DE60210953T2

DE60210953T2 - Reibungsmaterial mit Reibungsveränderungsschicht

Info

Publication number: DE60210953T2
Application number: DE60210953T
Authority: DE
Inventors: Robert C. Rochester Lam; Feng Naperville Dong; Yih-Fang Lisle Chen; Bulent Wheaton Chavdar
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: EP1394438B1; KR20040019827A; JP2004092904A; EP1394438A1; US20040043193A1; DE60210953D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reibmaterial mit einer ersten oder unteren Schicht, die ein faserförmiges Basismaterial aufweist, und einer zweiten oder oberen Schicht, die mindestens einen Typ von reibungsmodifizierenden Partikeln umfasst. Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt einen hohen Reibungskoeffizienten und eine extrem hohe Hitzbeständigkeit. Es besitzt ferner eine verbesserte Festigkeit, Verschleißfestigkeit und verbesserte Schallschutzeigenschaften.
Neuartige und verbesserte Systeme zur kontinuierlichen Drehmomentübertragung, die Drehmomentwandler mit kontinuierlichem Schlupf und Schaltkupplungssysteme aufweisen, werden von der Automobilindustrie entwickelt. Die neuen Systeme sind oft mit hohen Energieanforderungen verbunden. Daher muss auch die Reibmaterialtechnologie weiterentwickelt werden, um diesen zunehmenden Energieanforderungen dieser verbesserten Systeme gerecht zu werden.
Insbesondere ist ein neues Reibmaterial erforderlich, das ein gutes Betriebsverhalten aufweist und haltbar ist. Das neue Reibmaterial muss in der Lage sein, hohe Geschwindigkeiten auszuhalten, und zwar Oberflächengeschwindigkeiten bis zu etwa 65 m/sec. Auch muss das Reibmaterial in der Lage sein, hohe Belagdrücke bis zu etwa 1.500 psi auszuhalten. Es ist ferner von Bedeutung, dass das Reibmaterial auch bei begrenzten Schmierbedingungen geeignet sein muss.
Das Reibmaterial muss haltbar sein und eine hohe Hitzebeständigkeit besitzen, um in den verbesserten Systemen eingesetzt werden zu können. Das Reibmaterial muss nicht nur bei hohen Temperaturen stabil bleiben, sondern muss auch in der Lage sein, die hohe Wärmeenergie, die während der Betriebsbedingungen erzeugt wird, rasch zu vernichten.
Die hohen Geschwindigkeiten, die während des Einrückens und Ausrückens der neuen Systeme erzeugt werden, bedeuten, dass ein Reibmaterial in der Lage sein muss, über das Einrücken eine relativ konstante Reibung aufrechtzuerhalten. Es ist wichtig, dass der Reibeingriff über einen breiten Bereich von Geschwindigkeiten und Temperaturen relativ konstant ist, um „Zittereffekte" der Materialien während des Bremsens oder des Getriebesystems während des Schaltens von einem Gang zum anderen zu minimieren. Es ist ferner von Bedeutung, dass das Reibmaterial eine gewünschte Drehmomentkurvenform besitzt, so dass während des Reibeingriffs das Reibmaterial geräuschfrei oder quietschfrei ist.
Insbesondere finden bei Getrieben und Systemen mit Drehmoment auf Anforderung Rutschkupplungen hauptsächlich aus Gründen des Kraftstoffverbrauchs und des Fahrkomforts Verwendung. Die Rolle der Rutschkupplung in diesen Systemen variiert von Anfahrvorrichtungen für Fahrzeuge, wie Nasskupplungen zum Starten, bis zu Drehmomentwandlerkupplungen. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen kann man Rutschkupplungen in drei Hauptklassen einteilen: (1) Kupplungen mit niedrigem Druck und hohen Rutschdrehzahlen, wie Nasskupplungen zum Anfahren, (2) Kupplungen mit hohem Druck und niedrigen Rutschdrehzahlen, wie Wandlerkupplungen, und (3) Kupplungen mit extrem niedrigen Druck und niedrigen Rutschdrehzahlen, wie Neutral-Leerlaufkupplungen.
Die Hauptbetriebskriterien für alle Anwendungsfälle von Rutschkupplungen sind die Verhinderung von Zittereffekten und das Energiemanagement der Reibgrenzfläche. Das Auftreten von Zitterbewegungen kann auf viele Faktoren zurückgeführt werden, einschließlich der Reibungseigenschaften des Reibmateriales, der Härte und Rauhigkeit der Passflächen, der Ölfilmretention, der Chemie der Schmiermittel sowie deren Wechselwirkungen, der Betriebsbedingungen der Kupplung, der Einheit des Antriebszuges und der entsprechenden Hardware und der Verunreinigung des Antriebszuges. Das Energiemanagement der Reibgrenzfläche wird in erster Linie durch die Steuerung der Grenzflächentemperatur und durch die Pumpenkapazität, die Ölströmungsbahn und die Steuerstrategie beeinflusst. Auch die Ausbildung der Oberfläche des Reibmateriales trägt zur Effizienz des Grenzflächenenergiemanagement bei.
In der Vergangenheit wurden Asbestfasern aus Temperaturstabilitätsgründen in das Reibmaterial eingebaut. Aufgrund von Gesundheits- und Umweltproblemen findet jedoch Asbest keine Verwendung mehr. Man hat versucht, mit neueren Reibmateria lien das Fehlen von Asbest im Reibmaterial durch die Modifikation von Imprägnierpapier oder Fasermaterialien mit Phenolharzen oder phenolmodifizierten Harzen zu modifizieren. Diese Reibmaterialien vernichten jedoch nicht rasch genug die erzeugte hohe Wärme und besitzen nicht die erforderliche Hitzebeständigkeit und einen zufrieden stellenden hohen Reibungskoeffizienten, die zur Verwendung in den gegenwärtig entwickelten Hochgeschwindigkeitssystemen erforderlich sind.
Die US-PS 5 585 166 beschreibt einen Mehrschicht-Reibbelag mit einer porösen Substratschicht (Zellulose und Synthesefasern, Füllmaterial und hitzehärtendes Harz) und einer porösen Reibschicht (nicht gewebte Synthesefasern in einem hitzehärtenden Harz), wobei die Reibschicht eine höhere Porosität als die Substratschicht besitzt.
Die US-PS 5 083 650 betrifft einen aus mehreren Schritten bestehenden Imprägnier- und Aushärtungsprozess, bei dem ein Papier mit einer Überzugszusammensetzung imprägniert wird, Kohlenstoffpartikel auf das Papier gebracht werden, die Überzugszusammensetzung im Papier teilweise ausgehärtet wird, eine zweite Überzugszusammensetzung auf das teilweise ausgehärtete Papier aufgebracht wird und schließlich beide Überzugszusammensetzungen ausgehärtet werden.
