CN1028557C

CN1028557C - 摩擦材料结构

Info

Publication number: CN1028557C
Application number: CN89101694A
Authority: CN
Inventors: 斯奥马思·阿兰·杰纳塞
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1989-03-27
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2004-03-27
Also published as: AU3168689A; BR8901540A; US4844218A; EP0335601A3; EP0335601B1; EP0335601A2; JP2973324B2; DE68906188T2; DE68906188D1; JPH0217225A; CN1037198A; AU612947B2

Abstract

一种锁止器—离合器组件，包括一个有最佳性能的多孔隙热解碳复合摩擦材料(74)，能够防止刚性离合件(12，14)的非同步啮合。复合摩擦材料沿垂直于其摩擦面(76b)的方向上有弹性，并被切割成切片(76)，然后粘结在截锥形表面(62)上，同时保留其弹性并沿周向等距隔开，其构形方式可以将其上的啮合力控制在10-20kg/cm²的范围内。

Description

本申请与美国申请150，355（1988年1月29日申请），和美国申请174，475（1988年3月28日申请）有关。这两个申请已转让给本申请的受让人。

本发明相关于液冷摩擦啮合能量吸收装置如离合器和制动器。更具体地说，本发明是关于摩擦材料表面面积和形状的构形，以提高性能和降低成本。

从参考文献美国专利4，291，794和4，700，823可知，在由碳纤维基片制成的带敞开孔隙的碳/碳复合摩擦材料上用化学蒸镀（CVD）方法镀上热解碳已成为现有技术。这些文件的说明书在这里作为参考文献。

从美国专利3，983，979;4，141，440;4，176，736;和4，703，667中可知，单级和多级型的交换齿轮变速器已成为现有技术，这些文件的说明书在这里作为参考文献。

在这些交换齿轮变速器中使用的锁止器-离合器组件包括第一和第二刚性或爪式离合件，它们沿轴向在啮合和解脱位置之间移动以实现齿轮交换。每个组件包括一个可摩擦啮合的锁止环，随着离合件的初始啮合位移，锁止环可防止爪式离合件的非同步啮合，锁止环由第一爪式离合件支承以限制它相对于该离合件的转动，锁止环包括一个摩擦面，随着爪式离合件的初始啮合位移，该摩擦面与第二爪式离合件的第二摩擦表面啮合，以与第二爪式离合件一起转动。如果在离合件初始啮合位移时，离合件以不同转速旋转，上述摩擦啮合会使锁止环有限地转动到锁止爪式离合件啮合的位置，直到爪式离合件大致同步为止。

上述的锁止器-离合器组件大大降低了复杂性和实现齿轮交换所需的作用力。但是由于各种原因，在爪式离合件达到同步或大致同步之前，锁止环就有可能过早移动到非锁止位置，而使得爪式离合件的齿非同步啮合，结果造成过分磨损，某些情况下会造成爪式离合件失效。

本发明的目的是成形一种摩擦材料，使其性能最佳。

本发明的另一目的是构形一种性能最佳的摩擦材料，以便在同步器和锁止器组件中避免或基本避免爪式离合件的非同步啮合。

根据本发明的特征，如前述美国专利4，291，794和4，700，823中所描述的能量吸收装置包括至少两个相对转动的件，它们有可相互啮合的摩擦表面以阻碍相对转动;一个碳/碳复合摩擦材料，它固定于其中一个件上以限定至少一个摩擦表面，该材料的密度为0.3-1.3g/cm³，其加工方法是在固定于一个件上之前，在一块碳纤维基片上通过化学蒸镀工艺（CVD）镀上碳;与表面相通的冷却液，和用来摩擦啮合两表面的致动装置。

摩擦材料的特征是被构形而形成一个摩擦表面，其上的啮合压力范围为10-20kg/cm³。

总之，本发明和现有技术相比，确能防止离合件的非同步啮合，从而减少磨损。

附图中示出了本发明的一个最佳实施例，其中：

图1是一可以采用本发明的锁止器-离合器组件的断面视图;

