DE102009015152A1

DE102009015152A1 - Reibbelag für eine Reibungskupplung

Info

Publication number: DE102009015152A1
Application number: DE102009015152A
Authority: DE
Inventors: Christian Spandern; Tim-Florian Gerbing
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US8511453B2; CN102037254A; WO2009124525A1; CN102037254B; DE112009000835A5; WO2009124525A9; US20110024257A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reibbelag für eine Kupplungsscheibe für eine Reibungskupplung, der aus einem aus Strangmaterial gewickelten und einem Heißpressverfahren unterworfenen Vorpressling hergestellt wird, wobei zur Minimierung des abrasiven Verhaltens die Glasfasern zumindest teilweise durch Mineralfasern ersetzt werden. Die kurzgeschnittenen Glasfasern und weitere Bestandteile wie Aramidfasern, Polyacrylnitrilfasern sowie künstliche Mineralfasern werden in einem Kardierungsschritt zu einem Vlies verarbeitet und Streifen des Vlieses unter Einbeziehung zumindest eines Metalldrahts zu Strangmaterial verzwirnt. Das so hergestellte Strangmaterial wird mit Bindemittel und Füllstoffen imprägniert und zu einem Vorpressling verarbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reibbelag sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Reibbelags für Kupplungsscheiben einer Reibungskupplung.
Derartige Reibbeläge werden für Kupplungsscheiben von Reibungskupplungen in Kraftfahrzeugen verwendet, wobei zwischen metallischen Reibflächen der Reibungskupplung und den Reibbelägen ein Reibschluss, der je nach Betriebsweise der Reibungskupplung haftend oder schlupfend sein kann und ein entsprechendes Moment von einer Antriebseinheit auf einen Abtrieb überträgt, gebildet wird.
Wegen der hohen Drehzahlen der Reibungskupplung soll der Reibbelag eine hohe Berstdrehzahl aufweisen. Zur Sicherung eines Langzeitbetriebs soll der Reibbelag verschleißarm sein und dennoch gute Reibwerte aufweisen.
Zur Erhöhung der Berstfestigkeit des Reibbelags ist bereits bekannt, mit einem Bindemittel imprägniertes Strangmaterial aus reibfesten Materialien, beispielsweise Garn, in Umfangsrichtung wellenförmig in mehreren flachen Lagen abzulegen, wobei beispielsweise die Windungen des Strangmaterials elliptisch oder sinusförmig von Außendurchmesser zu Außendurchmesser unter Bildung von Umkehrbereichen und Freihaltung des Innendurchmessers geführt werden, wobei die Umkehrbereiche von einer Windung zur anderen jeweils über den Umfang winkelversetzt werden. Damit kann der Anteil des Strangmaterials an der Gesamtzusammensetzung des Reibbelags und damit seine Reib- und Berstfestigkeit erhöht werden. Das Wickeln geschieht zumeist mit Hilfe einer Wickelmaschine, wobei pro Umlauf in Umfangsrichtung definitionsgemäß eine Lage gewickelt wird. Die Anzahl der Umkehrbereiche über einen Umfang des Reibbelags wird als Wickelverhältnis bezeichnet. Ein Wickelverhältnis von 1:10 beschreibt beispielsweise, dass das Strangmaterial über einen Umfang zehn Umkehrbereiche aufweist. Auf diese Weise gewickelte Vorpresslinge werden in einem Heißpressverfahren auf ihre endgültige Form gepresst. Um einen stabilen und formfesten Reibbelag zu erzielen wird dieser in einer empirisch ermittelten Dicke ausgeführt, der neben der über den Betrieb durch Verschleiß abnehmenden Reibschicht eine Tragschicht enthalten kann, die insbesondere eine andere, für die Tragfähigkeit förderliche Wicklung aufweisen kann, enthält.
Zur Optimierung der Berstfestigkeiten der Reibbeläge werden in dem Strangmaterial Glasfasern, die eine insbesondere nach einer Verfestigung mit dem Bindemittel je nach Anteil dem Reibbelag mechanische Festigkeit verleihen, eingesetzt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere bei niedrigen Temperaturen der durch die Glasfasern hervorgerufene Abrasivverschleiß die Oberflächen der metallischen Gegenreibflächen der Reibungskupplung, sowie der Belag selber starkem Verschleiß unterzogen werden.
Es ergibt sich daher die Aufgabe, einen Reibbelag vorzuschlagen, der bei guter Festigkeit ein verringertes Abrasionsverhalten aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen Reibbelag für eine Kupplungsscheibe einer Reibungskupplung bestehend aus einem aus Strangmaterial gewickelten und mit Bindemittel versehenen, in einem Heißpressverfahren unter Druck zum Reibbelag geformten Vorpressling mit einem zumindest aus folgenden Bestandteilen gebildeten Strangmaterial gelöst:

a) bis zu 60 Gewichts-% Glasfasern,
b) 1 bis 40 Gewichts-% Polyacrylnitrilfasern,
c) 1 bis 25 Gewichts-% para-Aramidfasern,
d) bis 80 Gewichts-% künstliche Mineralfasern
e) 1 bis 40 Gewichts-% Kupfer oder Kupferlegierung.

Durch eine gründliche Vermengung der einzelnen Faserbestandteile kann eine homogene Fasermischung erzielt werden, die einer Aufkonzentrierung von Glasfasern entgegen wirkt. In vorteilhafter Weise wird dabei das Strangmaterial aus einem mittels einer Kardierung der Faserbestandteile hergestellten Vlies und einem mit diesem verzwirnten Metallanteil, beispielsweise Kupfer oder dessen Legierungen, die hierzu vorteilhafterweise als Endlos-Drahtmaterial eingesetzt werden, hergestellt. Das mittels des Kardierungschritts hergestellte Vlies aus den Faserbestandteilen kann in zur Verzwirnung mit dem Drahtmaterial geeigneten Streifen geschnitten oder bereits in entsprechender Streifenbreite hergestellt werden. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Länge der Faserbestandteile ähnlich ist und beispielsweise für Glasfasern zwischen 30 und 70, die Polyacrylnitrilfasern zwischen 40 bis 80 und die para-Aramidfasern zwischen 40 bis 80 Millimeter beträgt.
Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Verbesserung der Abrasionseigenschaften sieht den teilweisen oder kompletten Ersatz von Glasfasern durch eine künstlich hergestellte Mineralfaser vor. Die Substitution sieht insbesondere vor, die Summe aus Glasfasern und künstlichen Mineralfasern auf kleiner oder gleich 80 Gewichts-% zu beschränken.
Die Länge der künstlichen Mineralfasern kann dabei geringer als die der übrigen Faserbestandteile sein, beispielsweise 0,1 und 10 Millimeter. Der Durchmesser dieser Mineralfasern beträgt dabei 6 bis 15 Mikrometer.
Die Mineralfasern können aus Mischungen natürlich vorkommender, beispielsweise vulkanischen Ursprungs und/oder künstlich hergestellter, beispielsweise aus Alumosilikaten oder von diesen abgeleitete Minerale sein, die fein pulverisiert in die Schmelze überführt und einem Spinnprozess unterworfen werden, wobei mittels Druck und Dauer des Spinnvorgangs die Faserlänge eingestellt werden kann. Die Fasern weisen eine hohe Biolöslichkeit auf und sind somit gesundheitlich unbedenklich. Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines künstlichen Mineralfasermaterials enthält beispielsweise:

– 35 bis 45 Gewichts-% SiO2,
– 20 bis 25 Gewichts-% Al2O3,
– 20 bis 25 Gewichts-% MgO und CaO,
– 3 bis 6 Gewichts-% K2O und Na2O,
– 3 bis 6 Gewichts-% FeO.