Es wurden diverse Fasermaterialien auf Papierbasis zur Verwendung in Reibmaterialien entwickelt, die auf die Firma BorgWarner Inc. zurückgehen. Die entsprechenden Veröffentlichungen werden hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
Insbesondere betrifft die US-PS 5 998 307 ein Reibmaterial mit einem primären faserförmigen Basismaterial, das mit einem aushärtbaren Harz imprägniert ist, wobei die poröse primäre Schicht mindestens ein faserförmiges Material umfasst und eine sekundäre Schicht Kohlenstoffpartikel aufweist, die mindestens etwa 3 bis etwa 90% der Oberfläche der primären Schicht bedecken.
Die US-PS 5 858 883 betrifft ein Basismaterial mit einer primären Schicht aus weniger fibrillierten Aramidfasern, synthetischem Graphit und einem Füllmaterial und einer sekundären Schicht, die Kohlenstoffpartikel auf der Oberfläche der primären Schicht umfasst.
Die US-PS 5 856 224 betrifft ein Reibmaterial, das eine mit einem aushärtbaren Harz imprägnierte Basis aufweist. Die primäre Schicht umfasst weniger fibrillierte Aramidfasern, synthetischen Graphit und ein Füllmaterial, und die sekundäre Schicht umfasst Kohlenstoffpartikel und eine Retentionshilfe.
Die US-PS 5 958 507 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reibmateriales, bei dem etwa 3 bis etwa 90% von mindestens einer Fläche des faserförmigen Materials, das weniger fibrillierte Aramidfaser umfasst, mit Kohlenstoffpartikeln beschichtet sind.
Die US-PS 6 001 750 bezieht sich auf ein Reibmaterial, das ein faserförmiges Basismaterial aufweist, das mit einem aushärtbaren Harz imprägniert ist. Die poröse Primärschicht umfasst weniger fibrillierte Aramidfasern, Kohlenstoffpartikel, Kohlenstofffasern, Füllmaterial, Phenol-Novoloid-Fasern und wahlweise Baumwollfasern. Die sekundäre Schicht umfasst Kohlenstoffpartikel, die etwa 3 bis etwa 90% der Oberfläche bedecken.
Noch eine andere Veröffentlichung, nämlich die EP 1203897 A , betrifft ein Reibmaterial vom Papiertyp mit einer porösen primären faserförmigen Basisschicht mit reibungsmodifizierenden Partikeln, die etwa 90% der Oberfläche der primären Schicht bedecken. Die reibungsmodifizierenden Partikel haben eine Größe von etwa 0,5 bis etwa 80 μm und können Siliziumdioxid-Partikel sein.
Des Weiteren sind diverse faserförmige Basismaterialien vom Papiertyp in den US-PS'en 5 753 356 und 5 707 905 beschrieben, die Basismaterialien offenbaren, welche weniger fibrillierte Aramidfasern, synthetischen Graphit und ein Füllmaterial enthalten. Auch diese Veröffentlichungen werden hiermit durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
Eine andere US-PS 6 130 176 betrifft nichtmetallische, faserförmige Basismaterialien vom Papiertyp, die weniger fibrillierte Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffpartikel und Füllmaterial enthalten.
Bei sämtlichen Typen von Reibmaterialien muss das Reibmaterial eine große Vielzahl von akzeptablen Eigenschaften aufweisen, um diese für „nasse" Anwendungsfälle geeignet zu machen. Das Reibmaterial muss gute Antizitter-Eigenschaften aufweisen, eine hohe Hitzebeständigkeit besitzen und in der Lage sein, Wärme rasch abzuführen. Es muss ferner ein langandauerndes, stabiles und konsistentes Reibungsverhalten besitzen. wenn eine dieser Eigenschaften nicht vorhanden ist, wird kein optimales Betriebsverhalten des Reibmateriales erreicht.
Es ist ferner von Bedeutung, dass ein geeignetes Imprägnierharz im Reibmaterial verwendet werden kann, um ein Hochenergie-Reibmaterial zu schaffen. Dieses Reibmaterial muss eine gute Scherfestigkeit während des Betriebes besitzen, wenn das Reibmaterial während des Betriebes von Bremsmittel oder Getriebeöl durchdrungen wird.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Reibmaterial mit im Vergleich zu denen des Standes der Technik zuverlässigen und verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung von Reibmaterialien mit verbesserten „Antizitter-Eigenschaften", einer verbesserten „Heißpunkt-Widerstandsfähigkeit", einer hohen Hitzebeständigkeit, einer hohen Reibungsbeständigkeit und Haltbarkeit und Festigkeit.
Erfindungsgemäß wird ein Reibmaterial geschaffen, das eine erste Schicht, die ein faserförmiges Basismaterial aufweist, und eine zweite Schicht, die mindestens einen Typ eines reibungsmodifizierenden Partikels auf einer Deckfläche des faserförmigen Basismaterials besitzt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine durch schnittliche Dicke von etwa 30–200 μm hat, dass die Deckschicht eine Permeabilität besitzt, die geringer ist als die der ersten Schicht, und dass die reibungsmodifizierenden Partikel Silziumdioxid-Partikel mit einer durchschnittlichen Durchmessergröße von etwa 0,1 bis etwa 80 μm und einer unregelmäßigen Form umfassen.
Die Schicht der reibungsmodifizierenden Partikel besitzt eine bevorzugte Dicke von etwa 60–100 μm. Die reibungsmodifizierenden Partikel können eine durchschnittliche Durchmessergröße von etwa 0,5 bis etwa 20 μm und bei bestimmten Ausführungsformen von etwa 0,1 bis 0,15 μm besitzen.
Das faserförmige Basismaterial kann ein durchschnittliches Hohlraumvolumen von etwa 50% bis etwa 85% aufweisen.
Die reibungsmodifizierenden Partikel können Siliciumdioxidpartikel, wie Celite-Partikel, Diatomeenerde und/oder ein Gemisch aus Kohlenstoffpartikeln und Siliciumdioxid-Partikeln umfassen.
Bei bestimmten Ausführungsformen können die Reibungspartikel eine durchschnittliche Größe von etwa 2 bis etwa 20 μm besitzen.
Es folgt nunmehr eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen. Hiervon zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Reibmateriales mit einem faserförmigen Basismate rial und mindestens einem Typ von reibungsmodifizierenden Partikeln, die eine Deckschicht bilden;
1b und 1c SEM-Bilder, wobei 1b Beispiel 1 und 1c Vergleichsbeispiel C zeigen;
die 2a–2d SEM-Bilder von Ablagerungsflächen bei 500-facher Vergrößerung, wobei 2a Vergleichsbeispiel A, 2b Vergleichsbeispiel B, 2c Vergleichsbeispiel A und 2d Beispiel 1 zeigen; die
3a–3d SEM-Bilder von Ablagerungsflächen bei 100-facher Vergrößerung, wobei die 3a und 3b Vergleichsbeispiel C und die 3c und 3d Beispiel 1 zeigen;
4 eine Reihe von Diagrammen, die Auswertungsergebnisse einer Nass-Anlaufkupplung bei den Zyklen 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000 und 4000 für Vergleichsbeispiel C zeigen;
5 eine Reihe von Diagrammen, die Auswertungsergebnisse einer Nass-Anlaufkupplung bei den Zyklen 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000 und 4000 für Beispiel 1 zeigen;
die 6a–d Diagramme, die die T-N-Beziehung für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 in gerillten Materialien zeigen, wobei der Mittelpunkt-Reibungskoeffizient dargestellt ist; und
7 ein Diagramm, das die Steigung in Abhängigkeit von der Rutschzeit für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel C für formgerillte Materialien zeigt.
