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Die
Erfindung betrifft einen Reibbelag und dessen Herstellung zur Anwendung
in Nasskupplungen.
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Derartige
Reibbeläge sind als sogenannte Papierbeläge in
Nasskupplungen wie beispielsweise Wandlerüberbrückungskupplungen
bekannt. Sie bestehen aus Fasermaterialien und Bindemitteln sowie verschiedenen
Zusatzstoffen. Zum Hintergrund von möglichen Herstellungsverfahren,
Zusammensetzungen und Anwendung sei beispielsweise auf die Dokumente
US 6,534,565 und
US 2007/0009730 A1 verwiesen.
Die Papierbeläge müssen zum einen poröse
Eigenschaften aufweisen, um eine insbesondere infolge von Schlupf
der Nasskupplung auftretende Reibungswärme mittels eines Ölflusses
durch den Reibbelag erzielte Kühlung zu bewirken und zum
anderen eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Als
besonders vorteilhaft hat sich daher die Verwendung von geschnittenen
Aramid-Fasern in Verbindung mit Phenolharzen als Bindemittel erwiesen.
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Weiterhin
sind Aramid-Fasern bekannt, die mittels eines mit einem Gasstrom
betriebenen Spinndüsenverfahrens hergestellt sind, die
wegen ihrer geringen Faserstärke und ihrer Neigung zu einer
dreidimensionalen Vernetzung sehr feine und dichte Beläge
bilden können. Derartige Fasern und deren Herstellung sind
in der
US 2007/0082198
A1 offenbart. Für die Herstellung von Reibbelägen
gilt eine Verwendung dieses Fasertyps nicht vorteilhaft, da durch die
Feinheit der Fasern die Poren des Reibbelags verstopft werden und
damit die Porosität in Mitleidenschaft gezogen wird.
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Die
als Reibbeläge vorgesehenen Papierbeläge können
mit Kornmaterial, beispielsweise Graphit, versehen werden, um deren
Temperaturbeständigkeit, Scherfestigkeit, Druckbelastung
und dergleichen zu steigern. Hierzu wird das Kornmaterial einer während
der Herstellung die Inhaltsstoffe enthaltenden Pulpe zugefügt
und senkt sich zumindest teilweise in unerwünschter Weise
in Pulpe ab, so dass inhomogene Reibbeläge entstehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, einen Papierbelag und ein Verfahren zu
dessen Herstellung mit einer homogenen Verteilung des Kornmaterials vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Reibbelags
zumindest bestehend aus Aramid-Fasern und Bindemittel sowie Kornmaterial
mit vorgegebenem Korndurchmesser gelöst, wobei das Kornmaterial
mit Aramid-Fasern umkleidet und anschließend mit dem Bindemittel
und gegebenenfalls weiteren Komponenten vermischt wird.
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Weiterhin
wird die Aufgabe durch einen Reibbelag bestehend aus geschnittenen
Aramid-Fasern, fibrillierten Fasern, mittels eines Spinndüsenverfahrens
hergestellte Aramid-Fasern Phenolharz, Kornmaterial und optional
Zellulosefasern, Kieselgel und Mineralfasern, wobei das Kornmaterial
von mittels eines Spinndüsenverfahrens hergestellten Aramid-Fasern
umkleidet ist.
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In
einem dergestalt hergestellten Reibbelag kann das Kornmaterial so
von Aramid-Fasern umkleidet sein, dass die Homogenisierung der Pulpe
in einfacher Weise möglich ist. Beispielsweise kann die Größe
der Partikel dadurch steigen, dass ein schwerkraftbedingtes Absinken
der aus Kornmaterial und Aramid-Fasern gebildeten Partikel nicht
mehr möglich oder so erschwert ist, dass sie in der Schwebe gehalten
werden. Beispielsweise kann durch die geringere Dichte der Aramid-Fasern
die Dichte der Partikel annäherungsweise so eingestellt
werden, dass sie im Bereich der Dichte der Pulpe liegt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des Reibbelags
kann die Umkleidung des Kornmaterials in einem ersten Verfahrensschritt
erfolgen, bei dem die mittels eines Spinndüsenverfahrens
hergestellten Aramid-Fasern in eine wässrige Pulpe überführt
werden. Eine wässrige Pulpe kann bereits nach dem Spinnen
der Fasern hergestellt werden. Die wässrige Pulpe wird
aufgeschlagen und das Kornmaterial wird hinzugefügt. Vorzugsweise
bei konstant gehaltenem pH-Wert wird die Mischung weiter gemischt
und gerührt. Durch Zugabe von Dispersionsmittein kann die
Vermischung von Kornmaterial und Fasern verbessert werden. Durch
Temperaturerhöhung, beispielsweise auf 80–100°C,
kann eine Beschleunigung der Beschichtung des Kornmaterials durch
die Fasern und eine bessere Haftung der Fasern auf dem Kornmaterial erzielt
werden. Zum Rühren und Mischen können entsprechend
kommerziell erhältliche Rührwerke verwendet werden.
Gleichermaßen können zur Aufnahme der Pulpe und
Dosierung der Bestandteile entsprechende Behälter, die
verschließbar, abdeckbar und beheizbar sein können,
und Dosiereinrichtungen zum Dosieren von Feststoffen, Suspensionen und
Flüssigkeiten, verwendet werden. Die in der Pulpe beschichteten
Körner des Kornmaterials können aus der Pulpe
isoliert und dem Gemisch zur Herstellung der Reibbeläge
zugeführt werden.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich ein sogenanntes „Single-Batch-Verfahren"
erwiesen, bei dem eine Dosierung der Fasern und des Kornmaterials
in der Weise erfolgt, dass eine gewünschte Dicke der Umkleidung
beim Kornmaterial erzielt wird und nur vernachlässigbare
Mengen überschüssiger Fasern in der Pulpe verbleibt.
Dadurch können die übrigen Bestandteile zur Herstellung
der Reibbeläge direkt in die Pulpe eingebracht werden.
Der nur geringe Anteil der im Spinndüsenverfahren hergestellten
Aramid-Fasern stört dabei die Porosität der Reibbeläge
durch Verklebung der sich bildenden Poren nur unwesentlich. Im Anschluss
wird der in die gewünschte Form gebrachte Reibbelag in
an sich bekannter Weise verpresst und getrocknet. Das Bindemittel
oder Phenolharz kann dabei in Form von wässrig gebundenem Latex
oder anderen Formen kautschukähnlicher Verbindungen der
Pulpe zugemischt werden. Harzgebundene Bindemittel wie Phenolharze
können auch in das Rohmaterial des Reibbelags eingebracht
werden, indem diese in eine Lösung des Bindemittels eingetaucht
und anschließend in einem Ofen gepresst und gehärtet
werden.
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Zur
Verbesserung der Eigenschaften können in dem Verfahren
zur Herstellung des Reibbelags bei der Mischung der Komponenten
weitere Komponenten, beispielsweise Zellulosefasern, mineralische
Fasern und Kieselgel beigemischt werden, um beispielsweise die mechanischen
Eigenschaften, beispielsweise die Reibeigenschaften, zu erhöhen.
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In
vorteilhafter Weise bestehen Kornmaterialien aus Partikeln mit einer
vorgegebenen Partikelverteilung, die von sehr kleinen bis sehr großen Durchmessern
reichen. Es hat sich daher als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn
Kornmaterial mit einer engen Verteilung der Partikelgröße
im Bereich der Belagdicke ausgewählt wird, beispielsweise
indem besonders ausgewählte Siebfraktionen verwendet werden.
So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die Korngrößenverteilung
der Partikel so gewählt wird, dass zumindest 90% der Partikel
einen Durchmesser zwischen 50 und 100% der Belagdicke aufweist.
So kann es beispielsweise besonders voreilhaft sein, wenn bei einer
angenommenen Belagdicke von ca. 0,6 bis 0,7 mm mindestens ein Anteil
von ca. 90% der Partikel einen größeren Durchmesser als
0,5 mm aufweist. Durch die Verteilung der Korngröße,
das heißt, des Partikeldurchmessers kann dann die Stabilität
festgelegt werden. Sind die Partikel zusätzlich noch elastisch,
so können die Partikel mit einem Durchmesser in Stärke
der Belagdicke komprimiert werden, so dass die Flächenpressung, die
auf den übrigen Reibbelag wirkt, durch die als Stützstellen
wirkenden Partikel abgefangen werden. Durch die elastische Verformung
wird zusätzlich Energie verbraucht. Durch den großen
Anteil kleinerer Partikel als der Belagdicke wird zusätzlich
eine Reserve aufgebaut, da bei einer Deformation der Partikel mit
großem Durchmesser die Partikel mit kleinerem Durchmesser
zusätzlich verpresst werden. Auf diese Weise wird der Reibbelag überproportional
gegen zunehmende Flächenpressung geschützt. Die Elastizität
des Kornmaterials wird dabei so gewählt, dass eine vollelastische
Entspannung bei nachlassender Flächenpressung eintritt,
um einem frühzeitigen Verschleiß des Kornmaterials
und damit dem gesamten Reibbelag vorzubeugen.
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Die
Eigenschaften und die Art des Kornmaterials werden beispielsweise
nach thermischen, elastischen, und/oder statischen Gesichtspunkten
ausgewählt. Dabei hat sich insbesondere die Verwendung von
Graphit als vorteilhaft erwiesen. Die Art der Modifikation von Graphit
kann dabei glasartig, diamantähnlich oder in einer andersartig
verdichteten Form gewählt werden. Andere Materialien wie
temperaturbeständige, druckbelastbare, beispielsweise glasfaser-
oder anderweitig verstärkte Kunststoffe oder Metalle, die
einen höheren Abrieb aufweisen als die metallischen Reibflächen,
können ebenfalls vorteilhaft sein.
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Der
Gewichtsanteil des Kornmaterials am Gesamtgewicht kann in vorteilhafter
Weise von den Anforderungen der Flächenpressung abhängig
gemacht werden. Es haben sich für Partikel aus Graphit Gewichtsanteile
zwischen 1% und 30% bezogen auf das Gewicht des fertigen Reibbelags
als vorteilhaft erwiesen. Besonders vorteilhaft sind Gewichtsanteile zwischen
2% bis 15%. Es versteht sich, dass das spezifische Gewicht anderer
Trägermaterialien entsprechend berücksichtigt
wird.
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In
einer besonders bevorzugten Form kann ein Reibbelag aus den Gewichtsanteilen
10% bis 30% geschnittenen Aramid-Fasern mit einer Länge zwischen
1 bis 5 mm, 5% bis 45% fibrillierte Aramid-Fasern, 10% bis 50% Phenolharz,
5% bis 50% Zellulosefasern, 1% bis 15% Kornmaterial, 0% bis 60%
Kieselgel und 0% bis 15% Mineralfaser, 0% bis 30% Kohlefasern sowie
2% bis 5% mittels eines Spinndüsenverfahrens hergestellten
Aramid-Fasern hergestellt werden, wobei das Kornmaterial mit mittels
des Spinndüsenverfahrens hergestellten Aramid-Fasern umkleidet
ist. Bevorzugt ist dieser Reibbelag mit Kornmaterial aus Graphit
versehen.
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Die
Erfindung wird anhand der 1 und 2 näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen
Reibbelag nach dem Stand der Technik während der Herstellung,
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2 einen
erfindungsgemäßen Reibbelag während der
Herstellung und
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3 eine
Herstellung von Reibbelägen mittels einer Fourdinier-Maschine.
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1 zeigt
eine Matrize 1 mit einem Deckel 1a, der in Richtung
des Pfeils 1b zum Verpressen des Reibbelags 2 geschlossen
wird, zur Herstellung eines im Wesentlichen ringförmigen
Reibbelags 2 im Querschnitt entlang eines Ringsegments
nach dem Stand der Technik. Der Reibbelag 2 wird in die
Matrize als wässriges Gemenge aus Faser-Bindemittel- und
Füllstoffanteilen eingebracht und unter Druck und unter
Anwendung von Temperatur verpresst. Hierdurch verdampft das Wasser
und der Reibbelag 2 wird zu einem porösen festen
Reibbelag gepresst. Die beigegebenen Partikel 3 sind zu
Beginn des Verfestigungsprozesses im wässrigen Gemenge
mobil und senken sich infolge ihrer gegenüber dem Gemenge
höheren Dichte auf den Boden der Matrize 1 ab.
