DE69201676T2

DE69201676T2 - Reibmaterial bestehend aus einem hitzebeständigen Papierträger, welcher harz-gebundene Kohlenstoff-Teilchen trägt.

Info

Publication number: DE69201676T2
Application number: DE69201676T
Authority: DE
Inventors: Larry Eldridge; David S Seitz
Original assignee: Motors Liquidation Co; Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: Motors Liquidation Co; 3M Co
Priority date: 1991-05-24
Filing date: 1992-04-29
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2012-04-30
Also published as: AU641094B2; KR100203557B1; EP0515047B1; ES2071435T3; JPH05247447A; EP0515047A2; US5083650A; DE69201676D1; CA2068679C; KR920021315A; HK1007790A1; EP0515047A3; JP3159781B2; AU1710392A; CA2068679A1

Description

Stand der Technik

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reibwerkstoff, der zur Verwendung in einem Wechselschaltgetriebezusammenbau oder in einem Automatikgetriebezusammenbau geeignet ist. Die Erfindung betrifft im besonderen einen Reibwerkstoff, der einen hitzebeständigen Papierträger umfaßt, der einen Reibungsüberzug aufweist, der aus einer Mehrzahl von Schichten eines mit Kohlenstoffteilchen gefüllten wärmegehärteten Harzes gebildet ist, wobei der Überzug körnige Kohlenstoff-Reibungsteilchen umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Reibwerkstoffs durch Überzug des Papiers mit einer flüssigen Dispersion eines wärmehärtbaren Bindemittels und einem Füllmittel aus Kohlenstoffteilchen, wobei körnige Kohlenstoff-Reibungsteilchen und ein Kohlenstoffteilchen- Füllmittel eingeführt werden. Die Erfindung sieht ferner ein Getriebe vor, das den Reibwerkstoff umfaßt.

