DE69631361T2

DE69631361T2 - Reibungsmaterial auf Kohlenstoffbasis für Dauerrutschbetrieb bei Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE69631361T2
Application number: DE69631361T
Authority: DE
Inventors: Peter Stanhope Ann Arbor Winckler
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2016-08-14
Also published as: EP1270985A2; EP1270984A2; DE69631361D1; EP0762009A1; US5662993A; EP1270985A3; EP0762009B1

Description

Die Erfindung betrifft auf Kohlenstoff basierende Reibmaterialien wie auch ein Verfahren zur Herstellung eines auf Kohlenstoff basierenden Reibmaterials für Kraftfahrzeuganwendungen mit kontinuierlichem Schlupf und insbesondere für Anwendungen in Drehmomentwandlern.
Hintergrund der Erfindung
Auf Kohlenstoff basierende Materialien in der Form von Strängen, Bahnen oder Geweben besitzen eine Vielzahl nützlicher Anwendungen. Mehrschicht- bzw. Verbundstoffe für Luft- und Raumfahrt umfassen auf Kohlenstoff basierende Gewebe, die vollständig gefüllt sind und typischerweise 60% Faser pro Volumen enthalten und von denen bekannt ist, dass sie bemerkenswerte strukturelle Fähigkeiten besitzen. Beispielsweise werden in der Technik Kohlenstoff-Epoxid- oder Kohlenstoff-Phenol-Fasern verwendet. Steifigkeit stellt für Flügel, Rotorblätter für Helikopter, Golfschläger und Tennisschläger eine wertvolle Eigenschaft dar. Ferner verwenden auf pyrolytischem Kohlenstoff basierende Gewebe Kohlenstoffatome, um Fasern aneinander zu binden oder zu überbrücken, und können in Bremsrotoren geformt werden, die von Natur aus starr sind. Die Steifigkeit stellt auch eine Schlüsseleigenschaft für die Leistungsfähigkeit derartiger Bremsrotoren bei etwa 50% Faser pro Volumen dar. Jedoch ist Steifigkeit für Reibmaterialien unerwünscht, da sie die Bruchlast, thermische Beanspruchung wie auch die Beanspruchungen von verdrillten Fasern und gepaarten Bündeln lokalisiert, intensiviert und zyklisch heftiger macht, wie z. B. bei Verwendung in Anwendungen mit kontinuierlichem Schlupf.
Bei Reibmaterialien nach dem Stand der Technik sind diese Kohlefasern in eine Matte geformt worden oder miteinander verwoben und in einen organischen Binder, wie beispielsweise Phenolharz, eingetaucht oder damit imprägniert worden. Jedoch besitzen diese Systeme nach dem Stand der Technik, wie nachfolgend beschrieben ist, Nachteile hinsichtlich ihrer Reibeigenschaften, ihrer Wärmeableitung wie auch ihrer baulichen Integrität bzw. Einheitlichkeit, wenn sie in Reibvorrichtungen ausgebildet werden.
Winckler, U.S. Patent Nr. 4,700,823 offenbart ein Sperrdifferential mit einer ölgeschmierten Kupplungsanordnung, die eine Vielzahl von gegenseitig versetzt angeordneten bzw. überlappten Reibscheiben aufweist, die aus Stahl ausgebildet sind und aneinander gepresst werden, um eine Rotation der differentialseitigen Zahnräder aufrechtzuerhalten. Benachbarte Reibscheiben besitzen zueinander weisende Reibflächen. Eine von jeder der zueinanderweisenden Reibflächen wird durch das Metall, das die Scheibe formt, definiert, und die andere Fläche wird durch ein Verbundreibmaterial aus pyrolytischem Kohlenstoff definiert. Bei einer Form umfasst das Reibmaterial ein Maschenwerk aus gewobenem Substrat, das aus Kohlefasern gebildet ist, die in eine einzelne Gewebelage gewoben sein können, und eine Beschichtung aus Kohlenstoff, die auf den Fasern durch ein CVD-Verfahren abgeschieden ist. Die Beschichtung aus Kohlenstoff ist ausreichend, um ein Reibmaterial mit einer relativ offenen Maschenweite vorzusehen, die leicht durch einen Klebstoff durchdrungen werden kann, um die Bindung des Reibmaterials an die Schreibe zu verbessern. Ein derartiger Klebstoff wird zur Bindung an eine Scheibe hinzugesetzt, so dass der Klebstoff die Maschen durchdringen kann, jedoch nicht vollständig zu der Reibfläche des Materials hindurch gespritzt wird.
Bauer, U.S. Patent Nr. 4,291,794 offenbart eine Vorrichtung zur Energieabsorption und Kraft- bzw. Energieübertragung wie auch ein gegenüberliegendes Reibmaterial aus Kohlenstoffverbundstoff zur Verwendung darin im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie bei Winckler. Dieses System umfasst eine aus Kohlenstoffverbundstoff bestehende Reibmembran aus faserigem Material. Die Fasern des Materials sind mit Kohlenstoff oder Graphit versehen (karbonisiert oder graphitisiert), so dass ein pyrolytisches Material in den Zwischenräumen des faserigen Materials abgeschieden wird. Somit sehen sowohl Winckler als auch Bauer ein Maschenwerk vor, bei dem Öl entlang der Oberfläche des Maschenwerks infolge der Struktur strömen kann, die durch die verwobenen pyrolytischen Kohlefasern vorgesehen wird.
Graham et al., U.S. Patent Nr. 3,261,440 offenbart Kupplungs- und Bremsenanordnungen mit Graphitkunstharzen und organischen Kunstharzen und Klebstoffen, wie beispielsweise Furfuralharz oder Phenolformaldehydharze oder elementarer Kohlenstoff als Binder. Das Reibmaterial besitzt eine Porosität, die bevorzugt eine miteinander verbindende Porosität und Permeabilität darstellt. Jedoch ist die Verwendung von Harzen, wie beispielsweise Phenolen, mit Ölen typischerweise nachteilig, da das Phenolharz selbst eine große Blockierspitze erzeugt. Um dies zu vermeiden, werden in den Ölen Additive verwendet, jedoch versagen diese Additive mit der Zeit, wobei der Zustand zurückkehrt, dass die Leistungsfähigkeit des Reibmaterials beeinträchtigt wird. Ferner besitzen Phenolharze ausgezeichnete "Befeuchtungs"-Eigenschaften, die ein hydrodynamisches Verhalten mit niedriger Reibung stark begünstigen.
Augustin, U.S. Patent Nr. 3,927,241 offenbart ein doppellagiges Kupplungssystem mit einer ersten Lage, die elastisch ausgebildet ist, um Energie zu verteilen, und einer zweiten Lage, die für Reibungseigenschaften ausgebildet ist. Das Reibmaterial umfasst Kohlefasern, die mit einer Phenolharzlösung imprägniert sind, wobei der Harzgehalt bei 60% liegt.
Die vorliegende Erfindung sieht Vorteile gegenüber dem Stand der Technik vor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Nassreibmaterial vor, das eine umfassende kontinuierliche Schlupfleistungsfähigkeit bei sehr geringen Schlupfdrehzahlen besitzt, ohne ein Ruckeln, Stottern sowie Kreischen zu bewirken. Die vorliegende Erfindung umfasst ein Reibmaterial mit einem Gewebe bestehend aus Fasern, die in Garnbündel gesponnen und in Stränge verdrillt sind. Ein Binder, bevorzugt ein Phenolharz, wird so aufgebracht, dass eine minimale Menge des Binders an den Fasern vorhanden ist, die jedoch ausreichend ist, um die Fasern an ihren natürlichen Verbindungspunkten miteinander zu verbinden. Das Harz ist vollständig in den Strängen enthalten, und die Stränge sind absichtlich unvollständig befüllt. Sich entlang der Länge erstreckende Spalte, die entlang der gesponnenen und verwobenen Fasern ausgebildet sind, sind nicht mit Binder gefüllt, so dass die Spalte als ein Durchflussweg für Öl durch den Körper des gewobenen Reibmaterials verfügbar sind. Diese Kombination sorgt für eine Struktur mit maximaler offener Fläche für einem maximalen Durchfluss und eine maximale Drainage, eine Porosität, die als Makrostruktur für die Zerstörung jeglicher möglicher hydrodynamischer Filme definiert ist, und sorgt gleichzeitig für einen äußerst starken und beständigen Verbundbaustoff. Das Reibmaterial kann eine darüber- und darunter liegende Stapelung der gewobenen Struktur und Integration der nicht vollständig gefüllten Stränge umfassen, die sogar für die härtesten Belastungsanwendungen mehr als ausreichend ist. Bei den bevorzugten Aus führungsformen sieht die Erfindung 1) eine Stabilität bei der Reibungsleistung, 2) einen im Wesentlichen verbesserten Öldurchfluss durch den Körper des Reibmaterials, wodurch eine Wärmeübertragung verbessert und hydrodynamische Effekte beseitigt werden, und 3) eine verbesserte Festigkeit der Verriegelung bzw. des Ineinandergreifens zwischen über Nähte verbundenen Stücken von Reibmaterial vor.
Das Harz, das in den absichtlich unvollständig gefüllten Strängen vollständig enthalten ist, sieht in einem Mikromaßstab Vertiefungen, Kapillarfluss- und Oberflächenflusskanäle vor. Das Gewebe ist so geflochten oder gewoben, um in einem Makromaßstab maximierte offene Flächen und eine Makrostruktur bzw. Grobstruktur für großen Durchfluss wie auch Drainage vorzusehen, um eine hohe Viskosität, Überflutung wie auch hydrodynamische Fasern zu vermeiden. Die Mikroporosität oder Mikrostruktur bzw. Feinstruktur der Stränge beseitigt jegliche "lagerähnlichen" hydrodynamischen Filme aus heißem Öl und sieht auch einen auf die Leistung zugeschnittenen, äußerst starken und beständigen Verbundstoff vor.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Kurzbeschreibung der Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung wie auch der angefügten Ansprüche und Zeichnungen offensichtlich.
Zeichnungskurzbeschreibung
1 ist eine Darstellung eines Reibmaterials für einen Drehmomentwandler mit Verriegelungen gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine Kopie von Mikrofotografien, die ein Reibmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Reibmaterial, das in separaten Stücken 10 ausgebildet ist, von denen jedes eine Verriegelungskonstruktion 12 aufweist, die eine Naht 14 zwischen Stücken gemäß der vorliegenden Erfindung definiert.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein auf Kohlenstoff basierendes Reibmaterial für Kraftfahrzeuganwendungen mit kontinuierlichem Schlupf gerichtet, wie beispielsweise Kupplungen für Drehmomentwandler. Eine Kupplung für einen Drehmomentwandler, in dem das auf Kohlenstoff basierende Reibmaterial der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist offenbart in Dull et al., U.S. Patent Nr. 5,195,621, das am 23. März 1993 eingereicht wurde, und eine Kupplung mit kontinuierlichem Schlupf ist offenbart in Malloy, U.S. Patent Nr. 4,169,526, das am 02. Oktober 1979 eingereicht wurde.
In seiner einfachsten Form besteht das Reibmaterial dieser Erfindung aus Gewebe, das einen darauf aufgebrachten Binder aufweist, bevorzugt ein Phenolharz. Bevorzugt ist das Gewebe aus Kohlefasern hergestellt. Bisher sind Eigenschaften von Kohlefasern für Anwendungen mit kontinuierlichem Schlupf überraschenderweise wiederholt aufgrund des niedrigen typischen Reibungskoeffizienten wie auch der höheren Materialkosten nicht beachtet worden. Ebenfalls neigt die günstigere "nasse Schichten bildende" Kohlefaserkonstruktion (Filzmaterial oberflächlich mit Harz beschichtet) dazu, schlechte Verschleißeigenschaften zu haben. Bei dem Material dieser Erfindung ist seine Struktur einzigartig. Erstens ist das Harz vollständig in den Strängen aufgenommen. Zweitens sind die Stränge absichtlich unvollständig gefüllt. Drittens stellt das Weben oder Flechten in bevorzugte Gestaltungen große Hohlräume, Innen- und Oberflächendurchflusskanäle wie auch ein ausgedehntes Feld von diskreten (mit kleiner Oberfläche), nachgiebigen, beständigen Kontaktpunkten sicher. Diese Kontaktpunkte besitzen ähnlicherweise in mikroskopischem Maßstab Vertiefungen (gleichwertig zu Poren), Kapillardurchflusskanäle (gleichwertig zu Innenräumen) wie auch Oberflächendurchflusskanäle. Diese Kombination sieht maximierte offene Flächen, eine Makrostruktur für großen Durchfluss wie auch Drainage vor, um eine hohe Viskosität, Überflutung und hydrodynamische Filme zu vermeiden; wie auch eine Porosität oder Mikrostruktur für die Zerstörung jeglicher möglicher "lagerähnlicher" hydrodynamischer Filme aus heißem Öl, und noch weiter einen auf die Leistung zugeschnittenen, äußerst starken und beständigen Verbundbaustoff vor.
Die hauptsächlich interessierenden Gewebeaufbauten werden (in einer breiten Vielzahl von ein- oder mehrdimensionalen Formen) gewoben und (in flachen, kontinuierlichen bzw. runden oder vergleichbaren Formen) geflochten. Die Erfindung umfasst insbesondere keine "nasse Schichten bildenden", Filz- bzw. "Papier"-Gestaltungen und geformte oder andere verdichtete und relativ gleichförmig verteilte Gestaltungen, sofern diese nicht absichtlich durchstochen und gesättigt sind oder durch einen ähnlichen Kunstgriff eine Duplizierung dieser Erfindung darstellen. D. h. mit einer strukturell sehr diskreten Kombination von zahlreichen und unvollständig gesättigten Inseln von (kontinuierlichen oder zerhakten) "Faserbündeln" und offensichtlichen Poren bzw. Drainagen.
Die Kohlefaser kann mit anderen Fasern gesponnen oder vermischt sein, wie beispielsweise "Glasfasern", Siliziumkarbidfasern (als eine Klasse von Fasern), weiche bzw. harte Keramikfasern (als eine Klasse von Fasern), Kevlar, Bor, Teflon oder anderen Fasern oder beschichteten Fasern, die in der Reibungs-, Papier- oder Verbundstoffindustrie bekannt und üblich sind. Insbesondere wird die Kohlefaser mit thermoplastischen oder wärmeausgehärteten Harz- bzw. Klebstofffasern versponnen oder vermischt. Eigentlich muss es überhaupt kein Kohlenstoff sein. Beispielsweise ist ein gewisser Erfolg mit "NEXTEL" AF-40, einer gewobenen Glas- bzw. Weichkeramik erreicht worden, die durch 3M, St. Paul, MN hergestellt wurde.
Auf der Oberfläche der Stränge oder Bündel resultiert unweigerlich eine Binderlage aus Harz. Jedoch ist dies im Wesentlichen auf einen "Film" oder eine unregelmäßige Monoschicht begrenzt bzw. soll darauf begrenzt werden, die von der Abmessung her unbedeutend ist. In dem Fall, wenn Mineralien oder Partikel hinzugesetzt werden, gilt dies immer noch, obwohl die unregelmäßige Monoschicht möglicherweise die Dicke der betreffenden Partikel reflektiert. Ferner sei angemerkt, dass die gesamte offensichtliche gemessene Dicke des Reibmaterials, da es typischerweise ein weiches Gewebe ist und unter Druck gemessen wird, stets von der Verstärkung (hinzugefügte Steifigkeit) zunimmt. Unter einem geeigneten Mikroskop kann die relative, die Abmessung betreffende Bedeutungslosigkeit, die angesichts dieser Erfindung resultiert, beurteilt werden. Eine typische Beschichtung beträgt 2–5 μm (80–200 Millionstel eines Zoll).
Hinsichtlich der Definition "gefüllt" ist eine gewisse Freiheit erforderlich. Bei Luft- und Raumfahrtanwendungen wird der Mehrschicht- bzw. Verbundaufbau als "gefüllt" betrachtet, wenn die "Poren" dann unbedeutend werden und das Harzmatrixmaterial ansonsten den Verbundstoff praktisch füllt, da er stark unter Druck gesetzt wird. Dies ist logisch, da das Ziel eine enge Nähe der Fasern mit einer maximalen strukturellen Anhaftung durch das Harz ist. Die Aufgabe dieser Erfindung ist anders, nämlich um einen gewissen Grad an "Mikroporosität" und/oder "Mikrostruktur" vollständig über jeden Strang oder jedes Bündel sicherzustellen, um seinerseits sicherzustellen, dass keine hydrodynamischen Ölfilme (niedrigere Reibung) gebildet werden können (und ein Ruckeln bewirken können). Aus diesen Gründen sind Poren und Kapillarkanäle hocherwünscht. Sie werden durch absichtliches Begrenzen des Verbindungsdruckes; durch (in den meisten Fällen) wesentliches Aushärten der Verbundstoffstruktur vor dem Verbinden; durch Pulverbeschichten oder Vermischen oder Verdrillen mit kontinuierlichen Filamenten; und Verdrehen und Verdrillen von Paaren zerhakter Fasern vorgesehen und geschützt. All dies erfolgt ergänzend zum Verweben, Verflechten oder zu anderen Kunstgriffen, um eine Hydrodynamik in großem Maßstab zu verhindern. Daher betrifft der Ausdruck "weniger als vollständig gefüllt" Stränge oder Bündel in ihrem gewobenen oder verflochtenen freien Zustand und nachfolgend in ihrem verbundenen, teilweise komprimierten Zustand, jedoch nicht in Bezug auf die theoretische Volumenfüllung, wie es in der Luft- und Raumfahrt üblich ist.
Bei Nassreibungsanwendungen sind hydrodynamische Filme aufgrund von Reibungsinstabilität und dem Phänomen, wie beispielsweise Ruckeln, Stottern und Kreischen, das Hauptproblem. Grenzlagenfilme sind vorhanden, wenn keine hydrodynamischen Filme vorhanden sind. Sie sind wesentlich stabiler und durch Faktoren bemerkenswert anpassbar, wie beispielsweise Ölchemie- und Reibmaterialauswahl. Ein gemischter Film wird dazu verwendet, den Bereich des dramatischen Übergangs von maximaler Instabilität zwischen den beiden Hauptzuständen zu beschreiben. Typische Grenzkoeffizienten überschreiten 0,10, während die hydrodynamischen Koeffizienten unterhalb 0,04 liegen. Hydrodynamische Filme sind stets mikroskopisch dünn (Mikron (Millionstel eines Zoll)) und benötigen eine wirksame Fläche, auf der sie existieren können. Die Lehren und Mittel dieser Erfindung verhindern derartige Filme und resultieren ge meinsam mit Materialien, die in der Technik bekannt sind, in einem außergewöhnlich stabilen Produkt, das für alle Typen von Nassreibungsanwendungen geeignet ist, einschließlich Übergangsbremsanwendungen und Anwendungen mit kontinuierlichem Schlupf.
Ein miteinander vermischtes Filament aus gesponnenem Garn, wie beispielsweise früher von Heltra hergestellt wurde, ist ein weiteres alternatives Beispiel, da es ein pulverbeschichtetes oder mit thermoplastischem Lösungsmittel gesättigtes Gewebe ist oder thermoplastisch beschichtete Fasern sind, die zerhackt und gesponnen und dann gewoben oder verflochten werden. PEK (Polyetherketon), PEEK (Polyetheretherketon) und PEKK sind offensichtliche alternative Thermoplaste, obwohl sie einen Klebstoff zum mehrschichtigen Verbinden erfordern können. Polyimide und PEI sind offensichtliche alternative Duroplaste.
Ein zusätzliches Merkmal des Reibmaterials besteht in der Steigerung der Verriegelungsqualität, insbesondere für die erste bevorzugte Ausführungsform. Das hohe Modul bzw. die hohe Steifigkeit der Kohlefasern wird durch die Anwesenheit des Harzes gesteigert. Ferner ist infolge der aufwärts- und abwärtsbelaufenden Beschaffenheit der Gewebebindungen die tatsächliche Stranglänge typischerweise 30% länger als ihre offensichtliche Länge, wenn sie von oben betrachtet wird. Während des Verbindens werden, wenn die Höhe verringert wird, die Stränge innerhalb der Begrenzungen der Verbindungsvorrichtung effektiv verlängert. Die Stränge sind entlang der Fasern mit Harz getränkt und nicht vollständig gefüllt, und somit können sich die Stränge frei bewegen. Für die relativ genauen typischen Verriegelungen resultiert dies in einem intensiven Eingriff von Fasern über die Naht sogar für die kürzeren Verriegelungsstränge. Somit werden die Verriegelungen nahezu unsichtbar, und ihre Integrität ist außergewöhnlich.
Die vorliegende Erfindung kann ein auf Kohlenstoff basierendes Reibmaterial mit Kohlenstoffsträngen verwenden. Ein derartiges Material ist von Textron Specialty Corp., Lowell, MA erhältlich. Das auf Kohlenstoff basierende Reibmaterial wird in eine Harzlösung, bevorzugt ein Phenolharz, getaucht, das eine stark verdünnte gesättigte Lösung ist. Bevorzugt umfasst die Lösung etwa 18 bis 40 Gew.-% Phenolharz und etwa 60 bis 82 Gew.-% Lösungsmittel. Wenn das Phenolharz 18 bis 26 Gew.-% der Lösung ausmacht, werden optimale Reibungseigenschaften erreicht. Wenn das Phenolharz 26 bis 35 Gew.-% der Lösung ausmacht, wird eine zunehmende Verringerung der Reibleistungsfähigkeit beobachtet (jedoch wird eine verbesserte Verschleißbeständigkeit mit schlechteren gekoppelten bzw. zusammenpassenden Flächen erhalten). Bei 35 bis 40 Gew.-% wird lediglich eine geringe Reibleistungsfähigkeit erreicht. Oberhalb 40 Gew.-% werden die Leistungseigenschaften dieser Erfindung nicht erreicht. Ähnlicherweise macht das Harz in seinem getrockneten Zustand auf der Faser 18 bis 40, bevorzugt 18 bis 35 und am bevorzugtesten 18 bis 26 Gew.-% der Faser und des Harzes in dem getrockneten Zustand aus. Ein geeignetes Phenolharz ist von Ashland Chemical Co. mit der Handelsbezeichnung A295-E50 verfügbar. Geeignete Lösungsmittel sind Alkohole; Beispiele von diesen sind Ethanol und Isopropylalkohol. Das Harz wird entlang der Fasern aufgesogen, wie durch den weißen Bereich entlang der Faser in dem Mikrobild D von 2 gezeigt ist.
Nachdem das auf Kohlenstoff basierende Reibmaterial in die Phenollösung getaucht worden ist, wird überschüssiges Phenolharz ohne Walzenpressen oder Pressen mit fixiertem Spalt weggeführt. Jedoch kann eine Steuerung mit fixiertem Spalt, insbesondere im angewinkelten Zustand, beim Abstreifen der mit Lösungsmittel verdünnten Lösung, die aus dem Tauchtank herauskommt, nützlich sein, jedoch reduziert jedes stärkere Pressen über den Toleranzbereich des Kohlenstoffgewebes hinaus die Produktqualität durch Erzeugung einer dazwischenliegenden harzigen Mittelzone. Dies verringert einen Öldurchfluss durch das Material und hat eine nachteilige Wirkung auf die Verriegelung von über Nähte verbundenen Stücken aus Reibmaterial. Die versponnenen Fasern definieren in Längsrichtung gerichtete Spalte entlang der Fasern, die im Wesentlichen keinen Binder darin aufweisen. Dies bedeutet, dass die Räume, in denen keine Fasern vorhanden sind, vollständig offen und frei von Harz sind. Dies sorgt für große Durchflussdurchgänge an und durch das Material, die die Kühl- und Schlupfeigenschaft des Reibmaterials erheblich steigern. Ferner ist für Kupplungen für Drehmomentwandler (TTC's) der resultierende Durchfluss groß als auch steuerbar, wobei dies ein erstes Merkmal der Erfindung darstellt.
Dass der Durchfluss steuerbar ist, ist ein erstes Merkmal bei der Erfindung. Die Auswahl des Webens bzw. Verflechtens, der verbundenen Höhe, des Härtungsgrades vor dem Verbinden, der Freiraumdichte (auch "Aerial Density"), der Partikelinfiltration und des Harzgehalts sind alle Schlüsselparameter für die Steuerung des Öldurchflusses, während die bauliche Integrität wie auch das Gleichgewicht anderer Eigenschaften, wie beispielsweise Nachgiebigkeit, beibehalten wird.
Es kann eine Vielzahl von Web- bzw. Flechtgestaltungen verwendet werden. Satin mit acht Litzen, Jersey-Webware vom Schlingentyp wie auch locker verflochtene Gewebebindungen, die "flach liegen" können, besitzen eine vernachlässigbare Strömung. Ebene und korbförmige Webarten oder Flechtarten mit eng verdrillten Bündeln oder Strängen besitzen eine große Strömung. Eine asymmetrische Gewebespannung kann ebenfalls die Strömung erhöhen. Typischerweise sind die Fasern etwa 12,7 bis 101,6 mm (1/2 bis 4 Zoll) lang, besitzen einen Durchmesser von etwa 6 bis 12 Mikron und der Binder auf der Faser ist weniger als 25 Mikron (1/1000 Zoll) dick und bevorzugt kleiner als der Faserdurchmesser.
Die verbundene Höhe besitzt vielleicht den nächst größten Einfluss, wenn eine vernünftige Kombination anderer Parameter gegeben ist. Wenn das Material innerhalb der Verbindungsvorrichtung intensiver gepresst wird, verringert dies gleichzeitig den Durchfluss in verschiedenen Wegen. Ein Oberflächendurchfluss infolge der großen Oberflächenstruktur wird verringert, da eine zusätzliche Kompression die resultierende Struktur verformt bzw. verringert. Ein Durchfluss durch das Material ist ebenfalls verringert. In Einklang damit ist der Durchfluss bei einer Volumenfüllung von 55–60% ernsthaft "verstopft". Wiederum resultieren mit überraschender Folgerichtigkeit bei einer Volumenfüllung von 40 bis 45% oftmals optimale Durchflusseigenschaften und verschiedene andere Eigenschaften (wie beispielsweise Verbindungsdruck).
Das Aushärten ist ein besonders effektiver Parameter, da er (a) das Ausmaß bestimmt, mit dem das Material mit der Form der Matrize übereinstimmt, und (b) aufgrund der Nachgiebigkeit des verbundenen Materials (des Wegdrückens von Strömung unter Druck). Eine Verringerung der Verbindungshöhe, wodurch der Prozentsatz der Füllung erhöht wird, verringert offensichtlich den Durchfluss. Jedoch gilt für den Harzgehalt das Entgegengesetzte. Ein erhöhter Harzgehalt innerhalb der absichtlich unvollständig gefüllten Stränge besitzt nur eine geringe Blockierwirkung, da der Durchfluss hauptsächlich über die Reibungsoberfläche und um die Stränge herum erfolgt. Der Durchfluss innerhalb der Stränge (d. h. Kapillarwirkung), um Hydrodynamik zu vermeiden, ist, während er von hoher Wichtigkeit ist, von kleiner Größe. Jedoch verbessert für Kupplungen für Drehmomentwandler ein erhöhter Harzgehalt die Steifigkeit stark, wodurch die Kompression unter Last verringert wird. Diese Wirkung ist gleichwertig zu dem von mit pyrolytischem Kohlenstoff (CVD) verstärktem Kohlenstoffgewebe. Dieser Vorteil wird jeweils begrenzt, wenn die Nachgiebigkeit beeinflusst ist. Es sei angemerkt, dass weitere Vorteile gegenüber pyrolytischem Kohlenstoff diejenigen sind, dass wesentlich weniger Gewichtszusatz (und Volumenzusatz) von Matrixmaterial erforderlich ist, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, und das Material dieser Erfindung so gut wie keiner Dickenänderung ausgesetzt ist.
Ferner beeinflusst das Aushärten des Materials vor dem Verbinden auch die Reibleistungsfähigkeit. Mit einem ausgiebigen Vorhärten wird das Harz in den Zwischenräumen und gut innerhalb der Kohlefaserstränge verteilt gehalten. Mit einer weniger guten Vorhärtung kann sich während des Verbindens das Harz an der Oberfläche der abgeflachten Stränge wiedervereinigen, wobei harte, dichte Punkte bzw. Flachstellen gebildet werden, die eine Makrostruktur wie auch Mikroporosität ausschließen und hydrodynamische Filme erzeugen.
Es ist wichtig anzumerken, dass der verwendete Klebstoff ein Filmklebstoff ist und in der bevorzugten Gestaltung eine Dicke von weniger als etwa 100 Mikron (4/1000 Zoll) besitzt. Er füllt in keiner Weise das Material in dem Ausmaß wie bei Winkler oder Bauer. Ein wirksames Verbinden wird zufriedenstellenderweise nur an "Spitzen" des gewobenen Materials erreicht. Der Klebstofffilm unterhalb der Porenbereiche bleibt so gut wie unverändert, obwohl er gehärtet wird. Ein geeigneter Klebstoff ist ein Nitrilphenol bzw. Nitrilphenolharz.
ERSTE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Dieses Reibmaterial besteht aus einer einzelnen Lage aus symmetrisch flach gewobenem, aus gesponnenem Garn bestehendem Kohlefasergewe be, das mit einem Phenolformaldehydharz gesättigt ist. Es ist mit zwei Lagen von 25 Mikron (1 Mil) Nitril-Phenolklebstoff zur Segmentierung und Verbindung mit den Kupplungen des Drehmomentwandlers mehrschichtig aufgebaut. Das Gewebe kann durch Textron Specialty Materials geliefert werden und besteht aus: verdrillten Paaren oder Dreifachanordnungen von Bündeln bzw. Strängen aus gesponnenem Garn, 7–13 Stränge/cm (18–33 Stränge/Zoll), 0,2–0,3 kg/m² (6–9 oz/yd.2) Freiraum-Kohlefaserdichte, 18–35 Gew.-% Harzgehalt des gesamten, 20–37% Volumendichte im gesättigten Zustand und 35–50% Volumendichte im verbundenen Zustand, wobei das Harz in allen Fällen wirksam innerhalb der Fasern des Gewebes enthalten ist. Eine Sättigung wie auch anfängliche Härtung kann durch National Coating Corp., MA. unter Verwendung von Ashland Chemical Co. A295-E50 vorgesehen werden, das mit Ethanol oder Isopropylalkohol stark verdünnt ist, um leicht in den Fasern aufsteigen zu können. Eine Geschwindigkeit der Sättigungslinie wird gesteuert, um zu verhindern, dass das Harz auf die Reibmaterialoberfläche, Poren oder sogar in die Kreuzungspunkte der Zwischenräume des Gewebes auskocht. Presswalzen werden insbesondere nicht verwendet, und jede Abstandseinrichtung mit fixiertem Spalt ist nur auf den Toleranzbereich der freien Höhe des Gewebes begrenzt, um eine Entfernung von überschüssigem hindurchgelangtem Harz sicherzustellen. Dieses Material ist nicht auf eine einzelne Lage begrenzt, und es kann eine nachgiebigere Unterlage mit niedrigerem Modul enthalten sein, die beispielsweise keine ähnliche Gestaltung aufweist.
