BR112013015081B1

BR112013015081B1 - material de fricção e membro de fricção

Info

Publication number: BR112013015081B1
Application number: BR112013015081-5A
Authority: BR
Inventors: Bulent Chavdar
Original assignee: Eaton Corporation
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2021-01-12
Also published as: AU2011343598B2; WO2012083160A1; US20120028035A1; US8461064B2; BR112013015081A2; JP2014505752A; AU2011343598A1; EP2652353A1

Abstract

MATERIAL DE FRICÇÃO E MEMBRO DE FRICÇÃO Um material de fricção (18) inclui uma resina e um material base fibroso impregnando com a resina. O material base fibroso tem uma única camada e inclui uma pluralidade de fibras aramida presente em uma primeira quantidade, uma pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila presente em uma segunda quantidade que é menor que a primeira quantidade. O material base fibroso é livre de carbono ativado e é impregnado com resina a uma resina de escolha de 20 a 100 partes em peso baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. Um membro de fricção (10) para contatar operativamente uma superfície lubrificada (12) inclui um substrato (16) e material de fricção (18) definindo uma primeira superfície (20) colada ao substrato (16) e uma segunda superfície (22), configurada para contatar operativamente a superfície lubrificada (12).

Description

MATERIAL DE FRICÇÃO E MEMBRO DE FRICÇÃO

Campo Técnico

[0001] A presente invenção se relaciona geralmente a um membro de fricção e a um material de fricção do mesmo.

Histórico da Invenção

[0002] Materiais de fricção são frequentemente úteis para aplicações onde superfícies opostas se contatam para transmitir energia mecânica e ou térmica. Por exemplo, materiais de fricção podem ser dispostos entre superfícies opostas para aplicações de freios, embreagens, e conversores de torque. Tais aplicações sempre requerem materiais de fricção tendo excelente estabilidade de fricção e resistência a desgaste, ruído, pressão e temperatura.

[0003] Um tipo de material de fricção, um material de fricção molhado, pode ser especificamente útil para aplicações que requeiram lubrificação durante uma transmissão de energia mecânica e/ou térmica. Por exemplo, materiais de fricção molhados são, frequentemente submersos e impregnados com um líquido, tal como fluido de freio, fluido de transmissão automática, e/ou óleo, durante operação.

Sumário da Invenção

[0004] Um material de fricção inclui uma resina e um material base fibroso impregnado com a resina. O material base fibroso tem uma única camada e inclui uma pluralidade de fibras aramida presente em uma primeira quantidade, uma pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila, presente em uma segunda quantidade que é menor que a primeira quantidade, e terra diatomácea presente em uma terceira quantidade que é maior que a primeira quantidade. Ademais, o material base fibroso é substancialmente livre de carbono ativado, e é impregnado com a resina a uma resina de escolha de cerca de 20 partes em peso a cerca de 100 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.

[0005] Em uma variação, a pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila inclui um primeiro componente tendo um primeiro comprimento médio, e um segundo componente tendo um segundo comprimento médio que é maior que o primeiro comprimento médio.

[0006] Um membro de fricção para contatar operativamente uma superfície lubrificada inclui um substrato e o material de fricção. O material de fricção define uma primeira superfície colada ao substrato, e uma segunda superfície configurada para contatar operativamente a superfície lubrificada.

[0007] Os componentes e vantagens acima, e outros aspectos e vantagens da presente invenção, serão prontamente aparentes, a partir da descrição detalhada que se segue dos melhores modos de executar a invenção em conexão com os desenhos anexos.

Descrição Resumida dos Desenhos

[0008] A figura 1 é uma ilustração esquemática, em seção transversal, de um membro de fricção, incluindo um material de fricção disposto sobre um substrato; e

[0009] A figura 2 é uma ilustração esquemática explodida em perspectiva do membro de fricção da figura 1, disposto entre superfícies lubrificadas.

Descrição Detalhada

[0010] Referindo-se às figuras, onde os mesmos números de referência se referem a elementos iguais, um membro de fricção para contatar operativamente uma superfície lubrificada 12 (figura 2) é mostrado geralmente com o número de referência 10 na figura 1. O membro de fricção 10 pode ser útil para aplicações que requeiram excelente estabilidade de fricção, resistência ao desgaste, resistência à ruído, resistência à pressão, e resistência à temperatura, como será mostrado em mais detalhes a seguir. Portanto, o membro de fricção 10 pode ser útil para aplicações automotivas, incluindo, mas não se limitando a placas de embreagem, correias de transmissão, sapatas de freio, anéis sincronizadores, discos de fricção, placas de sistema, e componentes de diferencial de deslizamento limitado. Contudo, o membro de fricção 10 também pode ser útil para aplicações não automotivas, incluindo, mas não se limitando a blocos de freio ferroviários e placas de embreagem, freios multi-disco de aviões, componentes de guindaste e elevadores, e outras aplicações industriais e de transporte.

[0011] Referindo-se agora à figura 2, durante operação, o membro de fricção 10 pode contatar operativamente a superfície lubrificada 12, por exemplo, de um dispositivo de transmissão de energia, tal como um diferencial de deslizamento limitado. Por meio de uma explicação de caráter geral, como descrito com referência à figura 2, um diferencial de deslizamento limitado pode minimizar uma diferença de velocidade angular dos eixos de saída (não mostrados) com a operação de um conjunto de embreagem, mostrado geralmente em 14. O conjunto de embreagem 14 pode ser alojado em um alojamento (não mostrado) e lubrificado com um lubrificante, tal como, mas não se limitando ao óleo para engrenagem tal como Dexron® LS comercialmente disponível pela BP lubrificantes Inc, USA, de Wayne, New Jersey. Em particular, o conjunto de embreagem 14 pode incluir uma pluralidade de superfícies lubrificadas 12 ou seja, placas separadoras, espaçadas umas das outras, e uma pluralidade de membros de fricção 10, ou seja, placas de fricção dispostas alternadas entre si e opostas à pluralidade de superfícies lubrificadas 12, de modo que os membros de fricção 10 possam interfacear e interagir com as superfícies lubrificadas 12. Ou seja, os membros de fricção 10 podem ser arranjados em séries alternadas com as superfícies lubrificadas 12 no conjunto de embreagem 14.

