DE102005017098A1

DE102005017098A1 - Schichtverbund-Kupplungsreibungselement mit bidirektionalen Elastizitätsmoduln

Info

Publication number: DE102005017098A1
Application number: DE102005017098A
Authority: DE
Inventors: Gregory Bloomfield Hills Mordukhovich
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2005-11-24
Also published as: CN1690462A; US20050241908A1; CN100350166C; US7040471B2

Abstract

Reibungselement zum Eingriff in einen Drehmomentübertragungsmechanismus, das eine äußere Schicht mit einem ersten Material umfasst. Die äußere Schicht weist eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit einem gegenüberliegenden Reaktionselement in dem Drehmomentübertragungsmechanismus auf. Eine innere Schicht ist mit der äußeren Schicht gegenüber der Reibungsoberfläche verbunden und umfasst ein zweites Material. Die innere Schicht ist gekennzeichnet durch einen ersten Elastizitätsmodul und die äußere Schicht ist gekennzeichnet durch einen zweiten Elastizitätsmodul, der größer ist als der erste Elastizitätsmodul.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reibungskupplungselement zur Verwendung in einer Nasskupplungsanwendung.

Ein Fahrzeugmotor ist traditionellerweise mit einem Getriebe zum Übertragen von Drehmoment auf die Räder über einen Drehmomentwandler verbunden. Eine Nassreibungsgrenzfläche kann mit dem Drehmomentwandler verwendet werden, um eine Drehmomentübertragung unter einer Schlupfbedingung (d. h., relative Drehung von gegenüberliegenden Oberflächen, die die Reibungsgrenzfläche bilden) herzustellen. Das US-Patent Nr. 6 132 877, erteilt am 17. Oktober 2000 an Winckler et al., übertragen auf General Motors Corporation und hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen, beschreibt eine Reibungsgrenzfläche, die aus einem Kohlenstoffverbundmaterial mit hoher Dichte und niedriger Porosität besteht, das mit durch CVD abgeschiedenem Kohlenstoff infiltriert ist und vorzugsweise ein Substrat aus einem Satin-Bindungsgewebe aufweist. Eine weitere Anwendung einer in einem Drehmomentwandler verwendeten Reibungsgrenzfläche ist in dem US-Patent Nr. 5 195 621, erteilt am 23. März 1993 an Dull et al., übertragen auf General Motors Corporation und hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen, beschrieben. Die Verwendung von Reibungsmaterial mit einem hitzebeständigen Papierträger, der harzgebundene Kohlenstoffteilchen trägt, ist im Stand der Technik bekannt, wie in dem US-Patent Nr. 5 083 650, erteilt am 28. Jänner 1992 an Seiz et al., übertragen auf Minnesota Mining and Manufacturing Company und auf General Motors Corporation, beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.

Darüber hinaus kann eine Nasskupplung mit einer Reibungsgrenzfläche an Stelle eines Drehmomentwandlers für einen Fahrzeugstart mit Schlupf verwendet werden, insbesondere bei Fahrzeugen, die mit einem größeren Gesamt-Übersetzungsverhältnis ausgeführt sind, da der Verhältnis verstärkende Effekt des Drehmomentwandlers in einer solchen Anwendung nicht erforderlich sein mag.

Ein Reibungselement, das einen hohen Reibungsbeiwert bei hohen Schlupfgeschwindigkeiten bereitstellt, während es ein Vibrationsrupfen während des Fahrzeugstarts minimiert, ist wünschenswert. Darüber hinaus ist eine Steuerung der Betriebsviskosität und Scherbarkeit des Getriebefluids wünschenswert, da der Reibungsbeiwert durch diese Eigenschaften beeinflusst ist.

Ein Reibungselement zum Eingriff in einen Drehmomentübertragungsmechanismus (d. h., eine Kupplung) umfasst eine äußere Schicht, die ein erstes Material umfasst und eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit einem gegenüberliegenden Reaktionselement in dem Drehmomentübertragungsmechanismus aufweist. Wie hierin verwendet und dem Fachmann leicht verständlich, bedeutet „Gleitkontakt", dass eine relative Gleitbewegung (d. h. Schlupf) zwischen dem Reibungselement und dem Reaktionselement besteht; vorzugsweise während eines „Gleitkontaktes" sind die Reibungsoberfläche und das Reaktionselement durch eine dazwischen angeordnete Schmiermittelschicht allgemein von einem direkten physischen Kontakt miteinander getrennt. Das Reibungselement umfasst auch eine innere Schicht, die mit der äußeren Schicht gegenüber der Reibungsoberfläche wirksam verbunden ist. Die innere Schicht um fasst ein zweites Material. Die innere Schicht ist gekennzeichnet durch einen ersten Elastizitätsmodul und die äußere Schicht ist gekennzeichnet durch einen zweiten Elastizitätsmodul. Der zweite Elastizitätsmodul ist größer als der erste Elastizitätsmodul. Ein Reibungselement mit bidirektionalen Elastizitätsmoduln wird in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 60/509 589, Anmeldedatum 8. Oktober 2003, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen ist, beschrieben.