Um eine gute Benetzung mit dem Bindemittel zu erzielen, können die künstlichen Mineralfasern mit einem Benetzungsmittel behandelt sein, dies können Chemikalien sein, die zwischen den anorganischen Eigenschaften der künstlichen Mineralfasern und den weitgehend organischen Eigenschaften des Bindemittels vermitteln. Diese Funktion kann von Aminosilan in besonderer Weise erfüllt werden.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass eine Begrenzung der Härte nach Mohs der reibungsaktiven Fasern auf kleiner oder gleich 6,0 besondere Vorteile bezüglich der Abnutzung von metallischen Gegenreibflächen aufweist. Die Härte der künstlichen Mineralfasern wird daher vorzugsweise auf einen Grenzwert 6,0 nach Mohs begrenzt.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gelöst, das unter Verwendung der zuvor beschriebenen Materialien und deren Eigenschaften ein Herstellungsverfahren vorsieht, bei dem eine Mischung aus zumindest folgenden Bestandteilen mit vorgegebenen Gewichtsanteilen beispielsweise von Polyacrylnitrilfasern, para-Aramidfasern sowie künstlicher Mineral fasern und/oder Glasfasern hergestellt wird. Der Anteil an Mineral- und Glasfasern wird dabei anwendungsspezifisch gewählt. Die Mischung erfolgt vorzugsweise durch intensives Vermengen in einem geschlossenen Behälter und in trockenem Zustand. In besonderen Anwendungsfällen können die Fasern mit einer wässrigen oder nicht wässrigen Lösung oder einer Mischlösung unter Zugabe von Lösungsvermittlern wie Detergenzien befeuchtet oder in wässriger Lösung gemischt werden.
Danach und gegebenenfalls nach einer Trocknung wird die Mischung in einer an sich bekannten Kardiermaschine kardiert, so dass ein Vlies mit gleichmäßig verteilten Faserbestandteilen gewonnen wird, das je nach Breite direkt oder nach einem Schneiden des Vlieses in Streifen unter Einbindung eines oder mehrerer Drähte aus Metall wie Kupfer oder Messing beziehungsweise anderer Legierungen zu einem Strang oder Strangmaterial verzwirnt wird.
An dieser Stelle kann das Strangmaterial zur besseren Auslegung zur Bildung eines Vorpresslings befeuchtet oder mit Bindemittel behandelt werden. In gleicher Weise kann auch erst der bereits gewickelte Vorpressling erstmalig oder zusätzlich mit Bindemittel getränkt werden.
Das Wickeln eines ringförmigen Vorpresslings erfolgt mittels einer sinusförmigen Bewegung, deren Umkehrpunkte am Außendurchmesser positioniert sind und während des Wickelvorgangs in Umfangsrichtung verlagert werden. Der Wickelvorgang ist mit der Linienführung eines als Spirograph bekannten Zeichengeräts zur Darstellung epizyklischer Figuren vergleichbar.
Der Vorpressling wird mit Bindemittel in einer Flüssigphase behandelt. Dabei wird das bezüglich Reibwert und Verschleiß optimierte Strangmaterial auf ein konstantes Verhältnis von Bindemittel und Strangmaterial gebracht und getrocknet. Als Flüssigphase des Bindemittels haben sich Dispersionen beispielsweise aus polymeren Komponenten, Füllstoffen und dergleichen in Lösungsmitteln als vorteilhaft erwiesen. Die polymeren Komponenten, die im Heißpressverfahren eine weitere Vernetzung oder Polymerisierung, beispielsweise durch Kondensations-, Additions- oder Substitutionsreaktionen erfahren, können aus duroplastischen Komponenten wie beispielsweise Phenolharz oder Melamin-Harz, sowie elastomeren Komponenten wie beispielsweise SBR oder NBR-Kautschuk bestehen. Füllstoffe sind beispielsweise Barium-Sulfat, Kaolin oder Ruß. Als Lösungsmittel wird üblicherweise Wasser verwendet. Das getrocknete Strangmaterial wird anschließend zu einem Vorpressling gewickelt.
Im nachfolgenden Verfahrensschritt wird der Vorpressling in einer Form zur maßhaltigen Herstellung des Reibbelags einem Heißpressverfahren beispielsweise bei einem Druck von 30 N/mm2 und Temperaturen von ca. 150 unterworfen. Zur Erhöhung der Berstfestigkeit und/oder einer besseren Aufnahme auf der Kupplungsscheibe kann der Vorpressling mit einem Trägerblech verpresst und/oder auf ein Trägerblech aufgenietet oder aufgeklebt werden. Zwei Reibbeläge können dabei mit voneinander abgewandten Reibflächen unter Zwischenlegung einer axial wirksamen Belagfederung an einer Kupplungsscheibe vorgesehen sein.

