DE3033139C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Reibpaarung, insbesondere zur Verwendung in einer Reibungs­ bremse oder Reibkupplung, bei der ein erstes Reibelement aus Reibmaterialien mit organischen Bindemitteln einem größeren Verschleiß unterliegt als ein zweites, längerlebiges Reibele­ ment aus einem Eisenwerkstoff.

Reibanordnungen, wie Reibungsbremsen oder -kupplungen, werden verwendbar, um z. B. bei der Abbremsung eines in Bewegung be­ findlichen Teils kinetischer Energie in Wärme umzusetzen.

Zur Abbremsung eines Fahrzeugs wird als Reibanordnung z. B. eine Scheibenbremsanordnung aus Bremsscheibe und Bremsbelägen verwandt. Je nach Materialaufwand der gegeneinander reibenden Körper, die verschiedene Nebenbedingungen, wie z. B. Reibwert und Temperaturverhalten unterliegen, erhält man einen unter­ schiedlich großen Verschleiß. Als Material wird z. B. für die Bremmscheibe Grauguß gewählt; die Bremsbeläge bestehen zu­ meist aus organisch gebundenen Reibmaterialien. Reibelemente mit organischen Bindemitteln setzen sich z. B. aus Asbest-Fa­ sern, Bindemittel, wie z. B. vernetzbare Kunstharze wie Phe­ nolharz und natürlichen bzw. synthetischen Kautschuken sowie Füllstoffen zusammen, wobei als Füllstoffe Metallspäne, Me­ talloxide und/oder sonstige mineralische Werkstoffe verwendt werden.

Hält man den Verschleiß möglichst gering, so erreicht man eine längere Lebensdauer bzw. kleinere Bauteilabmessungen und damit geringeres Gewicht.

Zwecks Verschleißminderung sind Anordnungen bekannt, bei denen ein metallischer Grundkörper, z. B. eine Bremsscheibe mit einer verschleißarmen Beschichtung versehen ist. Ein Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung ist z. B. in der DE-OS 21 66 949 beschrieben; hierbei wird eine verschleißarme Reibschicht mit Hilfe eines Plasmastrahls aufgebracht. Dabei werden Teilchen aus Metall, einer Legierung oder Mischung dieser Metalle und deren Verbindungen wie Metalloxyde oder -carbide dem Plasma­ strahl zugeführt. Die verschleißarme Schicht muß dabei die ursprünglichen kristallographischen Eigenschaften der Teilchen, nämlich ein hexagonales Kristallsystem, aufweisen. Die Her­ stellungsmaterialien von zwei in Reibeingriff stehenden Be­ schichtungen dieser Art sollen unterschiedlich sein, z. B. soll die eine Beschichtung auf Carbidbasis und die andere auf Oxydbasis hergestellt sein.

Bei dieser bekannten Anordnung ist es insbesondere als nach­ teilig anzusehen, daß beide Reibpartner mit einer Beschichtung versehen sind.

Weiter ist bekannt, die Verschleißfestigkeit der Bremsbeläge zu vergrößern. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß an Stelle organisch gebundener Bremsbeläge metallisch gebundene Bremsbeläge zur Anwendung kommen; diese enthalten Bestandteile in einer gesinterten, metallischen Bindung.

Eine weitere Methode, um die Verschleißfestigkeit der Brems­ beläge zu vergrößern, ist aus der DE-OS 24 06 242 zu entnehmen. Dort wird ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren beschrie­ ben, durch das dünne Beläge aus metallisch-mineralischem Pulver, die fest mit einer metallischen Trägerplatte verbunden sind, hergestellt werden.

Bei diesen beiden letztgenannten Verfahren bzw. Anforderungen ist es insbesondere nachteilig anzusehen, daß zwar eine Verschleißminderung bei einem der Reibpartner, nämlich dem Bremsbelag erfolgt, jedoch wird dafür der Gegenreibkörper, die Bremsscheibe, stärker auf Verschleiß beansprucht; dabei wird das zulässige kleine Verschleißvolumen der Scheibe schnell überschritten.

