DE69831821T2

DE69831821T2 - Hochleitungs-zweischichtigesreibungsmaterial

Info

Publication number: DE69831821T2
Application number: DE1998631821
Authority: DE
Inventors: Robert Chi-Chiu Lam; Mark A. Yesnik
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: EP0854305A1; EP0854305B1; KR19980070229A; KR100571527B1; US5775468A; JP4074364B2; DE69831821D1; JPH10204415A

Description

Diese Erfindung betrifft ein zweischichtiges Hochleistungsmaterial auf Faserbasis gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10. Dieses Material und dieses Verfahren sind aus der EP-A-0 669 482 bekannt. Das Material auf Faserbasis besitzt eine primäre Schicht und eine sekundäre Schicht, die während eines Nasspapierherstellungsprozesses miteinander verschweißt werden. Das zweischichtige Material auf Faserbasis ist als Reibmaterial geeignet.
Das zweischichtige Reibmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt verbesserte Widerstandseigenschaften gegenüber dynamischer Reibung und gegenüber Verschleiß. Es besitzt eine bessere Haltbarkeit und ist in der Herstellung kostengünstiger als herkömmliche Einschicht-Reibmaterialien.
Von der Automobilindustrie werden neue und weiterentwickelte Getriebesysteme und Bremssysteme entwickelt. Diese neuen Systeme sind oft mit hohen Energieanforderungen verbunden. Daher müssen auch entsprechende Reibmaterialien entwickelt werden, um diesen erhöhten Energieanforderungen dieser weiterentwickelten Systeme gerecht zu werden.
Insbesondere wird ein neuartiges Reibmaterial vom Hochenergietyp benötigt. Dieses neue Reibmaterial vom Hochenergietyp muss in der Lage sein, hohe Geschwindigkeiten auszuhalten, wobei Oberflächengeschwindigkeiten bis zu etwa 65 m/sec auftreten. Des weiteren muss das Reibmaterial in der Lage sein, hohe Belagflächendrücke bis zu etwa 1.500 psi auszuhalten. Es ist ferner von Bedeutung, dass das Reibmaterial unter begrenzten Schmierbedingungen einsetzbar ist.
Das Reibmaterial muss haltbar sein und eine hohe Hitzefestigkeit besitzen, damit es in weiterentwickelten Getriebe- und Bremssystemen eingesetzt werden kann. Es muss nicht nur bei hohen Temperaturen ein stabiles Verhalten zeigen, sondern es muss auch in der Lage sein, die große Hitze, die während der Betriebsbedingungen erzeugt wird, rasch zu vernichten.
Die hohen Geschwindigkeiten, die während des Einrückens und Ausrückens der neuen Getriebe- und Bremssysteme erzeugt werden, bedeuten, dass ein Reibmaterial in der Lage sein muss, eine relativ konstante Reibung über den Eingriff aufrechtzuerhalten. Es ist wichtig, dass der Reibeingriff über einen breiten Bereich von Geschwindigkeiten und Temperaturen relativ konstant ist, um ein „Zittern" der Materialien während des Bremsens oder im Getriebesystem während der Kraftübertragung von einem Zahnrad auf das andere zu minimieren.
Aus Temperaturbeständigkeitsgründen wurden bislang Asbestfasern in das Reibmaterial eingearbeitet. Beispielsweise beschreibt die US-PS 3 270 846 Phenolharze und phenolmodifizierte Harze, die zusammen mit Asbest verwendet werden. Heutzutage wird jedoch aufgrund von Gesundheits- und Umweltproblemen kein Asbest mehr verwendet. Bei neueren Reibmaterialien hat man versucht, das Fehlen von Asbest im Reibmaterial zu kompensieren, indem man das Imprägnierpapier oder die Fasermaterialien mit Phenolharzen oder phenolmodifizierten Harzen modifiziert hat. Diese Reibmaterialien führen jedoch nicht rasch genug die erzeugte große Wärme ab und weisen nicht die erforderliche Hitzefestigkeit und einen zufriedenstellend hohen Reibungskoeffizienten auf, die nunmehr in den gegenwärtig entwickelten Hochgeschwindigkeitssystemen benötigt werden.
Reibmaterialien werden oft „nass" verwendet, wobei das Reibmaterial mit einer Flüssigkeit, wie einem Bremsmittel oder einem Fluid für ein automatisches Getriebe, während des Gebrauches „benetzt" oder imprägniert wird. Während der Verwendung des „nassen" Reibmateriales wird das Fluid schließlich aus dem Reibmaterial herausgequetscht oder imprägniert dasselbe. Nasse Reibmaterialien unterscheiden sich sowohl in bezug auf ihre Zusammensetzungen als auch in bezug auf ihre physikalischen Eigenschaften stark von „trocknen" Reibmaterialien.
Damit die Reibmaterialien für „nasse" Anwendungsfälle geeignet sind, müssen sie eine große Vielzahl von akzeptablen Eigenschaften besitzen. Das Reibmaterial muss nachgiebig oder elastisch, jedoch widerstandsfähig gegenüber Druck belastung, Abrasion und Spannungen sein, eine große Hitzefestigkeit besitzen und in der Lage sein, Wärme rasch abzuführen. Es muss ferner ein lange andauerndes, beständiges und konsistentes Reibungsverhalten besitzen. Wenn eine dieser Eigenschaften nicht vorhanden ist, wird kein optimales Verhalten des Reibmateriales erreicht.
Es ist somit wichtig, dass ein geeignetes Reibbelagmaterial oder Material auf Faserbasis verwendet wird, um ein Hochenergie-Reibmaterial zu formen. Das Reibmaterial muss eine gute Scherfestigkeit sowohl dann, wenn es mit dem nassen Harz während der Imprägnierung gesättigt ist, als auch bei Sättigung mit Bremsmittel oder Getriebeöl während des Gebrauches besitzen.
Es ist auch wichtig, dass bei bestimmten Anwendungsfällen das Reibmaterial eine große Porosität besitzt, so dass im Gebrauch eine hohe Fluidpermeationskapazität vorhanden ist. Es ist daher wichtig, dass das Reibmaterial nicht nur porös ist, sondern es muss auch kompressibel sein. Die in das Reibmaterial eingedrungenen Fluide müssen rasch aus dem Reibmaterial unter den Drücken, die während des Betriebes der Bremse oder des Getriebes auftreten, herausgequetscht oder freigegeben werden können. Trotzdem darf das Belagmaterial nicht kollabieren. Es ist des weiteren von Bedeutung, dass das Reibmaterial eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, um zu einer raschen Abführung der während des Betriebes der Bremse oder des Getriebes erzeugten Wärme beizutragen.