[0012] Durante operação do conjunto de embreagem 14, os membros de fricção 10 podem contatar operativamente as superfícies lubrificadas 12 . Por exemplo , os membros de fricção 10 podem conectar e desconectar friccionalmente das superfícies lubrificadas adjacentes 12, em resposta à diferença de velocidade angular dos eixos de saída, de modo que a energia mecânica e/ou térmica possa ser transmitida entre o membro de fricção 10 e a correspondente superfície lubrificada oposta 12. Ou seja, o membro de fricção 10 pode comprimir e esfregar contra uma superfície lubrificada oposta 12, de modo a retardar por fricção o movimento entre o membro de fricção 10 e a superfície lubrificada 12. Em outras palavras, o membro de fricção 10 pode engatar e cooperar friccionalmente com a superfície lubrificada 12, de modo intermitente, na condição de operação, de modo a garantir que o lubrificante possa ser atraído e espremido do membro de fricção 10. Em outros exemplos não-limitantes, o membro de fricção 10 pode contatar operativamente um rotor de um sistema de freio de disco ou engrenagem lubrificada de uma transmissão. Ou seja, o membro de fricção 10 pode ser configurado como uma sapata de freio ou um anel sincronizador.

[0013] Referindo-se agora à figura 1, o membro de fricção 10 inclui um substrato 16. O substrato 16 pode ser selecionado de acordo com propriedades requeridas de rigidez e/ou resistência para a aplicação desejada do membro de fricção 10. Por exemplo, o substrato 16 pode ser adequado para conferir resistência e rigidez ao membro de fricção 10, como será mostrado em detalhes mais adiante, e pode ser formado a partir de um material metálico resistente à deformação, tal como aço. Ou seja, o substrato 16 pode ser uma placa metálica, tal como, mas não se limitando a uma placa suporte de aço.

[0014] Ainda com referência à figura 1, o membro de fricção 10 também inclui um material de fricção 18, incluindo uma resina e um material base fibroso impregnado com a resina, como será mostrado com mais detalhes mais adiante. Como usado nesta, o termo "material base fibroso" se refere a uma camada base tendo uma única camada, para ser usada com material de fricção molhado 18. O material base fibroso pode ser uma composição de pasta, antes de secar, para formar um material de fricção em pasta processada molhada 18. Também, o termo "material de fricção molhado" se refere a uma camada base fibrosa relativamente fina, impregnada com uma resina ou aglutinante que é secada e colada a um substrato rígido ou a um substrato de aço 16 ou placa suporte. Ademais, materiais de fricção molhados geralmente operam, enquanto submersos em um lubrificante, e têm uma espessura de cerca de 0,3 mm a cerca de 1,5 mm. Em contraste, materiais de fricção secos geralmente operam em contato seco entre o material de fricção e uma superfície de fricção oposta, e têm uma espessura de cerca de 3 mm a cerca de 4,5 mm.

[0015] O material base fibroso inclui uma pluralidade de fibras aramida. Como usado nesta, o termo "aramida" se refere a fibras poliamida aromáticas. As fibras aramida podem ser produzidas por uma reação entre um grupo amina e um grupo haleto de ácido carboxílico. Por exemplo, as fibras aramida podem ser uma cadeia poliamida sintética, na qual pelo menos 85 partes em volume de ligações amida, ou seja, um grupo acila (R-C=O) ligadas a um átomo de Nitrogênio (N) , baseado em 100 partes em volume de cadeia poliamida sintética, ligada diretamente a dois anéis aromáticos.

[0016] A pluralidade de fibras aramida pode ser adicionalmente definida como uma pluralidade de fibras para-aramida tendo um comprimento médio menor que cerca de 3 mm. Ou seja, a pluralidade de fibras aramida pode ser fibras para-aramida de atalho ("short cut") , tendo um comprimento de fibra médio de cerca de 1,4 mm e/ou um comprimento de fibra bimodal de cerca de 0,5 mm a cerca de 1,4 mm. Como usado nesta, o termo "cerca de" é um modificador de quantidade e refere-se a ± 2% da quantidade sendo modificada. As fibras aramida podem ser poli-(p-fenileno tereftalamida) (PPTA) produzidas a partir de monômeros p-fenileno diamina (PPD) e dicloreto de tereftaloila (TDC) em um co-solvente com um componente iônico, tal como cloreto de cálcio, para ocupar as ligações de hidrogênio dos grupos amida, e um componente orgânico N-metilpirrolidona (NMP) para dissolver o polímero aromático. Após a produção de polímero, a aramida resultante pode ser dissolvida em ácido sulfúrico livre de água e girado em fios de filamento. As fibras aramida podem ser formadas por cisalhamento e corte de fios de filamento na água para que as fibras aramida sejam encurtadas e fibriladas. Em comparação com outros tipos de fibra, a pluralidade de fibras aramida pode ter um baixo grau de fibrilação. A pluralidade de fibras aramida pode ter uma densidade de cerca de 1,44 g/cm3. Fibras aramida adequadas incluem Twaron® 1092 e Twaron® 1094, comercialmente disponíveis pela Teijin Aramid GmbH, de Arnhem, Holanda.

