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Die
Erfindung betrifft Reibpaarungen für Bremsen und Kupplungen und
bezieht sich im Besonderen auf Reibpaarungen mit einem hohen Materialabtrag.
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Reibbeläge werden
zum Erzeugen hoher Reibungskräfte
für die Übertragung
von Kräften
bei Kupplungen oder bei Bremsen zum Umwandeln von kinetischer in
Wärmeenergie
verwendet. Üblicherweise
werden hierzu Reibbeläge
unter Druck an einen Reibpartner angelegt, wobei im Hinblick auf
eine möglichst
lange Lebensdauer des jeweiligen Maschinenelements üblicherweise
Reibbeläge
gewählt
werden, die beim Zusammenwirken mit dem Reibpartner einen möglichst
geringen Verschleiß aufweisen.
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Bei
Maschinenelementen, die nur in bestimmten seltenen Situationen,
wie beispielsweise Ausnahme- oder Notsituationen eingesetzt werden, ist
die Verschleißfestigkeit
der Reibpaarungen dagegen ohne praktische Bedeutung. Stattdessen
steht bei diesen Elementen die Funktionssicherheit im Vordergrund,
die auch ohne Wartungsaufwand sichergestellt sein muss. Die Höhe der von
Reibpaarungen erzeugbaren Reibungskräfte wird über die Reibungszahl der Stoffpaarung
von Reibbelag und Reibpartner bestimmt. Die Reibungszahl wiederum
wird von der Beschaffenheit des Reibbelags und des Reibpartners
beeinflusst, wobei vor allem deren jeweilige Oberflächenbeschaffenheit
von Bedeutung ist.
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Anders
als bei häufig
benutzten Bremsen oder Kupplungen unterliegen die Oberflächen selten verwendeter
Reibpartner stillstandsbedingten Einflüssen. Dadurch verändert sich
der Reibwert (Wert des Reibungskoeffizienten) der Reibpaarung im
Laufe der Zeit. Für
die Funktion einer Bremse bzw. Kupplung kann sowohl eine Erhöhung als
auch eine Verringerung des Reibwerts nachteilig sein. Im ersteren Fall
würde beispielsweise
eine Bremse zum Blockieren neigen, im letzteren Fall wäre die erzielte
Bremskraft zu gering. Im Falle einer Notbetätigung der entsprechenden Bremse
oder Kupplung kann dann nicht mehr die volle Reibkraft erzeugt werden,
so dass diese im schlimmsten Fall für die hierüber auszuführende Funktion zu gering sein
kann.
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Bei
häufig
benutzten Bremsen oder Kupplungen werden die zum Erzeugen der Reibkraft
verwendeten Oberflächen
der Reibpartner regelmäßig leicht abgerieben,
wodurch die Oberflächen
in gewisser Weise aufgefrischt werden. Die üblicherweise eine Reibpaarung
verändernden
Einflüsse
wie z. B. Alterung, Verspröden
oder Verhärten
der Reibbelagsoberfläche,
Korrosion an der Oberfläche
des Reibpartners, Ablagerungen oder Verschmierungen an beiden Oberflächen, oder
auch Folgen eingedrungener Nässe
fallen dabei durch den leichten aber häufigen Abrieb der Oberflächen weniger
ins Gewicht. Bei Kupplungen oder Bremsen die längere Zeit nicht benutz wurden,
sind diese Einflüsse
für die
erzielbaren Reibungswerte jedoch entscheidend.
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Beim
Einsatz in Sicherheitseinrichtungen können diese Einflüsse im Extremfall
zu einem Versagen der jeweiligen Einrichtung führen. Vor allem bei adaptiven
Insassenrückhaltesystemen
kann eine ungenügende
Gurtbremswirkung fatale Folgen haben. Bei einigen dieser Systeme
ist die Gurtrolle mit einer Bremsscheibe drehfest verbunden, die
im Falle eines Fahrzeugaufpralls durch Reibbeläge abgebremst wird. Bei zu
geringer Bremswirkung wird der Insasse nur ungenügend zurückgehalten, wodurch seine Energie
zu groß ist,
um von einem Prallkissen absorbiert werden zu können. Die Folge wären schwere
oder sogar tödliche
Verletzungen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Reibkörper für eine Reibpaarung
anzugeben, mit dem ein von Oberflächeneinflüssen unabhängiger Reibwert erzielt werden kann.
