DE69103235T2 - Keramische Kupplungsscheiben. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Kupplungstrennplatten, wie sie beispielsweise in Kupplungs- oder Bremsscheibenpackungen für automatische Getriebe von Fahrzeugen u.ä. verwendet werden.
• Eine Vielzahl von Scheiben aufweisende Kupplungen und Bremsen, die in einem Antriebszug zur Übertragung von Drehmoment in einem automatischen Getriebe eines Kraftfahrzeuges u.ä. verwendet werden, besitzen normalerweise eine Kupplungsscheibenpackung, die Kupplungsplatten mit Reibbelägen aufweist, welche in verschachtelter Weise mit Kupplungstrennplatten angeordnet sind. Eine solche Kupplungsscheibenpackung ist aus der FR-A-2 056 321 bekannt.
• Bisherige Anstrengungen zur Verbesserung der Reibeigenschaften einer Kupplung, bei der eine Kupplungsscheiben packung der beschriebenen Art Verwendung findet, bestanden darin, den Reibbelag für die Kupplungsplatten zu verbessern. Nahezu keine Aufmerksamkeit wurde auf die Reibeigenschaften der Trennplatten gerichtet.
• Eine solche Maßnahme des Standes der Technik ist in der vorstehend erwähnten FR-A-2 056 321 offenbart, bei der der Reibbelag der Kupplungsplatte aus einer abriebfesten Schicht aus Molybdännickelaluminid, Keramik oder einem Nichteisenmetall besteht, das bzw. die auf die Reibfläche der Kupplungsplatte gesprüht ist. Die Oberfläche einer solchen abriebsfesten Schicht wird dann durch Stanzen oder Walzen einer Druckbehandlung unterzogen, um in der sonst ebenen Fläche der Schicht Taschen zum Sammeln eines Schmiermittels oder Kühlmittels auszubilden.
• Ein Problem der Trennplatten ist im Verschleiß der Trennplattenoberflächen infolge der Reibeigenschaften der Kupplungsplatte zu sehen. Ein geringerer Verschleiß der Trennplatten würde für ein "stetiger" rotierendes Element und somit ein beständiges Betriebsverhalten sorgen. Es besteht ferner ein Bedarf nach höherer Reibung, um höhere Drehmomente aufzunehmen. Dort, wo in neuerer Zeit die Reibbeläge für die Kupplungsplatten aus einem Reibmaterial auf Papierbasis hergestellt worden sind, sollten die Trennplatten nicht aus einem Material bestehen oder eine Oberflächentextur besitzen, das bzw. die einen übermäßigen Verschleiß des Reibbelages verursacht.
• Da die Kupplungsplatten Reibbeläge aufweisen, die an ihren gegenüberliegenden Flächen befestigt sind, werden die Trennplatten auf herkömmliche Weise über einen Scheuerprozeß endbearbeitet, so daß sie relativ glatte Flächen besitzen, die mit dem Reibbelagsmaterial in Eingriff stehen. Um die Reibeigenschaften der Stahlplatten zu verbessern, wenn sie in Kombination mit den mit Reibbelägen versehenen Kupplungsplatten verwendet werden, ist vorgeschlagen worden, die Oberfläche zu verändern, um die Eigenschaften der Stahlplatten zu verändern. Es wurden verschiedene Oberflächenbearbeitungsverfahren versucht, wie beispielsweise Sandstrahlen, Kugelstrahlen und Rändeln.
• Die entstandene Oberfläche erhöhte jedoch entweder nicht den Reibungskoeffizienten oder bewirkte einen übermäßigen Verschleiß und/oder eine Beschädigung des Reibbelages der passenden Kupplungsscheibenflächen. Hierdurch wird wiederum die nutzbare Lebensdauer der Kupplungsplatten in der Kupplungspackung für das automatische Getriebe verkürzt.