Allgemeiner Stand der Technik

Getriebe werden dazu verwendet, eine Antriebseinrichtung zwischen einem Motor und dessen angetriebenen Teilen ein- und auszurücken. Hierbei sind sowohl Wechselschaltgetriebe als auch Automatikgetriebe allgemein bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird normalerweise ein Element verwendet, das einen Reibwerkstoff trägt, der mit diesen Teilen wirksam eingreift, um für eine effiziente Funktionsfähigkeit unter den Bedingungen zu ermöglichen, die eine optimale Leistungsfähigkeit bei langer Nutzungsdauer erlauben. Bei Wechselschaltgetrieben wird normalerweise ein Trennring verwendet, der auf seiner gekrümmten Oberfläche eine Reibungspaßfläche als Eingriffseinrichtung trägt. Die Reibungseigenschaften des Reibwerkstoffs für Automatikgetriebe werden so ausgewählt, daß sie für einen gesamten Bereich von Schlupfgeschwindigkeiten einen verhältnismäßig konstanten Reibungseingriff vorsehen, um das Getriebezittern zu minimieren. Bis heute wurde eine Vielzahl von Reibwerkstoffen in Getrieben verwendet. Ältere Reibwerkstoffe umfaßten Asbest, auf Grund dessen guter Hochtemperaturfestigkeit. Asbest wird jedoch heute aus die Umwelt betreffenden Gründen sowie gesundheitlichen Gründen nicht mehr als ein geeigneter Werkstoff angesehen. Verschiedene Reibwerkstoffe umfaßten Papierträger, die mit einem wärmegehärteten Bindemittel imprägniert waren, wobei diese Werkstoffe normalerweise jedoch keine gute Verschleißfestigkeit und/oder Hitzebeständigkeit bezüglich der Eingriffslasten und Energien aufweisen, die in dem Medium und bei Hochleistungs-Getriebeanwendungen auftreten, und wobei diese Werkstoffe im allgemeinen nicht fähig sind, bei bestimmten Automatikgetriebeanwendungen einen wünschenswerten Reibungskoeffizienten beizubehalten. Andere Reibwerkstoffe umfaßten körnigen oder faserförmigen Kohlenstoff bzw. andere ähnliche Werkstoffe, die durch ein wärmehärtbares Bindemittel miteinander verbunden werden. Diese Werkstoffe weisen eine hohe innere Festigkeit und eine hohe Energieaufnahmefähigkeit auf, jedoch besitzen sie ein schlechtes Formanpassungsvermögen, und zwar aufgrund ihrer Starrheit und sie setzen beim Einbau eine kostenintensive zusätzliche Verarbeitung voraus.
Besonders geeignete Reibwerkstoffe müssen eine Vielzahl passender Eigenschaften aufweisen. Der Reibwerkstoff muß nachgiebig sein, sowie widerstandsfähig gegen Zusammendrücken, Ermüdung, Abrieb und Hitze, wobei der Werkstoff ferner wünschenswerte und andauernde Reibungseigenschaften und eine lange Nutzungsdauer aufweisen muß. Wenn eine dieser Eigenschaften nicht erfüllt wird, kann es sein, daß der Reibwerkstoff versagt. Bei einem Reibwerkstoff, der in einem Trennring eines Wechselschaltgetriebes verwendet wird, müssen alle diese Eigenschaften vorhanden sein. So muß der Reibwerkstoff zum Beispiel nachgiebig sein, so daß er an die Oberfläche eines Trennrings eines Wechselschaltgetriebes angepaßt werden kann. Wenn die Nachgiebigkeit nicht existiert, kann es sein, daß der Reibwerkstoff eine zuverlässige Herstellung behindert und/oder eine schwache Struktur zur Folge hat, wodurch das Wechselschaltgetriebe frühzeitig funktionsunfähig wird.
Bezüglich verbesserter Reibwerkstoffe wurden viele Vorschläge gemacht, die jedoch alle nicht vollständig erfolgreich waren. Diese umfassen:
In dem U.S. Patent US-A-4.320.823 (Covaleski u.a.) wird ein verbessertes Reibungselement gelehrt, das ein ununterbrochenes Bündel bzw. Band von Aramidfasern umfaßt, die mit einem wärmehärtbaren Bindemittel, das ein wasserlösliches Phenolharz und ein wärmehärtbares Elastomer umfaßt, imprägniert und durch dieses miteinander verbunden sind. Das Reibungselement kann auch Reibungsmodifizierer umfassen, wie etwa Carbon Black, Graphit, Metalloxide, Metallpulver, Barite, Ton, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Kryolith, Lithargit und dergleichen.
In dem U.S. Patent US-A-4.374.211 (Gallagher u.a.) wird ein asbestfreier Werkstoff gelehrt, der ein wärmehärtbares Bindemittel, einen asbestfreien, faserförmigen, Verstärkungswerkstoff wie etwa Kohlenstoff, Metall (z.B. Stahl) oder anorganische (z.B. keramische) Fasern sowie bis zu 15 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts anderer Bestandteile einer Aramid-Polymerzellstoffaser umfaßt.
In dem U.S. Patent US-A4.639.392 (Nels u.a.) ist ein Kupplungsplattenelement offenbart, das eine Reibungspaßflächenschicht umfaßt, die durch eine Klebstoffschicht an eine starre Metallplatte geklebt ist. Die Reibungspaßflächenschicht umfaßt eine nachgiebige Trägerlage, wie etwa ein Reibungspapier, das sich aus Zellstoffasern zusammensetzt, die mit einem flüssigen Phenolharz gesättigt sind, überzogen mit einer Kunstharzpreßmasse einer körnigen Mischung von Kohlenstoff und einem wärmehärtbaren Phenolbindemittel.
In dem am 6. Oktober 1976 veröffentlichten Britischen Patent mit der Nummer 1.451.864 ist ein Reibungselement offenbart, das sich aus einem porösen Industrie-Kohlenstoff zusammensetzt, der an einem Träger, wie etwa an einer Metallplatte, angebracht ist.
In dem am 30. September 1971 veröffentlichten Patent der Bundesrepublik Deutschland mit der Nummer 1.525.334 ist ein Reibwerkstoff offenbart, der Kohlenstoff in einer elementaren Form umfaßt, wobei der Kohlenstoffanteil unter 50 Gewichtsprozent liegt.
Soweit dies bekannt ist, existiert keine Offenbarung eines Reibwerkstoffes zur Verwendung in Getrieben, wobei der Werkstoff Kohlenstoffteilchen umfaßt, die durch eine Mehrzahl von Bindemittelschichten oder einen aus Aramidpapier gestalteten Träger miteinander verbunden sind.
Aramidfasern in einem Bündel oder Band wurden zwar als integraler Verstärkungsbestandteil eines Reibwerkstoffs vorgeschlagen, doch existiert keine Offenbarung bzw. kein Vorschlag, die bzw. der eine erfolgreiche Verwendung von Aramidpapier als Träger für einen Reibwerkstoff beinhaltet. Im Gegensatz dazu ist der Anteil der Aramidpolymerfasern in dem einzigen Bezugsdokument auf 15 Gewichtsprozent des Gesamtgewichts der anderen Bestandteile begrenzt. Es überrascht nicht, daß vollständig aus Aramidzellstoffasern gestaltete Papiere nicht verwendet worden sind, da diese Aramidpapiere eine sehr schlechte Grünfestigkeit aufweisen, wodurch sie sich zersetzen, wenn sie flüssigen Überzugszusammensetzungen ausgesetzt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht ein starkes, festes, hitzebeständiges Reibungselement vor, das in gegenwärtigen und zukünftigen Situationen eingesetzt werden kann, in denen diese Art von Element verwendet wird, wobei das Reibungselement ausgezeichnete Reibungseigenschaften und eine lange Nutzungsdauer aufweist. Das Reibungselement ist in ausreichender Weise nachgiebig und formanpaßbar, so daß es an einem Trennring eines Wechselschaltgetriebes verwendet werden kann, wobei das Element ebenso als Reibungselement eines Automatikgetriebes verwendet werden kann.
