DE10203507A1

DE10203507A1 - Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10203507A1
Application number: DE10203507A
Authority: DE
Inventors: Markus Lienkamp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2003-01-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper (10) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens eine Reibfläche (15, 16) mit einer Beschichtung aus einem harten Material mit hohem Reibwert aufweist. Der Grundkörper (10) wird um die Schichtdicke der Beschichtung abgedreht in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe. Die Beschichtung besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid, Diamant oder einem keramischen Material. Die erfindungsgemäße Bremsscheibe hat den Vorteil, dass das Material, aus dem der Grundkörper (10) besteht, relativ kostengünstig ist, aber durch die Beschichtung eine Reibschicht mit hohen Reibwerten erzielt wird, die auch bei hohen Temperaturen reibwertstabil ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung, umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material aufweist.

Bremsscheiben für Fahrzeuge der vorgenannten Art sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 296 17 774 U1 eine Bremsscheibe mit einer Beschichtung aus Chromcarbid. Diese Beschichtung wird thermisch aufgebracht, z. B. durch ein Flammspritzverfahren. Der Grundkörper der Bremsscheibe, der aus einem metallischen Werkstoff besteht, beispielsweise einer Leichtmetallegierung oder Grauguss, wird bei der Aufbringung der Beschichtung nicht verändert. Carbide neigen zur Oxidation, so dass die thermische Stabilität beim Bremsen bei dieser Art von Beschichtung nicht gewährleistet ist.

Die DE 42 37 655 A1 beschreibt Bremsscheiben für Fahrzeuge mit einem inneren und einem äußeren Reibring, zwischen denen Kühlkanäle angeordnet sind. Die beiden Reibringe können aus unterschiedlichen Materialien bestehen; beispielsweise kann einer der Reibringe aus einem Faserverbundwerkstoff oder einem keramischen Werkstoff bestehen und der andere Reibring aus Grauguss. Beide Reibringe werden mechanisch miteinander verbunden über Nieten oder dergleichen.

Die DE 295 11 652 U1 beschreibt Bremsscheiben für Fahrzeugbremsen aus einem metallischen Werkstoff, z. B. Eisen oder Stahl, welcher eine Beschichtung aus TiN aufweist, um die Standzeit der Bremsscheibe zu erhöhen. Die Schrift enthält keine Ausführungen darüber, wie die Beschichtung aufgebracht wird.

Das Gebrauchsmuster G 92 08 983.6 beschreibt Bremsscheiben aus Leichtmetall mit ringförmigen Reibschichten aus feststoffhaltigem Nickel, wobei in das Nickelmaterial der Reibschichten Siliciumcarbide als Feststoffe eingelagert sind. Die Aufbringung der Reibschichten erfolgt hier galvanisch.

Ausgehend von dem zuvor genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Bremsscheibe für ein Fahrzeug der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der einerseits die Reibfläche auch bei hohen Temperaturen reibwertstabil ist und andererseits eine kostengünstige Herstellung der Bremsscheibe möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine erfindungsgemäße Bremsscheibe der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Bei der Bremsscheibe gemäß der Erfindung verwendet man im Prinzip einen Grundkörper aus einem relativ kostengünstigen Material und trägt diesen ab, etwa um die Materialstärke, die der Schichtdicke der aufzubringenden Beschichtung entspricht, und bringt dann die Beschichtung aus dem Material mit hohem Reibwert auf, welches als Reibfläche dient. Diese Beschichtung kann erfindungsgemäß beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Die Beschichtung kann auch eine andere keramische Schicht sein, insbesondere Al₂O₃, eine Mischung aus Al₂O₃/TiO₂, z. B. im Verhältnis von etwa 60%/40%, eine Diamantschicht oder eine Schicht aus einem anderen geeigneten Werkstoff vergleichbarer Härte mit ähnlich hohen Reibwerten. Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat sich eine Beschichtung aus einem Chromcarbid in Verbindung mit einer Nickellegierung als besonders geeignet erwiesen. Als Chromcarbid kommt dabei insbesondere Cr₃C₂ in Betracht, welches insbesondere mit einer Nickel-Chromlegierung NiCr vorteilhaft kombiniert werden kann. Besonders geeignet ist dabei eine Beschichtung aus Cr₃C₂/NiCr in einem Verhältnis von zwischen etwa 60%/40% und etwa 80%/20%, vorzugsweise in einem Mischungsverhältnis von etwa 75%/25%.