Um den vorstehend wiedergegebenen Anforderungen gerecht zu werden, wurden viele Reibmaterialien in Bezug auf ihre Reibungs- und Hitzebeständigkeitseigenschaften unter Bedingungen ausgewertet, die denen entsprechen, die während des Betriebes auftreten. Es wurden im Handel erhältliche Reibmaterialien untersucht. Diese Materialien erwiesen sich für Hochenergieanwendungsfälle als nicht geeignet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein Reibmaterial eine gleichmäßige Dispersion des aushärtbaren Harzes durch ein faserförmiges Basismaterial und eine im wesentlichen gleichmäßige Schicht aus reibungsmodifzierenden Materialien auf einer Deckfläche oder Außenfläche des faserförmigen Basismaterials.
Die Schicht aus dem faserförmigen Basismaterial ist poröser als die Deckschicht der reibungsmodifizierenden Partikel.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die Deckschicht eine geringere Permeabilität sowohl in radialer Richtung als auch in normaler Richtung als die Schicht aus dem faserförmigen Basismaterial. Gemäß einem Aspekt der Erfindung beträgt das durchschnittliche Hohlraumvolumen des faserförmigen Basismaterials etwa 50% bis etwa 85%. Bei bestimmten Ausführungsformen hat das faserförmige Basismaterial einen durchschnittlichen Poren/Hohlraum/Lückendurchmesser von etwa 5 μm.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfassen die reibungsmodifizierenden Celite-Partikel, und bei bestimmten anderen Ausführungsformen umfassen sie Partikel aus Diatomeenerde. Gemäß einem speziellen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfassen die reibungsmodifzierenden Partikel Celite. Bei noch anderen Ausführungsformen können die reibungsmodifizierenden Partikel ein Gemisch aus Kohlenstoffpartikeln und Siliciumdioxid-Partikeln umfassen.
Bei noch anderen Ausführungsformen können die reibungsmodifizierenden Partikel auch andere reibungsmodifizierenden Partikel, wie Metalloxide, Nitride, Carbide und Gemische hiervon, aufweisen. Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass diese Ausführungsformen beispielsweise Silica-Oxide, Eisenoxide, Aluminiumoxide, Titanoxide u. ä., Silica-Nitride, Eisennitride, Aluminiumnitride, Titannitride u. ä. und Silica-Carbide, Eisencarbide, Aluminiumcarbide, u. ä. aufweisen können.
Diverse faserförmige Basismaterialien sind im Reibmaterial der vorliegenden Erfindung geeignet. Hierzu zählen bei spielsweise asbestfreie faserförmige Basismaterialien, die beispielsweise textile Materialien, gewebte und/oder nicht gewebte Materialien umfassen. Geeignete faserförmige Basismaterialien umfassen beispielsweise Fasermaterialien und Füllmaterialien. Bei den Fasermaterialien kann es sich um organische Fasern, anorganische Fasern und Karbonfasern handeln. Die organischen Fasern können Aramidfasern, wie fibrillierte und/oder nichtfibrillierte Aramidfasern, Acrylfasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyamidfasern, Baumwoll/Zellulosefasern u. ä. sein. Bei den Füllmaterialien kann es sich beispielsweise um Siliziumdioxid, Diatomeenerde, Graphit, Aluminiumoxid, Cashew-Staub u. ä. handeln.
Bei anderen Ausführungsformen kann das faserförmige Basismaterial gewebte Fasermaterialien, nicht gewebte Fasermaterialien und Papiermaterialien umfassen. Weitere Beispiele von verschiedenen Arten von faserförmigen Basismaterialien, die bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind in den vorstehend erwähnten amerikanischen Patentschriften angegeben, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingearbeitet wird. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung noch andere faserförmige Basismaterialien enthalten können.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Reibmaterial ein faserförmiges Basismaterial, das eine Vielzahl von Hohlräumen oder Lücken enthält. Die Größe der Hohlräume im faserförmigen Basismaterial kann von etwa 0,5 μm bis etwa 20 μm reichen.
Bei bestimmten Ausführungsformen hat das faserförmige Basismaterial vorzugsweise ein Hohlraumvolumen von etwa 50 bis etwa 60%, so dass das faserförmige Basismaterial im Vergleich zu einem „porösen" gewebten Material als „dicht" angesehen wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Reibmaterial des Weiteren ein Harzmaterial, das zumindest teilweise die Hohlräume im faserförmigen Basismaterial ausfüllt. Dieses Harzmaterial ist über die Dicke des faserförmigen Basismaterials im Wesentlichen gleichmäßig dispergiert.
Das Reibmaterial umfasst des Weiteren eine zweite Schicht oder Deckschicht aus reibungsmodifizierenden Partikeln auf einer ersten Fläche oder Deckfläche des faserförmigen Basismaterials. Durch das Vorhandensein der reibungsmodifizierenden Materialien als Deckschicht auf dem faserförmigen Basismaterial wird das Reibmaterial mit vielen vorteilhaften Eigenschaften versehen, einschließlich guten Ölretentionseigenschaften.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das faserförmige Basismaterial ein solches, in dem weniger fibrillierte Fasern und Kohlenstofffasern im faserförmigen Basismaterial Verwendung finden, um dem Reibmaterial eine gewünschte Porenstruktur zu verleihen. Die Fasergeometrie sorgt nicht nur für einen erhöhten thermischen Widerstand, sondern sorgt auch für einen guten Delaminationswiderstand und eine gute Schall- bzw. Geräuschdämmung. Bei bestimmten Ausführungsformen trägt das Vorhandensein der Kohlenstofffasern und Kohlenstoffpartikel dazu bei, dass der thermische widerstand des faserförmigen Basismaterials erhöht wird, ein beständiger Reibungskoeffizient aufrechterhalten wird und die Geräuschdämmung erhöht wird. Eine relativ geringe Menge an Baumwollfasern im faserförmigen Basismaterial kann vorhanden sein, um die „Einbrems"-Eigenschaften der Kupplung aus dem Reibmaterial zu verbessern.
