DE102004034142B3

DE102004034142B3 - Verfahren zur Herstellung einer Druckplatte für eine Reibungskupplung

Info

Publication number: DE102004034142B3
Application number: DE200410034142
Authority: DE
Inventors: Günter Bienert; Udo Griener
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Franken Guss Kitzingen & Co Kg De GmbH
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Druckplatte für eine Reibungskupplung, wobei die Druckplatte einen Reibbereich und einen Wärmespeicherbereich umfasst. Es wird vorgeschlagen, die Druckplatte durch ein Reibschweißverfahren aus zwei vorgefertigten scheibenförmigen Teilen, welche ein Reibteil und ein Wärmespeicherteil darstellen, zusammenzufügen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Druckplatte für eine Reibungskupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie diese insbesondere in Kraftfahrzeugen Verwendung findet.
Bei derartigen Reibungskupplungen werden bisher bevorzugt an Mitnehmerscheiben angeordnete organisch gebundene Reibbeläge verwendet, die mit benachbarten metallischen Druckplatten, beispielsweise einer Anpressplatte und einem Schwungrad eines Verbrennungsmotors in Drehmitnahme stehen. Als Reibwerkstoff für derartige Druckplatten wird in PKW-Kupplungen üblicherweise Grauguss mit den Kennbuchstaben GG, GGV oder GGG verwendet. Die rotierenden Komponenten Anpressplatte und Schwungrad unterliegen im Betrieb einer sehr hohen mechanischen Belastung, welche weitgehend aus der zur Materialdichte direkt proportionalen Fliehkraft resultiert. Grauguss hat bei einer einer Dichte von 7.2 kg/dm³ eine von der Güte abhängige begrenzte Festigkeit von ca. 250 MPa bis 400 MPa. Damit liegt ein für die Verwndung als Kupplungsmaterial relativ niedriges und ungünstiges Verhältnis von Festigkeit zu Dichte vor.
Eine weitere wesentliche physikalische Größe einer Reibungskupplung stellt die Wärmeleitfähigkeit der Druckplatten dar. Grauguss weist eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit von ca. 50W·m^–1K^–1 auf, wodurch die anfallende Reibungs wärme oft nicht schnell genug aus dem Reibbereich abgeführt werden und es als Folgeerscheinung zu einem Wärmestau kommen kann, wobei die Temperatur des Reibbereiches sehr rasch hohe Werte annehmen kann. Dieser Effekt kann zu einer merklichen Krümmung (Schirmung) der Anpressplatte führen und in einer plötzlichen Verschlechterung der Reibleistung (Fading) und sogar dem Ausfall der Reibungskupplung resultieren.
Weiterhin ist Grauguss auch bezüglich dessen Verschleißfestigkeit begrenzt, was den Einsatz von tribologisch günstigen, aber aggressiven Reibbelägen, z.B. metallischen Sinterwerkstoffen, auf der Mitnehmerscheibe nur bedingt zulässt. So beträgt der Abrieb einer PKW-Kupplung über eine angenommene Lebensdauer von ca. 200.000 km etwa 0,3 bis 0,5 mm.

Zur Überwindung der beschriebenen Problematik wird bspw. in der EP 1 350 976 A1 vorgeschlagen, als Werkstoff für eine Druck- bzw. Reibplatte einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff, bestehend aus einem Leichtmetall- oder einer Leichtmetalllegierung und einer darin eingeschlossenen nichtmetallischen Fremdphase, zu verwenden.

Durch die Verwendung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffes können einerseits die Vorzüge des Metalls, insbesondere dessen geringe Dichte, die hohe Dehnbarkeit und die hervorragende thermische Leitfähigkeit und andererseits die Vorzüge nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere deren hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit und hohe Verschleissbeständigkeit, sowie die geringe thermische Dehnung miteinander kombiniert werden. Eine aus diesem Werkstoff gefertigte Druckplatte weist bei einer geringeren Masse eine erhöhte Verschleissfestigkeit auf, welche den hohen Betriebsbelastungen aufgrund ihrer hohen Festigkeit bestens Stand halten kann.

Gemäß der EP 1 350 976 A1 kann eine Druckplatte entweder vollständig oder bevorzugt nur teilweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff bestehen, wobei im letzteren Fall der Reibbereich in einem als Wärmespeicherbereich fungierenden Grundkörper aus einem Gußeisenwerkstoff verschraubt, vernietet oder in diesen eingegossen ist.