In einem Aspekt der Erfindung ist der Gleitkontakt durch einen Reibungsbeiwert gekennzeichnet. Der erste Elastizitätsmodul ist in einer ersten Richtung in Bezug auf den Gleitkontakt angeordnet. Der zweite Elastizitätsmodul ist in einer zweiten Richtung in Bezug auf den Gleitkontakt angeordnet. Vorzugsweise steht die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Gleitkontakt und die zweite Richtung steht im Wesentlichen parallel zu dem Gleitkontakt. Der erste und der zweite Elastizitätsmodul wirken zusammen, um zumindest teilweise den Reibungsbeiwert herzustellen (d. h. zu maximieren) und aus dem Gleitkontakt resultierendes Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus zu steuern (d. h. zu minimieren); In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die äußere Schicht Kohlefasern. Die Kohlefasern können gepresst sein, um die äußere Schicht zu bilden. Alternativ können die Kohlefasern gewebt sein, um die äußere Schicht zu bilden.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die innere Schicht Zellulose. Die innere Schicht kann ferner Polyparaphenylenterephthalamid-Schnittfasern umfassen, (d. h. Fasern eines Materials, das unter dem Warenzeichen KEVLAR^® von DuPont vermarktet wird) die über die gesamte Zellulose angeordnet sind. Alternativ kann die innere Schicht Po lyparaphenylenterephthalamid-Fasern umfassen. In diesem Fall kann die innere Schicht nur aus Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern bestehen anstatt aus einer Mischung aus Polyparaphenylenterephthalamid-Faser und Zellulose.

In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die innere und die äußere Schicht mit ersten und zweiten Kanälen ausgebildet, die derart wirksam sind, dass Schmiermittel durch das Reibungselement im Wesentlichen in der ersten bzw. zweiten Richtung transportiert wird. Das Reibungselement ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist. Die Kanäle sind wirksam, um Schmiermittel von einem von dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser zu transportieren.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung können die innere und die äußere Schicht jeweils mit Kanälen ausgebildet sein, die in der ersten Richtung angeordnet sind, um Schmiermittel durch das Reibungselement in der ersten Richtung zu transportieren. Der erste Elastizitätsmodul ist zumindest teilweise durch den Schmiermitteltransport durch die Kanäle beeinflusst. Der Transport von Schmiermittel durch die Kanäle erhöht zumindest teilweise den Reibungsbeiwert.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die innere und die äußere Schicht jeweils mit Kanälen ausgebildet, die in einer zweiten Richtung zum Transport von Schmiermittel durch das Reibungselement in der zweiten Richtung angeordnet sind. Der zweite Elastizitätsmodul ist zumindest teilweise durch den Schmiermitteltransport durch die Kanäle beeinflusst. Der Transport von Schmiermittel durch die Kanäle vermindert zumindest teilweise ein Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus.

In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfassen die Reibungselemente eine Unterschicht, die wirksam mit der inneren Schicht gegenüber der äußeren Schicht verbunden ist. Die Unterschicht umfasst das dritte Material. Die Unterschicht ist gekennzeichnet durch einen dritten Elastizitätsmodul, der kleiner ist als der zweite Elastizitätsmodul. Die Unterschicht kann mit ersten und/oder zweiten Kanälen ausgebildet sein, die in der ersten bzw. der zweiten Richtung angeordnet sind, um Schmiermittel durch das Reibungselement in der ersten bzw. der zweiten Richtung zu transportieren. Der dritte Elastizitätsmodul wird zumindest teilweise durch den Schmiermitteltransport durch die ersten und/oder zweiten Kanäle beeinflusst.

