DE2166949B2

DE2166949B2 - Reibklotz für eine elektromagnetisch betätigte Bremse oder Kupplung

Info

Publication number: DE2166949B2
Application number: DE2166949A
Authority: DE
Inventors: Jean Francis Paris Guyonnet
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1967-10-11
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1981-07-16
Also published as: DE2161453A1; DE2166949C3; DE2166949A1; DE2161453C3; DE2161453B2

Description

Bei einem bekannten Reibklotz der im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung (DE-OS 02 377) ist der Reibwerkstoff durch anorganische, insbesondere pulverförmige Teilchen gebildet, von denen wenigstens einige magnetisch bzw. magnetisierbar sind, und welche auf einem Teil der Oberfläche so miteinander verschweißt sind, da3 ein poröses, insbesondere mikroporöses Gebilde entsteht, derart, daß die Identität zwischen Reibmaterial und dem Magnetkreis herstellbar ist Dabei ist der Reibwerkstoff aus kristallinen Körpern gebildet, welche in einer hexagonalen Struktur kristallisiert sind, und deren Vernetzungsverhältnis c/a in der Nähe des theoretischen Wertes 1,633 liegt, wobei a der Abstand zwischen benachbarten Atomen in der gleichen Hexagonalebene, und c der Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen in benachbarten hexagonalen Ebenen ist

Ein derartiger Reibwerkstoff hat gegenüber bisher verwendeten Reibwerkstoffen, die ein Mischwerkstoff aus einem organisch-metallischen Werkstoff und einem f erro-magnetischen Werkstoff sind, erhebliche Vorteile. Bei Werkstoffen, bei denen ein organisch-metallischer Werkstoff und eic ferromagnetischer Werkstoff nebeneinander angeordnet ist wird keine stetige regelmäßige Reibwirkung erreicht da sich die beiden Werkstoffe nicht in gleicher Weise abnützen, so daß früher oder später ein Festfressen und/oder ein verstärkter Schlupf durch Schmelzen des organischen Anteils auftritt Ferner ist bei derartigen Kupplungs- oder Bremsklötzen bei einer Temperaturerhöhung dieser beiden nebeneinander liegenden Bestandteile, welche verschiedene Ausdehnungskoeffizienten und damit verschiedene Formänderungen haben, der ebene Zustand der Reibfläche nicht konstant und führt zu unregelmäßiger Arbeit Diese Nachteile werden durch die oben erläuterte Verwendung eines Werkstoffes aus hexagonalen Kristallen vermieden.

Diese aus Hexagonalkristallen gebildeten Reibüberzüge werden durch feste miteinander verschweißte Kristalle gebildet, deren Massen zum größten Teil schmelzen. Dadurch haben diese Reibüberzüge hervorragende Reibeigenschaften. Die Magneteigenschaften sind jedoch weniger ausgeprägt als beispielsweise diejenigen verschiedener bekannter Legierungen für elektromagnetische Bremsen oder Kupplungen, die Eisen, Kobalt und Nickel enthalten, und die unterschiedliche kristalline Strukturen aufweisen.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Reibklotz der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er auch bei hohen Temperaturen eine hohe Verschleißfestigkeit erhält und einen ausgezeichneten Magnetfluß für die Betätigung- der Bremse bzw. der Kupplung ermöglicht

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 formulierten Merkmale gelöst

Es ist zwar bereits bekannt (FR-PS 12 59 664), einen aus Metall, Keramik und/oder Asbestfasern gesinterten Reibwerkstoff in einem napfförmigen Metallsinterkörper einzusetzen. Auch hierbei bilden, wie bei der Erfindung, die Oberfläche der beiden Werkstoffe eine ebene Fläche. Bei diesem bekannten Reibklotz sollen jedoch die Schwierigkeiten beim Befestigen des

bo eigentlichen Reibwerkstoffes auf dem Belagträger beseitigt werden.