Der Grundkörper für die Bremsscheibe besteht aus einem vergleichsweise kostengünstigen, metallischen Werkstoff, beispielsweise Grauguss. Eine Graugussscheibe kostet nur einen Bruchteil dessen, was eine Bremsscheibe kosten würde, die vollständig aus dem Material bestehen würde, welches erfindungsgemäß nur für die Reibschicht verwendet wird, beispielsweise aus Aluminiumoxid. Gegenüber anderen Bremsscheiben mit einem Grundkörper aus Grauguss und metallischen oder organischen Bremsbelägen hat die erfindungsgemäß verwendete Materialkombination höhere Reibwerte. Weiterhin hat die erfindungsgemäße Bremsscheibe den Vorteil, dass die Reibpaarung auch bei Temperaturen bis weit oberhalb von beispielsweise 1000°C reibwertstabil ist. Dagegen fällt bei herkömmlichen Graugussbremsscheiben mit organischen Bremsbelägen der Reibwert bei Temperaturen ab etwa 600°C ab, in der Regel auf Reibwerte unter µ = 0,4. Bei Temperaturen von oberhalb 800°C ist bei den herkömmlichen Graugussbremsscheiben in der Regel der Reibwert nur noch völlig unzureichend. Bei Bremsungen aus hoher Geschwindigkeit wird aber eine Bremsscheibe an der Oberfläche so stark erwärmt, dass Spitzentemperaturen oberhalb von 1000°C auftreten. Durch diese hohe Oberflächentemperatur wird schon während der Bremsung ein Teil der Energie als Strahlung abgegeben. Erst durch Konvektion wird das Innere der Bremsscheibe erwärmt.

Verwendet man Aluminiumoxidscheiben, die dicker sind als herkömmliche Graugussscheiben, um die erforderliche Wärmekapazität bereit zu stellen und damit bei einem vorgegebenen Scheibendurchmesser eine höhere Bremsleistung zu erreichen, ist eine solche Bremsscheibe mit einem Grundkörper aus Aluminiumoxid aufgrund der hohen Materialkosten für eine Serienfertigung im Automobilbau weniger interessant.

Auch bei der Verwendung eines Grundkörpers, beispielsweise aus Grauguss, gemäß der vorliegenden Erfindung, hat die Bremsscheibe eine hohe Haltbarkeit. Beispielsweise kann man mit einer Lebensdauer von bis zu etwa 100.000 km rechnen. Der aus Grauguss bestehende Grundkörper wird vor der Beschichtung entsprechend der aufzubringenden Schichtdicke abgedreht, so dass Bremssattel und Beläge weiterhin benutzt werden können. Die aufzubringende Beschichtung aus dem Material mit erhöhter Härte für die Reibschicht kann beispielsweise eine Schichtdicke zwischen etwa 0,1 mm und etwa 2 mm aufweisen. Wenn anschließend die Beschichtung aufgebracht wird, entspricht danach die gesamte Materialstärke wieder derjenigen des ursprünglichen Grundkörpers.