Ein Lastschaltgetriebe umfasst einen Drehmomentübertragungsmechanismus. Der Drehmomentübertragungsmechanismus umfasst ein Reibungselement und ein gegenüberliegendes Reaktionselement. Das Reibungselement und das Reaktionselement können zur Energieübertragung selektiv in Eingriff gebracht werden. Das Reibungselement weist eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit dem Reaktionselement auf. Der Gleitkontakt ist durch einen Reibungsbeiwert gekennzeichnet und wirkt, um den Drehmomentübertragungsmechanismus in Eingriff zu bringen. Das Reibungselement kann eine äußere Schicht und eine innere Schicht, gekennzeichnet durch einen ersten Elastizitätsmodul bzw. einen zweiten Elastizitätsmodul, wie oben beschrieben, umfassen. Das in dem Lastschaltgetriebe verwendete Reibungselement kann den ersten und den zweiten Elastizitätsmodul aufweisen, die wie oben beschrieben in Bezug auf das oben beschriebene Reibungselement zusammenwirken. Das in dem Lastschaltgetriebe verwendete Reibungselement kann auch die Kanalanordnungen zum Transport von Schmiermittel wie oben beschrieben aufweisen.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Reibungselements in Gleitkontakt mit einem Reaktionselement, gemäß der Erfindung;
2A eine schematische Aufrissansicht einer ersten Ausführungsform des Reibungselements von 1;
2B eine fragmentarische Querschnittsansicht des Reibungselements von 2A; und
3 eine schematische Aufrissansicht einer zweiten Ausführungsform des Reibungselements von 1.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein schematischer radialer Querschnitt eines Reibungselements 10 für ein Getriebe 11 gezeigt. Das Reibungselement 10 ist vorzugsweise ein ringförmiger Ring mit einem Innenradius 14 und einem Außenradius 18, gemessen von einer mittleren Drehachse 22. (Ein entsprechender Innendurchmesser und Außendurchmesser ist jeweils dem Innenradius 14 bzw. dem Außenradius 18 zugehörig). Das Material, aus dem das Reibungselement gebildet ist, weist einen Elastizitätsmodul E auf. Das Reibungselement 10 ist unter Verwendung von Klebstoffen oder anderen Befestigungsmechanismen mit einer Kupplungsplatte 17 verbunden. Das Reibungselement 10 liegt einem/r Reaktionselement oder Reaktionsplatte 26 gegenüber. Das Reibungselement 10 und die Reaktionsplatte 26 sind in einem Drehmomentübertragungsmechanismus 13 umfasst, der eine Kupplung in einem in dem Getriebe 11 umfassten Drehmomentwandler sein kann. Vorzugsweise ist der Drehmomentübertragungsmechanismus 13 eine Reibungsgrenzfläche einer Dreh- oder feststehenden Kupplung (d. h., einer Bremse). Alternativ kann die Reaktionsplatte 26 auch ein ringförmiger Ring mit einem gleichen Innen- und Außenradius sein. Getriebefluid, auch als Schmiermittel oder Öl bezeichnet, ist in dem Getriebe angeordnet. Etwas von dem Fluid bildet eine Ölsäule 28 aus, die zwischen der Reaktionsplatte 26 und dem Reibungselement 10, wie in 1 gezeigt, derart angeordnet ist, dass ein Eingriff des Reibungselementes 10 und der Reaktionsplatte 26 eine „Nasskupplungs"-Anwendung ist.
Auf mikroskopischer Ebene ist das Reibungselement 10 porös mit einer unebenen, unregelmäßigen Oberfläche 30. Der Höhenunterschied zwischen einer ausgewählten Spitze (hoher Abschnitt) 32 und einem Tal (niederer Abschnitt) 34 bildet einen spitzen Abschnitt 36. (Das Reibungselement 10 weist eine Vielzahl von spitzen Abschnitten verschiedener Höhen auf, von denen nur einer in 1 in verschiedenen Durchbiegungsstufen während des Gleitens der Reaktionsplatte 26 relativ zu dem Reibungselement 10 schematisch dargestellt ist.) Wenn aufgebrachter Druck (durch Pfeile 27 angedeutet) die Reaktionsplatte 26 und das Reibungselement 10 gegeneinander zwingt, liegt die effektive Kontaktfläche 38 zwischen der Platte 26 und dem Reibungselement 10 an der Spitze des spitzen Abschnitts 36.
Während der elastohydrodynamischen (EHD)-Phase des Einrückens der Kupplung ist die Ölsäule 28 zwischen der Platte 26 und dem Reibungselement 10 angeordnet. Während des Einrückens kann es erwünscht sein, eine Zeitspanne eines Schlupfes (d. h. eine Geschwindigkeitsdifferenz, auch als Schlupfgeschwindigkeit bezeichnet) zwischen dem Reibungselement 10 und der Reaktionsplatte 26 zu haben, um eine schritt weise Drehmomentübertragung zuzulassen. Der Reibungsbeiwert u (d. h., das Verhältnis der resultierenden Tangentialkraft zwischen dem Reibungselement 10 und der Reaktionsplatte 26 zu der aufgebrachten senkrechten Kraft) kann sich mit der Schlupfgeschwindigkeit ändern, da es für das Reibungselement 10 schwieriger sein kann, bei hohen Schlupfgeschwindigkeiten die Reaktionsplatte 26 zu „greifen". Es ist wünschenswert, den Reibungsbeiwert u bei hohen Schlupfgeschwindigkeiten für eine wirkungsvolle Drehmomentübertragung zu maximieren. Im Allgemeinen wird ein Reibungselement mit einem niedrigen Elastizitätsmodul in der Richtung senkrecht zu der effektiven Kontaktfläche 38 (hierin als ein erster Elastizitätsmodul E₁ bezeichnet) die effektive Kontaktfläche 38 vergrößern und somit einen größeren Reibungsbeiwert u bereitstellen, als ein Reibungselement mit einem hohen Elastizitätsmodul in der senkrechten Richtung.
