CN102428287A - 滑动摩擦材料 - Google Patents
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Abstract
为了减小尺寸和重量，开发了致力于高动摩擦系数的摩擦材料。然而，具有高动摩擦系数的摩擦材料可导致粘附到滑动配合材料并特别在使用的初始阶段的初始磨合期间中导致操作中的感觉恶化。因此，具有高动摩擦系数的摩擦材料的使用被限制。由于在经历了初始磨合期间之后这种向滑动配合材料的粘附难以发生，开发的是一种在防止初始磨合期间的粘附方面有效的摩擦材料。在摩擦材料(3)与滑动配合材料(7)之间的滑动表面(5)中，仅初始滑动表面(5’)或者仅初始滑动表面(5”)及其邻近部分在初始磨合期间接触，并且与滑动配合材料接触的面积随时间推移逐渐增加到全面积接触，即，全部滑动表面(5)的完全接触。上述构造提供了一种具有优良的抗粘附性并具有优良的摩擦性能和耐磨性的滑动摩擦材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐磨性和摩擦性能未削弱且具有提高的抗粘附性(sticking resistance)的滑动摩擦材料。
特别地，本发明涉及一种具有提高的抗粘结性(stick resistance)(相对旋转速度接近零时粘附到配合齿轮的圆锥滑动表面的抑制程度)的用于同步器锁止环的摩擦材料。
背景技术
滑动摩擦材料是利用摩擦力吸收与其滑动接触的滑动配合材料的相对速度的材料，并且被用于车辆的闸片、离合器摩擦片、同步器锁止环或类似物。
近年来，虽然发动机和变速器的性能已经改进，但仍然为了燃料效率而要求重量减轻，并且每个组成部件的尺寸被最小化。因此，除了可靠的操作之外，即使在小尺寸中也要求充分的操作特性。期望具有高动摩擦系数的材料作为滑动摩擦材料。
为了提高滑动摩擦材料的摩擦特性，提出有多种摩擦材料成分的组合，并且已经开发出具有高动摩擦系数的滑动摩擦材料。例如，已知一种摩擦材料层，其包括混合在其中的作为粘合剂的热固性树脂、碳素材料、金属材料和无机材料(参见专利文件1和2)。所述专利文件描述了在摩擦材料层中混合合适量的具有低含灰量的高纯度碳素材料(石油焦碳或沥青焦炭)作为主要成分，作为获得高摩擦性能和高耐久性的用于同步器锁止环的摩擦材料的方法。
引用文件
专利文件
专利文件1：WO 2004/109138
专利文件2：JP 09-221553A
发明内容
技术问题
已经存在致力于高动摩擦系数的关于材料成分组合的包括上述专利公布的报告。然而，由于滑动阻力，致力于高动摩擦系数的材料成分组合有问题地导致粘附到滑动配合材料上，尤其是在初始使用阶段的初始磨合期间中，导致操作中的感觉恶化。因此，具有高动摩擦系数的摩擦材料的使用已经被限制。
因此，本发明的目的在于提供一种具有良好的抗粘附性以及良好的摩擦性能和耐磨性的滑动摩擦材料。
问题的解决方案
本发明人已经全心全意地进行了调查以解决上述问题。结果，发明人发现，当滑动摩擦材料形成为这样的形状使得与滑动配合材料接触的滑动表面的面积在使用开始时仅为滑动表面的全部面积中的一部分但在初始磨合期间随时间推移逐渐增加到全面积接触时，在初始磨合期间中的抗粘附性提高，而不会削弱耐磨性或摩擦性能。基于该发现，本发明人执行了进一步的研究并完成了本发明。
即，本发明涉及：
(1)一种滑动摩擦材料，其特征在于，在使用开始时所述滑动摩擦材料的滑动表面仅与滑动配合材料的滑动表面部分接触，并且在于与所述滑动配合材料接触的面积在初始磨合期间随时间推移逐渐增大到全面积接触，
(2)根据上述(1)所述的滑动摩擦材料，其中在所述初始磨合期间之前所述摩擦材料的滑动表面相对于所述滑动配合材料的滑动表面的相对角度为1至40分，
(3)根据上述(1)或(2)所述的滑动摩擦材料，其中在所述初始磨合期间之前与所述滑动配合材料首先接触的最高的滑动表面比最低的滑动表面高0.01mm以上，
(4)根据上述(1)至(3)中任一项所述的滑动摩擦材料，所述滑动摩擦材料的表面上具有槽，