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Die
Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der
Erfindung gelöst.
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Die
Erfindung umfasst zum Einen einen Reibkörper für eine zum Erzeugen einer Reibungskraft
ausgebildeten Reibpaarung, wobei der Reibkörper eine Oberfläche aufweist,
deren Struktur dazu ausgebildet ist, von einem über diese Oberfläche geführten Körper Material
abrasiv abzutragen.
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Ferner
umfasst die Erfindung eine Bremsvorrichtung mit zumindest einem
ersten Reibkörper
und mit einem oder mehreren zweiten Reibkörpern, wobei der erste Reibkörper zumindest
eine erste Kontaktoberfläche
aufweist, die mit zumindest einer zweiten Kontaktoberfläche des
einen oder der mehreren zweiten Reibkörper in Kontakt gebracht werden können, und
wobei die Kontaktoberfläche
des ersten Reibkörpers
und/oder des zweiten Reibkörpers
eine Struktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, von einem über die
Kontaktoberfläche
geführten
Körper
Material abrasiv abzutragen. Weiterhin umfasst die Erfindung eine
Gurtkraftbegrenzungsvorrichtung mit einer solchen Bremsvorrichtung.
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In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser
Beschreibung und den Ansprüchen
zur Aufzählung
von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen,
generell eine nichtabschließende Aufzählung von
Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen,
Größen und
dergleichen bezeichnen, die in keiner Weise das Vorhandensein anderer
oder zusätzlicher
Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließt.
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Der
durch wie oben angegeben ausgebildete Reibkörper bewirkte Materialabtrag
schafft bei einem Reibkontakt eine neue Oberfläche, die im Wesentlichen frei
von Ablagerungen und anderen oberflächennahen Veränderungen
ist. Dadurch wird die Reibung zwischen den Reibpartnern weitestgehend
unabhängig
von Oberflächeneinflüssen, wie
beispielsweise Korrosion, Ablagerungen, Alterung, Nässe, Schmiermittel
und dergleichen mehr, so dass auch nach längerem Nichtgebrauch eine gute
Reibkraftwirkung mit einem hohen und vor allem konstanten Reibwert
erzielt wird.
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Die
Erfindung wird in ihren abhängigen
Ansprüchen
weitergebildet.
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Eine
einfache und kostengünstige
Strukturierung einer Oberfläche
zum abrasiven Materialabtrag wird erreicht, indem die Oberfläche des
Reibkörpers Hartstoffkörner aufweist,
die aus der sie einbettenden Umgebung herausragen. Für einen
gleichmäßigen Materialabtrag
sind die Hartstoffkörner
ungerichtet an der Oberfläche
des Reibkörpers
angeordnet. Alternativ zur Ausbildung einer rauen Reibfläche können als Struktur
zum abrasiven Materialabtrag auch Schneiden in der Oberfläche des
Reibkörpers
ausgebildet sein.
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Vorzugsweise
ist die strukturierte Oberfläche des
Reibkörpers
auf einem Trägermaterial
gebildet, das fest mit dem Grundkörper des Reibkörpers verbunden
ist. Damit kann die Herstellung der abrasiven Oberfläche getrennt
von der Herstellung des Reibkörpers
erfolgen. Bedarfsweise kann das Trägermaterial als Beschichtung
des Grundkörpers
des Reibkörpers
ausgebildet sein. In einer kostengünstigen Ausführungsform
wird das Trägermaterial
von einem Schleifpapier gebildet.
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Um
eine Beeinträchtigung
des erzielbaren Reibwerts durch zwischen den Reibbelägen gestautes
abgetragenes Material zu vermeiden, ist an der Oberfläche des
Reibkörpers
vorzugsweise eine Struktur zum Ableiten des abrasiv abgetragenen
Materials angeordnet. Diese Struktur zum Ableiten des abrasiv abgetragenen
Materials wird zweckmäßig von
einer Nut in der Oberfläche
des Reibkörpers
gebildet, die ohne großen
Aufwand herstellbar ist.