Der Reibungsbeiwert u ist auch eine Funktion der Ölviskosität und Scherbarkeit an der effektiven Kontaktfläche 38. Während des Reibungseingriffes bewirkt die viskose Eigenschaft der mit dem spitzen Abschnitt 36 in Kontakt stehenden Ölsäule 28, dass der spitze Abschnitt 36 sich in der Gleitrichtung (d. h. des Schlupfes) zwischen dem Reibungselement 10 und der Platte 26 biegt oder durchbiegt. Die Biegung oder Durchbiegung des spitzen Abschnittes 36 ist zu seiner Steifheit in der Gleitrichtung (d. h., seinem Elastizitätsmodul in der radialen Richtung, hierin auch als der zweite Elastizitätsmodul E₂ bezeichnet) proportional. Die Schlupf- oder Gleitrichtung ist in 1 durch den mit S bezeichneten Pfeil angedeutet. Wie schematisch in 1 gezeigt, wird während des Gleitens (d. h. Schlupfes) ein gegebener spitzer Abschnitt 36 sich von einer ursprünglichen Position A zu einer Zwischenbiegeposition B biegen. Zu einer späteren Zeit werden Scherkräfte bewirken, dass die Ölsäule 28 an der Kontaktfläche 38 eine Scherung erfährt (durch den Kontakt 40 des gescherten Öls gezeigt); an dem Scherpunkt wird der spitze Abschnitt 36, im Moment nicht mehr der viskosen Kraft der Ölsäule 28 unterworfen, von einer Endbiegeposition C zu der Position D zurückspringen, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die ursprüngliche Position A. Dieses Zurückspringen von spitzen Abschnitten während des Scherens kann zu einem Vibrationsrupfen des Getriebes beitragen. Demgemäß ist es wünschenswert, die Verformbarkeit des Reibungselementes 10 in der Gleitrichtung zu minimieren und so ein Vibrationsrupfen zu minimieren. Dies kann erreicht werden, indem ein relativ hoher zweiter Elastizitätsmodul E₂ in der Gleitrichtung bereitgestellt wird. Der Fluiddruck in dem Reibungselement 10 kann auch das Rupfen beeinflussen; beispielsweise kann ein Hochdruckfluid, das auf das Reibungselement 10 wirkt, den Elastizitätsmodul E₂ erhöhen.
Vibrationsrupfen kann minimiert werden, indem der Elastizitätsmodul E₂ erhöht wird und/oder der Elastizitätsmodul E₁ verringert wird. Durch „Eigenerregung" des Reibungselements 10 verursachtes Rupfen kann auftreten, wenn die Reaktionsplatte 26 nicht eben ist. Während der Verwendung kann eine Reaktionsplatte, die nicht eben ist, unterschiedliche lokale Temperaturen darauf aufweisen (auf Grund einer unregelmäßigen Kontaktfläche), was Schwankungen in der Höhe einer typischen Ölsäule 28 zwischen der Reaktionsplatte 26 und dem Reibungselement 10 bewirkt und somit Schwankungen beim Kühlen erzeugt. Wie unten stehend erläutert, können Temperaturschwankungen zu einem Rupfen führen. Eine Verringerung des Elastizitätsmoduls E₁ erhöht das Dämpfungsvermögen des Reibungselementes 10, was zulässt, dass es sich dem Oberflächenbereich der Reaktionsplatte 26 (die typischerweise nicht vollkommen eben ist) anpasst und so Temperaturschwankungen minimiert.
Vibrationsrupfen kann auch auftreten, wenn die Reaktionsplatte 26 und das Reibungselement 10 beim Eingriff nicht parallel zueinander stehen. Eine solche Fehlausrichtung wird bewirken, dass ein Abschnitt des Reibungselementes 10 vor dem restlichen Reibungselement 10 mit der Reaktionsplatte 26 in Kontakt tritt, was in Druckschwankungen über dem Reibungselement 10 resultiert. Wie unten stehend erläutert bewirken Druckschwankungen Schwankungen der Temperatur und der Ölviskosität, was zu einem Rupfen führen kann.
Der Reibungsbeiwert, die Betriebsviskosität des Öles und die Scherbarkeit des Öles an der Kontaktfläche sind Funktionen des Druckes und der Temperatur an der Kontaktfläche, sowie der Druckdifferenz zwischen dem hohen Abschnitt 32 (d. h., dem Abschnitt des Reibungselementes 10 in Kontakt mit der Reaktionsplatte 26) und dem niederen Abschnitt 34 (d. h., dem Abschnitt des Reibungselementes 10 außer Kontakt mit der Reaktionsplatte 26). Die Temperatur ist bei höheren Drücken niedriger. Eigentlich kann die tatsächliche Kontakttemperatur bis zu 300 °C betragen, eine Temperatur, bei der die Betriebsviskosität sehr empfindlich gegenüber Druckschwankungen ist. Demgemäß folgt, dass die Betriebsviskosität des Öles (die mit zunehmendem Druck ansteigt) bei hohen Temperaturen hoch gehalten werden muss, um einen Rauigkeitsspitzenkontakt zu minimieren oder zu verhindern. Es sollte angemerkt werden, dass höhere Schlupfgeschwindigkeiten zu erhöhten Systemtemperaturen führen. Zusätzlich kann die Temperatur an der Kontaktfläche durch eines oder mehrere von (i) Niedrighalten des angelegten Kolbendruckes; (ii) Erhöhen der effektiven Kontaktfläche; und (iii) Steuern des Ölflusses vorbei an der Kontaktfläche (was deren Kühlung zulässt) durch Erhöhen des Kupplungsöldruckes gesteuert (d. h. minimiert) sein. In Bezug auf die zweite vorstehende Alternative kann die effektive Kontaktfläche durch Modifizieren des Oberflächenaufbaues des Reibungselementes 10 erhöht werden. Eine Minimierung der Temperatur an der Kontaktfläche führt auch zu einer verlängerten nutzbaren Lebensdauer des Schmiermittels, da die Ablagerungsgeschwindigkeit von Reibungsmodifikationsadditiven, die in den Schmiermitteln vorhanden sein können, bei niedrigeren Temperaturen verringert ist. Zusätzlich sind der Druck und die Temperatur an der Kontaktfläche und die Druckdifferenz beeinflusst und können daher gesteuert werden durch Steuern des Elastizitätsmoduls in der senkrechten Richtung (d. h. der erste Elastizitätsmodul E₁) und des Fluiddruckes in dem porösen Reibungselement 10.