• Es wurde ferner das Überziehen der Trennplatten unter Verwendung eines verschleißfesten Materiales untersucht, beispielsweise das Spritzbeschichten der Stahlplatten mit Titannitrid oder entsprechenden Metallnitriden, d.h. mit Materialien, die durch ihre Verschleißfestigkeitseigenschaften für Werkzeugteile, Sägeblätter etc. bekannt sind. Obwohl man ein geringfügiges Ansteigen der Reibeigenschaften festgestellt haben kann, wurde diese Verbesserung jedoch durch einen deutlichen Anstieg des Verschleißes der Reibbeläge wieder zunichtegemacht.
• Erfindungsgemäß ist eine Kupplungsscheibenpackung der vorstehend angegebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennplatte eine Oberflächenstruktur auf mindestens einer Fläche derselben besitzt, die für einen erhöhten Reibungskoeffizienten zwischen der Trennplatte und der damit zusammenwirkenden Kupplungsplatte sorgt, ohne daß hierdurch der Reibverschleiß des Reibbelages dieser Kupplungsplatte wesentlich erhöht wird, wobei die Oberflächentextur aus der Verwendung eines keramischen Materiales zumindest als keramischer Überzug auf der mindestens einen gegenüberliegenden Fläche der Trennplatte resultiert, der eine Rauhigkeit in einem arithmetischen Durchschnittsbereich (Ra) von 0,025 bis 1,016 um (1 bis 40 Mikrozoll) besitzt.
• Bei einem solchen Keramikmaterial kann es sich um Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid handeln. Es wurde festgestellt, daß durch solche Materialien die Reibung um 5 bis 10 % gegenüber einer Standard 1035 Stahltrennplatte erhöht werden kann, ohne daß ein wesentlicher Verschleiß des Keramikmaterials auftritt.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung besitzt die Trennplatte einen Stahlkern, der mit dem Keramiküberzug beschichtet ist. Als Alternative kann die gesamte Trennplatte aus einem Keramikmaterial hergestellt sein.
• Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung besitzt ein Satz der Kupplungs- und Trennplatten Innenkeile zum Eingriff mit einem drehbaren Element, während der andere Satz Platten äußere Umfangskeile aufweist, die entweder mit einem zweiten drehbaren Element oder einem stationären Element in Eingriff stehen, um eine Torsionskupplung oder Bremse zu erzeugen. Somit ist ein Satz von Platten mit einer umgebenden Kupplung oder Bremstrommel verkeilt, während der andere Plattensatz auf eine zentrale Welle oder einen Ring gekeilt ist.
• Als ein Ausführungsbeispiel des Standes der Technik wird auf die FR-A-2 631 044 verwiesen.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nunmehr einige beispielhafte Ausführungsformen derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
• Figur 1 eine Teilschnittansicht einer Kupplungspackung, die die Reib- und Trennplatten einer Torsionskupplung zeigt;
• Figur 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht einer mit keramischem Material beschichteten Trennplatte;
• Figur 3 eine Ansicht ähnlich Figur 2, die jedoch eine Trennplatte aus massiver Keramik zeigt;
• Figur 4 ein Diagramm, das die Reibungseigenschaften bei einer 140ºC (300ºF) Testsequenz einer Trennplatte, die entweder aus Siliciumnitrid oder Aluminiumoxid hergestellt ist und eine 6 um starke Überdeckung aufweist, im Vergleich zu einer 1035 polierten Stahlplatte zeigt;
• Figur 5 ein Diagramm ähnlich Figur 4, das jedoch die Reibungseigenschaften einer Zirkonoxidplatte mit einer Oberfläche "wie erhalten" und einer Zirkonoxidkeramikplatte mit einer 6 um starken Überdeckung im Vergleich zu einer 1035 polierten Stahlplatte zeigt;
• Figur 6 ein Diagramm entsprechend Figur 4, das jedoch die Reibungseigenschaften eines DC-Zusammensetzungs- und 30-Zusammensetzungs-Polier- bzw. Scheuermediums als Formflächen, einer DC-Zusammensetzungs-Polierverbindung mit einer 6 m geläppten Fläche und einer 30 Zusammensetzungs-Polierverbindung mit einer 6 um geläppten Fläche im Vergleich zu einer 1035 polierten Stahlplatte zeigt;
• Figur 7 ein Diagramm, das die Reibungseigenschaften einer Stahltrennplatte in einem Strömungsmittel mit und ohne Additive für ein automatisches Getriebe zeigt;
• Figur 8 ein Diagramm ähnlich Figur 4, das jedoch eine mit Keramikmaterial beschichtete Trennplatte in dem Strömungsmittel mit und ohne Additive für das automatische Getriebe zeigt; und
• Figur 9 ein Diagramm ähnlich den Figuren 7 und 8, das die Reibungseigenschaften von Keramik- und Stahlplatten im Strömungsmittel eines automatischen Getriebes zeigt.
