DE102008053637B4 - Friction ring of an internally ventilated brake disk - Google Patents
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Abstract
Reibring (12, 12') einer innenbelüfteten Bremsscheibe (10, 10'), welcher zumindest bereichsweise eine Beschichtung (22, 24) aufweist, wobei die Beschichtung (22, 24) ein Dickenprofil mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken (d1, d2, d3) aufweist, und wobei der Reibring (12, 12') ein Oberflächenprofil aufweist, welches komplementär zu dem Dickenprofil der Beschichtung (22, 24) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (22, 24) oberhalb der Kühlkanäle höher ist als oberhalb der zugeordneten Noppen (36) oder Stege.Friction ring (12, 12 ') of an internally ventilated brake disc (10, 10') which has a coating (22, 24) at least in some areas, the coating (22, 24) having a thickness profile with different coating thicknesses (d1, d2, d3) , and wherein the friction ring (12, 12 ') has a surface profile which is complementary to the thickness profile of the coating (22, 24), characterized in that the thickness of the coating (22, 24) above the cooling channels is greater than above the associated knobs (36) or webs.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reibring für eine Bremsscheibe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a friction ring for a brake disc according to the preamble of patent claim 1.
Beschichtete Reibringe sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die
Aus der
Aus der
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reibring nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Reibrings derart weiter zu entwickeln, dass Materialspannungen zwischen Beschichtung und Grundkörper des Reibringes reduziert werden und thermische Verzüge bei hohen Bremstemperaturen vermindert werden.It is therefore an object of the present invention to further develop a friction ring according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a friction ring, that material stresses between the coating and body of the friction ring are reduced and thermal distortions are reduced at high brake temperatures.
Diese Aufgabe wird durch einen Reibring mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a friction ring with the features of claim 1.
Ein derartiger Reibring für eine Bremsscheibe weist zumindest bereichsweise eine Beschichtung auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Beschichtung ein Dickenprofil mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken aufweist. Mit anderen Worten wird die Beschichtung ungleichmäßig dick auf die Reibfläche des Reibringes aufgebracht. Die Oberfläche des Reibringes, wie er in der Scheibenbremse zum Einsatz kommt ist selbstverständlich wieder eben. Durch eine entsprechende Wahl des Dickenprofils der Beschichtung ist eine belastungsgerechte Auftragung der Beschichtung möglich. Kriterien für die Wahl der lokalen Beschichtungsdicke sind dabei zum einen die thermische Belastung an jedem Punkt des Reibringes und zum anderen der radiale Verlauf der Druckbelastung durch den Bremsbelag über den Reibring hinweg. Durch eine solche belastungsgerechte Aufbringung einer Beschichtung kann ein möglichst homogenes Temperaturfeld in der Reibfläche der Bremsscheibe erzeugt werden. Hierdurch wird vorteilhaft Gefahr von Dickenschwankungen – so genannten DTVs (Disc Thickness Variation) über die Bremsscheibe hinweg reduziert. Damit wird insbesondere das so genannte Heißrubbeln, also Vibrationen und Geräusche, welche beim Hochtemperaturbetrieb der Bremsscheibe auftreten, reduziert. Ebenso wird der punktuelle Verschleiß der Bremsscheibe an so genannten Hotspots, also Punkten die sich besonders stark aufheizen, vermindert.Such a friction ring for a brake disc has a coating at least in regions. According to the invention, it is provided that the coating has a thickness profile with different coating thicknesses. In other words, the coating is applied unevenly thick on the friction surface of the friction ring. Of course, the surface of the friction ring, as used in the disc brake, is level again. By a suitable choice of the thickness profile of the coating, a load-appropriate application of the coating is possible. Criteria for the choice of the local coating thickness are on the one hand the thermal load at each point of the friction ring and on the other hand the radial course of the pressure load through the brake lining over the friction ring. By such a load-appropriate application of a coating as homogeneous a temperature field in the friction surface of the brake disc can be generated. This advantageously reduces the danger of thickness fluctuations - so-called DTVs (Disc Thickness Variation) across the brake disc. Thus, in particular the so-called hot scrubbing, so vibrations and noise, which occur during high-temperature operation of the brake disc is reduced. Likewise, the punctual wear of the brake disc at so-called hotspots, so points that heat up particularly