DE102013108159A1

DE102013108159A1 - Geräuschoptimierter Bremsbelag

Info

Publication number: DE102013108159A1
Application number: DE102013108159.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Berndt; Achim Dohle; Manfred Hell; Wolfgang Hoffrichter; Stefanie Scholz
Original assignee: TMD Friction Services GmbH
Current assignee: TMD Friction Services GmbH
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-07-31
Also published as: DE102013108159A8; DE102013108159B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bremsbelag (1), welcher einen Belagträger (2), eine zwischen dem Belagträger (2) und der Reibschicht (4) angeordnete Zwischenschicht (3) und eine Reibschicht (4) aufweist, wobei die Zwischenschicht (3) zur tangentialen Dämpfung der Resonanzschwingungen aus Fluorkautschuk besteht oder diesen enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen bzgl. der Komforteigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Dämpfung von nieder-, mittel- und hochfrequenten Schwingungen, optimierten Brems- bzw. Reibbelag, ein Verfahren zur Bestimmung der dafür geeigneten Materialen und deren Verwendung.
Beim Einsatz von Brems- und Reibbelägen, wie z.B. bei Scheibenbremsen bei Motorrädern, LKW, PKW oder Bahnanwendungen als auch bei Trommelbremsen und Kupplungen zur Kraft- bzw. Energieübertragung durch Reibung, kommt es zu unerwünschten Geräuschen, die auf das sog. Reibungsquietschen bzw. auf das Auftreten von Resonanzschwingungen im Betriebszustand zurückzuführen sind. Diese Geräuschentwicklung ist insbesondere für die Fahrzeugindustrie problematisch, da sie die Komforteigenschaften des Fahrzeugs, z.B. PKW, insgesamt beeinträchtigt.
Es sind Bremsbacken oder Bremsbeläge im Stand der Technik bekannt, die aus einem Belagträger und einem Reibbelag bestehen, sowie aus einer zwischen dem Reibbelag und dem Belagträger angeordneten Zwischenschicht als Dämpfungselement zur Vermeidung von Reibungsquietschen. Mit einer solchen Zwischenschicht lassen sich Resonanzschwingungen, die beim Bremsen auftreten, dämpfen. Solche Dämpfungsschichten sind beispielsweise aus EP 0 621 414 A1 , US 5,407,034 oder EP 0 849 488 B1 bekannt und können aus verschiedenen Materialien oder Materialmischungen bestehen. Weiterhin wird im Stand der Technik auch die Verwendung von Dämpfungsblechen bei Scheibenbremsbelägen für den oben genannten Zweck beschrieben; vgl. EP 1 035 345 A2 .
Die bislang erzielten Ergebnisse sind allerdings weiterhin verbesserungswürdig, insbesondere im Hinblick auf die Verwendung von Reib- und Bremsbelägen in der KFZ-Industrie.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung eines Reib- und/oder eines Bremsbelags (oder einer Bremsbacke), bei dem unter Beibehaltung oder Verbesserung der Performanceeigenschaften eine Optimierung der Komforteigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Geräuschentwicklung im laufenden Betrieb, festgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Reib- und Bremsbeläge gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst.
Die im Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen zur Reduktion der Geräuschentwicklung beim Einsatz von Reibbelägen erfolgten immer im Hinblick auf eine axiale Dämpfung, betrafen also die eigenfrequenten oder Resonanzschwingungen in axialer Belagrichtung, d.h. in Druckrichtung des Bremskolbens oder senkrecht zur Reibbelagoberfläche. Zur Messung der axialen Resonanzfrequenzen (der axialen Schwingungen) wird der Reibbelag auf Schaumstoff gelagert und per Impulshammer berührend oder durch magnetische Anregung berührungslos senkrecht zur Belagoberfläche angeregt, und die Schwingungsantwort wird per Mikrofon, Laservibrometer oder Beschleunigungsaufnehmer, gemessen.
Es wurde nun gefunden, dass durch eine gezielte Beeinflussung der bisher nicht beachteten tangentialen Belagsteifigkeit und der tangentialen Dämpfung bei Reib- und Bremsbelägen die auftretenden nieder-, mittel- und hochfrequenten Resonanzschwingungen im laufenden Betrieb merklich reduziert werden können. Das Geräuschniveau sinkt, die Komforteigenschaften werden deutlich erhöht und die Performanceeigenschaften (z.B. Bremswirkung) beibehalten oder sogar noch verbessert.