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Bei
einer wie oben angegebenen Bremsvorrichtung sind der erste Reibkörper vorzugsweise
als Bremsscheibe und der zweite Reibkörper vorzugsweise als Bremsbelag
ausgestaltet, so dass eine gut belüftbare Bremsvorrichtung erzielt
wird, in der sich das abgetragene Material nicht ansammeln kann. Für einen
zuverlässigen
Betrieb der Bremsvorrichtung weist die Kontaktoberfläche der
Bremsscheibe Schneiden und die Kontaktoberfläche des Bremsbelags Hartstoffkörner auf.
Zum Erzielen einer hohen Bremskraft ist die Bremsvorrichtung vorzugsweise als
selbstverstärkende
Keilbremse ausgeführt.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Ansprüchen
sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
je für
sich oder auch zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden
Erläuterung
einiger Ausführungsbeispiele
der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen,
von denen
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1 eine
schematische Darstellung eines Gurtkraftbegrenzers zeigt,
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2 einen
Bremsbelag in der Draufsicht zeigt, dessen Kontaktoberfläche mit
Hartstoffkörnern in
ungerichteter Anordnung versehen ist, und
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3 eine
Bremsscheibe in der Draufsicht zeigt, deren Kontaktoberfläche mit
Schneiden versehen ist.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung eines mit einer Scheibenbremse gesteuerten Gurtkraftbegrenzers 10 für einen
Sicherheitsgurt. Das Gurtband 4 des Sicherheitsgurts ist
teilweise auf einer Gurtrolle 3 in Form einer Wicklung 4' aufgenommen.
Zum Auf- und Abrollen des Gurtbands 4 ist die Gurtrolle 3 um
die Achse 1 drehbar gelagert. Die Drehachse kann dabei
von einer Welle 2 gebildet werden. Die mit der Gurtrolle 3 (entweder
direkt oder über
die Welle 2) drehfest verbundene Bremsscheibe 5 wird
von einem Bremssattel 7 umgriffen, in dem Reibbeläge 6 angeordnet
sind. Im Bedarfsfall werden diese Reibbeläge 6 von einer (nicht
gezeigten) Brems steuerung mittels des Bremsaktors 8 gegen die
Bremsscheibe gedrückt,
wodurch die Bewegung der Gurtrolle je nach der dabei erzeugten Bremskraft abgebremst
oder gestoppt wird. Zum Erzielen einer hohen Bremskraft ist die
Bremsvorrichtung vorzugsweise als selbstverstärkende Keilbremse ausgeführt. Über eine
Bremsvorrichtung gesteuerte bzw. geregelte Gurtkraftbegrenzer werden
in adaptiven Insassenrückhaltesystemen
verwendet, um den vom Gurt zurückgehaltenen
Fahrzeuginsassen im Falle eines Aufpralls soweit abzubremsen, dass
dessen verbleibende Trägheitsenergie
vom in der Zwischenzeit aufgeblasenen Prallsack absorbiert werden
kann.
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Je
nach Lebensdauer des individuellen Fahrzeugs können hierbei mehrere Jahre
vergehen, bis die Gurtkraftbegrenzung 10 erstmals zum Einsatz kommt.
Wie oben ausgeführt
können
sich die Reibflächen
der Reibkörper,
d. h. die beim Bremsvorgang miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen von Bremsscheibe 5 und
Reibbelägen 6,
soweit verändert
haben, dass der beim Bremsen erzielte Reibwert nicht mehr zur Ausbildung
der erforderlichen Bremskraft ausreicht.
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Um
dies zu vermeiden, wird daher zumindest die Kontaktoberfläche eines
der Reibkörper 5 oder 6 so
ausgebildet, dass sie die beim Bremsvorgang mit ihr in Kontakt stehende
Oberfläche
des oder der anderen Reibkörper
abrasiv abträgt.
Unter abrasivem Abtragen werden dabei alle Materialabtragverfahren verstanden,
bei denen der Stoffzusammenhang eines Materials örtlich durch einen schneidenden
Vorgang aufgehoben wird. Sobald die beiden sich relativ zueinander
bewegenden Reibkörper
miteinander in Kontakt gebracht werden, trägt der mit der abrasiven Oberfläche ausgestattete
Reibkörper
die Oberfläche des
anderen Reibkörpers
ab. Durch den Materialabtrag wird eine neue Oberfläche geschaffen,
die im Wesentlichen frei von Ablagerungen und anderen oberflächennahen
Veränderungen
ist. Dadurch wird die Reibung zwischen den Reibpartnern weitgehend unabhängig von
Oberflächeneinflüssen, wie
beispielsweise Korrosion, Ablagerungen, Alterung, Nässe, Schmiermittel
und dergleichen mehr, so dass auch nach längerem Nichtgebrauch eine gute
Reibkraftwirkung mit einem hohen und vor allem konstanten Reibwert
erzielt wird.