[0017] A pluralidade de fibras aramida está presente em uma primeira quantidade. Sem a pretensão de se limitar à teoria, a pluralidade de fibras aramida pode estar presente no material base fibroso para conferir ao material base fibroso maior porosidade e conferir ao membro de fricção 10 excelente dureza, resistência ao desgaste, e resistência à temperatura. Particularmente, as fibras aramida podem estar presentes na primeira quantidade de cerca de 15 partes em peso a cerca de 35 partes em peso, ou seja, cerca de 20 partes em peso a cerca de 30 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. Quando as fibras aramida estão presentes no material base fibroso em quantidades menores que cerca de 15 partes em peso, o material base fibroso pode apresentar estrutura e resistência insuficiente, e pode exibir baixa resistência à pressão. No entanto, em quantidades maiores que cerca de 35 partes em peso, o material base fibroso pode ser difícil de processar, e apresenta um nível excessivo de porosidade.

[0018] O material base fibroso também inclui uma pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila. Como usado nesta, o termo "baseado em poliacrilonitrila" se refere a fibras de carbono produzidas a partir de um precursor de poliacrilonitrila (PAN). As fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila podem ser produzidas calcinando fibra de poliacrilonitrila pré-oxidadas em uma temperatura maior ou igual a cerca de 1000oC em um gás inerte, para obter fibras tendo um conteúdo de carbono de pelo menos 90 partes em peso, e um conteúdo de ligação nitrogênio de cerca de 1 parte em peso a cerca de 8 partes em peso, baseado em 100 partes em peso de fibra.

[0019] Mais especificamente, a pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila pode ser ainda definida como uma pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila moídas tendo um primeiro comprimento médio menor que cerca de 1.000 micra. Como usado nesta, o termo "moída" refere-se a uma fibra de carbono que é mais curta que a fibra de carbono "cortada". Por exemplo, as fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila moídas podem ter um primeiro comprimento médio menor que cerca de 1000 micra. Em comparação, as fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila cortadas podem ter um segundo comprimento médio de cerca de 1000 micra a cerca de 25000 micra. Fios de fibra de carbono baseada em poliacrilonitrila podem ser moídos em fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila de comprimento mais curto, tendo um primeiro comprimento médio de cerca de 350 micra, por exemplo. Ademais, as fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila podem ter um diâmetro médio de fibra de cerca de 7 micra a cerca de 9 micra e uma densidade de cerca de 1,73 g/cm3 a cerca de 1,79 g/cm3. As fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila adequadas incluem fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila AGM 94, comercialmente disponíveis sob o identificador AGM94MF350U pela Asbury Graphite Mills Inc, de Asbury, New Jersey.

[0020] A pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila está presente em uma segunda quantidade que é menor que a primeira quantidade. Ou seja, o material base fibroso comparativamente inclui mais fibras aramida que fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila. Sem pretender se limitar à teoria, a pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila pode estar presente no material base fibroso para conferir ao membro de fricção 10 uma excelente estabilidade à fricção, ou seja, um coeficiente de fricção estável em operação, e maior rigidez, maior recuperação de elasticidade e resistência ã temperatura e ã ruído desejada. Ou seja, o material de fricção 18, incluindo as fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila podem manter um engate friccional desejado com a superfície lubrificada 12 oposta para, desta forma, diminuir vibrações do dispositivo de transmissão de energia em operação, e diminuir "fade", ou seja, uma redução do coeficiente de fricção (μ) em altas temperaturas em operação.

[0021] Em particular, as fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila podem estar presentes em uma segunda quantidade de cerca de 5 partes em peso a cerca de 25 partes em peso, ou seja, cerca de 10 partes em peso a cerca de 20 partes em peso, baseado em 100 partes em peso de material base fibroso. Quando as fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila estão presentes em um material base fibroso, em quantidades menores que cerca de 5 partes em peso, o material base fibroso pode ter estrutura e rigidez insuficientes, e o membro de fricção 10 pode apresentar baixa estabilidade de fricção e resistência à pressão. No entanto, em quantidades maiores que cerca de 25 partes em peso, o material base fibroso pode ser difícil de processar e o membro de fricção 10 pode apresentar reduzida resistência à pressão.

[0022] Em uma variação, a pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila podem incluir um primeiro componente tendo o primeiro comprimento médio e um segundo componente tendo um segundo comprimento médio que é maior que o primeiro comprimento médio. O primeiro comprimento médio pode ser a pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila moídas tendo o primeiro comprimento médio de cerca de 350 micra, conforme definido acima. O segundo componente pode ser uma pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila cortadas tendo o segundo comprimento médio de cerca de 3 mm, ou seja, cerca de 3000 micra. Fibras adequadas de carbono baseadas em poliacrilonitrila cortadas incluem fibra de carbono baseada em poliacrilonitrila AGM 94, comercialmente disponível sob o identificador AGM94CF3 de Asbury Graphite Mills, Inc, de Asbury, New Jersey.

[0023] Para esta variação, pelo menos um dentre o primeiro componente e o segundo componente pode estar presente em uma quantidade de cerca de 1 parte em peso a cerca de 10 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. Por exemplo, cada um dentre o primeiro componente e o segundo componente pode estar presente na quantidade de cerca de 5 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. O segundo componente pode estar presente no material base fibroso para conferir ao material de fricção 18 (figura 1) uma maior resistência à pressão. Ou seja, o segundo componente pode conferir ao material de fricção 18 uma excelente porosidade, para que o lubrificante possa penetrar no material de fricção 18 durante operação do dispositivo de transmissão de energia, e, ainda, apresentar excelente ajuste de compressão e resistência à deformação permanente durante operação. O material de fricção 18, incluindo o segundo componente, pode ser adequadamente compressível, de modo que o lubrificante seja espremido dentro ou fora do material de fricção 18 rapidamente sob a pressão aplicada pela superfície lubrificada 12 oposta do dispositivo de transmissão de energia. No entanto, em quantidades maiores que cerca de 10 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso, o material base fibroso pode ser difícil de processar por causa do entrelaçamento causado pelas fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila cortadas comparativamente mais longas.

