DE3023188A1 - Reibmaterial und daraus hergestellte gegenstaende - Google Patents
Reibmaterial und daraus hergestellte gegenstaendeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf neue Reibmaterialien, die Aramid-Fasern enthalten, insbesondere auf Kraftfahrzeug-Kupplungsbeläge
und ähnliche Reibelemente, die aus solchen Materialien hergestellt worden sind.
Die Automobilindustrie ist immer auf der Suche nach verbesserten Reibungsmaterialien zur Verwendung in Automobilen,
Lastwagen und anderen Motorfahrzeugen. Ein besonderes Gebiet, für das verbesserte Reibungsmaterialien gesucht wurden, ist
das der Gestaltung und Herstellung von Kupplungsbelägen. Kriterien von besonderer Bedeutung bei der Gestaltung von
Kupplungsbelägen sind eine zur Erfüllung immer höherer Umlaufgeschwindigkeiten
von Fahrzeugantriebsketten angemessene Berstfestigkeit, ein angemessener Reibungskoeffizient und
eine Verringerung des Abriebs zur Erhöhung der brauchbaren Lebensdauer von Kupplungen.
Die Haupthersteller von Kraftfahrzeug-Kupplungsbelägen fordern,
daß Kupplungsbeläge einen besonderen Leistungsstandard beim Heißberstfestigkeitstest erfüllen. Bei diesem Test
wird das angetriebene Teil der Kupplung mit zwei daran befestigten Belägen auf 2600C (5000F) 15 min erhitzt und dann
als Vorerfordernis für eine Annahme des Produkts spingetestot.
Dieser Test ist einer der schwierigsten Tests, die ein Kupplungsbelag durchmachen muß, da bei erhöhten Temperaturen
faserige Materialien und der Harz und/oder Kautschuk umfassende Binder, woraus der Kupplungsbelag hergestellt
ist, an Festigkeit verlieren, was zum Bersten bei verhältnismäßig niedrigen Umlaufgeschwindigkeiten führt. Herkömmliche
Kupplungsbeläge aus Asbestfasern mit einem Aüßendurchmesser von 27,9 cm (11 Zoll) und einem Innendurchmesser von 16/5 cm
(6,5 Zoll) widerstehen bekanntlich Spin- oder Drehge-
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302318a
schwindigkeiten von etwa 8000 bis 9000 U/min beim Heißberstfes
tigkeits test.
Da die Drehanforderungen für Kupplungsbeläge nachdrücklicher geworden sind, wurden Glasfasern verwendet, um den Belägen
mehr Festigkeit zu verleihen, während Asbest als Reibungsmaterial beibehalten wurde.
In jüngerer Zeit wurden bei einem Versuch zur Verbesserung der Heißberstfestigkeit Kupplungsbeläge aus Bündeln von
parallelen, kontinuierlichen Glasfaden hergestellt, die spiralig oder statistisch umeinander in Form einer ringförmigen
Scheibe gewunden und mit wärmehärtbarem Zement imprägniert wurden. Solche Konstruktionen sind in den US-Patentschriften
3 743 069 und 3 756 910 beschrieben.
Nach der US-PS 4 130 537 ist Glas als aktiver Reibungsbestandteil eines Reibteils zu "aggressiv" für die meisten kommerziellen
Anwendungen, wobei die Aggressivität bei Gebrauch durch Geräusch, Vibration und/oder ungleichmäßige Reibungswirkungen
in Erscheinung tritt, wenn das Reibteil mit einer dazu passenden Oberfläche in Eingriff gelangt. Um diesen Nachteil
zu überwinden, lehrt die Patentschrift die Einbeziehung unschmelzbarer
organischer Fasern mit einer Zersetzungstemperatur über 2040C (4000F), aber unter 427°C (8000F). Aramidfasern
(im Handel unter der Bezeichnung Nomex von duPont) sind ein Beispiel für solche Fasern.
Herkömmliche Kupplungsbeläge aus Asbestfasern zeigen, obgleich sie angemessene Reibungseigenschaften, z.B. einen
Reibungskoeffizienten von etwa 0,22 bis etwa 0,44 haben, außer begrenzter Heißberstfestigkeit auch eine verhältnis- ·
mäßig hohe Abriebgeschwindigkeit in der Größenordnung von etwa 0,025 - 0,03 mm (etwa 0,01 - 0,012 Zoll) auf jeweils
10.000 Eingriffvorgänge. Wenngleich Glasfaser-Kupplungsbeläge verbesserte Heißberstfestigkeit und etwas geringeren
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_ 7 —
Abrieb zeigen, verglichen mit Asbestfaser-Kupplungsbelägen, besteht dennoch ein ständiges Bedürfnis, diese beiden wesentlichen
Eigenschaften zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Reibmaterials,
das Aramid-Fasern enthält und besonders brauchbar ist zur Herstellung von Kraftfahrzeug-Kupplungsbelägen
und Bremsauskleidungen. Ferner soll die Erfindung Kupplungsbeläge aus Aramid-Fasern schaffen, die erhöhte Heißberstfestigkeit
und verbesserte Abriebeigenschaften aufweisen.
