DE102004063951B4

DE102004063951B4 - Verfahren zur Herstellung eines Reib- bzw. Reibbelagwerkstoffs für eine Kupplung

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Publication number: DE102004063951B4
Application number: DE102004063951A
Authority: DE
Inventors: Dae Hyun Cho; Hong Sik Park; Hyun Kyu Shin; Dong Won Lim; Kwang Soo Kim
Original assignee: Dacc Co Ltd
Current assignee: DACC CARBON, JEONJU-SI, KR
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2024-04-16
Also published as: JP2005155888A; DE102004018305B4; KR20050050938A; US7104377B2; JP2007139197A; DE102004018305A1; KR100588342B1; US20050109575A1; US20060027940A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffs für eine Kupplung, bestehend aus den folgenden Verfahrensschritten:
Durchführen einer ersten Wärmebehandlung, bei der Kohlenstofffasern bei 2000 bis 3000°C zur Graphitierung wärmebehandelt werden;
Herstellen eines Prepregs, wobei zum Formen des Prepregs Harz auf ein Kohlenstofffasergewebe gestreut wird;
Herstellung einer Vorform, wobei zum Formen der Vorform die wärmebehandelten Kohlenstofffasern und Harz auf dem Prepreg aufeinander geschichtet werden;
Herstellung einer Form, wobei die Form durch Aufbringen eines Pressdrucks auf die Verform gebildet wird; und
Durchführung einer zweiten Wärmebehandlung, bei der das Formteil bei 1700–2500°C wärmebehandelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffs für eine Kupplung, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffs für die Kupplung, bei der die Übertragung der Leistung ausgezeichnet und ein weiches Anfahren erreichbar ist, indem sowohl die Struktur der Keilnabe zu einem einzigen Teil vereinfacht ist als auch ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit hoher Leistungsfähigkeit hinsichtlich Lebensdauer, Stoßdämpfung und Reibung verwendet wird.
Im Allgemeinen benötigt eine Kupplung als mechanisches Bauteil zur Leistungsübertragung bezeichnenderweise Ansprechkennlinien bzw. Ansprechcharakteristika, wie weichen Gangwechsel und schnelle und hohe Leistungsübertragung, wobei eine Antriebswelle und eine angetriebene Welle in mechanischen Vorrichtungen miteinander verbunden sind. Diese Kupplung kann auf verschiedenen Gebieten in der Industrie, wie bei Automobilen, Motorrädern, Industriemaschinen, Pressen, Schiffen usw. verwendet werden.
Besonders die für Automobile verwendete Kupplung ist so ausgelegt, dass sie einen Schlupf bei Halbbetätigung bzw. dem Schleifenlassen der Kupplung erlaubt, um bei Fahrzeugen ein weiches Anfahren zu erreichen. Demzufolge kann bei dieser Halbbetätigung bzw. dem Schleifenlassen der Kupplung Reibungswärme mit hoher Temperatur innerhalb des Bereichs von 200°C–600°C erzeugt werden.
Dies führt dazu, dass die Kupplung bei hohen Temperaturen aufgrund der Reibung in den Bereichen wie dem Schwungrad, der Kupplungsscheibe, der Druckplatte usw.
Erscheinungen wie thermischer Belastung und Ermüdung, dynamischer Beanspruchung durch intermittierenden Drehmomentkontakt, der durch die Reibung verursacht wird, und einer Alterung bzw. Abnutzung des Kupplungsdeckels und der Scheibe ausgesetzt ist, weil hohe Drehmomentleistung durch Reibung übertragen wird.
Verursacht durch diese Erscheinungen werden durch thermische und dynamische Beanspruchung Ermüdung, Bruch oder dergleichen herbeigeführt und aufgrund des verringerten Reibungskoeffizienten bei hoher Temperatur wie auch bei hohen Drehzahlen wird auch Fading erzeugt. Dies ist die Hauptursache für eine Verringerung der Lebensdauer einer Kupplung.
Bis jetzt sind vielerlei Untersuchungen zur Lösung des zuvor beschriebenen Problems durchgeführt worden. Unter den bekannten Lösungen dieser Probleme befinden sich eine Kupplungspolsterplatte, ein Gummidämpfer, eine Wellenfeder usw., die für den Stoßdämpferaufbau verwendet werden, und auch ein Verfahren, Belüftungsnuten an der Kupplungsscheibe vorzusehen oder Löcher am Schwungrad oder der Druckplatte vorzusehen, wurde als Kühlsystem entwickelt.
Die Offenlegungsschrift DE 197 10 105 A1 offenbart einen mit hochfesten Graphitkurzfasern verstärkten Verbundwerkstoffkörper mit einer im Wesentlichen aus Siliziumcarbid bestehenden Matrix, der eine Bruchdehnung von 0,25 bis 0,5% aufweist und damit ein quasi-duktiles Bruchverhalten hat. Die verstärkenden Graphitkurzfasern sind von mindestens zwei Hüllen aus graphitiertem Kohlenstoff, die durch Imprägnieren mit carbonisierbaren Imprägniermitteln und nachfolgendes Carbonisieren erhalten worden sind, umgeben. Die den Graphitfasern nächste Hülle ist rissfrei. Die äußerste Hülle ist zum Teil in Siliziumcarbid umgewandelt.