图2-5示明了图1所示组件的特征;

图6A-6C分别示出了锁止器-离合器装置处于空挡或未选择位置，处于预选择位置，和处于啮合后的位置。

图7-8示出了根据本发明碳/碳复合摩擦材料的结构和位置。

图9-10是放大了的照片，示出了材料的摩擦表面的平面视图。

在进行详细描述前，先定义几个技术词汇，以便易于清楚地理解本发明。

1.热解碳复合材料-通过一种化学蒸镀工艺（CVD）在一碳纤维基片上镀上或致密热解碳。

2.基片-碳纤维或碳纤丝的一种组合。

3.纤丝-一种纤维，其长度和直径之比（长度/有效直径）对所有实际应用来说是无穷大，即一种连续的纤维。

4.纤维-横断面很小，长度相对较短，可以是截断的纤丝。

5.单纱-一股连续的纤丝结合成一个单独紧密的实体而无绞扭。

6.纱-绞扭的纤维或纤丝一种组合，形成一根织造中使用的连续的纱或精纺纱。

7.粘结材料-通过表面接触能将两个物体保持在一起的物质，如粘结剂或钎焊剂。

8.附着-两个表面在分界面上被外力或自锁作用或两者保持在一起的状态。

9.机械附着-两个表面之间的附着，其中通过自锁作用，用粘结剂将零件保持在一起。

10.碳-这里“碳”一词包括石墨，除非明确地使用了“石墨”一词。

11.总孔隙率-包括复合材料中的敞开的和封闭孔隙或孔穴。敞开的孔隙是指在复合材料的表面敞开的并可能沿整个复合材料延伸。

12.同步装置-具有能防止刚性离合件的爪或花键齿异步啮合的锁止装置，该装置还有摩擦件，它能实现锁止件的啮合并能在多数工作条件下产生足够的扭矩驱动刚性离合件同步。

13.锁止-类似于同步装置的一种装置，但在多数工作条件下不能产生足够的扭矩以有效地迫使刚性离合件同步。这里公开的普通类型的锁止件在现有技术中是已知的，可参见前面提到美国专利3，983，979;4，141，440;4，176，736;和4，703，667。

现在参照图1，2，这里示出了一个锁止器离合器组件10，它有第一和第二刚性离合件12，14，和一个防止离合件异步啮合的锁止机构16，离合件分别与轴20的齿轮18连接，齿轮18和轴20可以形成4×3多级变速器的一部分，例如美国专利4703667中公开的十二种前进速度的半锁止分动型多级变速器。这里轴20可以是变速器主轴，其左端的延长部分位于一个有四种变速比的主变速器部分内。齿轮18可以是一个连续啮合的分动齿轮，位于一个辅助变速器部分内。

离合件12带有内花键22，它位于加工在轴20上的外花键24内，以便将离合件12与轴连接并与其一同旋转。相配合的花键允许离合件在轴20上自由地轴向滑动。一个挡环26位于一个适当加工在轴外圆周上的槽内，用以与离合件12接触并限制它的轴向向右侧的位移。一个弹簧28有弹性地迫使离合件12向右位移，弹簧的左端抵在弹簧座30上，采用类似于固定挡环26的方法将弹簧座30固定在轴20上。

离合件12上面带有外花键齿32，花键齿32用来与齿轮18上的离合件14的内花键齿34啮合。离合件12的齿32在36处有锥其锥度与齿轮18上的齿34的导向边缘38的类似。由斜切导向边缘限定的锥状面相对于轴的纵轴线以30°-40°的角度延伸。锥度的精确角度及其优点在美国专利3，265，173中有详细解释。