Diese sowie weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden näheren Beschreibung
der Erfindung und den Figuren; von diesen zeigt:
Fig. 1 ein aus kontinuierlichen Aramid-Fasern, imprägniert mit wärmehärtbarem Zement, um sich selbst in Scheibenfcrm
gewickelt, gebildetes Band;
Fig. 2 einen Kupplungsbelag aus Aramidfaserband, imprägniert
mit wärmehärtbarem Zement in drei Stadien der Herstellung;
Fig. 3 eine Aufriß- oder Frontalansicht eines erfindungsgemäßen Kupplungsbelags und
Fig. 4 eine Seiten- oder Kantenansicht des Kupplungsbelags der Fig. 3.
Die Erfindung führt zu einem Reibmaterial mit Aramidfasern und einem wärmehärtenden Binder oder Zement als wesentlichen
Bestandteilen. Der Binder bildet wärmegehärtet eine Matrix für die Aramid-Fasern in dem aus dem Reibmaterial hergestellten
Reibelement.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Aramid-Fasern sind in Garnform
(unter der Handelsbezeichnung "Kevlar") im Handel erhältlich. Aramid ist eine Stammbezeichnung für Fasern, die
durch Umsetzen eines aromatischen Disäurechlorids mit einem aromatischen Diamin hergestellt worden sind, wobei die
Säuregruppe des Disäurechlorids und die Aminogruppen des Diamins relativ zueinander m- oder p-orientiert sind, und
zwar bei tiefen Temperaturen (unter 1000C). Die Aramidpolymeren,
aus denen die Fasern hergestellt sind, sind hochmolekular und zeichnen sich überwiegend durch die wiederkehrende
Struktureinheit
R R1 O
I1 i1 I!
- N - Ar1 - N - C - Ar2 -C-
I1 i1 I!
- N - Ar1 - N - C - Ar2 -C-
aus, worin R1 Wasserstoff oder Niederalkyl ist und Ar1 und
Ar- gleich oder verschieden und ein unsubstituierter zweiwertiger aromatischer Rest oder ein substituierter zweiwertiger
aromatischer Rest sein können, wobei die kettenverlängernden Bindungen dieser zweiwertigen aromatischen
Reste zueinander m- oder p-orientiert und die Substituenten an jedem aromatischen Kern einer oder mehrere oder
ein Gemisch aus der Gruppe Niederalkyl, Niederalkoxy, Halogen, Nitro, Niedercarbalkoxy oder anderer Gruppen, die
während der Polymerisation kein Polyamid bilden, sind.
Aramidpolymere des Typs, aus dem die in den erfindungsgemäßen
Reibmassen verwendeten Fasern hergestellt sind, sind ziemlich ausführlich in der US-PS 3 094 511 beschrieben, deren
Offenbarung hiermit einbezogen wird. Solche Aramidfasern sollten eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 454°C
(85O0F), vorzugsweise über etwa 482°C (9000F) haben.
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Besonders bevorzugte Aramidfasern, die in den erfindungsgeir.äßen
Reib teilen der Reibbeläge verwendet werden können, bestehen aus Polymeren, die das Kondensationsprodukt von
Terephthalsäure und p-Phenylendiamin sind. Ein Beispiel für
Fasern dieses Typs sind solche mit einer Zersetzungstemperatur im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 5000C
(9300F), einer Dichte von 1,44 g/cm3, einem Faserdurchmesser
von etwa 1,27·10~ cm (0,0 005 Zoll), einer Festigkeit von
etwa 21 g/den und einer Zugfestigkeit·von etwa 28.120 kp/cma
(400.000 psi).
In Abhängigkeit von dem aus den erfindungsgemäßen Reibmaterialien
herzustellenden besonderen Reibelement können die Aramid-Fasern kontinuierliche Fäden, Stapelfasern oder geschnittene
Fasern sein, letztere von verhältnismäßig gleichförmiger Länge von etwa 0,32 bis 5,08 cm (1/8 bis 2"). Die
geschnittenen Fasern können auch gekräuselt sein. Beispielsweise wird in erfindungsgemäß hergestellten Kupplungsbelägen
die Verwendung von aus kontinuierlichen Fäden bestehendem Aramidgarn bevorzugt. Andererseits sind Stapelfasern
und geschnittene Fasern besonders brauchbar bei der Herstellung von Scheibenbremsbelägen.
Neben den Aramid-Fasern enthalten die erfindungsgemäßen
Reibmaterialien eine Zementmasse mit einem wärmehärtbaren Harz, vulkanisierbarem Elastomer und die Reibung modifizierenden
Mitteln»
Das wärmehärtbare Harz kann vom Phenoltyp sein, wie Phenol/ Aldehyde, wofür Beispiele Phenol/Formaldehyd, Resorcin /
Formaldehyd, Phenol/Kresol/Formaldehyd und Phenol/Furfural-Harze sind. Wenn gewünscht, können solche Harze durch Umsetzen
mit Leinöl oder Cashewnußöl öllöslich gemacht worden sein. Ein bevorzugtes Phenolharz ist ein Phenol/Formaldehyd-Harz.