Es ist ferner bekannt (DE-OS 15 25 333), in den Reibwerkstoff einen zusammenhängenden Metallkörper einzubetten. Durch diesen bekannten Reibklotz soll

b^r> der Verschleißwiderstand der als Reibwerkstoff verwendeten kunstharzgebundenen Asbestwerkstoffe erhöht werden.
Ferner ist es bekannt (GB 9 25 294), an der

Auflagefläche von Bremsbelagträgern Vorsprünge anzuordnen, die ebenso wie die zwischen ihnen gebi'd. te Milde des Belagträgers mit Reibwerkstoffen überdeckt sind. Diese bekannten Vorsprünge dienen jedoch lediglich zur mechanischen Festlegung des Reibbelages gegen Verschiebung.

Bei allen diesen bekannten Reibklötzen sollen also die mechanischen Eigenschaften des ICupplungs- oder Bremsbelages durch Formgebung verbessert werden.

Gemäß der Erfindung dagegen erfolgt die Verbesse- >.o rung der mechanischen Eigenschaften des Reibklotzes in erster linie durch die Auswahl des kristallinen Reibwerkstoffes. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Vorsprüngen und die Unterlage aus Magnetwerkstoff unter dem Reibbelag werden in erster Linie die magnetischen Eigenschaften des Reibklotzes beeinflußt

Gemäß der Erfindung werden also Reibklötze hergestellt, bei denen die Eigenschaften der beiden getrennt verwendeten Werkstofftypen in der gleichen Oberfläche ausgenützt werden.

Der erfindungsgemäße Reibbelag ist durch feste untereinander verschweißte Kristalle gebildet, die aus Metallen oder zusammengesetzten Metallmischungen bestehen, und die dem hexagonalen Kristall-System angehören, wobei die 0001-Grundebenen des größten Teils der Kristalle etwa parallel zu der Oberfläche angeordnet sind, auf der die Oberzüge aufgebracht sind.

Die Untersuchung der erfindungsgemäßen Reibüberzüge zeigt, daß die Oberflächen homogen und frei von Verschleißpunkten sind. Die Untersuchung durch Röntgenstrahlen oder durch elektronische Diffraktion zeigt eine fiberwiegende Orientierung der Kristalle des ReibQberzuges mit ihren 0001 -Grundebenen etwa parallel zur Oberfläche. Bei dieser Orientierung zeigen die Kristalle die besten Reibeigenschaften. Diese Struktur .rleiht den Oberzügen die Fähigkeit, sich plastisch zu formieren und zugleich ständig unter dem Einfluß der Reibung auf Kosten einer relativ leichten Verschiebung der Atome zurückzubilden, da nicht nur die bevorzugten Gleitebenen 0001, sondern ebenfalls zahlreiche andere prismatische und pyramidische Ebenen, die diese Struktur charakterisieren zum Einsatz gelangen.

Die Anzahl der Vorsprünge kann an sich beliebig sein, jedoch werden vorzugsweise zwei Vorsprünge gemäß der Kennzeichnung im Anspruch 2 verwendet.

Der Anspruch 3 kennzeichnet eine bevorzugte Materialauswahl, während das Verfahren gemäß Anspruch 4 ein Verfahren für den Aufspritzvorgang zur Erzielung der bevorzugten Dicken des ersten und zweiten Überzuges kennzeichnet.

Durch den im neuen Anspruch 1 gekennzeichneten Aufbau des Reibklotzes wird die doppelte Aufgabe eines derartigen Reibbelages erfüllt, nämlich einmal eine Bahn für magnetische Kraftlinien gebildet und zum anderen, die durch die Reibung bedingten Beanspruchungen ohne Schwierigkeiten, auch in extremen Fällen aufgenommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 schematisch einen Teilschnitt durch einen Reibklotz ohne Oberzug, t>5

F i g. 2 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 nach Aufbringen der ersten durch das Magnetmaterial gebildeten Auflaeeschicht,

F i g. 3 eine Ansicht ahnlich F i g. 1 und 2 nach Aufbringen des Reibüberzuges, und

F i g. 4 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 bis 3 nach Fertigbearbeitung des Reibbelages.

