DE102012217104A1

DE102012217104A1 - Reibbelag für eine Reibungskupplung

Info

Publication number: DE102012217104A1
Application number: DE201210217104
Authority: DE
Inventors: Matthias Diemer
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Offenbart wird ein Reibbelag (16) für eine Reibungskupplung, insbesondere für eine trockenlaufende Reibungskupplung in einem Fahrzeug, wobei der Reibbelag (16) ein Material oder ein Materialgemisch mit einem im Wesentlichen negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten beinhaltet, sowie einer Kupplungsscheibe (1) mit einem derartigen Reibbelag (16).

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen Reibbelag und eine Kupplungsscheibe für eine Reibungskupplung, insbesondere für eine trockenlaufende Reibungskupplung in einem Fahrzeug.
Reibbeläge für trockenlaufende Kupplungen werden in den meisten Fällen aus gewickelten und thermisch weiterbehandelten Fasersträngen hergestellt, wobei die Faserorientierung im Wesentlichen parallel zur Reibebene ausgebildet ist. Dadurch kann sich der Reibbelag bei der zu erwartenden Erwärmung im Betrieb gleichmäßig ausdehnen, so dass eine im Wesentlichen ebene Fläche des Reibbelags auch unter thermischer Ausdehnung bestehen bleibt. Es gibt auch Kurzfasermaterialien, bei denen eine Vorzugsrichtung der Fasern nicht zwangsläufig vorhanden ist, deren thermisch bedingte Ausdehnung verteilt sich dann gleichmäßig über die gesamte Fläche des Reibbelags, so dass ein im Wesentlichen ebener Reibbelag bestehen bleibt.
Allerdings wird bei den zu erwartenden Reibvorgängen die Reibung nicht homogen über die gesamte Fläche übertragen, sondern es gibt beispielsweise durch geometrische Fehler oder lokale Inhomogenität exponierte Bereiche. An diesen Stellen entsteht durch den erhöhten Druck auf die exponierte Stelle eine verstärkte Reibung, was wiederum die örtliche Temperatur steigert und zu einer weiteren Ausdehnung der ohnehin schon exponierten Stelle führt. Dadurch wird die Reibung an der lokal exponierten Stelle weiter verstärkt. Auch wenn anfänglich am Reibbelag kein geometrischer exponierter Bereich erkennbar ist, kann das im Reibbelag vorhandene instabile Gleichgewicht leicht, beispielsweise durch eine thermisch bedingte Verformung des Gesamtbauteils, gestört werden. Auch dann entstehen lokal exponierte Bereiche, an denen eine verstärkte Reibung zu erwarten ist.
Eine weitere Problematik besteht darin, dass im Bereich von Temperaturen zwischen ca. 80°C und ca. 200 °C die meisten verwendeten Reibwerkstoffe mit einem Anstieg des Reibwerts reagieren. Dadurch wird der Effekt der lokal erhöhten Reibung weiter gesteigert.
Die erhöhte Reibung erklärt sich dadurch, dass die flächenspezifische Reibleistung oder Reibung als Produkt aus Reibwert, Reibgeschwindigkeit und Flächenpressung definiert ist. Das bedeutet, dass sich bei einer erhöhten Flächenpressung an einer lokal exponierten Stelle die Reibleistung und damit die Temperatur steigt, was wiederum zu einer Erhöhung des Reibwerts führt. Der erhöhte Reibwert vergrößert ebenfalls die Reibleistung, so dass sich die Reibleistung an den exponierten Stellen akkumuliert.
Dieser Zustand ist jedoch unerwünscht, da das Reibmaterial lokal übermäßig geschädigt wird. Der verschleißbedingte Verlust an Material ist bei steigender Temperatur höher als die Reduzierung des Verschleißes durch die niedrigere Reibleistung/Temperatur in den nicht belasteten Zonen. Zudem lässt sich der analoge Effekt an den metallischen Reibpartnern des Reibbelags erkennen, die sogenannte Hot Spots ausbilden. Dies sind Bereiche an insbesondere metallischen Gegenreibflächen, an denen temperaturbedingt Risse, Verfärbungen und/oder Martensitbildung entstehen kann, was ebenfalls vermieden werden soll.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, einen Reibbelag bereitzustellen, bei dem die Akkumulierung von Reibleistung an lokalen Bereichen verringert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Reibbelag gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Kupplungsscheibe gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Die Erfindung basiert auf der Idee, statt des üblicherweise verwendeten Materials oder Materialgemisches mit einem positiven thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Material zu verwenden, das einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Dies bedeutet, dass sich das Material bei Wärme nicht ausdehnt, sondern zusammenzieht. Durch Verwenden dieser Stoffe lässt sich der Effekt der thermischen bedingten lokalen Überlastung bei Reibpaarungen reduzieren oder vermeiden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist dabei das Material bzw. Materialgemisch so gewählt, dass es einen anisotropen, negativen, thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei vorteilhafterweise das Material im Wesentlichen eine negative thermische Ausdehnung senkrecht zu einer Reibfläche des Reibbelags bereitstellt.