Andere geeignete wärmehärtende Harze sind z.B.
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Epoxyharze, epoxidierte Phenolharze, Melamin/Formaldehyd-Harze
und dgl.
Das vulkanisierbare Elastomer in dem Zement kann ein Naturkautschuk
oder ein synthetisches Elastomer, wie Neopren, Butadien/Styrol, Butadien/Acrylnitril, Isopren, Acrylatkautschuk,
die in jüngerer Zeit entwickelten Kohlenwasserstoff-Elastomeren mit einem Copolymerisat aus Äthylen,
Propylen und einem dritten Monomeren, wie D!cyclopentadien,
das Unsättigung für die Härtung liefert, und dgl. .und insbesondere
solche Elastomerenmaterialien sein, die durch Reaktion zu einer Abbindestufe durch Peroxid oder durch
Schwefelbindungen härtbar oder vulkanisierbar sind. Der elastomerhaltige Zement umfaßt natürlich auch wohlbekannte
Vulkanisier- und Stabilisiermittel.
Die Zementmasse enthält vorzugsweise herkömmliche, die Reibung modifizierende Mittel, wozu gewöhnlich teilchenförmige
anorganische Materialien, wie Ton, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Kryolit, Bleiglätte und Baryte, oder organische
Materialien, wie Graphit, Ruß und aus polymerisiertem Cashewnußöl gebildete Teilchen gehören.
Typische Zementzusammensetzungen, die sich besonders zum Binden der Aramid-Fasern gemäß der Erfindung eignen, sind
in der folgenden Tabelle I wiedergegeben:
Tabelle I | Bestandteil | Gewichtsteile |
Vulkanisierbares Elastomer | 5-15 | |
wärmehärtendes Harz | 5-25 | |
Beschleuniger | 0,05-0,5 | |
Härter | 1-12 | |
teilchenförmige, die Reibung
modifizierende Mittel 10-50
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Die Zementmasse enthält im allgemeinen etwa 20 bis etwa 80 % vulkanisierbare Elastomerfeststoffe und etwa 80 bis etwa
20 % wärmehärtbare Harzfeststoffe, bezogen auf das Gesamtgewicht der beiden Bestandteile. Vorzugsweise enthält die
Zementmasse gleiche Gewichtsteile an Elastomerem und Harz.
Der Zement kann auf die Aramid-Fasern in Form eines Gemischs
auf Lösungsmittelbasis aufgebracht werden. Geeignete Lösungsmittel sind z.B. Toluol und andere wohlbekannte flüchtige
organische Lösungsmittel, die verhältnismäßig nicht-toxisch sind.
Die in den erfindungsgemäßen Reibmaterialien verwendeten Anteilmengen
an Aramid-Fasern und wärmehärtbarem Zement hängen von dem besonderen, daraus herzustellenden Reibelement
ab. Im Falle von Reibbelägen kann der wärmehärtbare Zement etwa 40 bis etwa 95 Gew.-% (Trockenbasis), bezogen auf das
Gesamtgewicht an Zement und Fasern, umfassen. Vorzugsweise umfaßt in Reibbelägen der wärmehärtbare- Zement etwa 60 bis
etwa 80 %. Im Falle von Reibbelägen in Form von Scheibenbremsbelägen und dgl. kann der Zement in einer Menge von
etwa 65 bis etwa 90 %, bezogen auf das Gesamtgewicht an Zement und Fasern, in Abhängigkeit von der gewünschten Bremsleistung,
vorliegen.
Die erfindungsgemäßen Reibmaterialien sind auch brauchbar bei der Herstellung von Scheibenbremsbelägen und Bremsbelägen.
Bei der Herstellung von Scheibenbremsbelägen gemäß der Erfindung werden kurze Aramid-Fasern, z.B. geschnittene Fasern,
und wärmehärtbarer Zement gleichförmig gemischt, wobei sich für einen solchen Zweck im allgemeinen ein Flügelmischer
eignet. Das Gemisch wird dem Mischer entnommen und in einen Heißumluftofen bei einer Temperatur in der Größenordnung
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von etwa 650C (etwa 1500F) gebracht, um die Menge an flüchtigen
Bestandteilen auf zwischen 4 und 6 % zu reduzieren. Das Trockengemisch, das in Form von Pellets vorliegen
kann, kann dann zu Scheibenbremsbelag-Vorformen kalt geformt werden, worauf die Vorformen in einer vorerhitzten
Form ausgeformt, nachgehärtet und auf spezifizierte Toleranzen geschliffen werden können.
Andererseits können Seheibenbremsvorformen aus einer ringförmigen
Kupplungsbelag-Vorform, hergestellt wie nachfolgend in Verbindung mit den Figuren beschrieben, herausgearbeitet
werden. Die so erhaltenen Scheibenbrems-Vorformen können in eine vorerwärmte Form gebracht und gepreßt, nachgehärtet
und auf die erforderlichen Toleranzen geschliffen werden.
In den erfindungsgemäßen Reibmaterialien kann ein Teil, z.B. bis zu etwa 30 Gew.-%, der Aramid-Fasern durch andere Fasern,
sowohl organische als auch anorganische, ersetzt sein, wofür Baumwoll-, Jute-, Hanf-, Nylon-, Rayon-, Glas- und Asbestfasern
Beispiele sind.