• In Figur 1 ist ein Teil der oberen Hälfte einer typischen Torsionskupplung gezeigt, bei der eine Kupplungspackung 10 in einer Kupplung oder Bremse für das automatische Getriebe eines Kraftfahrzeuges Verwendung findet. Die Kupplung umfaßt ein Trommel- oder Bremselement 12 aus Gußeisen, Stahl oder Pulvermetall, das drehbar an geeigneten Lagern (nicht gezeigt) gelagert ist, und eine innere Metallnabe oder Welle 14, die ebenfalls aus einem dieser Materialien besteht und in geeigneter Weise drehbar gelagert ist. Die Trommel 12 kann von einem Drehmomentaufbringungselement angetrieben werden, und die Nabe oder Welle 14 kann mit einer anzutreibenden Last in Antriebsverbindung gebracht werden, obwohl die treibenden und getriebenen Teile auch umgekehrt angeordnet sein können.
• Zwischen der Trommel und der Nabe ist eine Vielzahl von ringförmigen metallischen Reibkupplungsplatten 16 angeordnet, die geeignete Reibbeläge 18 aufweisen, welche an den gegenüberliegenden Flächen einer jeden Platte befestigt sind. Jede Reibplatte 16 besitzt Innenzähne 20, die mit äußeren Keilen oder Rippen 22 auf der Außenfläche der Nabe 14 kämmen und sich mit dieser drehen. Abwechselnd mit den Kupplungsplatten sind Trennplatten 24 angeordnet, die äußere Zähne 28 aufweisen, welche mit Innenkeilen oder Rippen 30 auf der Innenfläche der Trommel 12 kämmen. Die Kupplungsplatten und Trennplatten sind miteinander verschachtelt. Obwohl die Trennplatten 24 so gezeigt sind, daß sie mit zwei Drehelementen in Verbindung stehen, können sie auch mit einem geeigneten stationären Element verbunden sein, und zwar dort, wo die Kupplung bei einer Bremse in einem Getriebe und nicht bei einer Kupplung Verwendung findet. Eine ringförmige Stützplatte 32 besitzt an ihrem Umfang Zähne 34, die mit den Trommelkeilen 30 kämmen, und wird axial durch einen Haltering 36 gehalten, der in einer inneren Ringnut 38 in der Trommel montiert ist.
• Ein ringförmiger Beaufschlagungskolben 40 ist so montiert, daß er axial innerhalb der Trommel gleitet, und wird normalerweise über geeignete Kupplungsfreigabeeinrichtungen, wie beispielsweise Freigabefedern (nicht gezeigt), nach links (gemäß Figur 1) in eine ausgerückte Position gedrückt. Unter Druck stehendes Strömungsmittel wird am linken Ende des Kolbens 40 in die Kammer 42 geführt, um den Kolben in Richtung auf die Kupplungsplatten 16 zu drücken und die Kupplungsplatten sowie die Trennplatten 24 zusammenzupressen, so daß die Reibbeläge 18 mit den gegenüberliegenden Flächen 26 der Trennplatten 24 zwischen dem Kolben und der Stützplatte in Eingriff treten. Wenn die Platten in Eingriff stehen, ist eine Bahn zur Drehmomentübertragung zwischen der Trommel 12 und der Nabe 14 geschaffen. Eine Ringdichtung 44 ist in einer Nut im Umfang des Kolbens angeordnet, um ein Lecken aus der Beaufschlagungs kammer 42 am Kolben 40 vorbei zu verhindern. Wenn das Strömungsmittel in der Kammer 42 austreten kann, bewegen die Rückführeinrichtungen den Kolben in seine ausgerückte Stellung, um die Kupplung auszurücken.
• Figur 2 zeigt einen Abschnitt einer einzigen Trennplatte, die bei der Kupplungspackung Verwendung findet und ein Paar von benachbarten Kupplungsplatten 16 voneinander trennt, die geeignete Beläge aufweisen, welche aus einem Papierreibmaterial auf Harzbasis bestehen. Die Trennplatte 24 besteht aus einer Stahlplatte 46, die mit einer Schicht 48 aus einem keramischen Material, wie Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, überzogen ist, obwohl auch andere keramische Materialien für die Trennplatte geeignet sind. Die Trennplatte besitzt ein Oberflächenfinish von 0,0254 um (1,0 Mikrozoll) bis 0,9398 um (740 Mikrozoll), um eine optimale Oberflächentextur zur Verfügung zu stellen, die wiederum eine Strömungsmittelsuspension/ Lagerung im Kontaktbereich ermöglicht. Der keramische Überzug bewahrt seine anfängliche Oberflächentextur.
• Durch die Isolationseigenschaften des keramischen Materiales wird mehr Wärmeenergie dem Kontaktbereich der Paßplatte zugeführt und kann somit nicht in der Trennplatte vernichtet werden. Dieser Anstieg der Oberflächentemperatur beschädigt nicht die Integrität des Belages oder verschlechtert diese nicht. Durch die Verwendung des keramischen Materiales wird die Reibung um 5 bis 10 % gegenüber einer 1035 Stahlplatte erhöht, wobei augenscheinlich die Oberflächenhärte und das Oberflächenfinish mehr zur erhöhten Reibung beitragen als die Materialzusammensetzung. Durch die ansteigende Oberflächenrauhigkeit der Keramik wird der Verschleiß des Kupplungsmateriales erhöht. In keinem der Tests, bei dem das keramische Material verwendet wurde, trat jedoch ein Verschleiß der Keramik auf. Ein guter Arbeitsbereich für keramische Oberflächen reicht von einem arithmetischen Durchschnitt (Ra) von 0,0254 bis 1,016 um (1,0 bis 40 Mikrozoll). Figur 3 zeigt eine entsprechende Trennplatte 24a, die aus einem massiven Keramikmaterial besteht, wie vorstehend angegeben.
• Figur 4 zeigt ein Diagramm, das die Reibungseigenschaften von zwei keramischen Überzügen wiedergibt, deren Oberflächen durch einen 6 um Läppungsvorgang behandelt wurden, und zwar im Vergleich zu einer Standard 1035 polierten Stahlplatte, wobei der Reibungskoeffizient in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit in m pro sec in einem Schmiermittel Texaco TL 8570 bei einem Temperaturniveau von 149ºC (300ºF) (der Speichertemperatur des Schmiermittels) unter einer Last von 8,3 bar (120 psi), einem mittleren Radius von 0,0127 m (0,5") und einem Kontaktbereich von 2,02 cm² (0,393 Quadratzoll) dargestellt ist. Dieses Diagramm zeigt die Kurven für eine massive keramische Trennplatte, die einem 6 um Läppungsvorgang ausgesetzt worden war, oder eine Stahltrennplatte, die einem 6 um Läppungsvorgang ausgesetzt und dann mit einem Siliciumnitrid- oder Aluminiumoxid-Überzug beschichtet wurde, gegenüber einem SD 1777 Reibbelag.