strong, reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Reibring dabei ein Oberflächenprofil auf, welches komplementär zu dem Dickenprofil der Beschichtung ausgebildet ist. Mit anderen Worten ergibt die Kombination aus einer Profilierung der Oberfläche des Grundkörpers des Reibringes und dem ungleichmäßig dicken Auftrag der Beschichtung eine ebene Reibringfläche. So wird nicht nur das Heißrubbeln vermindert, sondern auch im kalten Betrieb der Bremse Vibrationen und Verschleiß vermieden. Die Art der Profilierung des Grundkörpers des Reibringes und der Beschichtungsdicke ist dabei des Weiteren vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung abhängig. In der Regel wird dieser höher sein, als derjenige des Grundkörpers des Reibringes. In Kombination mit dem ungleichmäßigen Temperaturprofil über den Reibring hinweg ergibt sich so aus der Kombination der unterschiedlichen Schichtdicken und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine gleichmäßige Wärmeausdehnung der gesamten Bremsscheibe auch bei Hochtemperaturbetrieb. Der Kontakt des Reibrings mit dem Bremsbelag der Bremsbacken ist dabei über den gesamten Betriebsbereich des Reibringes hinweg gleichmäßig und planparallel. Fading und Belagschrägverschleiß werden vorteilhaft reduziert.In a preferred embodiment, the friction ring in this case has a surface profile which is designed to be complementary to the thickness profile of the coating. In other words, the combination of a profiling of the surface of the main body of the friction ring and the unevenly thick application of the coating results in a flat friction ring surface. This not only reduces hot scrubbing but also avoids vibrations and wear during cold operation of the brake. The type of profiling of the main body of the friction ring and the coating thickness is further dependent on the thermal expansion coefficient of the coating. As a rule, this will be higher than that of the main body of the friction ring. In combination with the uneven temperature profile across the friction ring, this results in the combination of the different layer thicknesses and the different thermal expansion coefficients a uniform thermal expansion of the entire brake disc even at high temperature operation. The contact of the friction ring with the brake lining of the brake shoes is uniform and plane-parallel over the entire operating range of the friction ring. Fading and lining wear are advantageously reduced.
Für die Ausführung des Dickenprofils in radialer Richtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Es ist beispielsweise möglich, die Beschichtung in radialer Richtung keilförmig auszubilden, so dass sich beispielsweise eine Dickenzunahme von innen nach außen hin ergibt. Alternativ hierzu ist ein zumindest bereichsweise konkaves Dickenprofil der Beschichtung möglich.There are various possibilities for the execution of the thickness profile in the radial direction. For example, it is possible to form the coating wedge-shaped in the radial direction, so that, for example, an increase in thickness results from the inside to the outside. Alternatively, an at least partially concave thickness profile of the coating is possible.
Die Ausführung des Dickenprofils ist dabei wesentlich von der konkreten Ausgestaltung des Reibringes selbst abhängig, so dass beispielsweise ein einteiliger, massiver Reibring eine andere Beschichtungsprofilierung erhalten wird, als ein innenbelüfteter Reibring. Insbesondere beim innenbelüfteten Reibring ist eine verstärkte Beschichtung außerhalb des Noppenbereiches, bzw. der Stege entlang der Kühlkanäle der Innenbelüftung notwendig, um unterschiedliche Temperaturableitungen und unterschiedliche Wärmeausdehnungen zu kompensieren. Hierdurch ergeben sich in radialer und tangentialer Richtung unterschiedlich verlaufende Dickenprofile.The execution of the thickness profile is substantially dependent on the specific design of the friction ring itself, so that, for example, a one-piece, solid friction ring, a different coating profiling is obtained as an internally ventilated friction ring. In particular, in the case of the internally ventilated friction ring, a reinforced coating outside the dimple region or the webs along the cooling channels of the internal ventilation is necessary in order to compensate for different temperature derivatives and different thermal expansions. This results in the radial and tangential direction differently extending thickness profiles.
Da die thermische Ausdehnung des Reibringes im Bereich der Noppen, bzw. Stege in axialer Richtung (senkrecht zur Reibringoberfläche) größer ist als in den Bereichen mit Kühlkanälen, wird hier bevorzugt eine dünnere Beschichtung ausgeführt.Since the thermal expansion of the friction ring in the region of the knobs, or webs in the axial direction (perpendicular to the friction ring surface) is greater than in the areas with cooling channels, a thinner coating is preferably carried out here.
