingtes
Blockieren auftritt, können die
Fahrradlaufräder
blockieren und einen Sturz des Fahrradfahrers verursachen. Demgemäß ist es
wichtig, ein Scheibenbremssystem zu gestalten, bei dem ein durch
Dampfbildung bedingtes Blockieren vermieden oder minimiert wird.
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Bei
Scheibenbremssystemen des Standes der Technik wurden verschiedene
Verfahren verwendet, um ein durch Dampfbildung bedingtes Blockieren
zu vermeiden. Beispielsweise kann das Sattelgehäuse größer gemacht werden, um eine
größere Wärmemenge
zu absorbieren. Ein weiteres Verfahren bestand darin, eine größere Bremsscheibe
mit größerer Oberfläche zu fertigen.
Ebenso kann ein durch Dampf verursachtes Blockieren durch Verwendung
eines Hydraulikfluids hoher Qualität unterdrückt werden. Noch ein weiteres
Verfahren zur Verhinderung eines durch Dampfbildung bedingten Blockierens
bestand darin, Brems- oder Reibbeläge zu verwenden, bei welchen
eine Wärmeübertragung
auf das Bremsengehäuse
nicht so leicht wie bei herkömmlichen
Reibbelägen
erfolgt. Diese Verfahren des Standes der Technik zur Vermeidung
eines durch Dampfbildung bedingten Blockierens weisen viele Probleme
auf. Ein spezielles Problem besteht darin, dass diese Lösungen häufig teuer
in der Fertigung sind. Außerdem
führen
einige dieser Lösungen
des Standes der Technik zu einem Bremssystem von größerem Gewicht.
Außerdem
sind einige dieser Lösungen
des Standes der Technik nicht vollständig wirkungsvoll.
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Das
Dokument
US 5,626,211 offenbart
ein Verfahren zur Fertigung einer belüfteten Bremsscheibe gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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In
Anbetracht des zuvor Beschriebenen besteht ein Bedarf nach einem
Verfahren zur Fertigung einer belüfteten Bremsscheibe aus rostfreiem
Stahl, das die zuvor beschriebenen Probleme des Standes der Technik überwindet.
Die Erfindung zielt auf eine Beseitigung dieses Mangels des Standes
der Technik sowie weiterer Mängel
ab, wie für
Fachleute aus der folgenden Beschreibung klar hervorgeht.
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INHALT DER
ERFINDUNG
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung einer
relativ billig herstellbaren belüfteten
Bremsscheibe aus rostfreiem Stahl bereitzustellen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fertigung
einer relativ einfach herstellbaren belüfteten Bremsscheibe aus rostfreiem Stahl
bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zur Fertigung einer belüfteten Bremsscheibe gemäß der Definition
von Anspruch 1 bereitgestellt.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung
gehen für
Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung klar hervor,
welche in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung offenbart.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend
sei Bezug genommen auf die anliegenden Zeichnungen, welche einen
Teil dieser ursprünglichen
Offenbarung bilden. Diese zeigen:
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1 eine
partielle Seitenansicht eines Abschnittes eines Fahrrades mit einer
an diesem angebrachte Fahrradscheibenbremsbaugruppe in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
vergrößerte partielle
Seitenansicht der Scheibenbremse und der Bremsscheibe, die an der
Vordergabel des in 1 dargestellten Fahrrades angebracht
sind;
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3 eine
Seitenansicht der belüfteten Bremsscheibe,
die bei der in 1 dargestellten Scheibenbremsbaugruppe
verwendet wird, in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
Kantenansicht der in 3 dargestellten belüfteten Bremsscheibe
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
explodierte Kantenansicht der in 3 und 4 dargestellten
belüfteten
Bremsscheibe in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Seitenansicht der in 1 bis 5 dargestellten
belüfteten
Bremsscheibe in einem Einspannelement;
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7 eine
Seitenansicht des Abstandselementes, das in der in 1 bis 6 dargestellten belüfteten Bremsscheibe
verwendet wird, in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung; und
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8 ein
Graph, welcher die Wärmebehandlung
zur Fertigung der in 3 bis 6 dargestellten
belüfteten
Bremsscheibe darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zu
Anfang Bezug nehmend auf 1 ist ein vorderer Abschnitt
eines Fahrrades 10 mit einer mit diesem verbundenen Scheibenbremsbaugruppe 12 in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Fahrräder,
wie beispielsweise das Fahrrad 10, sind in der Technik
bekannt, und daher werden das Fahrrad 10 und seine verschiedenen Bestandteile
hier nicht detailliert erläutert
oder dargestellt. Für
Fachleute ist offensichtlich, dass das Fahrrad 10 ein beliebiger
Typ von Fahrrad sein kann, z. B. ein Mountainbike, ein Hybridfahrrad
oder ein Straßenrennrad.
