DE112009000748T5

DE112009000748T5 - Reibmaterial für Reibung in flüssigem Medium, zugehörige Vorrichtung und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE112009000748T5
Application number: DE112009000748T
Authority: DE
Inventors: Erick Duno; Philippe Pantier; Cécile Rommeru; Loïc ADAMCZAK; Erick Lejamtel
Original assignee: Valeo Materiaux de Friction SAS
Current assignee: Valeo Materiaux de Friction SAS
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2011-03-03
Also published as: FR2929364A1; US20110070792A1; JP5702274B2; FR2929364B1; JP2011516653A; WO2009122097A1; US9587695B2

Abstract

Reibmaterial, das für die Verwendung in einer Vorrichtung bestimmt ist, bei der eine Reibung in flüssigem Medium auftritt, und das eine mit einem wärmehärtbaren Harz getränkte Fasermatte umfasst, wobei die Fasermatte aus Fasern besteht, deren Länge größer als oder gleich 12 mm ist und die kardiert, aufgeraut und genadelt sind, und wobei das Reibmaterial eine Porosität aufweist, die größer oder gleich 30 Vol.-% und kleiner oder gleich 60 Vol.-% ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibmaterial Zusätze von Aktivkohle umfasst, deren spezifische Oberfläche zwischen 500 m²/g und 2500 m²/g beträgt und deren Massenanteil in dem Reibmaterial größer oder gleich 5 Gew.-% und kleiner oder gleich 15 Gew.-% ist.

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Reibmaterial zum Gegenstand, das für die Verwendung in einer Vorrichtung bestimmt ist, bei der eine Reibung in flüssigem Medium auftritt.
Die in Betracht kommenden Vorrichtungen sind insbesondere Kupplungsorgane zur Kraftübertragung, zum Beispiel zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
Spezieller ist ein solches Reibmaterial zur Verwendung in einem automatischen oder robotisierten Schaltgetriebe bestimmt, obwohl seine Anwendung nicht auf solche Getriebe beschränkt ist.
Beispielsweise ist ein solches Reibmaterial geeignet, einen Belag einer Reibfläche eines Synchronringes zu bilden, zum Beispiel vom Typ desjenigen, der in der Patentschrift EP 0 821 175 offenbart wird.
Reibmaterialien für die Reibung in flüssigem Medium wurden entwickelt, um insbesondere Anforderungen in Bezug auf Stabilität, Temperatur- und Verschleißfestigkeit zu erfüllen.
Die Patentschrift EP 0 702 761 offenbart ein Reibmaterial für Reibung in flüssigem Medium, das eine Matte aus mit einem wärmehärtbaren Harz getränkten Fasern umfasst, wobei die Fasermatte aus Fasern besteht, deren Länge größer als oder gleich 12 mm ist und die kardiert, aufgeraut und genadelt sind.
Die Porosität eines solchen Reibmaterials kann zwischen 30 und 60 Vol.-% betragen. Daraus resultiert ein Reibmaterial, das für die Anwendungen in Kupplungsorganen zur Fahrzeug-Kraftübertragung für klassische Einsatzbedingungen geeignet ist.
Für die gesamte vorliegende Beschreibung gilt allgemein, dass bei Angabe eines Intervalls in der Form ”zwischen A und B” die Grenzwerte ”A” und ”B” mit in dem Intervall enthalten sind.
Bei einem Kupplungsorganen zur Fahrzeug-Kraftübertragung, das klassische Bedingungen aufweist, variieren die auf diese Art von Material einwirkenden Drücke im Allgemeinen zwischen 0,2 und 2 MPa.
Die Entwicklungen des Automobilmarktes veranlassen insbesondere die Entwickler, die Effizienz des Antriebsstrangs zu verbessern, zum Beispiel um den Verbrauch zu senken und/oder den Komfort eines Fahrzeugs zu erhöhen.
Einer der eingeschlagenen Wege zur Verbesserung dieser Eigenschaften besteht darin, die Kraftübertragungen zu automatisieren, indem zum Beispiel automatische Kraftübertragungen oder robotisierten Schaltgetriebe verwendet werden.
Zu den zahlreichen Kriterien der Optimierung einer Kraftübertragung gehören die Erhöhungen des Wirkungsgrades, der Platzbedarf des Kraftübertragungsorgans, seine Herstellungskosten.
Außerdem betrifft eine aktuelle Entwicklungstendenz die Möglichkeit, automatisierte Schaltvorgänge ohne Lastunterbrechung zu erzielen.
Es konnte festgestellt werden, dass die bekannten Reibmaterialien für eine Reibung in flüssigem Medium, zum Beispiel von dem Typ, der in der Schrift EP 0 702 761 offenbart wird, Eigenschaften aufweisen, welche die gleichzeitige Optimierung der oben genannten Kriterien erschweren.
Außerdem konnte ermittelt werden, dass eine Festigkeit des Reibmaterials gegenüber spezifischen Drücken, die mindestens zwischen 0,5 und 10 MPa betragen, geeignet wäre, neue, vielversprechende Wege für die Entwicklung von Kraftübertragungsorganen zu eröffnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Entwicklern von Kraftübertragungsorganen ein verbessertes Reibmaterial für Reibung in flüssigem Medium anzubieten, das insbesondere gestattet, den Druckeinsatzbereich eines solchen Materials zu erweitern.
Diese Aufgabe wird durch ein Reibmaterial gelöst, das für die Verwendung in einer Vorrichtung bestimmt ist, bei der eine Reibung in flüssigem Medium auftritt, und das eine mit einem wärmehärtbaren Harz getränkte Fasermatte umfasst, wobei die Fasermatte aus Fasern besteht, deren Länge größer als oder gleich 12 mm ist und die kardiert, aufgeraut und genadelt sind, und wobei das Reibmaterial eine Porosität aufweist, die größer oder gleich 30 Vol.-% und kleiner oder gleich 60 Vol.-% ist, wobei das Reibmaterial Zusätze von Aktivkohle umfasst, deren spezifische Oberfläche zwischen 500 m²/g und 2500 m²/g beträgt und deren Massenanteil in dem Reibmaterial größer oder gleich 5 Gew.-% und kleiner oder gleich 15 Gew.-% ist.
Die Erfinder konnten feststellen, dass ein solches Material für die Verwendung in einem spezifischen Druckbereich geeignet ist, der sich mindestens zwischen 0,5 und 10 MPa erstreckt, oder sogar bis 20 MPa.
Außerdem weist dieses Material eine erhöhte Neutralität seines tribologischen Verhaltens in Abhängigkeit vom Typ des verwendeten flüssigen Schmiermittels auf.
Ebenso ist eine Stabilität der Reibung bezüglich des Druckes und der Gleitgeschwindigkeit festzustellen.
Vorteilhafterweise ist eine Ähnlichkeit des tribologischen Verhaltens während der Phasen des Gleitens und des Haltens festzustellen. Es ist auch eine ausgezeichnete Temperatur- und Energiestabilität des elastischen Verhaltens dieses Materials, ebenso wie seiner Maß- und tribologischen Eigenschaften, zu beobachten.
Ein Reibmaterial gemäß der Erfindung kann außerdem eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen, einzeln oder in allen möglichen Kombinationen betrachtet:

– Die Fasern sind ausgewählt aus Glasfasern, insbesondere aus E-Glas, Baumwollfasern, Polyacrylnitril-(PAN-)Fasern, voroxidierten Polyacrylnitril-Fasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Sphagnum-Fasern oder ihren Kombinationen;
– das wärmehärtbare Harz ist ausgewählt aus Phenoplastharzen, insbesondere Resol- oder Novolak-Harzen, Aminoplastharzen, Epoxidharzen, Polyimidharzen, Silikonharzen oder ihren Kombinationen;
– das Harz ist ein Phenoplastharz vom Resoltyp, modifiziert durch Cashewnuss-Schalenflüssigkeit (Cashew Nut Shell Liquid, CNSL), deren Massenanteil zum Beispiel zwischen 10 und 30 Gew.-% des Harzes liegt;
– die Fasern bestehen aus einer Mischung von drei Fasern von unterschiedlicher Zusammensetzung, zum Beispiel Glasfasern, insbesondere aus E-Glas, Polyacrylnitril-Fasern und Baumwollfasern;
– der Volumenanteil jeder der Fasern von unterschiedlicher Zusammensetzung beträgt zwischen 20 und 40% der Fasermischung;
– das Volumenverhältnis zwischen dem Harz und der Fasermatte ist größer oder gleich 0,80 und kleiner oder gleich 1,20, vorzugsweise größer oder gleich 0,90 und/oder kleiner oder gleich 1,10;
– die spezifische Oberfläche der Aktivkohle ist größer oder gleich 800 m²/g und/oder kleiner oder gleich 1500 m²/g;
– der Massenanteil der Aktivkohle ist größer oder gleich 8 Gew.-% und/oder kleiner oder gleich 12 Gew.-%;
– die mittlere Korngröße der Aktivkohle ist größer oder gleich 5 μm und kleiner oder gleich 50 μm, vorzugsweise größer oder gleich 8 μm und/oder kleiner oder gleich 25 μm;
– die Aktivkohle ist auf eine im Wesentlichen homogene Weise in dem Volumen des Reibmaterials dispergiert;
– eine Fläche des Materials, die dazu bestimmt ist, eine Reibfläche zu bilden, umfasst zwischen 20 und 70 Vol.-% Aktivkohle auf einer Dicke, die zwischen 20 μm und 200 μm liegt und vorzugsweise größer oder gleich 50 μm und/oder vorzugsweise kleiner als 100 μm ist.