Fig.4 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich 80 eines Rotors (im Falle einer Kupplung) oder eines ringförmigen Induktors (im Falle einer Bremse), deren Achse schematisch durch die strichpunktierte linie 81 wiedergegeben ist und die auf an sich bekannte Weise mit einer Magnetspule 82 zusammenwirken, sowie einen Anker 84, der teilweise schematisiert in strichpunktierten linien in Fig.4 dargestellt ist und dessen Oberfläche mit einem Überzug derselben Art wie der des Rotors oder des Induktors verseben ist

Auf den ringförmigen, in Reibeingriff tretenden Oberflächen werden ringförmige Schichten 88 vorgesehen, die aus einem Werkstoff wie Eisen oder Fe-Co-Ni-Legierungen bestehen, die die gewünschten ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen, um dadurch den bestmöglichen Durchgang der Kraftlinien des Magnetfeldes zwischen dem Rotor und der Scheibe sicherzustellen, wobei äußere Überzüge 90, 94 im Gegensatz dazu aus einem Material bestehen, das die bestmöglichen Reibungseigenschaften bieten.

Der Belagträger weist ringförmige innere und äußere Vorsprünge 86a, 866 auf.

Auf diesen ringförmigen Vorsprüngen 86a, 866 und auf dem Zwischenbereich 87 des Belagträgers 80, der in F i g. 1 dargestellt ist, wird eine erste Ablageschicht 88 aus einem Werkstoff aufgebracht der die gewünschten magnetischen Eigenschaften aufweist und eine Dicke besitzt, die geringer als die Höhe der Vorsprünge 86a, 866 (Fig.2) ist Sodann bringt man einen zweiten Überzug 90 aus einem hexagonal kristallinen Material mit den gewünschten Reibeigenschaften auf, dessen Dicke so bemessen ist daß die Summe der ersten und zweiten Ablageschichten größer als die Höhe der ringförmigen Vorsprünge 8Θ&866 ist (F i g. 3). Schließlich gleicht man z. B. mit einer nicht gezeigten Diamantschleifscheibe und (anschließende) Politur die durch die beiden Ablagerungen 88 und 90 gebildete Oberfläche ab, bis eine ebene Oberfläche entsteht in der auf den ringförmigen Vorsprüngen 86a, 866 der Magnetwerkstoff der ersten Schicht 88 freiliegt Der endgültige, ebene Belag (F i g. 4) umfaßt die ringförmigen Auflageschichten 92a, 926 aus magnetischem Material, die einen leichten Durchgang der Kraftlinien des Magnetfeldes der Spule 82 und damit eine feste Kupplung ermöglichen und einen Zwischenüberzug 94 aus dem Material des zweiten Oberzugs, der die günstigsten Reibungseigenschaften bei einem Eingriff der gegenüberliegenden Oberflächen der Kupplung oder Bremse aufweist Das Reibungsmaterial des Zwischenüberzugs 94 ist härter und verschleißfester als das der ringförmigen Auflagen 92a, 926, wodurch wechselnde Verschleißvorgänge zwischen den ersten und zweiten Auflageschichten vermieden werden.

Die in Frage stehenden Oberzüge können leicht kontinuierlich hergestellt werden, wenn man Plasmageneratoren verwendet, die getrennte Einspritzdüsen für jeden Werkstoff in den Plpsmastrahl aufweisen, die alternativ in Gang gesetzt werden. Es ist ebenfalls möglich, wenn man auf der Oberfläche der unteren Schicht 88 eine Mischung aus einem magnetischen Material und einem Material mit guten Reibungseigenschaften aufbringen will, die beiden Einspritzdüsen in der ersten Phase zu beschicken und die Zufuhr des magnetischen Materials in der zweiten Phase der

Herstellung des Überzuges 90 zu unterbrechen.

