DE3930402C2

DE3930402C2 - Reibungswerkstoff

Info

Publication number: DE3930402C2
Application number: DE3930402A
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Shibata; Yuichi Azuma; Tsuguya Suzuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2009-09-13
Also published as: DE3930402A1; US5004497A; GB2224285A; JP2647164B2; CA1338229C; JPH0276935A; GB8920619D0; GB2224285B

Description

Technisches Umfeld

Die Erfindung betrifft einen Reibungswerkstoff, der verwendbar ist als Belag für Bremsen, Scheibenbremsen, Kupplungen usw.

In den letzten Jahren wurden als Reibungswerkstoffe für die ge nannten Anwendungsgebiete statt Asbest oder sonstiger faseriger Werkstoffe Kohlenstoff-Fasern und Aramid-Fasern verwendet. Diese Stoffe sind weniger anfällig gegenüber dem sogenannten Fading (Ermüden), und haben bessere Verschleißeigenschaften. Auf JA-OS 55-1 04 378 wird verwiesen.

Aramid-Fasern sind heute in einem weiten Bereich physikalischer und chemischer Eigenschaften erhältlich. Diese Eigenschaften vermögen zahlreiche Eigenschaften des Reibungswerkstoffes zu beeinflussen, beispielsweise die Eignung zu Vergießen, die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Bestandteile, was bei ungleichmäßigem Abrieb wichtig sein kann, sowie die Dauerhaftigkeit des Reibungswerk stoffes nach dem Vergießen. So sind beispielsweise Para-Aramid- Fasern bezüglich der Wärmebeständigkeit Meta-Aramid-Fasern über legen. Da diese Faktoren verschiedener Eigenschaften des Rei bungswerkstoffes in einer derart komplexen Weise beeinflussen, ist es nicht ganz einfach, einen gewünschten Reibungswerkstoff durch Verändern des Mischungsverhältnisses der verschiedenen Faserbestandteile zu beeinflussen. Da verschiedene Faktoren, die die Eigenschaften eines Reibungswerkstoffes in nicht vorhersehbarer Weise beeinflussen, ist es äußerst schwierig, die Eigenschaften des Reibungswerkstoffes vorherzusagen, ohne daß umfangreiche Versuche durchgeführt werden.

Übersicht über die Erfindung

Im Hinblick auf die dargestellten Erkenntnisse und auf die Pro bleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Reibungswerkstoffen liegt der Erfindung vor allem die Aufgabe zugrunde, einen Reibungs werkstoff zu schaffen, der bessere Fading-Eigenschaften hat. Außerdem soll er sich leicht vergießen oder verformen lassen. Schließlich soll er dauerhaft im Gebrauch sein.

Diese Aufgabe wird durch einen Reibungswerkstoff gelöst, der die folgende Zusammensetzung hat:
0,85 bis 30 Gewichtsprozent Kohlenstoff-Fasern;
2 bis 20 Gewichtsprozent Aramid-Fasern, bestehend aus einer Mischung von aufgeschlämmten (pulpösen) oder fibrillierten Fasern und zerhackten Fasern;
einem Verhältnis von AF kleiner als 1,67 CF, wobei AF der Ge wichtsanteil der Aramid-Fasern und CF der Gewichtsanteil an Kohlenstoff ist.

Die fibrillierten Aramid-Fasern verbessern die Dauerhaftigkeit des Reibungsmateriales nach dem Vergießen oder Formen; seine zahnartigen Vorsprünge erfassen die zerhackten Aramid-Fasern, Kohlenstoff-Fasern sowie andere Füllstoffe, um diese Fasern gleichmäßig zu verteilen. Die zerhackten Aramid-Fasern ver bessern auch die Dauerhaftigkeit des Reibungswerkstoffes nach dem Vergießen oder Verformen. Durch Wahl eines Verhältnisses zwischen dem Aramid-Faser-Gehalt und dem Kohlenstoff-Faser- Gehalt - jeweils in Gewichtsprozenten - mit 1,67 werden die Fading-Eigenschaften des Reibungswerkstoffes verbessert.

