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Die
Erfindung betrifft einen Reibbelag, insbesondere einen Synchronreibbelag
in einem Getriebe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In
Handschaltgetrieben von Nutzfahrzeugen wirken insbesondere bei Fehlschaltungen
sehr hohe Kräfte. Im Wesentlichen werden bei Nutzfahrzeuggetrieben
zwei verschiedene Materialpaarungen für Synchronreibbeläge
eingesetzt. Dabei handelt es sich beispielsweise um so genannte
Molybdänreibbeläge, die in Kombination mit Stahl
als Reibpartner zwar eine sehr hohe Festigkeit aufweisen, bei welches
es jedoch beim Überschreiten einer Beanspruchungsschwelle
aufgrund der Ähnlichkeit der Reibpartner zu einem überdurchschnittlich
hohen Verschleiß kommt. Da bei Fehlschaltungen in dem Getriebe
diese Beanspruchungsschwelle häufig überschritten
wird, ist gerade diese Materialpaarung, nämlich Molybdän
und Stahl, bezüglich ihres Verschleißes weniger
gut geeignet.
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Häufig
werden daher Kombination aus Stahl- und Karbonreibbelägen
angewendet. Bei Karbonreibbelägen handelt es sich um Kohlenstofffasern (Karbon),
die in einer Kunststoffmatrix insbesondere einer Epoxidharzmatrix,
eingebunden sind. Bei Karbonreibbelägen ist zwar die mechanische
Festigkeit geringer als bei Molybdänreibbelägen,
sie weisen jedoch aufgrund des Reibverhaltens in der Werkstoffpaarung
mit Stahl eine höhere Verschleißfestigkeit als
Molybdänreibbeläge auf.
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Da
die Kohlenstofffasern oder auch Kohlenstoffpartikel organisch gebunden
sind, also beispielsweise in einem Epoxidharz gelagert sind, weist
der Karbonreibbelag an sich eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit
auf. Diese Wärmeisolierung hat zum einen den Vorteil, dass
eine Klebeschicht, mit der der Karbonreibbelag auf einer Trägerplatte
befestigt ist, nicht zerstört wird. Wie bereits erwähnt
wurde, sind die mechanischen und die tribologischen Eigenschaften
des Karbonreibbelages eigentlich recht gut, in der
DE 696 19 647 T2 wird jedoch vorgeschlagen, zur
weiteren Verfestigung des Reibbelages Metallfasern an der Oberfläche
des Reibbelages einzubringen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Karbonreibbelag bereitzustellen,
der gegenüber dem Stand der Technik eine höhere
kritische Festigkeit aufweist.
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Die
Lösung der Aufgabe besteht in einem Reibbelag mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
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Gemäß dem
Patentanspruch 1 weist der Reibbelag, der insbesondere in einem
Getriebe als Synchronreibbelag eingesetzt ist, zum einen Kohlenstoff
und zum anderen metallische Baubestandteile auf. Der Reibbelag zeichnet
sich dadurch aus, dass die metallischen Bestandteile Metallfasern
und/oder Metallpartikel umfassen, wobei diese in den Reibbelag in
der Art eingearbeitet sind, dass sie an der Oberfläche
des Reibbelags eingebrachte Wärmeenergie durch ihre Wärmeleitung
in andere Bereiche des Reibbelages abführen.
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Aufwendige
Prüfstandsuntersuchungen haben ergeben, dass die Energie,
die bei Fehlschaltungen in den Synchronreibbelag eingebracht wird,
deshalb zur Beschädigung des Reibbelags führen
kann, da die Wärmemenge an der Oberfläche des
Reibbelages nicht in optimaler Weise abgeführt wird. Hierdurch
entstehen so genannte Hot Spots, die eine lokale Überhitzung
der Oberfläche des Reibbelages mit sich bringen. Durch
diese lokale Überhitzung wird insbesondere das organische
Trägermaterial des Reibbelages, also beispielsweise das
Epoxidharz nachhaltig beschädigt, wodurch es zu erhöhten
Verschleißerscheinung an den Stellen kommt, an denen vormals
derartige lokale Überhitzungen vorgelegen haben. Das Gewebe
ist an dieser Stelle lokal vorgeschädigt. Der fortschreitende
Verschleiß wird durch das Auftreten erhöhter Schaltkräfte
weiterhin beschleunigt.