Das Fahrrad 10 ist ein herkömmliches Fahrrad mit einer
mit der Vorderga bel 14 verbundenen Scheibenbremsbaugruppe 12,
welche dazu dient, die Drehung des Laufrades 16 wahlweise
zu unterbrechen.
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Auch
wenn lediglich der vordere Abschnitt des Fahrrades 10 mit
einer Scheibenbremsbaugruppe 12 dargestellt ist, geht für Fachleute
aus dieser Beschreibung klar hervor, dass eine zweite Scheibenbremsbaugruppe 12 verwendet
werden kann, um das hintere Laufrad des Fahrrades 10 zu
stoppen. Außerdem
geht für
Fachleute aus dieser Beschreibung klar hervor, dass verschiedene Änderungen und
Modifikationen an den hier offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden
können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie definiert in den anliegenden
Ansprüchen,
abzuweichen.
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Wie
am besten aus 2 zu ersehen, beinhaltet die
Scheibenbremsbaugruppe 12 im Wesentlichen einen Bremshebel 18,
einen mit dem Bremshebel 18 verbundenen Scheibenbremssattel 20 und eine
Bremsscheibe 22. Der Scheibenbremssattel 20 ist
mit der Gabel 14 des Fahrrades 10 fest verbunden,
hingegen ist die Bremsscheibe 22 mit der Nabe 24 des
Laufrades 16 fest verbunden. Der Scheibenbremssattel 20 kann
ein beliebiger Typ von Scheibenbremssattel sein, der gestaltet ist,
um eine Klemmkraft aufzubringen, um die Drehung des Fahrradlaufrades 16 mittels
der Bremsscheibe 22 zu stoppen. Da Scheibenbremssättel wie
beispielsweise der Scheibenbremssattel 20 an sich bekannt
sind, wird der Scheibenbremssattel hier nicht detailliert erläutert oder
illustriert.
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Die
Bremsscheibe 22 ist eine belüftete Bremsscheibe, die im
Wesentlichen aus drei Bauelementen besteht, die mit der Nabe 24 des
Laufrades 16 über
ein Scheibenträgerelement 26 verbunden sind.
Insbesondere werden acht Befestigungseinrichtungen 28 verwendet,
um die Bremsscheibe 22 mit dem Scheibenträgerelement 26 lösbar zu
verbinden. Die genaue Verbindung zwischen Bremsscheibe 22 und
dem Scheibenträgerelement 26 ist
für die
Erfindung nicht kritisch. Somit wird die Verbindung zwischen der
Bremsscheibe 22 und dem Scheibenträgerelement 26 hier
nicht detailliert erläutert.
