DE102020122272A1

DE102020122272A1 - Verfahren zur Verringerung der Geräusch- und Vibrationsentwicklung bei Reib- und Bremsbelägen

Info

Publication number: DE102020122272A1
Application number: DE102020122272.6A
Authority: DE
Inventors: Richard Lewis; Paulo Perin; Ioannis Buzidis
Original assignee: TMD Friction Services GmbH
Current assignee: TMD Friction Services GmbH
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: WO2022043295A1; DE102020122272B4

Abstract

Verfahren zur Verringerung der Geräusch- und Vibrationsentwicklung bei Brems- und Reibbelägen im Fahr- und Bremsbetrieb durch Behandlung der Reibbelagoberfläche mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass nur solche Stellen der Reibbelagoberfläche behandelt oder egalisiert werden, die zu einer erhöhten Geräusch- und Vibrationsentwicklung beitragen. Dabei wird die Reibbelagoberfläche an diesen Stellen pyrolysiert mit und ohne damit verbundenem Materialabtrag.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Geräusch- und Vibrationsentwicklung bei Reib- und Bremsbelägen, insbesondere bei Reib- und Bremsbelägen für Scheibenbremsen. Die erfindungsgemäße Verbesserung bezieht sich auf den Fahr- und Bremsbetrieb und betrifft insbesondere die Einlauf- oder Einfahrphase von Reibbelägen und wird durch eine Oberflächenbehandlung der Reibbeläge mit Laserstrahlen erreicht. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung von Laserstrahlung für die genannten Einsatz- und Verwendungszwecke. Überdies wird erfindungsgemäß auch eine verbesserte Anlage des behandelten Reibbelags an den Reibpartner, bevorzugt die Bremsscheibe, erreicht.
Im Stand der Technik sind sowohl Oberflächenbehandlungen, wie z.B. Härten oder Scorchen, von Reibbelägen als auch der Einsatz von Lasern zu diesen Zwecken bekannt.
Die DE 197 05 802 A1 bezieht sich auf einen Reibbelag mit verbesserten Geräuscheigenschaften, insbesondere die Vermeidung von Bremsenquietschen. Bei diesem Reibbelag wird die Oberfläche mechanisch oder chemisch aufgeraut oder geglättet, wodurch der Belagreibwert reduziert und damit die Entstehung von Reibgeräuschen vermindert wird. Dabei erfolgt die mechanische Aufrauung durch das Aufpressen eines Druckstempels mit entsprechendem Oberflächenprofil auf den Belag.
Die DE 10 2011 106 009 A1 beschreibt die Oberflächenbearbeitung von Reibflächen durch Erzeugung von Vertiefungen oder Nuten mittels Laserstrahlung, um das Reibverhalten und die Lebensdauer solcher Reibbeläge positiv zu beeinflussen.
Die DE 35 16 759 A lehrt die Oberflächenbehandlung von Reibbelägen mittels Laserstrahlen, um ein Streifenmuster zu erzeugen, welches in einer erhöhten Anfangsreibung des Belags resultiert.
Auch die EP 1 262 679 B1 und EP 1 262 680 B1 beschreiben die Oberflächenbehandlung von Reibbelägen, um das Fading- und Einlaufverhalten dieser Beläge zu verbessern.
Die mit den Verfahren des Standes der Technik erzielten Ergebnisse bzgl. der realisierten Geräuschreduktion der Reibbeläge (NVH = noise, vibrations, harshness), insbesondere in der Einlauf- oder Einfahrphase, sind nach wie vor verbesserungswürdig. Weiterhin fallen diese Ergebnisse bei den verschiedenen Reibbelagtypen sehr unterschiedlich aus. Dies ist vermutlich in Kenntnis der nachfolgend beschriebenen Erfindung darauf zurückzuführen, dass alle aus dem Stand der Technik vorgenannten Verfahren jeweils die Reibbelagoberflächen nach einem festgelegten Verfahren in der stets gleichen Art bearbeiten bzw. zwar mit unterschiedlichen Werkzeugen bearbeiten aber stets mit einem bestimmten Muster versehen (Nuten, Fasen, Aufrauen), das innerhalb der Offenbarung eines dieser Dokumente nicht variiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit darin, ein möglichst breit einsetzbares Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Geräuschentwicklung verursacht durch Reibbeläge (für z.B. Scheibenbremsen), insbesondere während deren Einlauf- oder Einfahrphase, weiter reduziert werden kann. Weiterhin sollte ein solches Verfahren grundsätzlich und nach Möglichkeit bei den verschiedensten Reibbelagtypen anwendbar sein.
Es wurde gefunden, dass die gewünschte Reduktion der Geräusch- und Vibrationsentwicklung (NVH-Reduktion) bei Bremsbelägen, insbesondere Scheibenbremsbelägen, im Fahr- bzw. Bremsbetrieb durch eine Verbesserung der Anlage des Reibbelags an den Reibpartner, insbesondere Bremsscheibe oder Bremstrommel, erzielt werden kann.
Diese Verbesserung der Anlage des Reibbelags an den Reibpartner wird durch eine Bearbeitung der Reibbelagoberfläche mittels eines Lasers bzw. mittels Laserstrahlung erreicht. Eine erfindungsgemäße Laserbehandlung kann dabei grundsätzlich in zwei Zielrichtungen erfolgen:

a) die Oberfläche wird geglättet oder nur bestimmte Oberflächenbereiche werden geglättet. Das bedeutet, dass die Reibbelagoberfläche ganz oder nur zum Teil (und auch nicht nach einem starren vorgegebenen Muster) mit einem Laser derart behandelt wird, dass die organischen Bestandteilen verkohlen (carbonisieren). Weiterhin wirkt die komplette Reibbelagoberfläche als Kontaktfläche zum Reibpartner, allerdings haben die laserbehandelten Bereiche eine gegenüber der Ursprungsreibmasse veränderte Reibwirkung, oder
b) die Oberfläche wird aufgeraut bzw. profiliert oder mit einem Muster/Struktur versehen, wobei Muster/Struktur und Tiefe des Oberflächenprofils innerhalb weiter Grenzen variieren können und auch nur einen Teil der Reibbelagoberfläche betreffen können. Das bedeutet, dass in der Regel die Reibmasse bis zu einer vorgegebenen Tiefe an bestimmten Stellen/Bereichen der Reibbelagoberfläche vollständig entfernt wird. Die Kontaktfläche zum Reibpartner (z.B. Bremsscheibe) beschränkt sich dann auf die unbehandelten Bereiche der Reibbelagoberfläche.

In beiden Fällen a) und b) sind die Laserintensität und Behandlungsdauer von der Art der Reibmasse abhängig. Reibmassen mit höherem Metallgehalt werden in der Regel eher der Variante b) und Reibmassen mit hohen Gehalten an organischen Bestandteilen werden eher der Variante a) unterworfen.
Es wurde ferner gefunden, dass die Laseroberflächenbehandlung in Abhängigkeit von den wichtigsten drei Reibbelagtypen an diese Typen jeweils entsprechend angepasst werden sollte.
Bei diesen Typen handelt es sich um Reibmittel der Kategorien

(i) Semi-Metallic: enthaltend 30 bis 65 Gew.-% Metall (z.B. Stahl, Eisen, Kupfer, Messing etc.) gemischt mit Graphit, Füllstoffen und Bindemitteln;
(ii) Organic: (manchmal auch Non Asbestos Organic oder NAO genannt) enthaltend Fasern, die z.B. aus Glas, Gummi, Kohlenstoff bzw. Kevlar^® und Twaron^® gewonnen werden. Ferner enthalten diese Beläge Füllstoffe und temperaturresistente Kunst- und/oder Naturharze, und
(iii) Low-Metallic: enthaltend einen Anteil an Metall (meist Kupfer oder Stahl) von 10 bis 30 Gew.-%. Weitere Bestandteile entsprechen denen der Kategorie (i) Sem i-Metallic.