Wird ein solcher Reibungswerkstoff als Bremsbelag für eine Scheibenbremse verwendet, so sollte gelten,

AF kleiner als 0,5 CF + 10,

so daß der Bremsbelag eine günstige Steifigkeit aufweist, die die Bedienungsperson, die auf das Bremspedal tritt, spürt.

Durch Anwendung von Para-Aramid-Fasern läßt sich die Hitzebe ständigkeit des Reibungsmateriales sowie seine Festigkeit gegen über Verschleiß und gegenüber Rissen oder Sprüngen verbessern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Reibungswerkstoff außerdem

10 bis 50% der folgenden Stoffe:
Kupfer, Nickel, Kupfer-Zink-Legierung, Eisen und Kupfer-Zinn-Legierung,
5 bis 20 Gewichtsprozent eines der folgenden Stoffe:
Graphit, Molybdändisulfid, Zinksulfid, Bleisulfid, Antimontrisulfid, Glimmer- und Bornitrid;
10 bis 50 Gewichtsprozent einer Kombination von wenigstens einem der folgenden Stoffe:
Silziumdioxid, Aluminium mullit, Magnesiumoxid (MgO), Zirkonoxid, spinell-strukturiertes Ferrit (Fe₃O₄), und wenigstens einem der folgenden Stoffe:
Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Kupferoxid;
3 bis 20% einer der folgenden Stoffe:
Melaminstaub, Polyamidstaub, Cashew-Staub und Phenol-Staub;
8 Gewichtsprozente Phenolharz.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 bis 3 zeigen in Schaubildern Bremsversuche, die gemäß JASO (Japanese Automobile Standards Organization) C 406-82 mit Bremsbelägen aus dem Reibungswerkstoff gemäß der Erfindung aus geführt worden waren.

Fig. 4 enthält ein Schaubild, das die Abhängigkeit zwischen dem Verhältnis der Kohlenstoff-Fasern zu den Aramid-Fasern im Faser gehalt des Reibungswerkstoffes gemäß der Erfindung, und das Fading-Verhältnis aufzeigt.

Fig. 5 veranschaulicht die Abhängigkeit zwischen dem Reibko effizienten und dem Kohlenstoff-Faser-Gehalt bei Hochgeschwin digkeitsbremsen (200 km/h).

Fig. 6 ist ein Schaubild, das die Abhängigkeit zwischen dem Ge samtfasergehalt (Aramid-Fasern und Kohlenstoff-Fasern) und dem Maß des Verschleißes des Belages zeigt, nach der Durchführung von Bremsversuchen gemäß JASO C 406-82.

Fig. 7 ist ein Schaubild, das einen angestrebten Bereich der Ge halte an Kohlenstoff-Fasern und Aramid-Fasern im Reibungswerk stoff gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Die Fig. 1 bis 3 sind graphische Darstellungen, die die Ergeb nisse von Bremsversuchen vergleichen, ausgeführt mit einem Bremsbelag aus Reibungswerkstoff gemäß der Erfindung sowie mit einem Bremsbelag aus herkömmlichem Reibungswerkstoff, der Asbest enthielt, und zwar mit einem Prüfverfahren sowie in JASO C 406-82 beschrieben.

Der Reibungswerkstoff gemäß der Erfindung wies die folgenden Bestandteile auf:

5,3 Volumenprozent fibrillierter Aramid-Fasern,
2,7 Gewichtsprozent zerhackter Aramid-Fasern mit einem Durchmesser von 7 Mikrometern und einer Länge von 3 mm,
6,0 Volumenprozent Kohlenstoff-Fasern mit einem Durchmesser von 6 Mikrometern und einer Länge von 3 mm,
6,0 Volumenprozent Kupferpulver,
9,0 Volumenprozent eines Pulvers aus einer Kupfer-Zink-Le gierung zum Erhöhen des Reibungskoeffzienten,
5,0 Volumenprozent Graphit,
8,0 Volumenprozent Molybdändisulfid, um ein Anhaften des Metallpulvers am Bremsrotor zu verhindern,
5,4 Volumenprozent Siliciumdioxid als extrem hartem anor ganischem Füllstoff zum Reinigen des Rotors,
12,6 Volumenprozent Bariumsulfat als anorganischer Füllstoff relativ geringer Härte zum Verhindern von Verschleiß des Be lages bei hohen Temperaturen,
16,0 Volumenprozent Melaminstaub als organischer Füllstoff zum Stabilisieren des Reibungskoeffizienten bei gerigerem Drücken,
23,0 Volumenprozent Phenolharz als Bindemittel,
1,0 Volumenprozent zum Einstellen des p_H-Wertes.

