DE3831197C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Bauelement
zur Übertragung einer Reibungskraft, insbesondere für
Kupplungen oder Bremsen, mit einer Trägerschicht,
einer Zwischenschicht aus elastomerem Material und einer
Reibschicht aus einem Reibwerkstoff, ggf. unter Zwischen
lage wenigstens einer weiteren Trägerschicht und
wenigstens einer weiteren Zwischenschicht zwischen der
Trägerschicht und der Reibschicht.
Herkömmliche Kupplungen bestehen aus einer Eisen-Träger
platte, die mit dem Kupplungsbelag durch Nieten verbunden
ist. In der Trägerplatte sind außerdem häufig Kröpfungen
ausgebildet, die der Kupplung eine Elastizität in
axialer Richtung verleihen. Hieran ist es insbesondere
nachteilig, daß der Kupplungsbelag nur bis zur Tiefe
der Nieten abgetragen werden kann, weil dann über die
Nieten keine einwandfreie Reibungsverbindung mehr
gewährleistet wird. Das Material des Kupplungsbelages
zwischen der Oberseite der Nieten und der Trägerplatte
ist also für die eigentliche Reibarbeit nicht nutzbar.
Hier hat schon ein mehrschichtiges Bauelement Abhilfe
geschaffen, das in der britischen Offenlegungsschrift
21 91 830 beschrieben ist. Dort wird die Nietenverbindung
durch eine Klebeverbindung ersetzt und von diesem Stand
der Technik geht die Erfindung aus. Als Vorteil ist anzu
merken, daß dort, zumindest theoretisch, praktisch die
gesamte Stärke des Kupplungsbelags ausgenutzt werden kann,
ehe der Kupplungsbelag erneuert werden muß. Man kommt
daher mit entsprechend dünneren Kupplungsbelägen aus,
was nicht nur Kosten spart, sondern die Trägheit der
Kupplung fühlbar verringert. Hier ist auch zu
berücksichtigen, daß der Kupplungsbelag sich im Bereich
des äußeren Radius der Kupplung befindet, welcher Bereich
bekanntlich quadratisch in das Trägheitsmoment eingeht.
Die Trägerscheibe und der eigentliche Kupplungsbelag
werden bei der erwähnten GB-OS über einen schnell aushärtenden
Silikonkautschuk miteinander verklebt, der spiralig auf
die Trägerscheibe aufgebracht wird. Der Silikonkautschuk
härtet innerhalb von etwa zehn Sekunden aus und in dieser
Zeit muß die Verbindung hergestellt werden. Der Silikonkautschuk
wird aus einer Kartusche ausgepreßt und bei jeder
neuen Klebeverbindung trägt daher das Anfangsstück des
Silikonkautschuks zum Kleben nichts bei. Ein Abschneiden
dieses Anfangs-Silikonkautschukstücks ist wegen der sehr
kurzen zur Verfügung stehenden Zeit häufig nicht möglich.
Noch stärker fällt nachteilig ins Gewicht, daß, wie Versuche
gezeigt haben, die Klebeverbindung den Belastungen im
Betrieb einer derartigen Kupplung nicht standhält.
Einen ähnlichen Stand der Technik, bei dem die Schichten
also auch über Adhäsion miteinander verbunden werden,
beschreibt die DE-Z. Konstruktion 29 (1977) Heft 11, S. 466
("technicoll-Kleber"). Dort werden Bremsbackenbeläge mit
Hilfe von Klebefolien mit Bremsbacken verklebt. Die Klebefolien
bestehen aus Verbindungen aus Nitrilkautschuk und
wärmereaktiven Phenolharzen. Sie sind in Rollenform handelsüblich.
Der eigentliche Klebevorgang erfolgt unter Einwirkung
von Wärme und Druck. Die Klebefolien lassen sich
aber auch über ein Lösungsmittel aktivieren.
Auch diese bekannte Klebeverbindung hält den in der Praxis
an sie gestellten Anforderungen nicht Stand, insbesondere
wenn die Klebeverbindung einer Wärmeeinwirkung und Feuchtigkeit
ausgesetzt wird, wie dies in der Praxis bei Bremsbelägen
beispielsweise häufig vorkommt.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die
Aufgabe zugrunde, ein mehrschichtiges Bauelement zur Übertragung
einer Reibungskraft, insbesondere für Kupplungen
oder Bremsen vorzuschlagen, das allen im Betrieb auftretenden
Anforderungen und Belastungen standhält. Insbesondere
soll bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Haftfestigkeit
zu den angrenzenden Schichten verbessert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht aus einer hochreaktiven
Elastomer-Haftmischung im wesentlichen aus hydriertem
Nitrilkautschuk (HNBR) und/oder einem Fluorelastomer (FPM)
besteht und über ein zusammengesetztes Bindemittel mittels
Chemosorption mit den angrenzenden Schichten verbunden ist,
wobei das Bindemittel auf der Basis von modifizierten
Phenolharzen und/oder modifizierten Kresolharzen Synthesekautschuk
und aktive Füllstoffe in einer fein verteilten
Lösungsmitteldispersion enthält.