Bei der Beschichtung handelt es sich um verschleißresistente Reibmaterialien. Hier kann weit gehend auf bekannte verschleißfeste und Reib-Materialien zurückgegriffen werden, wie beispielsweise auch in den
Die Beschichtung umfasst bevorzugter Weise Chromcarbid und/oder Aluminiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Diamant und/oder Cermets. Diese Werkstoffe liegen insbesondere als Komponente in Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix vor, so genannte Metall-Matrix-Composites (MMC). Als metallische Matrix sind hier insbesondere Ni-, Cr, Mo- oder Co-Legierungen geeignet. Weiter geeignete Beschichtungen sind aus intermetallischen Composits (IMC) gebildet. Ein besonders bevorzugter IMC-Werkstoff wird im Wesentlichen aus Titanaluminiden und Aluminiumoxid gebildet.The coating preferably comprises chromium carbide and / or alumina and / or titanium dioxide and / or diamond and / or cermets. In particular, these materials are present as a component in composite materials with a metallic matrix, so-called metal matrix composites (MMC). As a metallic matrix here in particular Ni, Cr, Mo or Co alloys are suitable. Further suitable coatings are formed from intermetallic composites (IMC). A particularly preferred IMC material is formed essentially from titanium aluminides and aluminum oxide.
Weitere geeignete Beschichtungen sind W/Cr/Ni-Beschichtungen oder WC/Cr/Ni-Beschichtungen.Other suitable coatings are W / Cr / Ni coatings or WC / Cr / Ni coatings.
Alle genannten Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Härte und teilweise hohe Zähigkeit sowie Temperaturbeständigkeit aus und besitzen damit hohe Verschleißbeständigkeit. Vorteilhafterweise weisen sie darüber hinaus eine hohe Temperaturbeständigkeit und gute Reibkoeffizienten in der Paarung mit den bekannten Reibbelägen von Scheibenbremsen auf.All these materials are characterized by a high hardness and sometimes high toughness and temperature resistance and thus have high wear resistance. Advantageously, they also have a high temperature resistance and good coefficients of friction in the pairing with the known friction linings of disc brakes.
Zusätzlich kann zwischen der Beschichtung und dem Grundkörper des Reibrings eine Zwischenschicht vorgesehen sein. Solche Zwischenschichten können mehrere Funktionen übernehmen. Zum einen ist die Haftungsvermittlung zwischen Beschichtung und Grundkörper von großer Bedeutung, um so gerade bei den Belastungen des Bremsbetriebes eine sichere Haftung der Beschichtung zu garantieren. Die Zwischenschicht kann zum anderen die Funktion der Temperaturableitung übernehmen, so dass die thermische Belastbarkeit der Bremsscheibe erhöht wird.In addition, an intermediate layer can be provided between the coating and the main body of the friction ring. Such intermediate layers can take over several functions. On the one hand, the adhesion mediation between the coating and the base body is of great importance, so as to guarantee a secure adhesion of the coating, especially in the case of the loads of the braking operation. On the other hand, the intermediate layer can assume the function of dissipating the temperature, so that the thermal load capacity of the brake disk is increased.
Bei einer solchen Zwischenschicht kann es sich um eine Schicht aus aluminium- und/oder chromhaltigen Nickellegierungen handeln. Für besonders gute Temperaturbeständigkeit ist auch die Verwendung von Zirkonium-Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen möglich.Such an intermediate layer may be a layer of aluminum and / or chromium-containing nickel alloys. For particularly good temperature resistance, the use of zirconium-nickel-chromium-aluminum-yttrium alloys is also possible.