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Eine
Abrasion erfordert einen Härteunterschied
der beteiligten Reibpartner. Zum Beispiel können aus einem harten Material
gebildete Schneiden von einem weicher ausgeführten Reibpartner Späne abtrennen.
Bei Reibpartnern gleicher Härte
verschmieren die Oberflächen
dagegen. Da von den harten Schneiden stets die weicheren Ablagerungen und
Korrosionsprodukte abgetragen werden, erhält man auch bei Reibpartnern
unterschiedlicher Härte die
gewünschte
beiderseitige Oberflächenreinigung.
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Falls
eine aus Bremsbelägen
und Bremskörper
bestehende Reibpaarung mehrmals verwendet werden soll, werden zweckmäßig jedoch
nur die Bremsbeläge
mit einer Oberfläche
ausgebildet, deren Struktur das Oberflächenmaterial des Bremskörpers abrasiv
abzutragen vermag. Denn der Aufwand zum Wechseln der Bremsbeläge ist im
Allgemeinen wesentlich geringer als der Austausch des Bremskörpers, wie
einer Bremsscheibe, und ist ferner auch mit wesentlich geringeren
Kosten verbunden.
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Abrasive
Oberflächen,
d. h. Oberflächen,
deren Struktur dazu ausgebildet ist, von einem über diese Oberfläche geführten Körper Material
abrasiv abzutragen, können
auf verschiedene Weisen realisiert werden. Bei einer ersten vorteilhaften
Ausführungsform
ist die Reibfläche
des Reibkörpers
mit einer Körnung
versehen, die z. B. mittels Hartstoffkörner gebildet wird, die in
der als Reibfläche
dienenden Oberfläche
des Reibkörpers
eingebettet teilweise aus dieser herausragen. Bei Kontakt mit der
Reibfläche
des anderen Reibkörpers
bewirken die Hartstoffkörner
eine Mikrozerspanung dessen Oberfläche, wodurch eine neue, "saubere" Reibfläche geschaffen
wird. Man kann diese eingebetteten Hartstoffkörner somit als Mikroschneiden
auffassen. Um einen möglichst gleichmäßigen Materialabtrag
zu gewährleisten,
sind die Hartstoffkörner
vorzugsweise ungerichtet an der Reibfläche des Reibkörpers angeord net,
d. h. sie sind ohne besondere Regelmäßigkeiten statisch gleichmäßig über der
Reibfläche
verteilt.
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Für die Hartstoffkörner eignen
sich vor allem harte und zähe
Materialen, die zudem thermisch und chemisch beständig sind,
insbesondere Korund, Siliciumcarbid und Bornitrid.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform einer
abrasiv gestalteten Reibfläche
weist an deren Oberfläche
ausgebildete Schneiden auf. Für
einen gleichmäßigen Materialabtrag
können
die Schneiden ähnlich
wie bei einer Feile ausgestaltet sein. Bei einem sehr weichen Material
des die Schneide bildenden Reibkörpers,
kann die Schnittfläche
mit einer dünnen
Hartmaterialbeschichtung wie z. B. TiN belegt werden, so dass ein
zuverlässiger
und schneller Materialabtrag sichergestellt ist.
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Wird
nur eine der beiden Reibflächen
mit einer Struktur versehen, die zum Materialabtrag and der ihr
gegenüberliegenden
Reibfläche
geeignet ist, oder wird der Reibvorgang nur ein einziges Mal ausgeführt, so
genügt
es die die zur Ausbildung einer abrasiven Oberflächenstruktur erforderlichen
Elemente ausschließlich
im oberflächennahen
Bereich des Reibkörpers
anzuordnen.