Weil das Bindemittel die aktiven Füllstoffe in der fein verteilten
Lösungsmitteldispersion enthält und die Zwischenschicht
aus der hochreaktiven Elastomer-Haftmischung besteht,
werden das Bindemittel und die Zwischenschicht
gleichzeitig aktiviert und reagieren miteinander, wodurch
sie sich im molekularen Bereich miteinander verbinden und
vernetzen. Durch diese praktisch zeitgleiche Reaktion erhält
man also die angestrebte Chemosorption.
Versuche haben ergeben, daß hydrierter Nitrilkautschuk und
auch Fluorelastomer allen Anforderungen und Belastungen
genügen, die im Betrieb an eine derartige Kupplung oder
Bremse gestellt werden. Die aus diesen Materialien bestehende,
erfindungsgemäße Zwischenschicht weist somit auch den
Vorteil auf, dem betreffenden Bauelement ein definiertes Federverhalten
(in axialer und/oder tangentialer Richtung) zu
erteilen. Dies erfolgt in erster Linie durch eine geeignete
Formgebung und/oder Zusammensetzung der Zwischenschicht.
Außerdem sorgt die Zwischenschicht für eine hochbelastbare
Verbindung zu den angrenzenden Materialien, wozu das erwähnte
Bindemittel vorgesehen ist, welches mittels Chemosorption
die betreffenden Schichten dauerhaft und hochbelastbar
miteinander verbindet.
Beim erfindungsgemäßen Bauelement kann man somit auf mechanische
Verbindungsmittel, beispielsweise Nieten, wie beim
Stand der Technik, verzichten. Man kann somit die gesamte
Dicke der Reibschicht für die Übertragung der Reibungskraft
ausnutzen bzw. man kann entsprechend dünnere Reibschichten
verwenden, abermals verbunden mit dem Vorteil eines fühlbar
verringerten Trägheitsmoments.
Wie erwähnt erfolgt die Verbindung zwischen der Zwischenschicht
und den angrenzenden Schichten über Chemosorption,
auch Chemisorption genannt. Diese Chemosorption liegt bekanntlich
vor, wenn ein gasförmiger, flüssiger oder gelöster
Stoff an der Oberfläche eines Festkörpers oder von
einer Flüssigkeit unter Bildung einer chemischen Verbindung
angelagert bzw. aufgenommen wird. Sie unterscheidet sich
also wesentlich von einer Klebeverbindung wie beim Stand
der Technik, die den Nachteil hat, daß der Klebstoff aushärtet.
Bei dann auftretenden Belastungen, insbesondere
Biegebelastungen, besteht dann beim Stand der Technik die
Gefahr, daß die Klebeverbindung reißt. Alle diese Nachteile
sind bei dem erfindungsgemäßen Bauelement nicht vorhanden.
Bezüglich der verwendeten Bindemittel sei hervorgehoben,
daß man keine feuchtigkeitsreaktiven Bindemittel verwenden
wird, um die Verbindung feuchtigkeitsresistent und verarbeitungssicher
zu machen. Als aktive Füllstoffe kann man
Vulkanisations-Hilfsmittel und dergleichen nehmen. Die dispergierten
Feststoffe sollen im Lösungsmittel sehr fein
verteilt sein, damit die betreffende Oberfläche (der Trägerschicht
bzw. der Reibschicht) auch bis in die mikroskopischen
Vertiefungen hinein aktiviert ist.
Zur Unterstützung der Chemosorption können die mit der
Zwischenschicht zu verbindenden Flächen der Trägerschicht
und der Reibschicht vor der Verbindung mechanisch und/oder
chemisch aktiviert werden. Zur Aktivierung einer aus Metall
bestehenden Trägerschicht wird man insbesondere diese mit
einer feinkristallinen Zinkphosphatschicht aktivieren und
anschließend passivieren (nachverdichten), beispielsweise
durch chromsäurehaltige Lösungen.