Die Erfindung hat außerdem ein Reibungsteil zum Gegenstand, das einen Reibmaterialträger umfasst, auf den ein Reibmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung aufgeformt ist. Ein solches Reibungsteil ist zum Beispiel ein Synchronring oder ein Koppler.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, bei der eine Reibung in flüssigem Medium auftritt und die eine Reibfläche umfasst, die mit dem Reibmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung überzogen ist, oder ein Reibungsteil wie oben angegeben umfasst.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann außerdem eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen, einzeln oder in allen möglichen Kombinationen betrachtet:

– Die Vorrichtung ist ein Kraftübertragungs-Kupplungsorgan, insbesondere einer Automobil-Kraftübertragung;
– das Kraftübertragungs-Kupplungsorgan ermöglicht automatisierte Schaltvorgänge ohne Öffnung des Antriebsstrangs;
– der spezifische Druck, der während des Betriebs der Vorrichtung auf das Reibmaterial einwirkt, beträgt zwischen 0,5 und 20 MPa.

Die Erfindung hat außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Reibmaterials zum Gegenstand, das die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte a) bis d) umfasst:

a) Bereitstellung einer Matte aus kardierten, aufgerauten und genadelten Fasern, deren Länge der Fasern größer als oder gleich 12 mm ist;
b) Tränkung der Matte in einem Bad mit wärmehärtbarem Harz;
c) Trocknen des Überschusses an Harz;
d) Verfestigung des nach Schritt c) erhaltenen Zwischenprodukts unter Last bei einer Temperatur zwischen 120°C und 250°C, derart, dass eine Porosität erzielt wird, die zwischen 30 und 60 Vol.-% des fertigen Materials beträgt; und einen Schritt:
e) Zugabe von Zusätzen von Aktivkohle, deren spezifische Oberfläche zwischen 500 m²/g und 2500 m²/g beträgt, mit einem Massenanteil in dem Reibmaterial, der größer oder gleich 5 Gew.-% und kleiner oder gleich 15 Gew.-% ist, während Schritt b) und/oder nach Schritt c) und vor Schritt d).

Gemäß einer Ausführungsform besteht der Schritt e) darin, die Matte in einem Bad zu tränken, das eine Mischung von Harz und Aktivkohle umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform, welche mit der vorhergehenden kombiniert werden kann, besteht der Schritt e) darin, eine wässrige Lösung zu zerstäuben, welche Harz, zum Beispiel das Harz von Schritt b), und Aktivkohle enthält, und danach das Wasser verdampfen zu lassen, zum Beispiel mit Hilfe einer Infrarotheizung.
Die vorliegende Erfindung wird nun durch nicht einschränkende Beispiele veranschaulicht.
Vergleichsbeispiele ermöglichen es, die Vorteile eines Reibmaterials gemäß der Erfindung hervorzuheben.

Sämtliche betrachteten Materialien, Beispiele gemäß der Erfindung und Vergleichsbeispiele wurden ausgehend von ein und derselben Basisformulierung der mit einem wärmehärtbaren Harz getränkten Fasermatte realisiert, deren Grundbestandteile in der Tabelle I aufgeführt sind:

Grundbestandteile	Gehalt in Massen-%
Fasern der Matte
Fasern aus E-Glas PAN-Fasern Baumwollfasern	30,8 14,8 14,8
Wärmehärtbares Harz
Phenolharz vom Resol-Typ, modifiziert durch CNSL	38,6
Calciumstearat und Diverses	≤ 1

Tabelle I

Das verwendete wärmehärtbare Harz ist ein Phenolharz vom Resol-Typ.
Zu den Grundbestandteilen von Tabelle I wurden hinzugefügt:

– Aktivkohle mit einer mittleren Korngröße von 8 bis 15 μm und einer spezifischen Oberfläche (BET) von 1100 m²/g, um Beispiele gemäß der Erfindung zu erhalten;
– kein Zusatz oder andere Zusätze, zum Beispiel von amorphem Siliciumdioxid oder Calciumsilikat, um Vergleichsbeispiele zu erhalten.