Der Fluiddruck in dem Reibungselement 10 ist eine Funktion der radialen Porosität des Elementes 10, des durch eine Druckquelle wie z. B. eine Pumpe (nicht gezeigt) auf das Fluid aufgebrachten Druckes, sowie der Zentrifugalkräfte, die derart wirken, dass das Fluid radial auswärts bewegt wird. Mit zunehmendem Kupplungsdruck erhöht sich der Reibungsbeiwert bei einer gegebenen Schlupfgeschwindigkeit. Zusätzlich wird, wenn die Schlupfgeschwindigkeit sich 0,00 m/s nähert (d. h., nahe am Ende des Kuppelns, nach der Schlupfstartphase) mit dem Fluidfluss die Fluktuation oder Spitze im Reibungsbeiwert u (spürbar als Vibrationsrupfen) in Bezug auf jenen, der auftritt, wenn kein Fluidfluss vorhanden ist, herabgesetzt. Der Reibungsbeiwert u erfährt typischerweise eine solche ein Rupfen bewirkende Spitze nahe am Ende des Kuppelns. Der Reibungsbeiwert sinkt oft bei höheren Schlupfgeschwindigkeiten.
Das Reibungselement 10 ist mit ersten Kanälen 44 ausgebildet, die in einer ersten im Wesentlichen senkrecht zu dem Gleitkontakt zwischen dem Reibungselement 10 und der Reaktionsplatte 26 stehenden Richtung axial angeordnet sind. Die ersten Kanäle 44 können Fluid zu der und von der Kontaktfläche 38 transportieren. Somit beeinflussen die ersten Kanäle 44 die Temperatur und den Druck an der Kontaktfläche wie auch die Druckdifferenz zwischen dem hohen Abschnitt 32 und dem niederen Abschnitt 34. Die ersten Kanäle 44 beeinflussen auch den Elastizitätsmodul Ei in der ersten Richtung. Vorzugsweise ist der Elastizitätsmodul E₁ deutlich niedriger als der Elastizitätsmodul E des ohne die Kanäle 44 ausgebildeten Reibungselementes 10. Demgemäß kann der Aufbau der ersten Kanäle 44 zumindest teilweise den Reibungsbeiwert u des Reibungselementes 10 während des Eingriffes herzustellen (z. B. erhöhen).
Das Reibungselement 10 ist mit zweiten Kanälen 48 ausgebildet, die in einer zweiten im Wesentlichen parallel zu der Gleitkontaktfläche 38 zwischen dem Reibungselement 10 und der Reaktionsplatte 26 stehenden Richtung radial angeordnet ist. Die zweiten Kanäle 48 erhöhen die Porosität des Reibungselementes 10 in der Gleitrichtung. Vorzugsweise bleiben die zweiten Kanäle 48 zumindest teilweise offen und lassen, selbst unter Belastung durch senkrechte Kräfte zwischen dem Reibungselement 10 und der Reaktionsplatte 26, einen Ölfluss durch sie hindurch zu. Die Kanäle 44 und 48 von 1 sind zu Veranschaulichungszwecken schematisch als gerade, parallele und rechtwinklige Linien dargestellt; In der Praxis sind die Kanäle 44, 48 jedoch wahrscheinlich unregelmäßig und weisen eine ausreichende Porosität auf, um einen Fluss in den parallelen und rechtwinkligen Richtungen zuzulassen.
Die Bewegung von Fluid durch das Element 10 unterstützt das Kühlen der Kontaktfläche 38 und das Steuern des Druckes und der Druckdifferenzen in der Nähe der Kontaktfläche 38 (wodurch der Reibungsbeiwert erhöht wird). Während die radiale und senkrechte Porosität zu einer solchen Bewegung beitragen können, können sie das Reibungselement 10 auch unter Druck setzen und dadurch versteifen, wobei der Elastizitätsmodul sowohl in der ersten Richtung (d. h., E₁, was, wie oben diskutiert, nicht erwünscht sein kann) und der zweiten Richtung (d. h., E₂, was, wie oben diskutiert, erwünscht ist) erhöht wird. Zusätzlich wirken Zentrifugalkräfte auf das Fluid, die es radial auswärts bewegen. Somit wird eine Ölzufuhr an die zweiten Kanäle 48 aus dem Innenradius 18 des Reibungselementes 10 (wie durch die Pfeile 29, die den Fluidtransport in die Kanäle 48 hinein andeuten, dargestellt ist) mit der Zentrifugalkraft arbeiten, während eine Ölzufuhr aus dem Außenradius 18 des Reibungselements 10 gegen die Zentrifugalkraft arbeiten wird, was einen höheren Kupplungsöldruck erfordert, um das Fluid durch das Reibungselement 10 hindurch radial einwärts zu bewegen. (Die Pfeile 29' deuten den Fluidtransport von den Kanälen 48 zu den Kanälen 44 an. Der Fluidtransport ist nur in ausgewählten Kanälen 44, 48 oder Abschnitten davon gezeigt. Der gleiche Fluidtransport erfolgt über die ganzen Kanäle 44, 48).
Demgemäß erfordert eine Ölzufuhr aus dem Außenradius 18 zu den Kanälen 48 einen größeren Fluiddruck als eine Ölzufuhr aus dem Innenradius 14 zu den Kanälen 48. Ein relativ höherer Fluiddruck führt zu einem besseren Widerstand gegen Rupfen (d. h., einem größeren E₂ wie oben beschrieben), während ein relativ niedrigerer Fluiddruck zu höheren Dämpfungseigenschaften (d. h., einem niedrigeren E₁) in der senkrechten Richtung führt. Die Größe und Anzahl der Kanäle 44, 48 beeinflusst auch den erforderlichen Fluiddruck zur Beeinflussung des Fluidflusses durch die Kanäle, wie für den Fachmann leicht einzusehen sein wird. Somit lassen die gewählte Größe und Anzahl der Kanäle 44, 48 wie auch die jeweilige Wahl von Versorgungsfluid aus dem Innenradius gegenüber dem Außenradius 14, 18 optimierte bidirektionale Elastizitätsmoduln in dem Reibungselement 10 zu.