Man kann die Zwischenschicht und/oder die Trägerschicht
flächenkongruent mit der Reibschicht ausbilden. Ein
weiterer Freiheitsgrad besteht aber darin, daß die
Zwischenschicht und/oder die Trägerschicht nur in Teil
flächen kongruent mit der Reibschicht sind. Dieser
zusätzliche Freiheitsgrad beruht darauf, daß die erfindungs
gemäße Verbindung zwischen den Schichten so gut ist, daß
man aus Gründen der Verbindung keine vollflächige Zwischen
schicht benötigt; diese kann vielmehr in vorbestimmten
Bereichen ausgestanzt sein oder eine reduzierte Dicke
haben zwecks Erzielung einer gezielten Federcharakteristik.
Im Extremfall kann die Zwischenschicht beispielsweise
Spitzen der Noppen mit den angrenzenden Schichten verbunden
sind. Es sind aber beliebige Konfigurationen der Zwischen
schicht möglich, ggf. auch der Trägerschicht, während man
die Reibschicht in der Regel vollflächig ausbilden wird
zwecks Erzielung einer möglichst hohen Reibungskraft.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Bauelements beruhen auch
darauf, daß die Reibschicht verhältnismäßig dünn ausge
bildet werden kann und dann sich in ihrer Kontur sehr gut
der Fläche der von außen an der Reibschicht anliegenden
Gegenschicht anpaßt, so daß praktisch von Anfang an die
gesamte Fläche der Reibschicht gleichmäßig zur Erzeugung
der Reibungskraft beiträgt. Thermische lokale Spitzenbe
lastungen, wie beim Stand der Technik, treten daher nicht
mehr auf, zumindest wenn man die Reibschicht ausreichend
dünn und flexibel macht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs
beispieles näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige
Merkmale ergeben. Es zeigt
Fig. 1 perspektivisch in auseinandergezogener
Darstellung den grundsätzlichen Aufbau
eines erfindungsgemäßen Bauelements,
das hier aus drei Schichten besteht
und mit flächenkongruenten Schichten;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines derartigen
Bauelements in unbelastetem Zustand
(Kraftvektoren F o und Dicke der
elastischen Zwischenschicht S o );
Fig. 3 die Situation von Fig. 2 in belastetem
Zustand (Kraftvektoren F n und Dicke S n );
Fig. 4 als Diagramm die Federcharakteristik
dieses Bauelements, wobei die in N
gemessene Kraft F über der in mm ge
messenen Auslenkung aufgetragen ist;
Fig. 5 eine Darstellung entsprechend Fig. 1
mit einer rahmenförmigen Zwischenschicht,
die also nicht flächenkongruent ist;
Fig. 6 eine Ansicht des Bauelements nach Fig. 5
entsprechend Fig. 2;
Fig. 7 eine Ansicht dieses Bauelements ent
sprechend Fig. 3;
Fig. 8 die Federcharakteristik dieses Bauele
ments;
Fig. 9 als Beispiel eine zusammengesetzte
Federcharakteristik eines erfindungs
gemäßen Bauelements.
Zunächst werden der Aufbau und die Eigenschaften eines Bau
elements bzw. seiner Komponenten beschrieben.
Die erfindungsgemäße Werkstoffverbindung wird hauptsächlich
aus wenigstens drei unterschiedlichen Werkstoffen gebildet,
die dauerhaft miteinander verbunden sind.
Die drei Hauptschichten sind wie folgt definiert:
- a) aufgebaut aus sogenannter Faserpreß masse, d. h. bestehend aus organischen Bindemitteln, Kurzfaser und/oder Mahl flock und Füllstoffkomponenten; und/oder
- b) aufgebaut aus einem polymeren Reib zement und Armierungsgarn (-garnen) und/oder Zwirn (Zwirnen), die zuvor mit dem polymeren Reibzement impräg niert und/oder beschichtet wurden. Die Wickelstruktur kann spiralförmig oder nach dem Scatter-wound/Random-wound Verfahren erstellt sein; und/oder
- c) aufgebaut auf mit Reibzement impräg nierten und/oder beschichteten Gewebe streifen und/oder -bändern; und/oder
- d) aufgebaut auf mit Reibzement impräg nierten und/oder übereinander ge schichteten Flieslagen.
Aufgebaut aus einer hochreaktiven und
speziell gefüllten Elastomer-Haftmischung,
die unter Einwirkung von Druck, Temperatur
und Zeit ausvulkanisiert und danach be
stimmte, definierte Funktionseigenschaften
im machanischen/dynamischen Bereich in
sich selbst wie auch bezogen auf die Ver
bindung mit den beiden anderen Schichten
Nr. 1 und Nr. 3 sicherstellt.