Die Patentschrift DE 699 02 190 T2 offenbart ein Verfahren zum Durchdringen eines porösen Vorformkörpers mit Kohlenstoff durch Erhitzen des Körpers, der verschiedene Abschnitte aufweist, auf eine Temperatur, bei der ein kohlenstoffhaltiges Gas gecrackt werden kann, um Kohlenstoff in den Poren des Körpers abzuscheiden, wobei in dem Verfahren der Körper neben einem mehrere Abschnitte aufweisenden Heizelement derart angeordnet wird, dass dessen Abschnitte auf die entsprechenden Abschnitte des Körpers ausgerichtet sind, und dem Heizelement Energie zugeführt wird, um den Körper zu erhitzen, während er einem crackbaren kohlenstoffhaltigen Gas ausgesetzt ist. Dabei wird verschiedenen Abschnitten des mehrere Abschnitte aufweisenden Heizelements selektiv Energie zugeführt, um zwischen einem erhitzbaren Körperabschnitt und dem oder jedem benachbarten Körperabschnitt einen Wärmegradienten zu erzeugen, so dass in den Poren jedes der unterschiedlichen Körperabschnitte selektiv Kohlenstoff abgeschieden wird, um eine graphitisierbare raue Laminatstruktur zu erhalten.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffs für eine Kupplung zu schaffen, wobei der Reibwerkstoff für einen Kupplungsbelag, einen Druckbelag oder einen Reibbelag verwendet wird, aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff herstellbar ist.
Das Verfahren der Herstellung des Reibwerkstoffs für die Kupplung, um die Aufgabe der Erfindung zu lösen, kann in zwei Schritte unterteilt werden. Der erste Schritt besteht darin, eine zweidimensionale Vorform herzustellen, und der zweite Schritt besteht darin, eine dreidimensionale Vorform herzustellen.
Das Verfahren der Herstellung einer zweidimensionalen Vorform umfasst die Schritte der Durchführung einer ersten Wärmebehandlung, wobei Kohlenstofffaser bei einer ersten Wärmebehandlungstemperatur zur Graphitierung wärmebehandelt wird, der Herstellung eines Prepregs, wobei zur Bildung des Prepregs Kunstharz auf die Kohlenstofffasergewebe gestreut wird, Herstellung einer Vorform, wobei zur Bildung der Vorform Kohlenstofffaser und Kunstharz auf dem Prepreg aufeinander geschichtet werden, Herstellung eines Formteils, wobei das Formteil durch Anwendung eines Drucks auf die Vorform gebildet wird, und Durchführung einer zweiten Wärmebehandlung, wobei das Formteil bei einer zweiten Wärmebehandlungstemperatur wärmebehandelt wird.
Eine andere Erscheinungsform der Erfindung umfasst zwischen dem ersten Wärmebehandlungsprozess und dem Prepregherstellungsprozess den Schritt des Schneidens der wärmebehandelten Kohlenstofffaser in Längen von 200–2000 μm durch Anwendung einer Faserschneidmaschine.
Noch eine andere Erscheinungsform der Erfindung umfasst zwischen dem Formteilherstellungsprozess und dem zweiten Wärmebehandlungsprozess einen Verdichtungsprozess, um das Formteil auf eine vorbestimmte Dichte zu verdichten, indem ein Karbonisations-/Imprägnierungsprozess angewendet wird, um es beim Karbonisationsdruck von 50–2000 bar innerhalb des Bereichs von 750–1400°C für 3–5 Stunden unter Druck zu setzen. Hier beträgt die vorbestimmte Dichte 1,3–1,6 g/cm³.
Bei noch einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung beträgt während des ersten Wärmebehandlungsprozesses die erste Wärmebehandlungstemperatur 2000–3000°C.
Beim Schritt der Herstellung eines Formteils ist das Formteil darüber hinaus zu 20–75 Gewichtsprozenten aus Kohlenstofffasern und 25–80 Gewichtsprozenten aus Kunstharz zusammengesetzt und wird durch Erwärmen innerhalb des Bereichs von 200–300°C in der Presse geformt.
Bei einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung wird der zweite Wärmebehandlungsprozess bei der Maximaltemperatur für 3–5 Stunden unter der zweiten Wärmebehandlungstemperatur von 1700–2500°C, einem Vakuum von 400–660 Pa und einer Wärmesteigerungsrate von 20–100°C/h durchgeführt.
Bei noch einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner die Schritte der Durchführung eines Siliziumpulverzugabeprozesses, indem dem Formteil nach dem zweiten Wärmebehandlungsprozess Siliziumpulver zugefügt wird, und der Durchführung eines Vakuumerwärmungsprozesses zur Steigerung der Temperatur innerhalb des Bereichs von 1450–2200°C und Aufrechterhaltung desselben unter Vakuumatmosphäre für 0,1–5,0 Stunden, und während des Siliziumpulverzugabeprozesses wird Siliziumpulver zugefügt, das im Gewichtsverhältnis 0,2–5,0 mal schwerer ist als das Formteil. Nach Beendigung des Vakuumerwärmungsprozesses ist das Formteil zu 3–25 Gewichtsprozenten aus Silizium, zu 10–65 Gewichtsprozenten aus Siliziumkarbid und zu 10–80 Gewichtsprozenten aus Kohlenstoff zusammengesetzt.
Das Verfahren der Herstellung einer dreidimensionalen Vorform umfasst die Schritte der Erwärmung zur Erzeugung eines thermischen Gradienten zwischen der Innenseite und der Außenseite der Vorform, indem ein Heizelement an der dreidimensionalen Vorform befestigt wird, der Infiltrierung eines 1-6 Kohlenstoffatome pro Molekül enthaltenden Reaktionsgases innerhalb des Reaktors, der Herstellung eines Formteils mittels Durchführung einer Reaktion unter einer vorbestimmten Bedingung und der Durchführung einer Wärmebehandlung des Formteils.
Ferner besteht die vorbestimmte Bedingung darin, dass die Erwärmungsrate 10–20°C/min, die Reaktionstemperatur 700–1200°C, die Reaktionsgaskonzentration 10–100% und der Reaktionsdruck 25 bis 150 kPa beträgt, und dass der Wärmebehandlungsprozess bei der Maximaltemperatur 3–5 Stunden lang unter der zweiten Wärmebehandlungstemperatur von 1700–2500°C, einem Vakuum von 400–660 Pa und einer Erwärmungsrate von 20–100°C/h durchgeführt wird.
Darüber hinaus kann der nach den zuvor beschriebenen beiden Verfahren hergestellte Reibwerkstoff für irgendeins oder alle Teile, wie Kupplungsbelag, Reibbelag und Druckbelag verwendet werden, bei denen in der Kupplung Reibung verursacht wird.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine zerlegte Scheibeneinrichtung der erfindungsgemäßen Kupplung zur Leistungsübertragung zeigt.
2 ist eine Querschnittansicht, die eine zusammengebaute Scheibeneinrichtung der Kupplung zur Leistungsübertragung der 1 zeigt.
3 ist eine Querschnittansicht, die eine Hälfte der Kupplung zur Leistungsübertragung zeigt, die mit einer erfindungsgemäßen Scheibeneinrichtung eingebaut ist.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren der Herstellung des Reibwerkstoffs für die Kupplung in einer zweidimensionalen Vorform zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Verfahren der Herstellung des Reibwerkstoffs für die Kupplung in einer dreidimensionalen Vorform zeigt.
6 ist ein PS-Drehmoment-Diagramm der Kupplung, wobei sie mit einem herkömmlichen organischen Belag versehen ist.
7 ist ein PS-Drehmoment-Diagramm der Kupplung, wobei sie mit einem herkömmlichen Kupfer-Keramikbelag versehen ist.
8 ist ein PS-Drehmoment-Diagramm der Kupplung, wobei sie mit einem erfindungsgemäßen Belag aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff versehen ist.
9 ist ein Diagramm, das die Ansprechcharakteristik beim Gangwechsel bzw. Schalten für die Kupplung zeigt, die zusammen mit einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibeneinrichtung eingebaut ist.
Die erfindungsgemäße Kupplung zur Leistungsübertragung umfasst eine vereinfachte Keilnabe und einen Kupplungsbelag, der aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit hoher Leistung hinsichtlich seiner Stoßdämpfungsfähigkeit hergestellt ist. Er kann durch die Konstruktion einer Keilnabe zu einem einzigen Teil vereinfacht werden, um die Zusammenbaubarkeit zu verbessern und Gewicht zu verringern, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung des Motors verbessert wird.
Ferner ersetzt der aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellte Kupplungsbelag die Funktion der Stoßdämpfung, die üblicherweise durch eine in einer Keilnabe eingebaute Schraubenfeder oder dergleichen übernommen wurde, so dass ein weiches Anfahren der Automobile erreichbar ist. Weil aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften hinsichtlich Reibwiderstand, Abnutzungswiderstand und Beständigkeit gegen Wärmeschock bei hohen Temperaturen kein Fading erzeugt wird, kann außerdem ausreichend Leistung übertragen werden, wodurch ihre Marktfähigkeit und Lebensdauer verbessert werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Kupplungsscheibeneinrichtung umfasst einen aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Kupplungsbelag 10, in dessen Mitte eine zentrale Öffnung 11 und entlang dem Außenumfang der zentralen Öffnung 11 eine Vielzahl von ersten Befestigungslöchern ausgebildet sind, wie in den 1 und 2 dargestellt ist.