Durch die Verwendung von weniger fibrillierten Aramidfasern und Kohlenstofffasern in einem faserförmigen Basismaterial wird die Fähigkeit des Reibmateriales verbessert, hohe Temperaturen auszuhalten. Weniger fibrillierte Aramidfasern besitzen generell wenige Fibrillen, die an einer Kernfaser befestigt sind. Durch die Verwendung der weniger fibrillierten Aramidfasern wird ein Reibmaterial mit einer poröseren Struktur geschaffen, d.h. es sind größere Poren vorhanden als bei Verwendung einer typischen fibrillierten Aramidfaser. Die poröse Struktur wird generell durch die Porengröße und Flüssigkeitspermeabilität definiert. Bei bestimmten Ausführungsformen bildet das faserförmige Basismaterial Poren, deren mittlere Durchschnittgröße von etwa 2,0 bis etwa 25 μm im Durchmesser reicht. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt diese etwa 2 bis etwa 10 μm. Bei anderen bestimmten Ausführungsformen reicht die mittlere Porengröße von etwa 2,5 bis etwa 8 μm, und bei bestimmten Ausführungsformen von etwa 5 bis etwa 8 μm im Durchmesser, und hat das Reibmaterial ohne weiteres zugängliche Lufthohlräume von mindestens etwa 50% und bei bestimmten Ausführungsformen von mindestens etwa 60% oder mehr.
Auch ist es bei bestimmten Ausführungsformen wünschenswert, dass die Aramidfasern eine Länge besitzen, die von etwa 0,5 bis 10 mm reicht, sowie eine Canadian Standard Freeness (CSF) von mehr als etwa 300. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es auch wünschenswert, weniger fibrillierte Aramidfasern zu verwenden, die eine CSF von etwa 450 bis etwa 550, vorzugsweise von etwa 530 und mehr, besitzen, bei anderen Ausführungsformen etwa 580–650 und darüber und vorzugsweise etwa 650 und darüber. Im Gegensatz dazu besitzen mehr fibrillierte Fasern, wie Aramidpulpe, einen Freeness-Wert von etwa 285–290.
Die „Canadian Standard Freeness" (T227 om-85) bedeutet, dass der Grad der Fibrillierung der Fasern als Freiheitsmaß der Fasern beschrieben werden kann. Bei dem CSF-Test handelt es sich um ein empirisches Verfahren, das ein willkürliches Maß für die Rate liefert, bei der eine Suspension von 3g Fasern in einem Liter Wasser entwässert werden kann. Daher besitzen weniger fibrillierte Aramidfasern einen höheren Freiheitsgrad oder eine höhere Drainagerate eines Strömungsmittels vom Reibmaterial als mehrfibrillierte Aramidfasern oder Pulpe. Reibmaterialien, die Aramidfasern mit einem CSF-Wert aufweisen, der von etwa 430–650 (und bei bestimmten Ausführungsformen vorzugsweise etwa 580–640 oder vorzugsweise etwa 620–640) reicht, sorgen für ein besseres Reibverhalten und weisen bessere Materialeigenschaften auf als Reibmaterialien, die in herkömmlicher Weise mehr fibrillierte Fasern enthalten. Die längere Faserlänge sorgt zusammen mit dem hohen Canadian Freenees-Wert für ein Reibmaterial mit einer hohen Festigkeit, hohen Porosität und einem gutem Verschleißwiderstand. Die weniger fibrillierten Aramidfasern (CSF von etwa 530–etwa 650) besitzen eine besonders gute Langzeithaltbarkeit und beständige Reibungskoeffizienten.
In der primären Schicht der faserförmigen Schicht des Basismaterials der vorliegenden Erfindung sind auch diverse Füllmaterialien geeignet. Insbesondere sind Füllmaterialien aus Siliziumdioxid, wie Diatomeenerde, geeignet. Es wird jedoch vorgeschlagen, dass auch andere Arten von Füllmaterialien für die vorliegende Erfindung geeignet sind und dass die Auswahl des Füllmaterials von den speziellen Anforderungen des Reibmaterials abhängt.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird Baumwollfaser dem faserförmigen Basismaterial der vorliegenden Erfindung zugesetzt, um dem faserförmigen Material höhere Reibungskoeffizienten zu verleihen. Bei bestimmten Ausführungsformen können etwa 5 bis etwa 20%, bei bestimmten Ausführungsformen etwa 10%, Baumwolle dem faserförmigen Basismaterial zugesetzt werden.
Ein Beispiel einer Formulierung für die primäre Schicht eines faserförmigen Basismaterials ist in der vorstehend genannten US-PS 6 130 176 beschrieben und umfasst etwa 10 bis etwa 50 Gew.% einer weniger fibrillierten Aramidfaser, etwa 10 bis etwa 35 Gew.% von aktivierten Kohlenstoffpartikeln, etwa 5 bis etwa 20 Gew.% Baumwollfasern, etwa 2 bis etwa 15 Gew.% Kohlenstofffasern und etwa 10 bis etwa 35 Gew.% eines Füllmaterials.
Bei bestimmten anderen Ausführungsformen wurde eine spezielle Formulierung als geeignet gefunden, die etwa 35 bis etwa 45 Gew.% von weniger fibrillierten Aramidfasern, etwa 10 bis etwa 20 Gew.% von aktivierten Kohlenstoffpartikeln, etwa 5 bis etwa 15% Baumwollfasern, etwa 2 bis etwa 20 Gew.% Kohlenstofffasern und etwa 25 bis etwa 35 Gew.% Füllmaterial enthält.
Bei noch anderen Ausführungsformen umfasst das Basismaterial etwa 15 bis etwa 25 % Baumwolle, etwa 40 bis etwa 50 Aramidfasern, etwa 10 bis etwa 20 % Kohlenstofffasern, etwa 5 bis etwa 15 % Kohlenstoffpartikel, etwa 5 bis etwa 15 Celite und wahlweise etwa 1 bis etwa 3 % Latex-Zusatz.
Wenn das faserförmige Basismaterial einen höheren mittleren Porendurchmesser und eine höhere Strömungsmittelpermeabilität besitzt, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass das Reibmaterial kälter läuft oder dass weniger Wärme in einem Getriebe infolge eines besseren automatischen Getriebeströmungsmittelflusses durch die poröse Struktur des Reibmaterials erzeugt wird. Während des Betriebes eines Getriebesystems neigt das Strömungsmittel im Laufe der Zeit dazu, auszufallen und „Ölablagerungen" zu bilden, insbesondere bei hohen Temperaturen. Diese „Ölablagerungen" verkleinern die Porenöffnungen. Wenn daher das Reibmaterial anfangs mit größeren Poren beginnt, verbleiben mehr offene Poren während der nutzbaren Lebensdauer des Reibmaterials.
Die reibungsmodifizierenden Partikel auf der Deckfläche des faserförmigen Basismaterials sorgen für eine verbesserte dreidimensionale Struktur für das resultierende Reibmaterial.