Es ist erwünscht, einen relativ hohen Elastizitätsmodul E₂ in der zweiten Richtung (d. h. der radialen Richtung) herzustellen, um ein Rupfen wie oben erläutert zu minimieren. (Vorzugsweise ist der Elastizitätsmodul E₂ größer als der Elastizitätsmodul E des Reibungselementes 10, das ohne die Kanäle 48 ausgebildet ist). Es ist jedoch wünschenswert, die Steifheit, oder den Elastizitätsmodul E₁ in der senkrechten Richtung, niedrig zu halten, wie oben beschrieben, um den Reibungsbeiwert u zu maximieren. Demgemäß müssen die ersten und zweiten Kanäle 44, 48 in entsprechender Größe und Anzahl ausgebildet sein, um die Ziele eines niedrigen E₁, eines hohen E₂ (d. h. bidirektionale Elastizitätsmoduln) und einer geeigneten Porosität zu erreichen, um einen Kühlkreislauf des Öls an der effektiven Kontaktfläche 38 bereitzustellen. Vorzugsweise bleiben die Kanäle 44 und 48, obwohl wahrscheinlich verformt, auch unter Kupplungsdruck offen, so dass die Kühlfunktion erfüllt ist.
Unter Bezugnahme auf 2A ist ein Reibungselement 110 mit einem "geschichteten Verbund"-Aufbau veranschaulicht. Das Reibungselement 110 umfasst eine äußere Schicht 112, die mit einer inneren Schicht 116 verbunden ist. Die äußere bzw. die innere Schicht 112, 116 können durch ein Harz 113 oder durch jedes beliebige andere im Stand der Technik bekannte Verbindungsverfahren verbunden werden. Die innere Schicht 116 ist mit einer Kupplungsplatte 117 durch ein Harz, einen Klebstoff oder einen beliebigen anderen dem Fachmann bekannten Verbindungsmechanismus verbunden.
Die äußere Schicht 112 besteht aus einem ersten Material, vorzugsweise gewebte Kohlefasern 119. Die Kohlefasern 119 sind vorzugsweise mit Hilfe eines chemischen Aufdampfungsverfahrens gefertigt, in dem Kohlenstoff auf Baumwollfasern abgeschieden und verarbeitet wird, um in einer Kohlefaser zu resultieren (wobei die Baumwollstruktur während der Ver arbeitung weggebrannt wird), wie dem Fachmann verständlich sein wird. Eine Vielfalt von Webmustern kann beim Aufbau der äußeren Schicht 112 verwendet werden. Vorzugsweise wird eine Webart von ausreichender Straffheit verwendet, die in einer im Wesentlichen flachen Reibungsoberfläche 130 resultiert. Die Webart erlaubt jedoch vorzugsweise auch erste und zweite Kanäle für einen Transport von Schmiermittel durch die äußere Schicht 112 (wobei die Kanäle solche sind, wie in den 1 und 2B veranschaulicht).
Die innere Schicht 116 besteht aus einem zweiten Material, das anders als das erste Material ist, das verwendet wird, um die äußere Schicht 112 zu bilden. Die innere Schicht 116 ist vorzugsweise aus Zellulose 120 mit über die gesamte Zellulose 120 angeordneten Polyparaphenylenterephthalamid-Schnittfasern 122 gebildet. Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern, die unter dem Warenzeichen KEVLAR^® von DuPont vermarktet werden, sind nachgiebig und weisen einen niedrigeren Elastizitätsmodul als die Zellulose 120 auf. Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern sind biegsam, leicht und hochfest, mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul, und stellen gute Dämpfungseigenschaften bereit. Der Elastizitätsmodul der inneren Schicht 116 (der als ein erster Elastizitätsmodul E₁' bezeichnet werden kann) ist eine Funktion der kombinierten Elastizitätsmoduln der Zellulose 120 und der Polyparaphenylenterephthalamid-Faser 122 -Komponenten der inneren Schicht 116. Demgemäß wird das Volumenverhältnis von Zellulose 120 zu Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern 122 in der inneren Schicht 116 den resultierenden ersten Elastizitätsmodul E₁' der inneren Schicht 116 beeinflussen. Das gewählte Verhältnis von Zellulose 120 zu Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern 122 wird eine Funktion der speziellen von dem Reibungselement 110 benötigten Reibungsanwendung sein. Alternativ kann die innere Schicht 116 nur Zellulose 120 oder nur Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern 122 umfassen.
Die äußere Schicht 112 ist gekennzeichnet durch einen zweiten Elastizitätsmodul E₂'. Die in dem Webmuster angeordneten Kohlenfasern 119 werden typischerweise einen Elastizitätsmodul aufweisen, der größer ist als der kombinierte Elastizitätsmodul, der aus der aus Zellulose 120 und den Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern 122 bestehenden inneren Schicht 116 resultiert (und größer als der Elastizitätsmodul von Zellulose oder Polyparaphenylenterephthalamid allein, wenn die innere Schicht 116 so aufgebaut ist).