Der Kupplungsbelag 10 kann in einen Hauptteil 10a und einen einteilig damit ausgebildeten Kontaktteil 10b unterteilt werden. Der Hauptteil 10a ist ein Teil, der mit einer später zu beschreibenden Keilnabe 20 verbunden wird, und der Kontaktteil 10b ist ein Teil, der mit einem Reibkissen 71 und einem Druckkissen 61 in Kontakt gebracht werden soll, die später beschrieben werden sollen. Demzufolge können, wenn es gewünscht wird, der Hauptteil 10a und der Kontaktteil 10b zur Verbindung und Verwendung getrennt hergestellt werden.
Ferner weist sie eine Keilnabe 20 auf, bei der an einer Seite ein Vorsprung 22, der von einer Seite des Kupplungsbelags 10 überlappt wird und in die zentrale Öffnung 11 eingesetzt ist, und eine Vielzahl von zweiten Befestigungslöchern 23 ist entlang dem Umfang ausgebildet ist, die mit einer Vielzahl von ersten Befestigungslöchern 12 in Verbindung stehen. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Keilnuten 21 in vertikaler Richtung der Keilnabe am Innendurchmesser einer Bohrung ausgebildet, die in der Mitte der Keilnabe 20 angebracht ist.
Ferner ist an der anderen Seite des Kupplungsbelags 10 ein Haltering 30 ausgebildet, der die ersten Befestigungslöcher 12 überlappt. Eine Vielzahl von dritten Befestigungslöchern 31 ist in diesem Haltering 30 ausgebildet, die mit den ersten Befestigungslöchern 12 in Verbindung stehen.
Daher stehen die ersten Befestigungslöcher 12, die zweiten Befestigungslöcher 23 und die dritten Befestigungslöcher 31 miteinander in Verbindung, um den Kupplungsbelag 10, die Keilnabe 20 und den Haltering 30 gleichzeitig mit einer Verbindungseinrichtung zu verbinden. Diese Verbindungseinrichtung umfasst eine Vielzahl von Schrauben 40, wie in der Zeichnung dargestellt ist, und es können andere Arten von Verbindungseinrichtungen, wie Nieten oder dergleichen, verwendet werden, wenn es gewünscht wird. Die Befestigungslöcher 12, 23 und 31 sind jeweils in einer Anzahl von 10–20 ausgebildet.
Andererseits ist der aus Kohlenstoffverbundwerkstoff hergestellte Kupplungsbelag 10 aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff geformt, der zu 20–75 Gewichtsprozenten aus Kohlenstofffasern, und 25–80 Gewichtsprozenten aus Pech zusammengesetzt ist, oder aus Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff, der zu 3–20 Gewichtsprozenten aus Silizium, 10–60 Gewichtsprozenten aus Siliziumkarbid und 20–87 Gewichtsprozenten aus pechhaltigem Kohlenstoff zusammengesetzt ist. Ferner ist die Kohlenstofffaser aus einer einzigen Faser gebildet oder durch Aufeinanderschichten fortlaufend gewebter Kohlenstoffgewebe.
Die erfindungsgemäße Kupplungsscheibeneinrichtung ist innerhalb eines Kupplungsdeckels 50 eingebaut, wie in 3 dargestellt ist. Ferner ist eine mit einem Druckkissen 61 versehene Druckplatte 60 an der rechten Seite des innerhalb des Kupplungsdeckels 50 eingebauten Kupplungsbelags 10 angeordnet und ein mit einem Reibkissen 71 versehenes Schwungrad 70 ist an der linken Seite angeordnet.
Auch Druckkissen 61 und Reibkissen 71 können aus Kohlenstoffverbundwerkstoff hergestellt werden. Für den Einbau von aus Kohlenstoffverbundwerkstoff hergestellten Reibkissen 71 ist eine Nut 72 mit einer Tiefe von 3–8 mm in der Oberfläche des Schwungrads 70 ausgebildet, in der jedes von ihnen vorgesehen ist, und ein Klebstoff wird mit einer Bürste in einer Dicke von 0,2–0,6 mm in dieser Nut 72 aufgetragen und dann wird der aufgebrachte Klebstoff während 20–30 min im Bereich von 70–80°C getrocknet.
Dann wird ein bzw. werden Reibkissen 71 in jede Nut 72 eingebaut, indem es bzw. sie mit 350–1000 kPa angepresst und 15–30 Minuten lang zum Aushärten innerhalb des Bereichs von 150–230°C gehalten wird bzw. werden, oder es erfolgt eine Befestigung mittels Schrauben. Dieser Einbau kann auch für das aus Kohlenstoffverbundwerkstoff hergestellte Druckkissen 61 verwendet werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dargestellt, dass das bzw. die Druckkissen 61 an der Druckplatte 60 befestigt ist bzw. sind, ohne eine besondere Nut vorzusehen.
Andererseits kann es bei einem anderen, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen werden, indem eine Dämpfungsplatte an der Keilnabe eingebaut wird, und ein aus Kohlenstoffverbundwerkstoff hergestellter Kupplungsbelag an diese Dämpfungsplatte geklebt wird, wie sie für einen herkömmlichen Aufbau einer Kupplungsscheibe verwendet wird. Heutzutage wird ein Kupplungsbelag aus einer Musterform oder 3–6 Kissen gefertigt und die Dämpfungsplatte wird ebenfalls in einer Musterform oder durch Unterteilen in 3–6 schaufelförmige Kissen gefertigt, und ein aus Kohlenstoffverbundwerkstoff gefertigter Kupplungsbelag wird mit einem Klebstoff aufgeklebt. Hier wird keine besondere Dämpfungsabsorptionskonstruktion für die Dämpfungsplatte benötigt, wie sie bei herkömmlichen Kupplungen verwendet wird.
Ferner wird bei einem Klebverfahren das Kleben durchgeführt, indem die Dämpfungsplatte und der aus Kohlenstoffverbundwerkstoff gefertigte Kupplungsbelag mit Alkohol gereinigt und 20 Minuten lang bei ungefähr 80°C getrocknet werden und dann die Dämpfungsplatte und der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einem Klebstoff im feuchten Zustand in einer Dicke von 0,2–0,6 mm beschichtet und innerhalb des Bereichs von 70–80°C über 20–30 min getrocknet werden, und dann mit einem Pressdruck von 350–1000 kPa angepresst, innerhalb des Bereichs von 150–230°C erwärmt und zum Aushärten 5–30 min gehalten werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des Reibwerkstoffs für eine Kupplung beschrieben, der für einen Kupplungsbelag, ein Reibkissen und ein Druckkissen in Kupplungen verwendet wird.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Reibwerkstoffs für eine Kupplung wird eine PAN (Polyacrylnitril)-basierte Kohlenstofffaser verwendet. Der Reibwerkstoff kann durch die folgenden Verfahren hergestellt werden, genauer gesagt, kann er durch zweidimensionale und dreidimensionale Formen hergestellt werden.
Wie in 4 dargestellt ist, umfasst das Verfahren der Herstellung einer zweidimensionalen Vorform zuerst die Schritte der Durchführung eines ersten Wärmebehandlungsprozesses (S100), wobei die Kohlenstofffaser bei einer ersten Wärmebehandlungstemperatur zur Graphitierung wärmebehandelt wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, eines Prepregherstellungsprozesses (S110), wobei Kunstharz auf das Kohlenstofffasergewebe gestreut wird, um das Prepreg zu formen, eines Vorformherstellungsprozesses (S120), wobei Kohlenstofffaser und Kunstharz auf dem Prepreg aufeinander geschichtet werden, eines Formteilherstellungsprozesses (S130), wobei das Formteil durch Anwendung eines Drucks auf die Vorform gefertigt wird, und der Durchführung eines zweiten Wärmebehandlungsprozesses (S150), wobei das Formteil bei einer zweiten Wärmebehandlungstemperatur wärmebehandelt wird.
Ferner kann ein Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff hergestellt werden, indem zusätzlich ein Siliziumpulverzugabeprozess (S200) und ein Vakuumerwärmungsprozess (S210) nach Durchführung der zuvor beschriebenen Prozesse durchgeführt werden. Solche getrennten Prozesse werden gesondert beschrieben, wie die Schritte S1 und S2 in 4.
Der erste Wärmebehandlungsprozess S100 zur Herstellung eines Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs ist im Schritt S1 als erstes ein Graphitierungsprozess, um die Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstofffaser mittels Durchführung einer Hochtemperaturwärmebehandlung an einer PAN-basierten Kohlenstofffaser bei einer ersten Wärmebehandlungstemperatur von 2000–3000°C zu verbessern. Ferner ist die Kohlenstofffaser aus einer einzigen Faser oder durch Aufeinanderschichten fortlaufend gewebter Kohlenstoffgewebe gebildet und es wird ein Schneidprozess unter Verwendung einer Faserschneidemaschine durchgeführt, um die wärmebehandelte Kohlenstofffaser auf die Länge von 200–2000 μm zu schneiden, wenn Kohlenstofffaser für eine einzelne Faser benutzt wird.
Beim Prepregherstellungsprozess S110 wird ein Prepreg hergestellt, indem Harz, wie Pech oder Kunstharz, das mittels einer Mühle auf eine Feinheit von 0,5–10 μm gemahlen ist, gleichmäßig auf die Kohlenstofffaser gestreut und im Bereich von 180–270°C erwärmt wird.
Beim Vorformherstellungsprozess S120 wird die Vorform hergestellt, indem die geschnittene Kohlenstofffaser und das gemahlene Kunstharz gleichmäßig auf dem Prepreg aufeinander geschichtet werden.
Außerdem wird während des Formteilherstellungsprozesses S130 nach dem Erwärmen der Vorform innerhalb des Bereichs von 200– 330°C eine verlangtes Formteil hergestellt und nach dem Formteilherstellungsprozess S130 kann getrennt ein Verdichtungsprozess S140 zum Verdichten des Formteils angefügt werden. Beim Verdichtungsprozess S140 wird ein Formteil auf eine vorbestimmte Dichte verdichtet, indem es bei einem Karbonisationsdruck von 50–2000 bar innerhalb des Bereichs von 750–1400°C für 3–5 Stunden unter Druck gesetzt wird und ein Karbonisations-/Imprägnierungsprozess durchgeführt wird. Hier beträgt seine vorbestimmte Dichte 1,3–1,6 g/cm³.