Die Schicht aus Öl oder Strömungsmitel auf der Deckschicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln hält den Ölfilm auf der Oberfläche, so dass es für das Öl oder Strömungsmittel schwieriger wird, anfangs in das Reibmaterial einzudringen. Die Deckschicht aus dem reibungsmodifizierenden Material hält das Schmiermittel auf der Oberfläche und erhöht die Ölrückhaltekapazität des Reibmaterials. Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit, dass ein Ölfilm auf seiner Oberfläche verbleibt. Auch dies sorgt für gute Reibungseigenschaften und gute Schlupfhaltbarkeitseigenschaften.
Bei bestimmten Ausführungsformen liegt der durchschnittliche Bereich der Abdeckung der reibungsmodifizierenden Partikel, die die Deckschicht bilden, in einem Bereich von etwa 80 bis etwa 100 % des Oberflächenbereiches. Bei bestimmten anderen Ausführungsformen reicht der durchschnittliche Bereich der Abdeckung von etwa 90 bis 100 %. Die reibungsmodifizierenden Partikel verbleiben im Wesentlichen auf der Abdeckfläche des Basismaterials in einer bevorzugten durchschnittlichen Dicke von etwa 35 bis etwa 200 μm. Bei bestimmten Ausführungsformen hat die Deckschicht eine bevorzugte durchschnittliche Dicke von etwa 60 bis etwa 100 μm.
Die Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Schicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln auf der Oberfläche des faserförmigen Basismaterials wird erreicht, indem eine Größe der Artikel verwendet wird, die von etwa 0,1 bis etwa 80 μm im Durchmesser reichen kann, bei bestimmten Ausführungsformen von etwa 0,5 bis etwa 20 μm und bei anderen bestimmten Ausführungsformen von 0,1 bis etwa 0,5 μm. Bei bestimmten Ausführungsformen haben die Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 12 μm. Bei bestimmten Ausführungsformen wurde festgestellt, dass eine gewünschte optimale dreidimensionale Struktur nicht erreicht wird, wenn die Größe der reibungsmodifizierenden Partikel zu hoch oder zu gering ist, so dass daher die Wärmevernichtungs- und Antizitterbewegungseigenschaften nicht optimal sind.
Die Stärke der Abdeckung der reibungsmodifizierenden Partikel auf dem faserförmigen Basismaterial ist ausreichend groß, so dass die Schicht der reibungsmodifizierenden Partikel eine dreidimensionale Struktur besitzt, die einzelne Partikel des reibungsmodifizierenden Materials und Hohlräume oder Lücken zwischen den einzelnen Partikeln umfasst. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Deckschicht (der reibungsmodifizierenden Partikel) weniger porös als die untere Schicht (aus dem faserförmigen Basismaterial).
Verschiedene Arten von reibungsmodifizierenden Partikeln sind im Reibmaterial geeignet. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung umfassen die reibungsmodifizierenden Partikel Siliciumdioxidpartikel. Es sind auch andere reibungsmodifizierende Partikel möglich, wie Harzpulver, wie Phenolharze, Siliconharze, Epoxidharze und Gemische hiervon. Andere Ausführungsformen können partiell und/oder vollständig karbonisierte Kohlenstoffpulver und/oder Partikel oder Gemische hiervon umfassen sowie Gemische aus derartigen reibungsmodifizierenden Partikeln. Bei bestimmten Ausführungsformen sind Silica-Partikel, beispielsweise aus Diatomeenerde, Celite^®, Celatom^® und/oder Siliciumdioxid, besonders geeignet. Bei den Silica-Partikeln handelt es sich um billige anorganische Materialien, die eine feste Bindung mit dem Basismaterial eingehen. Sie verleihen dem Reibmaterial hohe Reibungskoeffzienten. Die Silica-Partikel versehen das Basismaterial ferner mit einer glatten Reibfläche und sorgen für ein gutes „Schaltgefühl" sowie gute Reibungseigenschaften für das Reibmaterial, so dass „Zittereffekte" minimiert werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung haben die reibungsmodifizierenden Partikel aus Silica eine unregelmäßige Form. Die unregelmäßig geformten reibungsmodifizierenden Partikel halten eine gewünschte Menge an Schmiermittel auf der Oberfläche des faserförmigen Basismateriales aufgrund der Kapillarwirkung von vielen Vertiefungen auf der Oberfläche des unregelmäßig geformten reibungsmodifizierenden Partikels. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein Silica-Material, wie Celite, als reibungsmodifizierendes Material geeignet, da Celite eine unregelmäßige oder raue Oberfläche besitzt.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Reibmaterial unter Verwendung von unterschiedlichen Harzsystemen imprägniert sein. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es von Nutzen, mindestens ein Phenolharz, mindestens ein modifiziertes Harz auf Phenolbasis, mindestens ein Siliconharz, mindestens ein modifiziertes Siliconharz, mindestens ein Epoxidharz, mindestens ein modifiziertes Epoxidharz und/oder Kombinationen hiervon zu verwenden. Bei bestimmten anderen Ausführungsformen ist ein Siliconharz, das mit einem Phenolharz in kompatiblen Lösungsmitteln vermischt ist, geeignet.
Diverse Harze sind bei der vorliegenden Erfindung geeignet. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Harz Phenolharz oder Harze auf Phenolbasis aufweisen, so dass das Sättigungsmaterial etwa 45 bis 65 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile des Reibmateriales umfasst. Nachdem das Harzgemisch auf das faserförmige Basismaterial aufgebracht wurde und das faserförmige Basismaterial mit dem Harzgemisch imprägniert wurde, wird das imprägnierte faserförmige Basismaterial über eine vorgegebene Zeitdauer auf eine gewünschte Temperatur erhitzt, um ein Reibmaterial herzustellen. Bei bestimmten Ausführungsformen wird durch das Erhitzen das im Sättigungsmittel vorhandene Phenolharz bei einer Temperatur von etwa 300°F ausgehärtet. Wenn andere Harze im Sättigungsmittel vorhanden sind, wie Siliconharz, wird das Siliconharz durch das Erhitzen bei einer Temperatur von etwa 400°F gehärtet. Danach wird das ausgehärtete Material über geeignete Mittel mit einem gewünschten Substrat verbunden.
Diverse geeignete Harze umfassen Phenolharze und Harze auf Phenolbasis. Diverse Harze auf Phenolbasis, die im Harzgemisch andere modifizierende Bestandteile enthalten, wie Epoxid, Butadien, Silicon, Tungöl, Benzol, Cashewnuss-Öl u. ä., werden als für die vorliegende Erfindung geeignet vorgeschlagen. In den phenolmodifizierten Harzen liegt das Phenolharz generell mit etwa 50 Gew.% oder mehr (ausschließlich der vorhandenen Lösungsmittel) des Harzgemi sches vor. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Reibmaterialien bei bestimmten Ausführungsformen verbessert werden können, wenn das Gemisch eine Harzmischung aufweist, die etwa 5 bis etwa 80 Gew.% und für bestimmte Zwecke etwa 15 bis etwa 55 Gew.% sowie in bestimmten Ausführungsformen etwa 15 bis etwa 25 Gew.% von Siliconharz auf Basis des Gewichtes des Silicon-Phenol-Gemisches (ausschließlich Lösungsmittel und andere Prozesshilfen) enthält.