Hierdurch entstehen inhomogene Reibbeläge, die an ihrer
die Reibfläche bildenden Oberfläche einen verminderten
oder je nach Richtung der nachträglichen Befestigung an
einem Reibbelagträger einen erhöhten Anteil an
Partikeln aufweisen.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung eines Reibbelages 20 in
der oben beschriebenen Matrize 1 mit Deckel 1a.
Um die Mobilität der Partikel 3 in dem Gemenge
des Reibbelages vor dem Verpressen zu erniedrigen, werden diese
mit einer Schicht 4 umkleidet. Durch die erhöhte
Oberfläche können sich die Partikel nicht mehr
auf den Boden der Matrize 1 absetzen. Dabei hat es sich
als vorteilhaft gezeigt, wenn als Ummantelung der Partikel 3 eine
besondere Form von Aramid-Fasern eingesetzt wird, die mittels eines
Spinndüsenverfahrens hergestellt sind. Derartige Fasern
bilden sehr dünne Schichten und bilden mit den geschnittenen
und fibrillierten Aramid-Fasern, die üblicherweise für
Reibbeläge verwendet werden, ein homogenes Gemisch. Auf
diese Weise bilden die mit der Schicht 4 ummantelten Partikel 3 mit
den übrigen Bestandteilen des Reibbelags 20 ein
homogenes Gemisch mit einer statistischen Gleichverteilung der Partikel 3 im
Reibbelag 20.
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Werden
die Partikel 3 vorab mit den Aramid-Fasern aus dem Spinndüsenverfahren
in einem geeigneten Mengenverhältnis gemischt, werden die Fasern
nahezu vollständig als Schicht 4 umgesetzt, so
dass anschließend die übrigen Bestandteile in
einem einzigen Mischverfahren zugesetzt werden können,
so dass der Herstellungsprozess nicht wesentlich aufwändiger
wird. In vorteilhafter Weise eignen sich Partikel 3 aus
Graphit in Verbindung mit ihren Eigenschaften guter Wärmekapazität
und Elastizität und Festigkeit besonders gut.
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3 zeigt
die Herstellung von Reibbelägen mittels einer in der Papierherstellung
in ähnlicher Weise verwendeten Fourdinier-Maschine 22.
Das Rohmaterial 23 mit den in wässriger Phase
enthaltenen Anteilen an Aramid-Fasern, Bindungsmitteln und Füllstoffen
werden aus Zuführeinheit 24 auf eine Gewebebahn 21 gebracht,
die das Rohmaterial zum Trocknen und Pressen in einen Ofen transportiert.
Im Zwischenbereich wird das Rohmaterial 23 bereits zumindest
teilweise in eine Abtropfwanne 25 dehydratisiert. Zur Reduktion
der Mobilität der Partikel 3 (Bezugszeichen betreffend
Rohmaterial 23 siehe 1 und 2)
im Rohmaterial 23, werden die Partikel 3 mit einer
Schicht 4 belegt. Wegen der dadurch vergrößerten
Oberfläche können die Partikel 4 nicht mehr
auf den Grund des Rohmaterials absinken. Es hat sich als vorteilhaft
herausgestellt, wenn die Partikel 3 mit einer Schicht aus
Aramid-Fasern, die mittels des Spinndüsenverfahren hergestellt
sind, verwendet werden, da sich sehr dünne Schichten herstellen lassen,
die in sehr guter Weise in Wechselwirkung mit den übrigen
Aramid-Fasern treten und dadurch die Homogenität mit einer
statistisch einheitlichen Verteilung der Partikel 3 des
Reibbelags erhöhen. Durch die sehr dünnen Schichten 4 lässt
sich weiterhin der effektive Durchmesser der Partikel, die begrenzt
durch die Reibbelagdicke ist, erhöhen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6534565 [0002]
- - US 2007/0009730 A1 [0002]
- - US 2007/0082198 A1 [0003]