Diese Beeinflussung von tangentialer Belagsteifigkeit und tangentialer Dämpfung wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer Zwischenschicht zwischen Belagträger und eigentlichem Reibbelag (oder Reibschicht) erzielt. Diese Zwischenschicht enthält Fluorkautschuk. In der bevorzugten Ausführungsform besteht diese Zwischenschicht aus Fluorkautschuk.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Bremsbeläge oder Bremsbacken entspricht somit grundsätzlich dem Aufbau solcher Teile, welche im Stand der Technik mit Dämpfungsschichten für die beschriebene axiale Dämpfung versehen sind. Solche Beläge sind insbesondere in der EP 0 849 488 B1 beschrieben, auf die hier für die Zwecke der Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.
Bei den für die erfindungsgemäße Zwischen- oder Dämpfungsschicht verwendeten Fluorkautschuken handelt es sich um eine Gruppe von Kautschuken, die als gemeinsames Merkmal Vinyliden(di)fluorid (VDF) als eines ihrer Monomere besitzen. Die beiden wichtigsten Typen dieser Fluorkautschuke sind (a) Copolymere (Dipolymere) aus Vinylidenfluorid (VDF) und Hexafluorpropylen (HFP) und (b) Terpolymere von VDF, HFP und Tetrafluorethylen (TFE). Durch das zusätzlich eingeführte TFE haben diese Terpolymere einen höheren Fluorgehalt (68–69% bzw. 70–71%) als die Copolymere (bevorzugt zwischen 66–67%). Die Angaben in % bedeuten hier und im Folgenden stets Gewichtsprozent (Gew.-%).
Besonders bevorzugt sind erfindungsgemäß die Copolymere aus VDF und HFP, insbesondere solche mit einer Mooney-Viskosität zwischen 33 und 100 MU (8,3 Nm = 100 MU). Geeignete Fluorkautschuke sind im Handel erhältlich und werden z.B. von den Firmen DuPont (Viton), Solvay-Solexis (Tecnoflan), Dyneon (Fluorel), Daikin Chemical (Dai-El) und Lanxess angeboten.
Die erfindungsgemäße Zwischenschicht kann ein- oder mehrschichtig ausgeführt sein, sie ist bevorzugt einschichtig. Ihre Dicke variiert in Abhängigkeit von der Ausgestaltung von Belagträger und Reibbelag. Sie beträgt jedoch in der Regel ca. 2 bis 4 mm. Auch Mischungen verschiedener Fluorkautschuke oder Mischungen von Fluorkautschuk(en) mit anderen Kautschuktypen, vorzugsweise Butyl- und Silikontypen, können vorteilhaft eingesetzt werden
Die beschriebene Zwischenschicht ist grundsätzlich mit allen bekannten Reibbelägen kombinierbar, so dass sich hier und damit auch für die Herstellung der Bremsbeläge keine zusätzlichen Anforderungen ergeben. Das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Bremsbeläge (insbesondere Scheibenbremsbeläge) wie auch die Schichtstärken der Komponenten (Reibmaterial, Zwischenschicht, Kleber, Trägerplatte = Belagträger) entsprechen den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Werten, was zu einem problemlosen Einsatz der erfindungsgemäßen Zwischenschicht in der Serienproduktion führt. Die Rohstoffe der Komponenten Zwischenschicht und Reibmaterial werden gemischt und nacheinander in eine Pressform gefüllt. Dann wird eine mit einem Kleber beschichtete Trägerplatte (Belagträger) in die Form eingelegt und Zwischenschicht und Reibmaterial auf die Trägerplatte verpresst, wobei die Abfolge Trägerplatte/Zwischenschicht/Reibmaterial entsteht. Anschließend wird der Bremsbelag gehärtet, was zu einer Harzreaktion führt und dem Belag Festigkeit verleiht. Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung von Fluorkautschuk ist neben der Dämpfungserhöhung die gute Interaktion mit dem im Reibmaterial befindlichen Phenolharz, wodurch die tangentiale Belagsteifigkeit deutlich verbessert wird. Dies ist bei allen anderen bekannten Kautschuken nicht der Fall.