ZWEITE BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
Dieses Reibmaterial verwendet Bündel aus kontinuierliche Filamente umfassendem Kohlenstoff, die miteinander vermischt, gesättigt oder mit thermoplastischem PEEK-Harz pulverbeschichtet und rundgeflochten und abgeflacht (oder einfach flach geflochten) sein können. Die abgeflachte Dicke ist auf 30–100% gegenüber der verbundenen Dicke ausgelegt, die aus 0,43–0,75 mm gewünscht ist. Die abgeflachte Breite ist auf 12–14 mm ausgelegt, und ein Flechtwinkel von 45 Grad ist nützlich, um beim Abflachen und/oder Verbinden einen Faserbruch zu verhindern. Die Faserbündel liegen im Bereich von 0,5 k–6 k plus miteinander vermischter Fasern, wenn dies anwendbar ist. Ferner werden diese Bündel von einer zu mehreren Verdrillungen pro 30 cm (Fuß) verdrillt, um ihre Größe während des Webens und vor dem Verbinden zu minimieren. Während des Verbindens verhindern die Verdrillungen auch, dass sich die normalerweise ziemlich parallelen Fasern ausspreizen, wodurch ein Porenbereich und eine Struktur sichergestellt werden. Die miteinander vermischten Kohlenstoff bzw. PEEK-Bündel können von Textile Products, Inc. erhalten werden, und das Weben kann durch Fabric Development Co. ausgeführt werden. Ferner sind die Bündel absichtlich unvollständig mit dem Harz gefüllt, wie es in Einklang mit dieser Erfindung steht.
Zum Verbinden wird kein Klebe- oder Laminierprozess benötigt. Das Flechtwerk wird durch Wärme angesengt bzw. angeflammt und auf die genaue gewünschte Umfangslänge der Kupplung des Drehmomentwandlers durch entweder Laserverarbeitung (vor der Lieferung) oder eine Heißmatrize geschnitten, die dieses umfalzt und schneidet. Ein geschmolzener und teilweise um den Umfang herum abgeflachter Ring kann zu diesem Zeitpunkt auch ausgebildet werden. Der Ring wird dann in die Vorrichtung zum Verbinden und Verschmelzen eingesetzt, in der die Pressplatte durch Induktion erwärmt wird und sich zur Entfernung ausreichend abkühlen kann. Die Verarbeitungszeit zur Verdichtung der miteinander vermischten Fasern, zum Verschmelzen des abgeflachten Rundflechtwerkes und zum Verbinden des Ringes wird auf 3–15 Sekunden geschätzt.
Bezüglich der beiden bevorzugten Ausführungsformen umfasst eine ein duroplastisches Harz mit gewobenen Strängen aus gesponnenem verstärktem Filament, und die andere umfasst ein thermoplastisches Harz mit verdrillten und verflochtenen Strängen bzw. Bündeln aus kontinuierlichem Filament. In jedem Fall sind die Vorteile der bevorzugten Ausführungsformen gleich.

(1) Um ein Fluten oder eine andere große hydrodynamische Filmbildung durch Vorkehrung wesentlicher Poren, Struktur und Drainage zu verhindern (definiert als Makrostruktur und Makroporosität).
(2) Um intensive dazwischenliegende hydrodynamische Filme durch absichtlich unvollständiges Befüllen der gewobenen oder verflochtenen Stränge zu verhindern, die das Reibmaterial und insbesondere seine Kontaktzwischenfläche umfassen. Die resultierenden Vertiefungen (kleine Poren), die Struktur und die Kapillardrainage (als Mikrostruktur und Mikroporosität definiert).
(3) Um eine gleichzeitig geeignete Kombination aus baulicher Integrität, Nachgiebigkeit, Kühlöldurchflusssteuerung und Faserorientierung vorzusehen. Dies wird durch über Material ausgewählte Zusammensetzung, Webart oder Flechtart (einschließlich Typ, Bündelgröße, verdrillte Paarung und Verdrillungen/cm), Freiraumdichte (auch "Aerial Density"), verbundene Dicke, Härteprozess und Konstruktion der Vorrichtung zum Verbinden erreicht.
(4) Um die dynamische und statische Nassreibung und insbesondere das Verhältnis von statisch zu dynamisch durch Auswahl und Steuerung der Materialzusammensetzung (wie beispielsweise Kohlefasern), Faserorientierung, Infiltration von Partikeln, prozentuale Sät tigung, Härtungssteuerung zu steuern und das lokalisierte diskontinuierliche Erzielen von Filmen mit niedrigem Koeffizient bzw. instabiler Hydrodynamik zu verhindern.