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Beispielsweise
kann die strukturierte Oberfläche
des Reibkörpers
auf einem von Material dessen Grundkörpers verschiedenen Trägermaterial ausgebildet
werden, wobei dieses so gestaltete Trägermaterial fest mit dem Grundkörper des
Reibkörpers
verbunden wird. Hierzu kann auf die Reibflächen einer Bremsscheibe oder
auf den Reibflächen von
Bremsbelägen
eine mit Hartstoffkörnern
versehene Folie, beispielsweise ein Schleifpapier, aufgeklebt werden.
Ebenso ist eine Beschichtung der Reibflächen mit einem Hartstoffkörner enthaltenden
Material möglich.
Werden statt Hartstoffkörnern
Schneiden verwendet, so können
auch diese in einer Folie ausgebildet werden, die schließlich auf
die Reibfläche
des vorgesehenen Reibkörpers
aufgebracht wird.
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Das
beim Reibkontakt abgetragene Material bewegt sich zwischen den beiden
Reibflächen
der aufeinander gedrückten
Reibkörper,
wodurch diese unter Umständen
nicht in direkten Kontakt gelangen können. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist daher zumindest eine der beiden Reibflächen mit einer Struktur zu
Ableiten des abrasiv abgetragenen Materials versehen. Im einfachsten
Fall besteht diese Struktur aus in der Reibfläche ausgebildeten Nuten 22,
entlang derer das abgetragene Material durch die Relativbewegung
der beiden Reibflächen
aus dem Kontaktbereich der Reibkörper
heraus transportiert wird. Alternativ können in einem oder in beiden
Reibkörpern Öffnungen
vorgesehen sein, durch die das abgetragene Material aus dem gesamten
Reibflächenbereich
entfernt wird. Eventuell kann diese Materialabfuhr durch eine Absaugung
oder ein Gebläse unterstützt werden.
Ferner können
die Späne
auch in Vertiefungen gesammelt werden, die im Reibkörper ausgebildet
sind.
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Die
beschriebenen Reibkörper
werden vorzugsweise in Bremsvorrichtungen eingesetzt, die nur in
bestimmten Situationen benutzt werden; beispielsweise in einer Bremsvorrichtung
einer Sicherheitseinrichtung wie z. B. einer Gurtkraftbegrenzung.
Da hier höchste
Anforderungen an die Wirksamkeit der Reibpaarung zu stellen sind,
werden bei derartigen Bremsvorrichtungen sowohl die Reibfläche des Bremskörpers als
auch die der Bremsbeläge
mit einer zum abrasiven Materialabtrag geeigneten Oberfläche versehen.
Da der Bremskörper üblicherweise aus
einem härteren
Material als das der Bremsbeläge
gefertigt ist, wird die Reibfläche
des Bremskörpers 30 hierbei
vorteilhaft mit einer oder mehreren Schneiden 31 wie in 3 gezeigt
ausgestattet, während die
Bremsbeläge 20 vorzugsweise
eine ungerichtete Körnung 21,
wie sie in der 2 veranschaulicht ist, aufweisen.
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Da
der Reibpartner bei Bremsvorrichtungen bzw. Kupplungen mit derartigen
Reibkörpern
stark abgetragen wird, ist die Anzahl der möglichen Betätigungen stark beschränkt. Dies
sollte bei der Auslegung der entsprechenden Bremse oder Kupplung
berücksichtigt
werden. Vorzugsweise sind daher Sicherheitseinrichtungen vorzusehen,
die einen Sicherheitshinweis bzw. einen Warnhinweis erzeugen, wenn
die vorgesehene Anzahl von Betätigungen
erreicht ist, oder eine weitere Benutzung der mit der Vorrichtung
gesicherten Anlage unterbinden.
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- 1
- Drehachse
- 2
- Welle
- 3
- Gurtrolle
- 4
- Gurtband
- 4'
- Gurtbandwicklung
- 5
- Bremsscheibe
- 6
- Reibbeläge
- 7
- Bremssattel
- 8
- Betätigungsmechanismus
- 10
- Gurtkraftbegrenzung
- 20
- materialabtragender
Bremsbelag
- 21
- Oberflächenkörnung am
Bremsbelag
- 22
- Nut
im Reibbelag
- 30
- materialabtragende
Bremsscheibe
- 31
- auf
der Bremsscheibe ausgebildete Schneide