[0024] O material base fibroso inclui ainda terra de diatomácea presente em uma terceira quantidade que é maior que a primeira quantidade. Ou seja, o material base fibroso pode incluir mais terra diatomácea que fibras aramida ou fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila. Em particular, a terra diatomácea pode ser terra diatomácea calcinada tendo um tamanho de partícula médio de cerca de 10 micra a cerca de 15 micra. Como usado nesta, o termo "terra diatomácea calcinada" se refere a terra diatomácea, ou seja, sedimentar ou formada de espécies planctônicas de água doce, que foi tratada termicamente, por exemplo, a temperaturas maiores que cerca de 800oC, para arredondar arestas vivas de partículas de terra diatomácea individuais. Portanto, terra diatomácea calcinada pode ter área de superfície reduzida em comparação à natural, terra diatomácea não calcinada, mas ter a dureza aumentada. Como tal, a presença da terra diatomácea calcinada no material base fibroso geralmente provê o material de fricção 18 (Figura 1) com excelente resistência a pressão.

[0025] A terra diatomácea pode ter um tamanho de poro de cerca de 0,1 mícron a cerca de 1,0 mícron, e pode ter uma porosidade maior que 80 partes em volume, baseado em 100 partes em volume da terra diatomácea. Ainda, a terra diatomácea pode ter um tamanho de partícula médio de cerca de 10 micra a 15 micra. Terra de diatomácea adequada inclui Celite® 281, comercialmente disponível pela World Minerals Inc, de Santa Barbara, California.

[0026] A terra diatomácea pode estar presente na terceira quantidade maior que ou igual a cerca de 45 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. Ou seja, a terceira quantidade pode ser maior que qualquer uma dentre a primeira quantidade e a segunda quantidade. Por exemplo, a terra diatomácea pode estar presente na terceira quantidade de cerca de 45 partes em peso a cerca de 65 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.

[0027] Em uma outra variação, a terra diatomácea pode ser terra diatomácea amorfa natural. Ou seja, a terra diatomácea amorfa natural pode não ser calcinada ou seca. A terra diatomácea amorfa natural provê o material base fibroso com excelente porosidade. Terra diatomácea amorfa natural adequada inclui Diafil® 230, comercialmente disponível pela World Minerals Inc., de Santa Barbara, California. Nesta variação, a terra diatomácea pode estar presente na terceira quantidade de cerca de 55 partes em peso a cerca de 65 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.

[0028] A terra diatomácea provê o membro de fricção 10 com excelente resistência a ruído. Adicionalmente, terra diatomácea pode auxiliar na absorção de resina, conforme descrito em mais detalhes abaixo, e pode promover o fluxo de lubrificante através do material de fricção 18 (Figura 1). Ou seja, mesmo quando presente na terceira quantidade de cerca de 45 parte em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso, a terra diatomácea provê, inesperadamente, o material base fibroso com excelente resistência a ruído sem afetar prejudicialmente a estrutura e resistência do material base fibroso. Em particular, quando presente no material base fibroso na terceira quantidade maior que 45 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso, a terra diatomácea aumenta o coeficiente de fricção e reduz o coeficiente estático de fricção do membro de fricção 10. Portanto, o membro de fricção 10 inclui a terra diatomácea, presente na terceira quantidade supracitada, tem um declive otimizado de uma curva μ-v. Em particular, o declive otimizado de uma curva μ-v representa uma variação em coeficiente de fricção (μ) comparado à variação em velocidade de deslizamento (v) . Para aplicações friccionais, é desejado um declive acima de uma variação de velocidades a ser controlado pelo membro de fricção 10 para diminuir o estremecimento, ou seja, vibração de fricção, sem o dispositivo de transmissão de energia. Por exemplo, o membro de fricção 10 pode diminuir a vibração durante a frenagem ou troca de marchas.

[0029] Diferente do que foi estabelecido, o membro de fricção 10, incluindo o material de fricção, aumentou a resistência ao ruído. Ou seja, o material de fricção 18 gera uma curva de torque desejada tendo um formato definido por um declive μ-v para que o material de fricção 18 seja substancialmente livre de ruídos ou grasnidos durante operação.

[0030] O material base fibroso, adicionalmente, pode incluir látex. O látex pode estar presente no material base fibroso para ajudar a saturar e processar e pode geralmente conferir flexibilidade ao material base fibroso. O látex também pode revestir fibras aramida e/ou fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila, para conferir ao material base fibroso uma suficiente resistência molhada, ou seja, resistência de trama (web) para processabilidade. O látex pode estar na forma de dispersão aquosa, ou seja, meio acrilonitrila, copolímero acrilonitrila-butadieno formado por polimerização de emulsão. Ou seja, o látex pode ser uma emulsão de nitrila látex baseada em acrilonitrila. Ademais, o látex pode ter uma viscosidade Brookfield de cerca de 15 mPa·s (15 cP) a 25oC. O látex pode estar presente em uma quantidade de cerca de 1 parte em peso a cerca de 6 partes em peso, ou seja, 3 partes em peso, baseado em 100 partes em peso de material base fibroso. O látex adequado pode incluir Látex 1562x117 Hycar®, comercialmente disponível pela Emerald Performance Materials LLC, de Akron, Ohio.

[0031] Em uma variação, o material base fibroso pode ainda incluir uma pluralidade de fibras de celulose. As fibras de celulose podem incluir algodão de alfa-celulose alta, polpa de madeira, linho, trapo e combinações do mesmo. As fibras de celulose podem ter um comprimento médio de cerca de 2 mm a cerca de 4 mm e um diâmetro médio de cerca de 25 micra a cerca de 35 micra. As fibras de celulose geralmente provêm o material base fibroso com estrutura e rigidez. A pluralidade de fibras de celulose pode estar presente em uma quantidade de cerca de 5 partes em peso a cerca de 15 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. Para esta variação, em quantidades menores que cerca de 5 partes em peso, a integridade estrutural do material base fibroso pode ser diminuída, e em quantidades maiores de cerca de 15 partes em peso, o material base fibroso pode apresentar resistência térmica baixa. Fibras de celulose adequados incluem fibra de celulose 225HS, comercialmente disponível pela Buckeye Technologies Inc., de Memphis, Tennessee.