• Das in Figur 5 gezeigte Diagramm entspricht dem der Figur 4 mit den gleichen Parametern, mit der Ausnahme, daß eine Zirkonoxidplatte in einem Zustand "wie empfangen" und eine Zirkonoxidplatte, die einem 6 um Läppungsvorgang auf der Oberfläche unterzogen wurde, im Vergleich mit der Standard 1035 polierten Stahlplatte dargestellt sind.
• Das Diagramm der Figur 6 zeigt ein D.C.-Zusammensetzungs- und 30 Zusammensetzungs-Poliermedium als Formfläche, wobei die D.C.-Zusammensetzung eine 6 um geläppte Oberfläche und die 30 Zusammensetzung eine 6 um geläppte Oberfläche aufweist. Sämtliche Medien sind mit der Standard 1035 polierten Stahlplatte unter den gleichen Parametern der Tests der Figur 4 verglichen. Bei beiden Zusammensetzungen handelt es sich um Aluminiumoxid-Polierverbindungen, wobei die D.C.-Zusammensetzung eine größere Rohdichte als die 30 Zusammensetzung aufweist. Bei der D.C.-Zusammensetzung "wie empfangen" und der 30 Zusammensetzung wurden die Daten infolge der hohen Verschleißrate des Reibbelages bei 38ºC (100ºF) zusammengetragen. Für die beiden Zusammensetzungen nach dem Läppen und die 1035 Stahlplatte wurden jedoch die Tests bei 149ºC (300ºF) durchgeführt.
• Figur 7 ist ein Diagramm, in dem der Reibungskoeffizient in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit einer 1035 polierten Stahltrennplatte in einem Strömungsmittel für ein automatisches Getriebe (ATF) ohne jegliche Additive und mit einer vollständigen Additivpackung dargestellt ist. Figur 8 zeigt das gleiche Diagramm für eine keramische Trennplatte oder eine mit Keramik beschichtete Platte im gleichen ATF mit und ohne die gesamte Additivpackung. Aus Figur 7 geht hervor, daß die Stahlplatte im ATF mit vollständiger Additivpackung einen relativ glatten Kupplungseingriff besitzt, während die Platte im ATF ohne die Additivpackung einen sehr rauhen Eingriff aufweist. Figur 8 zeigt, daß die keramische Trennplatte oder die mit Keramik beschichtete Platte entsprechende Kurven für das ATF mit und ohne Additivpackung besitzen. Somit ändern sich in einem ATF die Reibungseigenschaften nicht sehr viel, wenn sich die Additivpackung verschlechtert oder mit der Zeit altert. Zu keinem Zeitpunkt ist der Kupplungseingriff so rauh wie dies bei der in Figur 7 gezeigten additivfreien Packung der Fall ist. Es wird davon ausgegangen, daß verschlechtertes ATF mit einem ATF ohne Additivpackung vergleichbar ist. Ein verschlechtertes oder abgebautes ATF fällt dann an, wenn die Additivpackung unlöslich geworden oder vom Getriebemittel weggebrannt worden ist. Unter diesen Bedingungen wird die keramische Trennplatte zu einer attraktiven Alternative.