Die Darstellung einer vollständig aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff bestehenden Druckplatte ist wegen der hohen Material-, Gieß- und Nachbearbeitungskosten insgesamt sehr aufwändig und steht einer preisgünstigen Serienfertigung hindernd gegenüber.

Eigene Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass die Herstellung einer aus zwei Komponenten bestehenden Druckplatte durch Eingießen eines partikelverstärkten Aluminiumwerkstoffes in einen GGG-Grundkörper nicht zu der gewünschten stofflichen Verbindung der beiden Bereiche führt. Dadurch kann die bei einem Reibvorgang anfallende Reibungswärme nur ungenügend aus dem Reib- in den Wärmespeicherbereich abgeführt werden, wobei in Folge die Druckplatte überhitzt und zerstört werden kann.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer aus zwei Komponenten bestehenden Druckplatte zu verbessern, wobei an der Druckplatte insbesondere der Wärmeübergang des Reib- in den Wärmespeicherbereich optimiert werden soll.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1, wonach die Druckplatte durch ein Reibschweißverfahren aus zwei vorgefertigten scheibenförmigen Teilen, welche ein Reibteil und ein Wärmespeicherteil darstellen, zusammengefügt wird. Dabei sind an zueinander zugewandten Stirnflächen des Reibteils und des Wärmespeicherteils jeweils konzentrische, axial gestufte Formschlußprofile in Form von Ringstegen und Ringnuten ausgebildet, welche beim axialen Zusammenpressen der Teile zum Abschluß eines Reibschweißvorgangs miteinander in Eingriff gebracht werden. Auf diese Weise kann der gemeinsame Übergangsbereich verzahnt und mit einer größeren Grenzfläche ausgebildet werden, was sowohl die Festigkeit der Druckplatte als auch die Wärmeableitung aus dem Reibbereich verbessert.

Das Reibschweissverfahren ist ein an sich bekanntes und verbreitetes Fügeverfahren. Es arbeitet als ein sogenanntes Pressschweißverfahren, bei dem die zu fügenden Teile, hier das Reibteil und das Wärmespeicherteil, axial gegenüberliegend fest eingespannt sind und wobei mittels einer Relativdrehbewegung Reibungswärme zum Erhitzen der Teile erzeugt wird. Das Fügen der Teile erfolgt durch axiales Zusammenpressen, wobei sich die erhitzten Teile in einem Kontaktbereich bei dessen gleichzeitiger plastischer Deformation stoffschlüssig miteinander verbinden. Auf diese Weise kann der Kontakt- bzw. Wärmeübergangsbereich von Reib- und Wärmespeicherbereich in der für eine Druckplatte gewünschten Weise auf einfache und kostengünstige Art erzeugt werden.

Vorteilhafterweise ist das Reibteil aus einem Leichtmetallmatrix-Verbundwerkstoff und das Wärmespeicherteil aus einem Eisenwerkstoff gefertigt.

Als Leichtmetallmatrix-Verbundwerkstoff eignen sich besonders gut die Leichtmetalle oder Leichtmetalllegierungen der Elemente Aluminium, Magnesium oder Titan. Die darin eingebettete nichtmetallische Fremdphase ist günstigerweise ein hochschmelzendes Oxid, Carbid, Borid oder Nitrid.