Der Grundkörper des Reibringes ist weiterhin bevorzugt aus Grauguss oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Grauguss weist dabei selbst hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die thermischen Probleme des Betriebes der Bremse reduziert werden. Die Verwendung einer Aluminiumlegierung wird erst in Kombination mit einer Beschichtung möglich, da der Reibwert von Aluminium in der Regel zu gering ist. In Kombination mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Beschichtung kann die Verwendung von Aluminiumgrundkörpern für den Reibring jedoch eine vorteilhafte Reduktion der ungefederten Massen des Kraftfahrzeuges bewirken. Der Reibring kann weiterhin einteilig mit einem Bremsscheibentopf ausgeführt sein oder auch in Form einer zweiteiligen Bremsscheibe. Erfindungsgemäße Reibringe können sowohl massiv als auch innenbelüftet sein.The main body of the friction ring is further preferably formed from gray cast iron or an aluminum alloy. Cast iron itself has excellent thermal conductivity, so that the thermal problems of the operation of the brake can be reduced. The use of an aluminum alloy is possible only in combination with a coating, since the coefficient of friction of aluminum is usually too low. However, in combination with a coating designed according to the invention, the use of aluminum base bodies for the friction ring can bring about an advantageous reduction of the unsprung masses of the motor vehicle. The friction ring can continue to be made in one piece with a brake disc pot or in the form of a two-piece brake disc. Inventive friction rings can be both solid and internally ventilated.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Reibrings für eine Bremsscheibe welche die eingangs genannten Merkmale aufweist. Das Verfahren umfasst dabei zwei Schritte. Zunächst wird ein zu einem Dickenprofil einer Beschichtung mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken komplementäres Oberflächenprofil des Reibringes ausgebildet. Dies kann bereits während des Urformens – also beispielsweise während des Gießens – des Reibringes erfolgen. Alternativ ist es möglich, einen Grundkörper mit planer Oberfläche zu gießen oder anderweitig urzuformen und das Oberflächenprofil in der Folge durch abtragender Verfahren, wie beispielsweise Spanen, Erodieren oder dergleichen, zu erzeugen. Im folgenden Verfahrensschritt wird schließlich eine Beschichtung unter Ausbildung des Dickenprofils mit unterschiedlichen Beschichtungsdicken auf den Grundkörper des Reibrings aufgebracht. In der Folge ergibt sich so bevorzugt eine ebene Reibfläche. Zum Aufbringen der Beschichtung werden dabei bevorzugt thermische Spritzverfahren wie Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogen-Drahtspritzen (LDS) oder dergleichen oder auch Physical Vapour Deposition (PVD) verwendet.The invention further relates to a method for producing a friction ring for a brake disc which has the features mentioned. The method comprises two steps. First, a surface profile of the friction ring complementary to a thickness profile of a coating having different coating thicknesses is formed. This can already during the original molding - so for example during the Casting - the friction ring done. Alternatively, it is possible to cast or otherwise mold a base body having a planer surface and to subsequently produce the surface profile by abrasive methods such as machining, erosion, or the like. In the following method step, a coating is finally applied to the main body of the friction ring to form the thickness profile with different coating thicknesses. As a result, preferably results in a flat friction surface. To apply the coating, thermal spraying methods such as flame spraying, plasma spraying, arc wire spraying (LDS) or the like or else physical vapor deposition (PVD) are preferably used.
Ein weiteres geeignetes Verfahren wird durch Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials gebildet, bei dem das Trägermaterial an der Oberfläche partiell durch Strahlungsenergie aufgeschmolzen, der Beschichtungswerkstoff mit der Schmelze vermischt und so in das Trägermaterial eingebunden wird.Another suitable method is formed by melting the coating material, in which the carrier material is partially melted at the surface by radiation energy, the coating material is mixed with the melt and thus incorporated into the carrier material.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:In the following, the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Hereby show:
Während des Betriebs der Bremsscheibe
Die Beschichtung
Die Dickenprofile der Beschichtungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 10'10, 10 '
- Bremsscheibebrake disc
- 12, 12'12, 12 '
- Reibringfriction ring
- 1414
- Bremsscheibentopfbrake disc pot
- 1616
- Aufnahmeöffnungreceiving opening
- 1818
- Reibflächefriction surface
- 2020
- Reibflächefriction surface
- 2222
- Beschichtungcoating
- 2424
- Beschichtungcoating
- 2626
- Außenrandouter edge
- 2828
- Grundkörperbody
- 3030
- Luftkanalair duct
- 3232
- ReibringhälfteReibringhälfte
- 3434
- ReibringhälfteReibringhälfte
- 3636
- Noppenburl
- 3838
- innen gelegener Bereichinside area
- 4040
- außen gelegener Bereichoutside area
- d1 d 1
- Mindestdickeminimum thickness
- d2 d 2
- Maximaldickemaximum thickness
- d3 d 3
- Maximaldickemaximum thickness
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