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Im
Wesentlichen weist, wie aus den 3 bis 6 zu
ersehen, die Bremsscheibe 22 ein Paar von ringförmigen Plattenelementen 30 auf,
wobei ein Abstandselement 32 zwischen diesen angeordnet und
mit diesen verbunden ist. Die ringförmigen Plattenelemente 30 sind
mit dem Abstandselement 32 mittels einer Bondpaste verschweißt. Die
Bondpaste ist eine Nickelbondpaste (japanischer Industriestandard:
BNi-4). Wenn die ringförmigen
Plattenelemente 30 mit dem Abstandselement 32 verbunden
sind, sind eine Mehrzahl von sich in radialer Richtung erstreckenden
Belüftungsöffnungen
zwischen den ringförmigen
Plattenelementen 30 ausgebildet.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
haben die ringförmigen
Plattenelemente 30 im Wesentlichen zueinander identischen
Aufbau. Selbstverständlich
geht für
Fachleute aus dieser Beschreibung hervor, dass sich die Formen der
zwei Plattenelemente 30 je nach Anforderung und/oder Wunsch
geringfügig
unterscheiden können.
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Die
ringförmigen
Plattenelemente 30 bestehen aus rostfreiem Stahl, so dass
sie nicht rosten oder korrodieren, wenn sie mit dem Fahrrad 10 verwendet
werden. Wie am besten aus den 2 und 3 zu
ersehen, beinhaltet jedes der ringförmigen Plattenelemente 30 einen
kreisförmigen
ringförmigen Abschnitt 34 mit
acht Befestigungselementen 36, die sich in radialer Richtung
zur Achse des Ringabschnittes 34 erstrecken. Anzahl und/oder
Form der Befestigungselemente 36 hängen von der genauen Struktur
des Scheibenträgerelementes 26 ab.
Daher geht für
Fachleute aus dieser Beschreibung klar hervor, dass Anzahl und/oder
Form der Befestigungselemente 36 in Abhängigkeit vom Scheibenträgerelement 26 variiert
werden können.
Vorzugsweise weist der Ringabschnitt 34 einen Außendurchmesser
von ungefähr
165 mm und einen Innendurchmesser von ungefähr 135 mm auf. Die bevorzugte
Dicke des Ringabschnittes 34 beträgt vorzugsweise ungefähr 0,8 mm ± 0,05
mm.
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Um
die Plattenelemente 30 mit dem Abstandselement 32 zu
verbinden, wird der Ringabschnitt 34 eines jeden der Plattenelemente 30 mit
der Nickelbondpaste beschichtet. Selbstverständlich können auch andere Bondpastentypen
verwendet werden, welche als Katalysatoren wirken, um die Herstellung
der Bremsscheibe 22 in Übereinstimmung
mit der Erfindung auszuführen.
Die Bondpaste kann punktweise auf die Ringabschnitte 34 aufgetragen
werden oder sie kann gleichmäßig auf
die gesamte Fläche
der Ringabschnitte 34 aufgetragen werden, je nach Anforderung
und/oder Wunsch.
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Nachfolgend
Bezug nehmend auf die 4 bis 7, fungiert
ein Abstandselement 32 der Bremsscheibe 22 als
Kern der belüfteten
Scheibe für die
ringförmigen
Plattenelemente 30. Die ringförmigen Plattenelemente 30 werden
mit den Abstandselementen 32 an den axial zugewandten Innenflächen der
ringförmigen
Plattenelemente 30 angebracht. Vorzugsweise ist das aus
rostfreiem Stahl bestehende Abstandselement 32 als einstückiges,
aus einem einheitlichen Material bestehendes Element aufgebaut.
Auch wenn das Abstandselement 32 als ein durchgehendes
ringförmiges
Element dargestellt ist, geht für
Fachleute aus dieser Beschreibung klar hervor, dass das Abstandselement 32 aus
mehreren Abschnitten aufgebaut sein kann, so dass ein nicht zusammenhängendes
ringförmiges
Element gebildet wird. Vorzugsweise sind der Außen- und Innendurchmesser der
Abstandselemente 32 im Wesentlichen identisch zum Außen- und
Innendurchmesser der ringförmigen
Abschnitte 34 der Plattenelemente 30. Selbstverständlich können diese
Durchmesser je nach Anforderung und/oder Wunsch variieren.