Beispiele von geeigneten Phenolharzen und Phenol-Siliconharzen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind in den vorstehend genannten Patentschriften aufgeführt, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingearbeitet wird. Siliconharze, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind beispielsweise thermisch aushärtende Silicondichtungsmittel und Siliconkautschukarten. Diverse Siliconharze sind für die vorliegende Erfindung geeignet. Ein Harz umfasst insbesondere Xylol und Acetylaceton(2,4-pentandion). Das Silikonharz hat einen Siedepunkt von etwa 360°F (183°C), einen Dampfdruck bei 68°F mm, Hg von 21, eine Dampfdichte (Luft = 1) von 4,8, eine vernachlässigbare Löslichkeit in Wasser, ein spezifisches Gewicht von etwa 1,09, einen flüchtigen Anteil bei einer 5 Gew.%igen Verdampfung (Äther = 1) von weniger als 0,1 und einen Entzündungspunkt von etwa 149°F (65°C) unter Verwendung des Pensky-Martens-Verfahrens. Es können auch andere Siliconharze bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden. Andere geeignete Harzgemische sind beispielsweise ein geeignetes Phenolharz, das enthält (in Gew.%): etwa 55 bis etwa 60% Phenolharz, etwa 20 bis etwa 25% Ethylalkohol, etwa 10 bis etwa 14% Phenol, etwa 3 bis etwa 4% Methylalkohol, etwa 0,3 bis etwa 0,8% Formaldehyd und etwa 10 bis etwa 20% Wasser. Ein anderes geeignetes Harz auf Phenolbasis enthält (in Gew.%): etwa 50 bis etwa 55% Phenol/Formaldehydharz, etwa 0,5% Formaldehyd, etwa 11% Phenol, etwa 30% bis 35% Isopropanol und etwa 1 bis etwa 5% Wasser.
Es wurde ferner festgestellt, dass ein anderes geeignetes Harz ein epoxymodifiziertes Phenolharz ist, das etwa 5 bis 25 Gew.% und vorzugsweise etwa 10 bis etwa 15 Gew.% einer Epoxyverbindung enthält, wobei der Rest (ausschließlich Lösungsmittel und andere Prozesshilfen) Phenolharz ist. Diese Epoxy-Phenolharzverbindung sorgt bei bestimmten Ausführungsformen für eine höhere Hitzefestigkeit des Reibmaterials als Phenolharz allein.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird bevorzugt, dass das Harzgemisch gewünschte Mengen des Harzes und der reibungsmodifizierenden Partikel derart enthält, dass die Sollaufnahme des Harzes durch das faserförmige Basismaterial von etwa 25 bis etwa 70 Gew.%, bei anderen Ausführungsformen von etwa 40 bis etwa 65 Gew.% und bei bestimmten Ausführungsformen von etwa 60 bis mindestens 65 Gew.% des gesamten Silicon-Phenolharzes reicht. Nach der Sättigung des faserförmigen Basismaterials mit dem Harz wird das faserförmige Basismaterial über eine Zeitdauer (bei bestimmten Ausführungsformen über etwa 0,5 h) bei Temperaturen ausgehärtet, die zwischen 300–400°C liegen, um das Harzbindemittel auszuhärten und das Reibmaterial zu formen. Die Enddicke des Reibmaterials hängt von der Anfangsdicke des faserförmigen Basismaterials ab.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass auch andere Bestandteile und Prozesshilfen, die für die Herstellung von Harzgemischen und von faserförmigen Basismaterialien bekannt sind, eingearbeitet werden können und im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Harzgemisch sowohl das Siliconharz als auch das Phenolharz in Lösungsmitteln umfassen, die miteinander kompatibel sind. Diese Harze werden miteinander vermischt (bei bevorzugten Ausführungsformen), um ein homogenes Gemisch herzustellen, und dann zur Sättigung des faserförmigen Basismaterials verwendet. Bei bestimmten Ausführungsformen gibt es nicht den gleichen Effekt, wenn das faserförmige Basismaterial mit einem Phenolharz imprägniert und danach ein Siliconharz zugesetzt wird oder umgekehrt. Es gibt ferner einen Unterschied zwischen einem Gemisch einer Silicon-Phenolharzlösung und Emulsionen von Siliconharzpulver und/oder Phenolharzpulver. Wenn Siliconharze und Phenolharze in Lösung vorliegen, sind sie überhaupt nicht ausgehärtet. Im Gegensatz dazu sind die pulverförmigen Partikel der Siliconharze und Phenolharze teilweise ausgehärtet. Die teilweise Aushärtung der Siliconharze und Phenolharze verhindert eine gute Sättigung des Basismaterials.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das faserförmige Basismaterial mit einem Gemisch aus einem Siliconharz in einem Lösungsmittel, das mit dem Phenolharz und dessen Lösungsmittel kompatibel ist, imprägniert. Bei einer Ausführungsform wurde festgestellt, dass Isopropanol ein besonders geeignetes Lösungsmittel ist. Es versteht sich jedoch, dass auch verschiedene andere geeignete Lösungsmittel, wie Ethanol, Methyl-Ethyl-Keton, Butanol, Isopropanol, Toluol u. ä., bei der Ausführung der Erfindung Verwendung finden können. Das Vorhandensein eines Siliconharzes im Gemisch mit einem Phenolharz, das zur Sättigung des faserförmigen Basismaterials verwendet wird, bewirkt, dass die resultierenden Reibmaterialien elastischer sind als die faserförmigen Basismaterialien, die nur mit einem Phenolharz imprägniert sind. Wenn Drücke auf das mit dem Silicon-Phenolharz-Gemisch imprägnierte Reibmaterial der vorliegenden Erfindung ausgeübt werden, ist eine gleichmäßigere Druckverteilung vorhanden, wodurch wiederum die Wahrscheinlichkeit eines ungleichmäßigen Belagverschleißes verringert wird. Nachdem das Siliconharz und das Phenolharz mit den reibungsmodifizierenden Partikeln vermischt worden sind, wird das Gemisch zum Imprägnieren des faserförmigen Basismaterials verwendet.
Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung umfasst eine Schicht aus reibungsmodifizierenden Partikeln auf der Oberseite eines faserförmigen Basismateriales. Dieses Reibmaterial weist gute „Antizitter-Eigen-schaften", eine hohe Widerstandsfähigkeit, einen hohen Reibungskoeffizienten, eine hohe Haltbarkeit, eine gute Verschleißfestigkeit und verbesserte Einbrecheigenschaften auf.