Unter Bezugnahme auf die Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 10 ein ringförmig geformtes, scheibenähnliches Reibelement,
wie einen Kupplungsbelag.
Der Kupplungsbelag wird durch Umwickeln eines kontinuierlichen Bündels oder Bandes 12 im allgemeinen kontinuierlicher
Aramidfäden, überzogen mit einem wärmehärtbaren Zement mit wärmehärtbarem Harz und wärmehärtbarem Elastomer, wie oben
beschrieben, in Wellenform, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, zu einer scheibenartigen Vorform, die dann verfestigt
und deren Zement durch Anwendung von Wärme und Druck gehärtet wird, hergestellt. Fig. 1 zeigt schematisch das
Verfahren, nach dem das kontinuierliche Band 12 wellig auf einen sich drehenden Dorn 20 aufgewickelt wird, wodurch das
ι
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Band den augenblicklichen Radius, mit dem es aufgewickelt wird, ständig variiert.
Wie insbesondere in Fig. 2 veranschaulicht, hat der Kupplungsbelag
10 drei Segmente I, II und III, die den fertigen Kupplungsbelag I und die Zwischenstadien II und III
der Bildung der Vorform veranschaulichen.
Das Band 12 wird durch Vereinigen einer Vielzahl, im allgemeinen 2 bis 15 und bevorzugt 5 bis 10 Garne kontinuierlicher
Aramid-Fäden oder -Fasern gebildet.
Die Aramid-Fasern können mit wärmehärtbarem Zement nach jeder geeigneten Maßnahme überzogen werden. Vorzugsweise erfolgt
das Überziehen so, daß die Faserbündel aufgespreizt oder geöffnet werden, um die Zementdispersion leichter eindringen
zu lassen, so daß alle Fäden mit dem Zement in Berührung kommen und Zementfeststoffe über ihre Länge aufnehmen.
Auf dem Textilgebiet gibt es verschiedene Vorrichtungen, die dazu ausgelegt sind, Faserbündel zu spreizen oder zu trennen,
um die Aufnahme verschiedener Überzugsmaterialien zu verstärken. Beispielsweise können die Garne durch eine
kammähnliche Vorrichtung geführt werden, bevor sie in die Überzugsvorrichtung gelangen, die im allgemeinen vom Walzentyp
ist, wodurch die Faserbündel zu innigem Kontakt mit dem Überzugsmittel geöffnet werden.
Nach dem überziehen der Fasern mit Zement werden die Fasern,
gewöhnlich in Form eines Garns, durch Hindurchführen durch einen Ofen, wie einen Heißumluftofen, oder eine mit Infrarotheizung
ausgestattete Einrichtung, getrocknet.
Vorzugsweise erhalten die Fasern einen Vorüberzug aus einem Phenolharz, z.B. einem Phenol/Formaldehyd-Harz, bevor sie
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mit wärmehärtbarem Zement überzogen werden. Dies kann dadurch geschehen, daß die Garnbündel durch eine Alkohol/
Wasser-Lösung des Phenolharzes geführt werden. Solche Lösungen können größenordnungsmäßig etwa 10 bis 12 % Harzfeststoffe
enthalten, und die gewichtsmäßige Anteilmenge von Alkohol zu Wasser in solchen Lösungen kann zwischen
etwa 60:40 und 40:60 variieren. Die Harzaufnahme durch die Aramid-Fasern liegt bei etwa 10 bis 12 %, bezogen auf das
Gesamtgewicht von Harz und Fasern.
Nach dem Aufbringen des wärmehärtbaren Zements auf die Fasern und Entfernen des Lösungsmittels werden die Garne
zu einem Band vereinigt, indem eine Vielzahl von Garnen, z.B. 5 bis 10, durch rotierende Rollen oder Walzen oder dgl.
zusammengeführt werden, die die Garne miteinander verdrillen. In dem anfallenden Band kann in geringem Umfang Verdrillung
vorliegen.
Der Begriff "Garn", wie er in der vorliegenden Beschreibung
und den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich auf eine Ansammlung oder Einheit einer großen Zahl im wesentlichen kontinuierlicher
einzelner Aramidfäden. So kann ein Garn 100 bis 2.000, vorzugsweise 1.500 bis 2.000 einzelne Fäden umfassen,
die in irgendeiner auf dem Fachgebiet bekannten Weise miteinander vereinigt sind. Solche Garne sind gewöhnlich nicht
verdrillt, können aber eine relativ schwache, nicht über etwa 1 Drehung/30,5 cm hinausgehende Verdrillung aufweisen. Die
Aramid-Faden, aus denen die Garne bestehen, sind extrem fein,
_3
wofür ein Beispiel 1,27·1Ο cm (O,0005 Zoll) sind. Das Garn kann auch aus Stapelfasern sein, dann von etwa 500 bis 10.000, vorzugsweise 4000 bis 6000 den sein.
wofür ein Beispiel 1,27·1Ο cm (O,0005 Zoll) sind. Das Garn kann auch aus Stapelfasern sein, dann von etwa 500 bis 10.000, vorzugsweise 4000 bis 6000 den sein.