Unter Bezugnahme auf 2B ist die innere Schicht 116 porös, da die Zellulose 120 als ein poröses Material bekannt ist. Demgemäß sind die ersten Kanäle 144 in einer ersten Richtung angeordnet (die im Wesentlichen senkrecht zu der Gleitrichtung (wie in Bezug auf das Reibungselement 10 in 2A gezeigt) steht). Zusätzlich sind innerhalb der inneren Schicht 116 zweite Kanäle 148 ausgebildet. Die zweiten Kanäle 148 stehen im Wesentlichen parallel zu der in 2A gezeigten Gleitrichtung. Das Reibungselement 110 weist vorzugsweise eine kreisringförmige Ringform auf, wie in Bezug auf das Reibungselement 10 von 2A beschrieben, mit einem Innenradius und einem Außenradius. Demgemäß kann das Reibungselement 110 mit einer Reaktionsplatte wie z. B. der Reaktionsplatte 26 von 1 verwendet werden und wird ähnliche elastohydrodynamische Gleit- und Elastizitätseigenschaften aufweisen. Die äußere Schicht 112 weist ähnliche erste Kanäle 144' und zweite Kanäle 148' auf. Die äußere Schicht 112, die vorzugsweise aus gewebten Kohlefasern gefertigt ist, ist mit Absicht derart aufgebaut, dass sie einen größeren Elastizitätsmodul (zweiten Elastizitätsmodul) aufweist als die innere Schicht 116, besteht aber dennoch aus einem derartigen Aufbau, dass sie einen Schmiermitteltransport durch die Kanäle 144' und 148' zulässt. Zum besseren Verständnis eines solchen Schmiermitteltransportes kann die äußere Schicht 112 als eine netzartige, siebförmige Struktur angesehen werden. Die Netzwerke würden somit genügend offene Räume in einer Richtung bilden, um senkrechte Kanäle 144' kreuzweise durch die netzartige Struktur zu bilden, sowie ausreichen offene Räume, die sich im Wesentlichen entlang der Ebene der netzartigen Struktur winden, um im Wesentlichen zur Gleitrichtung parallele Kanäle 148' zu bilden.
Demgemäß wird, wenn das Reibungselement 110 der 2A und 2B in einem Drehmomentübertragungsmechanismus wie z. B. dem Drehmomentübertragungsmechanismus 13 von 1 verwendet wird, der höhere zweite Elastizitätsmodul E₂' der äußeren Schicht 112 eine im Wesentlichen flache Reibungsoberfläche 130 bereitstellen und zu einer Verringerung im Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus und des Getriebes, in dem es verwendet wird, beitragen. Darüber hinaus wird die innere Schicht 116 mit einem ersten Elastizitätsmodul E₁', der niedriger ist als der zweite Elastizitätsmodul E₂', zu einem nachgiebigen Reibungselement 110 beitragen, das einen hohen Reibungsbeiwert aufweist. Die geschichtete Beschaffenheit des Reibungselements 110 lässt beide Ziele eines hohen Elastizitätsmoduls in der Gleitrichtung (E₂') und eines niedrigen Elastizitätsmoduls in der Richtung des aufgebrachten Druckes (E₂') zu, während der Schmiermitteltransport durch das Reibungselement 110 wie oben beschrieben zugelassen wird.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Reibungselement 210 mit mehreren Schichten veranschaulicht. Eine äußere Schicht 212 bildet eine Reibungsoberfläche 230. Eine innere Schicht 216 ist mit der äußeren Schicht 212 verbunden. Die äußere Schicht 212 besteht vorzugsweise aus gepresstem Kohlenstoff. Der gepresste Kohlenstoff kann an der inne ren Schicht 216 durch ein Pressverfahren angebracht werden, womit der Bedarf an einem Harz oder anderen Klebstoff zum Verbinden der äußeren und der inneren Schicht 212, 216 verringert wird. Die innere Schicht 216 besteht vorzugsweise aus Zellulose 220. Eine Unterschicht 224 ist mit der inneren Schicht 216 gegenüber der äußeren Schicht 212 verbunden. Die Unterschicht ist auch mit einer Kupplungsplatte 217 durch einen Klebstoff, ein Harz oder ein anderes Mittel verbunden. Die Unterschicht 224 besteht vorzugsweise aus Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern.
Die Zellulose- 220 Innenschicht 216 ist gekennzeichnet durch einen ersten Elastizitätsmodul E₁''. Die äußere Schicht 212 aus gepresster Kohlefaser ist gekennzeichnet durch einen zweiten Elastizitätsmodul E₂'', der größer ist als der erste Elastizitätsmodul E₁'' der inneren Schicht 216. Die aus Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern 222 gefertigte Unterschicht 224 ist gekennzeichnet durch einen dritten Elastizitätsmodul E₃, der niedriger ist als der zweite Elastizitätsmodul E₂'' und typischerweise auch niedriger als der erste Elastizitätsmodul E₁''. Wie das Reibungselement 10 von 1 und das Reibungselement 110 der 2A und 2B, ist das Reibungselement 210 porös, so dass erste und zweite Kanäle (nicht gezeigt, aber ähnlich aufgebaut wie die Kanäle 44, 48 von 1 und die Kanäle 144', 148' von 2B) innerhalb der äußeren Schicht 212, der inneren Schicht 216 und der Unterschicht 224 ausgebildet sind. Demgemäß kann Schmiermittel durch das Reibungselement 210 transportiert werden, wie in den 1 und 2B veranschaulicht. Das Transportieren von Schmiermittel und die Materialauswahl, die in dem ersten, dem zweiten und dem dritten Elastizitätsmodul resultieren, wirken derart zusammen, dass das Reibungselement 210 einen hohen Reibungsbeiwert während eines Gleitkontakts an der Reibungsoberfläche 230 aufweist und in einem geringen Vibrationsrupfen auf Grund der relativ nied rigen ersten und dritten Elastizitätsmoduln der inneren Schicht 216 bzw. der Unterschicht 224 resultiert.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Reibungselement zum Eingriff in einen Drehmomentübertragungsmechanismus, das eine äußere Schicht mit einem ersten Material umfasst. Die äußere Schicht weist eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit einem gegenüberliegenden Reaktionselement in dem Drehmomentübertragungsmechanismus auf. Eine innere Schicht ist mit der äußeren Schicht gegenüber der Reibungsoberfläche verbunden und umfasst ein zweites Material. Die innere Schicht ist gekennzeichnet durch einen ersten Elastizitätsmodul und die äußere Schicht ist gekennzeichnet durch einen zweiten Elastizitätsmodul, der größer ist als der erste Elastizitätsmodul.