Bei Reibbelägen mit einem hohen metallischen Anteil, werden die (Bunt-) Metalle durch die Laserbehandlung geschmolzen und bilden Perlen, die falls erforderlich von der Oberfläche entfernt werden. Stahl verändert sich und wird härter und/oder oxidiert. Diese Veränderungen führen zur lokalen Erhöhung des Reibwerts. Optisch mittels Mikroskop oder SEM können die laserbehandelten Flächen einfach und sicher erkannt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren der Reibbelagoberflächenbehandlung entspricht nicht den bekannten Scorching - oder Oberflächenhärtungsverfahren des Standes der Technik, bei denen regelmäßig die gesamte Reibbelagoberfläche nach einem einheitlichen Muster behandelt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Reibbelagoberfläche selektiv behandelt und modifiziert, d.h., es werden nur die Stellen einer Laserbehandlung unterzogen, deren Modifizierung zu einer Verbesserung des Geräusch- und Vibrationsverhaltens des Reibbelags insgesamt führt. Dabei bietet der Laser ein hohes Maß an Flexibilität, um die Reibbelagoberfläche auf eine Art und Weise zu modifizieren, die mit herkömmlichem Fasen (mechanisches Abschrägen/Abschleifen von Kanten) nicht möglich ist. Dabei ist in der Regel die Tiefe des Materialabtrags geringer als bei der mechanischen Bearbeitung gemäß den Verfahren des Standes der Technik. Das bedeutet, dass grundsätzlich jeder Reibbelag, bei dem die beschriebenen NVH-Probleme auftreten, einer gezielten Laserbehandlung seiner Oberfläche unterworfen wird. Diese Art der Laseroberflächenbehandlung verleiht dem Reibbelag bessere positive NVH-Eigenschaften für die Einlauf- oder Einfahrphase als dies z.B. mit der Erzeugung einer Fase am Reibbelag oder mit einer Abfasung des Reibbelags erzielt werden kann.
Die Ermittlung der zu behandelnden Stellen der Reibbelagoberfläche erfolgt grundsätzlich nach dem Fachmann bekannten Methoden, wie diese auch bei der mechanischen Verbesserung der NVH-Charakteristik eingesetzt werden. Dazu dient eine entsprechende Schwingungsmessung mit Hilfe eines NVH-Testsystems oder eines NVH-Prüfstandes, beides im Stand der Technik bekannt und von Drittanbietern erhältlich. Die Bearbeitung der Reibbelagoberfläche stellt keine exakte Wissenschaft dar, bei der nach einem einheitlichen Rezept vorgegangen werden kann. Nach wie vor müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, wie z.B. Art des Reibmaterials, dessen Porosität und Kompressibilität, evtl. vorhandene Underlayer und das (Brems-) Scheibenmaterial selbst. Aus diesem Grund kann bei gleicher Belaggeometrie für verschiedene Reibbelagtypen auch ein unterschiedliches Bearbeitungsmuster angezeigt sein.
Allerdings sind dem Fachmann diese Punkte grundsätzlich aus dem Stand der Technik für andere Bearbeitungsverfahren bekannt, und er kann sie aufgrund seiner Erfahrung und durch einfache Tests anhand der aufgefunden NVH-Charakteristik auch mit entsprechendem Erfolg berücksichtigen.
Um eine maximale NVH-Reduktion zu gewährleisten, sollte jede neue Charge Reibmaterial bzw. Reibbeläge einem NVH-Test unterworfen und entsprechend dem Ergebnis erfindungsgemäß mit einem Laser behandelt werden. So kann für jede Charge das entsprechende Laserbearbeitungsprofil allgemeingültig festgelegt werden.
Das Ergebnis der erfindungsgemäßen Laseroberflächenbehandlung kann durch die vom Laser emittierte Energie (Strahlung) und den Strahlenfokus (bestrahlte Fläche) gesteuert werden. Eine energiereichere Strahlung und/oder eine verlängerte Bestrahlungszeit einer bestimmten Stelle der Reibbelagoberfläche führen zu einem tieferen Eindringen der Laserstrahlen in die Reibbelagmasse, wodurch dann eine entsprechend dickere Schicht modifiziert werden kann. Eine dickere, erfindungsgemäß modifizierte Oberflächenschicht eines Reibbelags bedeutet z.B., dass die positiv veränderten Eigenschaften des Belags über die Einlaufphase hinaus erhalten bleiben.
Nachfolgend werden einige typische und bevorzugte Parameter für die erfindungsgemäße Laserbehandlung einer Reibbelagoberfläche genannt, ohne limitierend zu sein: Vorschub des Laserkopfes: ca. 30 mm/sec, Abstand der Linien des Laserpfads (Bearbeitungsdichte): ca. 0,11 mm und Eindringtiefe des Laserstrahls in den Reibbelag: ca. 0-1 mm. Je enger die Bearbeitungslinien des Laserpfads zusammenliegen, umso vollständiger oder gründlicher ist die Oberflächenbehandlung. Die genannten Parameter müssen nicht miteinander kombiniert werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzt werden Laser, welche einen Wellenlängenbereich von 1060 bis 1070 nm (hier liegt dann auch das Strahlungs- oder Strahlungsleistungsmaximum des Lasers) abdecken oder bevorzugt emittieren (wie z.B. IR-Laser, IR-Faserlaser), wobei die Leistung bevorzugt im Bereich von 50 W bis 3000 W liegt. Die verwendete Leistung ist in erster Linie abhängig von der Bearbeitungsgeschwindigkeit (Laufrate oder run rate in mm/s), die für die Oberflächenbehandlung eines Reibbelags vorgegeben wird.

Typische und gleichzeitig bevorzugt kennzeichnende Parameter (wie z.B. Leistung, Frequenz, Punktdurchmesser des Laserstrahls etc.) sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 ist nicht abschließend zu verstehen, sondern zeigt insbesondere für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Parameter. Tabelle 1

Kenndaten erfindungsgemäßer Laser/des erfindungsgemäßen Verfahrens
Laser
Leistung	50W	600W	2000W
Frequenz [Hz]	40.000	4.000	4.000
Laufrate [mm/s]	100	200 - 500	1000
Strahl-Punktdurchmesser [µm]	80	120	120
[Joules/Impuls]	0,00125	0,15	0,5
Energiedichte* [Joules/cm²]	0,9 × 10⁶	16 × 10⁶	55 × 10⁶

*basierend auf dem äquivalenten Fokusbereich von 1 cm² für einen einzelnen Impuls

Die in der Tab. 1 gelisteten und bevorzugten Kenndaten der erfindungsgemäß einsetzbaren Laser decken ein relativ breites Parameterspektrum ab, welches abhängig ist von der Zusammensetzung des zu behandelnden Reibbelags. Bevorzugt besteht die Laserbehandlung der Reibbelagoberfläche in einem Glätten dieser Oberfläche. Eine Aufrauung oder Profilierung der Oberfläche ist weniger bevorzugt, da erfindungsgemäß kein oder möglichst kein Oberflächenmaterial abgetragen werden soll.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Energie der Laserstrahlung zur Pyrolyse oder zur thermo-chemischen Spaltung der in der Reibbelagoberfläche enthaltenen organischen Bestandteile genutzt. Dabei handelt es sich meist um den organischen Binder (z.B. ein Phenolharz), der pyrolysiert wird. An den so behandelten Stellen ist die Reibbelagoberfläche binderfrei oder weitgehend binderfrei.
Während der Laseroberflächenhandlung können an den behandelten Stellen die metallischen Bestandteile des Reibbelags schmelzen und unter Umständen auch miteinander intermetallische Verbindungen oder Legierungen bilden. Beide Effekte beeinflussen die NVH-Eigenschaften des behandelten Reibbelags. Die unterschiedlichen Reibwerte bzw. NVH-Werte an verschiedenen Stellen der Reibbelagoberfläche werden somit ausgeglichen und nivelliert, wodurch ungewollte NVH-Effekte, das heißt Geräusch- und Vibrationseffekte, der Reibbelagoberfläche beseitigt und die NVH-Eigenschaften des behandelten Reibbelags deutlich verbessert werden.
Dabei wird bei Reibbelägen vom NAO-Typ zur erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung relativ wenig Energie aufgewandt werden müssen. Solche Reibbeläge leiten aufgrund ihres hohen Anteils an organischen Komponenten die durch den Laser eingetragene Energie schlecht in das Innere des Reibbelags weiter (schlechtere Wärmeleiter) und somit kann bereits mit geringem Energieaufwand eine relativ hohe Temperatur an den zu behandelnden Stellen der Reibbelagoberfläche erzeugt werden. Hierfür sind Laser mit einem Leistungsspektrum von 200 bis 600 Watt ausreichend.
Reibbeläge vom Typ Semi-Metallic können die ankommende Laserstrahlung (Laserenergie) zum Teil reflektieren und leiten die eingetragene Energie als bessere Wärmeleiter auch leichter in das Reibbelaginnere weiter. Zur Erzeugung ausreichender Oberflächentemperaturen sind daher bei solchen Belägen leistungsfähigere Laser (2000-3000 Watt) erforderlich.
Low-Metallic-Reibbeläge nehmen bezüglich der beschriebenen Effekte, Parameter und Eigenschaften eine Mittelstellung zwischen Belägen vom NAO-Typ und vom Semi-Metallic-Typ ein.
Bei jeder erfindungsgemäßen Behandlung einer Reibbelagoberfläche wird diese insgesamt oder in Teilbereichen pyrolysiert und damit carbonisiert oder verkohlt. Ziel dieser Behandlung ist eine bessere Anlage des Reibbelags an den Reibpartnern (z.B. Brems- oder Kupplungsscheibe).
Die 1 - 5 zeigen Beispiele für eine erfindungsgemäße Behandlung von Bremsbelägen bzw. Reibbelagoberflächen.

