DE102013205032A1

DE102013205032A1 - Gegenfläche einer Reibpaarung

Info

Publication number: DE102013205032A1
Application number: DE102013205032A
Authority: DE
Inventors: Stefan Steinmetz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-10-17
Also published as: WO2013156244A3; WO2013156244A2; JP2015514197A; JP6234435B2; CN104246281A; DE112013002055A5; US20150060227A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gegenfläche einer Reibpaarung, die eine Reibfläche umfasst, die im Betrieb der Reibpaarung zur Drehmomentübertragung reibschlüssig mit der Gegenfläche verbindbar ist beziehungsweise verbunden wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gegenfläche mit einer Wärmeabfuhrbeschichtung versehen ist, die eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit als ein Trägermaterial aufweist, auf das die Wärmeabfuhrbeschichtung aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gegenfläche einer Reibpaarung, die eine Reibfläche umfasst, die im Betrieb der Reibpaarung zur Drehmomentübertragung reibschlüssig mit der Gegenfläche verbindbar ist beziehungsweise verbunden wird.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 23 051 A1 ist ein hitzeerhärtbares Klebemittel zur Verklebung von Bremsbelägen bekannt, die Graphit enthalten. Aus der Übersetzung DE 697 29 939 T2 der europäischen Patentschrift EP 0 892 896 B1 sind Reibungsmaterialien mit strukturierten Oberflächen zur Verwendung in Kupplungsplattenelementen, Bremsbelägen, Getrieben und dergleichen bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 26 686 A1 ist eine Kupplungsscheibe mit Reibelementen bekannt, die als so genannte Pads ausgeführt und auf einen Träger aufgeklebt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein unerwünschtes Auftreten von lokalen Temperaturmaxima im Betrieb einer Reibpaarung, die eine Reibfläche umfasst, die zur Drehmomentübertragung reibschlüssig mit einer Gegenfläche verbindbar ist, zu reduzieren.
Die Aufgabe ist bei einer Gegenfläche einer Reibpaarung, die eine Reibfläche umfasst, die im Betrieb der Reibpaarung zur Drehmomentübertragung reibschlüssig mit der Gegenfläche verbindbar ist beziehungsweise verbunden wird, dadurch gelöst, dass die Gegenfläche mit einer Wärmeabfuhrbeschichtung versehen ist, die eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit als ein Trägermaterial aufweist, auf das die Wärmeabfuhrbeschichtung aufgebracht ist. Die Reibfläche ist zum Beispiel an einer Kupplungsscheibe ausgebildet und vorzugsweise mit einem organischen Reibbelag versehen. Die Gegenfläche ist zum Beispiel aus Metall gebildet. Durch die erfindungsgemäße Wärmeabfuhrbeschichtung mit der großen Wärmeleitfähigkeit kann die Oberflächentemperatur beim Herstellen des Reibschlusses abgesenkt werden, weil die beim Herstellen des Reibschlusses auftretende Wärme schneller abgeführt wird. Die Wärmeleitung im Reibkontakt kann durch die Wärmeabfuhrbeschichtung signifikant beschleunigt werden. Dadurch kann die Lebensdauer der Reibpaarung verlängert werden. Über die Wärmeabfuhrbeschichtung kann die an lokalen Reibstellen auftretende Wärmeenergie schnellstmöglich abgeführt werden. Dadurch kann ein unerwünschter Anstieg der Oberflächentemperatur gestoppt oder vermindert werden. Dadurch können Beschädigungen der Oberfläche vermieden und die thermischen Grenzen des Systems deutlich erweitert werden. Der Reibvorgang kann als Wärmeimpuls verstanden werden, der hochdynamisch ist und im Fall ungünstiger wärmetechnischer Kennwerte der Reibpartner einen Wärmestau verursacht, der wiederum zu den unerwünscht hohen Temperaturen führt. Der unerwünschte Anstieg der Temperaturen kann gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung vermieden oder reduziert werden, wenn mit der gleichen Dynamik, mit der die Wärmeenergie eingetragen wird, die Wärmeenergie über die Wärmeabfuhrbeschichtung in Bereiche mit hoher Wärmekapazität abgeführt wird. Durch die Wärmeabfuhrbeschichtung mit der hohen Leitfähigkeit kann die dynamische lokale Wärmeableitung an der Gegenfläche merklich erhöht werden. Darüber hinaus kann das zur Verfügung stehende Wärmeaustauschvolumen beziehungsweise die zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche auf Seiten des Reibpartners mit der Gegenfläche erhöht werden, wodurch der Wärmetransport pro Zeiteinheit gesteigert wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Das Trägermaterial ist zum Beispiel aus Stahl oder aus Guss gebildet. Stahl hat beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 48 bis 58 Watt pro Meter mal Kelvin. Die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrbeschichtung beträgt vorzugsweise ein Vielfaches der Wärmeleitfähigkeit von Stahl. Eine Wärmeabfuhrbeschichtung aus Aluminiumnitrid hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von 180 Watt pro Meter mal Kelvin. Eine Wärmeabfuhrbeschichtung aus Kohlenstoff (Graphit) hat eine Wärmeleitfähigkeit von 119 bis 165 Watt pro Meter mal Kelvin. Eine DLC(Diamond-Like-Carbon)-Beschichtung hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von 1.100 Watt pro Meter mal Kelvin. Mit Kohlenstoffnanoröhren kann zum Beispiel eine Wärmeabfuhrbeschichtung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 6.000 Watt pro Meter mal Kelvin dargestellt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung eine Nitridschicht und/oder eine kohlenstoffähnliche Schicht, wie eine DLC(Diamond-Like-Carbon)-Schicht, umfasst. Die Verwendung derartiger Beschichtungen zur Reibungsreduzierung oder zum Verschleißschutz in Zusammenhang mit Lagerelementen oder Gleitelementen ist an sich bekannt. So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 062 586 A1 eine Ausrückvorrichtung für eine Schalttrennkupplung mit einem Gleitelement und einem Ringflansch bekannt, der mit einer DLC-Beschichtung versehen ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 016 996 A1 ist eine Kupplungsanordnung mit einem Deckellager bekannt, das einen Lagerkörper umfasst, der mit einer verschleißhemmenden DLC-Beschichtung versehen ist. Im Unterschied dazu wird die erfindungsgemäße Wärmeabfuhrbeschichtung zur Reduzierung der Oberflächentemperatur beim Reibkontakt genutzt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung ein metallisches Beschichtungsmaterial umfasst, das eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit als das Trägermaterial aufweist, auf das die Wärmeabfuhrbeschichtung aufgebracht ist. Das metallische Beschichtungsmaterial hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit, die etwa drei bis sechsmal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Beschichtungsmaterial Aluminium und/oder Kupfer enthält. Das Aluminium und/oder Kupfer liegt vorzugsweise in Form einer Legierung vor. Aluminium hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von 236 Watt pro Meter mal Kelvin. Kupfer hat zum Beispiel eine Wärmeleitfähigkeit von 240 bis 280 Watt pro Meter mal Kelvin.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung ein Beschichtungsmaterial umfasst, das durch Phasenumwandlungen Wärmeenergie aufnehmen und zeitverzögert abgeben kann. Ein derartiges Beschichtungsmaterial kann auch als Latentwärmespeicher (Phase-changed-Material) bezeichnet werden. Bei der Verwendung eines derartigen Beschichtungsmaterials wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass die Temperatur während einer Phasenumwandlung konstant bleibt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung eine Dicke von mindestens 10 Mikrometer umfasst, vorzugsweise etwa 20 Mikrometer. Diese Werte haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche mit der Wärmeabfuhrbeschichtung an einer Gegenlamelle eines nasslaufenden Kupplungssystems oder an einer Anpressplatte, einer Zentralplatte und/oder einer Sekundärschwungscheibe eines trockenlaufenden Kupplungssystems vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Wärmeabfuhrbeschichtung hat sich sowohl in trockenlaufenden als auch in nasslaufenden Kupplungssystemen als vorteilhaft erwiesen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gegenfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche und/oder die Wärmeabfuhrbeschichtung eine vergrößerte Oberfläche aufweisen/aufweist. Durch die vergrößerte Oberfläche wird die zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche erhöht. Die Wärmeaustauschfläche kann zum Beispiel durch die Morphologie der Schichtstruktur selbst erhöht werden. Die Wärmeaustauschfläche kann aber auch durch eine entsprechende Vorbehandlung, wie Sandstrahlen, erhöht werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Kupplungsreibpartner mit einer vorab beschriebenen Gegenfläche.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
1 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem eine Reibleistungskurve dargestellt ist und
2 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Gegenlamelle mit einer erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrbeschichtung.