Metallischer oder nicht metallischer
Trägerwerkstoff in Form einer geometrisch-
mechanisch geformten Scheibe, Platte,
Segment, Streifen beliebiger geometrischer
Dicke, Länge, Breite oder Durchmesser-
Ausdehnung.
Die Schichten 1, 2 und 3 werden nach entsprechender Vor
behandlung unlösbar und dauerhaft zu einer Baugruppe
durch Chemosorption miteinander verbunden.
Die so entwickelte, minimal 3- oder n-schichtige Baugruppe
(n <2) garantiert dann exakt definierte Funktionseigen
schaftswerte, schichtbezogen wie auch übergreifend im
Schichtverbund.
Hierunter ist zu verstehen, daß sich unter Einsatzbedin
gungen tribologische, dynamische und festigkeitsmäßige
Eigenschaftswerte des Schichtverbundes gegenseitig er
gänzen, unterstützen (verstärken), kompensieren und/oder
aufheben. Der Elastizitätseigenschaft der Schicht Nr. 2,
senkrecht oder quer zur Belastungsrichtung fällt ein
besonderer funktioneller Stellenwert zu (axiales,
radiales und/oder tangentiales definiertes Feder- und/oder
Dämpfungsverhalten).
Die bei der Reibfunktion zwischen der Schicht Nr. 1 und
dem Gegenlaufwerkstoff auftretenden regellosen (stocha
stischen) Reibschwingungen können durch die Konsistenz
und die geometrische Form der Elastomerschicht Nr. 2
soweit positiv beeinflußt werden, daß es möglich ist,
bestimmte Schwingungsspektren in andere Frequenzbereiche
zu transformieren oder diese sogar durch Eigendämpfung
gänzlich zu eliminieren.
Ferner kann durch die Konsistenz und geometrische Form
gebung der Elastomerschicht Nr. 2 die Charakteristik der
Krafteinleitung genau vorausbestimmt werden, so daß
hierdurch heute übliche metallische Federelemente in
Form von z. B. Segmentfedern in ihrer Funktionscharakte
ristik gleichwertig oder höherwertig ersetzt werden können.
Als Folge dieser Eigenschaft der Elastomerschicht Nr. 2
und in Verbindung mit einer an sie angepaßten Dicke der
Reibstoffschicht Nr. 1 ist der Schichtverbund in der
Lage, sich über Nr. 1 und 2 optimal an den Gegenlauf
werkstoff (Grauguß GG, Stahl St etc.) anzuschmiegen.
Hierdurch wird
garantiert, daß sich die Reibwerkstoffoberflächen bereits
nach kurzer Einlaufzeit (Einbettungszeit) zu optimalen
Tragbildern entwickeln. Reibflächentransformationen und
variierende Reibkräfte, -radien und/oder Reibmomente,
wie bei heute üblichen kraft-/form- und klebschlüssigen
Verbindungen zwischen Reibwerkstoff und Trägerwerkstoff
existent, werden sehr stark reduziert oder quasi gänz
lich eliminiert. Da sich jede Oberflächeneinheit fast
gleichmäßig an der Energieumwandlung während des dyna
mischen Reibungsprozesses in Form von Reibarbeit, Rutsch
arbeit, Formänderungsarbeit und thermischer Konvektion
sowie Reflexion beteiligt, kann mit der Schichtverbund
konstruktion in der Summe eine höhere dynamische Reib
leistung übertragen werden.
Bei Beibehaltung des heute üblichen energetischen An
forderungsprofils, sich ableitend aus der konventionellen
Konstruktion über federnde Reibstoffaufnahmen und einer
Kraft-/Form-/Klebschlüssigkeit von Reibstoff und Metall
trägern, erreicht man:
- a) durch dieses hohe, d. h. vollflächige Tragbild der Reib werkstoffschicht Nr. 1 mit Gegenlaufwerkstoff (GG; St; etc.) ein deutlich niedrigeres Verschleißverhalten und damit eine Steigerung der Haltbarkeit bzw. der Lebensdauer.
- b) Die Möglichkeit, daß sich nur wechselnde partielle Reib zonen an der Reibenergieübertragung beteiligen (Reib fleckenbildung) und es dabei als Folge zu Temperatur konzentrationen auf den Flächen des Gegenlaufwerkstoffes kommt (hot spots), ist sehr klein. Gleichermaßen gering ist die Chance, daß sich durch Bildung von Temperatur nestern auf der Reibwerkstoffoberfläche der Schicht Nr. 1 Versinterungen und/oder Glasfleckenbildungen entwickeln.