Probestücke gemäß der Erfindung wurden durch Zugabe von ungefähr 10 Gew.-% der oben erwähnten Aktivkohle hergestellt, mit unterschiedlichen Porositäten, insbesondere mit Volumenporositäten von 50%, 40%, 30%.
Sämtliche so erhaltenen Materialien weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf.
Man stellt fest, dass die Porosität dieses Materials ermöglicht, sehr schnell den Ölfilm zu trocknen, der sich in einem Kraftübertragungs-Kupplungsorgan in flüssigem Medium bildet, und gestattet, im Wesentlichen konstante Reibungsbedingungen in einem weiten Bereich von Betriebsdrücken herzustellen.
Die nachfolgend ausführlich beschriebenen und in Tabelle II angegebenen Beispiele wurden auf der Basis der Bestandteile von Tabelle I mit einer Volumenporosität von 50% erhalten. Die Beispiele EX1 und EX2 sind Beispiele gemäß der Erfindung mit 10 Gew.-% (das heißt ungefähr 3,6 Vol.-% des Endmaterials) Aktivkohle. Die Beispiele EX-C1, EX-C2, EX-C3 sind Vergleichsbeispiele, welche Zusätze von amorphem Siliciumdioxid bzw. Calciumsilikat bzw. keine Zusätze enthalten.
Die verwendete Aktivkohle weist eine spezifische Oberfläche in der Größenordnung von 1500 m²/g und eine Jodzahl (ASTM D4607) in der Größenordnung von 100 mg/g auf.
Das verwendete amorphe Siliciumdioxid wird von der Firma DEGUSSA vertrieben.

Das verwendete Calciumsilikat entspricht der Handelsbezeichnung SICACELL der Firma ITAPROCHIM.

	Typ des Zusatzes	Verteilung der Zusätze
EX1 EX2	Aktivkohle Aktivkohle	an der Oberfläche im Volumen
EX-C1 EX-C2 EX-C3	amorphes Siliciumdioxid Calciumsilikat kein Zusatz	an der Oberfläche an der Oberfläche

Tabelle II

Die Materialien EX1, EX-C1, EX-C2 wurden durch Zerstäubung einer wässrigen Lösung, welche das wärmehärtbare Harz und die Zusätze umfasste, auf der getränkten Fasermatte vor der Verfestigung unter Last erhalten.
Das Material EX2 wurde durch Tränkung der Fasermatte in einem Bad erhalten, das eine Mischung aus wärmehärtbarem Harz und Aktivkohle umfasste, derart, dass die Tränkung ermöglichte, die Aktivkohle in der Fasermatte im Volumen zu verteilen.
Sämtliche als Beispiele angeführten Materialien wurden durch Verfestigung der vorimprägnierten Fasermatte, auf der gegebenenfalls eine Zerstäubung von Zusätzen erfolgte, bei einer Temperatur von 200°C erhalten, und es wurden Einlagen angebracht, um zu ermöglichen, eine Porosität von 50% im Endmaterial zu erhalten.
Die beigefügten 1 bis 4 zeigen die Änderung verschiedener gemessener Parameter in Beispielen von Material gemäß der Erfindung und Vergleichsbeispielen.
In 1 ist die Änderung der Dickenabnahme eines Materials (ausgedrückt in %, auf der Ordinate) als Funktion des angewendeten spezifischen Druckes (ausgedrückt in MPa, auf der Abszisse) dargestellt. Die Kurven 10 (den Rauten entsprechend) und 12 (den Quadraten entsprechend) wurden erhalten, indem die Änderung der Dicke von Probestücken des Materials gemäß der Erfindung EX1 bei Temperaturen von 80°C bzw. 120°C in Öl gemessen wurde.
Die Kurven 14 (den Dreiecken entsprechend) und 16 (den Kreisen entsprechend) wurden erhalten, indem die Änderung der Dicke von Probestücken des Materials des Vergleichsbeispiels EX-C1 bei Temperaturen von 80°C bzw. 120°C in Öl gemessen wurde.
Die Messung wird durchgeführt, indem ein gegebener Druck auf das zu messende Probestück angewendet wird, welches zwischen zwei parallelen Platten in einer Öl enthaltenden Wanne angeordnet ist, mit Zyklen, bei denen der Druck 10 Sekunden angewendet und dann 10 Sekunden nicht angewendet wird. Es werden 1000 Zyklen dieses Typs durchgeführt, und anschließend wird die Dickenänderung zwischen dem ursprünglichen Probestück und dem Probestück nach diesen 1000 Zyklen gemessen. Die geprüften Probestücke sind Ringe aus den besagten Materialien mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einer Dicke von 1 mm.
Eine wichtige Kenngröße des Materials ist der spezifische Druck, bei welchem eine Dickenabnahme von 25% erreicht wird. Aus den in 1 dargestellten Kurven lassen sich die folgenden Ergebnisse ableiten, die in Tabelle III angegeben sind.