Eine so beschichtete Bremsscheibe, insbesondere aus Grauguss, hat gegenüber einer herkömmlichen Graugussbremsscheibe eine höhere Bremsleistung. Das Reibwertniveau ist höher, und der Reibwertabfall mit der Temperatur ist geringer. Der Verschleiß der Bremsscheibe ist gering, vergleichbar mit einer wesentlich teureren, ausschließlich aus Aluminiumoxid bestehenden Bremsscheibe. Die Temperaturbelastung des Materials des Grundkörpers ist geringer, da Spitzentemperaturen an der Oberfläche von der Beschichtung abgefangen werden. Die Scheibendicke des Grundkörpers ist geringer bei vergleichbarer Wärmespeicherkapazität. Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Lösung der Bremssattel wieder verwendet werden, so dass gegebenenfalls auch vorhandene Bremsscheiben entsprechend nachgerüstet werden können.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe, umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens einseitig eine durch Beschichten erhaltene Reibfläche aufweist mit den Merkmalen des Anspruchs 12.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst der Grundkörper vorzugsweise etwa um die Schichtdicke der aufzubringenden Beschichtung, bzw. bis zu +/- 20% mehr oder weniger, vorzugsweise +/- 10%, bezogen auf die Schichtdicke der Beschichtung, abgetragen und danach die Beschichtung aufgebracht. Vorzugsweise wird der Grundkörper etwa um die Schichtdicke der aufzubringenden Beschichtung abgedreht.

Mögliche Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind APS (Atmosphärisches Plasmaspritzen), HVOF (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) oder Flammschockspritzen.

Die in den Unteransprüchen 2 bis 11 genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bremsscheibe. Die Unteransprüche 13 bis 18 betreffen eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Bremsscheibe für ein Fahrzeug;
Fig. 2a eine Ansicht einer beschichteten Bremsscheibe gemäß einer möglichen Variante der Erfindung;
Fig. 2b eine Ansicht einer beschichteten Bremsscheibe gemäß einer weiteren möglichen Variante der Erfindung;
Fig. 3 eine schematisch vereinfachte Ansicht zur Erläuterung eines möglichen Verfahrens zur Aufbringung der Beschichtung durch Aufspritzen.
Die erfindungsgemäße Bremsscheibe gemäß Fig. 1 besteht aus einem Grundkörper 10, der beispielsweise aus Grauguss oder einem vergleichbaren, metallischen Werkstoff besteht. Der Grundkörper 10 wird vorzugsweise an beiden Seiten um eine vorgegebene Materialstärke abgedreht in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe. In diesen abgedrehten Bereichen 11, 12, 13, 14 des Grundkörpers, die dann eine geringere Materialstärke aufweisen, wird dann eine Beschichtung aus einem Material mit hohen Reibwerten als Reibschicht aufgebracht. Diese Beschichtung 15, 16 kann beispielsweise aus Al₂O₃Diamant, einem keramischen Material oder einem Werkstoff vergleichbarer Härte mit ähnlichen Reibwerten bestehen. Die Schichtdicke der Reibschicht 15, 16 kann zwischen etwa 0,1 mm und etwa 2 mm liegen.
Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Grauguss und dem Beschichtungsmaterial kann es bei Erwärmung der Bremsscheibe zu durch thermische Spannungen induzierten Rissen kommen. Diese lassen sich vermeiden durch Aussparen der Beschichtung z. B. etwa in einem Schachbrettmuster (siehe Fig. 2a oder 2b). Der Gitterabstand wird bestimmt durch die Rissbreite einer vollständig beschichteten Bremsscheibe (5 bis 40 mm je nach Oberflächenbeschichtung). Die Furchen können entweder durch mechanische Bearbeitung oder durch eine Schablone beim Spritzen eingebracht werden.
Die Fig. 2a und 2b zeigen mögliche Varianten von Bremsscheiben mit aufgebrachter Beschichtung, jeweils in Achsrichtung der Bremsscheibe gesehen. Wie man erkennt, wechseln sich jeweils Bereiche 17 mit Beschichtung durch die Reibschicht ab mit unbeschichteten Bereichen 18, um, wie bereits erwähnt, die Entstehung von Rissen durch thermische Spannungen zu vermeiden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a sind die beschichteten Bereiche 17 im Umriss annähernd dreieckig, wohingegen in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b die beschichteten Bereiche 17 annähernd rechteckig sind, jeweils begrenzt durch Bogenlinien an zwei Seiten, da es sich um Segmente von ringförmigen Scheiben handelt. Zwischen den beschichteten Bereichen liegen jeweils Rillen oder Furchen 18, die unbeschichtet sind.
Fig. 3 zeigt beispielhaft in schematisch vereinfachter Form ein mögliches Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung auf den Grundkörper 10 der Bremsscheibe. Dazu wird beispielsweise eine Spritzpistole 19 verwendet, die das Beschichtungsmaterial 20 durch eine Gitterblende 21 hindurch auf die zu beschichtende Seite des Grundkörpers 10 der Bremsscheibe spritzt. Die Struktur der Gitterblende 21 entspricht dabei einer Form, wie sie zur Erzeugung eines Gittermusters mit beschichteten Feldern 17, z. B. gemäß der Darstellung von Fig. 2b, geeignet ist. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Grundkörper
11, 12, 13, 14 abgedrehte Bereiche
15, 16 Reibschicht
17 beschichteter Bereich
18 unbeschichteter Bereich
19 Spritzpistole
20 Beschichtungsmaterial
21 Gitterblende