(5)根据上述(1)至(4)中任一项所述的滑动摩擦材料，相对于全部所述滑动摩擦材料包括5至40wt％的酚醛树脂，
(6)根据上述(5)所述的滑动摩擦材料，进一步包括30至80wt％的碳素材料，5至40wt％的无机纤维或无机粒子，并且根据需要包括5至40wt％的金属纤维或金属粒子，上述成分的总量相对于全部所述滑动摩擦材料为100wt％或小于100wt％，
(7)根据上述(1)至(6)中任一项所述的滑动摩擦材料，所述滑动摩擦材料为用于同步器锁止环的摩擦材料，
(8)根据上述(7)所述的滑动摩擦材料，其中包括与所述滑动配合材料的滑动表面首先接触的部位的槽脊的轴向宽度为0.1至1mm，并且更优选为0.1至0.7mm，
(9)一种滑动摩擦材料，其特征在于，在使用开始时所述滑动摩擦材料的滑动表面仅与滑动配合材料的滑动表面部分接触，并且在于与所述滑动配合材料接触的面积在初始磨合期间随时间推移逐渐增大到全面积接触，在所述初始磨合期间之前所述摩擦材料的滑动表面相对于所述滑动配合材料的滑动表面的相对角度为1至20分，所述滑动摩擦材料的表面具有周向槽，包括首先与所述滑动配合材料的滑动表面首先接触的部位的槽脊的轴向宽度为0.1至0.7mm，相对于全部所述滑动摩擦材料所述滑动摩擦材料包括5至40wt％的酚醛树脂，并进一步包括30至80wt％的碳素材料，5至40wt％的无机纤维或无机粒子，并且根据需要包括5至40wt％的金属纤维或金属粒子，上述成分的总量相对于全部所述滑动摩擦材料为100wt％或小于100wt％，以及
(10)根据上述(9)所述的滑动摩擦材料，其中包括与所述滑动配合材料的滑动表面首先接触的部位的槽脊的轴向宽度窄于其它槽脊的轴向宽度。
本发明的有益效果
本发明的滑动摩擦材料在摩擦性能和耐磨性以及抗粘附性方面优越。
附图说明
图1为同步器锁止环的轴向剖视图。
图2示出同步器锁止环与配合齿轮的圆锥部之间的接触状态。
图3示出在摩擦材料与滑动配合材料之间提供有相对锥角时的接触状态。
图4示出与滑动配合材料首先接触的部位的高度大于其它接触部位的高度时的接触状态。
图5示出与滑动配合材料首先接触的部位的高度在轴向上连续变化时的接触状态。
图6示出两个以上部位首先与滑动配合材料接触时的接触状态。
图7示出小端槽脊宽度与初始粘结力矩之间的关系。
图8示出相对锥角θ与初始粘结力矩之间的关系。
图9示出小端槽脊宽度与平均动摩擦系数之间的关系。
图10示出相对锥角θ与平均动摩擦系数之间的关系。
图11示出小端槽脊宽度与磨损量之间的关系。
图12示出相对锥角θ与磨损量之间的关系。
具体实施方式
下文中，将以同步器锁止环为例对本发明的实施例进行描述。
图1示出本发明的同步器锁止环。同步器锁止环1包括由黄铜等制成的基体材料2和在该基体材料的内表面上的摩擦材料3。进一步，摩擦材料3优选为了通畅的油的流动而包括沿圆周方向延伸的油槽4和沿轴向延伸的纵向槽6。
图2示出同步器锁止环的摩擦材料3与滑动配合材料7之间的接触状态。同步器锁止环和滑动配合材料以不同的圆周速度围绕旋转轴线8同轴旋转。在变速时，滑动配合材料7被插入到同步器锁止环中并压靠摩擦材料3，并且继续滑动接触直到圆周速度相等。
本发明的滑动摩擦材料的特征在于，在使用开始时仅摩擦材料3的全部滑动表面的一部分与滑动配合材料7接触。在与滑动配合材料接触的面积随时间推移逐渐增加到全面积接触的随后的期间被称为初始磨合期间。
由于在使用开始时仅全部滑动表面的一部分接触，在初始磨合期间中抗粘附性提高，并且由于接触面积随时间推移增加到全部滑动表面5接触的全面积接触，摩擦性能和耐磨性的恶化可降低。
