CN101776125A - 离合器摩擦材料及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离合器摩擦材料及其形成方法。具体地，提供了用于转矩传递机构的摩擦构件的摩擦材料。摩擦构件具有编织碳纤维织物基底。涂层应用到基底以形成接触表面的一部分，该部分定位成在转矩传递机构的啮合期间接触反作用构件。涂层是树脂粘合剂和摩擦改进剂的混合物。还提供了一种用于形成摩擦材料的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于离合器的摩擦材料，特别是用于汽车离合器低速应用的摩擦材料。
背景技术
在车辆传动装置中使用的转矩传递机构，例如，离合器和制动器，被设计成能够实现期望的转矩传递，同时根据需要在接合时允许受控的打滑。实现适当的打滑取决于许多因素，例如转矩传递机构是用于低压还是高压接合、以及滑差速度。必须考虑离合器耐用性、冷却流和所需的转矩承载能力。
在经变矩器(即，液力耦合器)将发动机与变速器耦接以提供比率助推的车辆中，变矩器离合器通常设置成在某些操作条件下绕过液力耦合器，从而典型地导致燃料经济性的增加或提高的乘坐品质。变矩器离合器可以是湿摩擦界面，以用于在打滑条件(即，形成摩擦界面的相对表面的相对旋转)下建立转矩传递。
发明内容
一种摩擦材料被提供用于转矩传递机构的摩擦构件。摩擦构件具有编织碳纤维织物基底。涂层被应用到基底以形成接触表面的一部分，该部分定位成在转矩传递机构的接合期间接触反作用构件。
涂层是树脂粘合剂和摩擦改进剂的混合物。树脂粘合剂可以是酚醛树脂。摩擦改进剂可以是碳颗粒、硅基材料或其他公知的摩擦改进剂。涂层可以是分层的，具有多个涂层或层，所述多个涂层或层的任意一个或全部均可以是树脂粘合剂和摩擦改进剂的不同混合物。
涂层仅形成接触表面的一部分，以保留由编织纤维形成的开放的通道，从而增加离合器内的冷却油流。编织纤维也可注入粘合剂和摩擦改进剂，因此控制基底的摩擦系数和热传导性。提供了优良的摩擦特性。热传导性和热消散得到提高，从而提供稳定性和耐久性。
一种形成用于离合器的摩擦材料的方法，包括使用树脂粘合剂和摩擦改进剂的混合物敷涂编织碳纤维基底的表面。在敷涂之前，该方法可包括使用额外的粘合剂浸透基底，同时不用该额外的粘合剂填充通道以维持孔隙性。被应用到基底的额外的粘合剂可与摩擦改进剂混合。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和特点将从下面对实施本发明的最佳模式的详细描述并结合附图而变得显而易见。
附图说明
图1A是用于汽车离合器的包括涂层的摩擦材料以不完整视图形式的示意性透视图示；
图1B是图1A的摩擦材料的一部分的示意性图示；
图2A是具有相对的摩擦构件和反作用构件的汽车离合器的示意性横截面图示，其中图1的摩擦材料被应用到摩擦构件；
图2B是具有替代的分层涂层的摩擦材料的第二实施例的示意性横截面图示；
图3是具有图2B的摩擦材料的转矩传递机构的转矩(Nm)对滑差速度(rpm)的曲线图；
图4是转矩(Nm)对滑差速度(rpm)的曲线图，示出了将接触表面的温度维持141℃的最大可容许离合器功率；
图5是具有图2B的摩擦材料的转矩传递机构的作用压力(kPa)对时间(sec)的曲线图；以及
图6是具有图2B的摩擦材料的转矩传递机构的打滑(rpm)对时间(sec)的曲线图。
具体实施方式
参考图1A，示出包括编织碳纤维织物基底12的摩擦材料10。涂层14应用到基底12，其中该涂层14是树脂粘合剂16与摩擦改进剂18的混合物。基底12被叠层至粘结背衬13，在本实施例中粘结背衬13是覆膜的丁腈酚醛树脂粘结剂。用于应用粘结背衬的其他公知工艺可被替代地使用。图1B中示出了粘合剂16与改进剂18的更近景的示意图。在该实施例中，粘合剂16是树脂粘合剂且摩擦改进剂18是碳颗粒，但是在所主张的发明范围内，粘合剂与改进剂不限于此。如在此使用的，“摩擦改进剂”是被添加到粘合剂以选择性地改进摩擦性能的任何材料。例如，摩擦改进剂18可以是碳颗粒、硅基材料、源自有机或源自无机的化合物。如在此使用的，“源自有机的化合物”是碳基化合物。“源自无机的化合物”是非碳基的化合物。如下面描述的，仅与基于碳纤维的织物相比，摩擦材料10通过提供更大的转矩承载能力、有关抖动和离合器波动的减小趋势而提供了改进的摩擦材料性能。