[0032] O material base fibroso é substancialmente livre de carbono ativado. Como usado nesta, o termo "carbono ativado" se refere a qualquer forma de carbono processado pela reativação física e/ou reativação química para ter excelente porosidade e alta área de superfície. Carbono ativado pode estar relacionado, porém não limitado, a carbono ativado pulverizado, carbono ativado granulado, carbono ativado extrudado, carbono impregnado, carbono pirolizado, e combinações do mesmo. Ou seja, carbono ativado se refere a carbono pirolizado, ou seja, qualquer carbono que se submete a pirólise. Adicionalmente, carbono ativado geralmente se refere a partículas de carbono ativado, em vez de fibras de carbono. Carbono ativado, por exemplo, carbono pirolizado, é geralmente dispendioso, pode contribuir para a geração de ruído, e pode gerar fragmentos de desgaste e lubrificantes descoloridos ou degradados.

[0033] Portanto, uma vez que o material base fibroso é substancialmente livre de carbono ativado, o membro de fricção 10, incluindo o material de fricção 18 aumentou a resistência ao desgaste e é econômico para produzir. Ou seja, o membro de fricção 10 exibe degradação reduzida por abrasão e cisalhamento durante operação do dispositivo de transmissão de energia, e executa adequadamente quando molhado por um lubrificante.

[0034] Conforme definido acima, o material base fibroso é impregnado com resina. A resina impregna o material base fibroso para prover o material de fricção 18 com rigidez de corte mecânico, resistência a temperatura, e estabilidade de fricção. A resina também contrabalança a presença da terra diatomácea no material de fricção 18 e contribui para a estabilidade de fricção melhorada do material de fricção 18. Portanto, a resina pode ser saturante ou aglutinante, e pode ter uma viscosidade de cerca de 90 mPa·s (90 cP) a cerca de 160 mPa·s (160 cP) a 25OC. A resina pode ser qualquer resina adequada selecionada de acordo com a aplicação do material de fricção 18. Por exemplo, a resina pode ser uma resina de fenol. Em uma outra variação a resina pode ser uma resina poliimida. Ainda em outras variações, a resina pode ser uma resina fenólica epóxi ou óleo modificado, misturas de resinas, sistemas de resina múltiplas, e combinações das mesmas.

[0035] O material base fibroso é impregnado de resina com uma resina de escolha de cerca de 20 partes em peso a cerca de 100 partes em peso, por exemplo, cerca de 40 partes em peso a cerca de 75 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. Ou seja, a porcentagem da resina de escolha pelo material base fibroso, ou seja, uma porcentagem em peso da resina baseada no peso do material base fibroso seco pode variar de cerca de 20% a cerca de 100%. Em uma quantidade de resina abaixo de cerca de 20 partes em peso, o material base fibroso pode não apresentar rigidez suficiente, e, em uma quantidade de resina maior que cerca de 100 partes em peso, o material base fibroso pode ser supersaturado, fazendo o material de fricção 18 apresentar porosidade e absorção de lubrificante ruins, resultando em vitrificação e ruído, vibração, e sensitividade a aspereza (NVH). Ademais, a resina de escolha acima mencionada contribui para a excelente resistência ao ruído e resistência à pressão do material de fricção pelo revestimento do material base fibroso. Uma resina adequada pode incluir ASKOFEN 295 E 60, comercialmente disponível pela Ashland-Sudchemie-Kernfest GmbH (ASK Chemicals) de Hilden, Alemanha.

[0036] O material de fricção 18 pode ser formado via qualquer sistema de processamento, capaz de misturar a pluralidade de fibras aramida, a pluralidade de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila e terra diatomácea. Por exemplo, o material de fricção 18 pode ser formado via processos de fibra deposição seca (drylaid) , deposição por ar, (airlaid), coformação (coform), ou deposição molhada (wetlaid) , e por processos de adição de resina revestida, saturada, impregnada de pasta. Ademais, o material de fricção 18 pode ser produzida em máquinas de papel e em equipamento de saturação de resina, como bem conhecido por aqueles habilitados na técnica.

[0037] Em um exemplo não-limitante, um processo para formar o material de fricção 18 pode incluir combinar a pluralidade de fibras aramida, pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila, terra diatomácea, e látex opcional e uma pluralidade de fibras de celulose com água para formar uma pasta. A pasta pode ser bombeada para um formador de fio de uma máquina de papel. Geralmente, o formador de fio pode definir uma pluralidade de aberturas configuradas para drenar a água na pasta. Durante o processo, a água na pasta drena através das aberturas, e o papel molhado remanescente é levado para uma seção seca da máquina de papel para que qualquer água remanescente possa ser removida por secagem para então formar papel seco - ou seja, o material base fibroso.

[0038] O material base fibroso, então, pode ser impregnado e saturado com resina, por exemplo, por imersão, revestimento de superfície ou spray de saturação. O material base fibroso impregnado ou seja, o material de fricção 18, é secado para um estado semi-curado em um estágio B, rolado em um carretel e laminado para as dimensões desejadas. O material de fricção 18 formado pode ter peso específico de cerca de 27,21 kg/278,7 m2 (60 lbs/3000 pés2) a cerca de 181,43 kg/278,7 m2 (400 lbs/3000 pé2). Por exemplo, o material de fricção 18 pode ter um peso específico de cerca de 56,70 kg/278,7 m2 (125 lbs/3000 pé2) a cerca de 90,71 kg/278, 7 m2 (200 lbs/3000 pé2) . O material de fricção 18 pode ter uma espessura de cerca de 304,8 μm (12 mils) a cerca de 1524 μm (60 mils), por exemplo, de cerca de 533,4 μm (21 mils) a cerca de 812,8 μm (32 mils), em que 1 mil (milésimo de polegada)) equivale a 25,4 μm) . Ademais, o material de fricção 18 pode ter densidade de cerca de 2,04 kg/278,7 m2/25,4 μm (4,5 lbs/3000 pé2/0,001 pol) a cerca de 2,95 kg/278,7 m2/25,4 μm (6,5 lbs/3000 pé2/0,001 pol), ou seja, de cerca de 2,67 kg/278,7 m2/25,4 μm (5,9 lbs/3000 pé2/0,001 pol) a cerca de 2,85 kg/278, 7 m2/25,4 μm (6,3 lbs/3000 pé2/0,001 pol).