Das erfindungsgemäße Reibungselement umfaßt genauer ausgedrückt folgendes:
(a) ein hitzebeständiges Papier mit gleichmäßiger Dichte;
(b) eine erste Schicht eines wärmehärtbaren polymeren Bindemittels, das über einer Hauptoberfläche des Papiers aufgetragen ist und das diese Hauptoberfläche des Papiers wenigstens teilweise durchtränkt;
(c) körnige, Kohlenstoff-Reibungsteilchen, die gleichmäßig auf der offenliegenden Oberfläche der ersten Schicht verteilt und teilweise in dieser eingebettet sind; und
(d) eine zweite Schicht des polymeren Bindemittels gemäß (b) über der ersten Schicht und den teilweise eingebetteten körnigen, Kohlenstoff-Reibungsteilchen, wobei die zweite Schicht die körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen zwar überzieht, diese dabei jedoch nicht verdeckt.
Die Erfindung sieht ferner ein neuartiges Verfahren zur Endlosherstellung des Reibwerkstoffes vor. Das Verfahren umfaßt dabei die folgenden Schritte:
(a) Auftragen einem Überzugs einer flüssigen Überzugszusammensetzung, die ein wärmehärtbares Bindemittel umfaßt, auf eine Hauptoberfläche eines hitzebeständigen Papiers mit ununterbrochener Länge und gleichmäßiger Dichte, wobei das Auftragen unter Viskositätsbedingungen erfolgt, die bewirken, daß die Überzugszusammensetzung das Papier überzieht und die überzogene Oberfläche des Papiers imprägniert;
(b) Tragen des überzogenen Papiers auf einem beweglichen Träger;
(c) Auftragen einer gleichmäßigen Schicht körniger, Kohlenstoff-Reibungsteilchen über dem Überzug aus Schritt (a), solange der Überzug noch ausreichend ungehärtet ist, so daß wenigstens ein Teil der körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen teilweise in dem Überzug eingebettet wird;
(d) wenigstens teilweise Härtung des Überzugs nach dem Auftragen der körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen;
(e) Auftragen eines Überzugs einer Überzugszusammensetzung gemäß (a) über den teilweise gehärteten Überzug; und
(f) Härten der Überzüge, bis das Bindemittel ausgehärtet ist.
Die Erfindung sieht ferner ein Getriebe vor, daß bis auf den Einschluß des Reibwerkstoffes der vorliegenden Erfindung von herkömmlicher Art ist. Das erfindungsgemäße Getriebe weist ein unerwartet gleichmäßiges Drehmoment während dem Eingriff auf, wenn sich die Schlupfgeschwindigkeit verändert, da darin der erfindungsgemäße Reibwerkstoff eingeschlossen ist.
In der Verwendung in dieser Beschreibung gilt folgendes:
"Hitzebeständiges Papier mit gleichmäßiger Dichte" bezieht sich auf ein Papier, das den hierin beschriebenen Anwendungsbedingungen für den Reibwerkstoff der vorliegenden Erfindung widersteht.
"Hitzebeständiges Papier aus Aramid-Stapelfasern mit gleichmäßiger Dichte" bezieht sich auf ein Papier mit einem Gewicht im Bereich von 28 bis 100 g/m², das durch herkömmliche Papierherstellungstechniken im wesentlichen aus Aramid- Stapelfasern erzeugt wird, wobei jede Faser eine Länge zwischen etwa 0,5 und 2 cm aufweist.
"Kohlenstoff-Füllstoffteilchen" bezieht sich auf elementare Kohlenstoffteilchen, von denen mindestens 90 Gewichtsprozent eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 50 µm und vorzugsweise von weniger als 20 µm aufweisen.
"Körnige Kohlenstoff-Reibungsteilchen" bezieht sich auf elementare Kohlenstoffteilchen, von denen mindestens 85 Gewichtsprozent eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die etwa 40 µm und vorzugsweise 80 µm überschreitet, und wobei nicht mehr als 10 Gewichtsprozent eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die etwa 250 µm überschreitet, sofern der Reibwerkstoff nicht in einem Wechselschaltgetriebe verwendet werden soll, wobei dabei nicht mehr als 10 Gewichtsprozent 350 µm überschreiten.
"Wärmegehärtetes Bindemittel" bezieht sich auf jedes unschmelzbare Erzeugnis eines Vorläuferwerkstoffs, der flüssig oder verflüssigbar ist und der sich bei einer Erwärmung auf eine Härtungstemperatur in ein unschmelzbares Erzeugnis umwandelt.
"Wärmehärtender bzw. wärmehärtbarer Werkstoff" bezieht sich auf einen Vorläufer eines wärmegehärteten Bindemittels.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird in bezug auf die folgende genaue Beschreibung verständlicher, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigen:
die Figuren 1-2 schematische Darstellungen, die zusammen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Herstellung des erfindungsgemäßen Reibwerkstoffs darstellen;
Figur 3 eine Querschnittsansicht eines Reibwerkstoffs, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist; und
Figur 4 einen Graphen, der die Reibeigenschaft von neuem und alten Öl des erfindungsgemäßen Reibwerkstoffs mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Reibwerkstoff auf Papierbasis bei einer Automatikgetriebeanwendung veranschaulicht und vergleicht.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
In erstem bezug auf Figur 3 ist eine Querschnittsansicht des die vorliegende Erfindung verwirklichenden Reibwerkstoffs dargestellt. Hitzebeständiges Papier 11 über eine Hauptoberfläche 12 mit einem mit Kohlenstoffteilchen gefüllten wärmegehärteten Harzüberzug 14 überzogen, an dem körnige Kohlenstoff- Reibungsteilchen 15 haften und über dem eine mit Kohlenstoffteilchen 13 gefüllte wärmegehärtete Schicht 16 aufgetragen ist, um eine angerauhte Oberfläche 17 vorzusehen. Das wärmegehärtete Harz imprägniert das Papier 11. Die Schicht 16 überzieht die körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen 15, ohne dabei die einzelnen Teilchen zu verdecken, so daß der Reibwerkstoff 10 mit einer angerauhten Oberfläche 17 verbleibt.
Der in dem erfindungsgemäßen Reibwerkstoff verwendete Papierträger ist vorzugsweise aus Aramidpolymer-Stapelfasern gebildet, um ein Papier mit gleichmäßiger Dichte vorzusehen. Es wurde festgestellt, daß sehr sorgfältig vorgegangen werden muß, um ein Aramid-Stapelfaserpapier mit gleichmäßiger Dichte zu erhalten, um einen geeigneten Reibwerkstoff vorzusehen. Die Aramid-Stapelfasern sollten zu diesem Zweck eine Länge zwischen etwa 0,5 und 2 cm aufweisen. Bei größeren Längen als 2 cm neigen die Fasern dazu, sich in Papiere mit dichten Bereichen zu bilden, die sie ungeeignet machen. Kürzere Fasern als 0,5 cm bilden sich nicht leicht in Papiere mit ausreichender Griffestigkeit. Die Papiere weisen ferner vorzugsweise ein Gewicht im Bereich von 28 bis 100 g/m² auf (am bevorzugtesten im Bereich von 40 bis 60 g/m²), um eine ausreichende Struktur für den Reibwerkstoff vorzusehen. Für verwendbare Aramidpapiere wurden eine nicht zusammengedrückte Stärke von etwa 0,3 bis 0,5 mm, eine Zugfestigkeit von 38 bis 58 kPa und eine Luftdurchlässigkeit von etwa 2,5 bis 4,5 m³/sek/m² festgestellt.