参考图2A，示出了摩擦材料10，其中摩擦材料10固定到相邻于相对的反作用片22的离合器片20，反作用片22也称作反作用构件。在该实施例中，片20、22和摩擦材料10一起形成汽车传动装置离合器24的一部分，该离合器24为例如变矩器离合器、或差动离合器、或较高速的应用例如起动离合器或换挡离合器。摩擦材料10同样适于非汽车的用途。片20和摩擦材料10形成摩擦构件25。摩擦材料10通过将粘结背衬13粘接到离合器片20而连接到离合器片20。以示意性的径向横截面示出离合器24，其中离合器片20和反作用片22是环形圈，每个片在各自的内端部26A、26B处具有内半径，以及在各自的外端部28A、28B处具有外半径。
再次参考图1A，编织织物基底12具有与第二组绞线34编织在一起的第一组绞线32。绞线32大体垂直于绞线34纵长地延伸。每一股绞线32、34由捻合或纺成绞线的较小纤维组成。在该实施例中，基底12是对称的平纹编织的细纱碳纤维织物，其具有每英寸15-40根纱线，并且具有每平方米200-400克的编织面积重量和每平方米500-800克的总的涂敷后面积重量，但是，基底12可以是所主张的发明范围内的其他基于编织碳纤维的织物。通过增大可以消散热的表面面积，基底12的碳含量提供更高的热传导性。
涂层14形成织物基底12的接触表面36的一部分，该部分面向反作用片22。更具体地，涂层14大体形成接触表面36的最靠近反作用片22的部分，从而在离合器接合时，不管是滑动接合还是完全接合，首先接触反作用片22。因此，涂层14在绞线32、34的顶点38上。如图1A和2A中清楚所见，涂层14呈现为在顶点38上的霜状物。示例性涂层14具有仅0.2mm的厚度t并具有每平方米140-520克的面积重量。对涂层工艺变量的精确控制防止了树脂分离并维持了基底10内开口孔隙性(即，防止了通道40的填充)。
在应用涂层14之前，整个织物基底12利用粘合剂39处理。该粘合剂39是在织物12的每一股绞线内的全部纤维上的非常薄的分散体，并且由图2A中所示的阴影点示意性表示。粘合剂39可以和树脂粘合剂16相同，也可以是不同的粘合剂。在该实施例中，树脂粘合剂39也是碳颗粒，类似于粘合剂16。通过浸透织物基底12或通过化学气相沉积(这两者都可被本领域技术人员很好地理解)将粘合剂39应用到整个织物基底12。
在图1A、1B和2A的实施例中，粘合剂39敷涂绞线32、34的整个外表面，但在应用中被控制成使得粘合剂39不填充编织绞线32、34之间保留为开放的绞线间通道40(即，间隔空间)。粘合剂39有助于增加织物基底12的耐用性，尤其是在摩擦材料10磨损并且更多基底12形成接触表面36时。通道40增加了摩擦构件10的孔隙性。这增加了顺应性(即，在离合器应用压力P下摩擦构件10适应反作用构件22的能力)。通道40还允许传动装置油到达表面36并充满表面36，从而在离合器分界面处(即，在接触面36处)提供更好的温度控制，增加离合器24的热稳定性。
涂层14中的一些树脂粘合剂渗进基于碳纤维的织物12中，而不是保持为形成表面36的一部分的涂层，从而产生在涂层14与织物12的剩余部分之间的过渡区42。因此，在过渡区42中的树脂粘合剂16含量既包括在注入或沉积期间应用的粘合剂，也包括从涂层14渗出的粘合剂，因此多于在剩余部分42中的树脂粘合剂16含量，后者仅包括注入或沉积在织物12上的粘合剂的量。
参考图2B，摩擦构件10A的替代实施例具有由多个涂层或层14A、14B、14C组成的分层涂层，其中摩擦构件10A具有与图2A的编织绞线32、34在全部方面都相似的并由绞线132表示的基于编织碳纤维绞线的基底12A。涂层被称作为14A、14B、14C。每个涂层14A-14C是树脂与摩擦改进剂的混合物，类似于涂层14。然而，使用在每个单独涂层14A-14C中的树脂和/或摩擦改进剂可以不同。这使得例如摩擦系数这样的摩擦特性在每个涂层中有所改变。因此，随着具有分层涂层14A、14B、14C的离合器随增加的使用而磨损，并且涂层14A-14C从顶涂层14C到底涂层14A磨损时，离合器的摩擦特性将以受控的方式改变。如同摩擦材料10一样，摩擦材料10A具有过渡区42A，由于从涂层14A-14C渗进纤维绞线132，所以在过渡区42A中存在更高的树脂含量。纤维绞线(仅示出一个绞线132)也具有被注入或沉积在其上的树脂粘合剂，并且被编织以提供通道用于冷却油流动到摩擦材料10A的接触表面，如同摩擦材料10一样。