- c) Die gleichmäßige Ausnutzung der vorhandenen geometrisch/ konstruktiv festgelegten Soll-Reibfunktionsflächen (Quadrat; Rechteck; Kreis; Kreisring; Segment; etc.) an der dynamischen Reibenergieübertragung, erlaubt es, diese derzeitig notwendigen Flächen bei Verwendung der Erfindung entsprechend reduzieren zu können.
- d) Daraus leitet sich erstens die Perspektive ab, daß bei Anwendung dieses Konstruktionssystems die Baumaße heutiger reibschlüssiger Brems- und Kupplungsaggregate verkleinert werden können und zweitens, daß ein ge steigertes Komfortverhalten in der Reibschlüssigkeits phase gegeben ist.
Das Prinzip, im Rahmen einer Gummi-Metall-Reibbelag
bindung völlig unterschiedliche Substrate miteinander zu
verbinden, die mit normalen Klebstoffen nur sehr schwer
oder gar nicht verklebt werden können, ist mit Bezug
auf diese Erfindung nunmehr auch auf Reibbeläge übertrag
bar, sofern mit den dort eingesetzten organischen Binde
mitteln eine gewisse Affinität besteht. Die Verbindung
muß dabei dem Anspruch genügen, hoch thermisch belastbar
und korrosionsstabil zu sein und Beständigkeit gegen
übliche Fette, Öle und sonstige Reinigungsmittel zu
gewährleisten.
In der Phase der Grundsatzuntersuchungen wurden zu diesem
Zweck die verschiedensten handelsüblichen Elastomere
auf der Basis von
NR; SBR; FPM; EPDM; CR; NBR und Silikon
erprobt. Am Ende dieser Versuchsreihen wurde für diese
hochwertige Elastomer-Zwischenschicht Nr. 2 ein voll
hydrierter Nitril-Kautschuk (HNBR) gewählt.
Diese Entscheidung wurde auch dadurch getragen, daß die
Doppelbindungen in der Polymerkette des NBR sehr reak
tionsfähig sind und damit gewährleisten, daß additions
fähige chemische Substanzen angelagert werden können.
Hierdurch werden sehr beständige Verbindungen zwischen
Elastomer (HNBR) und einem geeigneten Bindesystem sicher
gestellt.
Weiterhin konnte in Vorversuchen festgestellt werden,
daß eine Reibbelag/Elastomer/Metall-"Klebung", wobei beim
Elastomer in diesem Fall ein Vulkanisat verstanden wird,
keine beständigen, dauerhaften Verbindungen gegen Schwitz
wasser bzw. "kochendes" Wasser garantiert (gem. DIN
50017). Die "Klebung" war nach kurzer Zeit versprödet
und strukturell zerstört. In der weiteren Erprobungsphase
wurde ein "zusammengesetztes" Gummi-Metall-Bindemittel
eingesetzt, das bereits eine wesentlich höhere mecha
nische Festigkeit und thermische Beständigkeit (250°C)
der Bindung garantierte. Der Grund für die höhere Güte
dieser Bindung ist wie folgt zu erklären:
Auf "aktivierten" Metalloberflächen (chemisch und/oder mechanisch) und an den Grenzflächen Bindemittel/Elastomer wie auch Bindemittel/Metall und Bindemittel/Reibbelag treten chemische Wechselwirkungen auf, welche ungefähr in gleichen Größenordnungen stattfinden. Man kann annehmen, daß sich durch "Elektronenaustausch" an diesen Grenz flächen der Verbindung zwischen Schicht 1, 2 und 3 elek trisch geladene Doppelschichten ausbilden, die sich gegenseitig wie Kondensatorplatten über gleichgroße Ladungsträger anziehen, so daß sich durch diese Wechsel wirkungen an den erwähnten Grenzflächen über eine Chemosorption ein Höchstmaß an mechanischer Festigkeit einstellt. Die praktischen Versuche machten von der Möglichkeit Gebrauch, eine "unvulkanisierte" HNBR-Kaut schuk-Mischung mit den zu bindenden Substraten (Reib belagschicht Nr. 1 oder Trägermaterialschicht Nr. 3) zum Einsatz zu bringen. Dabei kann sowohl diese Mischung spritzbar (TM und/oder IM-Verfahren), wie auch das Kalandrieren zu Fellen oder Folien als Herstellungsver fahren gewählt werden. Erst unter Druck und Temperatur nach einer vorgegebenen Einwirkzeit vulkanisiert hierbei die Zwischenschicht Nr. 2 mit dem Reibbelagrücken (Schicht Nr. 1) und mit dem Trägermaterial (Schicht Nr. 3) in einem speziell dafür erstellten Werkzeug zu einer unlösbaren Verbindung aus.