1 zeigt eine Reibbelagoberfläche 2 in 20-facher Vergrößerung mit einem laserbehandelten Bereich 3 und einem unbehandelten Bereich 4. Der Grad der Homogenisierung der Reibbelagoberfläche nach der Laserbehandlung ist deutlich zu erkennen. Es besteht kein merklicher Materialabtrag.
2 zeigt einen Bremsbelag 1, dessen Reibbelagoberfläche 2 in den gekennzeichneten (gestrichelten) Bereichen 3 durch Laserbehandlung zum Teil abgetragen wurde. Die gekennzeichneten Bereiche liegen jetzt unterhalb der Originaloberfläche.
Schließlich zeigen die 3 - 5 Bremsbeläge 1 mit Reibbelagoberflächen 2, bei denen verschieden angeordnete und auch verschieden große Teilbereiche 3 einer Laserbehandlung unterworfen worden sind.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19705802 A1 [0003]
DE 102011106009 A1 [0004]
DE 3516759 A [0005]
EP 1262679 B1 [0006]
EP 1262680 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Verringerung der Geräusch- und Vibrationsentwicklung bei Brems- und Reibbelägen im Fahr- und Bremsbetrieb durch Behandlung der Reibbelagoberfläche mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass nur solche Stellen der Reibbelagoberfläche behandelt oder egalisiert werden, die zu einer erhöhten Geräusch- und Vibrationsentwicklung beitragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu behandelnden Stellen auf der Reibbelagoberfläche durch eine Schwingungsmessung mit einem NVH (noise, vibrations, harshness) -Testsystem identifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Laserbehandlung Teile der Reibbelagoberfläche pyrolysiert oder carbonisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Laserbehandlung ein Materialabtrag auf der Reibbelagoberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbehandlung der Reibbelagoberfläche im Hinblick auf Energieeintrag und Bearbeitungszeit in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Reibbelags vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Laserbehandlung der Reibbelagoberfläche folgende Parameter gewählt werden: Vorschub des Laserkopfes ca. 30 mm/s, Abstand der Bearbeitungslinien des Laserpfads ca. 0,11 mm und Eindringtiefe des Laserstrahls ca. 0-1 mm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Laserbehandlung von Reibbelägen vom NAO-Typ Laser mit einem Leistungsspektrum von 200 - 600 Watt eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Laserbehandlung von Reibbelägen vom Typ Semi-Metallic Laser mit einem Leistungsspektrum von 2000-3000 Watt eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Laserbehandlung von Reibbelägen Laser verwendet werden, deren Strahlungsleistungsmaximum im Wellenlängenbereich von 1060 bis 1070 nm liegt.
Verwendung von Laserstrahlung zur Verringerung der Geräusch- und Vibrationsentwicklung bei Reib- und Bremsbelägen in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.