Die Aramid-Fasern, die bei dem Ausführungsbeispiel verwendet wurden, bestehen aus Para-Aramid-Fasern, die im Handel unter dem Namen "Kevlar 49"® von E.I. du Pont Neymour erhältlich sind. Die Kohlenstoff-Fasern, die bei den vorliegenden Ausführungs beispielen verwendet wurden, bestehen aus hitzebeständigen, hochfesten PAN-Kohlenstoff-Fasern, die im Handel unter dem Namen "Torayca T300"® von der Toray Corporation of Japan erhältlich sind.

Andererseits hatte der aus herkömmlichem Reibungswerkstoff bestehende Bremsbelag die folgenden Bestandteile:

20 Gewichtsprozent Asbest-Fasern,
1 Gewichtsprozent Calciumcarbonat,
32,5 Gewichtsprozent Bariumsulfat,
23,0 Gewichtsprozent einer Mischung aus Cashew-Staub und Phenolharz,
20 Porzent Kupferpulver,
0,5 Gewichtsprozent Zinkpulver,
3,0 Gewichtsprozent Eisenpulver.

Die Eingangsmessungen, die Inspektion vor dem Anlauf, ein erster Effektivitätstest, das Einlaufen sowie ein zweiter Effektivi tätstest wurden gemäß den JASO-Vorschriften (Kategorie P1) durchgeführt.

Im einzelnen wurde die Bremstemperatur, d.h. die Temperatur des Bremsbelages 1 mm unterhalb seiner Kontaktfläche, als Maß vor dem Bremsen auf 80°C eingestellt; die Reibungskoeffizienten (µ) erhielt man aus den Messungen der Bremsmomente bei unter schiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten von 50 km/h, 100 km/h und 130 km/h bei verschiedenen Bremsverzögerungen im Bereich von 0,1 bis 0,8 G (siehe Fig. 1).

Sodann wurde ein erster fade recovery test durchgeführt. Die Bremstemperatur vor dem Bremsen wurde mit 80°C eingestellt, und die Bremslinie des Reibungskoeffizienten µ wurde dadurch überprüft, daß die Bremse dreimal beaufschlagt wurde ausgehend von der anfänglichen Bremsgeschwindigkeit von 50 km/h bei einer konstanten Bremsverzögerung von 0,3 G (oder konstanten Druckbe dingungen entsprechend dem 0,3 G-Zustand).

Es folgt ein Ermüdungstest (fade test). Die erste Bremstempe ratur vor dem Bremsen wurde mit 60°C eingestellt, und die Bremstemperatur sowie der Reibungskoeffizient (μ) wurden dadurch erhalten, daß man die Bremse fünfzehnmal beaufschlagte bei Intervallen von 120 Sekunden, ausgehend von der Anfangsbremsge schwindigkeit von 50 km/h bei konstanter Bremsverzögerung von 0,3 G (oder konstanten Druckbedingung, erhalten durch das Prüfen der Basislinie) - siehe Fig. 2.

Sodann wurde ein dritter Effiktivitätstest durchgeführt. Der Reibungskoeffizient (µ) wurde unter den selben Bedingungen wie beim zweiten Effiktivitätstest erhalten (siehe Fig. 3).