Als Nächstes wird der zweite Wärmebehandlungsprozess S150 bei der Maximaltemperatur für 3–5 Stunden mit der zweiten Temperatur von 1700–2500°C, einem Vakuum von 400–660 Pa und einer Erwärmungsrate von 20–100°C/h durchgeführt.
Andererseits kann der Schritt S2 zur Herstellung eines Kohlenstoff-Silizium-Verbundwerkstoffs durch Zufügen von Siliziumpulver zur Umgebung des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs mit niedriger Dichte angewendet werden, der unter Benutzung des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde.
Hierfür können zusätzlich der Siliziumpulverzugabeprozess S200 und der Vakuumerwärmungsprozess S210 angewandt werden. Siliziumpulver, das im Gewichtsverhältnis 0,2–5,0 mal schwerer als das Formteil ist, wird während des Siliziumpulverzugabeprozesses S200 der Umgebung des Formteils zugefügt und der Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff wird erzeugt, indem die Temperatur während des Vakuumerwärmungsprozess S210 innerhalb des Bereichs von 1450–2200°C gesteigert und für 0,1–5,0 Stunden in der Vakuumatmosphäre aufrechterhalten wird.
Der in diesem Schritt erzeugte Kohlenstoff-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoff besteht zu 3–25 Gewichtsprozenten aus Silizium, 10–65 Gewichtsprozenten aus Siliziumkarbid und 10–80 Gewichtsprozenten aus Kohlenstoff.
Wie in 5 dargestellt ist umfasst als nächstes das Herstellungsverfahren unter Verwendung einer dreidimensionalen Vorform die Schritte des Erwärmens (S300), um einen thermischen Gradienten zwischen der Innenseite und der Außenseite der Vorform zu erzeugen, indem ein Heizelement in der Mitte der aus Kohlenstofffaser gewebten Vorform angeordnet wird, des Infiltrierens eines Reaktionsgases (S310), wie Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan oder Hexan, die 1-6 Kohlenstoffatome pro Molekül enthalten, innerhalb des Reaktors, des Herstellens eines Formteils (S320), indem eine Reaktion unter einer vorbestimmten Bedingung durchgeführt wird und der Durchführung einer Wärmebehandlung (S330) des Formteils.
Hier wird die dreidimensionale Vorform hergestellt, indem Kohlenstoffstäbe mit einem Durchmesser von 1–2 mm gewoben werden, die durch ein Ziehverfahren gefertigt wurden und von Firmen wie ASNC (American Structure Needing Co.) hergestellt und vermarktet werden.
Ferner können der Erwärmungsprozess S300 zur Erzeugung eines thermischen Gradienten und der Reaktionsgasinfiltrierungsprozess S310 als chemische Dampfinfiltrierung mit einem thermischen Gradienten bezeichnet werden. Was die chemische Dampfinfiltrierung mit einem thermischen Gradienten betrifft, wird diese bei einem Reaktionswerkstoff unter der Bedingung durchgeführt, wo der thermische Gradient zwischen der Innenseite und der Außenseite der Vorform erzeugt wird, indem ein Heizelement in der Mitte der innerhalb des Reaktors angeordneten Vorform aus Kohlenstofffaser vorgesehen ist und durch dieses Heizelement erwärmt wird, um eine Wärmeleitung von der Mitte der Vorform zur Außenseite hin zu erzeugen.
Gemäß diesem Verfahren der chemischen Dampfinfiltrierung mit einem thermischen Gradienten wachsen sowohl die Dichte als auch die Wärmeleitfähigkeit in der Mitte der Vorform an, indem eine thermische Zerlegung des Gases zur Dampfinfiltrierung in der Mitte der Vorform verursacht wird, wo die Reaktionstemperatur relativ früher erreicht wird. Dies führt dazu, dass die Infiltrierung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit am Ende an der Oberfläche der Vorform durchgeführt wird, während sich der Gasrektionsbereich zur Oberfläche bewegt, indem der Reaktionstemperaturbereich stetig von der Mitte zu Oberfläche hin ausgedehnt wird.
Darüber hinaus wird der Formteilherstellungsprozess S320 mit einer Erwärmungsrate von 10–20°C/min, einer Reaktionstemperatur von 700–1200°C, einer Reaktionsgaskonzentration von 10–100% und einem Reaktionsdruck von 25–150 kPa durchgeführt. Ferner wird der Wärmebehandlungsprozess S330 bei der Maximaltemperatur für 3–5 Stunden unter einer zweiten Wärmebehandlungsprozesstemperatur von 1700–2500°C, einem Vakuum von 3400–660 Pa und einer Wärmesteigerungsrate von 20–100°C/h durchgeführt.
Im Folgenden werden der erfindungsgemäß aus Kohlenstoffverbundwerkstoff gefertigte Kupplungsbelag und der nach herkömmlichen Verfahren gefertigte Kupplungsbelag Ergebnisse eines zweimaligen Versuchs der Kupplungen dargestellt, wobei jeweils ein Typ der Kupplungsbeläge eingebaut war.