Je nach Zusammensetzung und Dicke der Zwischenschicht ist es möglich, tangentiale Dämpfung und tangentiale Steifigkeit unabhängig voneinander einzustellen. Dies ist für eine möglichst effektive Geräuschlösung sehr wichtig, da diese beiden Effekte getrennt zu betrachten sind. Mit der Dämpfung kann dem System Schwingungsenergie entzogen und in Wärme umgewandelt werden. Dieser Effekt wirkt bei entsprechend vorliegender Belagschwingung sehr effektiv. Die veränderte tangentiale Steifigkeit des Bremsbelags bzw. Reibbelags hat veränderte Belagschwingungen zur Folge. Dadurch können die tangentialen Belagschwingungen z.B. von den tangentialen Eigenschwingungen der Bremsscheibe so getrennt werden, dass eine gemeinsame Modenkopplung vermieden wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung von tangentialer Dämpfung und Steifigkeit bei Bremsbelägen. Im Gegensatz zu Verfahren aus dem Stand der Technik, bei denen eine Vermessung der Reibbeläge bzw. von Belagproben mit Ultraschall erfolgt, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der komplette Bremsbelag vermessen. Dies führt zu realistischen Belastungszuständen und damit auch zur Ermittlung von realistischen Frequenzen der im laufenden Betrieb auftretenden Resonanzschwingungen.
Bei der erfindungsgemäßen tangentialen Messung wird der komplette Bremsbelag rückwirkungsfrei mit der Reibbelagseite/-oberfläche auf Lagermitteln (bevorzugt auf Drähten) gelagert und an der Trägerplatte mit einem Impulsgeber (Impulshammer) tangential angeregt. Die Anregung muss so erfolgen, dass Frequenzen bis ca. 12 kHz angeregt werden können. Bis zu dieser Frequenz können bei PKW-Bremsbelägen z.B. bis zu 3 charakteristische Eigenfrequenzen auftreten, die einer tangentialen Dämpfung zugänglich sind. Die Schwingungsantwort (FRF) wird mit einem Signalempfänger (z.B. mit einem Laservibrometer) am Reibmaterial nahe der Oberfläche gemessen. Aus dieser Schwingungsantwort lassen sich nach bekannten Methoden die diskreten Eigenfrequenzen sowie die modale Dämpfung bestimmen. Dies erfolgt z.B. durch die literaturbekannte 3dB- oder die Curve-Fitting Methode (vgl. z.B. Rauschmesstechnik, Institut für Umwelttechnik Dr. Schau, [email protected] oder www.ham-on-air.de bzgl. der 3dB-Methode oder Wikipedia unter dem Stichwort „Curve-Fitting“).
Das hier dargestellte Messverfahren ermöglicht eine einfache und für die Praxis relevante Bestimmung, ob ein Material als Zwischenschicht oder Dämpfungsschicht für Bremsbeläge im Sinne der Erfindung geeignet ist. Dies erfolgt hinsichtlich Materialtyp oder Materialzusammensetzung, Schichtdicke und auch Materialdichte. Es handelt sich somit um ein Screeningverfahren, mit dem auch hier noch nicht explizit genannte Materialien als geeignete Zwischenschichtmaterialien identifiziert werden können. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da in Abhängigkeit von der Bremsenkonstruktion, der Eigenfrequenzen der Bremsenkomponenten und der Anregung die erforderliche Dämpfung sehr unterschiedlich sein kann. Diese Dämpfung ist daher für jeden Anwendungsfall individuell zu ermitteln, wenn die Geräuschminimierung maximal sein soll. Oft liegt die erforderliche Dämpfung zur Eliminierung des tangentialen Resonanzproblems bei ca. 3 Promille.
Da der erfindungsgemäße Dämpfungseffekt über die nicht verschleißende Zwischenschicht erfolgt, bleibt der dämpfungserhöhende Effekt während der Einsatzzeit des Bremsbelags weitgehend erhalten. Bei sog. 100%-Belägen (neuen Belägen) ist die Dämpfung allerdings am höchsten und der geräuschunterdrückende Effekt am stärksten.
Die vorliegende Erfindung umfasst somit die Verwendung von Fluorkautschuken als Dämpfungsmaterial / Dämpfungsschicht oder Zwischenschicht bei Reib- bzw. Bremsbelägen. Einen Reib- bzw. Bremsbelag, der die erfindungsgemäße Zwischenschicht aufweist, und ein Verfahren zur Messung der diskreten tangentialen Eigenfrequenzen und der modularen Dämpfung, welche bei solchen Reib- bzw. Bremsbelägen auftreten. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz dieses Verfahrens die Identifizierung von geeigneten Materialen, die als erfindungsgemäße Zwischenschicht geeignet sind. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Minderung von im laufenden Betrieb bei Bremsbelägen auftretenden Geräuschen durch Dämpfung der tangentialen Resonanzschwingungen mittels der erfindungsgemäßen Zwischenschicht.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass diese die Erfindung in irgendeiner Form beschränken sollen. Sämtliche in der Beschreibung, in den Patentansprüchen oder in den Zeichnungen aufgeführten Merkmale sind in einer für den Fachmann technisch sinnvollen Art und Weise frei kombinierbar.
Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Bremsbelags (Bremsbacke) für eine Scheibenbremse,
2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II und
3 eine Messvorrichtung zur Ermittlung der tangentialen Resonanzschwingungen bzw. zur Ermittlung der tangentialen Dämpfung.
Der in 1 gezeigte Bremsbelag 1 besteht aus einer Belagträgerplatte 2, auf die eine Zwischenschicht 3 und der eigentliche Reibbelag (Reibschicht) 4 aufgebracht sind. Die Zwischenschicht kann als vorgepresste Platte vorkonfektioniert sein, um dann mit dem Reibmaterial des Reibbelags gemeinsam auf die Belagträgerplatte 2 gepresst zu werden. Alternativ wird das Material für die Zwischenschicht 2 in die Pressform gegeben, darauf wird die Materialmischung des Reibmaterials geschichtet, was dann in einem Pressvorgang auf die Belagträgerplatte 2 verpresst wird.
2 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Bremsbelags 1 mit einer Belagträgerplatte 2, der Zwischen- oder Dämpfungsschicht 3 und der eigentlichen Reibschicht 4.
3 zeigt eine Messvorrichtung zur Bestimmung der diskreten tangentialen Eigenfrequenzen und der modalen Dämpfung eines Bremsbelags 1, wobei gezeigt werden: Belagträgerplatte 2, Reibbelag 4 mit bzw. ohne Zwischenschicht 3, Lagermittel in Form von Lagerdrähten 5, Laservibrometer 6 und Impulsgeber (Impulshammer) 7.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0621414 A1 [0003]
US 5407034 [0003]
EP 0849488 B1 [0003, 0010]
EP 1035345 A2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

[email protected] [0017]
www.ham-on-air.de [0017]

Claims

Verwendung von Fluorkautschuk als Dämpfungs- oder Zwischenschicht (3) für Bremsbeläge (1).
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorkautschuk einen Fluorgehalt von 66–71 Gew.-% aufweist und/oder Vinylidenfluorid (VDF)-Monomereinheiten enthält.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Fluorkautschuk ein Copolymer ist, welches Monomereinheiten von Vinylidenfluorid (VDF) enthält.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorkautschuk ein Copolymer aus den Monomeren VDF und Hexafluorpropylen (HFP) ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluorkautschuk eine Mooney-Viskosität von 33–100 MU aufweist.
Bremsbelag (1), mit einem Belagträger (2) und einer Reibschicht (4) sowie einer zwischen Belagträger (2) und Reibschicht (4) angeordneten Zwischenschicht (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) Fluorkautschuk nach einem der Ansprüche 1–5 enthält.
Bremsbelag (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) aus Fluorkautschuk nach einem der Ansprüche 1–5 besteht.
Bremsbelag (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) ein- oder mehrschichtig ausgebildet ist.
Verfahren zur Minderung der Geräuschentwicklung bei Bremsbelägen im laufenden Betrieb, gekennzeichnet durch den Einsatz eines Bremsbelages (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
Verfahren zur Bestimmung der tangentialen Eigenfrequenzen von Bremsbelägen, wobei der Bremsbelag (1) mit der Reibschicht (4) auf Lagermitteln (5) gelagert wird, der Belagträger (2) mit einem Impulsgeber (7) tangential angeregt und die Schwingungsantwort mit einem Signalempfänger (6) gemessen wird, und die diskreten tangentialen Eigenfrequenzen daraus bestimmt werden.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 zur Bestimmung der Eignung eines Materials als Zwischenschicht (3) oder als Bestandteil einer Zwischenschicht (3) in einem Bremsbelag (1).