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, zeigte ein Bremsbelag (ausgezogene Linie A) aus Reibungswerkstoff gemäß der Erfindung eine gerin gere Veränderung des Reibungskoeffizienten (μ) aufgrund von Temperaturänderungen der Bremse auf, als ein anderer Bremsbelag (gestrichelte Linie B), die einen herkömmlichen Reibungswerk stoff verwendete. Wie aus den Fig. 1 und 3 weiterhin ersichtlich ist, zeigte der erfindungsgemäße Bremsbelag (ausgezogene Linie A) weniger Änderungen des Reibungskoeffizienten aufgrund der thermischen Hysterese als der Bremsbelag aus herkömmlichem Werk stoff (gestrichelte Linie B).

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden Kohlenstoff- Fasern mit hoher thermischer Leitfähigkeit verbunden. Dies trug dazu bei, das Damp-Blockieren der Bremse (vapor locking) dann zu verhindern, wenn eine Kombination mit Aramid-Fasern vorlag, die eine geringe thermische Leitfähigkeit haben, aber auch deshalb, weil die Aramid-Fasern aus Para-Aramid-Fasern bestanden, die günstigere Hitzebeständigkeit (Dauerhaftigkeit gegen Verscheiß und Risse) als Meta-Aramid-Fasern haben, was zu Verbesserungen bezüglich der Hitzebeständigkeit, der Dauerhaftigkeit und der Anti- Fading-Eigenschaften führte.

Zerhackte Para-Aramid-Fasern verringern die Tendenz des Rei bungswerkstoffes, den Bremsrotor anzugreifen, und verbessern die Dauerhaftigkeit des Reibungswerkstoffes noch weiter. Da jedoch Para-Aramid-Fasern eine hohe Dauerhaftigkeit haben, läßt sich eine hinreichende Dauerhaftigkeit des Reibungswerkstoffes ohne Anwendung jeglicher zerhackter Aramid-Fasern erzielen.

Kohlenstoff-Fasern tragen zur Stabilisierung des Reibungsko effizienten des Reibungswerkstoffes bei hohen Temperaturen bei. Die Kohlenstoff-Fasern sollten im Interesse eines genügend hohen Verstärkungseffektes einen Durchmesser von weniger als 15 Mikrometer haben. Um eine genügend hohe Verstärkung und eine gleichmäßige Verteilung der Kohlenstoff-Fasern zu erreichen, sollte ihre Länge zwischen 0,5 und 9,0 mm betragen.

Der Reibungswerkstoff gemäß der Erfindung enthält 8,0 Gewichts prozent einer Mischung aus fibrillierten Para-Aramid-Fasern und zerhackten Aramid-Fasern; der Anteil kann jedoch irgendwo zwischen 2 und 20 Prozent liegen. Ist der Aramid-Faser-Anteil weniger als 2 Gewichtsprozente, so wird das Herstellen einer Vorform schwierig. Beträgt der Aramid-Faser-Gehalt mehr als 20 Prozent, so fällt der Reibungskoeffizient (µ) bei hohen Tempera turen ab.

Der Reibungswerkstoff gemäß der Erfindung enthielt 6,0 Gewichts prozente Kohlenstoff-Fasern; der Gehalt kann jedoch irgendwo bei zwischen 0,85 und 30 Gewichtsprozente liegen. Ist der Kohlenstoff-Faser-Gehalt weniger als 0,85 Prozent, so fällt der Reibungskoeffizient des Reibungswerkstoffes auf unter 0,2, was als praktische Untergrenze anzusehen ist. Dies ergibt sich auch aus der graphischen Darstellung von Fig. 5. Diese zeigt experi mentell erhaltene Werte einer Hochgeschwindigkeitsbremsung (200 km/h) und eine Kurve, die durch Interpolieren dieser Punkte mit einer mathematischen Funktion der Form Y = A×X^B erhalten wurde; hierin bedeuten Y der Reibungskoeffizient, B der Gehalt an Kohlenstoff-Fasern in Gewichtsanteilen, und A und B konstante (A=0,210 und B=0,179). Der Kohlenstoff-Gehalt soll jedoch mehr als 3 Prozent betragen um den Reibungskoeffizienten bei hohen Temperaturen zu stabilisieren. Liegt der Kohlenstoff-Faser-Gehalt andererseits oberhalb 30 Gewichtsprozenten, so nimmt der Reibungskoeffizient bei normaler Betriebstemperatur ab.