Für die Verwendung bei der Ausführung der Erfindung geeignete Aramidpolymere sind von der E.I. DuPont de Nemours Company, Wilmington, Delaware, unter den Warenbezeichnungen "KEVLAR", "KEVLAR" 29, "KEVLAR" 49 und "NOMEX" erhältlich. Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff "Aramidpolymer" bezeichnet ein synthetisches Polymerharz, das im Fach allgemein als ein aromatisches Polycarbonamid bezeichnet wird. Diese "Aramidpolymere" sind in den U.S. Patenten US-A-3.652.510, US-A- 3.699.085 und US-A-3.673.143 offenbart, und es handelt sich dabei um ein Polymer mit hohem Molekulargewicht, z.B. mit einer inhärenten Viskosität von mindestens 0,7, gekennzeichnet durch periodische Einheiten der folgenden Formel:
wobei Ar&sub1; p-Phenylen und/oder chlorsubstituiertes p-Phenylen und/oder 4,4-substituiertes Diphenylmethan darstellt, d.h.:
und wobei Ar&sub2; p-Phenylen darstellt, d.h.:
Zu den veranschaulichenden Beispielen von Polycarbonamiden mit der Definition der obigen Formel gehören Poly (p-Phenylen- Terephthalamid), chlorsubstituiertes Poly (p-Phenylen- Terephthalamid) und Copolymere dieser.
Die Bezeichnung der Position der Unterbringung der Substituentgruppen an dem aromatischen Kern des Aramidpolymers bezieht sich auf die Unterbringung der Substituente an dem aromatischen Diamin, der zweibasigen Säure oder anderen Reaktionspartnern, aus denen das Aramidpolymer hergestellt wird.
Das Aramidpolymer bzw. das aromatische Polycarbonamid kann zwar hauptsächlich Carbonamidverbindungen (-CONH-) und aromatische Ringkerne umfassen, die der obigen Formel entsprechen, doch kann das Polymer bis zu 20 Molprozent und vorzugsweise 0 bis 5 Molprozent nicht entsprechender Comonomereinheiten umfassen, die Einheiten in der Polycarbonamidkette vorsehen, die sich von
unterscheiden, wie etwa aromatische Carbonamideinheiten, deren Kettenverlängerungsbindungen koaxial oder parallel und entgegengesetzt gerichtet sind, z.B.
Meta-Phenyleneinheiten, nichtaromatische und Nicht-Aramidgruppen.
In dem U.S. Patent US-A-3.673.143 und dem Ausscheidungspatent US- A-3.817.941, deren Lehren hierin durch Verweis enthalten sind, erfolgt eine umfassendere Offenbarung der Zusammensetzung der Aramidpolymere.
Unabhängige analytische Versuche und Infrarot-Versuche haben gezeigu, daß "KEVLAR" 29 überwiegend (95 Gewichtsprozent) Poly (p-Phenylendiaminterephthalamid ) darstellen und chemisch als Poly (p-Phenylendiaminterephthalamid)-Co-Poly (4,4- Diaminodiphenylmethanterephthalamid) beschrieben werden kann.
Es ist von Bedeutung, daß die zur Erzielung der einzigartigen Vorteile der Erfindung verwendeten Aramidpolymere in Stapelform von Aramidfasern gegeben sind. Die Länge der Stapelfaser liegt zwischen etwa 0,5 bis 2 cm, wie dies bereits festgestellt worden ist. Wie dies ebenfalls bereits erwähnt worden ist, werden die Papiere durch herkömmliche Papierherstellungstechniken erzeugt. Sie sind auch von International Paper, Tuxedo, New York, unter den Warenzeichen Kevlar Mat Series 8000050, 8000051, 8000052, 8000065 und 8000068 erhältlich, wobei letztere Ausführung für Wechselschaltgetriebe am meisten bevorzugt wird.
Das Papier wird zwar vorzugsweise im wesentlichen vollständig aus Aramidpolymer-Stapelfasern gestaltet, jedoch wird hiermit festgestellt, daß ein Teil der Fasern des Papiers, der vorzugsweise weniger als etwa 50 Gewichtsprozent ausmacht, durch aramidfreie Fasern ersetzt werden kann. Diese Ersatzfasern können aus Baumwolle, Jute, Hanf oder Viskosefilamentfaser gestaltet sein, wobei es sich jedoch vorzugsweise um hitzebeständige Werkstoffe handelt, wie etwa keramische, metallische oder Glas- Werkstoffe.
Andere geeignete hitzebeständige Papiere können im wesentlichen vollständig aus folgenden Fasern gestaltet werden: Glasfasern, Kohlenstoffaser, aus hitzebeständigen organischen Werkstoffen, wie etwa aus Polyvinylalkohol gestalteten Fasern, oder aus keramischen Werkstoffen gestalteten Fasern, wobei diese Fasern durch den Anmelder unter dem Warenzeichen "Nextel" vertrieben werden.
Die Fasern des Papiers werden durch eine begrenzte Menge eines Harzbindemittels zusammengehalten, um einen Zerfall des Papiers während dem Gebrauch zu vermeiden. Die Harzmenge reicht in diesem Fall gerade dafür aus, die Fasern zusammenzuhalten, ohne daß die Offenheit des Papiers auf andere Weise verändert wird. Zu den bevorzugten Bindemitteln für diesen Zweck gehören: Acrylgitter, Styrol-Butadien-Kautschuk, vulkanisierter Kautschuk, Nylon, Polyurethan, Phenolharz, Epoxidharz, Acrylharz, Isocyanatharz und Kombinationen dieser Mittel. Ein Acrylgitter stellt das am meisten bevorzugte Bindemittel dar.
Bei den Kohlenstoff-Füllstoffteilchen handelt es sich vorzugsweise um Kohlenstoff auf Petrolkoksbasis mit allgemein unregelmäßiger Form. Die körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen weisen vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung und Form auf. Diese Teilchen sind von Zulieferern wie etwa Asbury Graphite Mills, Inc., erhältlich. Diese Kohlenstoffteilchen umfassen hauptsächlich elementaren Kohlenstoff. Dabei kann es sich um Koks, Carbon Black oder Graphit handeln. Bei Koks handelt es sich um eine amorphe Form des Kohlenstoffs und er wird durch Distillation von Kohle- oder Erdölrückständen in einer luftleeren Umgebung erzeugt. Carbon Black ist eine weitere amorphe Form des Kohlenstoffs und wird durch thermalen oder oxidativen Abbau von Kohlenwasserstoffen erzeugt. Bei Graphit handelt es sich um eine kristall-allotrope Form von Kohlenstoff. Graphit tritt natürlich auf oder kann durch Erhitzen von Petrolkoks in einem elektrischen Widerstandsofen auf ungefähr 3000ºC synthetisch erzeugt werden.
Bei dem bevorzugten Kohlenstoff-Füllstoffteilchen handelt es sich um Koks und vorzugsweise um Petrolkoks. Der Petrolkoks umfaßt kennzeichnenderweise weniger als ein Prozent anorganischer Stoffe. Bei körnigen Kohlenstoffteilchen handelt es sich bei den bevorzugten Koksteilchen um metallurgischen Koks oder um kalzinierte Petrolkoksteilchen.
Das für die vorliegende Erfinung nützliche wärmegehärtete Bindemittel kann aus jedem herkömmlichen Vorläuferwerkstoff gebildet werden, der ein unschmelzbares, hitzebeständiges Erzeugnis bildet, das den obenbeschriebenen Anwendungsbedingungen widersteht. Zu Beispielen für diese wärmegehärteten Werkstoffe gehören die von den folgenden Stoffen abgeleiteten Werkstoffe: Phenolharze, Epoxidharze, Urethanharze, Acajouharze, Naphthalin- Phenolharze, epoxidmodifizierte Phenolharze, Silikonharze, Polyimidharze, Harnstoff-Formaldehydharze, Methylendianilinharze, Methylpyrrolidinonharze, Acrylharze, Isocyanatharze und Mischungen dieser. Das bevorzugte wärmehärtbare Harz zur Verwendung in den erfindungsgemäßen Reibwerkstoffen wird aufgrund der geringen Kosten, der Hitzebeständigkeit und der ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften, von Phenolharz abgeleitet. Bei dem am meisten bevorzugten Phenolharz handelt es sich um ein schnellgelierendes, säurehärtendes Resolphenolharz. Säurehärtende Resolphenolharze sind in dem U.S. Patent US-A-4.587.291 offenbart, dessen Offenbarung hierin durch Verweis enthalten ist.
Das säurehärtende Phenolharz, d.h. die Phenolresole, die für die Ausführung der Erfindung bevorzugt werden, sind alkalisch kondensierte Reaktionsprodukte von Phenolen und Aldehyden, wobei sowohl einkernige als auch mehrkernige Phenole verwendet werden können. Genauer gesagt eignen sich einkernige Phenole und sowohl monofunktionale als auch polyfunktionale Phenole, wie etwa Phenol an sich, sowie deren alkylsubstituierte Homologe, wie etwa o-, m- p-Kresol oder Xylenole. Ferner eignen sich halogensubstituierte Phenole, wie etwa Chlorphenol oder Bromphenol, sowie polyfunktionale Phenole, wie etwa Resorcin oder Pyrocatechin. Der Begriff "mehrkernige Phenole" bezieht sich einerseits zum Beispiel auf Naphtohle, d.h. Zusammensetzungen mit geschmolzenen Ringen. Andererseits können zum Zwecke der Erfindung auch mehrkernige Phenole verwendet werden, die durch aliphatische Brücken oder Heteroatome, wie etwa Sauerstoff, verknüpft sind. Polyfunktionale, mehrkernige Phenole sehen auch geeignete wärmehärtbare Phenylresole vor.
Bei dem Aldehydbestandteil kann es sich um Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd oder Butyraldehyd handeln, sowie um Erzeugnisse, die unter Kondensationsbedingungen Aldehyd freisetzen können, wie etwa Formaldehydbisulfit, Urotropin, Trihydroxymethylen, Paraformaldehyd oder Paraldehyd. Die stoichiometrischen Anteile von Phenol- und Aldehydkomponenten liegen im Bereich von 1:1,1 bis 1:3,0. Die Harze werden für gewöhnlich in Form wäßriger Lösungen mit einem Anteil nichtflüchtiger Substanzen von 60 bis 85% verwendet.
Die gemäß der Erfindung verwendeten Phenolharze weisen einen Anteil monomerer Phenole von weniger als 5% auf. Sie können gemäß bekannten Verfahren auch zusätzlich mit bis zu 30% Harnstoff, Melamin oder Furfurylalkohol modifiziert werden.
Wirksame Heilsalze organischer Sulfonsäuren sind Kupfer-, Aluminium- und Eisen(III)-Salze aromatischer Sulfonsäuren, die durch die folgende Strukturformel gegeben sind:
wobei R urid R' identisch oder unterschiedlich sein können und Wasserstoff, eine Alkyl-, Hydroxyl-, Alkoxyl- oder Carboxylgruppe; eine substituierte bzw. nicht-substituierte Aryl- oder Aralkylgruppe; oder eine andere optional substituierte Sulfonylgruppe darstellen; wobei n und m identisch oder unterschiedlich sein können und integrale Zahlen von 0 bis 5 darstellen, jedoch nicht mehr als 5 ausmachen. Die Anzahl der Kohlenstoffatome der aromatischen Sulfonsäuren beträgt 6 bis 14, mit 6 Kohlenstoffatomen für Benzolsulfonsäure und 14 für Anthracensulfonsäure. Die Alkylgruppen der substituierten aromatischen Sulfonsäuren lauten: Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Dimethyl und Trimethyl. Ein substituiertes Sulfonyl bezieht sich auf eine Methylensulfonylgruppe oder allgemein eine sulfonierte Alkylenkette. Zu Beispielen für Sulfonsäuren dieser Art gehören: Benzolsulfonsäuren, Benzoldisulfonsäuren, Alkylbenzolsulfonsäuren, wie etwa Toluolsulfonsäure, Toluoldisulfonsäure, Xylolsulfonsäure, Trimethylbenzolsulfonsäure, Isopropylbenzolsulfonsäure oder Tetrahydronaphthalensulfonsäure, sulfonobenzoische Säure, Sulfophthalsäure, Hydroxysulfonsäuren, wie etwa Hydroxybenzolsulfonsäure, Dihydroxybenzolsulfonsäure, Hydroxybentendisulfonsäure oder Kresolsulfonsäure, Methoxybentensulfonsäure, Kohlenstoff-Hydroxybentensulfonsäure, Diphenylmethandisulfonsäure, Diphenyletherdisulfonsäure, Diphenylsulfondisulfonsäure, Naphthalensulfonsäure, Alkylnaphthalensulfonsäure, Naphthalendisulfonsäure, Anthracensulfonsäure oder Carbazolsulfonsäure. Die bevorzugten Sulfonsäuren sind: Benzolsulfonsäuren, Phenolsulfonsäuren oder p-Toluolsulfonsäuren. Es können Salze einzelner Sulfonsäuren oder Sulfonsäuremischungen sowie Mischungen von Salzen unterschiedlicher Metalle verwendet werden.
Die Additionsprodukte aromatischer Sulfonsäuren zu Polyolen, die auch als Härtemittel verwendet werden, werden durch Mischen der wäßrigen Lösungen der Säuren mit den Polyolen oder deren wäßrigen Lösungen und darauffolgendes Erhitzen der Mischungen erreicht (5- 10 Minuten auf 50º bis 100ºC). Sie werden als wäßrige Lösungen verwendet.
Das Molverhältnis zwischen Säure und Polyol kann im Bereich von 3:1 bis 1:3 liegen. Vorzugsweise wird das Molverhältnis von 2:1 verwendet. Alle obengenannten Sulfonsäuren können, ob einzeln oder miteinander gemischt, als aromatische Sulfonsäuren für die Additionsprodukte gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Bevorzugt werden Benzonsulfonsäure, Phenolsulfonsäure und/oder p-Toluolsulfonsäure.
Als Polyole sind sowohl wasserlösliche Polyether- als auch Polyesterpolyole geeignet, sofern sie eine OH-Zahl im Bereich von 50-500 besitzen. Die Polyole haben im allgemeinen ein Molekulargewicht im Bereich von 200 bis 400.
Beispiele für Polyetherpolyole sind die aliphatische Reihe, wie etwa Polyethylenglykole, Polypropylenglykole oder Reaktionsprodukte von Propylenoxid mit unterschiedlichen Triolbestandteilen, wie etwa Trimethylolpropan oder Glycerol oder mit penta- und hexafunktionalen Alkoholen.
Bei Polyesterpolyolen handelt es sich um Kondensationsprodukte aliphatischer und/oder aromatischer Dicarboxylsäuren, wie etwa der drei isomeren Phthalsäuren aus Adipinsäure, Succinsäure, Glutarsäure oder dergleichen, mit mehrwertigen Alkoholen, wie etwa Butanediol, Hexanetriol, Glycerol oder Trimethylpropan. Die durch den Zusatz ungesättigter Fettsäuren modifizierten Polyole können ebenso verwendet werden und erzeugen gute Ergebnisse.
Die Menge der verwendeten Härtemittel wird so berechnet, daß das Gewichtsverhältnis von Harz zu den Härtemitteln bzw. der Härtemittelkombination im Bereich von 1:0,01 bis 1:0,5 liegt. Die auf diese Weise erzeugten Mischungen weisen eine Verarbeitungszeit von über vier Stunden bei Zimmertemperatur auf, d.h., daß die Härtung während diesem Zeitraum so gering ist, daß nur ein verhältnismäßig geringer Anstieg der Viskosität beobachtet wird, und wobei die Verarbeitung ohne Störung der Polymerstruktur des später gehärteten Erzeugnisses ausgeführt werden kann.
Der Härtungsvorgang wird in der Praxis auf einer leicht erhöhten Temperatur ausgeführt, die vorzugsweise im Bereich von 60º bis 150ºC liegt. In diesem Fall ist die Mischung aus Harz und Härtemittel innerhalb weniger Minuten klebfrei und die Härtung erfolgt so, daß sie nach ein bis zwölf Stunden abgeschlossen ist.
Das wärmehärtbare Bindemittel des ersten Überzugs dringt in das Aramidpapier ein und verstärkt es durch einen Einschluß der Fasern. Der zweite Überzug dringt ebenfalls in das Papier ein und verstärkt es weiter und bindet die körnigen Reibungsteilchen haftend in dem Reibungselement.
Dem wärmehärtbaren Bindemittel kann ein Lösungsmittel zugesetzt werden, um die Viskosität zu verringern, so daß eine geeignete Penetration des Papiers erreicht werden kann. Normalerweise wird dem Bindemittel so viel Lösungsmittel zugesetzt, daß sich eine Dispersion mit einem Feststoffgehalt von 65 bis 75% ergibt. Bei einer 50/50 Mischung von Glykolether mit Wasser bzw. einer 50/50 Mischung von Ethylenglykolmonobutylether mit Wasser, handelt es sich um ein geeignetes Lösungsmittel für das Phenolharz. Die Verwendung größerer Wassermengen neigt dazu, ein Ausscheiden des Phenolharzes aus der Lösung zu bewirken. In manchen Fällen wird Wasser aufgrund der Umweltverschmutzungsprobleme in Verbindung mit organischen Lösungsmitteln bevorzugt.
In bezug auf die Figuren 1-2 ist der Zweistufen- Verarbeitungsvorgang schematisch dargestellt, der zur Gewinnung des erfindungsgemäßen Reibwerkstoffes verwendet werden kann. Das von einer Zufuhrwalze 21 gezogene hitzebeständige Papier 20 wird über eine Überzugswalze 23 geführt, während sich diese in einem Bad 24 härtbaren Flüssigbindemittels 25 befindet und dabei gegen eine Stützwalze 26 drückt. Während das hitzebeständige Papier 20 zwischen der Walzenanordnung 23 und 26 verläuft, wird es mit dem härtbaren Flüssigharz 25 imprägniert. Das imprägnierte Papier wird dann auf der Oberfläche einer Trägerlage 22 (abgezogen von der Walze 22a) abgelegt, bei der es sich um jeden geeigneten lagenartigen Werkstoff handeln kann, der den beschriebenen Verarbeitungsbedingungen widersteht, wobei die Kombination dann unter einer Beschichtungsstation 27 für körnige Kohlenstoff- Reibungsteilchen hindurchgeführt wird, welche körnige Kohlenstoffteilchen 28 gleichmäßig auf der Oberfläche des mit härtbarem Harz imprägnierten Papier 20 aufträgt, um dieses gleichmäßig zu überziehen, wobei das Papier dann unter einer Luftquelle 29 mit einem Auslaß 30 hindurchgeführt wird, der dafür sorgt, daß Luft über die mit körnigen Kohlenstoffteilchen überzogene Papieroberfläche strömt, um etwaige nichthaftende körnige Kohlenstoffteilchen zu entfernen. Das lagenartige Material kann durch einen Drahtgurtförderer ersetzt werden. Die resultierende beschichtete Lage wird dann durch einen Härtungsofen 31 transportiert, der auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreichend ist, um das Harzbindemittel wenigstens teilweise zu härten, wobei das resultierende beschichtete Produkt dann aus dem Ofen gezogen und auf die Vorratswalze 32 aufgewickelt wird. Das beschichtete Produkt auf der Vorratswalze 32 wird dann zwischen der Überzugswalze 33 durchgeführt, die in einem Bad 33a aus härtbarem Flüssigharz gedreht und gegen die Stützwalze 34 gedrückt wird, um auf die bereits vorher überzogene Oberfläche des hitzebeständigen Papiers einen zweiten Bindemittelüberzug aufzutragen. Das resultierende überzogene Produkt wird dann durch den Härtungsofen 35 geführt, der vorzugsweise Bereiche mit zunehmender Hitze aufweist, um für eine langsame Härtung und Lösungsmittelverdampfung zu sorgen, die dafür erforderlich ist, eine Blasenbildung zu vermeiden, wobei das Produkt dann auf der Vorratswalze 36 aufgewickelt wird. Die fertigen Walzen werden später in einen Nachhärtungsofen (nicht abgebildet) gegeben, um eine eventuell zusätzlich erforderliche Härtung zu vollenden. Danach wird der überzogene Werkstoff von der Walze 36 abhängig von der bestimmten Anwendung in kleinere Stücke geschnitten, wie etwa als Reibwerkstoff für Getriebe. Bei den Formen kann es sich um kreisförmige Scheiben oder um Streifen handeln.
Bei den in den Figuren 1-2 dargestellten Überzugseinrichtungen handelt es sich um Walzenüberzugeinrichtungen, wobei auch andere herkömmliche Überzugsmittel verwendet werden können, wie etwa ein Spritzüberzug, Rotationstiefdruck, Extrusionsbeschichtung und dergleichen. In der Darstellung werden die körnigen Kohlenstoff- Reibungsteilchen zwar auf die Oberfläche der mit Bindemittel überzogenen Bahn getropft, doch können die Teilchen auch durch andere Verfahren aufgetragen werden. Beispiele für diese Teilchenüberzugstechniken sind allgemein bekannt, wie zum Beispiel bei der Herstellung von überzogenen Schleiferzeugnissen.
Das Harz wird in der Darstellung in einem Tunnelofen gehärtet, wobei jedoch auch andere Energiequellen verwendet werden können. Diese Energiequellen umfassen etwa Strahlungsquellen, wie etwa Infrarot- oder UV-Strahlungsenergiequellen. In den Figuren 1-2 ist der Überzugsvorgang ferner als Zweistufenfolge dargestellt. Hiermit wird jedoch festgestellt, daß der Überzugsvorgang auch in einem einzigen Vorgang ausgeführt werden kann, wobei das fertige Erzeugnis aus Figur 1 direkt durch die Überzugseinrichtung aus Figur 2 geführt wird, wobei die Zwischenlagerung des Produkts aus Figur 1 weggelassen wird.
Das Überzugsgewicht des ersten Harzüberzugs liegt im trockenen Zustand vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400 Gramm je Quadratmeter und in bevorzugterer Weise im Bereich von 230 bis 400 Gramm je Quadratmeter. Das bevorzugte Gewicht der körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen liegt im Bereich von 75 bis 150 Gramm je Quadratmeter und in bevorzugterer Weise im Bereich von 85 bis 120 Gramm je Quadratmeter. Der letzte Harzüberzug weist im trockenen Zustand vorzugsweise ein Gewicht im Bereich von 250 bis 400 Gramm je Quadratmeter und in bevorzugterster Weise ein Gewicht im Bereich von 300 bis 375 Gramm je Quadratmeter auf.
Bezüglich dem Verfahren, der Bestandteile und dem Reibwerkstoff der Erfindung, können verschiedene Modifikationen ausgeführt werden, ohne dabei vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen. So ist es zum Beispiel wünschenswert, die Oberfläche des Reibwerkstoffes bei einer Verwendung in einem Automatikgetriebe zu schlichten, um die Höhe des Sickerverlustes von Getriebeflüssigkeit auf der Oberfläche der lagenförmigen Reibwerkstoffes zu minimieren. Durch das Schlichten wird ferner eine bessere Gesamtstärkenregelung und Exposition der körnigen Koksteilchen vorgesehen und die Abnutzung sowie die Erzeugung von Abriebteilchen werden reduziert. Das Schlichten erfolgt im allgemeinen nach der letzten Härtung und vor dem form- und größengerechten Schneiden (Schlitzen) des Werkstoffs. Bei dem Schlichten wird normalerweise ein dünnes Segment der offenliegenden Oberfläche der Koksteilchen entfernt, wobei eine Dicke im Bereich von 10 bis 40 Mikrometern dabei als normal angesehen wird, wobei die optimale Segmentdicke jedoch noch nicht festgestellt worden ist. Das Schlichten erfolgt normalerweise durch Schleifen der Oberfläche der Reiblage mit einer Schleifvorrichtung, wie etwa einer Curtain-Herbert Schlichtmaschine des Modells mit der Nummer 450 mit Breithals, welche zwei parallele Rotationswalzen aufweist, zwischen denen sich ein einstellbarer Spalt befindet. An die obere Walze der Doppelwalzenanordnung sind Aluminiumoxid-Schleifpartikel der Güteklasse 220 geklebt, und die Reibungsoberflächenlage wird durch den Spalt geführt, wobei sich das Schleifmittel in Kontakt mit dem Kohlenstoffteilchenüberzug befindet. Die Oberflächengeschwindigkeit der mit Schleifmittel bedeckten Walze ist schneller als die Geschwindigkeit, mit der die abzuschleifende Lage durch den Spalt geführt wird.
Die Erfindung wird ferner durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, in denen alle Anteile und Prozentanteile als Gewichtsanteile angegeben sind, sofern dies nicht anders angezeigt wird.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wird die Herstellung eines Reibwerkstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei der Werkstoff zur Verwendung in einem Automatikgetriebe geeignet ist.
Zur Herstellung des Reibwerkstoffs wurde ein Aramidpapier zuerst mit einer Überzugszusammensetzung überzogen, wobei danach körnige Kohlenstoff-Reibungsteilchen auf einer Oberfläche des Papiers aufgetragen wurden, wobei die Überzugszusammensetzung danach gehärtet wurde, woraufhin eine zweite Überzugszusammensetzung auf die mit den körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen beschichtete Oberfläche des Papiers aufgetragen wurde, und wobei beide Überzugsschichten schließlich gehärtet wurden. Die erste und die zweite Überzugszusammensetzung wurden aus den folgenden Bestandteilen gebildet: Anteile (Gramm) Bestandteil Wasser Propylenglykolmethylether-Lösungsmittel A-Zustand basenkatalysiertes wärmehärtbares Resolphenylformaldehydharz mit einem Phenyl-Formaldehyd-Molverhältnis von 1:2 und einer Viskosität von 70.000 cps (25ºC, Spindel Nr. 4, 6 U/min) (70% Feststoffe) Kohlenstoff-Füllstoffteilchen mit durchschn. Teilchengröße von 5 bis 6 µm, erhältlich von Asbury Graphite Mills, Asbury, NJ als Produkt-Nr. 4023 Lösung aus Paratoluol-Sulfonsäure (70% in Wasser) wäßrige Aluminiumchlorid-Lösung (28% Feststoffe)
Die obenbeschriebene Überzugszusammensetzung wurde dadurch hergestellt, daß das Wasser, der Propylenglykolmethylethylether und die Resolphenylformaldehyd-Harzlösung in einen Behälter gegeben wurden. Die Inhalte wurden gerührt, so daß sich eine gleichmäßige Mischung ergab. Die Petrolkoks-Füllstoffteilchen wurden unter andauerndem Rühren langsam zugeführt, bis sich eine gleichmäßige Mischung ergab. Danach wurden die Paratoluolsulfonsäure und die Aluminiumchloridlösungen unter andauerndem Rühren hinzugeführt. Das Aluminiumchlorid wurde als Härtemittel für das Resolphenylformaldehydharz zugesetzt.
Das Aramidpapier hatte ein Nominalgewicht von 50,9 g/m² und war aus Aramid-Stapelfasern mit einer durchschnittlichen Länge von 1,27 cm gestaltet. Die Fasern wurden von der E. I. DuPont De Nemours Company, Wilmington, Delaware, unter dem Warenzeichen Kevlar bezogen. Das Papier wurde unter der Produktnummer 800068 von der International Paper Company bezogen.
Das Papier wurde mit einer Geschwindigkeit von 4,5 bis 6,2 Meter (15 bis 20 Fuß) je Minute von einer Zufuhrwalze zwischen der Überzugswalze aus Gummi mit einem Durchmesser von 25,4 cm (10 Inch) und einer Stützwalze aus Stahl mit einem Durchmesser von 25,4 cm (10 Inch) gezogen, während zur Sättigung des Papiers ein Walzenandruck von 21 kg je laufendem Zentimeter (120 Pfund je laufendem Inch) ausgeübt wurde. Das gesättigte Papier wurde dann auf der Oberfläche einer horizontal angeordneten Polyethylenterephthalatfolie plaziert, die mit der gleichen Geschwindigkeit des Papiertransports gefördert wurde, wobei das auf der Folie liegende Papier danach unter einer Kaskade körniger Kohlenstoffteilchen durchgeführt wurde, die über das gesättigte Papier gespritzt wurden, um einen gleichmäßigen Überzug der haftenden Teilchen zu erzielen, wobei die nichthaftenden Teilchen durch einen leichten Luftstrom von der Überzugsoberfläche geblasen wurden. Die körnigen Kohlenstoffteilchen hatten eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 130 µm und wurden unter dem Produktkennzeichen 4546 von Asbury Graphite Mills, Asbury, NJ, bezogen. Die körnigen Kohlenstoffteilchen umfaßten harte Petrolkoksteilchen, die durch ein Maschensieb der Größe 100 nach U.S.-Norm gefördert und auf einem Maschensieb der Größe 150 nach U.S.-Norm gehalten wurden. Das Trockenüberzugsgewicht der Überzugszusammensetzung lag im Bereich von 300 g/m², und das Überzugsgewicht der körnigen Kohlenstoffteilchen lag im Bereich von 97 g/m².
Der resultierende überzogene Lagenwerkstoff wurde durch einen Ofen geführt, der für eine Verweilzeit von 15 Minuten auf 100ºC und für 15 Minuten auf 105ºC erhitzt wurde, um das Harz teilweise zu härten. Das beschichtete Papier wurde danach von der Trägerfolie getrennt und auf eine Vorratswalze gewickelt. Die Vorratswalze wurde in einem im wesentlichen dem ersten Überzugsvorgang entsprechenden Überzugsvorgang überzogen, mit der Ausnahme, daß die mit den Teilchen überzogene Oberfläche zu der Überzugswalze aus Gummi gerichtet war, um die gleiche Überzugszusammensetzung auf der mit den Teilchen bedeckten Oberfläche des Papiers aufzutragen. Die Überzugsbedingungen für den zweiten Überzugsvorgang entsprachen den Bedingungen für den ersten Vorgang, wobei das Trockenzusatzüberzugsgewicht des zweiten Überzugs 270 g/m² betrug. Nach dem zweiten Überzugsvorgang wurde das resultierende Produkt in einen Ofen gegeben, und zwar für eine Verweilzeit von 15 Minuten bei 100ºC, 15 Minuten lang bei 150ºC und dann für 10 Stunden in einen Ofen mit einer Temperatur von 105ºC, zur vollständigen Härtung beider Überzüge.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wird die Herstellung eines für ein Wechselschaltgetriebe geeigneten Reibwerkstoffs veranschaulicht. Der Reibwerkstoff für dieses Beispiel wurde auf die in dem Beispiel 1 beschriebene Art und Weise hergestellt, mit der Ausnahme, daß andere körnige Kohlenstoffteilchen verwendet wurden. Diese wurden unter dem Produktkennzeichen Nr. 4547 von Asbury Graphite Mills bezogen. Dabei handelte es sich um metallurgische Koksteilchen, die durch ein Maschensieb der Größe 60 paßten und von einem Maschensieb der Größe 100 gehalten werden konnten.