Die Erfindung betrifft allgemein Kupplungen, insbesondere Anfahrkupplungen, die sowohl trocken- als auch nasslaufend ausgeführt sein können. Bei einem Kupplungsvorgang werden grundsätzlich eine Getriebeseite und eine Motorseite synchronisiert, um eine Drehmomentübertragung von der Motorseite, die auch als Antriebsseite bezeichnet wird, auf eine Abtriebsseite zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck umfasst die Kupplung zwei Reibpartner, die eine Reibpaarung darstellen. Einer der Reibpartner ist mit einer Reibfläche ausgestattet, die durch vorzugsweise organische Reibbeläge dargestellt werden kann. Der andere Reibpartner ist zum Beispiel aus einem metallischen Material gebildet und mit einer Gegenfläche versehen, die zur Drehmomentübertragung reibschlüssig mit der Reibfläche verbunden wird. Zur Drehmomentübertragung werden die Reibfläche und die Gegenfläche durch Anpresskräfte zusammengedrückt.
Die Synchronisation einer Getriebe- und einer Motordrehzahl wird physikalisch durch einen Reibvorgang erreicht. In Abhängigkeit von Drehzahl und Reibmoment ergibt sich über den Synchronisationsvorgang eine Reibleistungskurve, wie sie in 1 dargestellt ist.
In 1 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm einer x-Achse 1 und einer y-Achse 2 dargestellt. Auf der x-Achse 1 ist die Zeit in einer geeigneten Zeiteinheit aufgetragen. Auf der y-Achse 2 ist eine Drehzahl in Umdrehungen pro Zeiteinheit aufgetragen. Der Verlauf einer Differenzdrehzahl zwischen der Getriebeseite und der Motorseite ist durch eine gestrichelte Linie 4 angedeutet. Auf der y-Achse 2 ist des Weiteren eine Reibleistung in einer geeigneten Leistungseinheit aufgetragen. Der Verlauf der Reibleistung über der Zeit ist durch eine Kurve 5 angedeutet.
Die Differenzdrehzahl 4 fällt von einem Maximalwert zu Beginn der Synchronisation auf Null am Ende der Synchronisation ab. Durch einen Strich 6 ist der Zeitpunkt angedeutet, an dem die Synchronisation abgeschlossen ist. Zu dem Zeitpunkt 6 entspricht die Motordrehzahl der Getriebedrehzahl, das heißt, die Differenzdrehzahl ist Null.
Zu Beginn der Synchronisation, also bei maximaler Differenzdrehzahl, erreicht die Reibleistung ebenfalls schnell einen Maximalwert. Die Reibleistung wird zum großen Teil in Wärme umgewandelt und wird je nach thermischem Verhalten der Reibpartner über diese abgeführt.
Die Dynamik dieser Wärmeabführung beziehungsweise die thermisch-physikalischen Daten der Reibpartner bestimmen neben der zur Verfügung stehenden Reibfläche beziehungsweise der direkten, wahren Kontaktfläche zwischen der Reibfläche und der Gegenfläche die Oberflächentemperatur, die während eines Schaltvorgangs erreicht wird. Die Leistungsfähigkeit eines Reibsystems wird im Wesentlichen von der lastfallabhängigen Temperatur im Reibkontakt begrenzt.