Der Anteil an Phenolharz, das als Bindemittel im Reibmaterial gemäß der Erfindung dient, kann in der Praxis zwischen 8 und 15 Gewichtsprozente betragen. Sinkt der Phenolharzanteil unter 8 Gewichtsprozente, so geht seine Fähigkeit als Bindemittel prak tisch verloren. Übersteigt der Anteil 15 Gewichtsprozente, so nimmt der Reibungskoeffizient bei hoher Temperatur ab.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderungen im Fading-Verhältnis darstellt, erhalten bei Bremstests, die gemäß JASO C 406-82 ausgeführt wurden, und zwar bei verschiedenen Mischungsverhältnissen von Kohlenstoff-Fasern und Aramid-Fasern bei Reibungsmaterial gemäß der Erfindung. Die Proben dieser Tests enthielten 5,2 Volumenprozente Graphit (natürliches Graphit), 17,7 Volumenprozente Melamin-Staub, 8,3 Volumen prozente Kupferpulver, 15,6 Volumenprozente Barium-Sulfat, 2,1 Volumenprozente Silikon-Dioxid, 2,1 Volumenprozente Aluminium, 7,3 Volumenprozente Kupfer-Oxid, 3,1 Volumentprozente Nickel und 26,1 Volumentprozente Phenolharz. Gesamtgehalt an Aramid-Fasern und Kohlenstoff-Fasern ist auf 12,6 Volumenprozent fixiert, und das Verhältnis zwischen den Aramid-Fasern und den Kohlenstoff-Fasern wurde in einem solchen Bereich verändert, daß der Gehalt an Aramid-Fasern zwischen 2 und 20 Gewichtsprozente, und der Gehalt an Kohlenstoff-Fasern zwischen 3 und 30 Gewichtsprozenten vom gesamten Reibungswerkstoff betrug.

Die horizontale Achse der Darstellung in Fig. 4 entspricht dem Gewichtsverhältnis der Kohlenstoff-Fasern zu Summen des Ge wichtsverhältnisses der Aramid-Fasern und dem Gewichtsverhältnis der Kohlenstoff-Fasern, und die vertikale Achse stellt das Fading-Verhältnis dar. Das Fading-Verhältnis läßt sich aus der folgenden Form ableiten:

Fading-Verhältnis = µMIN/µMAX,

wobei µMIN und µMAX die Minimalwerte bzw. die Maximalwerte des Reibungskoeffizienten sind, jeweils gemessen bei den Bremstests, gemäß der Gleichung,

T = 2µPSr,

wobei T das Bremsmoment bedeutet, den Flüssigkeitsdruck im Bremszylinder, S die Querschnittsfläche des geeichten Kolbens, und r den wirksamen Radius des Bremsrotors.

Ein Bremsbelag soll weiterhin sehr steif sein. Er soll einen hohen Young′schen Modul haben, so daß die Person, die auf das Bremspedal tritt, einen deutlichen Widerstand spürt. Da Kohlen stoff-Fasern einen relativ hohen Young′schen Modul haben, während Aramid-Fasern einen relativ niedrigen Young′schen Modul haben, beeinflußt das Mischungsverhältnis dieser beiden Faserarten den Young′schen Gesamtmodul des Reibungsmateriales. So kann die Steifigkeit eines Bremsbelages mit der folgenden Gleichung bewertet werden:

Steifigkeit = 0,1 × CF - 0,2 × AF + 7,

hierin bedeuten CF den Kohlenstoff-Faser-Gehalt in Gewichts prozent, und AF den Aramid-Faser-Gehalt in Gewichtsprozent. Günstige Verhältnisse liegen dann vor, wenn der Index den Wert 5 oder größer beträgt - siehe Linie Q in Fig. 7.