Claims

Reibungselement zum Eingriff in einen Drehmomentübertragungsmechanismus, wobei das Reibungselement umfasst: eine äußere Schicht, die ein erstes Material umfasst und eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit einem gegenüberliegenden Reaktionselement in dem Drehmomentübertragungsmechanismus aufweist; eine innere Schicht, die wirksam mit der äußeren Schicht gegenüber der Reibungsoberfläche verbunden ist und ein zweites Material umfasst; wobei die innere Schicht einen ersten Elastizitätsmodul aufweist und die äußere Schicht einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, der größer ist als der erste Elastizitätsmodul.
Reibungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitkontakt einen Reibungsbeiwert aufweist; wobei der erste Elastizitätsmodul in einer ersten Richtung in Bezug auf den Gleitkontakt vorliegt, wobei der zweite Elastizitätsmodul in einer zweiten Richtung in Bezug auf den Gleitkontakt vorliegt; und wobei der erste und der zweite Elastizitätsmodul zusammenwirken, um zumindest teilweise den Reibungsbeiwert herzustellen und aus dem Gleitkontakt resultierendes Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus zu steuern.
Reibungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Schichten mit ersten und zweiten Kanälen ausgebildet sind, die derart wirksam sind, dass Schmiermittel durch das Reibungselement im Wesentlichen in der ersten bzw. zweiten Richtung transportiert wird; wobei das Reibungselement einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist; und wobei die ersten und zweiten Kanäle derart wirksam sind, dass Schmiermittel aus einem von dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser transportiert wird.
Reibungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Schichten jeweils mit Kanälen ausgebildet sind, die in der ersten Richtung angeordnet sind, um Schmiermittel durch das Reibungselement in der ersten Richtung zu transportieren, wobei der erste Elastizitätsmodul zumindest teilweise durch den Schmiermitteltransport durch die Kanäle beeinflusst ist und dadurch zumindest teilweise den Reibungsbeiwert erhöht.
Reibungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Schichten jeweils mit Kanälen ausgebildet sind, die in der zweiten Richtung angeordnet sind, um Schmiermittel durch das Reibungselement in der zweiten Richtung zu transportieren, wobei der zweite Elastizitätsmodul zumindest teilweise durch den Schmiermitteltransport durch die Kanäle beeinflusst ist und dadurch ein Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus zumindest teilweise vermindert.
Reibungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Gleitkontakt steht; und dass die zweite Richtung im Wesentlichen parallel zu dem Gleitkontakt steht.
Reibungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Schicht Kohlefasern umfasst.
Reibungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefasern gepresst sind, um die äußere Schicht zu bilden.
Reibungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlefasern gewebt sind, um die äußere Schicht zu bilden.
Reibungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht Zellulose umfasst.
Reibungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht ferner Polyparaphenylenterephthalamid-Schnittfasern umfasst, die durch die Zellulose angeordnet sind.
Reibungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Schicht Polyparaphenylenterephthalamid-Fasern umfasst.
Reibungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner umfasst: eine Unterschicht, die mit der inneren Schicht gegenüber der äußeren Schicht wirksam verbunden ist und ein drittes Material umfasst; und wobei die Unterschicht einen dritten Elastizitätsmodul aufweist, der niedriger ist als der zweite Elastizitätsmodul.
Reibungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschicht mit zumindest einem von in der ersten Richtung angeordneten ersten Kanälen und in der zweiten Richtung angeordneten zweiten Kanälen ausgebildet ist, um Schmiermittel durch das Reibungselement in der ersten bzw. zweiten Richtung zu transportieren, wobei der dritte Elastizitätsmodul zumindest teilweise durch den Schmiermitteltransport durch den zumindest einen von ersten Kanälen und zweiten Kanälen beeinflusst ist.
Lastschaltgetriebe, umfassend: einen Drehmomentübertragungsmechanismus mit: einem Reibungselement; einem gegenüberliegenden Reaktionselement, wobei das Reibungselement und das Reaktionselement zur Energieübertragung selektiv in Eingriff gebracht werden können; wobei das Reibungselement eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit dem Reaktionselement aufweist, wobei der Gleitkontakt einen Reibungsbeiwert aufweist, wobei der Gleitkontakt wirksam ist, um den Drehmomentübertragungsmechanismus in Eingriff zu bringen; wobei das Reibungselement aufweist: eine äußere Schicht, die ein erstes Material umfasst und eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit dem Reaktionselement aufweist; eine innere Schicht, die mit der äußeren Schicht gegenüber der Reibungsoberfläche wirksam verbunden ist und ein zweites Material umfasst; wobei die innere Schicht einen ersten Elastizitätsmodul aufweist und die äußere Schicht einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, der größer ist als der erste Elastizitätsmodul.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitkontakt einen Reibungsbeiwert aufweist, wobei der erste Elastizitätsmodul in einer ersten Richtung in Bezug auf den Gleitkontakt vorliegt, wobei der zweite Elastizitätsmodul in einer zweiten Richtung in Bezug auf die Richtung des Gleitkontaktes vorliegt; und wobei der erste und der zweite Elastizitätsmodul zusammenwirken, um zumindest teilweise den Reibungsbeiwert herzustellen und aus dem Gleitkontakt resultierendes Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus zu steuern.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Gleitkontakt steht; und dass die zweite Richtung im Wesentlichen parallel zu dem Gleitkontakt steht.
Lastschaltgetriebe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Schichten mit Kanälen ausgebildet sind, die derart wirksam sind, dass Fluid durch das Reibungselement im Wesentlichen in der ersten und der zweiten Richtung transportiert wird; wobei das Reibungselement einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist; und wobei die Kanäle derart wirksam sind, dass Schmiermittel aus einem von dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser transportiert wird.
Reibungselement zum Eingriff in einen Drehmomentübertragungsmechanismus, wobei das Reibungselement umfasst: eine äußere Schicht, die ein erstes Material umfasst und eine Reibungsoberfläche für einen Gleitkontakt mit einem gegenüberliegenden Reaktionselement in dem Drehmomentübertragungsmechanismus aufweist; eine innere Schicht, die wirksam mit der äußeren Schicht gegenüber der Reibungsoberfläche verbunden ist und ein zweites Material umfasst; wobei die innere Schicht einen ersten Elastizitätsmodul aufweist und die äußere Schicht einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, der größer ist als der erste Elastizitätsmodul; wobei der erste Elastizitätsmodul in einer ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dem Gleitkontakt vorliegt; wobei der zweite Elastizitätsmodul in einer zweiten Richtung im Wesentlichen parallel zu dem Gleitkontakt vorliegt; wobei der erste und der zweite Elastizitätsmodul zusammenwirken, um zumindest teilweise den Reibungsbeiwert herzustellen und aus dem Gleitkontakt resultierendes Vibrationsrupfen des Drehmomentübertragungsmechanismus zu steuern; wobei das Reibungselement einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser aufweist; und wobei die Kanäle derart wirksam sind, dass Schmiermittel aus einem von dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser transportiert wird.