1a ist eine schematische Darstellung eines Reibmaterials 10 mit einem faserförmigen Basismaterial 12 und einer Schicht aus oberflächenreibungsmodifizierenden Materialien 14, die im Wesentlichen das faserförmige Basismaterial 12 bedecken.
1b ist ein SEM-Bild eines Ablagerungsmaterials, das Celite für Beispiel 1 aufweist, wobei die reibungsmodifizierenden Materialien als Schicht auf einem faserförmigen Basismaterial angeordnet sind. 1c zeigt ein Vergleichsbeispiel C, bei dem die reibungsmodifizierenden Materialien nicht als Schicht, sondern vielmehr als unvollständiger Überzug auf dem faserförmigen Basismaterial vorhanden sind.
Bei Vergleichsbeispiel C besitzt das Reibmaterial viele große Löcher, so dass mindestens ein Teil des Schmiermittels nicht auf der Oberfläche des Reibmaterials verbleibt. Die Reibpartikel von Vergleichsbeispiel C dringen tiefer in das faserförmige Basismaterial ein, so dass die Oberflächenporen ziemlich offen bleiben.
Die 2a–2d sind SEM-Bilder. 2a zeigt ein Vergleichsbeispiel A, bei dem es sich um eine handelsübliche Reibmaterialformulierung handelt. 2a zeigt, dass das faserförmige Basismaterial unvollständig mit Fasern abgedeckt ist, und zeigt darunter liegende Fasern des faserförmigen Basismaterials.
2b zeigt Vergleichsbeispiel B, bei dem es sich um ein anderes in handelsüblicher Weise hergestelltes Reibprodukt handelt. 2b zeigt eine unvollständige Bedeckung des faserförmigen Basismaterials sowie die darunter liegenden Fasern des faserförmigen Basismateriales.
Vergleichsbeispiel C, das in 2c dargestellt ist, ist ein anderes in handelsüblicher Weise hergestelltes Reibprodukt mit einem faserförmigen Basismaterial. Das Material ist sehr porös, und man kann die Fasern und das Füllmaterial unterhalb der Schicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln erkennen.
Die Schicht aus den reibungsmodifizierenden Materialien, die bei dem Reibmaterial der vorliegenden Erfindung Verwendung findet, versieht das Reibmaterial mit guten „Antizittereigenschaften". Bei der dargestellten Ausführungsform sorgen die synthetischen Hochtemperaturfasern und die Porosität des faserförmigen Basismaterials für eine verbesserte Hitzefestigkeit.
Beispiel 1, das in 2d gezeigt ist, ist ein Reibmaterial der vorliegenden Erfindung, das eine Schicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln auf der Oberseite des faserförmigen Basismaterials besitzt.
Die SEM-Fotos in den 3a–3b von Vergleichsbeispiel C zeigen eine unvollständige Abdeckung des faserförmigen Basismaterials. Im Gegensatz dazu zeigen die SEM-Fotos in den 3c–d von Beispiel 1 eine glattere Oberfläche und eine nahezu vollständige Abdeckung des faserförmigen Basismaterials.
Die nachfolgenden Beispiele liefern einen weiteren Beweis dafür, dass der Gradient der reibungsmodifizierenden Partikel innerhalb des Reibmaterials der vorliegenden Erfindung für eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Reibmaterialien sorgt. Die Reibmaterialien besitzen einen wünschenswerten Reibungskoeffizienten, eine wünschenswerte Hitzebeständigkeit und eine wünschenswerte Haltbarkeit. In den nachfolgenden Beispielen sind diverse bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die jedoch in keiner Weise den Umfang der Erfindung beschränken.
Beispiele
Beispiel I
Es wurde die Auswertung einer nassen Anfahrkupplung durchgeführt (4000 Zyklen, 950 kPa, 2100 UpM), und zwar für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel C.
4 zeigt die Eingriffskurven bei 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000 und 4000 Zyklen für Vergleichsbeispiel C, bei denen es sich um kontinuierliche und abfallende Kurven handelt. Vergleichsbeispiel C besitzt einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,14.
5 zeigt die Eingriffskurven bei 10, 50, 100, 500, 1000, 2000, 3000 und 4000 Zyklen für Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung, bei denen es sich ebenfalls um kontinuierliche Kurven handelt, die jedoch schärfer abfallen. Der Unterschied in den Kurven zwischen 4 und 5 zeigt deutlich den höheren Koeffizienten und zeigt ferner, dass die μ-v-Steigung positiv ist. Der Reibungskoeffizient steigt bis auf etwa 0,16 an.
Beispiel II
Die 6a–6d zeigen die TN-Mittelpunkt-Koeffizientenergebnisse von Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 in ungerillten Platten für eine Schaltkupplung bei 6000 UpM. Hierbei handelt es sich um einen Haltbarkeits-Hochenergietest. Wie in den Figuren gezeigt, besitzt Beispiel 1 eine Haltbarkeit von über 700 Zyklen, während Vergleichsbeispiel C infolge von Dickenveränderungen im Reibmaterial früh im Versuch ausfällt. Das Material von Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung besitzt keine rasche Dickenänderung und ist beständiger. Diese Charakteristik ist wichtig bei Schaltkupplungen und anderen Anwendungsfällen, bei denen es beispielsweise nicht wünschenswert ist, dass sich der Kolben über eine andere Distanz bewegt als ursprünglich vorgesehen.
Beispiel III
Ein Vergleich zwischen der Steigung-Rutschzeit in gerillten Materialien für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel C ist in 7 gezeigt. Das Ausfallkriterium der μ-v (Reibungskoeffizient gegenüber Rutschdrehzahl (UpM)) -Steigung ist auf –1,0*E-5 eingestellt, was für die Industrie akzeptabel ist. Ein Produkt mit einer Steigung unterhalb dieses Niveaus ist anfälliger gegenüber Zittereffekten. Das Material von Beispiel 1 ermöglicht einen Ölfluss innerhalb der gewünschten Bedingungen und sorgt für eine gute Wärmevernichtung.
Beispiel IV
Die Ablagerung der reibungsmodifizierenden Partikel erzeugt eine dichte Oberflächenschicht, die die Permeabilität der Deckschicht reduziert. Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung eine Permeabilität, die sowohl in Radialrichtung (d.h. der Richtung parallel zu einer Ebene, die von der Deckschicht oder der Schicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln gebildet wird) als auch in Normalrichtung (d.h. einer Richtung senkrecht zu der von der Deckschicht gebildeten Ebene) geringer ist als die Permeabilität in Radialrichtung und Normalrichtung der ersten Schicht oder Schicht aus dem faserförmigen Basismaterial. Die geringere Permeabilität der Deckschicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln hält das Strömungsmittel oder Schmiermittel auf der Oberfläche des Reibmateriales.