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Wie
am besten aus den 5 und 7 zu ersehen,
kann das Abstandselement 32 aus einem Blechmaterial aufgebaut
sein kann, das gewellt ist, d. h. derart gefaltet ist, dass abwechselnd
Stege und Nuten ausgebildet sind. In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Abstandselement 32 so gewellt, dass eine Mehrzahl
von ebenen Verbindungsabschnitten 40 gebildet werden, die über eine
Mehrzahl von Abstands- oder
Zwischenraumabschnitten verbunden sind. Die ebenen Verschweiß- oder
Verbindungsabschnitte 40 sind abwechselnd angeordnet, um
mit gegenüber
liegenden Abschnitten der Plattenelemente 30 verbunden
oder verschweißt
zu werden. Mit anderen Worten weisen die Verschweiß- oder Verbindungsabschnitte 40 in
axiale Richtung, wobei die Verschweiß- oder Verbindungsfläche eines
jeden der Verbindungsabschnitte 40 in einer zu den benachbarten
Verbindungsabschnitten 40 entgegengesetzten Richtung weist.
Die Zwischenraumabschnitte 42 erstrecken sich vorzugsweise
im Wesentlichen in axialer Richtung zwischen den Verbindungsabschnit ten 40.
Vorzugsweise beträgt
die Gesamtdicke des Abstandselementes 32 zwischen den zwischen
entgegengesetzten Verbindungsabschnitten 40 angeordneten,
nach außen
weisenden Axialflächen
vorzugsweise 3,2 mm. Die Dicke des das gewellte Abstandselement 32 bildenden
Plattenelementes beträgt
anfänglich
ungefähr
0,6 mm. Demgemäß hat, wenn
die ringförmigen
Plattenelemente 30 mit den Abstandselementen 32 verschweißt sind,
die entstandene belüftete
Bremsscheibe 22 eine Gesamtdicke von ca. 4,8 mm ± 0,15
mm.
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Nachfolgend
sei das Verfahren zur Fertigung der Bremsscheibe 22 betrachtet,
bei dem ringförmige Plattenelemente 30 aus
rostfreiem Stahlblechmaterial ausgestanzt oder aus rostfreiem Stahl
gegossen sind. In ähnlicher
Weise wird das Abstandselement 32 aus rostfreiem Stahlblechmaterial
gestanzt und/oder gebogen oder aus rostfreiem Stahl formgegossen.
Die Verschweiß-
oder Verbindungsabschnitte 40 und/oder die Ringabschnitte 34 werden
mit einem aus einer Nickelbondpaste bestehenden dünnen Film
beschichtet. Das Abstandselement 32 wird dann zwischen
den axial zugewandten Innenflächen der
Plattenelemente 30 derart angeordnet, dass die Verbindungsabschnitte 40 den
Plattenelementen 30 zugewandt sind. Die drei Bestandteile,
d. h. die Plattenelemente 30 und das Abstandselement 32,
werden dann in einer Einspanneinheit 48 miteinander verbunden,
wie in 6 dargestellt, derart, dass die Verbindungs- oder
Verschweißabschnitte 40 des
Abstandselementes 32 fest mit den axialen Innenflächen der
ringförmigen
Plattenelemente 30 in Kontakt stehen. Beispielsweise können, wie
aus 6 zu ersehen, das Abstandselement 32 und
die Plattenelemente 30 zwischen einem Paar von Trägerplatten 50 angeordnet
sein, welche durch Bolzen 52 aufeinander gedrückt werden,
damit zwischen den ringförmigen
Plattenelement 30 und dem Abstandselement 32 ein
Einspanndruck aufgebracht wird. Selbstverständlich können anstelle der in 6 dargestellten
Einspanneinheit 48 andere Typen von Mechanismen verwendet
werden.