Claims

1. Bremsscheibe für ein Fahrzeug, umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens eine Reibfläche mit einer Beschichtung aus einem harten Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (10) unter der Beschichtung eine abgetragene Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist.

2. Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (10) eine etwa um die Schichtdicke der Beschichtung, bzw. bis zu +/- 20% mehr oder weniger, vorzugsweise +/- 10%, bezogen auf die Schichtdicke der Beschichtung abgetragene Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist.

3. Bremsscheibe für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (10) unter der Beschichtung eine abgedrehte Materialstärke in Richtung achsparallel zur Achse der Bremsscheibe aufweist.

4. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Al₂O₃ oder Al₂O₃/TiO₂ besteht.

5. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Mischung Al₂O₃/TiO₂ etwa in einem Verhältnis von zwischen 50%/50% und 70%/30%, insbesondere in einem Verhältnis von etwa 60%/40%, besteht.

6. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Chromcarbid, insbesondere Cr₃C₂, enthält.

7. Bremsscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Chromcarbid, insbesondere Cr₃C₂ in Verbindung mit einer Nickellegierung, enthält.

8. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Mischung aus einem Chromcarbid in Verbindung mit einer Nickel-Chromlegierung besteht.

9. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Cr₃C₂/NiCr in einem Verhältnis von zwischen etwa 60%/40% und etwa 80%/20%, insbesondere in einem Verhältnis von etwa 75%/25%, besteht.

10. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Diamant, einem keramischen Material oder einem Werkstoff vergleichbarer Härte besteht.

11. Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von etwa 0,1 mm bis etwa 2 mm aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe, umfassend einen Grundkörper aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Grauguss, welcher wenigstens einseitig eine durch Beschichten mit einem harten Werkstoff erhaltene Reibfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst der Grundkörper im Bereich der aufzubringenden Beschichtung abgetragen und danach die Beschichtung aufgebracht wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper etwa um die Schichtdicke der aufzubringenden Beschichtung, bzw. bis zu +/- 20% mehr oder weniger, vorzugsweise +/- 10%, bezogen auf die Schichtdicke der Beschichtung, abgetragen wird, bevor die Beschichtung aufgebracht wird.

14. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper vor Aufbringung der Beschichtung um die entsprechende Materialstärke abgedreht wird.

15. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aufgebracht wird durch APS (Atmosphärisches Plasmaspritzen), HVOF (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) oder Flammschockspritzen.

16. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch mechanische Bearbeitung oder mit einem Schutzgitter beim Spritzen eine Gitterstruktur mit teilweise fehlender Beschichtung erzeugt wird.

17. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine oxydische Beschichtung aufgebracht wird.

18. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7 aufgebracht wird.