Auf diese Art erhält man Reibbeläge mit zahlreichen Vorteilen, die zum Teil bereits im Laufe der vorangegangenen Beschreibung erwähnt worden sind. Die wesentlichen Vorteile liegen darin, daß die Reibbeläge ■-, eine hohe Verschleißfestigkeit im Vergleich zu den bekannten organisch-metallischen Materialien bieten, und daß sie unter sehr hohen Temperaturen ohne eine Gefahr der Zerstörung verwendet werden können.

Da diese Überzüge auf der Oberfläche des Belagträ- in gers selbst aufgebracht werden, ist die Herstellung dieser Belagträger sehr einfach. Es sind keine Befestigungseinrichtungen erforderlich, wie dies bei herkömmlichen Bremsen und Kupplungen der Fall ist. Diese Belagträger können durch einfache Gußteile r, gebildet werden.

Die Reibbeläge können ebenfalls ohne Beeinträchtigung in korrodierenden und fetthaltigen Atmosphären, beispielsweise in öldunst, arbeiten. Die Verringerungen des Reibungskoeffizienten, die im letzteren Fall gelegentlich beobachtet werden können, sind zeitlich begrenzt und geringfügig. Die Erwärmung der Reibflächen während dieser verringerten Reibwirkung führt zu einem Zerplatzen der ölblasen zwischen den Reiboberflächen und damit zu einer schnellen Rückkehr der ursprünglichen Kupplungs- oder Bremswirkung. Die Reibbeläge werden daher nicht durchtränkt.

Der beschriebene Überzug wird hergestellt durch Injektion von Teilchen von Werkstoffen, die für die Verschmelzung zur Herstellung des Überzuges geeignet jo sind, in einen auf die zu überziehende Oberfläche gerichteten Plasmastrahl, der von einem Plasmagenerator ausgeht Die Injektionsbereiche dieser Teilchen in den Plasmastrahl werden bestimmt, wobei die Austrittsgeschwindigkeit des Plasmastrahls unter Beriicksichti- gung der Art des plasmagenen Gases und der Leistungsfähigkeit des Generators so geregelt wird, daß die injizierten Teilchen in ihrer Masse während des Weges im Plasmastrom geschmolzen werden können, und wobei eine gasförmige Barriere quer zum Austritt des Plasmas und der durch dieses geförderten Teilchens zwischen dem Ausgang des Generators und dem Belagträger entsteht, mit einem Durchsatz und einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um die wärmen Gase des Plasmastromes abzulenken, ohne die im Plasmastrom mitgenommenen Teilchen — aufgrund ihrer kinetischen Bewegungsenergie — ebenfalls abzulenken.

Die Eigenschaften des beschriebenen Reibklotzes sind besonders vorteilhaft wenn die beiden im Reibeingriff stehenden Oberflächen derartige Reibüberzüge aus hexagonalen Kristallwerkstoffen aufweisen, wobei die bevorzugte Orientierung in beiden Oberflächen dazu führt, daß zwischen beiden Reibflächen eine erhebliche Reibungskupplungswirkung auftritt, die zu einer wesentlichen Reduzierung des beiderseitigen Verschleißes führt. Trotzdem werden für die Bildung dieser Reibüberzüge hochverschleißfeste Werkstoffe mit großer Härte von 1000 HV und darüber verwendet. Metalle, Metalloxyde bzw. Metall-Kohlenstoffverbindungen, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Reibüberzüge geeignet sind, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. In der Tabelle ist ebenfalls das Vernetzungsverhältnis c/a angegeben.