T (°C) Spezifischer Druck mit einer Dickenabnahme von 25%

EX1 80°C 120°C 60 MPa 43 MPa

EX-C1 80°C 120°C 36 MPa 30 MPa

Tabelle III
Man stellt fest, dass das Verhalten des Materials gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft ist, und dass es zum Beispiel bei 80°C einem annähernd doppelt so hohen Druck standhält wie ein Material, bei dem anstelle der Zusätze von Aktivkohle gemäß der Erfindung Zusätze von amorphem Siliciumdioxid beigegeben wurden.
2 zeigt Messergebnisse zur Ermüdungsfestigkeit derselben Materialien wie zuvor, und in einer ähnlichen Versuchsumgebung.
Für diese Prüfung wird zunächst ein spezifischer Prüfdruck bestimmt, der um 5 MPa niedriger ist als der spezifische Druck, bei welchem bei der vorhergehenden Prüfung eine Dickenabnahme von 25% gemessen wurde. Dann wird die Anzahl der Zyklen bestimmt, nach denen ein neues Probestück bei einer gegebenen Temperatur 25% seiner anfänglichen Dicke verliert. In 2 sind die gemessenen Punkte eingetragen, die in Abhängigkeit von dem angewendeten spezifischen Druck (ausgedrückt in MPa, auf der Ordinate) und der ermittelten Zyklenzahl (ausgedrückt in Zehnerlogarithmen, auf der Abszisse) angeordnet sind.
Die Kurven 20 und 22 (den leeren bzw. vollen Kreisen entsprechend) wurden für Probestücke von Materialien gemäß der Erfindung EX1 bei Temperaturen von 80°C bzw. 120°C erhalten. Die Kurven 24 und 26 (den leeren bzw. vollen Quadraten entsprechend) wurden für Probestücke von Materialien des Vergleichsbeispiels EX-C1 bei Temperaturen von 80°C bzw. 120°C erhalten.
Man kann auf diese Weise feststellen, dass die Ermüdungsfestigkeit eines Probestückes gemäß der Erfindung wesentlich verbessert ist im Vergleich zu einem Probestück, bei dem anstelle der Zusätze von Aktivkohle gemäß der Erfindung Zusätze von amorphem Siliciumdioxid beigegeben wurden.
Wenn man zum Beispiel einen Betriebspunkt bei 20 MPa betrachtet, so erkennt man, dass ein Material gemäß EX-C1 ungefähr eine Million Zyklen bei 120°C durchlaufen kann, bevor es 25% seiner anfänglichen Dicke verliert, während ein Material gemäß der Erfindung unter denselben Bedingungen über einhundert Millionen Zyklen durchlaufen kann.
Um die Materialien zu charakterisieren, wurden auch Versuche zur dynamischen Reibung durchgeführt.

Gemäß einem ersten Prüfverfahren wird die Änderung des Reibungskoeffizienten einer Scheibe in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Druck bestimmt, der zu demjenigen äquivalent ist, bei dem ein Synchronring eingesetzt würde. Eine Scheibe aus dem zu untersuchenden Material mit einem Außendurchmesser von 130 mm, einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Dicke von 0,8 mm wird auf einem Gegenmaterial aus Stahl XC48 angeordnet, in Öl mit einer Temperatur von 100°C. Die Prüfung wird auf einem Dynamometer durchgeführt und läuft in mehreren Phasen ab, die in der nachfolgenden Tabelle IV detailliert angegeben sind.

Stufe	spezifische Energie	Anzahl der Zyklen	Trägheit (m²xkg)	Drehzahl (U/min)	spezifischer Druck	Zykluszeit	Verschleißmessung
Einlaufen	50 J/cm²	500	0,49	1420	1 MPa	10 s	ja
1. Stufe	50 J/cm²	100	0,49	1420	1 MPa	15 s
2. Stufe	”	4800	”	”	3 MPa	”
3. Stufe	”	100	”	”	1 MPa	”	ja

Tabelle IV

Es werden der Reibungskoeffizient und der Verschleiß gemessen. Es wird der dynamische Reibungskoeffizient μ_d bestimmt, der es ermöglicht, die Fähigkeit auszudrücken, ein Reibmoment zu entwickeln, wenn die Gleitgeschwindigkeit nicht null ist. Er wird bei verschiedenen spezifischen Drücken gemessen. Es wird außerdem der Endreibwert μ_f bestimmt, der es ermöglicht, die Fähigkeit auszudrücken, ein Reibmoment zu entwickeln, wenn die Gleitgeschwindigkeit nahezu null ist.
Es wird außerdem das Verhältnis zwischen μ_{d Anfang} bei 1 MPa und μ_f bei 1 MPa bestimmt, welches es ermöglicht, die Reibungsstabilität in einem Arbeitsdruckbereich quantitativ anzugeben.