Wie oben bemerkt, wird ein aus kontinuierlichen Aramid-Fäden oder, wenn gewünscht, aus Stapelfasern gebildetes
Band, vorüberzogen mit wärmehärtendem Harz und überzogen mit wärmehärtbarem Zement, vorzugsweise wellig auf einen
sich drehenden Dorn so aufgewickelt, daß in der sich ergebenden Vorform die Umdrehungen des Bandes im augenblick-
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lichen Radius, mit dem aufgewickelt wird, variieren. Diese Anordnung ist am besten in Fig. 2 veranschaulicht. Doch
kann das Band eher spiralig als statistisch zufällig zu einer ringförmigen Reibbelag-Vorform gewickelt werden.
Statt ein Band aus Aramidgarn zu verwenden, kann das Band
in Form einer gewirkten Struktur oder eines Gewebes vorliegen. Beispielsweise kann ein geeignetes Band durch
Wickeln eines Aramid-Fasern enthaltenden Gewebes um einen Dorn und Schneiden des Gewebes in Streifen geeigneter Breite,
z.B. 1,27 - 1,59 cm (1/2 bis 5/8") erhalten werden. Auch ein gewirktes Band kann unter Verwendung von Aramid-Fasern
in Kette und Schuß mit einem Fangfaden aus Nylon, Polyester oder anderer organischer Faser zur Stabilisierung
des Bandes hergestellt werden. Solche Bänder werden dann mit wärmehärtbarem Harz überzogen, getrocknet und spiralig
oder wellig zu einer Ringvorform aufgewickelt.
Die anfallende scheibenförmige Reibbelag-Vorform wird dann
in eine Form gebracht und auf eine Temperatur im Bereich von etwa 177 bis 1900C (etwa 350 bis 375°F) unter einem
Druck von etwa 241 bis 345 bar (etwa 3500 bis 5000 psi) für kurze Zeit, z.B. 2 bis 3 min, zum Verfestigen und Verdichten
der Vorform und zum wenigstens teilweise Härten des Zements vorerwärmt. Dann werden die erhaltenen Beläge
in einen auf eine Temperatur von etwa 204-2320C (etwa 400 bis 45O0F) erhitzten Ofen gebracht, wo sie mehrere Stunden
bleiben. Während dieser letzteren Wärmebehandlung wird der Binder in den unschmelzbaren, unlöslichen Zustand überführt.
Die Kupplungsbeläge werden dann in herkömmlicher Weise mecha nisch weiter bearbeitet, z.B. durch Schleifen zur Erzielung
annehmbarer Toleranz, und gebohrt, um Löcher zu schaffen, mit deren Hilfe die Beläge am Getriebe einer Verbrennungskraftmaschine
befestigt werden (vgl, insbesondere Fig. 3 und 4).
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Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von erfindungsgemäßen
Kupplungsbelägen.
Acht Fäden eines Garns mit kontinuierlichen Fäden (1500 den) aus Aramidpolymer (Kevlar 29) wurden mit einer wärmehärtenden
Zementmasse der in Tabelle II aufgeführten Zusammensetzung überzogen:
Tabelle II | Bestandteil | Gew.-% |
Toluol | 54,0 | |
Naturkautschuk | 4,6 | |
Phenol/Formaldehyd-Harz | 2,5 | |
teilchenförmige, die Reibung | ||
modifizierende Mittel | 34,6 | |
Klebrigmacher | 0,7 | |
Beschleuniger | 0,2 | |
Härter | 3,4 | |
Dieser Überzug wurde kontinuierlich aufgebracht, indem die Garne durch einen Tauchtank geführt wurden, der den Zement
enthielt, und dann das überzogene Garn in einem bei 1200C
(248°F) gehaltenen Trockenofen getrocknet wurden. Mit dieser Arbeitsweise war die Zementaufnahme 75 bis 83 % an
getrocknetem Zement, bezogen auf das Gesamtgewicht der überzogenen Fasern.
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Ein Band wurde durch Zusammenführen von vier der überzogenen
und getrockneten Garne gebildet, und dieses Band wurde wellig auf einen sich drehenden Dorn so aufgewickelt, daß die
Umdrehungen de.s Bandes im augenblicklichen Radius, mit dem aufgewickelt wurde, variierten. Die so hergestellten Vorformen
wogen 390 g und wurden in einer Kupplungsbelagform 3 min bei 276 bar (4000 psi) und 1600C (3200F) geformt. Dann
wurden die Kupplungsbeläge bei 204 bis 2320C (400 bis 45O0F)
einige Stunden weiter erwärmt, um den Binder in den unschmelzbaren, unlöslichen Zustand zu überführen.
Die Beläge wurden auf folgende Abmessungen geschliffen: Außendurchmesser 27,9 cm (11"), Innendurchmesser 16,5 cm
(6,5"), Dicke 0,348 cm (0,137") und dann durchbohrt, um sie auf Reibungs- und Abriebeigenschaften sowie auf Heißberstfestigkeit
testen zu können.