Tabelle

Werkstoff	da
Kobalt	1,624
Magnesium	1,623
Neodym	1,612
Titan	1,587
Wolfram (hexagonale Form)	1,61
Yttrium	1,572
Nickel (hexagonale Form)	1,59
MOC	0,969
MO₂C	1,574
NbC	0,861
Nb₂C
Ta₂C	1,59
WC	0,976
W₂C	1,578
V₂C	1,59
Cr₂O₃	2,761
TiO₂	1,246

Für die Reibüberzüge können die Werkstoffe dieser Tabelle in reinem Zustand oder in Mischungen dieser Werkstoffe gebildet werden, oder sie können mit Werkstoffen kombiniert oder gemischt werden, die selbst nicht hexagonal aufgebaut sind, soweit sie in einem Verhältnis verwendet werden, bei dem die ursprüngliche hexagonale' Kristallstruktur in den erhaltenen Phasen bewahrt bleibt Derartige nkht-hexagona-Ie Werkstoffe sind beispielsweise Metalle wie Molybdän, Chrom, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel (nicht hexagonal) und NIOB, Kohlenstoffverbindungen, wie B₄C, TaQ TiC, Cr₃C₂, VC, ZrC oder Oxyde wie ZrO₂, Al₂O₃.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reibklotz für eine elektromagnetisch betätigbare Bremse oder Kupplung, bei dem der Magnetmaterial enthaltende Reibwerkstoff eines auf einen Belagträger durch Plasmaspritzen aufgetragenen Reibüberzugs einen geschlossenen Magnetkreis zwischen Reibklotz und Gegenreibfläche ermöglicht, und in praktisch allen seinen Phasen dem hexagonalen Kristallsystem angehört, wobei die Ebenen der Basis 0001 des größeren Teils der Kristalle des Überzugs im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Belagträgers orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Belagträger (80) auf dieser Oberfläche wenigstens einen ringförmigen Vorsprung aufweist (86a, 96b), wobei eine erste durch das Magnetmaterial gebildete Auflageschicht (88, 92a, 92b) die gesamte Oberfläche des Belagträgers einschließlich der des ringförmigen Vorsprungs (86a, 86b) mit der durch ihn gebildeten Mulde bedeckt, und eine zweite, äußere durch den Reibwerkstoff gebildete Auflageschicht (90) auf die erste Schicht aufgetragen ist und nach einer Oberflächenbearbeitung lediglich die Mulde ausfüllt, so daß wenigstens eine aus Magnetmaterial gebildete Ringschicht (92a, 92b) und eine aus dem Reibwerkstoff (94) gebildete Kernschicht eine in einer gemeinsamen Ebene liegende Reiboberfläche bilden.

2. Reibklotz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belagträger zwei konzentrisch angeordnete ringförmige Vorsprünge aufweist, die zwischen sich die Mulde bilden.

3. Reibklotz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial der ersten Auflageschicht eine Legierung aus Kobalt, Eisen, Nickel ist, und daß die zweite durch den Reibwerkstoff gebildete Auflageschicht aus Kobalt, legiert mit einem oder mehreren Anteilen der Gruppe der Werkstoffe CW, CW₂, Cr₂O₃, CrC₂, Cr und Mo besteht

4. Verfahren zum Herstellen eines Reibklotzes nach den Ansprüchen 1 — 3, mit einem Belagträger, der auf der zu überziehenden Oberfläche Vorsprünge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man in einen Plasmastrahl zunächst als erste Materie den Magnetwerkstoff einspritzt und auf der Belagträgeroberfläche, einschließlich der Vorsprünge, einen ersten Überzug erzeugt, daß man sodann als zweite Materie den Reibwerkstoff einspritzt und einen zweiten Überzug erzeugt, der durch Verschmelzen im Plasmastrahl eine in sämtlichen Phasen hexagonaie Kristallstruktur aufweist, wobei die Summe der Dicken des ersten und des zweiten Überzuges größer als die Höhe der Vorsprünge ist, und daß man schließlich die Überzugsoberfläche einebnet bis eine gemeinsame ebene Oberfläche entsteht, in der der auf den Vorspriingen aufgebrachte Magnetwerkstoff freiliegt