• Schließlich zeigt Figur 9 ein Diagramm, in dem die Reibungseigenschaften einer keramischen Trennplatte im Vergleich zu einer 1035 Stahltrennplatte dargestellt sind. Man kann deutlich erkennen, daß das keramische Material im Vergleich zur Stahlplatte einen höheren Reibungskoeffizienten besitzt, jedoch glatte Eingriffseigenschaften im Betrieb der Kupplung beibehält. Dieses Phänomen wurde unter Verwendung von drei unterschiedlichen Schmiermitteln festgestellt, nämlich 1) TEXACO TL 8570, 2) Ford Motor Company Type F und 3) Mobil 220. Es wurde festgestellt, daß eine Siliciumnitridkeramik zum niedrigsten statischen/dynamischen Verhältnis führte und somit den glattesten Kupplungseingriff bewirkt. Diese Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle 1 Material Statische Reibung Durchschnit Dynamische Reibung Durchschnit Belagverschließ mils
• Die durchschnittlichen Reibwerte wurden aus Reibungstests bei 38ºC (100ºF), 93ºC (200ºF) und 149ºC (300ºF) berechnet. Die dynamischen Werte wurden bei 30,5 m (100 Fuß) pro Minute genommen, während die statischen Werte bei 0,305 m (1,0 Fuß) pro Minute genommen wurden, wobei die gleichen Parameter wie bei den vorhergehenden Beispielen benutzt wurden. Somit wird durch die Verwendung eines keramischen Materiales entweder als Überzug auf einer Stahltrennplatte oder als massive Keramikplatte ein erhöhter Reibungskoeffizient im Strömungsmittel für ein automatisches Getriebe entweder mit oder ohne Additivpackung erreicht, und die keramischen Trennplatten, die geläppt sind oder eine entsprechende Oberflächenbehandlung erfahren haben, führen zu einem erhöhten Reibungskoeffizienten ohne wesentlichen Anstieg im Verschleiß der Reibbeläge auf den Kupplungsplatten während des Betriebes der Kupplungspackung in einem automatischen Getriebe.

Claims (9)

1. Kupplungsscheibenpackung mit Kupplungsplatten (16), die Reibbeläge (18) aufweisen und mit Kupplungstrennplatten (24; 24a) verschachtelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennplatte (24; 24a) eine Oberflächentextur auf mindestens einer Fläche (26) besitzt, die für einen erhöhten Reibungskoeffizienten zwischen der Trennplatte (24; 24a) und der damit zusammenwirkenden Kupplungsplatte (16) sorgt, ohne den Reibverschleiß des Reibbelages (18) dieser Kupplungsplatte (16) wesentlich zu erhöhen, und daß die Oberflächentextur aus der Verwendung eines keramischen Materiales zumindest als keramischer Überzug (48) auf der mindestens einen Fläche (26) der Trennplatte (24) resultiert, der eine Rauhigkeit in einem arithmetischen Durchschnitts- (Ra) Bereich von 0,0254 bis 1,016 um (1 bis 40 Mikrozoll) besitzt.

2. Kupplungsscheibenpackung nach Anspruch 1, bei der die Trennplatte (24) einen Stahlkern (46) aufweist, der mit dem keramischen Material auf der mindestens einen Fläche (26) beschichtet ist.

3. Kupplungsscheibenpackung nach Anspruch 2, bei der die mindestens eine Fläche (26) der Trennplatte (24) durch Läppen mit einer 6 um Läppverbindung behandelt worden ist, bevor der keramische Überzug (48) auf den Stahlkern (46) aufgebracht wird.

4. Kupplungsscheibenpackung nach Anspruch 1, bei der die gesamte Trennplatte (24a) aus einem keramischen Material hergestellt ist.

5. Kupplungsscheibenpackung nach Anspruch 4, bei der die mindestens eine Fläche der massiven Keramikplatte (24a) durch Läppen mit einer 6 um Läppverbindung behandelt worden ist.

6. Kupplungsscheibenpackung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Keramikmaterial durch ein Spritzbeschichtungsverfahren auf die mindestens eine Fläche (26) des Stahlkernes (46) aufgebracht ist.

7. Kupplungsscheibenpackung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Reibbeläge (18) aus einem Papierreibmaterial auf Harzbasis bestehen.

8. Kupplungsscheibenpackung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial ein Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid ist.

9. Kupplungsscheibenpackung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Satz (16) der Kupplungs- (16) und Trennplatten (24; 24a) mit einem drehbaren Ele ment (14) verkeilt ist und bei der der andere Satz (24; 24a) der Kupplungs- (16) und Trennplatten (24; 24a) mit einem zweiten drehbaren (12) oder stationären Element verkeilt ist, um eine Torsionskupplung oder Bremse zu bilden.