DE69612141T2 - Vorgefertigtes Teil einer Reibungsbremse - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft im allgemeinen Reibungsbremsen, und insbesondere eine neue Reibungsbremsenzusammensetzung, und Verfahren zum Herstellen von Reibungsbremsen-Baugruppen, wie Bremsbacken und Bremsklötze, unter Verwendung der neuen Reibungsbremsenzusammensetzung.
• Bisher ist es übliche Praxis der Industrie in den Vereinigten Staaten gewesen, Reibungsbremsen-Baugruppen herzustellen, wie die Reibungsbremsbacken und Reibungsbremsklötze, die typischerweise in Bremssystemen von Automobilfahrzeugen verwendet werden, indem zuerst ein Partikelgemisch des Reibungsmaterials, das ein Phenolharzbindemittel enthält, in eine ausgehärtete Bremsbelagform mit spezieller Struktur gebracht wird und anschließend die ausgehärtete Bremsbelagform mit einer zusammenwirkenden Bremsteil-(Trommel)-Rückwand über mechanische Befestigungsmittel, wie Nieten, oder mittels eines geeigneten Klebers, wie einem ausgehärteten Phenolharz, einem ausgehärteten elastischen Gummi oder einem ähnlichen Klebemittel, verbunden wird. Die Partikelmischung des Reibungsmaterials der ausgehärteten Bremsbelagform ist typischerweise aus anorganischen Verbundteilchen, organischen Verbundteilchen, metallischen Teilchen, Verstärkungsfasern, und manchmal Kohlenstoffteilchen, zusätzlich zu dem Phenolharz-Bindemittel zusammengesetzt.
• Eine andere Form eines herkömmlichen Reibungsbremsenteils, das manchmal als eine integral geformte Bremsbacke oder ein integral geformter Bremsklotz bezeichnet wird, wird unter Anwendung eines Verfahrens hergestellt, bei dem das benötigte Klebematerial dem (Trommel)-Rückwandelement der Bremsen-Baugruppe in dessem nicht ausgehärteten Zustand zugeführt wird, und der Reibungsmaterial-Bremsbelag mit dem Phenolharzbindemittel in Kontakt mit dem zugeführten, nicht ausgehärteten Klebemittel gebracht wird. Das Klebematerial wird anschließend gleichzeitig mit dem erforderlichen Aushärten des Partikelzusammensetzungsgemischs des Bremsbelag-Reibungsmaterials ausgehärtet.
• Wir haben entdeckt, daß sowohl die Notwendigkeit für die mehrstufigen Harzaushärtungsprozesse als auch die Notwendigkeit für getrennte Partikelbindemittel- und Klebemittel-Harzsysteme bei der Herstellung der Reibungsbremsen-Baugruppen wirtschaftlich vorteilhaft vermieden werden können, indem eine Reibungsmaterialzusammensetzung verwendet wird, bei der das enthaltene, gleichmäßig verteilte Harzbindemittelsystem zufriedenstellend sowohl als ein Partikelbindemittel der Zusammensetzung als auch als ein Klebemittel zum Verbinden der ausgehärteten Zusammensetzung des Bremsbelags mit dessen Brems(Trommel)-Rückwandelement arbeitet.
• Andere Vorteile meiner Erfindung werden unter sorgfältiger Berücksichtigung der nachfolgenden detaillierten Information deutlich.
• Die DE-A-44 20 593 offenbart eine Reibungsbremsen-Baugruppe mit einem metallischen Bremstrommelrückwandelement.
• Diese Erfindung stellt eine Reibungsbremsen-Baugruppe (10) bereit, die folgendes umfaßt:
• ein metallisches Rückwandelement; und
• ein Reibungsmaterial-Bremsbelagelement, das eine Matrix und in der Matrix eingebettete Reibungsmaterialpartikel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß:
• die Matrix ein ausgehärteter Epoxyharz ist; und
• das Reibungsmaterial-Bremsbelagelement an dem metallischen Rückwandelement mittels der ausgehärteten Epoxyharzmatrix des Belagelements haftet.
• Die ausgehärteten Reibungsmaterialpartikel des Bremsbelags, anorganische Verbundpartikel und metallische Partikel und Verstärkungsfasern, die gleichmäßig in einem ausgehärteten Epoxyharz-Bindemittel verteilt und eingebettet sind, umfassen ungefähr 10 bis 40 Gew.-% der gesamten Reibungsmaterialzusammensetzung. In einigen Fällen kann die Reibungsbremsen-Materialzusammensetzung auch einen Bestandteil an kohlenstoffhaltigen Partikeln beinhalten.
• Aus Sicht eines Verfahrens- oder Herstellungsprozesses stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Reibungsbremsen-Baugruppe mit einem metallischen Rückwandelement und einem Reibungsmaterial-Bremsbelagelement bereit, das integral mit dem Rückwandelement verbunden ist, wobei die Verfahrensschritte die folgenden Schritte umfassen:
• Formen eines plastischen Gemisches aus Reibungsmaterialpartikeln und Epoxyharzbindemittel in eine plastische Bremsbelag-Vorform;
• Anordnen der plastischen Vorform in direktem Kontakt mit dem metallischen Rückwandelement; und
• Aussetzen der plastischen Vorform erhöhten Drücken und Temperaturen für eine verlängerte Zeitdauer, die ausreicht, daß die plastische Vorform ein relativ starres Bremsbelagelement wird, das integral an dem metallischen Rückwandelement haftet.
• In der beigefügten Zeichnung:
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Reibungsbremsen-Baugruppe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und eine typische Trommelbremsbackenanordnung aufweist;
• Fig. 2 ist eine Querschnittansicht entlang der Ebene, die durch die Schnittlinien 2-2 aus Fig. 1 definiert ist;
• Fig. 3 ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform einer Druckerzeugungsvorrichtung, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung mit der darin angeordneten Baugruppe aus Fig. 1 verwendet wird; und
• Fig. 4 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 4- 4 aus Fig. 3.
• Fig. 1 stellt eine Reibungsbremsbäcken-Baugruppe 10 dar, welche die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung enthält und eine typische Anordnung einer Trommelbremsbacken- Baugruppe eines Automobils aufweist, im Unterschied zu einer Scheibenbremsklotz-Baugruppe eines Automobils, für die die Erfindung ebenfalls angewendet werden kann. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt die Baugruppe 10 ein metallisches (Trommel)- Rückwandelement 12 mit einer integralen Verstärkungsrippe, das gewöhnlich aus einem kohlenstoffarmen Stahl hergestellt ist, und einen ausgehärteten Reibungsmaterial-Bremsbelag 14, der integral an der äußeren zylindrischen Oberfläche 16 des (Trommel)-Rückwandelements 12 haftet. Es sei bemerkt, daß die Baugruppe 10 keine mechanischen Befestigungsmittel, wie Nieten oder dergleichen, verwendet, um das ausgehärtete Reibungsmaterial mit dem (Trommel)-Rückwandelement 12 zu verbinden, und ebenfalls keine Zwischenschicht aus einer Klebezusammensetzung verwendet, um diese Bauteile miteinander zu verbinden. Siehe Fig. 2, welche im Schnitt das direkte oder integrale Verbinden bzw. Ankleben des Bremsbelagelementes 14 an dem Element 12 darstellt.
• Das Reibungsmaterial des Bremsbelags 14 wird an Ort und Stelle zu einem vollständig ausgehärteten Zustand verarbeitet und umfaßt typischerweise ein Gemisch aus anorganischen Partikeln, organischen Partikeln, metallischen Partikeln und Faserpartikeln, die mit einem gleichmäßig verteilten Epoxyharz verbunden sind, der so arbeitet, daß er sowohl die Partikelmaterialien miteinander verbindet als auch die ausgehärtete Zusammensetzung des Elements 14 an das (Trommel)- Rückwandelement 12 der Baugruppe 10 klebt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung habe ich herausgefunden, daß der Epoxyharzbestandteil eine Gewichtsbasis von ungefähr 10% bis 40% des Gesamtgewichts der Zusammensetzung aufweisen sollte. Ein solcher Bereich entspricht im wesentlichen einer Volumenbereichsbasis von ungefähr 13% bis 53%.
• Beim Formulieren der Reibungsmaterialzusammensetzung für das Bremsbelagelement 14 wähle ich normalerweise anorganische Partikel aus, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Aluminiumoxid-Partikel, Magnesiumoxid-Partikel, Silica-Partikel, Aluminiumsilikat-Partikel und verschiedene mineralische Partikel, einschließlich Calciumcarbonat-Partikel, Bariumverbund-Partikel (Bariumsulfat-Partikel) und Kieselgur-Partikel (siliziumhaltiger Kalkstein) umfaßt. Für die Zusammensetzungskategorie der organischen Partikel wähle ich im allgemeinen ein Material oder Materialien aus der Gruppe aus, die aus Gummireifenmantel-Partikel und Cashewnußschalen-Partikel besteht.
• Im allgemeinen wird der Bestandteil der metallischen Partikel der Reibungszusammensetzung oftmals aus der Gruppe ausgewählt, welche Eisenoxidstaub und Eisenpartikel umfaßt. Gelegentlich kann es wünschenswert sein, Partikel aus einem oder mehreren unterschiedlichen, nicht-eisenhaltigen Metallen zu verwenden.
• Der Faserbestandteil oder die Faserbestandteile, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, werden im allgemeinen aus der Gruppe ausgewählt, welche Glasfasern, Stahlwollefasern, keramische Fasern und Polyacrylnitril-Fasern umfaßt. Falls es, wie oben vorgeschlagen, wünschenswert ist, einen Kohlenstoffbestandteil einzuschließen, um eine Eigenschmiereigenschaft der Zusammensetzung zu entwickeln, kann dies durch Einfügen von einem oder mehreren unterschiedlichen Kohlenstoffpartikeln erzielt werden, welche die aus natürlichen Graphitpartikeln, synthetischen Graphitpartikeln, Kokspartikeln, Rußpartikeln und selbst Kohlepartikeln bestehende Gruppe umfassen.
• Äußerst wichtig ist, daß der erforderliche Epoxyharzbestandteil vorzugsweise ein Epoxyharzsystem ist, das aufgrund seines flüssigen Epoxyharzbestandteils beim vollständigen Vermischen der Partikelbestandteile der Zusammensetzung mit dem Bindemittel der Zusammensetzung eine plastische Eigenschaft in der Zusammensetzung entwickelt. In wenigstens einem konkreten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung habe ich herausgefunden, daß es vorteilhaft ist, ein Epoxyharzbindemittel zu verwenden, das sowohl Epöxyd-Kresolnovolac- Harzpartikel als auch eine Bisphenol-F/Epichlorhydrin- Epoxyharzflüssigkeit umfaßt. Solche Harze wurden in relativen Anteilen kombiniert, welche dem Gemisch der Reibungsbremsen- Materialzusammensetzung, nach der Kombination des Epoxyharzes mit den anderen Reibungsbremsen-Materialbestandteilen, einen Plastizitätsgrad der Zusammensetzung verliehen, der es dem resultierenden Material ermöglicht, anschließend vor dem endgültigen Aushärten in Form gewalzt oder extrudiert zu werden. (Es sei bemerkt, daß von einem prozeduralen Standpunkt der partikuläre bzw. disperse Epoxyharzbestandteil der Zusammensetzung mit den anderen Partikelzutaten der Zusammensetzung vor Zugabe des flüssigen Epoxyharzbestandteils gründlich gemischt wurde).
• Die nachfolgende Tabelle I liefert spezielle Zusammensetzungs- oder Formulierungsinformationen für zwei verschiedene Reibungsbremsenmaterialien, die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet worden sind (alle Anteile sind auf einer Gewichtsprozentbasis angegeben): TABELLE 1
• Fig. 3 stellt eine Druckerzeugungsvorrichtung bzw. Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20 dar, die vorteilhaft bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um zwei vor-ausgehärtete, aus einem Reibungsmaterial extrudierte oder gewalzte Bremsbelagvorformen 14 mit einem Paar (Trommel)-Rückwandelementen 12 zu verbinden. Die Vorrichtung 20 umfaßt grundsätzlich eine "Endlos"- Schleifen- oder Bandkomponente 22, die vorzugsweise aus einem flexiblen, streifenähnlichen Stahlmaterial gefertigt ist, und eine zusammenarbeitende Expanderkomponente 24. Die Expansionskomponente 24 weist wiederum im wesentlichen ein Paar beabstandeter starre Adapterelemente 26 und 28 auf, die über ein herkömmliches Druckfederelement 30 verbunden sind. Die Vorrichtung 10 funktioniert grundsätzlich so, daß sie jede teilweise ausgehärtete Reibungsmaterialvorform 14 komprimiert, die in der Vorrichtung 20 zwischen der Bandkomponente 22 und ihrem entsprechenden Bremsen-(Trommel)-Rückwandelement 12 angeordnet ist, wenn die Elemente 26 und 28 mit den (Trommel)-Rückwandelementen 12 in Eingriff stehen und die Druckfeder 30 aus ihrem komprimierten Installationszustand der Vorrichtung freigelassen wird. Wie nachstehend angegeben wird, ist das Druckfederelement 30 so dimensioniert, daß es einen Druck im ungefähren Bereich von 137900 Pa bis 344750 Pa (20 Pfund pro Quadratzoll bis 50 Pfund pro Quadratzoll) über jede der in der Vorrichtung angeordneten Reibungsmaterialvorformen 14 zu entwickeln, um das Aushärten des enthaltenen Epoxyharz-Bindemittels abzuschließen.
• Auch wenn es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist es erforderlich, eine Zwischenschicht aus einem separaten Material, wie ein Polytetrafluorethylen-Tape ("Teflon", als Marke registriert), zwischen demjenigen Abschnitt der Innenseite des Bandelements 22 anzuordnen, das andernfalls irgendeine teilweise ausgehärtete Reibungsmaterialzusammensetzung und das zusammenwirkende Reibungsmaterial kontaktieren würde. Alternativ kann ein dünnes Hochtemperatur-Material, wie eine Aluminiumfolie, verwendet werden, falls eine nachfolgende Bearbeitung der vollendeten Baugruppe 10 ein Schleifen oder ein andersartiges Entfernen von Reibungsmaterial-Oberflächenmaterial einbezieht.
• Jede Baugruppe der Vorrichtung 20 und ein enthaltenes Paar teilweise vollendeter Bremsbacken-Baugruppen 10 wird anschließend auf eine erhöhte Temperatur (z. B. Temperaturen im ungefähren Bereich von 149ºC bis 258ºC (300ºF bis 500ºF)) für eine verlängerte Zeitdauer, die im allgemeinen in dem ungefähren Bereich von 2 Stunden bis 10 Stunden liegt, aufgeheizt, um das Aushärten des in dem Reibungsmaterial der Vorformen 14 verteilten Epoxyharz-Bindemittelbetandteils abzuschließen. Bislang gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigte Trommelbremsbacken-Baugruppen, welche Prozeßparameter in den angegebenen Bereichen verwenden, haben Bindebeanspruchungsstärken des Materials bezüglich der (Trommel)-Rückwand im Bereich von 13,1 · 10&sup6; Pa bis 16,55 · 10&sup6; Pa (1900 Pfund pro Quadratzoll bis 2400 Pfund pro Quadratzoll) entwickelt, abhängig von dem Druck, der von der Vorrichtung 20 während des verlängerten Aushärtezyklus an die Reibungsmaterialzusammensetzung angelegt wurde. Solche Werte sind typisch für diejenigen, die beim Verbinden von entweder vollständig ausgehärteten oder teilweise ausgehärteten Bremsbelägen oder von Bremsbelagvorformen der Reibungszusammensetzung auf die (Trommel)-Rückwände unter Verwendung eines gummimodifizierten Phenol-Bremsbelag-Klebemittels, erhalten werden.
• Zusätzlich zu dem Wegfall des Erfordernisses eines Bindeklebemittels hat die Verwendung eines Epoxyharzsystems als ein Matrixbindemittel einen zusätzlichen Vorteil. Die Aushärtereaktion eines Epoxyharzes ist eine Ringöffnungspolymerisation und erzeugt als solche keine flüchtigen Stoffe. Daher kann das Reibungsmaterial direkt auf das (Trommel)- Rückwandelement aufgebracht werden, unmittelbar nachdem es gemischt wurde, und ohne daß eine Zeit- und energieverbrauchende Trockenoperation vor dem Aushärten erforderlich wäre. Dies steht in direktem Vergleich mit dem Aushärten eines Phenolharz-Bindemittels, das eine Kondensationsreaktion ist und als solche flüchtige Stoffe freigibt, die während eines Trocknungszyklus sorgfältig entfernt werden müssen, um die Bildung von Blasen und Delaminierungen in dem resultierenden ausgehärteten Bremsbelag zu verhindern.
• Es können innerhalb der von den Ansprüchen aufgestellten Grenzen andere Materialien, Bauteileformen und Bauteilegrößen verwendet werden als diejenigen, die in der Zeichnung und in der Beschreibung detailliert dargelegt sind.

Claims (8)

1. Reibungsbremsen-Baugruppe (10), die in Kombination folgendes umfaßt:

ein metallisches Rückwandelement (12), und

ein Reibungsmaterial-Bremsbelagelement (14), das eine Matrix und in der Matrix eingebettete Reibungsmaterialpartikel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Matrix ein ausgehärteter Epoxyharz ist; und

das Reibungsmaterial-Bremsbelagelement (14) an dem metallischen Rückwandelement (12) mittels der ausgehärteten Epoxyharzmatrix des Belagelements haftet.

2. Reibungsbremsen-Baugruppe (10) nach Anspruch 1, bei welcher die ausgehärtete Epoxyharzmatrix ungefähr 10% bis 40% des Gewichts des Reibungsmaterial-Belagelements umfaßt.

3. Reibungsbremsen-Baugruppe (10) nach Anspruch 1, bei welcher die ausgehärtete Epoxyharzmatrix das Polymerisationsprodukt eines partikulären Epoxyd-Kresolnovolac- Harzes und eines flüssigen Bisphenol-F/Epichlorhydrin- Epoxyharzes ist.

4. Verfahren zum Herstellen einer Reibungsbremsen-Baugruppe (10) mit einem metallischen Rückwandelement (42) und einem Reibungsmaterial-Brernsbelagelement (14), das integral mit dem Rückwandelement verbunden ist, wobei die Verfahrensschritte die folgenden Schritte umfassen:

Formen einer plastischen Mischung aus Reibungsmaterialpartikeln und Epoxyharzbindemittel in eine plastische Bremsbelagvorform;

Anordnen der plastischen Vorform in direktem Kontakt mit dem metallischen Rückwandelement; und

Aussetzen der plastischen Vorform erhöhten Drücken und Temperaturen für eine verlängerte Zeitdauer, die ausreicht, daß die plastische Vorform ein relativ starres Bremsbelagelement wird, das integral an dem metallischen Rückwandelement haftet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das Epoxyharzbindemittel ungefähr 10 bis 40 Gew.-% der in die plastische Bremsbelag-Vorform geformten Mischung umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Epoxyharzbindemittel ein Epoxyd-Kresolnovolac-Harz und ein Bisphenol-F/Epichlorhydrin-Epoxyharz umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die plastische Bremsbelag-Vorform Temperaturen im ungefähren Bereich von 149ºC bis 258ºC (300ºF bis 500ºF) ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die elastische Bremsbelag-Vorform internen Drücken in dem ungefähren Bereich von 137900 Pa bis 344750 Pa (20 Pfund pro Quadratzoll bis 50 Pfund pro Quadratzoll) ausgesetzt wird.