Kolben für eine hydraulische Bremse und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine hydraulische Bremse, welcher in Umformprozessen aus einem metallischen Ausgangswerkstoff, insbesondere aus einem ebenen Blech, hergestellt ist, und als einseitig offener, Topf mit einer Langsachse, einer Wandung und einem Boden gestaltet ist, und auf einer offenen Stirnseite von einem Rand mit einer axialen Anlageflache begrenzt wird, welche an einen Bremsbelag anlegbar ist.

Ein solcher Kolben ist aus der WO 01/02745 Al bekannt. Es handelt sich dabei um einen kaltverformten Kolben, der vorzugsweise Mittels Tiefziehverfahren hergestellt ist. Dieser ist im Vergleich zu gegossenen Kolben verhältnismäßig dünnwandig gestaltet, wobei der Ausgangswerkstoff, die Wandung und der Boden die gleiche geringe Wandstarke aufweisen. Damit sich der Boden bei einer Beaufschlagung mit einem unter Druck stehendem Druckmittel nicht verformt, ist er bezuglich einer Kolbenaußenseite konvex gewölbt, wodurch die Belastung Druckspannungen im Boden hervorrufen. Durch diese stabilisierende, konstruktive Gestaltung des Bodens ergibt sich zwischen Kolben und einem dazugehörigen Bremszylinder ein großer Totraum. Weiterhin werden die auf den Boden wirkenden Kräfte in die Wandung des Kolbens übertragen, wobei in einem Ubergangsbereich zwischen Boden und Wandung erhöhte Spannungen entstehen. Zu deren Kompensation ist der Werkstoff an dieser Stelle mehrfach gefaltet. Dabei stellt sich als nachteilig heraus, dass die

Faltung des Werkstoffs besonders aufwendig bezuglich der Gestaltung und kostenintensiv, insbesondere in Bezug auf das Herstellungswerkzeug, ist.

Aus der EP 1 414 613 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine hydraulische Bremse bekannt, mit folgenden Schritten: Ausstanzen eines scheibenförmigen, runden Rohlings aus einem Ausgangswerkstoff einer bestimmten Dicke, insbesondere aus einem Stuck Blech, Umformen des Rohlings in einen topfartigen Hohlzylinder mittels einer Matrize und eines Stempels und Formpressen des topfartigen Hohlzylinders zur Formung des Bodens mit einer bestimmten Wandstarke und einer zylindrischen wandung mit einer bestimmten Wandstarke. Dabei wird durch den durchgeführten Umformvorgang die Wandstarke des Kolbens gegenüber dem Ausgangswerkstoff stark verringert, insbesondere im übergang von Boden und Wandung. Um eine ausreichende Kolbenwandstarke, das heißt Stabilität und Steifigkeit zu erreichen, muss ein verhältnismäßig dicker Ausgangswerkstoff gewählt werden, wodurch erhöhte Herstellungskosten entstehen .

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Kolben anzugeben, der verbesserte hydraulische Eigenschaften aufweist und dabei auf einer spannungsoptimierten Konstruktion beruht, und weiterhin ein Verfahren zu dessen gunstiger Herstellung anzuführen, welches geeignete spannungsoptimierte Konstruktionsmerkmale darstellen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 dadurch gelost, dass der Boden eine im Wesentlichen plane Außenflache aufweist, eine Wandstarke des Bodens großer als eine minimale Wandstarke