Claims

Reibbelag für eine Kupplungsscheibe einer Reibungskupplung bestehend aus einem aus Strangmaterial gewickelten und mit Bindemittel versehenen, in einem Heißpressverfahren unter Druck zum Reibbelag geformten Vorpressling mit einem zumindest aus folgenden Bestandteilen gebildeten Strangmaterial: a) bis zu 60 Gewichts-% Glasfasern, b) 1 bis 40 Gewichts-% Polyacrynitrilfasern, c) 1 bis 25 Gewichts-% para-Aramidfasern, d) bis 80 Gewichts-% künstliche Mineralfasern e) 1 bis 40 Gewichts-% Kupfer oder Kupferlegierung.
Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Glasfasern zwischen 30 und 70 Millimeter, die Länge der Polyacrylnitrilfasern 40 bis 80 Millimeter und/oder die Länge der para-Aramidfasern 40 bis 80 Millimeter beträgt.
Reibbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus Glasfasern und künstlichen Mineralfasern kleiner oder gleich 80 Gewichts-% ist.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die künstlichen Mineralfasern eine Länge zwischen 0, 1 und 10 Millimetern und einen Durchmesser zwischen 6 bis 15 Mikrometern aufweisen.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die künstlichen Mineralfasern zumindest folgende Bestandteile aufweisen: – 35 bis 45 Gewichts-% SiO₂, – 20 bis 25 Gewichts-% Al₂O₃, – 20 bis 25 Gewichts-% MgO und CaO, – 3 bis 6 Gewichts-% K₂O und Na₂O, – 3 bis 6 Gewichts-% FeO.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die künstlichen Mineralfasern aus der Schmelze mittels eines Spinndüsenverfahrens gewonnen sind.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangmaterial aus einem mittels einer Kardierung der Bestandteile a) bis d) hergestellten Vlies und einem mit diesem verzwirnten, aus dem Bestandteil e) gebildeten Draht ist.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die künstliche Mineralfaser mit einem Benetzungsmittel behandelt ist.
Reibbelag nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Benetzungsmittel Aminosilan ist.
Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die künstlichen Mineralfasern eine Härte kleiner oder gleich 6,0 nach Mohs aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Reibbelags gemäß der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte: a) Herstellung einer Mischung aus zumindest folgenden Bestandteilen mit vorgegebenen Gewichtsanteilen: – Polyacrylnitrilfasern, – para-Aramidfasern – künstlicher Mineralfaser, dem unter Beibehaltung des Gewichtsanteils Glasfasern zugemischt sein können, b) Kardieren der Mischung zur Herstellung eines Vlieses, c) Zerschneiden des Vlieses in Streifen, d) Verzwirnen der Streifen unter Einbindung zumindest eines Drahts aus Kupfer oder dessen Legierungen zu einem Strang, e) Wickeln eines ringförmigen Vorpresslings mittels einer sinusförmigen Bewegung, deren Umkehrpunkte am Außendurchmesser positioniert sind und während des Wickelvorgangs in Umfangsrichtung verlagert werden, f) Benetzen des Vorpresslings mit Bindemittel, g) maßhaltiges Verpressen des Vorpresslings in einem Heißpressverfahren.