Ein gemäß Beispiel 1 hergestellter Kupplungsbelag wurde nach der nachfolgend beschriebenen Arbeitsweise auf Heißberstfestigkeit
getestet.
Der Kupplungsbelag wurde an das Antriebsteil genietet und der befestigte Belag dann 15 min in einem auf 2600C gehaltenen
Ofen erhitzt. Der befestigte Kupplungsbelag wurde dem Ofen entnommen und an der drehbaren Welle einer Zentrifugalberstmaschine
angebracht. Der Test wurde sofort begonnen, und das Antriebsteil, an dem der Testkupplungsbelag befestigt
war, erreichte in etwa 2 s 3500 U/min. Danach wurde die Geschwindigkeit des Antriebsteils mit durchschnittlich etwa
135 Upm/s gesteigert. Testergebnisse sind in Form von Rotationsgeschwindigkeiten
zum Zeitpunkt des Berstens des Kupplungsbelags aufgezeichnet.
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Der Aramidfasern enthaltende Kupplungsbelag, hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, barst selbst bei Erreichen
der Maximalgeschwindigkeit von 10000 U/min für die Maschine nicht. Dies zeigte, daß die Heißberstfestigkeit der Kupplungsbeläge
über 10000 U/min lag.
Nach Beispiel 1 hergestellte Kupplungsbeläge wurden einem gesteuerten Verdrehungsmomenttest unter Verwendung eines
Langkupplungs-Dynamometers, wie nachfolgend beschrieben,
unterzogen. Die Dicke der Beläge wurde an zehn verschiedenen Stellen am Außendurchmesser und Innendurchmesser gemessen,
und dann wurden die Beläge auf Reibungseigenschaften unter Anwendung folgender Arbeitsweise getestet:
1. Die Kupplung wird 4 s bei 1100 ü/min und einem konstanten
Drehmoment von 320 N.m (235 Ib.ft.) bei jeder Anwendung
eingesetzt. Das Kupplungs-Ausgangsdrehmoment wird durch Begrenzung des Eingriffs der Kupplung mit Hilfe
der Einstellung im Freigabemechanismus gesteuert. Die Einstellung kann erfolgen, um nur einen Durchschnittswert
des Ausgangsdrehmoments während des 4 s-Eingriffs zu erzielen.
2. Die Kupplung wird 56 s freigegeben, darauf erneut eingesetzt.
3. Nach 10.0 Einsätzen erfolgt bei vollem Druck ein 15 s-Test
auf Wärme-bedingten Wirkungsschwund.
4. Ohne Kühlung wird der Druck sofort auf ein.gesteuertes
Drehmoment von 320 N.m (235 ft.Ib) eingestellt und weitere lOOmal eingesetzt.
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5. Ein weiterer 15 s-Test auf Wärme-bedingten Wirkungsschwund bei vollem Druck erfolgt, darauf weitere 100
Einsätze bei gesteuertem Drehmoment ohne Kühlung.
Einsätze bei gesteuertem Drehmoment ohne Kühlung.
Die Reibungskoeffizienten (maximal und minimal) werden
während des ersten, zweiten und dritten Schwundtests bestimmt, und die erhaltenen Daten sind in der folgenden
Tabelle III aufgeführt.
während des ersten, zweiten und dritten Schwundtests bestimmt, und die erhaltenen Daten sind in der folgenden
Tabelle III aufgeführt.
Tabelle III | minimal | |
0,22 0,27 0,26 |
||
Schwund | Reibungskoeffiz ient | |
1 2 3 |
maximal | |
0,38 0,38 0,37 |
Die Dicke der Testkupplungsbeläge wurde nach dem Test erneut gemessen und der Abrieb zu nur 5,08 χ 10 cm
(0,002") ermittelt.
(0,002") ermittelt.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung von Kupplungsbelägen unter Verwendung von Aramidgarn mit kontinuierlichen
Fäden, vorüberzogen mit einem wärmehärtenden Phenol/ Formaldehyd-Harz.
Sechs Fäden (1500 den) Aramidgarn (Kevlar 29) wurden mit
einem wasserlöslichen, wärmehärtbaren Phenol/Formaldehyd-Harz vorüberzogen, indem das Garn durch eine Älkohol/Wasser-Lösung mit 10 % Harzfestostffen geführt wurde, um eine Harzaufnahme von 10,3 Gew.-% trockenen Harzes, bezogen auf das Gesamtgewicht des überzogenen Garns, zu erzielen.
einem wasserlöslichen, wärmehärtbaren Phenol/Formaldehyd-Harz vorüberzogen, indem das Garn durch eine Älkohol/Wasser-Lösung mit 10 % Harzfestostffen geführt wurde, um eine Harzaufnahme von 10,3 Gew.-% trockenen Harzes, bezogen auf das Gesamtgewicht des überzogenen Garns, zu erzielen.
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Das getrocknete, vorüberzogene Garn wurde dann mit dem Zement der Tabelle II auf Lösungsmittelbasis überzogen,
und'sechs Fäden des überzogenen Garns wurden zu einem Band zusammengeführt, mit einer Zementaufnähme von 75 Gew.-%
des trockenen Überzugs, bezogen auf das Gesamtgewicht des überzogenen Bandes.