der Wandung ist, und an einem Ubergangsbereich zwischen Boden und Wandung eine Wandstarke der Wandung zum Boden hin kontinuierlich zunimmt und so die Wandung mit einer Schräge in den Boden übergeht. Durch die plane Außenflache entsteht kein Totraum im Bremszylinder, wodurch die Menge des Fluids im hydraulischen Betatigungskreis reduziert ist, was die Steifigkeit und Dynamik des Betatigungskreises wesentlich verbessert. Die vorteilhaften Konstruktions-merkmale schützen den Boden bei Druckbeaufschlagung vor Verformungen und bewirken eine gunstige überführung der Zug- und Biegespannung des Bodens in Druckspannungen in die Wandung des Kolbens. Die Schräge hat dabei den Effekt, dass die mechanischen Spannungen des Bodens gleichmaßig über einen größeren Querschnitt in die Wandung abgeleitet werden können, wodurch eine Konzentration der Spannungen vermieden wird.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung beinhaltet, dass eine auf die Langsachse projizierte Lange der Schräge kleiner ist als die doppelte Wandstarke des Bodens. Diese geometrische Einschränkung bewirkt, dass einerseits eine gunstige Spannungsfuhrung im Kolben erreicht wird, so dass eine übermäßige Gewichtserhöhung des Kolbens durch eine unnötige Werkstoffaufdickung der Wandung vermieden wird.

Um den übergang zwischen der Schräge und der Wandung beanspruchungsgerecht darzustellen, ist die Schräge gegenüber der Langsachse des Kolbens mit einem Winkel CC großer 1° Grad geneigt.

In einer weiteren Ausfuhrung der Erfindung ist zwischen der Schräge und dem Boden eine Abrundung vorgesehen. Diese

Maßnahme dient der beanspruchungsgerechten Gestaltung des Kolbens. Dabei wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn die Abrundung zumindest teilweise als Ausnehmung im Werkstoff des Bodens ausgebildet ist, so dass an dieser Stelle eine Wandstarke des Bodens reduziert ist. Besonders die Verringerung der Wandstarke des Bodens im übergang zwischen Schräge und Boden bewirkt, dass oberflachennahe Zugspannungen über den gesamten Bauteilquerschnitt des Bodens verteilt werden, wodurch die Schräge entlastet wird.

Dieser Effekt wird dadurch unterstutzt, dass der übergang mit einem Radius versehen ist, und dass dieser Radius kleiner als die Wandstarke des Bodens ist.

Die Herstellungskosten werden reduziert, indem die Wandstarke des Bodens durch die Umformprozesse um mehr als das 1,1-fache der Dicke des Ausgangswerkstoffs zunimmt. Dadurch kann ein Ausgangswerkstoff mit geringer Dicke verwendet werden. Weiterhin kann der Ausgangswerkstoff verhältnismäßig weich sein, da der Boden durch die Umformprozesse eine Kaltverfestigung erhalt, die um mehr als das 1,3-fache über der Festigkeit des Ausgangswerkstoffs liegt. Beide Merkmale fuhren zu niedrigeren Herstellungskosten und Werkzeugkosten.

Um Verformungen und Uberbelastungen an der offenen Stirnseite des Kolbens zu verhindern, ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Anlageflache des Randes großer als eine Querschnittsflache an der dünnsten Stelle der Wandung.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens beinhaltet folgende Schritte:

- Umformen eines scheibenförmigen, runden Rohlings in einen napfartigen Hohlzylinder mit einer Langsachse, wobei eine Stirnseite des Hohlzylinders von einem konvex gewölbten Boden verschlossen ist,

Stauchen des Hohlzylinders in seiner Langsachse in einem oder mehreren Umformschritten, so dass der konvex gewölbte Boden geebnet und durch die Stauchung der Bodenwerkstoff aufgedickt wird, und dadurch die Wandstarke des fertigen Bodens um mehr als das 1,1-fache im Verhältnis zum Ausgangswerkstoff zunimmt.

Bei Anwendung dieses Verfahrens wird in vorteilhafter Weise die Steigerung der Wandstarke des Bodens durch die Stauchung des Bodens erreicht, ohne dass dabei der gesamte Hohlzylinder im Wesentlichen mit einbezogen ist. Der Boden und der Ubergangsbereich vom Boden in die Wandung erfahren dabei eine Kaltverfestigung durch Umformung. Dadurch kann die Dicke des Ausgangswerkstoffs verringert werden, wodurch der Verschnitt an Rohmaterial geringer ausfallt und so die Herstellungskosten sinken.

Besonders gunstig ist dieses Verfahren, wenn durch einen oder mehrere abstreckenden Umformschritt ein Randbereich des gestauchten Bodens in die Wandung übergeht und dadurch eine Aufdickung der Wandung im Ubergangsbereich erzeugt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.