Das Reibmaterial besitzt eine normale Permeabilität (k_normal) von etwa 0,03 Darcy oder weniger und eine laterale Permeabilität (k_lateral) von etwa 0,03 Darcy oder mehr. Bei Ausführungsformen, bei denen die reibungsmodifizierenden Partikel Celite umfassen, weist das Celite-Material Mikroporen auf, die dazu beitragen, das Schmiermittel auf der Oberfläche zu halten, und zwar aufgrund der Kapillarwirkung des Schmiermittels in den Mikroporen. Insbesondere besitzen diverse Arten von Celite-Materialien, wie Diatomeenerde, unregelmäßige Formen und raue oder mit Vertiefungen versehene Oberflächen, die weiter dazu beitragen, das Schmiermittel auf der Oberfläche zu halten. Somit ist das Verhältnis zwischen der radialen Permeabilität der Deckschicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln und der radialen Permeabili tät der faserförmigen Basisschicht geringer als 1 und das Verhältnis zwischen der normalen Permeabilität der Deckschicht aus den reibungsmodifizierenden Partikeln und der normalen Permeabilität der faserförmigen Basisschicht geringer als 1.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist als Hochenergie-Reibmaterial bei Kupplungsscheiben, Getriebebändern, Bremsschuhen, Synchronisationsringen, Reibscheiben oder Systemplatten geeignet.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist lediglich beispielhaft und begrenzt in keiner Weise den Umfang der Erfindung, der durch die nachfolgende Patentansprüche festgelegt wird.

Claims

Reibmaterial mit einer ersten Schicht, die ein faserförmiges Basismaterial aufweist, und einer zweiten Schicht, die mindestens einen Typ eines reibungsmodifizierenden Partikels auf einer Deckfläche des faserförmigen Basismateriales besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine durchschnittliche Dicke von etwa 30–200 μm hat, dass die Deckschicht eine Permeabilität besitzt, die geringer ist als die der ersten Schicht, und dass die reibungsmodifizierenden Partikel Siliciumdioxid-Partikel mit einer durchschnittlichen Durchmessergröße von etwa 0,1 bis etwa 80 μm und einer unregelmäßigen Form umfassen.
Reibmaterial nach Anspruch 1, bei dem die Schicht der reibungsmodifizierenden Partikel eine Dicke von etwa 60 bis etwa 100 μm hat.
Reibmaterial nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Deckschicht eine geringere Permeabilität in Radial richtung und eine geringere Permeabilität in Normalrichtung als die erste Schicht besitzt.
Reibmaterial nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der reibungsmodifizierende Partikel eine durchschnittliche Durchmessergröße von etwa 0,5 bis etwa 20 μm hat.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das faserförmige Basismaterial ein durchschnittliches Hohlraumvolumen von etwa 50 % bis etwa 85 % hat.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die reibungsmodifizierenden Partikel Celit-Partikel umfassen.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die reibungsmodifizierenden Partikel Diatomeen- erde umfassen.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die reibungsmodifizierenden Partikel ein Gemisch aus Kohlenstoffpartikeln und Siliciumdioxid-Partikeln umfassen.
Reibmaterial nach Anspruch 6, bei dem die Celit-Partikel eine Größe von etwa 2 bis etwa 20 μm besitzen.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die reibungsmodifizierenden Partikel Metalloxide umfassen.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die reibungsmodifizierenden Partikel Nitride umfassen.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die reibungsmodifizierenden Partikel Carbide umfassen.
Reibmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das faserförmige Basismaterial ein textiles Material aufweist.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das faserförmige Basismaterial ein nichtgewebtes Fasermaterial ist.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das faserförmige Basismaterial ein gewebtes Fasermaterial ist.
Reibmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das faserförmige Basismaterial etwa 15 bis etwa 25 % Baumwolle, etwa 40 bis etwa 50 % Aramidfasern, 10 bis etwa 20 % Carbonfasern, 5 bis etwa 15 % Carbonpartikel und etwa 5 bis etwa 15 % Celit umfasst.
Reibmaterial nach Anspruch 16, bei dem die Deckschicht des Reibmateriales reibungsmodifizierende Partikel aus Siliciumdioxid umfasst, die auf Fasern und Füllmaterialien im faserförmigen Basismaterial abgelagert sind.
Reibmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das faserförmige Basismaterial einen durchschnittlichen Porendurchmesser von etwa 5 bis etwa 8 μm besitzt.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das faserförmige Basismaterial etwa 10 bis etwa 50 Gew.% einer weniger fibrillierten Aramidfaser, etwa 10 bis etwa 35 Gew.% aktivierte Kohlenstoffpartikel, etwa 5 bis etwa 20 Gew.% Baumwollfasern, etwa 2 bis etwa 15 Gew.% Carbonfasern und etwa 10 bis etwa 35 Gew.% eines Füllmateriales umfasst.
Reibmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ein Harz aufweist, mit dem mindestens das faserförmige Basismaterial imprägniert ist.
Reibmaterial nach Anspruch 20, bei dem das Harz mindestens ein Phenolharz, mindestens ein modifiziertes Phenolharz, mindestens ein Siliconharz, mindestens ein siliconmodifiziertes Harz, mindestens ein Epoxidharz, mindestens ein epoxidmodifiziertes Harz und Gemische hiervon umfasst.
Reibmaterial nach Anspruch 20, bei dem das Harz ein Gemisch aus mindestens einem Phenolharz und mindestens einem Siliconharz umfasst, wobei die Menge des Siliconharzes im Harzgemisch von etwa 5 bis etwa 80 Gew.% auf Basis des Gewichtes des Harzgemisches reicht.
Reibmaterial nach Anspruch 21, bei dem das Phenolharz in einem Lösungsmittel und das Siliconharz in einem Lösungsmittel, das mit dem Lösungsmittel des Phenolharzes kompatibel ist, vorhanden sind.
Reibmaterial nach Anspruch 21 oder 23, bei dem die Menge des im Siliconharz-Phenolharz-Gemisch vorhandenen Siliconharzes von etwa 20 bis etwa 25 Gew.% auf der Basis des Gewichtes des Gemisches reicht.
Reibmaterial nach Anspruch 21 oder 23, bei dem die Menge des im Siliconharz-Phenolharz-Gemisch vorhandenen Siliconharzes von etwa 15 bis etwa 25 Gew.% auf der Basis des Gewichtes des Gemisches reicht.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem das modifizierte Phenolharz mindestens ein Epoxidphenolharz umfasst.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem die Menge des im Epoxidphenolharz vorhandenen Epoxidharzes von etwa 5 bis etwa 25 Gew.% auf der Basis des Gewichtes des Epoxidphenolharzes reicht.
Reibmaterial nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei dem die Menge des im Epoxidphenolharz vorhandenen Epoxidharzes von etwa 10 bis etwa 15 Gew.% auf der Basis des Gewichtes des Epoxidphenolharzes reicht.