6 stellt das Versuchsergebnis dar, wobei die mit einem auf organischem Werkstoff basierenden Belag versehene Kupplung auf einem Fahrwerksbelastungsprüfstand eingebaut ist. Die Leistung (PS, linke Seite) und das Drehmoment (rechte Seite) sind über der Drehzahl (Umdrehungen pro Minute, Abszisse) aufgetragen. Wie in dem Diagramm dargestellt ist, ist zu sehen, dass die Kupplung beim Anfahren weich ist, aber bei einer abrupten Beschleunigung bei einer Drehzahl von 2800–3800 min^–1 Schlupf auftritt, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung vom Schwungrad der Antriebswelle zur Getriebewelle um 20–30% verringert wird.
7 ist ein Leistungs-Drehmoment-Diagramm einer Kupplung, die mit einem herkömmlichen Belag aus Kupfer-Keramik-Sinterwerkstoff versehen ist. Bei abrupter Beschleunigung ist die Abtriebsansprechcharakteristik gut, aber sie hat den Nachteil, dass bei Automobilen kein weiches Anfahren erreichbar ist, so dass sich Fahrer aufgrund des beim Anfahren bei einer Drehzahl von 2100–2700 min^–1 auftretenden abrupten Reibstoßes leicht ermüdet fühlen.
8 ist ein Diagramm, welches das Ergebnis darstellt, bei dem eine Kupplung, in die ein erfindungsgemäßer Kupplungsbelag aus Kohlenstoffverbundwerkstoff eingebaut ist, beim maximalen Drehmoment bei einer Drehzahl von 4500–6000 min^–1 geprüft wird, und es ist zu sehen, dass das Drehmoment 44,4 kg·m und die Leistung 243,76 kW PS bei einer Drehzahl von 4800 min^–1 betragen. Das Automobil, in das eine mit einer erfindungsgemäßen Kupplungsscheibeneinrichtung ausgerüstete Kupplung eingebaut ist, kann weich anfahren. Daneben ist zu sehen, dass bei abrupter Beschleunigung kein Schlupf auftritt und die Leistungsübertragung vom Schwungrad der Antriebswelle zur Getriebewelle ausgezeichnet ist. So kann sie sogar bei hohen Drehmomentwerten verwendet werden.
9 ist ein Diagramm, das die Ansprechcharakteristik beim Gangwechsel bzw. Schalten für die Kupplung zeigt, in die eine erfindungsgemäße Kupplungsscheibeneinrichtung eingebaut ist. Es ist zu sehen, dass die Ansprechcharakteristik ausgezeichnet ist, weil die Leistungsübertragung weich erfolgt, ohne dass sie einen Verlust oder Stoß sowohl in der Leistungsübertragung als auch in der Anschlagstellung während des Schaltens vom ersten in den zweiten Gang beim Anfahren aufweist.

Die Kennwerte jedes der Kupplungsbeläge sind in der TABELLE 1 beschrieben. TABELLE 1

Kupplung Kennwert	Werkstoff auf organischer Basis	Kupfer-Keramik-Sinterwerkstoff	Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
Reibkoeffizient	0.10–0.30	0.25–0.40	0.25–0.45
Max. Temperatur (°C)	175–300	260–400	350–450
Drehmoment (kg·m)	17–28	32–40	44.4
Leistung (kW)	147,2–220,8	198,72–220,8	243,76
Druckplattenbelastung (kN)	4.400–4.800	10.000	10.000

Wie in TABELLE 1 dargestellt ist, weist der Reibkoeffizient sowohl beim Kupfer-Keramik-Sinterverbundwerkstoff als auch beim Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff eine ähnliche Tendenz auf und die Temperatur ist beim Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff im Vergleich zum Reibkoeffizienten höher. Ferner ging der organisch basierte Werkstoff aufgrund von Reibungswärme und Abrieb bei einer Druckplattenbelastung von 10.000 N zu Bruch. Mit anderen Worte, es ist zu erkennen, dass der für die Kupplungsscheibeneinrichtung verwendete Kohlenstoff-Verbund-Reibwerkstoff gegenüber dem organisch basierten Werkstoff eine bemerkenswert verbesserte Leistungsfähigkeit und verglichen mit dem Kupfer-Keramik-Sinterwerkstoff eine etwas überlegene Leistungsfähigkeit aufweist.
Es versteht sich, dass ein Fachmann mit der gewöhnlichen technischen Erfahrung, den sich die Erfindung richtet, einige der Ausführungsbeispiele im Hinblick auf die Kupplung zur Leistungsübertragung und das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellung des Reibwerkstoffs für die Kupplung, wie sie zuvor erwähnt wurden, abwandeln kann. Wenn jedoch solche abgewandelten Ausführungsbeispiele wesentliche Elemente der Erfindung umfassen, sollte berücksichtigt werden, dass sie alle innerhalb des technischen Umfangs der Erfindung liegen. Ferner soll der technische Gedanke der Erfindung nicht durch die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Elemente eingeschränkt sein.
Wie zuvor beschrieben wurde, können die Kupplungsscheibeneinrichtung und das Verfahren zur Herstellung des Reibwerkstoffs gemäß der Erfindung die Zusammenbaubarkeit verbessern und das Gewicht verringern, indem sie zu einem einzigen Teil vereinfacht wird, ohne eine stoßdämpfende Einrichtung wie eine Schraubenfeder oder dergleichen bei der Kupplungsscheibeneinrichtung zu verwenden. Außerdem kann die Leistungsübertragung eines Motors verbessert werden und sie hat auch die Wirkung, dass ein Automobil weich anfahren kann und sogar bei abrupter Beschleunigung kein Schlupf auftritt, indem sie mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff oder Kohlenstoff-Siliziumkarbonat-Verbundwerkstoff versehen werden, die eine ausgezeichnete Stoßdämpfungsfunktion aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffs für eine Kupplung, bestehend aus den folgenden Verfahrensschritten: Durchführen einer ersten Wärmebehandlung, bei der Kohlenstofffasern bei 2000 bis 3000°C zur Graphitierung wärmebehandelt werden; Herstellen eines Prepregs, wobei zum Formen des Prepregs Harz auf ein Kohlenstofffasergewebe gestreut wird; Herstellung einer Vorform, wobei zum Formen der Vorform die wärmebehandelten Kohlenstofffasern und Harz auf dem Prepreg aufeinander geschichtet werden; Herstellung einer Form, wobei die Form durch Aufbringen eines Pressdrucks auf die Verform gebildet wird; und Durchführung einer zweiten Wärmebehandlung, bei der das Formteil bei 1700–2500°C wärmebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt, dass die wärmebehandelten Kohlenstofffasern auf die Länge von 200–2000 μm unter Verwendung einer Faserschneidmaschine zwischen dem ersten Wärmebehandlungsvorgang und dem Prepreg-Herstellungsvorgang geschnitten werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin zwischen dem Formherstellungsvorgang und dem zweiten Wärmebehandlungsvorgang ein Verdichtungsvorgang zum Verdichten der Form durch Infiltrierung eines Reaktionsgases in einem Imprägnierungs- und karbonisierungsvorgang bei einem Druck von 50–2000 bar innerhalb des Bereichs von 750–1400°C über 3–5 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Dichte 1,3–1,6 g/cm³ beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form zu 20–75 Gew.-% aus Kohlenstofffasern und zu 25–80 Gew.-% aus dem Harz zusammengesetzt und durch Erhitzen innerhalb des Bereichs von 200–300°C in einer Pressform geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmebehandlungsvorgang bei der maximalen Temperatur über 3–5 Stunden unter Vakuum von 400–660 Pa und einer Wärmesteigerungsrate von 20–100°C/h durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeicht durch die weiteren Verfahrensschritte: Durchführung eines Siliziumpulverzugabevorgangs, um dem Formteil nach dem zweiten Wärmebehandlungsvorgang Siliziumpulver zuzuführen; und Durchführung eines Vakuumerhitzungsvorgangs zur Erhöhung der Temperatur innerhalb des Bereichs von 1450–2200°C und Aufrechterhalten derselben über 0,1–5,0 Stunden unter Vakuumatmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Siliziumpulverzugabevorgangs Siliziumpulver zugeführt wird, das 0,2–5,0 mal schwerer als die Form im Gewichtsverhältnis ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form aus 3–25 Gew.-% Silizium, 10–65 Gew.-% Siliziumkarbid und 10–80 Gew.-% Kohlenstoff nach Beendigung des Vakuumerhitzungsprozesses zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form für einen Kupplungsbelag, Reibbelag oder Druckbelag verwendet wird, auf den Reibung in der Kupplung erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Reibwerkstoffs für eine Kupplung, mit den folgenden Verfahrensschritten: Befestigen eines Heizelements an einer dreidimensionalen Vorform in einem Reaktor und Erhitzen der Vorform mit dem Heizelement, so dass ein Temperaturgradient zwischen der Innenseite und der Außenseite der Vorform erzeugt wird; Infiltrieren eines Reaktionsgases, das 1-6 Kohlenstoffatome pro Molekül enthält, in das Innere des Reaktors; Herstellung einer Form durch Durchführen einer Reaktion bei einer Temperatursteigerung von 10–20°C/min, einer Reaktionstemperatur von 700–1200°C, einer Reaktionsgaskonzentration von 10–100% und einem Reaktionsdruck von 25 bis 150 kPa; und Durchführen einer Wärmebehandlung, bei der die Form thermisch bei 1700–2500°C behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsvorgang bei der maximalen Temperatur über 3–5 Stunden unter Vakuum von 400–660 Pa und einer Wärmesteigerungsrate von 20–100°C/h durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Form für einen Kupplungsbelag, einen Reibbelag oder einen Druckbelag verwendet wird, auf den Reibung in der Kupplung erzeugt wird.