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Durch
diese Erkenntnis ist es möglich, Metallfasern oder Metallpartikel
gezielt in der Art in den Reibbelag einzuarbeiten, dass derartige
Hot Spots bzw. lokale Überhitzungen verhindert werden.
Die Wärmeenergie wird durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit,
die durch die Metallfasern bzw. Metallpartikel gewährleistet
sind, in andere Bereiche des Reibbelags abgeführt. Dabei
bedeutet der Begriff „andere Bereiche” insbesondere
Bereiche im Inneren des Reibbelages. Ebenso ist jedoch eine Wärmeleitung
in seitlicher Richtung, in Außenbereiche des Reibbelages zweckmäßig.
Wichtig ist, dass lokale Überhitzungen vermieden werden.
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Dabei
ist es weiterhin zweckmäßig, dass die Metallfasern
oder Metallpartikel eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen,
die größer als 150 W/mK aufweisen. Besonders vorteilhaft
ist eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/mK.
Eine derartig hohe Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere
durch Aluminium oder Kupferlegierungen gewährleistet. Metallfasern
oder Metallpartikel auf Basis von Aluminium oder Kupfer sind daher
für den Abtransport der Wärmeenergie in dem Reibbelag
besonders gut geeignet.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Basis
des Reibbelages ein Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff.
In diesem können die Metallfasern integriert sein. Dabei
besteht eine weitere Ausführungsform darin, dass die Kohlenstofffasern gewebt
sind.
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Bei
gewebten Kohlenstofffasern, die bevorzugt in Form von Faserbündeln
vorliegen, können die Metallfasern einzeln innerhalb dieser
Faserbündel verlaufen.
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In
einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Kohlenstofffasern
ebenfalls gewebt, liegen ebenfalls in Faserbündeln vor,
wobei die Metallfasern jedoch auch in Form von Faserbündeln ausgestaltet
sind und innerhalb der Kohlenstofffaserbündel verlaufen.
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Auch
ein Verlauf der Metallfasern außerhalb der Kohlenstofffaserbündel
kann zweckmäßig sein.
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Dieser
parallele Verlauf der Metallfasern, sei es als Einzelfasern in den
Kohlenstofffaserbündeln, sei es als Faserbündel
innerhalb der Kohlenstofffaserbündel oder sei es als oberflächlich
paralleler Verlauf zu den Kohlenstofffaserbündeln bewirkt,
dass die gut Wärme leitenden Metallfasern die Wärme
am Ort ihres Auftretens an der Oberfläche des Reibbelages schnell
abtransportieren.
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Es
hat sich ferner herausgestellt, dass ein Gewichtsanteil der Metallfasern
am Reibbelag zwischen 5% und 40% beträgt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung und weitere Merkmale werden
anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch die Oberfläche eines Reibbelages mit
Metallfasern, die in Kohlenstofffaserbündel integriert
sind,
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2 den
Reibbelag aus 1 mit Metallfaserbündeln,
die in Kohlenstofffaserbündel integriert sind und
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3 den
Reibbelag aus 1 mit einer Metallfaser, die
außerhalb eines Kohlenstofffaserbündels verläuft.
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Bei
der Darstellung nach 1 handelt es sich um einen Karbonreibbelag 2 der
insbesondere als Synchronreibbelag in einem Nutzfahrzeughandschaltgetriebe
Anwendung findet. Hierbei handelt es sich um ein Gewebe aus Kohlenstofffasern,
insbesondere Kohlenstofffaserbündel 4, 6,
die in einem organischen Trägermaterial 8 (oder
Matrixmaterial) gebunden sind. Als organisches Trägermaterial 8 hat sich
Harz, insbesondere Epoxidharz vorteilhaft bewährt.