Dadurch wird erreicht, dass die lokalen Unregelmäßigkeiten, die beispielsweise durch Aufwölbung oder Ähnliches entstehen, nicht durch eine Ausdehnung des Reibbelagmaterials noch vergrößert werden. Stattdessen kontrahiert das Material und wirkt somit der lokal exponierten Stelle entgegen. Gleichzeitig kann sich das Material aber in eine andere Richtung, vorzugsweise parallel zu der Reibfläche ausdehnen, so dass die Reibfläche nicht verkleinert wird.
Insbesondere ist dabei ein Ausführungsbeispiel vorteilhaft, bei dem das Material oder Materialgemisch mindestens einen Faserwerkstoff aufweist. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Faserwerkstoff den anisotropen, negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Faserrichtung aufweist.
Ein derartiges Verhalten zeigen beispielsweise Aramidfasern und/oder Carbonfasern, die als Faserwerkstoff für einen Reibbelag verwendet werden können. Dabei liegt der Ausdehnungskoeffizient bei Aramidfasern bei etwa –4,1·10^–6K^–1 und bei Carbonfasern bei etwa –0,5·10^–6K^–1.
Um ein besonders gutes Ergebnis zur Vermeidung der lokalen Unregelmäßigkeiten zu erzielen, ist insbesondere vorteilhaft, wenn sich die Fasern nicht wie üblicherweise parallel zum Reibbelag orientieren, sondern senkrecht zu einer Reibfläche des Reibbelags orientiert sind. Mit anderen Worten, die Fasern werden im Wesentlichen axial zu einer Drehachse des Reibbelags orientiert. Dadurch wird in Zusammenarbeit mit dem in Faserrichtung negativen, thermischen Ausdehnungskoeffizienten bewirkt, dass der Reibbelag sich in axialer Richtung bei Wärmeeintrag kontrahiert statt ausdehnt, so dass lokal exponierte Stellen reduziert bzw. vermieden werden können.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist der Faseranteil in dem mindestens einen Faserwerkstoff bzw. der Faseranteil im Material oder Materialgemisch mindestens ungefähr 10%, vorzugsweise ungefähr 20%, und besonders bevorzugt 30% bis 50% Fasern mit negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch wird der gewünschte Effekt in einer ausreichenden Ausprägung erreicht.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt vorliegender Erfindung ist eine Kupplungsscheibe, insbesondere eine Kupplungsscheibe für eine Reibungskupplung eines Fahrzeugs, mit mindestens einem oben beschriebenen Reibbelag ausgestattet. Dadurch können auch an der mit dem Reibbelag zusammenwirkenden Anpressplatte bzw. der Gegendruckplatte Hot Spots vermieden werden, so dass die Reibungskupplung insgesamt weniger verschleißanfällig ist.
Vorteilhafterweise ermöglicht also der erfindungsgemäße Reibbelag aus einem Material mit, vorzugsweise anisotropen, negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine relative Entlastung einer momentan überhitzten Stelle, da sich diese durch Materialkontraktion von der Reibfläche entfernt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen definiert.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele rein exemplarischer Natur und legen nicht den Schutzbereich der Anmeldung fest. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kupplungsscheibe;
2 eine schematische Darstellung der Wirkweise des erfindungsgemäßen Materials bei einer Temperaturerhöhung an einer lokal exponierten Stelle eines Reibbelags.
Im Folgenden werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kupplungsscheibe 1 mit einer Nabe 2, die drehfest aber axial verschiebbar mit ihrer Innenverzahnung 4 auf eine nicht dargestellte Getriebeeingangswelle aufsteckbar ist. Des Weiteren weist die Nabe 2 eine Außenverzahnung 6 auf, auf die eine Nabenscheibe 8 aufgesteckt ist, an der wiederum drehfest mittels eines Befestigungselements 10 ein Belagträger 12 befestigt ist. Beidseitig an dem Belagträger 12 sind Reibbeläge 16 angebracht, die in Reibschluss mit einer Anpressplatte (nicht dargestellt) und einer Gegendruckplatte (nicht dargestellt) gehen, um ein Drehmoment von der Antriebsseite auf die Abtriebsseite zu übertragen. Mindestens einer der Reibbeläge 16, vorzugsweise beide Reibbeläge 16 bestehen aus einem Material, das als Ganzes oder über mindestens einen seiner Bestandteile einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Dadurch reagieren die Reibbeläge 16 auf Temperaturerhöhung nicht wie üblicherweise mit einer Ausdehnung, sondern mit Kontraktion.