[0039] O material de fricção 18 tem uma única camada. Como usado nesta, o termo "camada" se refere a uma única camada do material de fricção 18. Ou seja, o material de fricção 18 não é multicamada, e não inclui duas ou mais camadas. Ao invés, o material de fricção 18 pode ter a forma de folha de camada única. Portanto, o material de fricção 18 vantajosamente apresenta reduzida delaminação do substrato 16 em operação, contribuindo para a excelente resistência ao desgaste do membro de fricção 10.

[0040] Referindo-se de novo à figura 1, com respeito ao membro de fricção 10, o material de fricção 18 define uma primeira superfície 20 colada ao substrato 16 e uma segunda superfície 22 configurada para contatar operativamente a superfície lubrificada 12 (figura 2). A primeira superfície 20 do material de fricção 18 pode ser colada ao substrato 16 através de, por exemplo, uma folha adesiva fenólica e/ou aplicando pressão e temperatura ao material de fricção 18 impregnado para colar o material de fricção 18 ao substrato 16 pela resina. Ademais, durante operação, a segunda superfície 22 pode contatar operativamente, ou seja, conectar/ desconectar friccionalmente de superfícies lubrificadas adjacentes 12, para comprimir e esfregar contra uma superfície adjacente 12 oposta. Ou seja, o membro de fricção 10 pode engatar e cooperar friccionalmente com a superfície lubrificada 12, de modo intermitente, como condições de operação que garantem que o lubrificante possa ser espremido e extraído do membro de fricção 10.

[0041] Portanto, o material de fricção 18 pode ser penetrável pelo lubrificante, acima mencionado, em operação. No entanto, o material de fricção 18 pode ser compatível com qualquer lubrificante adequado, incluindo óleos e fluidos de transmissão formulados com aditivos para minimizar degradação térmica do lubrificante.

[0042] Ademais, como mostrado na figura 1, o material de fricção 18 pode ser colado a múltiplas superfícies do substrato 16. Ou seja, por meio de exemplos não-limitantes, o material de fricção 18 pode ser colado a superfícies ou lados opostos do substrato 16, para contatar operativamente duas superfícies lubrificadas adjacentes 12. Por exemplo, embora não mostrado na figura 2, o material de fricção 18 pode ser disposto e colado a duas superfícies do substrato 16, ou seja, "frente" e "trás" do substrato 16, para ser sanduichado e operativamente contatar as duas superfícies lubrificadas adjacentes 12. Alternativamente, o material de fricção 18 pode ser colado apenas a uma única superfície do substrato 16.

[0043] Ademais, para aplicações incluindo o conjunto de embreagem 14 da figura 2, deve ser apreciado que a pluralidade de membros de fricção 10 pode ser arranjada em qualquer configuração no conjunto de embreagem 14. Em adição, cada membro da pluralidade de membros de fricção 10, ou seja, placas de fricção e a pluralidade de superfícies lubrificadas 12, ou seja, placas separadoras, pode incluir o material de fricção 18 colado ao substrato 16. Ou seja, embora não mostrado na figura 2, a pluralidade de superfícies lubrificadas 12 também pode incluir o material de fricção 18.

[0044] O material de fricção 18 pode ter qualquer tamanho e/ou forma adequada. Por exemplo, o material de fricção 18 pode ter forma de anel como mostrado na figura 2. Alternativamente, embora não mostrado, o material de fricção 18 pode ser segmentado em formas, porém não limitadas, a arcos, tiras, cunhas, e combinações destes. O material de fricção 18 também pode definir uma pluralidade de ranhuras coladas ou cortadas, ou seja, canais não-mostrados para otimizar o fluxo de lubrificante durante operação.

[0045] Os exemplos a seguir são providos meramente com propósito ilustrativo e não devem ser tomados, de nenhuma forma, como limitantes para a presente invenção.

Exemplos

[0046] Para formar os materiais de fricção dos Exemplos 13, os componentes A-J são combinados com água nas quantidades listadas na Tabela 1, para formar uma pasta. As quantidades de Componentes A-J listadas na Tabela 1 se referem a partes em peso baseado em 100 partes em peso do material base fibroso. A pasta é bombeada para o formador de fio na máquina de papel, e a água na pasta é drenada por aberturas definidas no formador de fio para formar um papel molhado. O papel molhado é levado para uma seção de secagem da máquina de papel e a água é ainda removida por secagem para então formar o papel seco, ou seja, o material base fibroso dos Exemplos 1-3. Cada material base fibroso é então saturado com Resina K à resina de escolha listada na Tabela 1, para formar um material de fricção dos Exemplos 1-3.

[0047] O componente A consiste de fibras de aramida Twaron® 1092, comercialmente disponíveis pela Teijin Aramid GmbH, Arnhem, Holanda.

[0048] O componente B consiste de fibras aramida Twarom® 1094, comercialmente disponíveis pela Teijin Aramid GmbH, Arnhem, Holanda;

[0049] O componente C consiste de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila moída AGM 94 tendo um primeiro comprimento médio de 350 micra, e comercialmente disponíveis sob o identificador AGM 94MF35U da Asbury Graphite Mills Inc, Asbury, New Jersey.