本文中，全面积接触是指被设计用于实现功能的全部滑动表面完全接触的状态。例如，图2示出了全面积接触的状态，其中在边缘处的倒角表面等未与滑动配合材料接触，但起滑动摩擦表面功能的全部表面完全接触。相反地，在使用开始时仅全部滑动表面的一部分接触的状态中，不是全部功能上必要的滑动表面而是仅其一部分而接触。例如，在图4中，所有的滑动表面5在功能上是必要的，但是在使用开始时，在滑动表面5中，仅初始滑动表面5’或者仅初始滑动表面5’及其邻近部分接触，即，仅全部滑动表面的一部分接触。本文中，初始滑动表面5’的邻近部分是指与初始滑动表面5’相邻的滑动表面、与该相邻的滑动表面相邻的滑动表面等。上述“一部分”通常约为全部滑动表面的1至20％。并且，到达全面积接触的期间优选从使用开始到在给定条件下的负荷的10次测量中获得的动摩擦系数的10个值中的最小值相对于最大值达到98％以上的时间。
可存在各种方法用于在初始磨合期间之前使摩擦材料3与滑动配合材料7之间的接触为部分接触，其示例包括下述方法。
图3示出在摩擦材料3与滑动配合材料7之间提供有相对锥角θ的状态。也就是说，摩擦材料3的滑动表面5和滑动配合材料7的外表面在围绕旋转轴线8的两个不同的圆锥表面上，并且两个圆锥表面相对于旋转轴线8的锥角具有由上述相对锥角θ表示的差。根据该示例，在初始磨合期间之前，仅多个滑动表面5的一部分，即，初始滑动表面5’或者初始滑动表面5’和其邻近部分接触。在初始磨合期间的末尾，由于摩擦材料的逐渐磨损，全部滑动表面5如图2中所示地完全接触。
在初始磨合期间，至少1分的相对锥角θ提高抗粘附性，但是40分以上角度会降低耐磨性。在图3中，θ被示出为在大端侧打开的角度，但可以为在小端侧打开的角度。
图4示出包括在各操作时首先接触的部位的初始滑动表面5’高于其它滑动表面5的状态。本文中，滑动表面5或初始滑动表面5’的高度是朝向面对滑动表面的滑动配合材料7的外表面的高度。例如，在摩擦材料3的基体表面3’与滑动配合材料7的外表面平行地形成的情况下，所述高度是指从基体表面3’开始的高度。如图4中所示，当仅初始滑动表面5’高于其他滑动表面时，在初始磨合期间仅初始滑动表面5’与滑动配合材料7接触。如在上述提供有相对锥角的方案中一样，在初始磨合期间摩擦材料3与滑动配合材料7之间的接触可被部分地限制。当初始滑动表面5’与所有滑动表面5中最低的滑动表面之间的高度差ΔH至少为0.01mm时，足以在初始磨合期间提高抗粘附性。
此外，如图5和图6中所示，首先接触的部位的高度可在轴向上连续变化。在此情形下，在初始磨合期间中，仅初始滑动表面5’或者仅初始滑动表面5’及其邻近部分与滑动配合材料7接触。在使用开始时用于在各操作时部分地限制接触的方法不限于以上示例。
通过上述构造，在使用开始时摩擦材料3与滑动配合材料7之间的接触可被部分地限制。在此情形下，接触面积越小，抗粘附性越多得提高，但是耐磨性降低得越多。特别地，当包括摩擦材料3与滑动配合材料7首先接触的部位的槽脊(ランド)的轴向宽度小于0.1mm时，耐磨性降低，并且当该宽度大于1.0mm时，初始磨合期间的抗附结性降低。对于提高抗粘附性来说，更优选的是0.7mm以下。本文中，槽脊是指通过形成油槽而产生的相对较高的部分，或者全部滑动表面中的较高的部分。在这些槽脊中，上述初始滑动表面5’的槽脊优选具有比其他滑动表面5的槽脊更窄的轴向宽度。
基于现有技术，摩擦材料3的成分已知具有以下所示的特性。
酚醛树脂用作用于摩擦材料的其他成分的粘合剂，并提高摩擦材料的刚性。酚醛树脂含量小于5wt％会降低摩擦材料的刚性。酚醛树脂含量超过40wt％不会增加动摩擦系数。
碳素材料耐热性优越，并且提高摩擦材料的耐热性。碳素材料含量小于30wt％会降低摩擦材料的耐热性，而含量超过80wt％会降低摩擦材料的刚性。
无机纤维和无机粒子增强用作粘合剂的酚醛树脂。无机纤维和无机粒子含量小于5wt％将不足以增强酚醛树脂。无机纤维和无机粒子含量超过40wt％会削弱摩擦材料的柔软性，导致摩擦材料层使配合构件磨损。
金属纤维和金属粒子防止因制动摩擦热量导致的摩擦材料的动摩擦系数的减小。金属纤维和金属粒子含量小于5wt％会引起摩擦材料的动摩擦系数减小。金属纤维和金属粒子含量超过40wt％可使同步器锁止环粘着到配合构件上。
示例
下文中，将参照示例对本发明进行描述。
如图1中所示，同步器锁止环1包括由黄铜等制成的基体材料2和在该基体材料2的内表面上的摩擦材料3。对于基体材料2，由上述物质制成的环形结构通过热锻预先形成，然后进一步通过机械加工形成为期望的形状。对于摩擦材料来说，15wt％酚醛树脂、作为碳素材料的65wt％的煅烧过的焦炭和作为无机纤维的20wt％的硅灰石的混合物被涂敷到已经被预先涂敷有粘合剂的基体材料2的内表面上，然后进行煅烧。
也就是，先前通过喷砂处理等经受过基本处理的环形结构的内表面被用酒精等清洗，并且诸如酚醛树脂和环氧树脂的热固性粘合剂被涂敷到内表面上。随后，环形结构被放置在恒温室等中并保持在70至120℃的气氛下10至30分钟，使得粘合剂干燥。环形结构被设置到成型模具的下模具中。之后，摩擦材料被引入并填充形成于环形结构的内表面与芯部的外表面之间的空腔中。通过使用传统的油压压力机等，摩擦材料经由上模具的冲压被压缩以在正常温度至50℃室温范围内模具温度下预成型。然后成型模具被放置在处于传统的直通液压成型机中的预设在180至300℃的热板上，所述材料被煅烧(加热并加压成型)5至30分钟，以形成与环形结构一体化的摩擦材料层。
如图3的剖视图中所示，煅烧的摩擦材料被进一步机械加工。滑动表面相对于轴线的锥角被设置为7°+θ。在此，θ是摩擦材料3与作为滑动配合材料的配合齿轮圆锥部7之间的相对锥角。另外，还形成如图1中所示的沿圆周方向延伸的多个油槽以及纵向槽。
下面，将对示例的用于同步器锁止环的滑动摩擦材料的各测试结果进行说明。
<抗粘结性>
为了评估抗粘结性(相对旋转速度接近零时向配合齿轮的圆锥滑动表面的粘贴性的抑制程度)，如下所述地进行惯性吸收测试模式中的同步单元重叠测试。
在同步单元测试机中，惯性重量被设置为0.001kgf·m·sec2，同步器锁止环1被放置在润滑油(油的种类：Honda MTF-III)中，润滑油处于在正常温度(30℃)下的30ml/min的润滑环境中。同步器锁止环1通过液压控制以500N的压紧力反复压靠到以500rpm的转速差旋转的锥状配合构件(名称：齿轮锥；材料：SCM420；热处理：渗碳淬火和回火；锥面：研磨加工)，并且随时间的推移来测量粘结力矩。粘结力矩是指，在通过吸收转速差建立起同步之后当锥状配合构件被加速到限定的转速差时，同步器锁止环1以其从锥状配合构件释放的力矩。同步单元重叠测试中抗粘结性的评估基于“初始粘结力矩”，“初始粘结力矩”是前50次测量值中的最大粘结力矩。
图7示出最靠近小端的槽脊的轴向宽度(小端槽脊宽度)与初始粘结力矩之间的关系，图8示出相对锥角θ与初始粘结力矩之间的关系。本文中，槽脊是指通过形成油槽而产生的相对较高的部分。在该示例中，小端槽脊宽度是指包括首先与滑动配合材料接触的部位的槽脊的轴向接触宽度。如图7中所示，随着小端槽脊宽度变窄，初始粘结力矩减小。特别地，在小端槽脊宽度小于1mm的范围内，初始粘结力矩极大地减小。而且，在小端槽脊宽度小于0.7mm的范围内，该效应更加显著。此外，如图8中所示，随着相对锥角θ变大，初始粘结力矩减小，特别是在角度为1分以上的范围内，效应显著。
<摩擦性能>
为了评估摩擦性能，如下所述地进行惯性吸收测试模式中的同步单元性能测试。在同步单元测试机中，惯性重量被设置为0.002kgf·m·sec2，同步器锁止环1被放置在润滑油(油的种类：Honda MTF-III)中，润滑油处于在80℃下的80ml/min的润滑环境中。同步器锁止环1通过液压控制以500N的压紧力反复压靠到以1500rpm的转速差旋转的锥状配合构件(名称：齿轮锥；材料：SCM420；热处理：渗碳淬火和回火；锥面：研磨加工)，确定200次的平均动摩擦系数。平均动摩擦系数的评估基于在转速差被吸收之后建立起同步期间确定的动摩擦系数的平均值。
图9示出小端槽脊宽度与平均动摩擦系数之间的关系，图10示出相对锥角θ与平均动摩擦系数之间的关系。如图9中所示，即使在小端槽脊宽度变化时，平均动摩擦系数几乎不变化。此外，当相对锥角θ更大时，平均动摩擦系数并不显著减小而仅是稍微减小。
<耐磨性>
为了评估耐磨性，如下所述地被进行惯性吸收测试模式中的同步单元耐久性测试。在同步单元测试机中，惯性重量被设置为0.003kgf·m·sec2，同步器锁止环1被放置在润滑油(油的种类：Honda MTF-III)中，润滑油处于在80℃下的80ml/min的润滑环境中。同步器锁止环1通过液压控制以500N的压紧力反复压靠到以2500rpm的转速差旋转的锥状配合构件(名称：齿轮锥；材料：SCM420；热处理：渗碳淬火和回火；锥面：研磨加工)10000次，并且确定磨损量。磨损量的评估基于在测试结束之后测量的齿轮组状态中的高度较小量。
图11示出小端槽脊宽度与磨损量之间的关系，图12示出相对锥角θ与磨损量之间的关系。如图11中所示，随着小端槽脊宽度变窄，磨损量变大，特别是在小端槽脊宽度小于0.1mm的范围内，磨损量急剧增大。此外，如图12中所示，随着相对锥角θ变大，磨损量变大，特别是在角度超过40分的范围内，磨损量急剧增大。
工业应用性
本发明的滑动摩擦材料作为摩擦性能和耐磨性以及抗粘附性优良的滑动材料是有用的。
附图标记列表
1、同步器锁止环
2、基体材料
3、摩擦材料
3’、摩擦材料的基体表面
4、周向油槽
5、滑动表面
5’、初始滑动表面
6、纵向槽6
7、配合齿轮的圆锥部
8、旋转轴线
θ摩擦材料与配合齿轮圆锥部之间的相对锥角
ΔH首先与滑动配合材料接触的部位与其他接触部位之间的高度差
Claims (10)
1.一种滑动摩擦材料，其特征在于，在使用开始时所述滑动摩擦材料的滑动表面仅与滑动配合材料的滑动表面部分接触，并且在于与所述滑动配合材料接触的面积在初始磨合期间随时间推移逐渐增大到全面积接触。
2.根据权利要求1所述的滑动摩擦材料，其中在所述初始磨合期间之前所述摩擦材料的滑动表面相对于所述滑动配合材料的滑动表面的相对角度为1至40分。
3.根据权利要求1或2所述的滑动摩擦材料，其中在所述初始磨合期间之前与所述滑动配合材料首先接触的最高的滑动表面比最低的滑动表面高0.01mm以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的滑动摩擦材料，所述滑动摩擦材料的表面上具有槽。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的滑动摩擦材料，相对于全部所述滑动摩擦材料包括5至40wt％的酚醛树脂。
6.根据权利要求5所述的滑动摩擦材料，进一步包括30至80wt％的碳素材料，5至40wt％的无机纤维或无机粒子，并且根据需要包括5至40wt％的金属纤维或金属粒子，上述成分的总量相对于全部所述滑动摩擦材料为100wt％或小于100wt％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的滑动摩擦材料，所述滑动摩擦材料为用于同步器锁止环的摩擦材料。
8.根据权利要求7所述的滑动摩擦材料，其中包括与所述滑动配合材料的滑动表面首先接触的部位的槽脊的轴向宽度为0.1至1mm，并且更优选为0.1至0.7mm。
9.一种滑动摩擦材料，其特征在于，在使用开始时所述滑动摩擦材料的滑动表面仅与滑动配合材料的滑动表面部分接触，并且在于与所述滑动配合材料接触的面积在初始磨合期间随时间推移逐渐增大到全面积接触，在所述初始磨合期间之前所述摩擦材料的滑动表面相对于所述滑动配合材料的滑动表面的相对角度为1至20分，所述滑动摩擦材料的表面具有周向槽，包括与所述滑动配合材料的滑动表面首先接触的部位的槽脊的轴向宽度为0.1至0.7mm，相对于全部所述滑动摩擦材料所述滑动摩擦材料包括5至40wt％的酚醛树脂，并进一步包括30至80wt％的碳素材料，5至40wt％的无机纤维或无机粒子，并且根据需要包括5至40wt％的金属纤维或金属粒子，上述成分的总量相对于全部所述滑动摩擦材料为100wt％或小于100wt％。
10.根据权利要求9所述的滑动摩擦材料，其中包括与所述滑动配合材料的滑动表面首先接触的部位的槽脊的轴向宽度窄于其它槽脊的轴向宽度。
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