Dieses Verhalten kann ausgenützt werden, um einer Reibleistungsakkumulierung an lokal exponierten Stellen entgegenzuwirken. Reibleistungsakkumulierung entsteht dadurch, dass bei lokal exponierten Stellen aufgrund des erhöhten Drucks, und der dadurch bedingten erhöhten Reibung die Temperatur an der lokal exponierten Stelle ansteigt, was wiederum bei dem herkömmlich verwendeten Material zu einer weiteren thermischen Ausdehnung und damit einer Vergrößerung der lokal exponierten Stelle führt. Dadurch wird wiederum der Druck erhöht, wodurch der Effekt verstärkt wird.
2a zeigt schematisch einen Reibbelag 16 mit einem lokal exponierten Bereich 20, sowie eine Gegenreibfläche 22, an die der Reibbelag 16 beim Kupplungsvorgang gepresst wird. 2b zeigt schematisch, dass dann an genau der exponierten Stelle 20 die Flächenpressung 24 erhöht wird.
Da, wie oben beschrieben, die flächenspezifische Reibleistung als das Produkt aus Reibwert, Reibgeschwindigkeit und Flächenpressung definiert ist, bedeutet eine Erhöhung der Flächenpressung eine erhöhte Reibleistung an der exponierten Stelle, was sich wiederum in einer Temperaturerhöhung wiederspiegelt. 2c zeigt den Temperaturverlauf 26 entlang des Reibbelags, wobei an der lokal exponierten Stelle 20 der Temperaturanstieg zu verzeichnen ist.
Die 2d und 2e zeigen im Vergleich die Auswirkung der erhöhten Reibleistung an der lokal exponierten Stelle 20 für einen herkömmlichen Reibbelag (2d) und einen erfindungsgemäßen Reibbelag (2e).
Wie 2d zeigt, bedingt die erhöhte Reibleistung an der lokal exponierten Stelle 20 bei herkömmlichen Materialien eine weitere Ausdehnung des Materials aufgrund seines positiven Ausdehnungskoeffizienten. Dadurch wird die bereits negative Situation verstärkt und der Reibbelag lokal weiter übermäßig belastet.
Eine gegenteilige Wirkung ist bei dem erfindungsgemäßen Reibbelag zu sehen -siehe 2e. Vorzugsweise reagiert nämlich das erfindungsgemäß verwendete Material mit negativem thermischem Ausdehnungskoeffizienten bei Temperaturerhöhung mit einer Kontraktion, so dass der lokal exponierten Stelle 20 entgegengewirkt wird und sogar eine Umkehr der lokal exponierten Stelle 20 entstehen kann. Die letztere Situation ist schematisch in 2e dargestellt, bei der die lokal exponierte Stelle 20 jetzt eine nach innen gekrümmte Wölbung aufweist. Dadurch wird eine Entlastung der lokal exponierten Stelle 20 erreicht, so dass die Reibkraft wieder im Wesentlichen über die gesamte Reibfläche gleich verteilt ist.
Besonders vorteilhaft ist dabei ein Material mit einem anisotropen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei das Material derart gewählt ist, dass in radialer Richtung des Reibbelags ein positiver Ausdehnungskoeffizient vorherrschen kann, während in axialer Richtung zur Vermeidung der lokal exponierten Stellen ein negativer Ausdehnungskoeffizient vorteilhaft ist. Dies kann insbesondere durch Faserwerkstoffe erreicht werden, bei denen der negative thermische Ausdehnungskoeffizient in Faserrichtung ausgeprägt ist. Werden die Fasern im Wesentlichen senkrecht zu der Reibfläche orientiert, also axial zu einer Drehachse, kann das gewünschte Verhalten des Reibbelags erreicht werden. Eine derartige Orientierung der Fasern kann beispielsweise über gezieltes Einstellen der Scherung während des Press- oder Spritzgussprozesses des Reibbelags erreicht werden. Beispielhaft können als Faserwerkstoffe Aramid- und/oder Carbonfasern verwendet werden, die in Faserrichtung den gewünschten negativen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei Aramidfasern liegt dieser in Längsrichtung ungefähr bei –4,1·10^–6K^–1 und bei Kohlenstofffasern liegt dieser bei etwa –0,5·10^–6K^–1. Um den gewünschten Effekt zu erzielen, ist es ausreichend, wenn 10% bis 20%, vorzugsweise 30% bis 50% der gerichteten Fasern im Faserwerkstoff vorhanden sind.