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Im
Folgenden sollen die einzelnen Bestandteile dieses Belages, die
auch in den 1–3 in gleichem
Maße abgebildet sind, erläutert werden. Der Reibbelag 2 ist
in den 1–3 in Form
eines Schliffbildes dargestellt. Hierbei ist ein Stück
des Reibbelages 2, das sich an einer Oberfläche 7 des Reibbelages 2 befand,
herausgeschnitten worden, in ein Schliffbett eingebettet worden
und ein Schliffbild daraus angefertigt worden. Die Abbildungen nach den 1–3 sind
vergrößerte Schliffbilddarstellungen, die unter
einem Mikroskop aufgenommen wurden.
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In
diesen vergrößerten Schliffbilddarstellungen sind
in x-Richtung verlaufende Kohlenstofffaserbündel 4 zu
erkennen. Diese Kohlenstofffaserbündel 4, die
in x-Richtung verlaufen, sind mäanderförmig um
Kohlenstofffaserbündel 6 gewebt, die in y-Richtung
verlaufen. Die y-Richtung verläuft nach den Darstellungen
in 1–3 in die Zeichenebene
hinein. Die Faserbündel 6, die in y-Richtung verlaufen, sind
in den 1–3 in Form
von mehr oder weniger runden Querschnitten zu erkennen. In diesen einzelnen
Faserbündeln 6 sind die Fasern an sich nicht bezeichnet,
jedoch durch die Punktierung der Flächen schematisch veranschaulicht.
Des Weiteren ist Trägermaterial 8 zu erkennen,
das eine Matrix bildet, die in das Kohlenstoffgewebe eingebettet
ist. Die Matrix besteht, wie bereits dargelegt, in vielen Fällen aus
einem Epoxidharz.
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Wie
bereits einleitend dargelegt wurde, entsteht in einem Schaltgetriebe
insbesondere bei Fehlschaltungen an der Oberfläche des
Reibbelages 2, eine sehr hohe Wärmeenergie, die
durch die Kohlenstofffasern 4, 6 und durch die
die Kohlenstofffasern einbindende Matrix nur unzureichend abgeführt
werden kann. Gemäß den 1–3 werden
nun Reibbeläge 2 vorgeschlagen, die neben den
Kohlenstofffasern 4, 6 noch zusätzliche
Metallfa sern 10 und 12 enthalten. Gemäß 1 sind
in die Kohlenstofffaserbündel 4 und 6 jeweils
eine Metallfaser 10 bzw. 12 integriert. Hierbei
läuft jeweils eine verhältnismäßig dicke
Metallfaser 10, 12 im Inneren der Kohlenstofffaserbündel 4 und 6.
Die Metallfaser 10 verläuft dabei in Kohlenstofffaserbündeln 6,
die in y-Richtung verlaufen, die Metallfaser 12 ist in
ein Kohlenstofffaserbündel 4 integriert, das in
x-Richtung verläuft.
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2 unterscheidet
sich von der 1 darin, dass die Metallfasern 14 und 16 nicht
in Form von Einzelfasern, sondern in Form von Metallfaserbündeln 14, 16 im
Inneren der Kohlenstofffaserbündel 4 und 6 verlaufen.
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Die 3 unterscheidet
sich von den 1 und 2 darin, dass
die Metallfaser 18 (als Einzelfaser oder Metallfaserbündel)
außerhalb parallel um die Kohlenstofffaser 4 und 6 verläuft.
Hierbei ist es möglich, dass die Metallfaser 18 direkt
parallel außen verläuft oder um die Kohlenstofffaser 4,6 spiralförmig herumgewickelt
ist.