Bei herkömmlichen Reibsystemen stellt das Reibbelagsmaterial sowohl in trockenen als auch in nasslaufenden Systemen die limitierende Komponente dar. Bei trockenlaufenden Systemen kann eine durch hohe Reibleistung verursachte hohe Oberflächentemperatur zum Beispiel zu einer thermischen Zersetzung eines Bindemittels führen, das Bestandteil der Reibbeläge sein kann. Eine solche thermische Zersetzung des Bindemittels kann zu einem spontanen Abfall des Reibwerts führen.
Bei nasslaufenden Systemen führt eine hohe Reibleistung unter anderem zu einem so genannten Verglasen (Glazing) eines Nasslaufbelages. Dadurch verschlechtern sich die Komforteigenschaften, insbesondere die Reibeigenschaften, des Nasslaufbelages irreversibel. Im Extremfall kann eine hohe Reibleistung zu einem überproportionalen Anstieg des Verschleißes und damit zur Reduzierung von Kühlnuttiefen führen. Das wiederum kann zu einer völligen Zerstörung des Belages und damit zu einem Systemausfall führen.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die an lokalen Reibstellen auftretende Wärmeenergie schnellstmöglich abzuführen. Dadurch soll ein zu starker, schädlicher Anstieg der Oberflächentemperatur reduziert werden. So können die thermischen Grenzen des Systems wesentlich erweitert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Reibvorgang als Wärmeimpuls verstanden, der hoch dynamisch ist und im Fall ungünstiger wärmetechnischer Kennwerte der Reibpartner einen Wärmestau verursacht, der wiederum hohe Temperaturen erzeugt. Der Anstieg der Temperatur wird gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung vermieden oder reduziert, indem mit der gleichen Dynamik, mit der die Wärmeenergie eingetragen wird, die Wärmeenergie in Bereiche mit hoher Wärmekapazität abgeführt wird.
In 2 ist eine Gegenlamelle 10 mit einer Gegenfläche 12 vereinfacht im Schnitt dargestellt. Die Gegenlamelle 10 umfasst ein metallisches Trägermaterial 15. Auf dem metallischen Trägermaterial 15 ist gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung eine Wärmeabfuhrbeschichtung 20 aufgebracht. Die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 hat eine Dicke von zwanzig Mikrometern.
Durch Pfeile sind lokale Reibstellen 21, 22, 23 mit einem hohen Wärmeenergieeintrag angedeutet. Zum Abführen der Wärme an den lokalen Reibstellen 21 bis 23 hat die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine thermische Kenngröße, welche die Dynamik der Wärmeableitung beeinflusst.

Die Wärmekapazität eines Materials beschreibt die in einem Material speicherbare Wärmemenge. Je höher diese ist, umso geringer fällt, bei vergleichbaren Massen, die mit einem Wärmeenergieeintrag verbundene Temperaturerhöhung aus. In der folgenden Tabelle sind die Wärmeleitfähigkeit Lambda in Watt pro Meter mal Kelvin und die Wärmekapazität in Joule pro Kilogramm mal Kelvin bei zwanzig Grad Celsius aufgelistet:

Stahl	λ = 48–58	W/m·K	460–540	J/kg·K
Kohlenstoff (Graphit)	λ = 119–165	W/m·K	715	J/kg·K
Kohlenstoffnanoröhren	λ = 6.000
Aluminiumnitrid	λ = 180	W/m·K	700–760	J/kg·K
DLC-Beschichtung	λ = 1.100	W/m·K	500	J/kg·K

Durch die Erhöhung der lokalen dynamischen Wärmeableitung werden so genannte Hot-Spots reduziert. Dadurch können die Reibmaterialien vor zu hohen Temperaturen geschützt werden. Im Fall von nasslaufenden Anwendungen kann durch die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 die Ölfilmdicke durch bessere Wärmeableitung konstant gehalten werden. Dadurch kann ein konstantes Reibverhalten erreicht werden.