Im Allgemeinen bietet folgende Tabelle einen Überblick über die verwendbaren Materialien mit negativem Ausdehnungskoeffizienten.

Verbindung	Symmetrie	CTE [10^–6/K]	T-bereich [K]
PbTiO₃	tetr.	–3.3	303–673
Glas 90.55 SiO₂/9.45 TiO₂[Gew%]		–1.8	278–308
AlPO₄-17	hex.	–11.7	18–300
Si-Zeolith Y	kub.	–4.2	25–570
Sc₂W₂O₁₂	o'rhomb.	–2.2	50–1073
Y₂W₃O₁₂	o'rhomb.	–4.2	15–1373
Lu₂W₂O₁₂	o'rhomb.	–6.8	400–900
NbOPO₄	tetr.	–3.7	673–973
ZrV₂O₇	kub.	–7.1	400–500
ZrW₂O₈	kub.	–8.7	20–430
ZrMo₂O₈	kub.	–5.0	11–573
K₅Zr(PO₄)₃	hex.	–0.5	293–1023
KZr₂(PO₄)₃	hex.	–1.7	293–1023
_-LiAlSiO₄	hex.	–0.4	293–1073
Zn_0.5AlSi₂O₆	hex.	–2.1	293–1073
Zn(CN)₂	kub.	–18.1	14–305

Tabelle 1: Überblick von Materiallen mit negativer Wärmeausdehnung Quelle: Georgi, Ch.: Kern, H.: Festkörper mit negativer thermischer Ausdehnung Thüringer Werkstofftag 2004, Schriftenreihe Werkstoffwissenschaften Band 18, 2004, Verlag Dr. Kösten, Berlin (ISBN 3-89574-519-7), pp 63–68

Insgesamt ermöglicht ein Reibbelag aus einem Material mit negativem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, dass lokal exponierte Stellen bei einer Überhitzung aufgrund der Kontraktion entlastet werden, und einer Bildung von Hot Spots am Reibungspartner entgegengewirkt wird. Dadurch kann der Verschleiß verringert und die Lebensdauer des Reibbelags erhöht werden.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsscheibe
2: Nabe
4: Innenverzahnung
6: Außenverzahnung
8: Nabenscheibe
10: Befestigungselement
12: Belagträger
16: Reibbelag
20: lokal exponierte Stelle
22: Gegenreibfläche
24: Flächenpressung
26: Temperaturverlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Quelle: Georgi, Ch.: Kern, H.: Festkörper mit negativer thermischer Ausdehnung Thüringer Werkstofftag 2004, Schriftenreihe Werkstoffwissenschaften Band 18, 2004, Verlag Dr. Kösten, Berlin (ISBN 3-89574-519-7), pp 63–68 [0032]

Claims

Reibbelag (16) für eine Reibungskupplung, insbesondere für eine trockenlaufende Reibungskupplung in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (16) ein Material oder ein Materialgemisch mit einem im Wesentlichen negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten beinhaltet.
Reibbelag (16) nach Anspruch 1, wobei das Material oder Materialgemisch einen anisotropen, negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Reibbelag (16) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reibbelag (16) derart ausgebildet ist, dass der negative thermische Ausdehnungskoeffizient im Wesentlichen eine negative thermische Ausdehnung senkrecht zu einer Reibfläche des Reibbelags (16) bereitstellt.
Reibbelag (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material oder Materialgemisch mindestens einen Faserwerkstoff aufweist.
Reibbelag (16) nach einem der Ansprüche 4 und 2 oder 3, wobei der Faserwerkstoff im Wesentlichen in Längsrichtung der Fasern einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Reibbelag (16) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der mindestens eine Faserwerkstoff Aramidfasern und/oder Carbonfasern aufweist.
Reibbelag (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zumindest ein Teil, vorzugsweise ein überwiegender Teil, der Fasern des mindestens einen Faserwerkstoffs zumindest in etwa senkrecht zu einer Reibfläche des Reibbelags (16) angeordnet sind.
Reibbelag (16) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Faseranteil in mindestens einem Faserwerkstoff, vorzugsweise der Faseranteil im Material oder Materialgemisch, mindestens ungefähr 10%, vorzugsweise mehr als ungefähr 20%, und besonders bevorzugt zumindest ungefähr 30% bis ungefähr 50% beträgt.
Kupplungsscheibe (1), insbesondere Kupplungsscheibe (1) für eine Reibungskupplung eines Fahrzeugs, mit zumindest einem Reibbelag (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.