(5) Um die Gleichförmigkeit hinsichtlich Größe und Verteilung des Kühlöldurchflusses zu steuern, wobei der Bedarf einer Nutenbildung, Öffnungen oder anderer ergänzender Mittel beseitigt oder größtenteils verringert wird und eine optimale Kühlverteilung bezüglich des Standes der Technik vorgesehen wird.
(6) Um die Verriegelungs- bzw. Verschlingungsqualität durch Ausnutzen der Steifigkeit von Kohlefasern, der Beschaffenheit der Harzverstärkung dieser Erfindung und der miteinander verwobenen Struktur zu steigern. Insbesondere durch Aufsaugen des Sättigungsstoffs und Minimieren der Überbrückung und Verhärtung zwischen den Strängen können sich die Stränge während des Verbindens frei erstrecken und aggressiv miteinander in Eingriff treten, um ausgezeichnete und intensive Verriegelungen bzw. Verschlingungen zu bilden.
(7) Die zweite (thermoplastische) bevorzugte Ausführungsform besitzt auch die Merkmale: Beseitigung des Klebstoffes und aller Laminierungsprozesse, 100% Materialverwendung, Verringerung auf eine oder null Verriegelungen bzw. Verschlingungen, keine am Innen- oder Außenrand geschnittenen Fasern oder Abfall, wie auch ein Verbindungszyklus zwischen 3–15 Sekunden. Das bevorzugte Harz PEEK ist geruchslos, erfährt keine chemische Änderung und ist genauso inert wie Nylon oder Teflon.

Bei Nassreibungsanwendungen sind hydrodynamische Filme die hauptsächliche Ursache für Reibungsinstabilitäten, wie beispielsweise Ruckeln, Stottern sowie Kreischen. Grenzschichtfilme sind vorhanden, wenn keine hydrodynamischen Filme vorhanden sind. Sie sind wesentlich stabiler und durch die Auswahl der Ölchemie wie auch des Reibungsmaterials anpassbar bzw. zuschneidbar. Hydrodynamische Filme sind stets mikroskopisch dünn und benötigen eine wirksame Fläche, auf der sie existieren können. Die Lehren und Bedeutungen dieser Erfindung verhindern derartige Filme und resultieren in Zusammenarbeit mit in der Technik bekannten Materialien in einem außergewöhnlich reibungsstabilen und verschleißbeständigen Produkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines auf Kohlenstoff basierenden Reibmaterials für Oberflächenanwendungen mit kontinuierlichem Schlupf für Kraftfahrzeuge, umfassend, dass: ein Gewebe vorgesehen wird, das aus auf Kohlenstoff basierenden Fasern besteht, die in Bündel gesponnen sind, und die Bündel in Stränge verdrillt werden; eine Phenolharzlösung auf das Gewebe aufgebracht wird, so dass die auf Phenol basierende Lösung entlang der Fasern aufgesaugt wird, und so dass die Zwischenraumbereiche in den Strängen nicht vollständig gefüllt werden; und das Harz in der Lösung gehärtet wird, und wobei die Phenolharzlösung etwa 18 bis etwa 40 Gew.-% Phenolharz und etwa 60 bis etwa 82 Gew.-% eines auf Alkohol basierenden Lösungsmittels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fasern Kohlenstoff umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein Phenolharz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Phenolharz etwa 18 bis etwa 40 Gew.-% des Harzes und der Fasern gemeinsam umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein wärmeaushärtbares Harz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein thermoplastisches Harz umfasst.
Produkt mit: einem Reibmaterial, das eine Vielzahl von Fasern aufweist, die in Stränge geformt sind und miteinander verwoben oder verflochten sind, wobei die Fasern ein Bindemittel aufweisen, das entlang jeder der Fasern aufgesaugt ist, so dass die Fasern entlang natürlicher Kontaktpunkte der Fasern miteinander verbunden sind, wobei die Fasern Längsspalte zwischen den Fasern definieren, und wobei die Längsspalte im Wesentlichen frei von dem Bindemittel sind, so dass das Reibmaterial eine Mikrostruktur und Mikroporosität aufweist, die offen ist, um einen Durchflussweg für Öl durch das Reibmaterial vorzusehen, wodurch eine Hydrodynamik über eine Eingriffsfläche des Reibmaterials im Wesentlichen beseitigt ist, wodurch eine konsistente wie auch stabile Reibleistung erreicht wird und ein Ruckeln, Stottern sowie Kreischen gesteuert ist.
Produkt nach Anspruch 7, wobei die Fasern Kohlenstoff umfassen.
Produkt nach Anspruch 7, wobei das Bindemittel ein Phenolharz umfasst.
Produkt nach Anspruch 9, wobei das Phenolharz etwa 18 bis etwa 40 Gew.-% des Harzes und der Fasern zusammen umfasst.
Produkt nach Anspruch 7, wobei das Bindemittel ein wärmeaushärtbares Harz umfasst.
Produkt nach Anspruch 7, wobei das Bindemittel ein thermoplastisches Harz umfasst.