Unter Verwendung dieses Bandes wurden Vorformen für Kupplungsbeläge hergestellt, geformt und nachgehärtet, wie in Beispiel
1 beschrieben.
Die nach Beispiel 4 hergestellten Kupplungsbeläge wurden dem gesteuerten Verdrehungsmomenttest unterworfen, wie in
Beispiel 3 beschrieben, und die erzielten Ergebnisse sind wie folgt:
Tabelle IV | minimal |
0,28 0,28 0,27 |
|
Reibungskoef f i ζ ient | |
maximal | |
0,38 0,37 0,36 |
Schwund
Es wurde ein durchschnittlicher Abriebwert von 1,143x10 cm
(0,0045") beobachtet.
Beispiel 6
Beispiel 6
Ein nach Beispiel 4 hergestellter Kupplungsbelag wurde in einem 1978er Ford F-150-LKW mit einem Vier-Gang-Getriebe
eingebaut, und der Kupplungsbelag wurde mäßig in Betrieb genommen, ohne übermäßig abschleifend zu sein.
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Nach jeweils 10.000 Betätigungen wurde der Kupplungsbelag-Abrieb
durch Messen der Veränderung der Dicke des Belags ermittelt. Die Ergebnisse dieses Tests sind in der folgenden
Tabelle V aufgeführt:
Tabelle V | Teilabrieb | (Zoll) |
cm, x10~ | (0,0122) | |
3,1 | (0,0002) | |
0,051 | (0,0006) | |
0,152 | (0,0004) | |
0,102 | (0,0006) | |
0,152 | (0,0002) | |
0,051 | ||
Zahl der Betätigungen
10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000
Der verhältnismäßig hohe Anfangsabrieb nach den ersten 10.000 Betätigungen beruht vermutlich auf der Nichtgleichförmigkeit
der geschliffenen Oberfläche des Bremsbelags, was zu nur teilweiser Berührung mit dem dazupassenden
Teil der Kupplung führt.
Das Band des Beispiels 1 wurde zur Herstellung einer Reihe von Proben von 5,1 χ 7,6 cm (2 χ 3") verwendet, die unter
den in Beispiel 1 angegebenen Bedingungen geformt, gehärtet und nachgehärtet wurden. Diese Proben wurden_dann unter
Verwendung eines Tinius-Olsen-Zugfestigkeitstesters auf Zugfestigkeit getestet. Etwas Rutschen in den Backen des
Testers wurde beobachtet, aber Zugfestigkeiten im Bereich von 1125 bis 2004 kp/cm2 (16.000 bis 28.500 psi) wurden
aus den Testergebnissen errechnet.
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Kupplungsbeläge wurden hergestellt, wie in Beispiel 4 beschrieben,
mit der Ausnahme, daß 2/1-Aramid (Kevlar)-Spinngarn
anstelle kontinuierlichen Fadengarns verwendet wurde. Die Phenolharz-Vorüberzugs-Aufnähme war 10 Gew.-%, bezogen
auf überzogene Fasern, und die Zementaufnahme war etwa 85 %.
Die so hergestellten Kupplungsbeläge wurden dem in Beispiel 3 beschriebenen gesteuerten Verdrehungsmomenttest untersogen,
und die erzielten Ergebnisse waren wie folgt:
Tabelle VI | minimal | |
0,32 0,31 0,29 |
||
Schwund | Reibungskoeffizient | |
1 2 3 |
maximal | |
0,33 0,36 0,37 |
Es wurde ein durchschnittlicher Abriebwert von 7,62 χ 10 cm
(0,003") beobachtet.
Kupplungsbeläge wurden wie in Beispiel 4 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß 2/1-Aramid (Kevlar)-Spinngarn
anstelle kontinuierlichen Fadengarns verwendet wurde. Die Phenolharz-Vorüberzugs-Aufnahme betrug etwa 10 Gew.-% und
die Zement-Aufnahme etwa 75 %.
So hergestellte Kupplungsbeläge wurden dem in Beispiel 3 beschriebenen gesteuerten Verdrehungsmomenttest unterzogen,
und die erzielten Ergebnisse sind wie folgt:
030082/0822
23 - | VII | 3 | 023 | minimal | ,26 | 1 | 88 |
Tabelle | 0 | ,26 | |||||
Reibungskoeffizient | 0 | ,26 | |||||
maximal | 0 | ||||||
0, | |||||||
O1 | |||||||
O1 | |||||||
,33 | |||||||
,33 | |||||||
,33 |
Schwund
1 2 3
Es wurde ein durchschnittlicher Abriebwert von 1,02 χ 10 cm
(0,004") beobachtet.
030062/0822
e e r s e
ite
Claims (25)
1. Material für die Herstellung eines Reibelements verbesserter
Abriebfestigkeit, gekennzeichnet durch ein Gemisch aus etwa 5 bis etwa 60 % Aramid-Fasern mit einer Zersetzungstemperatur
von wenigstens etwa 4540C (etwa 8500F), überzogen mit etwa 40 bis etwa 95 % eines wärmehärtbaren
Zements, der ein wärmehärtendes Harz und ein wärmehärtbares Elastomer aufweist, wobei die Prozentsätze
auf das kombinierte Gewicht von Fasern und Zement bezogen sind.