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Nachfolgend
wird die aus Abstandselement 32 und ringförmigen Plattenelementen 30 bestehende
kombinierte Einheit 48 einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen,
um die Bremsscheibe 22 zu härten und eine einzige Einheit
zu bilden. Die entstehende Bremsscheibe oder -einheit 22 ist
eine integral belüftete
Bremsscheibe 22, welche wesentlich billiger herstellbar
ist als eine gegossene oder spanend bearbeitete Bremsscheibe mit
sich in radialer Richtung erstreckenden Belüftungsöffnungen. Während des Wärmebehandlungsprozesses wird
die Einspanneinheit 48 mit dem darin festgehaltenen Abstandselement 32 und
den ringförmigen
Plattenelementen 30 einer Wärmebehandlung unterzogen, um die
Plattenelemente 30 und das Abstandselement 32 gleichzeitig
zu verschweißen
und zu härten.
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Vorzugsweise
werden die Einspanneinheit 48 zusammen mit der Bremsscheibe 22 für eine vorbestimmte
Zeitdauer einer Wärmebehandlung
in drei Stufen unterzogen. Zuerst werden die Einspanneinheit 48 und
die Bremsscheibe 22 beide mit einer Geschwindigkeit von
ungefähr
15°C pro
Minute erwärmt,
bis eine Temperatur von ungefähr
650°C erreicht
wird. Die Einspanneinheit 48 und die Bremsscheibe 22 werden
für ungefähr 0,1 Minute
auf ungefähr
650°C gehalten.
Dann wird die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 15°C pro Minute
auf ungefähr
800°C erhöht. Die
Einspanneinheit 48 und die Bremsscheibe 22 werden
ungefähr
60 Minuten lang einer Temperatur von 800°C ausgesetzt. Danach wird die
Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 10°C pro Minute erhöht, bis
eine Temperatur von ungefähr
1000°C,
vorzugsweise ungefähr
1030°C erreicht
wird. Die Einspanneinheit 48 und die Bremsscheibe 22 werden
dann ungefähr
30 Minuten lang einer Temperatur von ungefähr 1000°C bis ungefähr 1030°C ausgesetzt. Diese Wärmebehandlung
bewirkt, dass eine Austenitisierung der Kristallstruktur des rostfreien
Stahls der Plattenelemente 30 und des Abstandselementes 32 erfolgt.
Selbstverständlich können andere
Temperaturen und Wärmebehandlungszeiten
zur Realisierung der Erfindung verwendet werden.
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Demgemäß ist nach
dieser Wärmebehandlung
der rostfreie Stahl der ringförmigen
Plattenelemente und des Abstandselementes 32 härter als
vor der Wärmebehandlung.
Außerdem
wirkt die Bondpaste als Katalysator, welcher bewirkt, dass das Metall
der Verschweiß-
oder Verbindungsabschnitte 40 des Abstandselementes 32 mit
dem Metall der axial zugewandten Innenflächen der Plattenelemente 30 verschmelzen.
Mit anderen Worten fungiert die Bondpaste als Katalysator zum Verschweißen des
Abstandselementes 32 mit den ringförmigen Plattenelementen 30.
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Nachdem
die Bremsscheibe 22 gehärtet wurde,
erfolgt ein schnelles Abkühlen
oder Abschrecken der Bremsscheibe 22, um die neue Struktur
des rostfreien Stahls zu konservieren. In diesem Zustand ist die
Zwischenstruktur der Bremsscheibe 22 etwas spröde. Um die
Sprödigkeit
der Bremsscheibe 22 zu verringern, wird eine Anlassbehandlung
der Bremsscheibe durch erneutes Erwärmen der Bremsscheibe 22 auf
ungefähr
200°C für ungefähr 2 Stunden
durchgeführt.
Die Bremsscheibe 22 wird dann abgekühlt, um ein im Wesentlichen
integrales einstückiges
Element zu bilden.
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Auch
wenn hier lediglich eine Ausführungsformen
gewählt
wurde, um die Erfindung zu erläutern,
wird für
Fachleute aus dieser Beschreibung klar, dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert
ist. Weiter dient die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung lediglich zu Darstellungszwecken und nicht dem Zweck
einer Einschränkung
der Erfindung wie definiert durch die anliegenden Ansprüche und
deren Äquivalente.