Durch Einsatz von 3 bis 30 Gewichtsprozenten Kohlenstoff-Fasern und 2 bis 20 Gewichtsprozenten Aramid-Fasern bestehend aus einem Gemisch fibrillierter Fasern und zerhackter Faser, sowie Auswahl eines Verhältnisses zwischen Kohlenstoff-Fasern und Aramid- Fasern von 0,6 oder mehr, gemäß der Erfindung, wird die Form-, Verform- oder Vergießfähigkeit des Reibungswerkstoffes sicher gestellt, gelangt das Fading während des Betriebes der Bremse unter Kontrolle, und wird die Dauerhaftigkeit des Reibungs werkstoffes nach dem Ausformen eines Bremsbelages verbessert. Wendet man statt Meta-Aramid-Faser Para-Aramid-Fasern an, so wird der Hitzewiderstand des Reibungswerkstoffes verbessert, des gleichen die Dauer haftigkeit gegen Verschleiß sowie gegen Bruch. Die Erfindung bietet somit ganz erhebliche Vorteile gegenüber dem Stande der Technik.

Claims

1. Reibungswerkstoff, enthaltend:
0,85 bis 30 Gewichtsprozent Kohlestoff-Fasern; und
2 bis 20 Gewichtsprozent Aramid-Fasern, bestehend aus einem Gemisch aus fibrillierten und zerhackten Aramid- Fasern;
wobei der Gewichtsanteil AF der Aramid-Fasern kleiner als 1,67 des Gewichtsanteiles der Kohlenstoff-Fasern CF ist;
10 bis 50 Gewichtsprozent einer der folgenden Stoffe:
Kupfer, Nickel, Kupfer-Zink-Legierung, Eisen und Kupfer-Zinn-Legierung,
5 bis 20 Gewichtsprozent wenigstens eines der folgenden Stoffe: Graphit, Molybdändisulfid, Zinksulfid, Bleisulfid, Antimontrisulfid, Glimmer, Bornitrid;
10 bis 50 Gewichtsprozent einer Kombination wenigstens eines der folgenden Stoffe: Siliciumdioxid, Aluminium, Mullit, Magnesiumoxid (MgO), Zirkonoxid, spinell- strukturiertes Ferrit (Fe₃O₄), sowie wenigstens einen der folgenden Stoffe: Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Kupferoxid;
3 bis 20 Gewichtsprozent eines der folgenden Stoffe: Melaminstaub, Polyamidstaub, Cashewstaub, Phenolstaub;
8 bis 15 Gewichtsprozent Phenolharz.

2. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1, wobei AF kleiner als 0,5 CF + 10 ist.

3. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff-Faser-Gehalt CF mehr als 1,0 Gewichtsprozent beträgt.

4. Reibungswerkstoff, umfassend:
0,85 bis 30 Gewichtsprozent Kohlestoff-Fasern; und
2 bis 20 Gewichtsprozent Para-Aramid-Fasern, enthaltend fibrillierte Fasern;
wobei der Gewichtsanteil an Aramid-Fasern AF vorzugsweise kleiner als 1,67 des Gewichtsanteiles an Kohlenstoff CF ist;
10 bis 50 Gewichtsprozent einer der folgenden Stoffe:
Kupfer, Nickel, Kupfer-Zink-Legierung, Eisen und Kupfer-Zinn-Legierung,
5 bis 20 Gewichtsprozent wenigstens eines der folgenden Stoffe: Graphit, Molybdändisulfid, Zinksulfid, Bleisulfid, Antimontrisulfid, Glimmer, Bornitrid;
10 bis 50 Gewichtsprozent einer Kombination wenigstens eines der folgenden Stoffe: Siliciumdioxid, Aluminium, Mullit, Magnesiumoxid (MgO), Zirkonoxid, spinell- strukturiertes Ferrit (Fe₃O₄), sowie wenigstens einen der folgenden Stoffe: Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Kupferoxid;
3 bis 20 Gewichtsprozent eines der folgenden Stoffe: Melaminstaub, Polyamidstaub, Cashewstaub, Phenolstaub;
8 bis 15 Gewichtsprozent Phenlolharz.

5. Reibungswerkstoff, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende Gleichung: AF < 0,5 CF + 10.

6. Reibungswerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff-Faser-Gehalt CF mehr als 1,0 Gewichtspozent beträgt.