Reibmaterialien, die diesen Anforderungen gerecht werden, besitzen oft ein Material auf Faserbasis, das Fasern vom Aramidtyp aufweist. Diese Fasern und andere Bestandteile, die im Material auf Faserbasis verwendet werden, sind jedoch teuer, wodurch die Kosten des Reibmateriales ansteigen.
Soweit bekannt, ist kein Reibmaterial zur Verwendung in Getriebesystemen bekannt, das zwei Schichten aus Materialien auf Faserbasis aufweist, die eine ausreichende Festigkeit besitzen, so dass sie für Hochenergie-Anwendungsfälle geeignet sind. Die EP 0 669 482 beschreibt einen Reibbelag, der aus einem porösen Verbundsubstrat und einer synthetischen Reibschicht konstruiert ist.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Reibmaterial zu schaffen, das im Vergleich zu den Reibmaterialien des Standes der Technik zuverlässige und verbesserte Eigenschaften besitzt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung von Reibmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit, Porosität und Festigkeit.
Als Ergebnis von ausgedehnten Forschungen im Hinblick auf den Bedarf nach einem besseren Reibmaterial wurde nunmehr ein Reibmaterial mit verbesserten Eigenschaften entwickelt.
Um den vorstehend genannten Anforderungen gerecht zu werden, wurden viele Materialien in bezug auf ihre Reibungs- und Hitzefestigkeitseigenschaften unter Bedingungen aus gewertet, die denen während des Betriebes entsprechen. Dabei wurden handelsübliche Bremsbeläge und Getriebematerialien untersucht, die sich jedoch nicht als für Hochenergieanwendungsfälle geeignet erwiesen haben. Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für Bremsen und Kupplungen. Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Material auf Faserbasis vor, das zwei Materialschichten aufweist.
Dieses zweischichtige Material auf Faserbasis besitzt eine erste oder untere Schicht und eine zweite oder obere Schicht benachbart zur ersten Schicht. Die zweite Schicht enthält hochtemperaturfeste Fasern und Papierformmaterialien mit hoher Festigkeit, wie beispielsweise Füllermaterialien und/oder reibungsmodifizierende Partikel. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist die erste Schicht elastischer und kann mehr Öl absorbieren als die zweite Schicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die primäre Schicht stark porös, nichtlinear elastisch und besitzt eine niedrige bleibende Verformung nach Druckbeanspruchung, während die sekundäre Schicht eine für eine hohe Temperatur und hohe Energie geeignete Formulierung mit geringer bleibender Verformung nach Druckbeanspruchung hat.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das zweischichtige Material auf Faserbasis, das mit mindestens einem geeigneten Harz imprägniert ist, um ein Reibmaterial zu formen. Das zweischichtige Reibmaterial ist besonders geeignet als Reibmaterial für Kupplungsreibscheiben, Bän der, Synchronisationsringe und entsprechenden Reibprodukte von Getrieben.
Das Material auf Faserbasis kann unter Verwendung von unterschiedlichen Harzsystemen imprägniert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es von Nutzen, das Material auf Faserbasis mit einem Phenolharz oder einem Harz auf modifizierter Phenolharzbasis zu imprägnieren. Es wurde nunmehr festgestellt, dass bei bestimmten Ausführungsformen ein Hochenergie-Reibmaterial geformt wird, wenn ein Siliconharz mit einem Phenolharz in kompatiblen Lösungsmitteln vermischt und dieses Siliconharz-Phenolharz-Gemisch zum Imprägnieren eines Materiales auf Faserbasis der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein derartiges Hochenergie-Reibmaterial besitzt eine hohe Reibungsbeständigkeit und eine hohe Hitzefestigkeit.
Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung verhindert einen ungleichmäßigen Belagverschleiß und damit die Ausbildung von „heißen Flecken" auf der Trennplatte, die sich während der nutzbaren Lebensdauer des Reibmateriales entwickeln. Wenn nur ein geringer ungleichmäßiger Verschleiß auf dem Reibmaterial vorhanden ist, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass ein „stetiger Zustand" der Kupplungs- oder Bremsenkomponente und daher ein beständigeres Verhalten der Kupplung und Bremse aufrechterhalten wird. Des weiteren besitzt das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung eine gute Scherfestigkeit, so dass es einer Delamination während des Gebrauches widersteht.
Die Schichten des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis werden während eines Nasspapierherstellungsprozesses miteinander verbunden. Es wird eine primäre oder untere Schicht des Reibmateriales geformt, die Fasern und/oder Füllmaterialien und/oder Reibpartikel enthält. Eine sekundäre oder obere Schicht des Reibmateriales enthält Fasern und/oder Füllmaterialien und/oder Reibpartikel und wird auf der Oberseite der primären Schicht ausgebildet. Die sekundäre Schicht besitzt eine Reibmaterialformulierung, die für optimale Verhaltenseigenschaften während des Gebrauches sorgt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die sekundäre Schicht von etwa 2 % bis etwa 50 % der Gesamtdicke des kombinierten zweischichtigen Materiales auf Faserbasis ausmachen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die sekundäre Schicht eine Zusammensetzung aufweisen, die sich von der der primären Schicht unterscheidet, und/oder kann die gleiche Zusammensetzung, jedoch unterschiedliche Dichten aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die sekundäre Schicht Bestandteile, die so ausgewählt sind, dass sie die Verhaltensanforderungen eines speziellen Endgebrauches erfüllen. Die Bestandteile der primären Schicht sind so ausgewählt, dass sie die Eigenschaften der oberen Schicht ergänzen. Die richtige Auswahl der Bestandteile der sekundären und primäre Schicht beeinflusst die Eigenschaften des Reibmateriales. Solche Eigenschaften, wie Haltbarkeit, Reibungsverschleiß, Schmierfähigkeit, Permeabilität, Elastizität und andere verwandte Eigenschaften, werden durch die Verwendung des zweischichtigen Materiales der vorliegenden Erfindung verbessert.
Das zweischichtige Reibmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt physikalische Eigenschaften, die mit einem einschichtigen Reibmaterial nicht erzielt werden können. Das zweischichtige Reibmaterial der vorliegenden Erfindung wird dann mit einem Harz gesättigt, das so ausgewählt ist, dass es die Reibeigenschaften des zweischichtigen Materiales verbessert. Das zweischichtige Material der vorliegenden Erfindung besitzt im Vergleich zu einschichtigen Reibmaterialien eine verbesserte Haltbarkeit und sehr gute Reibeigenschaften.
Es wird nunmehr auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, von denen zeigen:
1 eine allgemein schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines zweischichtigen Reibmateriales;
2 eine Schnittansicht entlang Linie 2-2 in 1, die generell ein zweischichtiges Reibmaterial zeigt;
3 ein Diagramm eines Vergleiches des dynamischen Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für die Vergleichsprobe 3 und die Beispiele G und H;
4 ein Diagramm eines Vergleiches des dynami schen Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für die Vergleichsproben 3, 4 und 5 und Beispiel I;
5 ein Diagramm eines Vergleiches des dynamischen Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für die Vergleichsprobe 3 und Beispiel I;
6 ein Diagramm eines Vergleiches der statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für Beispiel J;
7 ein Diagramm eines Vergleiches der statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für Beispiel K;
8 ein Diagramm eines Vergleiches der statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für Beispiel L;
9 ein TGA-Diagramm, das den Prozentsatz des Gewichtsverlustes bei einem Temperaturanstieg, die Änderung des Derivatgewichtes (%1°C) und die Menge und den Prozentsatz des Restes für Beispiel N zeigt;
10 ein Diagramm, das die bleibende Verformung nach Druckbeanspruchung und die Dauerverformung für ein nichtkomprimiertes Reibmaterial, das dem mit einem Phenolharz imprägnierten Vergleichsbeispiel 8 entspricht, zeigt;
11 ein Diagramm, das die bleibende Verformung nach Druckbeanspruchung und die Dauerverformung für ein nichtkomprimiertes Reibmaterial, das dem mit einem Phenolharz imprägnierten Vergleichsbeispiel 9 entspricht, zeigt;
12 ein Diagramm, das die bleibende Verformung nach Druckbeanspruchung und die Dauerverformung für ein nichtkomprimiertes Reibmaterial, das dem mit einem Phenolharz imprägnierten Vergleichsbeispiel N entspricht, zeigt; und
13 ein Diagramm, das einen Vergleich des Reibungskoeffizienten bei einem Anstieg der Zahl der Zyklen für Vergleichsbeispiel 8 und Beispiel N zeigt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweischichtiges Material auf Faserbasis geschaffen, das umfasst: eine sekundäre oder obere Schicht, die mit einer primären oder unteren Schicht haftend verbunden ist, wobei die primäre Schicht nichtlineare elastische Fasern, Baumwollfasern und Füllermaterial aufweist, die sekundäre Schicht Aramidfasern, wahlweise synthetischen Graphit, wahlweise Füllermaterial und wahlweise Verarbeitungshilfen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Schicht des weiteren Baumwollfasern und poröse Kohlenstoffteilchen aufweist. Das Material auf Faserbasis besitzt eine primäre Schicht einer Zusammensetzung und/oder Dichte und eine sekundäre Schicht benachbart zur primären Schicht, die eine unterschiedliche Zusammensetzung und/oder Dichte besitzt. Die Dicke und Zusammensetzung einer jeden Schicht kann variieren, wenn eine Änderung vom Endgebrauch her erforderlich ist. Das zweischichtige Material auf Faserbasis enthält Bestandteile, die für optimale Ergebnisse in bezug auf den Endgebrauch im Reibungsbereich sorgen. Die sekundäre Schicht ist benachbart zum Kontaktbereich bei einer Kupplung oder einem Reibbelag angeordnet. Durch die Verwendung der verschiedenartigen Bestandteile in der sekundären Schicht wird ein kostengünstiges Reibmaterial erzielt und eine optimale Verwendung von derartigen Bestandteilen ermöglicht, die sonst aufgrund ihrer hohen Kosten aus entsprechenden Formulierungen eliminiert werden. Des weiteren sorgt die sekundäre Schicht für eine Konstruktion, die besonders geeignet ist für Hochenergieanwendungsfälle. Überraschenderweise wurde ferner festgestellt, dass das zweischichtige Reibmaterial verbesserte Reibungseigenschaften und einen verringerten Verschleiß aufweist. Des weiteren ist das zweischichtige Reibmaterial haltbarer als herkömmliche Reibmaterialien.
Bei diversen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzt die primäre oder untere Schicht eine Zusammensetzung, die beispielsweise mindestens einen Typ eines Faser materiales und mindestens einen Typ eines Füllermateriales enthält. Die sekundäre oder obere Schicht besitzt eine Zusammensetzung, die sich von der der primären Schicht unterscheidet. Die sekundäre Schicht enthält beispielsweise Fasern mit hoher Temperaturfestigkeit und hoher Festigkeit, Füllermaterialien und Reibpartikel. Die Bestandteile der sekundären Schicht sorgen für optimale Verhaltenseigenschaften.
Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die primäre Schicht und die sekundäre Schicht die gleiche Zusammensetzung aufweisen, besitzen jedoch unterschiedliche Basisgewichte und/oder Dichten. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen hat die primäre Schicht eine geringe Dichte, während die sekundäre Schicht eine hohe Dichte aufweist. Bei derartigen Ausführungsformen können die primäre und sekundäre Schicht beide eine oder mehrere Arten von Fasern, Füllermaterialien und Reibpartikeln enthalten.
Diverse Arten von Fasermaterialien oder Rohpulpematerialien finden bei der vorliegenden Erfindung Verwendung. Speziell geeignete Fasermaterialien können Baumwollfasern, Glasfasern, Carbonfasern und/oder Aramidpolyamidfasern, wie Aramidflocken und/oder Pulpefasern, umfassen, die generell als aromatische Polycarbonamidmaterialien bezeichnet werden. Es versteht sich, dass diverse Papierformulierungen für die vorliegende Erfindung geeignet sind und dass auch andere Fasermaterialien in den Materialformulierungen auf Faserbasis enthalten sein können. Beispielsweise brennt Baumwolle bei einer relativ niedrigen Temperatur von etwa 350°C. Daher besitzt ein Reibmaterial einen Bereich erwarteter thermischer Stabilität auf der Basis der im Faserbasismaterial während des Papierherstellungsprozesses verwendeten Bestandteile. Die Faserbasismaterialien, die relativ hohe Prozentsätze von Kohlenstoff enthalten, sind weniger thermisch beständig als Faserbasismaterialien, die mehr thermisch beständige Bestandteile, wie Aramidpulpen, enthalten. Der Bereich und die Prozentsätze von derartigen Bestandteilen hängen vom Endgebrauch des Reibmateriales ab und davon, ob ein derartiges Reibmaterial moderaten oder hohen Energieanforderungen ausgesetzt wird.
Es versteht sich, dass diverse Füllermaterialien für das zweischichtige Material auf Faserbasis der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Insbesondere sind Silicafüllermaterialien, wie Diatomeenerde und/oder Silica, besonders geeignet. Es wird jedoch vorgeschlagen, dass auch andere Arten von Füllermaterialien zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind und dass die Auswahl des Füllermateriales von den speziellen Endgebrauchsanforderungen des zweischichtigen Reibmateriales abhängt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die sekundäre Schicht Fasern, wie Aramidpulpe-, Carbon- und Glasfasern, Füllermaterialien, wie Diatomeenerde und/oder Silica, und Verarbeitungshilfen, wie Siliciumnitrid und andere Reibpartikel. Überraschenderweise wurde gefunden, dass beim Einbau von Siliciumnitridpulver in die Materialformulierung auf Faserbasis eine Verbesserung des dynamischen Reibungskoeffizienten im erhaltenen Reibmaterial erreicht wird. Dies ist besonders überraschend, da Fasern aus Silicium nitrid aufgrund der abrasiven Eigenschaften der Siliciumnitridfasern in bezug auf die Kupplungs- oder Bremsenteile zum Einbau in Reibmaterialien nicht geeignet sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen besitzen die Siliciumnitridpartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,5 bis etwa 1,5 μm. Bei bestimmten Ausführungsformen wurde festgestellt, dass Siliciumnitridpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1 μm besonders gut funktionieren. Eine Art von Siliciumnitridpartikeln ist als Si₃N₄ erhältlich. Durch die Siliciumnitridpartikel wird der dynamische Reibungskoeffizient erhöht, wenn sie in niedrigen Anteilen von etwa 3 % bis etwa 15 % verwendet werden. Bei diversen bevorzugten Ausführungsformen kann die Siliciumnitridzusammensetzung etwa 4 % bis etwa 6 % enthalten.
Es versteht sich, dass dann, wenn der anfängliche Reibungskoeffizient niedrig ist, ein Reibmaterial seinen gewünschten konstanten Reibungskoeffizienten nicht erreicht, bis das Reibmaterial vielen Einsätzen oder Zyklen unterzogen worden ist. Die vorliegende Erfindung stellt jedoch ein zweischichtiges Reibmaterial mit einem hohen anfänglichen Reibungskoeffizienten zur Verfügung. Wenn der dynamische Reibungskoeffizient nahe am statischen Reibungskoeffizienten liegt, gibt es darüber hinaus einen sanften Übergang von einem Zahnrad zum anderen in einem Kupplungsvorgang. Mit der vorliegenden Erfindung wird durch die Zugabe der Siliciumnitridpartikel zum Reibmaterial ein überraschend gutes Verhältnis zwischen dem statischen und dem dynamischen Reibungskoeffizienten erzielt.
Es wird des weiteren vorgeschlagen, dass auch andere Bestandteile, wie Reibpartikel und Verarbeitungshilfen, in den Faserbasismaterialien geeignet sind. Diese Reibpartikelbestandteile umfassen beispielsweise Cashewnussschalenflüssigkeitspartikel und/oder Partikel vom Gummityp oder Elastomerpolymerpartikel. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Elastomerpolymerpartikel etwa 70 % bis etwa 75 % Elastomermaterial (wie Isopren und/oder Nitridkautschukmaterialien), wobei den Rest Verarbeitungshilfen bilden. Die Elastomerpartikel sind geeignet, um zusätzliche Reibbelagverschleißfestigeit zu verleihen. Die Partikel vom Gummityp ermöglichen, dass sich die Reibmaterialien enger an die Passteile (wie Trennplatten und eine Kupplung) anpassen, und sorgen daher für einen Anstieg der „realen" Kontaktbereiche gegenüber den „scheinbaren" Kontaktbereichen zwischen den Trennplatten. Die Reibpartikel erhöhen die Energiekapazität des zweischichtigen Reibmateriales.
Ferner sind Carbonfasern bei diversen Ausführungsformen geeignet. Die Carbonfasern wirken als Verstärkungselement für die Reibmaterialmatrix. Sie erhöhen die Verschleißfestigkeit und den Kompressionswiderstand des Belages. Wenn ein Reibbelagmaterial diese beiden Eigenschaften aufweist, wird eine Verbesserung des Fluidkapillarflusses durch das Reibmaterial erreicht. Durch den Anstieg des Kompressionswiderstandes wird die Möglichkeit eines Kollabierens des Reibmateriales verhindert oder verringert, so dass der Kapillarfluss aufrechterhalten und manchmal verbessert wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Carbonfasern in einem Bereich von etwa 20 % bis etwa 40 %, vorzugsweise von etwa 30 %, vorhanden sein, wobei die verbleibende obere oder sekundäre Schicht etwa 60 % bis etwa 80 % und vorzugsweise etwa 70 % Aramidfasern enthält.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist es von Vorteil, weitere Bestandteile einzubauen, wie Novoloidfasern, die ein vernetztes Phenol-Formaldehyd-Polymer aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen wurde festgestellt, dass eine Kombination aus Novoloidfasern, bei der ein Fasertyp eine relativ kürzere Länge mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 0,2 mm und ein anderer Fasertyp eine relativ größere Länge mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 3 mm besitzt, besonders geeignet ist. Obwohl man hier nicht an irgendeine Theorie gebunden sein will, wird davon ausgegangen, dass die relativ kürzeren Fasern mehr als Partikel als als Fasern wirken und daher im Reibmaterial wie ein Bindemittel funktionieren. Die kürzeren partikelförmigen Novoloidfasern sorgen für eine verbesserte Festigkeit des Reibpapiers. Die relativ längeren Fasern verleihen dem Reibmaterial Festigkeit und Struktur, indem sie ein Kollabieren des Reibmateriales verhindern, wenn dieses unter Druck steht. Obwohl man nicht an irgendeine spezielle Theorie gebunden sein will, wird davon ausgegangen, dass die Novoloidfasern, die chemisch den Phenolharzen entsprechen, welche im Reibmaterial vorhanden sind, das Phenolharzmaterial binden, um sowohl zur mechanischen als auch zur chemischen Festigkeit des Reibmateriales beizutragen.
Durch die Verwendung von synthetischem Graphit im Faserbasismaterial wird dem Material eine dreidimensionalere Struktur verliehen als bei anderen Arten von Graphit. Synthetischer Graphit, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, verleiht dem Reibmaterial die Fähigkeit, Wärme rascher abzuführen als andere Arten von Graphit. Es werden diverse Arten von geeignetem synthetischen Graphit als geeignet für die vorliegende Erfindung vorgeschlagen. Beispielsweise kann synthetischer Graphit durch Graphitisierung eines Rohmateriales, wie von Petroleumkoks und einem Kohlenteerpechbindemittel, hergestellt werden. Die Rohmaterialien werden vermischt und auf Temperaturen von etwa 2.800 bis etwa 3.000°C erhitzt, wobei spezielle Graphitisierungsöfen Verwendung finden, die den gesinterten Kohlenstoffkörper in einen polykristallinen Graphitartikel überführen. Bei bestimmten Ausführungsformen wird bevorzugt, die Größe und Geometrie des synthetischen Graphits in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 50 m vorzusehen. Bei diesen speziellen Ausführungsformen wurde festgestellt, dass dann, wenn der Graphitpartikel zu groß oder zu klein ist, keine optimale dreidimensionale Struktur vorhanden und somit die Hitzefestigkeit nicht optimal ist. Bei diversen Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass die Bestandteile der primären und/oder sekundären Schicht ein geeignetes Harzmaterial aufweisen können.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst die primäre oder untere Schicht Baumwallfasern und ein Füllermaterial, wie Diatomeenerde. Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält die primäre Schicht in Gewichtsprozent, auf der Basis des Gewichtes der primären Schicht, etwa 50 % bis etwa 75 % Baumwollfasern und etwa 25 % bis etwa 50 % Füllermaterial. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen enthält die primäre Schicht etwa 60 % Baumwolle und etwa 40 % Füllermaterial.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen enthält die primäre Schicht Baumwolle, Glasfasern und Füllermaterial. Bei derartigen bevorzugten Ausführungsformen enthält die primäre Schicht in Gewichtsprozent auf Basis des Gewichtes der primären Schicht etwa 40 % bis etwa 50 % und am bevorzugtesten etwa 45 % Baumwollfasern, etwa 10 % bis etwa 20 % und am bevorzugtesten etwa 15 % Glasfasern und etwa 30 % bis etwa 50 % und am bevorzugtesten etwa 40 % Füllermaterial.
Es wird vorgeschlagen, dass bei bestimmten anderen Ausführungsformen die sekundäre Schicht des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis aus einem wässrigen Schlamm geformt werden kann, der in Gewichtsprozent etwa 4 bis etwa 90 % Aramidflocken oder -fasern, etwa 0 % bis etwa 50 % Baumwollfasern, etwa 0 % bis etwa 70 % Carbonfasern, etwa 0 % bis etwa 10 % Glasfasern, etwa 5 % bis etwa 70 % Füllermaterialien, etwa 3 % bis etwa 50 % Siliciumnitridpulverpartikel, etwa 0 % bis etwa 30 % Elastomerpolymerreibpartikel, etwa 0 % bis etwa 40 % Silicapartikel und etwa 0 % bis etwa 3 % Latexverarbeitungshilfen enthält, und zwar auf der Basis des Gewichtes der wässrigen Schlammformulierung für die zweite oder obere Schicht des Materiales auf Faserbasis.
Bei bestimmten anderen Ausführungsformen enthält die sekundäre Schicht des Materiales auf Faserbasis vorzugsweise in Gewichtsprozent etwa 20 % bis etwa 40 % Aramidflocken oder Aramidfasern, 15 % bis etwa 35 % Diatomeenerdematerialien, 10 % bis etwa 30 % Silicapartikel, 5 % bis etwa 25 % Elastomerpolymerreibpartikel und 3 % bis etwa 20 % Glasfasern.
Bei bestimmten anderen Ausführungsformen enthält die sekundäre Schicht des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis vorzugsweise in Gewichtsprozent etwa 30 % bis etwa 50 % Baumwollfasern, 3 % bis etwa 10 % Aramidflocken oder Aramidfasern, 10 % bis etwa 20 % Füllermaterialien, 3 % bis etwa 10 % Siliciumnitridpartikel, 15 % bis etwa 25 Elastomerpolymerreibpartikel, 0 % bis etwa 20 % Glasfasern und 0 % bis etwa 25 % Novoloidfasern.
Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die sekundäre Schicht des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis aus einem wässrigen Schlamm geformt werden kann, der in Gewichtsprozent etwa 10 bis etwa 40 % poröse aktivierte Carbonpartikel, etwa 10 bis etwa 30 % Baumwollfasern, etwa 5 bis etwa 30 % präzisionsgeschnittene Fasern mit einer bevorzugten Länge von etwa 0,5 bis etwa 6 mm, etwa 0 bis etwa 20 % synthetischen Graphit, etwa 0 bis etwa 40 % Füllermaterial, wie Diatomeenerde, und etwa 0 bis etwa 20 % Reibungsmodifiziermittel, wie Cashewnussschalenflüssigkeitspartikel u.ä., auf der Basis des Gewichtes der wässrigen Schlammformulierung für die sekundäre Schicht des Faserbasismateriales enthält.
Die primäre oder untere Schicht des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis kann aus einem wässrigen Schlamm geformt werden, die in Gewichtsprozent etwa 0 bis etwa 60 % Baumwollfasern, am bevorzugtesten etwa 55 %, etwa 10 bis 40 % Füllermaterial, am bevorzugtesten etwa 35 %, etwa 5 bis etwa 30 % nichtlineare elastische Fasern, am bevorzugtesten etwa 10 %, und etwa 0 bis etwa 3 % Latexverarbeitungshilfen, am bevorzugtesten etwa 2 %, auf der Basis des Gewichtes der wässrigen Schlammformulierung für die untere oder primäre Schicht des Faserbasismateriales enthält.
Bei speziell bevorzugten Ausführungsformen können die nichtlinearen elastischen Fasern Polyethylenterephthalat (PET), Glasfasern und Materialien vom Silicattyp umfassen.
Bei bestimmten Ausführungsformen enthält die sekundäre Schicht vorzugsweise etwa 10 bis etwa 55 % Baumwollfasern, etwa 5 bis etwa 45 % präzisionsgeschnittene Aramidfasern, etwa 0 bis etwa 40 % Celit- oder Diatomeenerdefüllermaterial, etwa 0 bis etwa 20 % synthetischen Graphit und etwa 0 bis etwa 40 % porösen Kohlenstoff.
Die Bestandteile, die die sekundäre oder obere Schicht aufweist, werden zu einem im wesentlichen homogenen Gemisch vermischt und auf der Oberseite der primären Schicht abgeschieden. Es versteht sich, dass diverse Verfahren zum Abscheiden der sekundären Schicht auf der Oberseite der primären Schicht erfindungsgemäß durchgeführt werden können.
Das Verfahren zur Herstellung des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis der vorliegenden Erfindung umfasst das Zusetzen der Bestandteile des Materiales der primären oder unteren Schicht zur Ausbildung eines im wesentlichen homo genen Gemisches. Aus dem homogenen Gemisch wird ein Papier zu einem Material auf Faserbasis geformt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines asbestfreien Reibmateriales die folgenden Schritte: Formen einer primären Schicht, die nichtlineare elastische Fasern, Baumwollfasern und Füllermaterial aufweist, und Haftverbinden einer sekundären Schicht mit der primären Schicht, wobei die sekundäre Schicht Aramidfasern, wahlweise Füllermaterial und wahlweise synthetischen Graphit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Schicht ferner Baumwollfasern und poröse Kohlenstoffteilchen enthält.
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Ausbildung eines zweischichtigen Materiales auf Faserbasis. Eine erste Spendeeinrichtung 10 führt die Bestandteile zu, um eine primäre oder untere Schicht 12 eines zweischichtigen Materiales 24 auf Faserbasis zu formen. Die die primäre Schicht 12 bildenden Bestandteile werden auf eine geeignete Fläche 11 geführt, die die primäre Schicht 12 hält oder fördert. Es versteht sich, dass diverse Flächen 11 bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können. Eine zweite Spendeeinrichtung 20 führt generell die Bestandteile zu, um eine sekundäre oder obere Schicht 22 auf der primären Schicht 12 zu formen und ein zweischichtiges Material 24 auszubilden. Es versteht sich, dass geeignete Spendeeinrichtungen 10 und 20 eine Verteilerbox oder Walzeneinrichtungen oder andere geeignete Vorrichtungen umfassen können, um eine generell gleichmäßige Schicht der primären Schicht 12 und der sekundären Schicht 22 zur Ausbildung des zweischichtigen Materiales 24 zu formen.
Bei diversen Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass die Bestandteile der primären und/oder sekundären Schicht ein geeignetes Harzmaterial aufweisen können. Bei derartigen Ausführungsformen wird das zweischichtige Material 24 mit Hilfe einer geeigneten Trocknungseinrichtung 30 getrocknet, um überschüssige Feuchtigkeit aus dem zweischichtigen Material zu entfernen und/oder das Harz, das im zweischichtigen Material vorhanden ist, auszuhärten. Bei bestimmten Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass die Trocknungseinrichtung Heizwalzen oder Infrarotheizeinrichtungen oder andere geeignete Heizeinrichtungen aufweisen kann. Es versteht sich, dass bei Ausführungsformen, bei denen die Bestandteile der primären und sekundären Schicht kein Harz enthalten, das zweischichtige Material auf Faserbasis geformt und dann mit einem geeigneten Harz oder einer Harzkombination gesättigt oder imprägniert werden kann, wie gestrichelt in 1 dargestellt, und zwar unter Verwendung einer geeigneten Imprägniereinrichtung 40. Das imprägnierte zweischichtige Material kann dann über eine weitere geeignete Trocknungseinrichtung 50 getrocknet werden, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen und/oder das Harz auszuhärten.
2 zeigt allgemein einen Querschnitt des zweischichtigen Materiales 24 auf Faserbasis, das die primäre oder untere Schicht 12 und die sekundäre oder obere Schicht 22 aufweist. Die in 2 dargestellte Ausführungsform dient zu generellen Darstellungszwecken. Es versteht sich, dass die sekundäre Schicht vorzugsweise von etwa 2 % bis etwa 50 % der Dicke des zweischichtigen Materiales auf Faserbasis ausmachen kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen macht die sekundäre Schicht etwa 10 % bis etwa 50 % der Dicke des Materiales und bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen etwa 10 bis etwa 20 % der Materialdicke aus.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die sekundäre Schicht die primäre Schicht in ausreichender Weise so bindet, dass im wesentlichen kein Delaminationsproblem während des Gebrauches des zweischichtigen Materiales der vorliegenden Erfindung auftritt.
Das Reibmaterial der vorliegenden Erfindung besitzt eine angemessene Grenzflächenfestigkeit und kann ohne weiteres mit einem geeigneten Substrat, wie einer Kupplungsscheibe, verbunden oder als Bremsbelagmaterial verwendet werden.
Erfindungsgemäß sind diverse Arten von Harzen geeignet, um das zweischichtige Material auf Faserbasis zu sättigen. Der zum Sättigen eines Faserbasismateriales verwendete Harztyp kann das Verhalten des entstandenen Reibmateriales beeinflussen. Der Zähigkeitsgrad, den ein Harz aufweist, kann durch die Fähigkeit des Reibmateriales, im Test seine Integrität aufrechtzuerhalten, wiedergegeben werden. Es ist wichtig, dass sowohl die physikalischen als auch die Reibungseigenschaften des Reibmateriales während der erwarteten Gebrauchsdauer des Endproduktes intakt bleiben. Ein mit einem spröden Harz imprägniertes Reibmaterial kann unter schwerer Belastung reißen, wobei die offene poröse Struktur der Reibmaterialmatrix kollabiert. Andererseits liefert ein mit einem Elastomerharz imprägniertes Reibmaterial zwar den gewünschten Reibungskoeffizienten und das gewünschte Drehmoment, kann jedoch nicht die erforderliche Verschleißfestigkeit und Festigkeit aufweisen, die zum Intakthalten der Reibmaterialmatrix erforderlich sind. Somit besitzt eine ideale Harzformulierung eine hohe Festigkeit und ist noch ausreichend flexibel. Ein Harz mit einer hohen Zähigkeit sorgt für ein optimales Reibungsverhalten.
Diverse Harze, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen Phenolharze und Harze auf Phenolharzbasis. Es versteht sich, dass diverse Harze auf Phenolharzbasis, die im Harzgemisch andere modifizierende Bestandteile, wie Epoxid, Butadien, Silicon, Tungöl, Benzol, Cashewnussschalenöl u.ä., enthalten, für die vorliegende Erfindung geeignet sind. Bei den modifizierten Phenolharzen ist das Phenolharz generell mit etwa 50 Gew.% oder mehr des Harzgemisches (ausschließlich aller vorhandenen Lösungsmittel) vorhanden. Es wurde jedoch festgestellt, dass Reibmaterialien bei bestimmten Ausführungsformen verbessert werden können, wenn das Harzgemisch zum Imprägnieren etwa 5 bis etwa 80 Gew.% und für bestimmte Zwecke etwa 15 bis etwa 55 Gew.% und bei bestimmten Ausführungsformen etwa 15 bis etwa 25 Gew.% Siliconharz auf der Basis des Gewichtes des Siliconharz-Phenolharz-Gemisches (ausschließlich Lösungsmittel und anderer Verarbeitungshilfen) enthält.
Siliconharze, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen beispielsweise thermisch aushärtende Silicondichtungsmittel und Siliconkautschuk. Für die vorliegende Erfindung sind diverse Siliconharze geeignet. Ein Harz enthält insbesondere Xylol und Acetylaceton (2,4-Pentandion). Das Silconharz besitzt einen Siedepunkt von etwa 362 °F (183 °C), einen Dampfdruck bei 68 °F von 21 mm HG, eine Dampfdichte (Luft = 1) von 4,8, eine vernachlässigbare Löslichkeit in Wasser, ein spezifisches Gewicht von etwa 1,09, einen flüchtigen Anteil von 5 Gew.%, eine Verdampfungsrate (Ether = 1) von weniger als 0,1 und eine Entzündungstemperatur von etwa 149 °F (65 °C) unter Verwendung des Pensky-Martens-Verfahrens. Es versteht sich, dass auch andere Siliconharze bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Andere geeignete Harzgemische umfassen beispielsweise ein geeignetes Phenolharz, das enthält (in Gew.%): etwa 55 bis etwa 60 % Phenolharz, etwa 20 bis etwa 25 % Ethylalkohol, etwa 10 bis etwa 14 % Phenol, etwa 3 bis etwa 4 % Methylalkohol, etwa 0,3 bis etwa 0,8 % Formaldehyd und etwa 10 bis etwa 20 % Wasser. Ein anderes geeignetes Harz auf Phenolharzbasis enthält (in Gew.%): etwa 50 bis etwa 55 % Phenol/Formaldehyd-Harz, etwa 0,5 % Formaldehyd, etwa 11 % Phenol, etwa 30 bis etwa 35 % Isopropanol und etwa 1 bis etwa 5 % Wasser.
Ein anderes geeignetes Harz ist ein epoxymodifiziertes Phenolharz, das etwa 5 bis etwa 25 Gew.% und vorzugsweise etwa 10 bis etwa 15 Gew.% einer Epoxydverbindung, Rest (ausschließlich Lösungsmittel und anderer Verarbeitungshilfen) Phenolharz, enthält. Diese Epoxyphenolharzverbindung verleiht bei bestimmten Ausführungsformen dem Reibmaterial eine höhere Hitzefestigkeit als Phenolharz allein.
Die Reibmaterialien können ferner andere Bestandteile und Verarbeitungshilfen enthalten, die zur Herstellung von Harzgemischen und zur Herstellung von imprägnierten Materialien auf Faserbasis bekannt sind.
Insbesondere bei den Ausführungsformen, bei denen ein Phenolharz und ein Siliconharz verwendet werden, wird keine neue Verbindung gebildet, wenn das Siliconharz und das Phenolharz miteinander vermischt werden. Die Harze härten separat aus, und es entsteht keine neue Verbindung.
Sowohl das Siliconharz als auch das Phenolharz sind in Lösungsmitteln vorhanden, die miteinander kompatibel sind. Diese Harze werden miteinander vermischt (bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen), um ein homogenes Gemisch zu bilden, und dann zum Imprägnieren des Materiales auf Faserbasis verwendet. Es entsteht nicht der gleiche Effekt, wenn ein Material auf Faserbasis mit einem Phenolharz imprägniert und danach ein Siliconharz zugesetzt wird oder umgekehrt. Es existiert ferner ein Unterschied zwischen einem Gemisch aus einer Siliconharz-Phenolharz-Lösung und Emulsionen von Siliconharzpulver und/oder Phenolharzpulver. Wenn sich Siliconharze und Phenolharze in Lösung befinden, härten sie überhaupt nicht aus. Im Gegensatz dazu härten die Pulverpartikel von Siliconharzen und Phenolharzen teilweise aus. Die teilweise Aushärtung der Siliconharze und Phenolharze verhindert eine gute Imprägnierung des Materiales auf Faserbasis.
Das Material auf Faserbasis wird mit einem Gemisch aus einem Siliconharz in einem Lösungsmittel, das mit dem Phenolharz und seinem Lösungsmittel kompatibel ist, imprägniert. Bei einer Ausführungsform wurde festgestellt, dass Isopropanol ein besonders geeignetes Lösungsmittel ist. Es versteht sich jedoch, dass auch diverse andere geeignete Lösungsmittel, wie Ethanol, Methyl-Ethyl-Keton, Butanol, Isopropanol, Toluol u.ä., bei der Durchführung dieser Erfindung verwendet werden können. Durch das Vorhandensein eines Siliconharzes im Gemisch mit einem Phenolharz, das zum Imprägnieren eines Materiales auf Faserbasis verwendet wird, werden die entstehenden Reibmaterialien elastischer als Materialien auf Faserbasis, die nur mit einem Phenolharz imprägniert sind. Wenn Drücke auf das mit dem Siliconharz-Phenolharz-Gemisch imprägnierte Reibmaterial der vorliegenden Erfindung ausgeübt werden, ist eine gleichmäßigere Druckverteilung vorhanden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines ungleichmäßigen Belagverschleißes verringert wird. Nach dem Vermischen des Siliconharzes und Phenolharzes wird das Gemisch zum Imprägnieren des Materiales auf Faserbasis verwendet.
