DE68913201T2

DE68913201T2 - Bremseinheit.

Info

Publication number: DE68913201T2
Application number: DE68913201T
Authority: DE
Inventors: Stephen Michael Anthon Cortese; Lindsay Ernest Derriman
Original assignee: Ceram Eng Pty Ltd
Current assignee: Ceram Eng Pty Ltd
Priority date: 1988-05-03
Filing date: 1989-05-01
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2009-05-02
Also published as: EP0415960A4; EP0415960B1; US5480847A; WO1989011052A1; DE68913201D1; EP0415960A1; JPH03504756A; JP2781805B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremseinheit für ein Rad eines Fahrzeugs und insbesondere einen hydraulischen Bremskolben, der Teil dieser Bremseinheit ist.
Bekannte Bremseinheiten für ein Rad eines Fahrzeugs umfassen eine Bremsscheibe aus Gußeisen oder Stahl (belüftet oder massiv), die entweder mit der Radnabe verbunden oder einstückig damit gefertigt ist, und ein Auflager, um die Montage am Achsstutzen zu erleichtern. In montiertem Zustand rotiert die Bremsscheibe mit dem Rad. Ein Bremssattel ist so angeordnet, daß er sattelartig beide Seiten der Bremsscheibe überspannt. Der Bremssattel besteht aus einem Grundkörper aus Gußeisen oder einer Gußlegierung. Dieser Grundkörper enthält Bremsbeläge, die bezüglich der Bremsscheibe so angeordnet sind, daß die Bremsbeläge auf jede Seite der Bremsscheibe wirken können. Der Bremssattel ist so gefertigt, daß er in seinem Grundkörper einen oder mehrere verschiebbare Kolben aufnehmen kann. Der Bremssattel wird von einem Hauptbremszylinder hydraulisch betätigt, indem der Hauptbremszylinder Bremsflüssigkeit durch eine Bremsleitung zu dem Bremssattel fördert. Die Bremsflüssigkeit strömt unter hohem Druck in den Bremssattel und bewirkt eine nach außen gegen die Bremsscheibe gerichtete Bewegung der Kolben. Die Kolben wirken auf die Bremsbeläge, was dazu führt, daß die Bremsbeläge gegen die Bremsscheibe gepreßt werden. In der Praxis wurden diese Kolben immer aus Stahl oder Aluminium gefertigt und zur Endbearbeitung entweder mit einer Chrombeschichtung oder einer Eloxierung versehen.
Ein Problem bei hydraulischen Kolben aus Stahl ist, daß sie gewöhnlich sehr gute Wärmeleiter sind. Daher kann bei ununterbrochenem Bremsen eines Rads die von den Bremsbelägen erzeugte, extreme Wärme über die hydraulischen Kolben und den Bremssattel auf die Bremsflüssigkeit und die Dichtungen übertragen werden. Um die Möglichkeit zu minimieren, daß diese Wärmeübertragung die hydraulische Bremsflüssigkeit verdampfen läßt, war es notwendig, Bremsflüssigkeiten mit immer höheren Siedepunkten zu entwickeln. Die derzeit zugelassenen Bremsflüssigkeiten weisen einen Nennsiedepunkt von näherungsweise 270ºC auf. Dieser Siedepunkt liegt nur etwa 30ºC unterhalb des Zersetzungspunkts der synthetischen Gummidichtungen, die den Kolben gegenüber dem Bremssattel hydraulisch abdichten. Ist die Bremsflüssigkeit mit geringen Mengen von Wasser verunreinigt, so kann der Siedepunkt auf etwa 140ºC absinken. Es ist eine Eigenschaft der meisten Bremsflüssigkeiten, daß sie hygroskopisch sind und daher gerne Feuchtigkeit absorbieren, was zu einer deutlichen Herabsetzung des Siedepunkts der Bremsflüssigkeit führt. Dies kann möglicherweise zu einem gefährlichen Bremsversagen führen, das auftritt, wenn die von den Bremsbelägen auf die hydraulische Bremsflüssigkeit übertragene Wärme zur Bildung von kleinen Dampfbläschen führt. Diese Erscheinung ist als "Vapour Lock" bekannt.
In der US-Patentschrift 4 327 820 wurde versucht, das "Vapour Lock"-Problem zu lösen, indem ein Bremskolben aus devitrokeramischem Material verwendet wurde. Dieses Material wird in geschmolzenem Zustand bei etwa 1100ºC geformt, nachdem zuerst die Mischung der Materialien bei 1400 und 1600ºC geschmolzen wird. Nach dieser Methode hergestellte Kolben sind glasartig und für Flüssigkeiten sowie für Gase undurchlässig.
In Systemen mit Bremsscheiben werden meistens chrombeschichtete Kolben aus Stahl eingesetzt. In besonderen Fällen kann auch Aluminium und Titan verwendet werden. Kolben aus Aluminium und Titan haben gegenüber Kolben aus Stahl den Vorteil eines geringen Gewichts sowie geringer Korrosion, dafür zeigen sie jedoch eine weitaus größere Wärmeleitfähigkeit.
Ein weiterer Nachteil der konventionellen Kolben ist, daß die Oberfläche des Kolbens oder des Bremssattels aufgrund von Umgebungsbedingungen oder aufgrund von verunreinigter Bremsflüssigkeit korrodieren oder Grübchen bilden kann. Die Korrosion führt zu einer Aufrauhung der Kolbenoberfläche und dies wiederum führt zu einer beschleunigten Abnutzung der hydraulischen Dichtungen durch Abrieb.
Darüber hinaus haben Ingenieure beachtliche Anstrengungen unternommen, um die ungefederte Masse der Antriebsaufhängungen zu reduzieren. Mittels Leichtgewichtskolben wurde die Trägheit des Bremssystems reduziert, was sowohl zu einer schnelleren Reaktion als auch zu einer geringeren ungefederten Masse führt. Wie bereits oben angeführt, kann Aluminium oder Titan für die Kolben von Bremseinheiten verwendet werden, um das Gewicht zu reduzieren, wobei diese Kolben jedoch unter Problemen der Korrosion und der Wärmeübertragung leiden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile durch die Verwendung eines nichtmetallischen Kolbens zu überwinden, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, nicht korrodiert und darüber hinaus die Fähigkeit besitzt, Feuchtigkeit aus der Bremsflüssigkeit zu absorbieren und somit das Risiko eines Bremsversagens zu reduzieren.
Angesichts dieser und anderer Aufgaben wird bei einer erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, daß der hydraulische Bremskolben aus einem keramischen Material gefertigt ist, wobei das keramische Material eine auf Tonerde basierende Keramik oder ein konventionelles keramisches Material ist, welches für Wasserdampf durchlässig aber für die Hydraulikflüssigkeit undurchlässig ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Bremseinheit wenigstens einen Bremsbelag und wenigstens einen Bremskolben aufweist, der den Bremsbelag betätigt, wobei der Bremskolben aus einem keramischen Material gefertigt ist und das keramische Material eine auf Tonerde basierende Keramik oder ein konventionelles keramisches Material mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit ist, das für Wasserdampf durchlässig aber für die Hydraulikflüssigkeit undurchlässig ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die beigefügte Zeichnung zeigt eine Seitenansicht eines Bremssattels mit keramischem Kolben in schematischer Darstellung.
Die Ausführungsform ist auf eine Scheibenbremseinheit für Fahrzeuge gerichtet. Die Bremseinheit umfaßt einen Bremssattel 10 mit einem Zylinder, in welchem ein keramischer Kolben 11 geführt ist. Die hydraulische Bremsflüssigkeit wird unter Druck in die Kammer 12 im Gehäuse des Bremssattels 10 zwischen den Kolben 11 und das Gehäuse gepreßt, so daß der Kolben 11 aus dem Gehäuse verdrängt wird. Eine Dichtung 13 ist in der Zylinderwand zwischen dem Gehäuse und dem Kolben 11 vorgesehen, um zu verhindern, daß die hydraulische Bremsflüssigkeit am Kolben 11 vorbei aus dem Bremssattel 10 hinausläuft. Ein Bremsbelag 14 liegt an der Außenseite des Kolbens 11 an und ist wahlweise mit Antiquietschplättchen 15 zwischen dem Kolben 11 und dem Bremsbelag 14 ausgestattet. Durch die in das Gehäuse des Bremssattels 10 einströmende Hydraulikflüssigkeit wird der Kolben 11 aus dem Gehäuse verdrängt und wirkt gegen den Bremsbelag 14, so daß der Bremsbelag 14 gegen die Bremsscheibe gepreßt wird.
Der Kolben 11 ist becherförmig, wobei seine geschlossene Stirnseite eine Wand der Kammer 12 bildet. Die Wandungen des Kolbens 11 konvergieren gegen ihren äußeren Rand, um das Entfernen von Wasser, welches versehentlich in den Raum zwischen dem Kolben 11 und dem Bremsbelag 14 eingedrungen ist, zu erleichtern. Das keramische Material, aus welchem der Kolben 11 geformt ist, besteht aus einer auf Tonerde basierenden Keramik oder einem konventionellen keramischen Material, wie zum Beispiel eine auf Kaolin basierende Keramik.
Eine typische, auf Tonerde basierende Keramik, welche in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden könnte, kann die folgende Zusammensetzung haben:
SiO&sub2; 50 % - 70 %
Al&sub2;O&sub3; 10 % - 40 %
K&sub2;O 0 % - 10 %
CaO 0 % - 5 %
Na&sub2;O 0 % - 10 %
Zusätzlich können Flußmittel wie z. B. Feldspat, Nephelene Syenite, Cornish Stone, Silika und/oder Talkum verwendet werden. Dies kann zu folgender Zusammensetzung führen:
SiO&sub2; 50 % - 70 %
Al&sub2;O&sub3; 10 % - 40 %
K&sub2;O 0 % - 10 %
CaO 0 % - 5 %
Na&sub2;O 0 % - 10 %
Fe&sub2;O&sub3; 0 % - 2 %
MgO 0 % - 5 %
TiO&sub2; 0 % - 2 %
MnO 0 % - 1 %
Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel ist die zur Herstellung des Kolbens verwendete Keramik eine gewöhnliche Tafelgeschirr-Keramik, die auf Goomalling-Tonerde basiert. Die Zusammensetzung dieser Keramik wurde entwickelt, um ein hochgradig verglastes Tafelgeschirr zu erhalten, und basiert auf der Goomalling-Tonerde unter Zusatz von anderen Materialien, was zu folgender Zusammensetzung führt: LO1*
(*LO1 stellt den Materialverlust durch Brennen dar)
Diese Zusammensetzung wird dann bei einer Temperatur von 1200ºC gebrannt, um einen Körper zu erhalten, der eine kontrollierte Porösität besitzt. Die Porösität wird bestimmt, indem der gebrannte Körper gewogen, in Wasser gelegt, vier Stunden gekocht, im Wasser abkühlt und nach Entfernen des Oberflächenwassers erneut gewogen wird.
Folgende Materialeigenschaften des keramischen Kolbens werden im Vergleich zu gebräuchlichen metallischen Kolben angegeben (das konventionelle Kolbenmaterial ist chrombeschichteter Stahl, unter besonderen Umständen wird jedoch Aluminium und Titan verwendet). Vergleich der Druckfestigkeiten (kg/m² x 10&sup6;) Keramik Stahl Aluminium Titan Dichte (kg/m³) Keramik Stahl Aluminium Titan Vergleich der Bremswirkung: Amperemeter-Anzeigen eines dynamischen Systems mit einem Kolben, der gegen eine rotierende Scheibe eines Kraftmessers wirkt. Keramik Stahl Aluminium chrombeschichteter Stahl Wärmeleitfähigkeit (W/m/ºC) Keramik Stahl Aluminium Titan Wärmeausdehnungskoeffizient (x 10&supmin;&sup5; 1/ºC bei 20ºC) Keramik Stahl Aluminium Titan
Die Herstellung eines Kolbens gemäß der vorliegenden Ausführung kann durch verschiedene Methoden bewerkstelligt werden.
Methode 1 Die Tonerde wird mit anderen Komponenten in einen Behälter gegeben, mit Wasser vermengt, gesiebt und durch einen Filter gepreßt. Danach wird der Filterkuchen getrocknet und gemahlen. Das so erhaltene trockene Puder wird dann bei einem Druck von 13790 kN/m² in einer Stahlmatrize gepreßt. Daraufhin wird der zerbrechliche gepreßte Kolben aus der Matrize herausgenommen und bei einer Temperatur von 1200ºC acht Stunden lang in einem Ofen gebrannt. Der gebrannte Kolben wird dann auf das Sollmaß geschliffen.
Methode 2 Wie Methode 1, jedoch wird eine kleine Menge eines organischen Binders, wie zum Beispiel Tragacanth-Gummi hinzugefügt, um die Festigkeit des Preßkörpers herabzusetzen.
Methode 3 Schlickguß
Ein entflockter Schlick, der ungefähr 60 % Feststoffe enthält, mit der gleichen Zusammensetzung wie bei Methode 1 und 2, wird durch Natriumsilikat und Natriumkarbonat entflockt. Der Schlick wird dann 12 bis 24 Stunden lang liegengelassen und daraufhin in Gipsformen gegossen, um die geeignete äußere Form zu erhalten. Die Wandstärke wird über die Zeit kontrolliert. Sobald sich eine Wandstärke von 10 bis 15 mm aufgebaut hat, wird der flüssige Schlick umgefüllt. Die Form kann dann langsam trocknen, bis eine ausreichende Schrumpfung eingetreten ist, um den Guß aus der Form herauszunehmen. Der Guß wird dann getrocknet, gebrannt und geschliffen wie bei Methode 1 und 2.
Methode 4 Eine Mischung mit gleicher Zusammensetzung wie bei Methode 1 oder 2 wird mit Wasser vermengt, gesiebt und durch einen Filter gepreßt. Diese Mischung, die etwa 80 % Feststoffanteile enthält, wird dann einer entlüfteten Knetmaschine zugeführt, um die Plastizität und die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Eine Extruderpresse extrudiert einen Strang, der in vorbestimmte Längen zerteilt wird, um ausreichend viel Material für die Herstellung eines Kolbens abzugeben. Der Rohling wird dann in eine Maschine zur Herstellung von Zylinderbechern eingebracht und in die gewünschte Form schleudergegossen. Der Becher wird dann getrocknet und in einem konventionellen Kanalofen gebrannt.
Es können auch andere geeignete Herstellungstechniken eingesetzt werden. Bei jeder Methode wird die Porösität des Kolbens kontrolliert, so daß dieser durchlässig für Wasserdampf aber undurchlässig für konventionelle Bremsflüssigkeiten ist. Die Durchlässigkeit kann erzeugt werden, indem eine Komponente, die während des Brennens verbrennt, hinzugegeben wird, oder indem die Brenntemperatur kontrolliert wird, so daß der Körper nicht vollständig verglast.
Der keramische Körper ist so konzipiert, daß seine Durchlässigkeit für Wasserdampf sorgfältig dosiert ist, so daß Wasserdampf durch den Körper transportiert werden kann, ohne daß Verluste von Bremsflüssigkeit aufreten. Somit wirkt der Kolben als eine Art Filter, der die hydraulische Flüssigkeit von jeglichem Wasser trennt, das sich im Bremssystem angesammelt hat. An der Grenzfläche von Kolben und Bremsbelag erzeugte Wärme kann dazu führen, daß die Oberfläche des Kolbens während des Einsatzes der Bremsen, also bei Kontakt mit dem Bremsbelag, wärmer ist. Wird die Bremse daraufhin entspannt, so kühlen die Bremsscheibe und die Bremsbeläge schneller ab als der Bremssattel, so daß sich von der Innenseite zur Außenseite des Kolbens ein Temperaturgradient ausbildet. Dieser Temperaturgradient fördert Wasserdampf aus dem keramischen Körper, und aufgrund der Kapillarkräfte ziehen die Poren des Kolbenkörpers jegliches Wasser oder Wasserdampf aus der hydraulischen Flüssigkeit, die mit dem Kolben in Kontakt steht. Da die Außenseite des Kolbens in Kontakt mit der Außenluft steht, findet eine Verdampfung statt.
Vorteile des Einsatzes eines keramischen Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung sind, daß der keramische Kolben mit einem heißen Bremsbelag in Kontakt stehen kann und dabei keine Wärme auf die Bremsflüssigkeit überträgt, so daß die Möglichkeit eines Bremsversagens reduziert ist. Zusätzlich zeigt ein keramischer Kolben weder Grübchenbildung, Korrosion noch Rost und führt daher nicht zum beschleunigten Verschleiß der den Kolben umgebenden hydraulischen Dichtung aufgrund von Abrieb. Ein weiterer Vorteil des keramischen Kolbens mit geringer Wärmeleitfähigkeit ist, daß die thermische Zersetzung der hydraulischen Dichtung ebenfalls deutlich geringer ist, da der Bereich des Kolbens, der mit der Dichtung in Kontakt steht, eine kleinere Temperatur aufweist. Der keramische Kolben der vorliegenden Erfindung kann ebenso Feuchtigkeit absorbieren und diese Feuchtigkeit ohne Betriebsbeeinträchtigungen mittels des keramischen Kolbens ausscheiden. Diese besondere Eigenschaft des keramischen Kolbens ist im Hinblick auf eine Minimierung der Möglichkeit eines Bresmversagens extrem vorteilhaft. Zusätzlich ist der keramische Kolben keinen signifikanten thermischen Ausdehnungen unterworfen, wie zum Beispiel Kolben aus Stahl oder Aluminium, und kann sich daher auch nicht im Gehäuse des Bremssattels festfressen. Zudem führt die elektrolytische Neutralität des keramischen Materials zu einer reduzierten Möglichkeit einer elektrolytischer Zersetzung des Zylinders.

Claims

1. Hydraulischer Bremskolben (11), welcher von einer druckfesten Hydraulik- Flüssigkeit angetrieben wird, wobei der Bremskolben (11) aus einem keramischen Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine auf Tonerde basierende Keramik oder ein konventionelles keramisches Material ist, und daß das keramische Material durchlässig für Wasserdampf aber undurchlässig für die Hydraulik-Flüssigkeit ist.

2. Bremskolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine auf Kaolin basierende Keramik ist.

3. Bremskolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine auf Tonerde basierende Keramik mit folgender Zusammensetzung ist:

SiO&sub2; 50% - 70%

Al&sub2;O&sub3; 10% - 40%

K&sub2;O 0% - 10%

CaO 0% - 5%

Na&sub2;O 0% - 10%

4. Hydraulische Bremseinheit, welche wenigstens einen Bremsbelag (14) und wenigstens einen Bremskolben (11) aufweist, der mittels einer druckfesten Hydraulik-Flüssigkeit angetrieben wird, um den Bremsbelag (14) zu betätigen, wobei der Bremskolben (11) aus einem keramischen Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine auf Tonerde basierende Keramik oder ein konventionelles keramisches Material mit einer geringeren thermischen Leitfähigkeit ist, und daß das keramische Material durchlässig für Wasserdampf aber undurchlässig für die Hydraulik-Flüssigkeit ist.

5. Bremseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine auf Kaolin basierende Keramik ist.

6. Bremseinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine auf Tonerde basierende Keramik mit folgender Zusammensetzung ist:

SiO&sub2; 50% - 70%

Al&sub2;O&sub3; 10% - 40%

K&sub2;O 0% - 10%

CaO 0% - 5%

Na&sub2;O 0% - 10%