2. Material nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 60
bis etwa 80 % wärmehärtbaren Zement im Gemisch.
3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aramidfasern aus dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin gebildet sind.
030062/0822
ORIGINAL INSPECTED
4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmehärtbare Zement etwa 20 bis 80 Gew.-% Phenol/
Formaldehyd-Harz und etwa 80 bis etwa 20 % natürlichen
Kautschuk aufweist.
5. Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der wärmehärtbare Zement etwa 50 % Harz und 50 % Kautschuk aufweist.
6. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aramid-Fasern eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 4820C (etwa 9000F) aufweisen.
7. Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aramid-Fasern eine Zersetzungstemperatur von wenigstens
etwa 5000C (etwa 9300F) aufweisen.
8. Reibelement verbesserter Abriebfestigkeit mit etwa 5 bis etwa 60 % Aramid-Fasern einer Zersetzungstemperatur von wenigstens
etwa 454°C (etwa 8500F), aneinander gebunden mit etwa 40 bis etwa 95 % eines wärmehärtbaren Zements,
der ein wärmehärtendes Harz und ein wärmehärtbares· Elastomer umfaßt, wobei sich die Prozentsätze auf das
kombinierte Gewicht von Fasern und Zement beziehen, und das Element zur Verfestigung der Fasern und zum Härten
des Zements Wärme und Druck unterworfen wurde.
9. Reibelement nach Anspruch 8, dessen Aramid-Fasern aus dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin
gebildet sind.
10. Reibelement nach Anspruch 8, dessen wärmehärtbarer Zement etwa 20 bis etwa 80 Gew.-% Phenol/Formaldehyd-Harz und
etwa 80 bis etwa 20 %'Naturkatuschuk aufweist.
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11. Reibelement nach Anspruch 10, dessen wärmehärtbarer Zement etwa 50 % Harz und etwa 50 % Kautschuk aufweist.
12. Reibelement nach Anspruch 8, dessen Aramid-Fasern eine
Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 482°C (etwa 9000F) haben.
13. Reibelement nach Anspruch 9, dessen Aramid-Fasern eine
Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 5000C (etwa
9300F) haben.
14. Scheibenförmiger Reibbelag mit einem Innendurchmesser
und einem Außendurchmesser, der ein mit einem wärmehärtbaren Zement imprägniertes Band aufweist, angeordnet in
spiraliger oder welliger Form, der Wärme und Druck zum Komprimieren des Bandes zur Ausformung eines scheibenförmigen
Belags und zum Härten des Zements unterworfen worden ist, wobei das Band eine Vielzahl von Aramid-Faser-Spinnfäden
einer Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 454°C (etwa 8500F) aufweist, überzogen mit einem
wärmehärtbaren Zement mit einem wärmehärtenden Harz und einem wärmehärtbaren Elastomer, wobei der Reibbelag etwa
40 bis etwa 95 % wärmehärtbaren Zement aufweist und die Prozentsätze auf das Gesamtgewicht der Fasern und des
Zements in den Belägen bezogen ist.
15. Reibbelag nach Anspruch 14, in dem die Fäden aus praktisch
kontinuierlichen Aramid-Fasern gebildet sind und das Band in welliger Form angeordnet ist.
16. Reibbelag nach Anspruch 14, der etwa 60 bis etwa 80 %
wärmehärtbaren Zement aufweist.
17. Reibbelag nach Anspruch 14, in dem der Zement etwa 20 bis
80 Gew.-% wärmehärtendes Harz und etwa 80 bis etwa 20 % wärmehärtbares Elastomer aufweist.
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18. Reibbelag nach Anspruch 17, in dem der wärmehärtbare
. Zement etwa 50 % Harz und 50 % Kautschuk aufweist.
19. Reibbelag nach Anspruch 14, in dem die Aramid-Fasern
eine Zersetzungstemperatur von wenigstens etwa 4820C
(etwa 9000F) haben.
20. Reibbelag nach Anspruch 14, in dem der wärmehärtbare
Zement Phenol/Formaldehyd-Harz und Naturkautschuk
aufweist.
21. Reibbelag nach Anspruch 14, in dem die Aramid-Fasern aus
dem Kondensationsprodukt von Terephthalsäure und p-Phenylendiamin gebildet sind.
22. Reibbelag nach Anspruch 21, in dem die Aramid-Fasern eine Zersetzungstemperatur von etwa 5000C (etwa 9300F) haben.
23. Reibelement nach Anspruch 8 in Form eines Scheibenbremsbelags.
24. Reibelement nach Anspruch 8 in Form einer Bremsauskleidung.
25. Reibelement nach Anspruch 8 in Form eines Kupplungsbelags.
030062/0 8 22
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: RAYMARK INDUSTRIES, INC., TRUMBULL, CONN., US |
|
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8330 | Complete disclaimer |