Auf "aktivierten" Metalloberflächen (chemisch und/oder mechanisch) und an den Grenzflächen Bindemittel/Elastomer wie auch Bindemittel/Metall und Bindemittel/Reibbelag treten chemische Wechselwirkungen auf, welche ungefähr in gleichen Größenordnungen stattfinden. Man kann annehmen, daß sich durch "Elektronenaustausch" an diesen Grenz flächen der Verbindung zwischen Schicht 1, 2 und 3 elek trisch geladene Doppelschichten ausbilden, die sich gegenseitig wie Kondensatorplatten über gleichgroße Ladungsträger anziehen, so daß sich durch diese Wechsel wirkungen an den erwähnten Grenzflächen über eine Chemosorption ein Höchstmaß an mechanischer Festigkeit einstellt. Die praktischen Versuche machten von der Möglichkeit Gebrauch, eine "unvulkanisierte" HNBR-Kaut schuk-Mischung mit den zu bindenden Substraten (Reib belagschicht Nr. 1 oder Trägermaterialschicht Nr. 3) zum Einsatz zu bringen. Dabei kann sowohl diese Mischung spritzbar (TM und/oder IM-Verfahren), wie auch das Kalandrieren zu Fellen oder Folien als Herstellungsver fahren gewählt werden. Erst unter Druck und Temperatur nach einer vorgegebenen Einwirkzeit vulkanisiert hierbei die Zwischenschicht Nr. 2 mit dem Reibbelagrücken (Schicht Nr. 1) und mit dem Trägermaterial (Schicht Nr. 3) in einem speziell dafür erstellten Werkzeug zu einer unlösbaren Verbindung aus.
Die günstigen energetischen Prozeßparameter sowohl für
das Vulkanisat wie auch für die Bindung ergaben sich durch
eine sog. "Stufenheizung". Die Erfahrungen, die während
dieser Optimierungsversuche mit hydriertem Nitrilkautschuk
gemacht werden konnten, haben gezeigt, daß normalerweise
ein hoher Vulkanisationsgrad - weitgehend unabhängig von
der Temperatur und Zeit - Funktionsvoraussetzung für eine
gute Bindung ist, und daß das entwickelte Elastomer gut
zu binden ist, wenn die Vulkanisationscharakteristik
durch eine ausreichende "Fließperiode", eine hohe
"Vulkanisationsgeschwindigkeit" und ein ausgeprägtes
"Plateau" gekennzeichnet ist (Indikator hierfür=
Rheometer-Kurve). Über entsprechende Verlaufscharakteristi
ka im Wechselspiel zwischen Vulkanisationskurve und
Monsanto-Rheometer-Funktion wurde das verwendete Binde
system optimiert.
Die zunächst noch thermoplastische Kautschukmasse (Elasto
mer-Zwischenschicht Nr. 2 = HNBR) erweicht unter Druck
und Temperatur und stellt während der "Fließperiode"
einen innigen Kontakt zum Bindemittelfilm Bindemittel/
Träger einerseits und Bindemittel/Reibbelag anderer
seits her. Nach Einsetzen der Vulkanisation, der sog.
Inkubationszeit, tritt die unlösbare und dauerhafte
Bindung ein. Dieser Effekt ist über den ansteigenden
Kurvenfunktionsteil im Rheometer exakt nachweisbar. Nach
Abkühlung der Baugruppe, bestehend aus Schicht 1, 2 und 3,
von einem Temperaturniveau zwischen130-165° auf Raumtemperatur
ist die Endfestigkeit des Funktionsteils erreicht.
Weitere energetische oder mechanische Bearbeitungsvorgänge
werden nicht benötigt.