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Der
in den 1–3 beschriebene
Einsatz von Metallfasern, insbesondere von hochwärmeleitfähigen
Aluminiumfasern oder Kupferfasern, die eine Wärmeleitfähigkeit
von mindestens 150 W/mK aufweisen, bewirkt, dass Wärmeenergie
besonders schnell an dem Ort ihrer Einbringung in den Reibbelag 2 abtransportiert
wird. Lokale Überhitzungen, so genannte Hot Spots, werden
dadurch erst gar nicht gebildet, bzw. sehr schnell wieder abgebaut. Durch
die Vermeidung von lokalen Überhitzungen wird an diesen
Stellen das Matrixmaterial 8, also das organische Bindemittel
wie Epoxidharz, nicht in derart beansprucht, dass es sich thermisch
zersetzt und seine Bindewirkung und somit die Verschleißbeständigkeit
des gesamten Belages reduziert wird. Grundsätzlich ist
es selbstverständlich auch zweckmäßig, dass
als Matrixmaterial 8 ein besonders Hochtemperatur beständiges
Harz verwendet, das eine thermische Beständigkeit von deutlich
mehr als 200°C aufweist. Eine derartig flankierende Maßnahme
kann die Beständigkeit des Reibbelages 2 gegenüber
lokalen Überhitzungen noch zusätzlich verbessern.
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Die
in den 1–3 gezeigten
Reibbeläge zeichnen sich dadurch aus, dass die Kohlenstofffaserbündel 4 und 6 miteinander
verwebt sind. Dies ist jedoch rein exemplarisch zu sehen. Durch
das Verweben der Reibbeläge und durch das Integrieren von
Metallfasern in diese verwebten Reibbeläge 2 wird
die Wärmeenergie insbesondere in die Randbereiche des Reibbelages 2 abgeführt.
Eine Abführung der Wärmeenergie in den inneren
Bereich, also in z-Richtung findet durch diese Art der Verknüpfung der
Kohlenstofffasern und der Metallfasern auch statt, sie kann jedoch
durch eine andere Maschentechnik noch verbessert werden.
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Neben
der exemplarisch dargestellten Verwebung der Reibbeläge 2 kann
auch ein Stricken oder Wirken der Reibbeläge zweckmäßig
sein. Ferner kann es zweckmäßig sein, dass analog
einer Vliesherstellung die einzelnen Faserbündel durch
gezieltes Einstechen mit Nadeln verfilzt werden. Durch eine derartige
Faseranordnung wäre eine zusätzliche Wärmeleitung
durch die eingebrachten und in die Kohlenstofffaser 4 und 6 integrierten
Metallfasern in z-Richtung möglich. Dadurch wäre
es möglich, die Wärmeenergie ins Innere des Reibbelages
abzuführen, was jedoch wieder im Konflikt damit stehen
würde, dass eine Klebeschicht zwischen dem Reibebelag 2 und
einem nicht dargestellten Trägerteil grundsätzlich
kühl gehalten werden soll.
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Neben
den in 1–3 näher
erläuterten Reibbeläge 2, in denen gewebte
Kohlenstofffasern zum Einsatz kommen, ist es auch zweckmäßig,
hier nicht dargestellte Karbonreibbeläge zu verwenden, die
insbesondere Karbonpartikel, die wiederum in einer Trägermatrix
gebunden sind, umfassen. Auch in derartige Partikel-Karbonreibbeläge
können Metallfasern in derart eingesetzt werden, dass sie
an der Oberfläche entstehende Wärmeenergie so
abführen, dass der gesamte Reibbelag möglichst
eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist
und das Trägermaterial somit nicht beschädigt
wird.
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Es
ist anzumerken, dass durch die Einbringung der Metallfasern auch
die mechanische Festigkeit des Reibbelages und die Widerstandsfähigkeit gegenüber
Verformung oder Verschleiß erhöht werden. Der
Anteil der Metallfasern am Gewicht des gesamten Reibbelages beträgt
bevorzugt zwischen 5% und 40%. Hierbei wird der Metallfaseranteil
so eingestellt, dass insbesondere die bereits erwähnte
vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit gewährleistet
ist, andererseits auch eine optimale Reibeigenschaft (Fresssicherheit)
zum Reibpartner Stahl gewährleistet ist. Als Obergrenze
für den Anteil von Metallfasern wird bezüglich
der Reibeigenschaften ein Gewichtsanteil von 40% angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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