Prüfung

Die Figur 4 stellt einen Graphen dar, der die Leistungsfähigkeit (Drehmoment bei eingerückter Kupplung in Nm relativ zu der Schlupfgeschwindigkeit in U/min.) des erfindungsgemäßen Reibwerkstoffs aus Beispiel 1 in einer Automatikgetriebe- Drehmomentwandler-Sperrkupplung in unbenutzter Getriebflüssigkeit (A) und in gebrauchter Getriebeflüssigkeit (A') mit dem dem Stand der Technik entsprechenden Reibwerkstoff auf Papierbasis in unbenutzter Getriebeflüssigkeit (B) und in gebrauchter Getriebeflüssigkeit (B') vergleicht. Bei unbenutzter Getriebflüssigkeit handelt es sich um Automatikgetriebeflüssigkeit, die herkömmliche polare Zusätze aufweist, um die Gleichmäßigkeit und Ruckfreiheit des Einrückens der Kupplung zu verbessern. Der dem Stand der Technik entsprechende Reibwerkstoff auf Papierbasis basierte auf gefülltem Zellstoffpapier, das mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert war, und wobei dieser Reibwerkstoff in Automatikgetrieben vorkommt, die zur Zeit von der General Motors Corporation als Hydramatic Nr. 44T4 und 700R4 vertrieben wird. Diese Automatikgetriebeflüssigkeiten sind zum Beispiel unter dem Warenzeichen Dextron II ATF erhältlich. Gebrauchte Getriebeflüssigkeit wird dadurch erzeugt, daß eine unbenutzte Getriebeflüssigkeit extremen Anwendungsbedingungen ausgesetzt wird, die eine Zersetzung bzw. einen Abbau der polaren Zusatzstoffe in einem Ausmaß bewirken, daß diese nicht mehr mit dem Reibwerkstoff zusammenwirken können, um eine Gleichmäßigkeit und Ruckfreiheit des Einrückens der Kupplung weiterhin vorzusehen. Dieser Versuch wurde in einer Vorrichtung ausgeführt, die ein Automatikgetriebe simulierte.
Der flache Verlauf der Kurve A zeigt, daß der erfindungsgemäße Reibwerkstoff im eingerückten Zustand über einen großen Bereich von Schlupfgeschwindigkeiten ein im wesentlichen gleichmäßiges Drehmoment vorsieht. Im Gegensatz dazu ist der Verlauf der Kurve B des herkömmlichen Reibwerkstoffs auf Papierbasis wesentlich steiler, wodurch bei veränderter Schlupfgeschwindigkeit eine Veränderung des Drehmoments während dem eingerückten Zustand angezeigt wird.
Dieser Effekt kommt in gebraucht er Getriebeflüssigkeit noch mehr zum tragen, wobei ein Vergleich der Kurve A' (erfindungsgemäßer Reibwerkstoff aus Beispiel 1) mit der Kurve B' (dem Stand der Technik entsprechender Reibwerkstoff gemäß obiger Beschreibung) den Vorteil des erfindungsgemäßen Reibwerkstoffes im Vergleich zu dem dem Stand der Technik entsprechenden Gegenüber deutlich macht.

Claims

1. Reibungselement, das als einer Reibung ausgesetztes Element in einem Getriebe verwendbar ist, umfassend ein Papier, an dem Kohlenstoffteilchen haften, wobei das Reibungselement durch folgendes gekennzeichnet ist:

(a) ein hitzebeständiges Papier mit gleichmäßiger Dichte;

(b) eine erste Schicht eines wärmehärtbaren polymeren Bindemittels, das über einer Hauptoberfläche des Papiers aufgetragen ist und das diese Hauptoberfläche des Papiers wenigstens teilweise durchtränkt;

(c) körnige, Kohlenstoff-Reibungsteilchen, die gleichmäßig auf der offenliegenden Oberfläche der ersten Schicht verteilt und teilweise in dieser eingebettet sind; und

(d) eine zweite Schicht des polymeren Bindemittels gemäß (b) über der ersten Schicht und den teilweise eingebetteten körnigen, Kohlenstoff-Reibungsteilchen, wobei die zweite Schicht die körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen zwar überzieht, diese dabei jedoch nicht verdeckt.

2. Reibungselement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Papier ein Gewicht von 40 bis 60 g/m² aufweist und im wesentlichen aus harzgebundenen Aramid- Stapelfasern gebildet ist, wobei die Aramid-Stapelfasern eine Länge zwischen 0,6 und 2 cm aufweisen.

3. Reibungselement nach Anspruch 2, ferner dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Harz um ein Acrylharz handelt.

4. Reibungselement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem wärmehärtbaren Polymer um ein säurekatalysiertes Phenolharz handelt.

5. Reibungselement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht des wärmehärtbaren polymeren Bindemittels mit Kohlenstoff-Füllstoffteilchen gefüllt ist.

6. Reibungselement nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Füllstoffteilchen eine Größe von weniger als 50um aufweisen.

7. Reibungselement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 85 Gewichtsprozent der Kohlenstoff -Reibungsteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die etwa 40um übersteigt, und wobei nicht mehr als etwa 10 Gewichtsprozent eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die 250um übersteigt.

8. Reibungselement nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 85 Gewichtsprozent der Kohlenstoff-Reibungsteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die etwa 4um übersteigt, und wobei nicht mehr als etwa 10 Gewichtsprozent eine durchschnittliche Teilchengröße aufweisen, die 350um übersteigt.

9. Verfahren zur Herstellung des Reibungselements nach Anspruch 1, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

(a) Auftragen eines Überzugs einer flüssigen Überzugszusammensetzung, die ein wärmehärtbares Bindemittel umfaßt, auf eine Hauptoberfläche eines hitzebeständigen Papiers mit ununterbrochener Länge und gleichmäßiger Dichte, wobei das Auftragen unter Viskositätsbedingungen erfolgt, die bewirken, daß die Überzugszusammensetzung das Papier überzieht und die überzogene Oberfläche des Papiers imprägniert;

(b) Tragen des überzogenen Papiers auf einem beweglichen Träger;

(c) Auftragen einer gleichmäßigen Schicht körniger, Kohlenstoff-Reibungsteilchen über dem Überzug aus Schritt (a), solange der Überzug noch ausreichend ungehärtet ist, so daß wenigstens ein Teil der körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen teilweise in dem Überzug eingebettet wird;

(d) wenigstens teilweise Härtung des Überzugs nach dem Auftragen der körnigen Kohlenstoff-Reibungsteilchen;

(e) Auftragen eines Ügberzugs einer Überzugszusammensetzung gemäß (a) über den teilweise gehärteten Überzug; und

(f) Härten der Überzüge, bis das Bindemittel ausgehärtet ist.

10. Getriebe, das ein der Reibung ausgesetztes Element umfaßt, um durch Kontakt mit einem anderen Element auf dieses Drehmoment zu übertragen, wobei das der Reibung ausgesetzte Element durch folgendes gekennzeichnet ist:

(a) ein hitzebeständiges Papier mit gleichmäßiger Dichte;