Aus dieser grundsätzlichen Beschreibung geht ebenfalls
hervor, daß die Bindung unabhängig von den beaufschlagten
Flächenanteilen in den Berührungsflächen der Schichten
1-2 und 2-3 ist. Es ist somit möglich, von der Flächen
kongruenz (Abb. 1) abweichende Oberflächengeometrien
für die Elastomer-Zwischenschicht Nr. 2 gezielt festzu
legen. Somit können aus dem Fell und/oder der Folie
definiert festgelegte geometrische Flächenkonfigurationen
entnommen, und im Sinne des Schichtenverbunds zusammenge
führt werden. Diese Fell-/Folien-"Rohlinge" können
sowohl in ihrer Dicke als auch in ihrer Flächigkeit u.a.
zu Gittern, Raster, Mäandern, Ketten, zusammenhängend
oder frei mechanisch ausgestanzt sein. Die Teilflächigkeit
oder der Flächenverbundsanteil zwischen der Schicht 2 und 1
einerseits, wie auch Schicht 2 und 3 andererseits und die
Dicke der zu wählenden Folie oder des Fells (Sx) schafft
bei Axialbelastung über Querkontraktionskräfte einen
zusätzlichen Freiheitsgrad bezogen auf die Federelastizi
tät (Abb. 2). Der andere Freiheitsgrad wird durch die
Konsistenz der Elastomerschicht über die chemisch-stoff
lichen Komponenten, wie auch den Vulkanisationsgrad
erreicht. Diese Zusammenhänge sind in der Abb. 3 graphisch
dargestellt (Superposition).
Die bestehende Werkstoffverbindung, bestehend aus den
Schichten 1, 2 und 3, legt bezogen auf die Schicht 1
zwangsläufig immer einen organischen und/oder anorganischen
Reibwerkstoff fest.
Insofern handelt es sich bei allen denkbaren Anwendungs
fällen, bei denen diese Erfindung zum Einsatz gebracht
wird, um reibschlüssige Übertragungsverbindungen und
damit generell um Einsatzfälle im Sinne tribologischer
Anwendungsformen.
In diese Kategorie fallen alle tribologischen Funktionen,
die man unter dem Sammelbegriff der Haft-, Kriech- und
Gleitreibung einordnen kann (statische und dynamische
Reibungsprozesse).
Klassische Hauptanwendungen liegen im Bereich der An
triebstechnik (z. B. Reib- und Rutschkupplungen) wie
auch im Bereich der Bremsentechnik (z. B. Scheiben-,
Trommel- und Bandbremsen).
Die Reibenergie oder Arbeit ist bei Berücksichtigung
umgekehrter Vorzeichen grundsätzlich zwischen den beiden
Hauptanwendungsbereichen Antriebstechnik = Kupplungen
und Bremstechnik = reibschlüssige Bremsen vom Skalar
(Wertbetrag) her gleich und wird in (J) oder (Nm) an
gegeben. Bezieht man die sich aus der Reibenergie oder
Arbeit ableitende Reibleistung auf eine Oberflächenein
heit, so definiert man damit die spezifische Reib
leistung. Sie wird in (W/cm2) dargestellt.
Durch das mit der beschriebenen Erfindung optimierte
gleichmäßige Tragbild der Reibflächen ist es möglich,
höhere Reibenergien während der Energietransformation
sicher zu übertragen (dynamisch ablaufende Prozesse).
Im Falle einer statischen (sich nicht bewegenden) Einsatz
anordnung werden höhere und gleichmäßigere Kraft- und
Reibmomentübertragungen möglich (z. B. Sicherheitsrutsch
kupplung).
Hieraus leitet sich konsequenterweise im Vergleich zu
den heute üblichen konstruktiven Ausführungen ab, daß
bei Beibehaltung dieser energetischen Kennwerte eine
adäquate Verkleinerung der effektiven Reibflächen statt
finden kann. Dieses bedeutet letztlich, daß eine Ver
kleinerung der Aggregatebaumaße zulässig ist (Bremsen und
Kupplungen).
Da die Krafteinleitung besonders über den Verbund der
Schicht 1 und 2 funktionell und definiert gesteuert werden
kann (Dicke der Reibstoffschicht, Konsistenz der Elasto
mer-Zwischenschicht, geometrische Formgebung der Elasto
mer-Zwischenschicht), ist ein komfortabler, reib
schlüssiger Eingriff gegeben. Reibwertinstabilitäten
innerhalb der Rutschphase von:
V n → V rel = 0 (V = Geschwindigkeit)
(Synchronlauf) werden durch das Torsionsfederverhalten
der Schicht Nr. 2 weitestgehend tangential (Querkraft)
absorbiert. Stick slip-Phänomene, beschrieben als so
genanntes Rubbeln (Bremse), Rupfen (Kupplung) und Ge
räuschentwicklungen (generell) lassen sich durch die
Erfindung deutlich reduzieren oder eliminieren.