Kupplungsdruckplatten weisen in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Drehmoment einen Durchmesser von bis zu etwa 450 mm auf. Um ein radial gleichmäßiges Erwärmen der der zu fügenden Teile zu erzielen, ist es vorteilhaft, an dem Reibteil und/oder an dem Wärmespeicherteil eine konvexe Kontaktfläche auszubilden. Dadurch können bei einem Reibschweißvorgang die in Bezug zu einer Reibschweiß-Drehachse radial innen liegenden Bereiche bereits zeitlich vor den diesbezüglich radial weiter aussen angeordneten und sich mit einer höheren Umlaufgeschwindigkeit drehenden Bereichen mit Reibungswärme beaufschlagt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeipiels und der Figur exemplarisch erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine, im Zusammenbau mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Druckplatte einer Kraftfahrzeug-Reibungskupplung in einem Axialschnitt, die hier als Schwungrad eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
Die in der unteren Bildebene nur teilweise dargestellte Druckplatte 10 ist durch ein dem Fachmann bekanntes Reibschweißverfahren aus zwei in der oberen Bildebene gezeigten, vorgefertigten kreisscheibenförmigen Gussteilen, einem Reibteil 12 aus saphirverstärkten Aluminium, z.B. Duralcan, und einem Wärmespeicherteil 14 aus einem Eisengusswerkstoff; z.B. GG oder GGG, zusammengefügt.
Das Reibteil 12 kann alternativ auch aus einem anderen Metall oder einer Leichtmetalllegierung, bspw. der Elemente Magnesium oder Titan und einer nichtmetallischen Fremdphase eines hochschmelzenden Oxids, Carbids, Borids oder Nitrids bestehen.
Ein zum Einspannen an einer nicht dargestellten Reibschweißvorrichtung an dem Reibteil 12 angegossener Schaft 13 wird nach dem Reibschweißvorgang abgestochen. Ebenso kann das als Grund- oder Trägerelement ausgeführte Wärmespeicherteil 14 einen entsprechenden Schaft oder ein anderes, zu Befestigungszwecken geeignetes Aufnahmemittel aufweisen.
An der fertigen Druckplatte 10 sind die beiden Teile 12, 14 unter Ausbildung eines gemeinsamen Übergangsbereichs bzw. einer Grenzfläche 13 stoffschlüssig zusammengefügt und bilden dann einen Reibbereich 12' und einen Wärmespeicherbereich 14' aus.
An den zueinander zugewandten Stirnflächen 2, 4 des Reibteils 12 und des Wärmespeicherteils 14 sind jeweils konzentrische, axial gestufte Formschlußprofile 16, 18 in Form von Ringstegen 20, 22 und Ringnuten 24, 26 ausgebildet, welche beim axialen Zusammenpressen der Teile 12, 14 zum Abschluß eines Reibschweißvorgangs miteinander in Eingriff gebracht werden. Zur Aufnahme des beim Pressen plastisch gestauchten Materials können an den Nuten 26 hinterschnittene Bereiche ausgeführt sein oder alternativ die Nut-Steg Geometrie entsprechend angepasst werden.
In der Figur ist ferner erkennbar, dass die stirnseitige Hüllkurve 28 des Reibteils 12 vom Wärmespeicherteil 14 aus gesehen konvex gekrümmt ist. Dadurch wird bei einer reibenden Relativdrehung der Teile 12, 14 zuerst der radial innere, zentrumsnahe Bereich erwärmt und erst danach der radial aussenliegende und mit einer höheren Umfangsgeschwindigkeit drehende Bereich. Insgesamt kann dadurch eine etwa homogene Erwärmung der beiden zu fügenden Teile 12, 14 erzielt werden.
Alternativ kann auch lediglich eines der Teile 12, 14 an der Kontaktfläche bezüglich der Reibschweiß-Drehachse A ein konzentrisches, axial gestuftes Profil aufweisen und das jeweils andere Teil 12, 14 mit einer ebenen Fläche ausgebildet sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Druckplatte (10) für eine Reibungskupplung, wobei die Druckplatte (10) einen Reibbereich (12') und einen Wärmespeicherbereich (14') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatte (10) durch ein Reibschweißverfahren aus zwei vorgefertigten scheibenförmigen Teilen, welche ein Reibteil (12) und ein Wärmespeicherteil (14) darstellen, zusammengefügt wird, wobei an zueinander zugewandten Stirnflächen (2, 4) des Reibteils (12) und des Wärmespeicherteils (14) jeweils konzentrische, axial gestufte Formschlußprofile (16, 18) in Form von Ringstegen (20, 22) und Ringnuten (24, 26) ausgebildet sind, welche beim axialen Zusammenpressen der Teile (12, 14) zum Abschluß eines Reibschweißvorgangs miteinander in Eingriff gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibteil (12) aus einem Leichtmetallmatrix-Verbundwerkstoff und das Wärmespeicherteil (14) aus einem Eisenwerkstoff gefertigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallmatrix-Verbundwerkstoff aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung der Elemente Aluminium, Magnesium oder Titan und einer nichtmetallischen Fremdphase eines hochschmelzenden Oxids, Carbids, Borids oder Nitrids besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Reibteil (12) und/oder an dem Wärmespeicherteil (14) eine konvexe Kontaktfläche (28) ausgebildet ist, die beim Reibschweißen dem jeweils anderen Teil (12, 14) gegenübersteht, wodurch bei einem Reibschweissvorgang die in Bezug zu einer Reibschweiss-Drehachse (A) radial innen liegenden Bereiche vor den diesbezüglich radial weiter aussen angeordneten Bereichen mit Reibungswärme beaufschlagt werden.