相应地，一种形成用于汽车离合器的摩擦材料例如如上论述的摩擦材料10或10A的方法可从编织碳纤维基的材料10(或图2B的实施例中的10A)开始。编织将包括处理纤维和纱线，以及维持通道40以用于开口孔隙性。接着，用树脂39和例如碳颗粒的摩擦改进剂16浸透基底12(或图2B的基底12A)。可通过注入或化学气相沉积来应用摩擦改进剂16。注意不要用树脂39或摩擦改进剂16完全地填充通道40。
接着，基底12或12A敷涂有涂层14或14A、14B、14C以形成表面36的一些部分。如上所述，涂层14或14A、14B、14C是树脂和摩擦改进剂的混合物。涂层可使用光栅辊、逆转辊、或使用辊式刮刀涂布工艺制作，或者可以使用各种其他敷涂工艺。正如在涂层14A、14B、14C中那样，可以应用多个涂层以产生分层的涂层。多个涂层的应用要么是由于工艺局限性所必需，其中该工艺局限性使得需要多个涂层以便实现期望的总涂层厚度，要么可能意于在不同的涂层或层中提供变化的摩擦特性。例如，由于摩擦材料10或10A磨损，随着孔隙性和顺应性因纤维破损而降低，涂层14或14A、14B、14C将同时磨损掉。通过在不同的涂层或层中提供不同的摩擦特性，摩擦材料10A的总体性能可被控制以响应于其他改变。必须在每个涂层14A、14B、14C之间、或在单个涂层14之后允许足够的固化时间量，以确保涂层混合物中的树脂在表面36处被保持就位。
接着，例如通过将基底12或12A与粘合剂膜13层叠，将背衬应用到敷涂过的基底12或12A。然后，将已层叠的摩擦材料10或10A分割成段(即，冲切)，用作粘接的准备。通过将已分割的摩擦材料10或10A的各段放置在离合器片20上，通过首先加热片20、然后将各段压(即，定位焊)到已加热的离合器片20上而充分地将各段保持就位，从而预装配已分割的摩擦材料10或10A。最后，摩擦材料10或10A粘接到离合器片20。膜13是粘合剂。
参考图3，使用相对较粗的线示出了用于带有摩擦材料10A的离合器的摩擦曲线(转矩(Nm)关于滑差速度(rpm))的曲线图。使用相对较细的线示出了具有相似的基于编织碳纤维的织物的摩擦材料的摩擦曲线的曲线图，其中，该基于编织碳纤维的织物带有应用到其上的树脂粘合剂，但不具有涂层14A、14B、14C。对于每种摩擦材料，以200kPa离合器应用压力(A组)、400kPa应用压力(B组)和700kPa应用压力(C组)实施了两个测试。在每个被测试的离合器应用压力下，摩擦材料10A在宽范围的滑差速度上，包括多数情况下在非常低的滑差速度上，显示出更大的转矩承载能力。在宽范围的滑差速度上获得了大体的正斜率。
参考图4，对表示最大可容许离合器滑差功率(转矩(Nm)乘以滑差速度(rpm))的数据的最佳拟合曲线的曲线图，该最大可容许离合器滑差功率维持离合器分界面处(例如，在接触表面处)的温度不大于141℃，其中，141℃是对于常用传动装置油的可接受寿命的已接受的最高操作温度。使用相对较粗的线示出了表示对带有摩擦材料10A的离合器测试的曲线图。使用相对较细的线示出了相似的基于编织碳纤维的织物的摩擦材料的曲线的曲线图，其中，该基于编织碳纤维的织物带有应用到其上的树脂粘合剂但不具有涂层14A、14B、14C。曲线图表明摩擦材料10A至少部分地由于其热传导性和孔隙性而容许更大的功率。在稳态条件下，所测试的摩擦材料10A的样品允许1.5kW的功率，其中具有0.63l/min的冷却油流动通过。
参考图5，曲线100表示随时间(sec)的离合器应用压力(kPa)。曲线102表示在该应用压力下离合器的滑动(rpm)。图5示出了使用摩擦材料10A获得的离合器应用压力与打滑之间的大体线性关系(即，在应用压力降低时打滑增加)。这是希望的，因为离合器波动，其在应用压力与滑动之间的非线性关系下发生，可由车辆操作员感知到。离合器波动(clutch hunting)是指在给定条件下通过控制器以获得稳定滑差速度的企图(即，通过改变可控因素，例如压力)，并且通常发生于不能提供随降低的应用压力而线性地增加的打滑的摩擦材料。
参考图6，在以大约8秒间隔的重复致动(tip-in)(即，车辆加速器压力)期间并且处于恒定车速和20rpm的目标打滑时，打滑(rpm)对时间(sec)的曲线图示出离合器24(如线302所示的性能)具有比不具有涂层的典型编织织物基底(由线304表示)更小的打滑变化。因此，摩擦材料10A展现出在动态操纵期间更好的可控性能。
虽然已经详细地描述了用于实施本发明的最佳模式，但是，本领域技术人员将认识到在所附权利要求范围内用于实施本发明的各种替代设计和实施例。
Claims (18)