Das erfindungsgemäße Bauelement gemäß Ausführungsbeispiel zeichnet sich also ins
besondere durch die folgenden Merkmale aus:
- 1. Minimal 3 bzw. maximal etwa 10 Schichten, wobei immer zwingend eine Schicht (die Reibschicht) aus einem organischen/anorganischen Werkstoff bestehen muß.
- 2. Als Trägerwerkstoff (Schicht Nr. 3) kann jedes beliebige Material, metallisch oder nicht metallisch, zum Einsatz gebracht werden.
- 3. Die Zwischenschicht Nr. 2 besteht aus einer geeigneten Mischungsrezeptierung.
- 4. Der Verbund wird über Chemosorption und zusammengesetzte Bindemittel sichergestellt.
- 5. Die Oberflächenvorbehandlung (Aktivierung) erfolgt mechanisch und/oder chemisch.
- 6. Die Zwischenschicht Nr. 2 ist dauerhaftig, worunter verstanden wird, daß Dauertemperaturen 180°C gemäß DIN 53 508 und ASTM D 429 auf die Schicht einwirken können.
- 7. Die Schicht Nr. 2, wie auch ihre Bindung an die Schicht Nr. 1 und 3 ist beständig gegen Öle, Fette, Reinigungs mittel, Kraftstoff usw. gemäß DIN 53 521.
- 8. Zwischen Schicht Nr. 1, 2 und 3 kann sowohl Flächen kongruenz oder auch nur Teilflächenkongruenz bestehen, d. h. daß die Trägerfläche Nr. 3 ≠1 bzw. Nr. 2 ≠1 und 3 sein kann.
- 9. Die Zwischenschicht Nr. 2 wird maßgeblich aus HNBR und/ oder FPM gebildet.
- 10. Dem Schichtverbund ist eine definierte Gummifeder- Charakteristik (axial und/oder tangential) zu eigen.
Die Fig. 1-4 zeigen als Beispiel flächen
kongruente Schichten und im Diagramm die von außen ein
wirkende Kraft, aufgetragen über dem Federweg (Feder
kennlinie C 1). Für die Flächen A gilt: A 1 = A 2 = A 3.
Fig. 5-8 zeigen eine nicht flächenkongruente Zwischen
schicht, die in diesem Beispiel rahmenförmig ist, eben
falls mit zugehöriger Federkennlinie C 1′. Für die Flächen
gilt: A 1 ≠ A 2 ≠ A 3.
Fig. 9 zeigt als Beispiel eine zusammengesetzte
Federkennlinie C 1′′, woraus der Einfluß der Werkstoff
gestaltung und der Formgestaltung der Zwischenschicht 2
deutlich wird.
Claims (4)
1. Mehrschichtiges Bauelement zur Übertragung einer Reibungskraft,
insbesondere für Kupplungen oder Bremsen, mit einer
Trägerschicht (3), einer Zwischenschicht (2) aus elastomerem
Material und einer Reibschicht (1) aus einem Reibwerkstoff,
ggf. unter Zwischenlage wenigstens einer
weiteren Trägerschicht (3) und wenigstens einer weiteren
Zwischenschicht (2) zwischen der Trägerschicht (3) und der
Reibschicht (1),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (2) aus einer hochreaktiven
Elastomer-Haftmischung im wesentlichen aus hydriertem
Nitrilkautschuk (HNBR) und/oder einem Fluorelastomer (FPM)
besteht und über ein zusammengesetztes Bindemittel mittels
Chemosorption mit den angrenzenden Schichten verbunden ist,
wobei das Bindemittel auf der Basis von modifizierten
Phenolharzen und/oder modifizierten Kresolharzen Synthesekautschuk
und aktive Füllstoffe in einer fein verteilten
Lösungsmitteldispersion enthält..
2. Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit der Zwischenschicht (2) zu verbindenden
Flächen der Trägerschicht (3) und der Reibschicht (1) vor
der Verbindung mechanisch und/oder chemisch aktiviert sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (2) und/oder die Trägerschicht (3)
flächenkongruent mit der Reibschicht (1) sind.
4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (2) und/oder die Trägerschicht (3)
nur in Teilflächen kongruent mit der Reibschicht (1) sind.
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DE3831197A DE3831197A1 (de) | 1988-07-22 | 1988-09-14 | Mehrschichtiges bauelement zur uebertragung einer reibungskraft, insbesondere fuer kupplungen oder bremsen |
Applications Claiming Priority (2)
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DE8809363U DE8809363U1 (de) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | |
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DE3831197C2 true DE3831197C2 (de) | 1990-05-31 |
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Legal Events
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