Aus der DE-OS 22 64 275 ist eine Reibpaarung bekannt, die aus einem Reibkörper aus organisch gebundenem Reibwerkstoff und aus einem metallischen Gegenreibkörper besteht, wobei der Reibkörper auf seiner dem Gegenreibkörper zugekehrten Seite eine dünne, schnell verschließende Einfahrschicht aufweist. Die zugrunde liegenden Gedanken sind hierbei, zwischen den Reibpartnern eine Grenz- oder Zwischenschicht vorübergehend zu haben, die sich schnell selbsttätig verbraucht und durch die Einfahrschwierigkeiten, hervorgerufen durch anfängliches Geschwindigkeitsfading oder Reibwertschwankungen einerseits und Korrosion, Rost, Rauhigkeiten oder Verschmutzung der me­ tallischen Gegenflächen andererseits, vermieden werden.

Aus der DE-PS 8 90 585 ist eine Lamellenkupplung bekannt. Die Lamellenkupplung weist einen auf mindestens einer der beiden miteinander reibenden Flächen nach dem Metallspritzverfahren aufgebrachten Belag aus Nichteisenmetallen, wie beispielswei­ se Phosphorbronze, auf. Die Lamellen auf der Abtriebseite werden mit Spritzschichten versehen, und die Lamellen auf der Antriebseite weisen eine glatte Oberfläche auf, die zweck­ mäßig eine geringe Oberflächenrauhigkeit erhalten. Die Ver­ wendung gespritzter Schichten auf den Metallamellen geht da­ von aus, daß die Kapillaren in der gleichen Weise einen Ölfilm liefern wie bei den selbstschmierenden Lagern. Um dieser Forderung gerecht zu werden, erscheint es zweckmäßig, eine Tränkung der Spritzschichten mit Öl oder Paraffin vorzunehmen. Eine Anwen­ dung ist dann besonders am Platz, wenn es sich darum handelt, hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten von der Antriebseite in kur­ zer Zeit auf die Maschinenteile der Abtriebseite zu übertra­ gen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißarmen Reibpaarung anzugeben, bei der insbesondere der Verschleiß desjenigen Partners erheblich reduziert wird, der bisher dem größeren Verschleiß unterliegt und bei der gleichzeitig der Verschleiß des anderen, langle­ bigeren Reibpartners herabgesetzt wird.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird die hohe kinetische Energie der Partikel durch die Anwendung des Flammschockspritzens erreicht; durch Detonationen werden die Partikel derart beschleunigt, daß beim Auftreffen auf die zu beschichtende Reibfläche eine Mi­ kroverschweißung zwischen den Schichtpartikeln und dem Reib­ flächenmaterial und eine Mikroverklammerung zwischen Reibflä­ chen- und Schichtmaterial durch unterschiedlich tiefe, pla­ stische Deformation der obersten Lagen des Reibflächenmate­ rials eintritt. Durch diese Vorgänge wird die im Vergleich zum Plasmaspritzen bei weitem höhere Haftfestigkeit der Schicht am Grundkörper und die geringere Schichtporösität der flammschockgespritzten Schichten erreicht. So ist den bei ei­ nem Brems- oder Kupplungsvorgang auftretenden, extremen An­ sprüchen insbesondere hinsichtlich der Haftfestigkeit genüge getan.

Bei der Verwirklichung der Erfindung kann das zweite Reibele­ ment vorteilhaft als verhältnismäßig billiges und günstig formbares Gußteil (Grau- oder Sphäroguß) ausgeführt werden.

Als vorteilhaft hat sich die Verwendung von Metallcarbiden der Metalle Wolfram und Chrom, von Metallen wie Kobalt, Chrom, Nickel und von Kohlenstoff erwiesen; je nach Anteil an der Schichtzusammensetzung erhält man unterschiedliche Schichteigenschaften.

Bei den durchgeführten Untersuchungen stellten sich Schichten folgender Zusammensetzung als besonders geeignet heraus:
Material A: 25% WC; 5% Ni; Rest: Mischungen von W-Cr-Carbiden
Material B: 84,6% WC; 7,5% Co; 4,2% Cr; 3,5% C
(Angaben in Gewichtsprozenten)

Dadurch, daß die Dicke der Reibschicht im Bereich von 0,02 bis 0,03 Millimetern liegt, ergibt sich eine kurze Beschich­ tungszeit sowie ein geringer Materialverbrauch bezüglich der Materialien der Reibschicht.

Vorteilhafte Ausführungsformen erhält man durch die Ausbil­ dung der Vorrichtung als Bremse, insbesondere als Scheiben­ bremse mit dem zweiten, längerlebigen Reibelement als rotie­ rendes Teil, also der Bremsscheibe, und dem ersten Reibele­ ment als Bremsbelag.

Überraschenderweise liegt ein mit der Erfindung erzielter Vorteil darin, daß durch die verschleißfeste Reibschicht auf den Reibflächen des zweiten Reibelements aus Eisenwerkstoff, d. h. der Bremsscheibe, das Verschleißvolumen des ersten Reib­ elements aus Reibmaterialien mit organischen Bindemitteln um den Faktor 3 oder 4, also gravierend geringer ist als bei ei­ nem Vergleichsreibvorgang desselben Reibmaterials gegen eine unbeschichtete Reibfläche; dabei bleibt der Reibwert nahezu gleich.

Die Verschleißminderung an den Bremsbelägen wird demnach da­ durch erreicht, daß man den Gegenreibkörper, also die Brems­ scheibe, erfindungsgemäß beschichtet und den Bremsbelag unbe­ schichtet läßt.

An der Bremsscheibe selbst ist nach dem Reibvorgang kein Ver­ schleiß meßbar, so daß diese praktisch verschleißfreie Brems­ scheibe die Lebensdauer des Fahrzeugs erreicht bzw. sogar übertrifft.

Bei vielen Scheibenbremsen ist bisher ein ungleichmäßiger Be­ lagerverschleiß durch größeren Antrieb oder Schrägverschleiß ei­ nes Bremsbelages nicht zu vermeiden. Wenn dieser Bremsbelag der Reibfläche mit der Beschichtung zugeordnet ist, so erge­ ben sich annähernd gleiche Standzeiten der Bremsbeläge.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, einen schwer ausbau­ baren Bremsbelag der beschichteten Reibfläche der Bremsschei­ be zuzuordnen, da auf diese Weise kostspielige Austauschar­ beiten weniger häufig anfallen.

Das erfinderische Grundkonzept wird vorteilhaft weiterhin da­ durch verwirklicht, daß bei einer Schwimmsattel-Scheiben­ bremse nur die Reibfläche, die mit dem indirekt über den Sat­ tel betätigten Bremsbelag zusammenwirkt, beschichtet ist. Bei der Schwimmsattelscheibenbremse entsteht sehr oft ein größerer Belagverschleiß an dem indirekt betätigten Brems­ belag durch nicht exakte Lüftspieleinstellungen für diesen Bremsbelag sowie durch Einflüsse von Scheibenschlag und/oder Satteldehnung, die ein Schleifen des Belages hervorrufen. Die erfindungsgemäße Beschichtung ergibt eine gravierende Standzeiterhöhung für diesen Belagt, so daß ein häufiger vorzeitiger Austausch, der mit umständlichen, kostspieligen Werkstattarbeiten verbunden ist, entfällt.

Durch das oben geschilderte Verschleißverhalten ist es möglich, Scheibenbremsen zu bauen, deren Bremsscheiben um ca. 10% dünner sind und bei denen jeder der Bremsbeläge um bis zu 75% dünner ausgeführt werden kann. So erreicht man als gravierenden Vorteil eine Reduzierung der axialen Baulänge der gesamten Bremsanordnung Scheibe/Beläge/Sattelgehäuse bzw. einen verringerten Platzbedarf auf der Felgenseite, sowie neben einer bedeutenden Gewichtseinsparung auch eine Verringerung der Volumenaufnahme an Bremsflüssigkeit.

Anhand der erläuternden Figuren soll die Erfindung näher be­ schrieben werden

Fig. 1 zeigt die Versuchsergebnisse von Belag­ verschleißmessungen an den beiden Brems­ belägen bei einer nur einseitig erfindungs­ gemäß beschichteten Bremsscheibe.

Fig. 2 zeigt den Teilschnitt einer Faustsattel- Teilbelagscheibenbremse mit einer einseitig erfindungsgemäß beschichteten Bremsscheibe.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist mit 1 die schematisch dargestellte Brems­ scheibe bezeichnet, mit 2 der auf die beschichtete Reib­ fläche 5 der Bremsscheibe 1 einwirkende Bremsbelag, mit 3 der auf die unbeschichtete Reibfläche 6 einwirkende Brems­ belag.

Die strichpunktierten Linien kennzeichnen die Dicke der Bremsbeläge im Neuzustand; die schraffierte Bremsbelagdicke ergibt sich nach Ablauf der Verschleißmessungen. Die axialen Dicken der Beläge und der Scheibe geben in etwa die Versuchs­ ergebnisse wieder.

Die dargestellten Ergebnisse wurden unter folgenden Bedingungen erhalten:

Eine nur auf der Reibfläche 5 erfindungsgemäß beschichtete Bremsscheibe 1 wurde auf Scheiben- und Belagverschleiß in einer Scheibenbremsanordnung unter Vorgabe der Betriebs­ bedinungen eines Mitteklasse-PKW's untersucht.

Anhand der Fig. 1 erkennt man, daß der Belagverschleiß des Bremsbelages 2, der mit der erfindungsgemäß beschichteten Reibfläche 5 der Bremsscheibe 1 zusammenwirkt, deutlich, und zwar um ca. 70% geringer ist als der Verschleiß des Brems­ belages 3 an der gegenüberliegenden, unbeschichteten Reib­ fläche 6 der Bremsscheibe 1.

Die Bremsbeläge bestehen aus Reibmaterialien mit organischen Bindemitteln und sind aus der gleichen Charge. Es wurden als aggressiv in bezug auf den Scheibenverschleiß geltende Brems­ beläge ausgewählt.

Der Verschleiß der nicht beschichteten Reibfläche 6 der Brems­ scheibe 1 liegt bei diesem Versuch in der Größenordnung von 0,3 Millimetern, ein Verschleiß der erfindungsgemäß beschichteten Reibfläche 5 ist bei demselben Versuch um ¹/₁₀₀ Millimeter­ bereich nicht mehr meßbar.

In Fig. 2 ist eine Faustsattel-Teilbelagscheibenbremse im Teilschnitt abgebildet; der Sattel 8 umgreift die Bremsscheibe 1 in U-Form und hat auf einer Seite der Bremsscheibe 1 einen hydraulisch bewegbaren Betätigungskolben 7, der den zuge­ hörigen Bremsbelag 3 axial verschiebt. Der Bremsbelag 2 auf der gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe 1 wird indirekt über den Sattel 8 bewegt, der sich über das Zylindergehäuse gegen den Betätigungskolben 7 abstützt. Die Reaktionskraft nach Anlegen des Bremsbelages 3 an die Bremsscheibe 1 bewegt über eine Verschiebung des Sattels 8 relativ zum Bremsträger den zweiten Bremsbelag 2 bis zur Anlage an die Bremsscheibe 1 und bewirkt eine Bremsung. Die Reibfläche 5 der Bremsscheibe 1 ist erfindungsgemäß mit der Reibschicht beschichtet, die Reibfläche 6 ist unbeschichtet. Insbesondere eine nicht exakte Lüftspieleinstellung sowie Scheibenschlag und Satteldehnung sind häufig die Ursache dafür, daß der indirekt betätigte Bremsbelag 2 durch Schleifen an der Bremsscheibe 1 schneller verschleißt als der vom Betätigungskolben 7 beaufschlagte Brems­ belag 3. Die erfindungsgemäße Beschichtung der Reibfläche 5 der Bremsscheibe 1 bewirkt nun einen um ca. 70% geringeren Ver­ schleiß dieses Bremsbelages 2 im Vergleich zu einem Reib­ vorgang gegen die Reibfläche 5 ohne Beschichtung. Man erhält also eine höhere Standzeit dieses Bremsbelages 2 bzw. eine geringere axiale Baulänge der gesamten Anordnung und einen geringeren Platzbedarf in der Felgenschüssel.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Grundgedankens auf eine Scheibenbremse, insbesondere eine Faustsattel-Scheiben­ bremse, kommt man also insgesamt zu folgenden Vorteilen:

• - Der am stärksten beanspruchte Bremsbelag 2 erhält eine außergewöhnlich gesteigerte Standzeit, wodurch kompli­ zierte Austauscharbeiten an der Scheibenbremse ver­ mieden werden,
• - der als sehr unerwünscht angesehene Schrägverschleiß des außenliegenden Bremsbelags 2 wird durch die Erfindung entweder stark reduziert oder ganz elimi­ niert; dadurch wird die Funktions- und Betriebs­ sicherheit der gesamten Scheibenbremse erhöht,
• - der Konstrukteur kann den Bremsbelag 2 aufgrund seiner längeren Standzeit in axialer Richtung kürzer ausge­ stalten. Das bedeutet, daß die gesamte axiale Ausdehnung der Scheibenbremse kürzer wird. Eine weitere Ver­ kürzung wird dadurch erzielt, daß auch die mit dem direkt betätigten Bremsbelag 3 zusammenwirkende Reib­ fläche 6 auf der gegenüberliegenden Scheibenseite erfindungsgemäß beschichtet wird. Eine kurze Bauweise bedeutet andererseits aber auch eine bessere Unter­ bringung des Aggregats aus Scheibenbremse, Bremsträger usw. in dem engen Raum, der zwischen Radaufhängung und Radschüssel eines Automobils zur Verfügung steht.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer Reibpaarung, insbesondere zur Verwendung in einer Reibungsbremse oder Reibungskupp­ lung, bei der ein erstes Reibelement aus Reibmaterialien mit organischen Bindemitteln einem größeren Verschleiß un­ terliegt als ein zweites, längerlebiges Reibelement aus einem Eisenwerkstoff, dadurch gekennzeich­ net, daß auf mindestens eine Reibfläche (5, 6) des zweiten Reibelements (4) eine aus einem die Verschleißfe­ stigkeit erhöhenden Gemisch aus Metallen, Nichtmetallen und chemischen Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen bestehende Reibschicht dadurch aufgebracht wird, daß das Schichtmaterial durch Detonation eines dispersen Sy­ stems, bestehend aus einem zündungsfähigen Gasgemisch und Partikeln des Gemisches des Schichtmaterials partikelför­ mig mit hoher kinetischer Energie auf die Reibfläche (5, 6) aufgespritzt wird (Flammschockspritzen).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reibschicht einen hohen Anteil von Metallcarbiden, vorzugsweise der Metalle Wolfram und Chrom enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reibschicht Kobalt, Chrom und Nickel enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reibschicht folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat: 20% bis 30% WC; 5% Ni, Rest: Mischungen von W-Cr-Carbiden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reibschicht folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten hat: 80% bis 90% WC; unter 10% Co; unter 5% Cr; unter 5% C.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reibschicht eine Dicke von weniger als 0,03 Millimeter hat.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reibschicht eine Dicke von 0,02 Millimeter bis 0,03 Millimeter hat.