[0050] O componente D consiste de fibras de carbono baseadas em poliacrilonitrila cortadas AGM 94 tendo um segundo comprimento médio de 3 mm, e comercialmente disponível sob o identificador AGM CF3 da Asbury Graphite Mills Inc, Asbury, New Jersey.

[0051] O componente E consiste de terra diatomácea calcinada Celite® 281 comercialmente disponíveis pela World Minerals Inc, Santa Bárbara, Califórnia.

[0052] O componente F consiste de terra diatomácea amorfa natural Diafil® 230, comercialmente disponível pela World Minerals Inc. de Santa Barbara, California;

[0053] O componente G consiste de Látex 1562x117 Hycar®, comercialmente disponível pela Emerald Performance Materials LLC, Akron, Ohio;

[0054] O componente H consiste de fibra de celulose 225HS, comercialmente disponível pela Buckeye Technologies Inc. de Memphis, Tennessee;

[0055] O componente J consiste de carbono ativado de 5500 séries, comercialmente disponível pela Asbury Graphite Mills, Inc. de Asbury, New Jersey; e

[0056] A resina K consiste resina de fenol ASKOFEN 295 E 60, comercialmente disponível pela Ashland-Sudchemie-Kernfest GmbH (ASK Chemical) de Hilden, Alemanha.

[0057] O material de fricção do Exemplo Comparativo 4 é um material de fricção de plástico reforçado com fibra de carbono. O material de fricção do Exemplo Comparativo 4 inclui um material base fibroso incluindo fibra de carbono de tecido embutida em uma matriz sintética. Ademais, o material de fricção do Exemplo Comparativo 4 inclui plásticos termofixos com um componente ligante.

[0058] O material de fricção do Exemplo Comparativo 5 é um material de fricção de carbono reforçado com fibra de carbono. O material de fricção do Exemplo Comparativo 5 inclui um material base fibroso incluindo fibra de carbono de tecido e carbono pirolítico produzido pela deposição de vapor químico de gás hidrocarbono.

[0059] O material de fricção resultante de cada um dos Exemplos 1-3 e Exemplos Comparativos 4 e 5 tem uma espessura de 406, 4 μm (16 milésimos de polegada (16 mils)) . Cada material de fricção é colado aos respectivos substratos de placa suporte de aço com um adesivo de neoprene fenólico a 232oC durante um minuto para formar os membros de fricção dos Exemplos 1-3 e Exemplos Comparativos 4 e 5.

Teste de Fricção Vertical

[0060] Os materiais de fricção de cada um dos Exemplos 1 e 3 e Exemplos Comparativos 4 e 5 são avaliados quanto a resistência ao ruído em uma máquina de teste de fricção vertical. Para cada um dos membros de fricção dos Exemplos 1 e 3 e Exemplos Comparativos 4 e 5, um diferencial de deslizamento limitado, incluindo um mecanismo de embreagem de pré-carregamento e uma pluralidade de respectivos membros de fricção, é montado. Cada um dos membros de fricção é girado sob cargas em cada óleo de engrenagem M e óleo de engrenagem N a 100oC contra placas separadoras de aço estacionárias a uma velocidade de deslizamento constante de 40 rpm (revoluções por minuto) para um período de tempo correspondente a uma vida útil chave do respectivo diferencial de deslizamento limitado. Em intervalos periódicos, cada um dos membros é rotacionado a cerca de 0 rpm a 20 rpm e avaliado por resistência a ruído. Um coeficiente de fricção para cada material de fricção também é medido como uma função de velocidade de deslizamento. Em adição, uma curva μ-v é gerada para cada material de fricção e o declive de cada curva μ-v, ou seja, o declive de fricção, é calculado e notado como tendo uma direção positiva ou negativa, conforme resumida na Tabela 2.

[0061] O declive de fricção de cada material de fricção é definido com uma razão da mudança no coeficiente de fricção, ou seja, o coeficiente delta de fricção e um coeficiente dinâmico de fricção. Ademais, o coeficiente delta de fricção é definido como uma diferença entre o coeficiente dinâmico de fricção e o coeficiente estático de fricção do respectivo material de fricção. Quando o coeficiente dinâmico de fricção é maior que o coeficiente estático de fricção, o declive da curva μ-v é positivo. Reciprocamente, quando o coeficiente de fricção estático é maior que o coeficiente dinâmico de fricção, o declive da curva μ-v é negativo. Um material de fricção tendo um declive positivo maior apresenta melhor resistência a ruído que o material de fricção tendo tanto um declive comparativamente menor ou um declive negativo.

[0062] O óleo de engrenagem M é o óleo de engrenagem Dexron® LS 75 W-90, comercialmente disponível pela General Motors Incorporated, de Detroit, Michigan; e

[0063] O óleo de engrenagem N é o óleo de engrenagem Texaco® 2276, comercialmente disponível pela Chevron Products Company, de San Ramon, California.

[0064] Como mostrado pelos resultados listados na Tabela 2, cada um dos materiais de fricção dos exemplos 1 e 3, que inclui terra diatomácea maior que 45 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material de fricção e é substancialmente livre de carbono ativado, tem uma direção de declive friccional positivo e, portanto, não apresenta barulho quando testado em qualquer um dos Óleo de Engrenagem M ou Óleo de Engrenagem N de acordo com o procedimento acima mencionado. Em contraste, cada um dos materiais de fricção dos exemplos comparativos 4 e 5, que não inclui qualquer terra diatomácea e inclui carbono pirolizado, tem uma direção de declive friccional positivo quando testado em Óleo de Engrenagem M e uma direção de declive friccional negativo quando testado em Óleo de Engrenagem N. Ademais, o valor de declive friccional de cada um dos materiais de fricção dos Exemplos 1 e 3 é maior que o valor de declive friccional dos Exemplos Comparativos 4 e 5, quando testado em qualquer um dos Óleo de Engrenagem M ou Óleo de Engrenagem N. Como tal, os materiais de fricção de cada um dos Exemplos 1 e 3 apresentam resistência maior que os materiais maior de cada um dos Exemplos Comparativos 4 e 5.