Die Prüfungen wurden mit Probestücken des Materials gemäß der Erfindung EX1 und Probestücken des Vergleichsmaterials EX-C2 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle V angegeben:

	EX1	EX-C2
μ_d bei 1 MPa μ_d bei 3 MPa μ_d bei –1 MPa	0,108 0,105 0,111	0,121 0,108 0,102
Verhältnis μ_{d Anfang}/μ_f bei 1 MPa	1,03	0,85
μ_f/μ_d bei 1 MPa μ_f/μ_d bei 3 MPa μ_f/μ_d bei –1 MPa	0,97 0,98 1,01	1,04 1,09 1,17

Tabelle V

Man stellt fest, dass der dynamische Reibungskoeffizient μ_d eines Materials gemäß der Erfindung EX1 auf vorteilhafte Weise stabiler in Abhängigkeit von der einwirkenden Beanspruchung ist als der eines Vergleichsmaterials EX-C2.
Auf besonders vorteilhafte Weise liegt das Verhältnis, das dem Quotienten von μ_{d Anfang} und μ_f entspricht, für ein Material gemäß der Erfindung EX1 nahe bei 1, während es für ein Vergleichsmaterial EX-C2 um 15% niedriger ist.
Außerdem ist zu bemerken, dass das Verhältnis μ_f/μ_d bei den verschiedenen einwirkenden Beanspruchungen für ein Material gemäß der Erfindung EX1 stabil ist und nahe bei 1 liegt, während es für ein Vergleichsmaterial EX-C2 um ungefähr 15% schwankt.
Hieraus ergibt sich eine erheblich verbesserte Möglichkeit, die Leistungen während der Verwendung zu garantieren.
Außerdem wurde ein anderes tribologisches Prüfverfahren angewendet, das Verfahren ”mit wachsender Energie” genannt wird.

Gemäß diesem Verfahren wird das tribologische Verhalten eines Materials untersucht, das den folgenden Schritten unterzogen wird, die in Tabelle VI angegeben sind.

Stufen	spezifische Energie	Anzahl der Zyklen	Trägheit (m²xkg)	Drehzahl (U/min)	Spezifischer Druck	Zykluszeit	Verschleißmessung
Einlaufen	50 J/cm²	500	0,49	136,6 × √Sd	1 MPa	10 s	ja
1. Stufe	50 J/cm²	500	0,49	136,6 × √Sd	1 MPa	10 s
2. Stufe	100 J/cm²	500	0,49	192,9 × √Sd	1 MPa	12 s
3. Stufe	200 J/cm²	500	0,49	272,8 × √Sd	1 MPa	20 s
4. Stufe	300 J/cm²	500	0,49	334,2 × √Sd	1 MPa	24 s
5. Stufe	400 J/cm²	500	0,49	385,8 × √Sd	1 MPa	28 s	ja
6. Stufe	600 J/cm²	500	0,49	472,6 × √Sd	1 MPa	43 s	ja

Tabelle VI

Hierbei ist Sd = 2 × S, und S ist die Oberfläche des Belags in cm².

Die Prüfung wird stets mit Materialringen durchgeführt, die in Öl von 100°C auf einem Gegenmaterial aus Stahl XC48 angeordnet sind.
Außerdem werden μ_d, μ_f und das Verhältnis μ_f/μ_d gemessen, sowie ein Verhältnis μ_d 50 J/cm² zu μ_d 200 J/cm², welches es ermöglicht, die Reibungsstabilität in einem Bereich der freigesetzten Energie zwischen 50 J/cm² und 200 J/cm² quantitativ anzugeben.
Die 3 und 4 zeigen die Werte der dynamischen Reibung μ_d bzw. des Verhältnisses μ_f/μ_d (auf der Ordinate) in Abhängigkeit von der freigesetzten Energie (auf der Abszisse).
Die Prüfungen wurden mit zwei Materialien gemäß der Erfindung EX1 und EX2 und einem Vergleichsmaterial EX-C3 durchgeführt, und die Ergebnisse sind mit den jeweiligen Bezugszeichen 34, 32, 36 in 3 und 44, 42, 46 in 4 angegeben.
Man erkennt in 3, dass der dynamische Reibungskoeffizient μ_d als Funktion der freigesetzten Energie äußerst stabil ist, wenn Zusätze von Aktivkohle an der Oberfläche angeordnet sind (EX1, 34), und stabil ist, wenn Zusätze von Aktivkohle im Volumen angeordnet sind (EX2, 32), im Vergleich zu den Ergebnissen, die mit einem Material ohne Zusätze erhalten werden (EX-C3, 36).
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der dynamische Reibungskoeffizient möglichst hoch ist, was zum Beispiel ermöglicht, Steller mit verminderter Leistung zu verwenden.
Man stellt fest, dass der dynamische Reibungskoeffizient der Materialien gemäß der Erfindung, EX1 und EX2, bei 200 J/cm² in der Größenordnung von 0,1 liegt, während er für das keine Zusätze enthaltende Material EX-C3 um ungefähr 20% niedriger ist.
4 zeigt, dass das Verhältnis μ_f/μ_d für die Materialien gemäß der Erfindung (EX1, 44; EX2, 42) bemerkenswert stabil ist und zwischen 1,1 und 1,3 liegt, während man eine sehr starke Schwankung dieses Verhältnisses für das Vergleichsmaterial (EX-C3, 46) feststellt.
Das Verhältnis von μ_d 200 J/cm² zu μ_d 50 J/cm² wurde für die erwähnten Materialien berechnet und ist in der nachfolgenden Tabelle VII angegeben:

μ_d 200 J/cm²/μ_d 50 J/cm²

EX1 0,98

EX2 0,92

EX-C3 0,83

Tabelle VII
Diese Werte veranschaulichen ebenfalls die bemerkenswerte Stabilität des Materials gemäß der Erfindung, EX1, EX2, verglichen mit einem Vergleichsbeispiel EX-C3, wo das Material keine Zusätze enthält.
Ein Material gemäß der Erfindung ermöglicht daher, sehr vorteilhaft eine Momentenkapazität zu garantieren, die als Funktion der Menge der freigesetzten Energie im Wesentlichen konstant ist.
Es ist somit möglich, die Funktionsgesetze der Getriebecomputer merklich zu vereinfachen, denn gleichgültig, wie groß die auszugleichende Drehzahldifferenz ist (die einer freigesetzten Energie entspricht), kann der Kraftsollwert, der einem Steller zugeführt wird, eine lineare Funktion des zu übertragenden Motordrehmoments sein.
Im allgemeinen kann das Material gemäß der Erfindung gemäß den üblichen Verfahren geformt werden. Es kann insbesondere auf einen Reibmaterialträger aufgeformt werden. Die Oberflächen des Reibmaterialträgers können unterschiedlich sein, insbesondere eben, kegelstumpfförmig, zylindrisch, und können durchgehend oder unterbrochen sein.
Es ist außerdem möglich, während des Arbeitsgangs des Aufformens Rillen in dem Reibmaterial gemäß der Erfindung zu erzeugen.
Beispielsweise wird das Material gemäß der Erfindung in Form von Bändern hergestellt, in denen Streifen ausgeschnitten werden können, welche vor dem Schritt des Aufformens auf einem Reibmaterialträger angeordnet werden.
Das Material gemäß der Erfindung ist besonders gut dafür geeignet, in automatischen oder robotisierten Kraftübertragungs-Kupplungsorganen eingesetzt zu werden, insbesondere denjenigen, welche ohne Öffnung des Antriebsstrangs funktionieren.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt und muss als nicht einschränkend und alle äquivalenten Ausführungsformen umfassend ausgelegt werden.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft ein Reibmaterial, das für die Verwendung in einer Vorrichtung bestimmt ist, bei der eine Reibung in flüssigem Medium auftritt, und das eine mit einem wärmehärtbaren Harz getränkte Fasermatte umfasst, wobei die Fasermatte aus Fasern besteht, deren Länge größer als oder gleich 12 mm ist und die kardiert, aufgeraut und genadelt sind, und wobei das Reibmaterial eine Porosität aufweist, die größer oder gleich 30 Vol.-% und kleiner oder gleich 60 Vol.-% ist, wobei das Reibmaterial Zusätze von Aktivkohle umfasst, deren spezifische Oberfläche zwischen 500 m²/g und 2500 m²/g beträgt und deren Massenanteil in dem Reibmaterial größer oder gleich 5 Gew.-% und kleiner oder gleich 15 Gew.-% ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0821175 [0004]
EP 0702761 [0006, 0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D4607 [0038]