- S -

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Schnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Kolbens aus Fig. 1 und

Fig. 3 von a) bis f) die wichtigsten Schritte des gesamten Umformprozesses .

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 im Längsschnitt dargestellt. Dieser um eine Längsachse 2 rotationssymetrisch ausgeführte Kolben 1 ist als einseitig offener Topf mit einer Wandung 3 und einem Boden 4 gestaltet, wobei er auf einer offenen Stirnseite von einem Rand 5 mit einer axialen Anlagefläche A begrenzt wird, die an einen nicht dargestellten Bremsbelag anlegbar ist. Der Rand 5 ist einstückig an der Wandung 3 angeformt, wobei die Anlagefläche A größer ist als eine Querschnittsfläche Q an der schwächsten Stelle der Wandung 3. Zudem ist in einer Außenseite 8 des Kolbens 1 nahe dem Rand 5 eine umlaufende Nut 6 einrolliert, welche im verbauten Zustand zur Aufnahme eines nicht dargestellten Dichtungsrings dient. Die Kontur der einrollierten Nut setzt sich durch den gesamten Querschnitt der Wandung 3 fort und verursacht so auf einer Innenseite 9 des Kolbens 1 eine Schulter 7. An dieser Schulter 7 verklemmen sich Belaghaltefedern einer Rückenplatte eines nicht dargestellten Bremsbelags, womit dieser am Kolben 1 fixiert wird. In einer planen Außenfläche 20 des Bodens 4 ist ein minimaler Totraum 19 eingeprägt, wodurch sich eine Entlüftung des hydraulischen Systems verbessert .

Dort wo die Wandung 3 in den Boden 4 übergeht, ist ein Ubergangsbereich 10 vorhanden, der in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist. An der Innenseite 9 des Kolbens 1 ist am Ubergangsbereich 10 eine Werkstoffaufdickung 11 der Wandung 3 vorgesehen. Diese ist derart ausgebildet, dass eine dortige Wandstarke S u der Wandung 3 zum Boden 4 hin zunimmt und so die Wandung 3 mit einer Schräge 12 in den Boden 4 übergeht. Dabei nimmt die Schräge 12 gegenüber der Langsachse 2 des Kolbens 1 einen Winkel CC von mehr als 1° Grad ein. Da die Werkstoffaufdickung 11 und die davon gebildete Schräge 12 der Optimierung des Spannungsverlaufs im Ubergangsbereich 10 dienen, ist es sinnvoll die Große der Schräge 12 auf den Ubergangsbereich 10 zu begrenzen, um nicht das Gewicht des Kolbens 1 durch unnötigen Werkstoffeinsatz zu erhohen.

Deshalb ist die auf die Langsachse 2 projizierte Lange L der Schräge kleiner als die doppelte Wandstarke S_b des Bodens 4 und liegt optimaler Weise in der Größenordnung der Wandstarke S_b des Bodens 4. Weiterhin ist zwischen der Schräge 12 und dem Boden 4 eine Abrundung 13 vorgesehen, die teilweise als Ausnehmung 14 im Werkstoff des Bodens 4 ausgebildet ist. Diese Einpragung in den Kolbenboden hat zur Folge, dass an dieser Stelle des Bodens 4 eine, im Gegensatz zur Wandstarke S_b, verminderte Wandstarke S_r vorliegt. Im Detail ist die Abrundung 13 mit einem Radius R versehen, wobei dieser Radius R kleiner als die Wandstarke S_b des Bodens 4 ist. Es ist aber auch denkbar den übergang von der Schräge in den Boden ohne Ausnehmung und mit einem variablen Radius zu gestalten.

Durch die Umformprozesse nimmt die Wandstarke des Bodens um vorzugsweise etwa das 1,1- bis 1,6-fache der Dicke s 0 des

Ausgangswerkstoffs zu, und der Boden verfestigt sich etwa 1,3-fach relativ zum Ausgangswerkstoff. Je nach Umformprozess kann der Boden auch eine höhere Festigkeit nach dem Umformen aufweisen, insbesondere das 1,3- bis 2,5- fache des Ausgangswerkstoffs.

Ein solcher Kolben 1 wird in hydraulischen Bremssystemen verwendet, wobei er in einer Bohrung eines Bremssattels axial verschiebbar gelagert ist, und der Kolbenboden in der Bohrung mit einem hydraulischen Fluid beaufschlagbar ist. Wird die Bremse betätigt, so verschiebt sich der Kolben ob der Druckbeaufschlagung und schiebt einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe. Dies verursacht so eine Normalkraft zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag, sowie eine Reibkraft.

Die Herstellung des vorliegenden Kolbens erfolgt mittels Umformungen, insbesondere Kaltumformungen. Die wichtigsten Schritte des gesamten Umformprozesses sind in Fig. 3a-f gezeigt. Aus einem Ausgangswerkstoff, welcher vorzugsweise Blech ist und das meist in gewalzten Bändern vorliegt, wird ein scheibenförmiger Rohling 16 gestanzt. Die Dicke S 0 des Rohlings 16 ist dabei gleich der Dicke des Ausgangswerkstoffs. (Fig. 3a)

In einem oder mehreren Tiefziehvorgängen wird aus dem scheibenförmigen Rohling 16 ein napfartiger Hohlzylinder 15 mit einem Außendurchmesser Dl geformt, der auf einer Stirnseite von einem konvex gewölbten, halbkugelähnlichen Boden 4' verschlossen ist. Dabei ist die Wandstärke S w des Hohlzylinders 15 im Wesentlichen gleich der Dicke S 0 des Rohlings 16, und der Außendurchmesser Dl größer als der Außendurchmesser D2 des fertigen Kolbens 1. (Fig. 3b)

In Fig. 3c, 3d und 3e ist schematisch dargestellt, wie die Umformung und Aufdickung des konvex gewölbten, halbkugelähnlichen Bodens 4' erfolgt. Dies wird erreicht, indem der Boden 4' in sich gestaucht wird. Auf diese Weise kommt es zu einer Werkstoffanhäufung im Bodenbereich. Der Boden 4' mit der Wandstärke S b' wird abgeflacht, wobei dieser noch nicht eben ist. Durch Abstreckziehen wird der Außendurchmesser Dl auf D2' verringert. Dadurch geht der radiale Randbereich 18 des unfertigen Bodens 4' in die Wandung über und erzeugt dort die Werkstoffaufdickung 11. In weiteren kalibrierenden und streckenden Umformschritten bekommt der Kolben 1 seine endgültige, ebene Form mit dem Außendurchmesser D2, der Wandstärke S w der Wandung 3 und der Wandstärke S b des geebneten Bodens 4. Durch geeignete zusätzliche Umformschritte besteht zudem die Möglichkeit, die Wandstärke der S w zu verringern, und so die Wandung den Anforderungen des Kolbens anzupassen.

Bezugszeichenliste

1 Kolben 10 Ubergangsbereich

2 Langsachse 11 Werkstoffaufdickung

3 Wandung 12 Schräge

4 Boden 13 Abrundung

4' Boden 14 Ausnehmung

4' ' Boden 15 Hohlzylinder

5 Rand 16 Rohling

6 Nut 17 Außenflache

7 Schulter 18 Radialer Randbereich

8 Außenseite 19 Totraum

9 Innenseite 20 Außenflache

A Anlageflache

L Projizierte Lange der Schräge 12

Q Querschnittsflache

Dl Außendurchmesser des unfertigen Kolbens

D2' Außendurchmesser des unfertigen Kolbens

D2 Außendurchmesser des Kolbens

R Radius im übergang Schrage-Boden

S_0 Dicke des Ausgangswerkstoffs

S_w Wandstarke der Wandung

S_b Wandstarke des Bodens

S_b' Wandstarke des unfertigen Bodens

S_r Verminderte Wandstarke des Bodens

S_u Wandstarke der Wandung im Ubergangsbereich

CC Winkel