[0065] Cada um dos materiais de fricção dos Exemplos 1 e 3 e Exemplos Comparativos 4 e 5 é também avaliado na perda de espessura através da comparação de uma espessura inicial de cada material de fricção em relação à espessura final de cada material de fricção. Uma perda de espessura máxima aceitável para cada material de fricção testada de acordo com o procedimento de teste de fricção vertical acima mencionado é 15% da respectiva espessura inicial. Os resultados da avaliação de perda de espessura são resumidos abaixo na Tabela 3.

[0066] Como mostrado nos resultados da Tabela 3, cada um dos materiais dos Exemplos 1 e 3 e Exemplos Comparativos 4 e 5 apresenta uma perda de espessura menor que 15% da espessura inicial do respectivo material de fricção. Portanto, cada um dos materiais de fricção apresenta perda de espessura aceitável e resistência ao desgaste quando testados de acordo com o procedimento de teste de fricção vertical acima mencionado.

Teste μPvT

[0067] Os materiais de fricção dos Exemplos 1-3 e Exemplos Comparativos 4 e 5 são avaliados em relação à resistência ao ruído sobre uma Máquina de Teste de Fricção Molhada Universal SAE No. 2 de acordo com o método de teste SAE J2490 durante 24 horas. Para o método de teste, o lubrificante é óleo de engrenagem, e as placas de reação, ou seja, superfícies lubrificadas, são placas de embreagem. Uma curva μ-v é gerada para cada material de fricção e o declive de cada curva μ-v é notada como positivo ou negativo, como resumido na Tabela 4. Um material de fricção que tem uma curva de declive μ-v passa no teste μ P v T. Ou seja, coeficientes de fricção maiores e formas de curva μ-v são desejáveis e correlacionados com maior resistência a ruído, ou seja, operação mais silenciosa, do material de fricção.

[0068] Como mostrado pelos resultados listados na Tabela 4, cada uma das curvas μ-v dos materiais de fricção dos Exemplos 1-3 tem um declive positivo. Portanto, cada um dos materiais dos Exemplos 1-3 tem um declive positivo. Portanto, cada um dos materiais de fricção dos Exemplos 1-3, que inclui terra diatomácea maior que 45 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material de fricção e são substancialmente livres de carbono ativado, passa no teste acima mencionado. Ou seja, os materiais de fricção dos Exemplos 1-3 têm coeficientes de fricção maiores e declives de curva μ-v descendentes, quando comparado aos materiais de fricção dos Exemplos Comparativos 4 e 5. Em contraste, cada uma das curvas μ-v dos materiais de fricção dos Exemplos Comparativos 4 e 5 tem um declive negativo. Portanto, os materiais de fricção dos Exemplos Comparativos 4 e 5, que não inclui qualquer terra diatomácea e inclui carbono pirolizado, não passa no teste acima mencionado. Portanto, os materiais de fricção dos Exemplos 13 apresentam resistência ao ruído em comparação aos materiais de fricção dos Exemplos Comparativos 4 e 5, e têm um coeficiente de fricção crescente a medida que a velocidade de deslizamento aumenta.

[0069] Conquanto os melhores modos de executar a presente invenção tenham sido descritos em detalhes, aqueles habilitados na técnica deverão reconhecer que vários outros desenhos e configurações alternativos serão possíveis dentro do escopo das reivindicações anexas.

Claims

Material de fricção, caracterizado pelo fato de compreender:
- - uma resina; e
- - um material base fibroso impregnado com a resina e tendo uma única camada, o material base fibroso incluindo:
- - uma pluralidade de fibras aramida presente em uma primeira quantidade;
- - uma pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila presente em uma segunda quantidade que é menor que a primeira quantidade; e
- - terra diatomácea presente em uma terceira quantidade que é maior que a primeira quantidade;
sendo que o material base fibroso é livre de carbono ativado; sendo que o material base fibroso é impregnado com a resina em 20 partes em peso a 100 partes em peso baseada em 100 partes em peso do material base fibroso;
sendo que a terceira quantidade é maior ou igual a 45 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.
Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a terra diatomácea ser uma terra diatomácea calcinada tendo um tamanho de partícula de 10 micra a 15 micra.
Material, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a terceira quantidade ser de 45 partes em peso a 65 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.
Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a primeira quantidade ser de 15 partes em peso a35 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.
Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila ser ainda definida como uma pluralidade fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila moída tendo um primeiro comprimento menor que 1.000 micra.
Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a segunda quantidade ser de 5 partes em peso a 25 partes em peso baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.
Material de fricção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de incluir ainda:
- - um primeiro componente tendo um primeiro comprimento; e
- - um segundo componente, tendo um segundo comprimento que é mais longo que o primeiro comprimento.
Material, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a terra diatomácea ser uma terra diatomácea amorfa natural.
Material, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a terceira quantidade ser 55 partes em peso a 65 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.
Material, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o primeiro componente ser uma pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila moída tendo o primeiro comprimento de 350 micra.
Material, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o segundo componente ser uma pluralidade de fibras de carbono baseada em poliacrilonitrila cortada tendo o segundo comprimento de 3 mm.
Material, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de incluir ainda uma pluralidade de fibras de celulose presente em uma quantidade de 5 partes em peso a 15 partes em peso, baseado em 100 partes em peso do material base fibroso.
Membro de fricção, para operativamente contatar uma superfície lubrificada (12), caracterizado pelo fato de compreender:
- - um substrato (16); e
- - um material de fricção (18), conforme definido na reivindicação 1 e definindo uma primeira superfície (20) colada ao substrato (16), e uma segunda superfície (22) configurada para operativamente contatar a superfície lubrificada (12).