Die höhere lokale dynamische Wärmeableitung wird durch die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 realisiert. Die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 hat eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl oder Guss. Für die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 kommen Beschichtungen aus dem Bereich der Nitride und kohlenstoffähnliche Beschichtungen, wie DLC-Beschichtungen, in Frage.
Die Buchstaben DLC stehen für Diamond-Like-Carbon. Die aus anderen Anwendungen bekannten Beschichtungen werden gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung gezielt verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit an der Gegenfläche 12 zu erhöhen und die Oberflächentemperaturen beim Reibkontakt zu reduzieren.
Die Wärmeabfuhrbeschichtung 20 kann auch als metallische Beschichtung ausgeführt sein. Zur metallischen Beschichtung werden vorzugsweise Aluminium oder Kupfer beziehungsweise deren Legierungen verwendet.
In 2 sind durch gestrichelte Linien Rechtecke 31, 32, 33 angedeutet, die in dem Trägermaterial 15 unterhalb der Wärmeabfuhrbeschichtung 20 angeordnet sind. Durch die Rechtecke 31 bis 33 wird angedeutet, dass durch die erfindungsgemäße Wärmeabfuhrbeschichtung 20 im Verhältnis zu den lokalen Reibstellen 21 bis 23 größere Volumenelemente mit höherer Wärmekapazität dargestellt werden können. Bei dem Trägermaterial 15 handelt es sich im dargestellten Beispiel um Stahl. Alternativ kann als Trägermaterial 15 auch ein Gussmaterial verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: x-Achse
2: y-Achse
4: gestrichelte Linie
5: Kurve
6: Strich
10: Gegenlamelle
12: Gegenfläche
15: Trägermaterial
20: Wärmeabfuhrbeschichtung
21: lokale Reibstelle
22: lokale Reibstelle
23: lokale Reibstelle
31: Rechteck
32: Rechteck
33: Rechteck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2923051 A1 [0002]
DE 69729939 T2 [0002]
EP 0892896 B1 [0002]
DE 19626686 A1 [0002]
DE 102004062586 A1 [0006]
DE 102011016996 A1 [0006]

Claims

Gegenfläche einer Reibpaarung, die eine Reibfläche umfasst, die im Betrieb der Reibpaarung zur Drehmomentübertragung reibschlüssig mit der Gegenfläche (12) verbindbar ist beziehungsweise verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (12) mit einer Wärmeabfuhrbeschichtung (20) versehen ist, die eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit als ein Trägermaterial (15) aufweist, auf das die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) aufgebracht ist.
Gegenfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (15) aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist.
Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) eine Nitridschicht und/oder eine kohlenstoffähnliche Schicht, wie eine DLC(Diamond-Like-Carbon)-Schicht, umfasst.
Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) ein metallisches Beschichtungsmaterial umfasst, das eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit als das Trägermaterial aufweist, auf das die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) aufgebracht ist.
Gegenfläche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Beschichtungsmaterial Aluminium und/oder Kupfer enthält.
Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) ein Beschichtungsmaterial umfasst, das durch Phasenumwandlungen Wärmeenergie aufnehmen und zeitverzögert abgeben kann.
Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) eine Dicke von mindestens 10 Mikrometer umfasst, vorzugsweise etwa 20 Mikrometer.
Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (12) mit der Wärmeabfuhrbeschichtung (20) an einer Gegenlamelle (10) eines nasslaufenden Kupplungssystems oder an einer Anpressplatte, einer Zentralplatte und/oder einer Sekundärschwungscheibe eines trockenlaufenden Kupplungssystems vorgesehen ist.
Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenfläche (12) und/oder die Wärmeabfuhrbeschichtung (20) eine vergrößerte Oberfläche aufweisen/aufweist.
Kupplungsreibpartner mit einer Gegenfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche.