DE69824376T2

DE69824376T2 - Fasermaterial für Bremsbelagmaterial, enthaltend Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad und Kohlenstofffasern

Info

Publication number: DE69824376T2
Application number: DE1998624376
Authority: DE
Inventors: Robert C. Lam
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: EP0924444A2; DE69824376D1; KR100571526B1; JP4383565B2; JPH11256461A; US6130176A; EP0924444A3; EP0924444B1; KR19990063125A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nicht-asbesthaltiges, nicht-metallisches fibröses Basismaterial, welches Aramidfasern mit niedrigen Fibrillationsgrad, Baumwollfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffteilchen und einen Füllstoff, wie z. B. Diatomeenerde enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein zusammengesetztes Reibmaterial, welches das oben beschriebene fibröse Basismaterial enthält, das mit einem Phenolharz oder einer modifizierten Phenolharzmischung imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen wird wenigstens ein Silikonharz mit wenigstens einem Phenolharz zur Verwendung bei der Imprägnierung eines fibrösen Basismaterials gemischt.
Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung weist eine verbesserte Festigkeit, Porosität, Haltbarkeit und Lärmresistenz auf. Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung hat auch eine höhere Reibfestigkeit und bessere Wärmeeigenschaften als herkömmliche Reibmaterialien. Das Reibmaterial ist besonders bei Hochenergieanwendungen und unter geräuschfreien Bedingungen nutzbar.
In der Automobilindustrie werden neue und fortgeschrittene Kraftübertragungssysteme und Bremssysteme entwickelt. Diese neuen Systeme haben oft Hochenergieerfordernisse. Daher muss auch die Reibmaterialtechnologie entwickelt werden, um die erhöhten Energieerfordernisse dieser fortschrittlichen Systeme zu erfüllen.
Insbesondere wird ein neues Hochenergie-Reibmaterial benötigt. Das neue Hochenergie-Reibmaterial muss dazu in der Lage sein, hohen Geschwindigkeiten zu widerstehen, bei welchen die Oberflächengeschwindigkeiten bis zu 65 m/sec betragen. Das Reibmaterial muss auch hohen Deckbelagdrücken bis zu ungefähr 103 bar (1500 psi) widerstehen. Es ist auch wichtig, dass das Reibmaterial unter begrenzten Schmierbedingungen nutzbar ist.
Das Reibmaterial muss dauerhaft sein und eine hohe Hitzebesändigkeit aufweisen, damit es bei hochentwickelten Kraftübertragungs- und Bremssystemen eingesetzt werden kann. Das Reibmaterial muss nicht nur bei hohen Temperaturen stabil bleiben, es muss auch dazu in der Lage sein, die große Hitze schnell zu dissipieren, die bei den Betriebsbedingungen generiert wird.
Die beim Einkuppeln und Auskuppeln der neuen Kraftübertragungs- und Bremssysteme erzeugten hohen Geschwindigkeiten bedeuten, dass ein Reibmaterial dazu in der Lage sein muss, während des Kuppelns eine relativ konstante Reibung zu halten. Es ist wichtig, dass der Reibeingriff über einen großen Bereich von Geschwindigkeiten und Temperaturen relativ konstant ist, um ein „Zittern" der Materialien beim Bremsen oder des Kraftübertragungssystems beim Schalten vom einen Gang in den anderen zu minimieren. Es ist auch wichtig, dass das Reibmaterial eine gewünschte Drehmomentkurvenform hat, so dass das Reibmaterial beim Reibeingriff geräuschfrei oder „quietschfrei" ist.
Früher wurden zur Verbesserung der Temperaturstabilität Asbestfasern im Reibmaterial verwendet. Z. B. beschreibt das Arledter et al. US Patent Nr. 3,270,846 Phenol- und phenolisch-modifizierte Harze, die mit Asbest verwendet werden. Nun wird jedoch wegen gesundheitlichen und Umweltproblemen nicht länger Asbest verwendet. Neuere Reibmaterialien haben versucht, das Fehlen von Asbest im Reibmaterial dadurch zu kompensieren, indem Imprägnierpapier- oder Fasermaterialien mit Phenol- oder phenolisch-modifizierten Harzen modifiziert wurden. Diese Reibmaterialien dissipieren jedoch die erzeugte große Hitze nicht schnell genug und weisen nicht die notwendige Hitzebeständigkeit und einen ausreichend hohen Reibkoeffizienten auf, der heutzutage beim Einsatz in den neu entwickelten Hochgeschwindigkeitssystemen benötigt wird.
Obgleich Phenolharze als Reibmaterialien für Nasskuppelanwendungen Verwendung gefunden haben, weisen die Phenolharze verschiedene Begrenzungen auf. Die Reibmaterialien mit Phenolharz weisen nicht die hohe Hitzeresistenz auf, die zur Verwendung bei den neuen Hochenergiekraftübertragungssystemen notwendig ist. Insbesondere karbonisieren die Phenolharze bei einer Temperatur von etwa 450° bis 500°C; was zu niedrig ist, um in Hochenergieanwendungen einsetzbar zu sein. Außerdem sind Phenolharze starre Materialen und führen zu ungleichmäßiger Belagabnutzung und „heißen Flecken" auf der Separatorplatte, wenn sie in einem Reibmaterial verwendet werden.
Man hat versucht, diese Begrenzungen und Nachteile von Reibmaterialien mit Phenolharz dadurch zu überwinden, dass man die Phenolharze durch andere wärmehärtbare Harze ersetzt hat. Bei einem Versuch, Reibmaterialien herzustellen, wird ein Phenolharz mit verschiedenen synthetischen Harzen modifiziert. Wie z. B. in Takarada et al. US Patent Nr. 4,657,951 beschrieben, wird ein Phenolharz mit einem Organopolysiloxan modifiziert, welches kompressionsgeformt wird, um ein Reibmaterial zu bilden. Das Phenolharz und das Organopolysiloxan werden miteinander zur Reaktion gebracht, um eine Kondensationsreaktion zu bewirken, welche dann destilliert, durch Abkühlen verfestigt und pulverisiert wird, um ein pulverförmiges phenolisch-modifiziertes Harz zu erhalten. Das pulverförmige phenolisch-modifizierte Harz wurde dazu verwendet, ein kompressionsgeformtes Reibmaterial zu bilden.
Soweit bekannt, gibt es keine Offenbarung eines Reibmaterials zu Verwendung in Kraftübertragungssystemen, welches ein Silikonmaterial enthält, das mit einem phenolischen Material gemischt und dazu verwendet wird, ein Reibpapier zu imprägnieren.
Obgleich das Hartmann et al. US Patent Nr. 3,911,045 ein mit Phenolharzen gemischtes Silikonmaterial zur Verwendung als eine Formpresszusammensetzung diskutiert wird, gibt es keine Offenbarung oder Anregung, dass ein Silikonmaterial erfolgreich mit einem Harzmaterial gemischt und zur Imprägnierung eines Bremsbelagmaterials verwendet werden könnte. Im Gegenteil: Bisherige Versuche, Silikonharze in Reibmaterialien zu verwenden, waren unakzeptabel. Ein Reibbelag, der mit einem Silikonharz imprägniert oder saturiert war, hat in der Vergangenheit schlechte Scherfestigkeit und Delaminierungsbeständigkeit gezeigt. Ferner sind mit einem Silikonharz gesättigte Reibmaterialien normalerweise zu elastisch, und daraus ergeben sich Tests mit ungewünschten Reib- und Abnutzungseigenschaften. Es ist nicht überraschend, dass geformte Reibbelagzusammensetzungen, die gänzlich aus einem Phenol-Formaldehydharz-Polysiloxanharz gebildet sind, nicht verwendet wurden, obgleich sie bekannt sind, da derartige geformte Zusammensetzungen nicht die gewünschten konstanten Reibkoeffizient-Eigenschaften haben und derartige Reibmaterialien unter Hochenergiebedingungen und großer Hitze versagen.
Damit Reibmaterialien bei „nassen" Anwendungen verwendbar sind, muss das Reibmaterial eine große Vielfalt an akzeptablen Eigenschaften aufweisen. Das Reibmaterial muss federnd oder elastisch und dennoch resistent gegen Bleibende Verformung, Abrieb und Spannung sein, eine hohe Hitzeresistenz aufweisen und dazu in der Lage sein, Wärme schnell zu dissipieren; und eine langdauernde, stabile und konsistente Reibleistung aufweisen. Wenn eine dieser Eigenschaften nicht gegeben ist, kann das Reibmaterial keine optimale Leistung bringen.
Es ist daher auch wichtig, dass das imprägnierende Harz mit einem geeigneten Reibbelag oder einem fibrösen Basismaterial verwendet wird, um ein Hochenergieanwendungs-Reibmaterial zu bilden. Das Reibmaterial muss eine gute Scherfestigkeit aufweisen, sowohl wenn es während der Imprägnierung mit dem nassen Harz saturiert ist, als auch wenn es während des Gebrauchs mit Bremsflüssigkeit oder Kraftübertragungsöl saturiert ist.
Es ist auch wichtig, dass das Reibmaterial bei bestimmten Anwendungen eine hohe Porosität aufweist, so dass während des Gebrauchs eine hohe Fluiddurchdringung auftritt. Es ist somit wichtig, dass das Reibmaterial nicht nur porös ist, es muss auch kompressibel sein. Die in das Reibmaterial eingedrungenen Fluide müssen unter den während der Betätigung der Bremse oder der Kraftübertragung angelegten Drücken schnell aus dem Reibmaterial gepresst oder freigegeben werden können, wobei das Belagmaterial jedoch nicht kollabieren darf. Es ist auch wichtig, dass das Reibmaterial eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, um dazu beizutragen, die während der Betätigung der Bremse oder der Kraftübertragung erzeugte Hitze schnell zu dissipieren.
In anderen Reibmaterialien wurden metallische Fasern in Kombination mit Kohlenstoffmaterialien zur Verbesserung der Abnutzungsfestigkeit in das Reibmaterial eingeschlossen. Z. B. beschreibt Fujimaki et al. US Patent Nr. 4,451,590 ein Reibmaterial mit metallischen Fasern, Füllstoffen, Kohlenstoffteilchen, Kohlenstofffasern und Phenolharz. Die Reibmaterialien auf metallischer Basis weisen jedoch keine ausreichende Porosität und Kompressibilität auf, um im Gebrauch eine hohe Fluiddurchdringung zu erreichen. Die Reibmaterialien auf metallischer Basis sind auch nicht ausreichend federnd oder elastisch und dennoch resistent genug gegen bleibende Verformung, um hohen Belagdrücken von bis zu etwa 103 bar (1500 psi) (ungefähr 15 kg/cm²) widerstehen zu können. Das Reibmaterial auf metallischer Basis ist auch nicht dazu in der Lage, den hohen Oberflächengeschwindigkeiten von bis zu etwa 65 m/sec zu widerstehen, die während des Eingreifens und Entkoppelns der neuen Kraftübertragungs- und Bremssysteme erzeugt werden.
Andere neue Reibmaterialien haben versucht, das Fehlen von Asbestfasern durch die Zugabe von Zellulose oder Brei oder Fasern vom Aramid-Typ zu kompensieren. Diese Fasern vom Aramid-Typ haben jedoch Oberflächen mit relativ hohem Fibrillationsgrad, welche zulassen, dass die Fasern im Reibpapier eng verfilzt werden. Die verfilzten Fasern führen dazu, dass das resultierende Reibpapier dicht ist und weniger als die gewünschte Porosität aufweist, die für die neuen Hochenergie-Kraftübertragungssysteme notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem Reibmaterial, welches in der parallelen US-Anmeldung mit der Seriennr. 08/789,063, eingereicht am 28. Januar 1997 und inzwischen erteilt, offenbart ist, welches synthetische Graphit und keine Kohlenstofffasern oder Aktivkohleteilchen enthält. Die vorliegende Erfindung hat eine bessere Geräusch- oder Quietschresistenz aufgrund der Anwesenheit von Kohlenstofffasern.
Soweit bekannt, gibt es keine Offenbarung eines Reibmaterials zur Verwendung in Kraftübertragungssystemen, welches, in Kombination mit Kohlenstofffasern, Baumwollfasern und Kohlenstoffteilchen, eine Faser vom Aramid-Typ enthält, die einen geringeren Fibrillationsgrad aufweist als derzeit erhältliche Aramid-Fasern.
Dementsprechend ist es ein Ziel dieser vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Reibmaterial mit zuverlässigen und im Vergleich zu denen im Stand der Technik verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Reibmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit, Porösitätsfestigkeit und Geräuschresistenz bereitzustellen.
Als ein Ergebnis von umfangreicher Forschung in Hinblich auf den Bedarf an einem besseren Reibmaterial wurde durch die Erfindung ein Reibmaterial mit verbesserten Eigenschaften entwickelt. Das vorliegende nasse Reibmaterial ist in „nassen" Anwendungen nutzbar, bei denen das Reibmaterial „genässt" oder im Gebrauch mit einer Flüssigkeit wie z. B. einer Bremsflüssigkeit oder einer Automatikgetriebeflüssigkeit imprägniert wird. Während des Gebrauchs des „nassen" Reibmaterials wird das Fluid letztendlich aus dem Reibmaterial gepresst oder imprägniert dieses. Nasse Reibmaterialien unterscheiden sich sowohl in ihren Zusammensetzungen als auch ihren physikalischen Eigenschaften stark von „trockenen" Reibmaterialien.
Um die oben diskutierten Erfordernisse zu erfüllen, wurde viele Materialien hinsichtlich ihrer Reib- und Hitzebeständigkeitseigenschaften unter Bedingungen evaluiert, die den Bedingungen während des Gebrauchs ähnlich sind. Sowohl kommerziell erhältliche Bremsbeläge als auch Kraftübertragungsmaterialien wurden erforscht und erwiesen sich als nicht geeignet zur Verwendung in Hochenergieanwendungen.
Die vorliegende Erfindung ist besonders bei Bremsen und bei Kupplungsanwendungen verwendbar. Die vorliegende Erfindung stellt ein fibröses Basismaterial mit Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad, Baumwollfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffteilchen und wenigstens einem Füllstoff und, optional, anderen Inhaltsstoffen bereit.
Die Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad erzeugen ein poröses fibröses Basismaterial. Die Kohlenstofffasern versorgen das Reibmaterial mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, so dass das Reibmaterial die gewünschte Hitzeresistenz aufweist. Die Kohlenstoffteilchen versorgen das Reibmaterial ebenfalls mit guten Reibeigenschaften wie z. B. einem guten oder glatten „Gefühl" beim Schalten und einer im wesentlichen geräuschfreien oder „quietschfreien" Betätigung der Bremsen und Kupplungen. Die Anwesenheit einer kleinen Menge Baumwollfasern vermittelt dem Reibmaterial die gewünschten „Einfahr-" oder „break-in-" Eigenschaften, so dass beim ersten Einsatz des Reibmaterials wenig oder kein Zittern auftritt.
Das fibröse Basismaterial kann mit verschiedenen Harzsystemen imprägniert werden. In gewissen Ausführungsformen ist es nützlich, das fibröse Basismaterial mit einem Phenolharz oder einem modifizierten phenol-basierten Harz zu imprägnieren. In gewissen Ausführungsformen, bei denen ein Silikonharz mit einem Phenolharz in kompatiblen Lösungsmitteln gemischt wird und diese Silikon-Phenolharzmischung dazu verwendet wird, ein fibröses Basismaterial der vorliegenden Erfindung zu imprägnieren, wird ein besonders nützliches Hochenergie-Reibmaterial gebildet. Derartige Hochenergie-Reibmaterialien weisen eine hohe Reibstabilität und hohe Hitzeresistenz auf.
Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung verhindert ungleichförmige Belagabnutzung und somit die Bildung von „heißen Flecken" auf der Separatorplatte während der Nutzlebensdauer des Reibmaterials. Wenn es wenig ungleichförmige Abnutzung auf dem Reibmaterial gibt, ist die Wahrscheinlich größer, dass ein „stabiler Zustand" der Kupplung oder Bremskomponenten gehalten wird und somit eine konsistentere Leistung der Kupplung und Bremse erreicht wird. Ferner zeigt das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung gute Scherfestigkeit, so dass das Reibmaterial einer Delaminierung während des Gebrauchs widersteht.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun einige beispielhaft angegebene Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
1 einen Graph darstellt, der die Drehmomentkurve eines Reibmaterials der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2 einen Graph darstellt, der den Mittelpunkt-Reibkoeffizienten zeigt, wenn sich die Anzahl von Zyklen für ein Reibmaterial der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem Vergleichsreibmaterial erhöht.
Verschiedene bei der vorliegenden Erfindung nutzbare Harze sind Phenolharze und phenol-basierte Harze. Es versteht sich von selbst, dass verschiedene phenol-basierte Harze, die in der Harzmischung andere modifizierende Inhaltsstoffe wie z. B. Epoxid, Butadien, Silikon, Tungöl, Benzin, Cashewnussöl und dergleichen enthalten, auch bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. In den phenolisch-modifizierten Harzen ist das Phenolharz im allgemeinen mit etwa 50 oder mehr Gew.-% (ausschließlich Lösungsmittel) der Harzmischung vorhanden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in einigen Ausführungsformen die Reibmaterialien verbessert werden können, wenn die Imprägnierharzmischung etwa 5 bis etwa 80 Gew.-% und für einige Zwecke 15 bis etwa 55 Gew.-% und in gewissen Ausführungsformen etwa 15 bis etwa 25 Gew.-% Silikonharz enthält, bezogen auf das Gewicht der Silikon-Phenolmischung (ausschließlich Lösungsmittel und anderer Verarbeitungshilfsmittel).
Bei der vorliegenden Erfindung verwendbare Silikonharze sind z. B. thermisch-aushärtbare Silikondichtmittel und Silikongummis. Verschiedene Silikonharze sind bei der vorliegenden Erfindung verwendbar. Ein Harz insbesondere enthält Xylen und Acetylaceton (2,4-Pentandion). Das Silikonharz weist einen Siedepunkt von ungefähr 362°F (183°C), einen Dampfdruck bei 20°C (68°F) von 2,8 kPa (mm, Hg: 21), Dampfdichte (Luft = 1) von 4,8, vernachlässigbare Löslichkeit in Wasser, ein spezifisches Gewicht von etwa 1,09, Prozent flüchtige Stoffe nach Gewicht, 5% Verdampfungsgeschwindigkeit (Ether = 1), weniger als 0,1, Flammpunkt etwa 149°F (65°C) mit der Pensky-Martens-Methode auf. Es versteht sich von selbst, dass bei der vorliegenden Erfindung andere Silikonharze verwendet werden können. Andere verwendbare Harzmischungen enthalten z. B. ein geeignetes Phenolharz mit (in Gew.-%): etwa 55 bis etwa 60% Phenolharz; etwa 20 bis etwa 25% Ethylalkohol; etwa 10 bis etwa 14% Phenol; etwa 3 bis etwa 4% Methylalkohol; etwa 0,3 bis etwa 0,85% Formaldehyd; und etwa 10 bis etwa 20% Wasser. Andere geeignete phenol-basierte Harze umfassen (in Gew.-%): etwa 50 bis etwa 55% Phenol/Formaldehydharz; etwa 0,5% Formaldehyd; etwa 11% Phenol; etwa 30 bis etwa 35% Isopropanol; und etwa 1 bis etwa 5% Wasser.
Es hat sich auch gezeigt, dass ein anderes nützliches Harz ein Epoxidmodifiziertes Phenolharz ist, welches etwa 5 bis etwa 25 Gew.-% und vorzugsweise etwa 10 bis etwa 15 Gew.-% einer Epoxidverbindung enthält, wobei der Rest (ausschließlich Lösungsmittel und anderer Verarbeitungshilfsmittel) Phenolharz ist. Die Epoxid-Phenolharz-Verbindung vermittelt dem Reibmaterial in gewissen Ausführungsformen eine höhere Hitzeresistenz als Phenolharz alleine.
In gewissen Ausführungsformen wird bevorzugt, dass die angestrebte Aufnahme von Harz durch das fibröse Basismaterial im Bereich zwischen etwa 40 und etwa 65% und in einigen Ausführungsformen zwischen etwa 60 und wenigstens 65 Gew.-% gesamtes Silikon-Phenolharz liegt. Nachdem das fibröse Basismaterial mit dem Harz imprägniert wurde, wird das fibröse Basismaterial bei Temperaturen zwischen 300 und 400°C für eine gewisse Zeitdauer gehärtet (in gewissen Ausführungsformen etwa ½ Std.), um das Harzbindemittel zu härten und das Reibmaterial zu bilden. Die Enddicke des Reibmaterials hängt von der Anfangsdicke des fibrösen Basismaterials ab und legt in gewissen Ausführungsformen vorzugsweise zwischen etwa 0,36 und etwa 1,0 mm (0,014 in bis etwa 0,040 in).
Es wird ferner überlegt, dass andere Inhaltsstoffe und Verarbeitungshilfsmittel, von denen man weiß, dass sie sowohl bei der Herstellung von Harzmischungen als auch bei der Herstellung von imprägnierten fibrösen Basismaterialien nutzbar sind, in dem Reibmaterial enthalten sein können.
Bei den Ausführungsformen, bei denen ein Phenolharz und ein Silikonharz verwendet wird, wird keine neue Verbindung gebildet, wenn das Silikonharz und das Phenolharz miteinander gemischt werden. Tabelle 1 zeigt die herausragenden FT-IR-Peaks in Wellenzahlen für ein gehärtetes Silikonharz, ein gehärtetes Phenolharz, eine 50/50-Mischung aus Silikonharz und Phenolharz, welche gehärtet wurde. Wie man sehen kann, treten in der 50/50-Silikon-Phenolmischung keine neuen Peaks auf und die vorhandenen Peaks geben die Anwesenheit von sowohl Silikonharz als auch Phenolharz wieder. Somit ist gezeigt, dass die Harze getrennt aushärten und dass keine neue Verbindung gebildet wird.
Tabelle 1 HERAUSRAGENDE FT-IR-PEAKS IN WELLENZAHLEN
Sowohl das Silikonharz als auch das Phenolharz sind in Lösungsmitteln vorhanden, die miteinander kompatibel sind. Diese Harze werden (in bevorzugten Ausführungsformen) miteinander gemischt, bilden eine homogene Mischung und werden dann dazu verwendet, ein fibröses Basismaterial zu imprägnieren. Es ergibt nicht das gleiche Ergebnis, wenn ein fibröses Basismaterial mit einem Phenolharz und anschließend mit einem Silikonharz imprägniert wird oder umgekehrt. Es gibt auch einen Unterschied zwischen einer Mischung aus einer Silikon-Phenolharzlösung und Emulsionen aus Silikonharzpulver und/oder Phenolharzpulver. Wenn Silikonharze und Phenolharze in Lösung sind, härten sie gar nicht aus. Im Gegensatz dazu werden Pulverteilchen von Silikonharzen und Phenolharzen teilweise gehärtet. Die teilweise Aushärtung der Silikonharze und des Phenolharz verhindert eine gute Imprägnierung des fibrösen Basismaterials.
In gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das fibröse Basismaterial mit einer Mischung aus einem Silikonharz in einem Lösungsmittel imprägniert, welches mit dem Phenolharz und seinem Lösungsmittel kompatibel ist. Bei einer Ausführungsform hat man herausgefunden, dass Isopropanol ein besonders geeignetes Lösungsmittel ist. Es versteht sich jedoch von selbst, dass verschiedene andere geeignete Lösungsmittel, wie z. B. Ethanol, Methylethylketon, Butanol, Isopropanol, Toluen und dergleichen bei der Ausführung dieser Erfindung verwendet werden können. Die Gegenwart eines Silikonharzes, wenn es mit einem Phenolharz gemischt ist und dazu verwendet wird, ein fibröses Basismaterial zu imprägnieren, führt dazu, dass die resultierenden Reibmaterialien elastischer sind als fibröse Basismaterialien, die nur mit einem Phenolharz imprägniert wurden. Wenn Drücke an das mit der Silikon-Phenolharzmischung imprägnierte Reibmaterial der vorliegenden Erfindung angelegt werden, gibt es eine gleichmäßigere Druckverteilung, die ihrerseits die Wahrscheinlichkeit von ungleichmäßiger Belagabnutzung verringert. Nachdem das Silikonharz und das Phenolharz miteinander gemischt wurden, wird die Mischung dazu verwendet, ein fibröses Basismaterial zu imprägnieren.
Eine größere Elastizität des Reibmaterials erlaubt eine gleichmäßigere Hitzedissipierung während des Gebrauchs des Reibmaterials, da das Fluid in dem Getriebe oder der Bremse schneller durch die poröse Struktur des Reibmaterials fließen kann. Ferner sorgt die erhöhte Elastizität für einen gleichmäßigeren Druck oder sogar Druckverteilung auf dem Reibmaterial, so dass es keine ungleichmäßige Belagabnutzung oder „heiße Flecke" auf der Separatorplatte gibt.
Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung weist eine gute Dauerhaftigkeit und eine hohe Delaminierungsbeständigkeit auf. Die Scherfestigkeit (psi) des Reibmaterials der vorliegenden Erfindung ist größer als bei herkömmlichen Reibmaterialien. Die Verwendung von Fasern mit niedrigem Fibrillationsgrad und Kohlenstofffasern führt zu einer Porenstruktur des Reibmaterials, die ihrerseits eine erhöhte Hitzebeständigkeit des Reibmaterials liefert. Die Fasergeometrie bietet nicht nur erhöhte Hitzbeständigkeit, sondern auch Delaminierungsbeständigkeit und Quietsch- oder Geräuschresistenz. Die Gegenwart der Kohlenstofffasern und Kohlenstoffteilchen hilft dabei, die Hitzebeständigkeit zu erhöhen und dabei einen gleichmäßigen Reibkoeffizienten zu halten und die Quietschresistenz zu erhöhen.
Verschiedene Verfahren zur Imprägnierung von Materialien können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das fibröse Basismaterial wird mit dem Phenolharz oder modifizierten Phenolharz imprägniert, vorzugsweise derart, dass das Imprägnierharzmaterial etwa 45 bis etwa 65 Gew.-% pro 100 Gew.-% des Reibmaterials enthält. Nachdem das fibröse Basismaterial mit dem Harz imprägniert wurde, wird das imprägnierte fibröse Basismaterial für eine vorbestimmte Zeitdauer auf eine gewünschte Temperatur erhitzt, um das Reibmaterial zu bilden. Das Erhitzen härtet das Phenolharz bei einer Temperatur von etwa 149°C (300°F) aus. Wenn andere Harze vorhanden sind, wie z. B. ein Silikonharz, härtet das Erhitzen das Silikonharz bei einer Temperatur von etwa 204°C (400°F) aus. Danach wird das imprägnierte und gehärtete Reibmaterial durch geeignete Mittel an dem gewünschten Substrat befestigt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein fibröses Basismaterial, welches Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad, Kohlenstoffteilchen, Baumwollfasern, Kohlenstofffasern und wenigstens ein Füllstoff enthält, die miteinander kombiniert werden, um ein papierähnliches fibröses Basismaterial zu bilden. Es versteht sich von selbst, dass man verschiedene Verfahren zur Bildung von fibrösem Basismaterial als verwendbar bei der Herstellung des fibrösen Basismaterials der vorliegenden Erfindung betrachtet. Der Erfinder hat herausgefunden, dass die Verwendung von Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad und Kohlenstofffasern in einem fibrösen Basismaterial die Fähigkeit des Reibmaterials erhöht, hohen Temperaturen zu widerstehen. Der Erfinder hat auch herausgefunden, dass eine relativ geringe Menge an Baumwollfasern im fibrösen Basismaterial die Kupplungs-„Einfahr-" oder „break-in"-Eigenschaften des Reibmaterials verbessert.
Obgleich verschiedene Reibbelagmaterialien die Verwendung von Aramidfasern offenbaren, war es bis zur vorliegenden Erfindung nicht bekannt, ein Reibmaterial zu verwenden, welches Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad enthält, die im allgemeinen wenige an einer Kernfaser befestigte Fibrillen enthalten. Die Verwendung von Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad sorgt für ein Reibmaterial mit einer poröseren Struktur; d. h. es gibt mehr und größere Poren, als wenn eine typische Aramidfaser mit normalem Fibrillationsgrad verwendet wird. Die poröse Struktur wird im allgemeinen durch die Porengröße und die Flüssigkeitsdurchlässigkeit definiert. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das fibröse Basismaterial Poren, deren mittlere Durchschnittsgröße zwischen etwa 2,0 und etwa 15 μm Durchmesser liegt. In gewissen Ausführungsformen liegt die mittlere Porengröße zwischen etwa 2,5 und etwa 4 μm im Durchmesser und das Reibmaterial weist leicht zugängliche Lufthohlräume von wenigstens etwa 50% auf, und in einigen Ausführungsformen wenigstens etwa 60% oder mehr.
Der höhere mittlere Flussporendurchmesser und die Durchlässigkeit zeigen an, dass das Reibmaterial wahrscheinlich kühler läuft oder in einem Getriebe aufgrund des besseren Materialstroms aus Automatikgetriebeflüssigkeit durch die poröse Struktur des Reibmaterials weniger Hitze erzeugt. Im Betrieb eines Kraftübertragungssystems entwickeln sich mit der Zeit aufgrund eines Abbaus der Automatikgetriebeflüssigkeit tendenziell Ölablagerungen auf der Oberfläche des Reibmaterials, besonders bei hohen Temperaturen. Die Ölablagerungen auf den Fasern verkleinern die Porenöffnungen. Wenn ein Reibmaterial somit zunächst mit größeren Poren beginnt, so verbleiben während der Nutzlebensdauer des Reibmaterials mehr offene Poren. Außerdem erlaubt das Silikonharz in Ausführungsformen, die wenigstens teilweise mit einem Silikonharz imprägniert sind, aufgrund seiner elastischen Eigenschaften, dass die Fasern in dem Reibbelag eine offenere Struktur aufweisen.
Die Länge der Faser mit niedrigem Fibrillationsgrad liegt zwischen etwa 0,5 und etwa 6 mm und weist eine Canadian Standard Freeness (CSF) von mehr als etwa 450 und in einigen Ausführungsformen etwa 500 bis etwa 550 und in anderen besonderen Ausführungsformen von etwa 580 bis 640 und besonders bevorzugten Ausführungsformen etwa 620 bis 640 auf. Im Gegensatz dazu weisen Fasern mit höherem Fibrillationsgrad, wie z. B. Aramidpulpe, eine Entwässerungsfähigkeit von etwa 285 bis 290 auf.
Die „Canadian Standard Freeness" (T227 om-85) bedeutet, dass der Fibrillationsgrad von Fasern als Maß der Entwässerungsfähigkeit (auch Stoffdurchlässigkeit, Mahlgrad, auf Englisch „freeness") der Fasern beschrieben werden kann. Der CSF-Test ist ein empirisches Verfahren, welches einen willkürlichen Wert der Geschwindigkeit angibt, mit welchem eine Suspension von 3 g Fasern in einem Liter Wasser trocknen kann. Somit weisen Aramidfasern mit niedrigerem Fibrillationsgrad eine höhere Entwässerungsfähigkeit oder eine höhere Drainagegeschwindigkeit des Fluids aus dem Reibmaterial auf, als andere Aramidfasern oder -pulpe. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass Reibmaterialien mit Aramidfasern mit einem CSF im Bereich zwischen etwa 530 und 650, vorzugsweise etwa 580 bis 640 und besonders bevorzugt etwa 620 bis 644 eine ausgezeichnete Reibleistung liefern und bessere Materialeigenschaften aufweisen, als Reibmaterialien, die herkömmlicherweise Aramidfasern mit höherem Fibrillationsgrad enthalten. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die längere Faserlänge, zusammen mit der hohen Canadian Freeness, ein Reibmaterial mit einer hohen Festigkeit, hohen Porosität und guter Abnutzungsresistenz liefern. Die Aramidfasern mit geringerem Fibrillationsgrad (CSF etwa 580 bis 640) haben besonders gute Langzeitdauerhaftigkeit und stabile Reibkoeffizienten.
Je poröser die Struktur des Reibmaterials ist, desto effizienter ist die Wärmedissipation. Der Ölfluss in und aus dem Reibmaterial während des Eingriffs des Reibmaterials im Gebrauch geschieht schneller, wenn das Reibmaterial porös ist.
Bis zur vorliegenden Erfindung war nicht bekannt, Kohlenstoffteilchen und Kohlenstofffasern in ein fibröses Basismaterial mit Aramidfasern mit geringem Fibrillationsgrad einzuschließen. Die Verwendung der Kohlenstoffteilchen und Kohlenstofffasern im fibrösen Basismaterial sorgt für eine dreidimensionale Struktur des fibrösen Basismaterials. Man hat ferner entdeckt, dass die Fasern mit niedrigem Fibrillationsgrad, Kohlenstoffteilchen, Kohlenstofffasern und Füllstoffe die Porenstruktur des fibrösen Basismaterials derart verbessern, dass es im fibrösen Basismaterial mehr poröse Öffnungen gibt. Die erhöhte Porosität erhöht auch die Elastizität des Reibmaterials. Ein niedriger Fibrillationsgrad der Aramidfasern mit geringem Fibrillationsgrad führt dazu, dass das Reibmaterial eine porösere Struktur aufweist.
In gewissen Ausführungsformen wird bevorzugt, dass die Größe und Geometrie der Kohlenstoffteilchen im Bereich zwischen etwa 20 und etwa 50 μm liegt. In diesen gewissen Ausführungsformen hat sich gezeigt, dass es, wenn die Kohlenstoffteilchengröße zu groß oder zu klein ist, nicht die optimale dreidimensionale Struktur gibt und die Hitzebeständigkeit somit nicht optimal ist.
Verschiedene Füllstoffe werden auch in dem fibrösen Basismaterial der vorliegenden Erfindung verwendet. Insbesondere sind Silica-Füllstoffe, wie z. B. Diatomeenerde, verwendbar. Man erwägt jedoch, dass auch andere Füllstofftypen für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind und dass der gewählte Füllstoff von den besonderen Erfordernissen des Reibmaterials abhängt.
Baumwollfaser wird dem fibrösen Basismaterial der vorliegenden Erfindung beigegeben, um dem fibrösen Basismaterial höhere Reibkoeffizienten zu geben. In gewissen Ausführungsformen kann dem fibrösen Basismaterial etwa 5 bis etwa 20% und in gewissen Ausführungsformen etwa 10% Baumwolle beigegeben werden.
Ein Beispiel einer Formulierung eines fibrösen Basismaterials umfasst etwa 10 bis etwa 50 Gew.-% einer Aramidfaser mit geringem Fibrillationsgrad; etwa 10 bis etwa 35 Gew.-% Aktivkohleteilchen, etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% Baumwollfasern, etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% Kohlenstofffasern und etwa 10 bis etwa 35 Gew.-% eines Füllstoffs. In gewissen Ausführungsformen wurde eine besondere Formulierung als nützlich entdeckt, die etwa 35 bis etwa 45 Gew.-% Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad, etwa 10 bis etwa 20 Gew.-% Aktivkohleteilchen, etwa 5 bis etwa 15% Baumwollfasern, etwa 2 bis etwa 10 Gew.-% Kohlenstofffasern und etwa 25 bis etwa 35 Gew.-% Füllstoffe enthält.
Die folgenden Beispiele beweisen weiter, dass das fibröse Basismaterial und Reibmaterial der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Reibmaterialien darstellt. Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den folgenden Beispielen beschrieben, die jedoch nicht dazu gedacht sind, den Schutzbereich der Erfindung einzuschränken.
1 zeigt den Mittelpunkt-Reibkoeffizienten für das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichs-Hochenergie-Reibmaterial. Das fibröse Basismaterial umfasst etwa 40 Gew.-% Aramidfasern mit geringem Fibrillationsgrad, etwa 15 Gew.-% Kohlenstoffteilchen, etwa 10 Gew.-% Baumwollfaser; etwa 5 Gew.-% Kohlenstofffasern und etwa 30 Gew.-% Füllstoff. Der Reibkoeffizient des Reibmaterials der vorliegenden Erfindung bleibt relativ stabil, wenn sich die Anzahl Zyklen erhöht, und demonstriert dadurch die hohe Reibstabilität des Reibmaterials. Es gibt kein Abfallen des Reibkoeffizienten bei dem fibrösen Basismaterial der vorliegenden Erfindung, wenn sich die Zykluszahl erhöht. Ein relativ stabiler Reibkoeffizient zeigt auch an, dass das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung sehr stabil ist.
2 zeigt die Drehmomentkurvenform, welche anzeigt, dass das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung besonders bei Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit, hoher Energie und hoher Temperatur nützlich ist. Die stabile Drehmomentkurve zeigt auch, dass das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung geräuschfrei ist.
Wie man sehen kann, ist das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung konsistent besser als das Vergleichsmaterial. Das fibröse Basismaterial der vorliegenden Erfindung bietet somit bei höheren Geschwindigkeiten eine viel bessere Leistung als das Vergleichsmaterial.
Die untenstehende Tabelle 2 zeigt, dass das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung eine gute Geräusch- oder Quietschresistenz aufweist und die Bedürfnisse des Endbenutzers erfüllt.
ZUSAMMENFASSUNG DER QUIETSCHTEST-DATEN Testverfahren: 961A Fluid: B Öl Maschine: Full Pack
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann als Hochenergie-Reibmaterial bei Kupplungsscheiben, Kraftübertragungsriemen, Bremsschuhen, Synchronisierringen, Reibscheiben oder Systemplatten verwendet werden.
Die obige Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung soll nur illustrativ sein und nicht den Schutzbereich und Inhalt der folgenden Ansprüche einschränken.

Claims

Fibröses Basismaterial zur Verwendung in einem nicht-asbesthaltigen, nicht-metallischen Reibmaterial, welches mehrere Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad und einer Entwässerungsfähigkeit von mehr als 450 auf dem Canadian Standard Freeness (CSF) Index, Baumwollfasern, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffteilchen und wenigstens einen Füllstoff enthält.
Fibröses Basismaterial nach Anspruch 1, bei welchem die Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad eine Entwässerungsfähigkeit von wenigstens etwa 530 auf dem CSF-Index aufweisen.
Fibröses Basismaterial nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad durchschnittliche Faserlängen im Bereich zwischen 0,5 mm und 6 mm aufweisen.
Fibröses Basismaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das fibröse Basismaterial Poren mit einer mittleren Durchschnittsgröße von etwa 2,0 bis etwa 15 μm im Durchmesser aufweist.
Fibröses Basismaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das nicht-asbesthaltige, nicht-metallische Reibmaterial leicht zugängliche Lufthohlräume von wenigstens etwa 50% aufweist.
Fibröses Basismaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches 10 bis etwa 50 Gew.-% Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad; etwa 10 bis etwa 35 Gew.-% Kohlenstoffteilchen; etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% Baumwollefasern; etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% Kohlenstofffasern und etwa 10 bis etwa 35 Gew.-% Füllstoff enthält.
Nicht-asbesthaltiges Reibmaterial, welches das fibröse Basismaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält und mit einem Phenolharz oder einem modifizierten Pholharz imprägniert ist.
Nicht-asbesthaltiges, nicht-metallisches Reibmaterial, welches das fibröse Basismaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6 enthält und mit einer Mischung aus phenolischem Harz und einem Silikonharz imprägniert ist, wobei die Menge an Silikonharz in der Mischung zwischen ungefähr 5 bis ungefähr 80 Gew.-% mit Bezug auf das Gewicht der Mischung liegt und das Reibmaterial eine hohe Hitzebeständigkeit und einen im wesentlichen gleichförmigen Reibungskoeffizienten aufweist.
Reibmaterial nach Anspruch 8, bei welchem das Phenolharz in einem Lösungsmittelmaterial vorhanden ist, welches mit dem Lösungsmittelmaterial des Phenolharzes kompatibel ist.
Reibmaterial nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei welchem die Menge an Silikonharz, welches in der Mischung aus Silikon- und Phenoliharz vorhanden ist, im Bereich zwischen etwa 20 und etwa 35 Gew.-% liegt, bezogen auf das Gewicht der Mischung.
Verfahren zur Herstellung eines nicht-asbesthaltigen, nicht metallischen Reibmaterials, bei welchem Aramidfasern mit niedrigem Fibrillationsgrad und einer Entwässerungsfähigkeit von mehr als 450 auf dem Canadian Standard Freeness (CSF) Index mit Kohlenstoffteilchen, Baumwollfasern und wenigstens einem Füllstoff gemischt werden, um ein fibröses Basismaterial zu bilden, das fibröse Basismaterial mit einem Phenolharz oder einem modifizierten Phenolharz imprägniert wird, und danach das imprägnierte fibröse Basismaterial bei einer vorbestimmten Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Aramidfasern mit geringem Fibrillationsgrad eine Entwässerungsfähigkeit von wenigstens etwa 530 auf dem Canadian Standard Freeness (CSF) Index aufweisen.