1.一种用于转矩传递机构的摩擦构件的摩擦材料，所述转矩传递机构具有与所述摩擦构件相对的反作用构件，所述摩擦材料包括：
编织碳纤维织物基底；以及
涂层，所述涂层应用到所述基底以形成接触表面的一部分，该部分定位成在所述转矩传递机构的接合期间接触所述反作用构件；其中所述涂层是树脂粘合剂和摩擦改进剂的混合物。
2.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述编织纤维织物基底具有在第一方向上纵长地放置的第一组绞线，和在大体垂直于所述第一方向的第二方向上纵长地放置的且与所述第一组绞线编织在一起的第二组绞线。
3.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述编织纤维织物基底形成面向所述反作用构件的顶点；并且其中所述涂层在所述顶点上，但是不存在于距离所述反作用构件比所述顶点远的接触表面的至少一些部分上。
4.如权利要求3所述的摩擦材料，其特征在于，所述涂层在所述顶点上大约0.2mm厚。
5.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，还包括：
在邻近于所述涂层的所述织物基底的一部分中的过渡区，由于所述涂层中的所述树脂粘合剂的一部分渗进邻近于所述涂层的所述织物基底，该过渡区具有比所述织物基底的其余部分更多的树脂含量。
6.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述基于编织碳纤维的织物基底包括形成绞线间通道的编织纤维绞线；其中所述涂层仅形成所述表面的一些部分以使得油流能通过所述绞线间通道从而冷却所述表面。
7.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述树脂粘合剂是酚醛树脂，以及所述摩擦改进剂是碳颗粒。
8.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述额外的粘合剂除了在所述接触表面处以外浸透所述织物基底。
9.如权利要求8所述的摩擦材料，其特征在于，所述织物基底至少部分地使用额外的摩擦改进剂浸透。
10.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述摩擦改进剂是碳颗粒、硅基材料和源自有机的摩擦改进剂中的一种。
11.如权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于，所述摩擦改进剂是源自无机的摩擦改进剂。
12.一种用于汽车传动装置中的转矩传递机构的摩擦构件的摩擦材料，所述转矩传递机构具有与所述摩擦构件相对的反作用构件，所述摩擦材料包括：
具有表面的编织碳纤维织物基底；
树脂粘合剂和摩擦改进剂的混合物，所述混合物应用到所述表面以在所述织物基底上形成涂层并且形成所述接触表面的一部分，该部分定位成在所述转矩传递机构的接合期间接触所述反作用构件；以及
注入或沉积进所述织物基底的额外的粘合剂；其中，所述额外的粘合剂与所述混合物中的树脂粘合剂相同或不同；
其中，所述基于编织碳纤维的织物基底包括形成绞线间通道的编织绞线；其中所述涂层仅形成所述接触表面的一些部分以使得油流能通过所述绞线间通道从而冷却所述表面。
13.一种形成用于离合器的摩擦材料的方法，包括：
使用树脂粘合剂和摩擦改进剂的混合物敷涂编织碳纤维基底的表面。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述基底具有形成绞线间通道的编织绞线，以及该方法还包括，在敷涂之前，使用额外的粘合剂浸透所述基底，且不用该额外的树脂填充所述通道。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述额外的粘合剂与摩擦改进剂混合。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述浸透是经过化学气相沉积。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括重复敷涂以产生分层的涂层。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在所述敷涂之后，将所述基底与粘合剂膜层叠。
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