Claims

Reibmaterial, das für die Verwendung in einer Vorrichtung bestimmt ist, bei der eine Reibung in flüssigem Medium auftritt, und das eine mit einem wärmehärtbaren Harz getränkte Fasermatte umfasst, wobei die Fasermatte aus Fasern besteht, deren Länge größer als oder gleich 12 mm ist und die kardiert, aufgeraut und genadelt sind, und wobei das Reibmaterial eine Porosität aufweist, die größer oder gleich 30 Vol.-% und kleiner oder gleich 60 Vol.-% ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibmaterial Zusätze von Aktivkohle umfasst, deren spezifische Oberfläche zwischen 500 m²/g und 2500 m²/g beträgt und deren Massenanteil in dem Reibmaterial größer oder gleich 5 Gew.-% und kleiner oder gleich 15 Gew.-% ist.
Reibmaterial nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Glasfasern, insbesondere aus E-Glas, Baumwollfasern, Polyacrylnitril-(PAN-)Fasern, voroxidierten Polyacrylnitril-Fasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Sphagnum-Fasern oder ihren Kombinationen ausgewählt sind.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmehärtbare Harz aus Phenoplastharzen, insbesondere Resol- oder Novolak-Harzen, Aminoplastharzen, Epoxidharzen, Polyimidharzen, Silikonharzen oder ihren Kombinationen ausgewählt ist.
Reibmaterial nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Phenoplastharz vom Resoltyp, modifiziert durch Cashewnuss-Schalenflüssigkeit (CNSL), deren Massenanteil insbesondere zwischen 10 und 30 Gew.-% des Harzes liegt, ist.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einer Mischung von drei Fasern von unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen, beispielsweise aus Glasfasern, insbesondere aus E-Glas, Polyacrylnitril-Fasern und Baumwollfasern.
Reibmaterial nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil jeder der Fasern von unterschiedlicher Zusammensetzung zwischen 20 und 40% der Fasermischung beträgt.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis zwischen dem Harz und der Fasermatte größer oder gleich 0,80 und kleiner oder gleich 1,20, vorzugsweise größer oder gleich 0,90 und/oder kleiner oder gleich 1,10 ist.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Oberfläche der Aktivkohle größer oder gleich 800 m²/g und/oder kleiner oder gleich 1500 m²/g ist.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil der Aktivkohle größer oder gleich 8 Gew.-% und/oder kleiner oder gleich 12 Gew.-% ist.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Korngröße der Aktivkohle größer oder gleich 5 μm und kleiner oder gleich 50 μm, vorzugsweise größer oder gleich 8 μm und/oder kleiner oder gleich 25 μm ist.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle auf eine im Wesentlichen homogene Weise in dem Volumen des Reibmaterials dispergiert ist.
Reibmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche des Materials, die dazu bestimmt ist, eine Reibfläche zu bilden, zwischen 20 und 70 Vol.-% Aktivkohle auf einer Dicke, die zwischen 20 μm und 200 μm liegt und vorzugsweise größer oder gleich 50 μm und/oder vorzugsweise kleiner als 100 μm ist, umfasst.
Reibungsteil, insbesondere Synchronring oder Koppler, umfassend einen Reibmaterialträger, auf den ein Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufgebracht ist.
Vorrichtung, bei der eine Reibung in einem flüssigem Medium auftritt, umfassend eine Reibfläche, die mit dem Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12 überzogen ist, oder umfassend ein Reibungsteil nach Anspruch 13.
Vorrichtung, bei der eine Reibung in einem flüssigem Medium auftritt, nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Kraftübertragungs-Kupplungsorgan, insbesondere von einer Automobil-Kraftübertragung, ist.
Verfahren zur Herstellung eines Reibmaterials, umfassend die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte a) bis d): a) Bereitstellung einer Matte aus kardierten, aufgerauten und genadelten Fasern, deren Länge der Fasern größer als oder gleich 12 mm ist; b) Tränkung der Matte in einem Bad mit wärmehärtbarem Harz; c) Trocknen des Überschusses an Harz; d) Verfestigung des nach Schritt c) erhaltenen Zwischenprodukts unter Last bei einer Temperatur zwischen 120°C und 250°C, derart, dass eine Porosität erzielt wird, die zwischen 30 und 60 Vol.-% des fertigen Materials beträgt; sowie umfassend einen Schritt: e) Zugabe von Zusätzen von Aktivkohle, deren spezifische Oberfläche zwischen 500 m²/g und 2500 m²/g beträgt, mit einem Massenanteil in dem Reibmaterial, der größer oder gleich 5 Gew.-% und kleiner oder gleich 15 Gew.-% ist, während Schritt b) und/oder nach Schritt c) und vor Schritt d).
Verfahren zur Herstellung eines Reibmaterials nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt e) darin besteht, die Matte in einem Bad zu tränken, das eine Mischung von Harz und Aktivkohle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt e) darin besteht, eine wässrige Lösung zu zerstäuben, welche Harz, insbesondere das Harz von Schritt b), und Aktivkohle enthält, und danach das Wasser verdampfen zu lassen, beispielsweise mit Hilfe einer Infrarotheizung.