选择花键齿32中的几个，这里是三个，将其局部地切除，以允许存在锁止机构的一个锁止环40，锁止机构以后将进一步描述。这种局部的切除形成了三个与锁止环40配合的轴向减短的锁止半切除齿42。锁止半切除齿最好位于一个共同平面内并且周向等间距隔开;然而在某些应用中也可以使用美国专利4，703，667中公开的对称排布。锁止环包括一个环绕离合件12的不变形的环。正如图3-5所示的，该环包括适当数量的，这里是三对，径向向内延伸的凸起44，46，当适当定位后，凸起与外花键齿32啮合。每对凸起44，46的总的周向尺寸小于由局部切除的锁止齿所限定的相应周向间隔，故允许锁止环相对于离合件12从图3所示位置进行有限的顺时针和逆时针转动，其中凸起44，46之间的间隔与半切除齿42对中。凸起44，46中任何一个的侧部与半切除齿任何一侧的花键齿32的侧部接触会限制这种相对转动并使得锁止环40与离合件12一起旋转。每对向内的凸起44，46之间的间距比相应的锁止半切除齿42的周向尺寸宽，从而当适当地同步对准时（或更准确地说当锁止环40和离合件12的相对速度同步并对准时），凸起44，46可以跨在半切除齿42上，这样离合件12可轴向位移，但不越过锁止环与齿轮18的花键齿34啮合。

如图3-5所示，起锁止齿作用的凸起44，46的端面在48，50处被加工成斜面。每个半切除齿42的端面也最好带有与斜面48，50相应的斜面52，54。这样选择斜面48和50的角度56，即当未示出的但前面提到的位于轴20左端的主变速器部分不处于空档位置时，凸起44，46和半切除齿42仍处于适当的锁止位置，但当主变速器部分处于空档位置并且选择齿轮18啮合时，在一接触力如弹簧28的力作用下凸起44，46和半切除齿42将趋向于使锁止件和离合件处于非锁止位置。在现有技术中这种斜面被称为敏感非锁止斜面。业已证明相对于与轴20的旋转轴线垂直的平面P，成15°，-25°角，最好是20°角，的斜面角56对于大多数已知的半锁止变速器来说是非常令人满意的。

正如美国专利3，921，469和3，924，484中所详细描述的，锁止环40的径向内侧可以带有一个槽58，它容纳一个分隔的环形弹性环60。环60的内径通常略小于离合件齿32的外径，所以在部件被装配后的条件下，环60略向外变形从而向齿32的外表面施加一个不大的但一定的弹性夹紧力。由于环60与槽58的壁是松配合，故弹性夹紧力对锁止环和离合件之间的轴向位移有较大阻力，而对它们间的转动阻力不大。

锁止环40有一个面向外的截头锥体形或截锥形表面62，齿轮18的径向内壁上有一个面向内的截头锥体形或截锥形表面64，在图6示意性示出的浮动拨叉66作用下齿轮18向左侧进行初始啮合位移，随之表面62和64摩擦啮合。由弹性环60产生的轴向阻力阻碍了锁止环40相对于离合件12的轴向位移，离合件12在弹簧28作用下偏向右侧。这样，环60起着一种预增能环的作用，在锁止环40轴向运动以前环60的阻力实现了表面62，64的初始啮合。当齿轮18向右侧位移使得刚性离合件12，14脱离啮合时，挡环68限制了锁止环40脱离截锥形表面64的位移。

参照图2-5，并假定轴20，离合件12和齿轮18沿顺时针方向被驱动（如图2中箭头A所示），很明显，一旦截锥形表面62，64啮合，齿轮18的转速高于轴20和离合件12的不同步条件就会使得锁止环40相对于离合件12顺时针转动一有限的角度。当然，表面62，64的初始啮合取决于拨叉66作用下的齿轮18的初始啮合位移以及预增能环60产生的轴向阻力。浮动拨叉66与致动器72的活塞70连接，在压缩空气作用下致动器以已知方式来回移动该活塞。由于预增能环的阻力，施加到锁止环40上的用于初始摩擦啮合的扭矩虽然小，但足以使得在斜面啮合前凸起44的斜面48轴向对准齿部分42的斜面52。一旦斜面啮合，弹簧28的弹力就经斜面的表面传递，从而增加了摩擦表面的啮合力，这样就成比例地增加了锁止扭矩，该锁止扭矩与斜面48，52产生的非锁止扭矩反向。理论上讲，该增加的锁止扭矩足以维持斜面的锁止啮合，直到离合件12，14相互同步。

正如参照前述美国专利4，703，667中描述的，目前为止所描述的锁止器-离合器组件一般在现有技术是已知的。这种组件保证了与它们相连的变速齿轮的预选，例如，在离合件12，14同步之前，可以充分地位移用于啮合刚性离合件的致动装置（浮动拔叉66和活塞72）。刚性离合件要晚些时间才实际进入啮合，如图6A-6C所示。简而言之，图6A示出了锁止器-离合器组件10处于空档或未被选择的位置。图6B示出了一个被预选的位置，其中齿轮18，离合件14，活动拨叉60和活塞72已被充分位移，而离合件12反抗弹簧 28的偏置力向左位移，截锥形表面62，64摩擦啮合，保持锁止位置，直到采用手动或自动装置改变轴20和/或齿轮18的转速而达到同步为止。这种装置是已知的，其典型原理是改变与轴20相连的原动机的速度和/或采用一个与轴或齿轮连接的制动器。当产生无锁止条件时，由于离合件相互同步，弹簧28的偏置力就使得离合件12移入离合件14。由于同步速度常常相对较高，故弹簧28必须提供足够的力量迅速使离合件12进入啮合。图6C示出了刚性离合件的啮合位置。

现在考虑本发明。如美国专利4，703，667所公开的具有非锁止斜面，如斜面48-54的锁止器-离合器组件在某些动态工作条件下，往往过早地不锁止或解脱并允许离合件12，14非同步啮合。下面所要公开的是一种改善了的位于截锥形表面上的摩擦材料结构，它完全解决了过早不锁止或解脱这一问题，同时大大降低了锁止器-离合器组件的制造成本。

现在参照图7-10，这里公开的是一种碳/碳复合摩擦材料74。图9-10是材料74的放大照片。图9示出了试验前材料摩擦表面的组织和多孔结构，图10是经相当于锁止器-离合器组件三次寿命周期以上的无解脱试验后的摩擦表面。图7、8示出了材料在锁止环表面62上的结构和位置。

材料74最好这样制成，即在一块碳纤维的单一编织层基片上用化学蒸镀工艺（CVD）镀上或渗入热解碳。纤维可以由许多种材料制成，但最好由碳化人造纤维或聚丙烯腈（PAN）制成。只要织品沿垂直于织品平面的方向上（即在使用中垂直于材料摩擦平面的方向上）有足够的弹力，也可以使用碳纤丝代替纤维。可采用的CVD工艺公开于美国专利4，291，794和3，944，686上。第一个专利描述了间歇工艺，第二个专利描述了连续工艺。在CVD工艺后和粘结到表面62之前，复合材料的密度范围可以是0.3到1.3gm/cm³。然而，该范围下限的材料可能有较高的编织速率。该范围上限的材料一般较贵并且太硬而不能呈现最佳性能。相应地，范围为0.7-1.1gm/cm³被认为似乎是最佳的。

密度为0.8-1.0gm/cm³的材料，经试验密度为0.84gm/cm³的材料能呈现良好性能。

这种材料的制造说明书要求纤维基于切断异织成纱的PAN纤丝上，纱的重量是21.0精纺毛纱支数，纤维织物是2×2等张力筐形正方织物，每2.54cm有18-22对;经温度不超过1，200℃的CVD处理后的密度是0.8-1.1gm/cm³;厚度是0.11cm。致密或成品后的材料的组织肉眼看上去与编织的纤维基片大致一样。成品材料相对来说较柔软，在前述垂直于织物平面的方向上相对来说较有弹性，这是因为使用了精纺纱，编织物及其密度，并且有许多敞开的孔隙，其中许多相互贯穿。

将材料切割成多边形切片76将会使材料74的浪费最小，当将切片76固定或粘结在支承件如锁止环40的表面62上时，切片可以沿周向分隔开。除此之外，切片也可以相互贴靠从而限定一个连续的摩擦环表面。当切片如图7所示的沿周向相互隔开时，切片的前边缘76a倾斜于切片76限定的摩擦表面76c的转动方向，以便易于从啮合表面64上迅速除去过量的油（冷却流体），所以，随着因预增能环60传递的力而完成的初始啮合，摩擦材料表面76C和表面64的接合面之间的摩擦力可以迅速达到最大或设计指标。切片最好切割成平行四边形并粘结在锁止环表面62上，材料侧边76b通常平行于与旋转轴线垂直而延伸的平面;然而，这种布置并非十分重要。此外，最好有三个大致等距间隔的切片。

使用周知的腈-酚醛粘接剂可以理想地将材料粘接在表面62上。这种粘接剂可以承受范围为400°F（200℃）内的短时工作温度峰值。对于产生高温的场合，可以使用其它粘接材料，如美国专利150，355（1988年1月29日申请）所公开的粘接材料。

使用下述方法，可以利用腈酚醛粘接剂将复合材料粘接到锁止环40上并保留弹性：

1.将材料切割成易于处理的尺寸，

2.将材料加热到约150-180°F（65-85℃），

3.将粘接剂以薄膜的形式滚覆在材料上，

4.将覆有粘接剂的材料剪或切割成所需形状和大小的切片，

5.将锁止环放在夹具上，将切片的粘结剂侧面放于支承表面62上，并向材料的摩擦侧面施加一每平方厘米35.75公斤的均匀压力，

6.将夹具和其上的材料放在一对流炉里加热约40分钟，保持压力不变。

上例中所用的粘接剂是B.F.Goodrich Plastilock601，厚度为0.2mm。

为了防止材料的弹性失效，重要的是在粘接过程中限制粘接剂渗入材料敞开的孔隙中，并在热固化粘接剂时限制施加于材料上的压力。不难推想，通过严格控制粘接剂数量和/或严格控制施加于材料上的压力就可控制粘接剂渗透。过大的粘接压力往往会将涂覆数量正确的粘接剂深深挤入材料的孔隙。此外，过大的粘接压力也往往压实材料造成弹性和孔隙失效。只要记住在粘接过程中压力应当足以将材料牢固保持住而不会过分压实材料就可以决定适当的粘接压力了。

关于孔隙率和弹性，精纺纱和纱的织造提供了敞开孔隙基片或织物，在垂直于织物织造的方向上有弹性。通过把基片的CVD蒸镀限制在0.3-1.3g/cm³范围内（最好是0.8-1.1g/cm³），可以保留其复合材料基片上相当部分的敞开孔隙和弹性。此外，在粘结过程中，通过使用体积少于复合材料粘敞开孔隙体积的粘合剂，和为尽量减小压实材料的可能性以及为保持复合材料的敞开孔隙体积大于粘接剂体积而限制粘接压力的强度，就可保持摩擦表面区域上的复合材料的敞开孔隙度和弹性，这是因为靠近复合材料粘接侧面的敞开孔隙的体积要消耗粘接剂，而靠近摩擦侧面的孔隙却不接触粘接剂。对于大多数用于锁止器-离合器组件10的碳/碳复合材料来说，小于17.6kg/cm²的粘接压力就足够了。

已经发现，通过把摩擦材料74的摩擦表面76c上的单位负荷控制在10-20kg/cm²的范围内，就能有效地防止过早不锁止或解脱，由于锁止器-离合器组件10中的这一单位负荷来源于弹簧28的偏置力，并且又由于弹簧28的力肯定是在一相当窄的范围内，就必须通过切裁或成形材料74的表面76c来控制单位负荷。在使用三块总摩擦表面积为7.55cm²的平行四边形切片76的锁止器-离合器10的试验中，获得了无解脱运行结果。在这一例子中，锥形表面62，64的角度约为10°，平均直径约为11cm，斜面48-54的角度约为20°，弹簧28在如图6中那样被压缩时的偏置力约为27kg。

在此例中的锁止器-离合器组件中，相对于美国专利4，703，667公开的锁止器-离合器组件来说，总摩擦表面积76c在整个摩擦表面积中减小了83%，总摩擦表面76c的接合面上的压力是14.8kg/cm²。

Claims

1、一种锁止环--离合器组件(10)，包括第一和第二可相对转动的爪式离合件(14，12)；当啮合时用来防止爪式离合件非同步啮合的锁止装置(16)；第一和第二摩擦面(64，76c)，它们随爪式离合件(14)的初始啮合位移而进入啮合，并在爪式离合件(14，12)非同步旋转期间产生锁止扭矩以啮合锁止装置(16)；在第一和第二位置之间移动用以实现爪式离合件(14，12)啮合和脱离的致动装置(72)；弹簧件(28)，它可弹性压缩，这样在锁止装置(16)接合期间致动装置(72)可移动至第二位置，它也可弹性扩张，以响应锁止装置(16)的脱开而与爪式离合件(14，12)接合，在弹簧件被压缩以使致动装置移动到第二位置期间弹簧装置的弹性力作用于摩擦面(64，76c)上并达到最大值；其特征在于：

一个限定其中至少一个摩擦面(76c)的碳/碳复合材料(74)，材料的密度为0.3-1.3g/cm³，其加工方法是在一块碳纤维基片上用化学蒸镀，工艺镀上碳，弹簧件(28)的最大弹力决定了材料上的最大啮合力，具有摩擦面的该材料的尺寸使得该材料在最大啮合力作用下的啮合压力在10-20kg/cm²的范围内。

2、根据权利要求1所述的组件，其特征在于复合材料（74）的密度在0.7-1.1k/cm³的范围内。

3、根据权利要求1、2或3所述的组件，其特征在于材料（74）包括至少两个沿周向间隔的切片（76）。

4、根据权利要求4所述的组件，其特征在于切片（76）被切割成多边形，并被固定于支承表面（62）上，切片（76）的前、后边缘（76a）倾斜于摩擦面（64）的转动方向。

5、根据权利要求5所述的组件，其特征在于另一摩擦面（62）为截锥形，它与摩擦材料切片（76）的表面（76c）的转动轨迹所限定的截锥形表面配合。

6、根据权利要求3所述的组件，其特征在于材料（74）包括至少三块切片（76），它们沿周向等距分隔并粘结在支承面（62）上。

7、根据权利要求1所述的组件，其特征在于锁止装置（16）包括反抗弹簧件（28）的力并产生一非锁止扭矩以解脱锁止装置（16）的斜面（48，50和52，54）。

8、根据权利要求2所述的组件，其特征在于复合材料（74）的密度在0.7-1.1g/cm³的范围内。

9、根据权利要求5所述的组件，其特征在于材料（74）包括至少三块切片（76），它们沿周向等距分隔并粘结在支承面（62）上。

10、根据权利要求6的组件，其特征在于锁止装置（16）包括反抗弹簧件（28）的力并产生一非锁止扭矩以解脱锁止装置（16）的斜面（48、50和52、54）。

11、根据权利要求6所述的组件，其特征在于材料（74）包括至少三块切片（76），它们沿周向等距分隔并粘结在支承面（62）上。

12、根据权利要求7所述的组件，其特征在于锁止装置（16）包括反抗弹簧件（28）的力并产生一非锁止扭矩以解脱锁止装置（16）的斜面（48，50和52，54）。

13、根据权利要求4所述的组件，其特征在于每个切片（76）的多边形状为平行四边形，其两个侧边（76b）大致平行于离合件（14、12）的一个旋转平面。

14、根据权利要求5所述的组件，其特征在于每个切片（76）的多边形状为平行四边形，其两个侧边（76b）大致平行于离合件（14、12）的一个旋转平面。

15、根据权利要求7、8、10、11、12、13所述的组件，其特征在于每个切片（76）的多边形状为平行四边形，其两个侧边（76b）大致平行于离合件（14、12）的一个旋转平面。