Bei der vorliegenden Erfindung können diverse Verfahren zum Imprägnieren von Materialien eingesetzt werden. Das Material auf Faserbasis wird mit dem Phenolharz oder modifizierten Phenolharz vorzugsweise so imprägniert, dass das zum Imprägnieren verwendete Harzmaterial etwa 30 bis etwa 65 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile des Reibmateriales umfasst. Nachdem das Material auf Faserbasis mit dem Harz imprägniert worden ist, wird das imprägnierte Material über eine vorgegebene Zeitdauer auf eine gewünschte Temperatur erhitzt, um das Reibmaterial zu bilden. Durch das Erhitzen wird das Phenolharz bei einer Temperatur von etwa 300-350 °F ausgehärtet. Wenn andere Harze, wie ein Siliconharz, vorhanden sind, wird durch Erhitzen das Siliconharz bei einer Temperatur von etwa 400 °F ausgehärtet. Danach wird das imprägnierte und ausgehärtete Reibmaterial über geeignete Mittel mit dem gewünschten Substrat verklebt.
Die nachfolgenden Beispiele liefern den Beweis, dass das zweischichtige Material auf Faserbasis und das zweischichtige Reibmaterial der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Reibmaterialien darstellen. In den nachfolgenden Beispielen sind diverse bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die jedoch in keiner Weise den Schutzumfang der Erfindung beschränken.
Es versteht sich ferner, dass die Art des in einer nassen Reibungsumgebung verwendeten Schmiermittels die Eigenschaften des zweischichtigen Reibmateriales beeinflusst. Schmiermittel beeinflussen das Verhalten von diversen Eigenschaften des entstandenen zweischichtigen Reibmateriales einschließlich der statischen Reibung, der dynamischen Reibung (und somit des statischen/dynamischen Verhältnisses), der Viskosität, des Viskositätsindexes, der Oxidationsbeständigkeit, des Aufnahmevermögens von extremen Drücken u.ä. Die Grenzfläche zwischen dem zweischichtigen Reibmaterial und dem gewünschten Substrat sowie die mechanischen und chemischen Faktoren beeinflussen ebenfalls das Verhalten der Reibmaterialien. Das zweischichtige Reibmaterial der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung mit diversen Schmiermitteln geeignet. Die Auswahl der optimalen Bestandteile und des Bestandteilbereiches kann durch Auswertung der Bedingungen, denen das Reibmaterial ausgesetzt ist, und der Art der Schmiermittel, die in einem derartigen System verwendet werden, festgelegt werden.
Die nachfolgenden Beispiele I bis v sind keine Beispiele der vorliegenden Erfindung, sondern geben lediglich den Stand der Technik wieder. Beispiel VI ist ein Beispiel der vorliegenden Erfindung.
Beispiel I
Es wurden diverse Zusammensetzungen von zweischichtigen Materialien auf Faserbasis erzeugt und mit einem Phenolharz bis zu einem Aufnahmegrad von etwa 30 %–35 % gesättigt und ausgehärtet, um zweischichtige Reibmaterialien zu erzeugen. Die nachfolgenden, in der folgenden Tabelle 1 aufgeführten Materialien wurden in Beispiel I verwendet.
Tabelle 1

Sämtliche zweischichtigen Papiere (Beispiele A, B, C, D, E und F) besaßen eine primäre oder erste Schicht aus Baumwolle zu 60 % und Celit zu 40 %.

Vergleichsbeispiel 1	Eine Schicht aus Baumwolle 60 %,
	Celit 40 %
	Basisgewicht = 125, Dicke 0,019
	Zoll
Beispiel A	Zweite Schicht aus Aramidflocken

	und/oder Faser 5 %
	Basisgewicht = 150, Dicke = 0,022
	Zoll
Beispiel B	Zweite Schicht aus Aramidflocken
	und/oder Faser 5 % und Siliciumnitrid – 1,2 %
	Basisgewicht = 150, Dicke = 0,023
	Zoll
Beispiel C	Zweite Schicht aus Aramidflocken
	und/oder Faser
	primäre Schicht Basisgewicht =
	185–189, sekundäre Schicht Basisgewicht = 24–27, Gesamtbasisgewicht = 212–217, Dicke = 0,030
	Zoll
Beispiel D	Zweite Schicht aus Aramidflocken
	und/oder Faser 90 % und Siliciumnitrid 10 %
	primäre Schicht Basisgewicht =
	183-185, sekundäre Schicht Basisgewicht = 16–26, Gesamtbasisgewicht = 201–209, Dicke = 0,023
	Zoll
Beispiel E	Zweite Schicht aus Formulierung
	#1: Aramidflocken und/oder Faser
	30 %, Celit 25 %, Silicapartikel
	20 %, Reibpartikel: elastomere

	Partikel vom Isoprentyp 15 % und
	Glasfasern 10 %
	Primäre Schicht Basisgewicht =
	148, sekundäre Schicht Basisgewicht = 32–40, Gesamtbasisgewicht
	= 180–188, Dicke = 0,025 Zoll
Beispiel F	Zweite Schicht aus Aramidflocken
	und/oder Fasern 70 % und Carbonfasern 30 %
	Primäre Schicht Basisgewicht =
	167–170, sekundäre Schicht Basisgewicht = 25–26, Gesamtbasisgewicht = 193–195, Dicke = 0,028
	Zoll
Vergleichsbeispiel 2	Eine Schicht aus Baumwolle 55 %,
	Aramidpulpe 25 %, Celit 45 %

Um Informationen über die relativen Schmiermitteleindringeigenschaften eines Materiales zu gewinnen, wurden Öltropfzeiten aufgezeichnet. Diese Zeiten geben generell die Ölabsorptionseigenschaften eines Materiales wieder. Drei oder vier Tropfen eines Öles für ein automatisches Getriebe vom Typ Exxon 1975 „H" wurden pro Platte für diese Tests verwendet.
Die Materialien, die in dem nachfolgend beschriebenen Reibungstest ein schlechtes Verhalten zeigten, besaßen hohe Öltropfzeiten von etwa 200 sec oder mehr. Der zweite Satz von Proben mit einer geringfügig höheren Öltropfzeit im Vergleich zum ersten Satz von Proben zeigte einen geringeren Schmiermittelfluss in die Einheit hinein und durch dieselbe an. Der zweite Satz von Proben wurde mit unterschiedlichen Faser- und Partikelformulierungen verarbeitet. Diese verbesserte sekundäre Schicht zeigte ferner einen geringfügig verringerten Ölfluss in die Einheiten hinein. Die speziellen Öltropfzeiten von ausgewählten Materialien sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 Öltropfdaten

*Siehe Verfahren 528A für Testspezifikationen

Der erste Satz von Testmaterialien (Vergleichsbeispiel 1, Beispiel A und Beispiel B) vergleicht die Verteilung der Fasern und dann eine Kombination aus Fasern und Partikeln. Das einschichtige Kontrollpapier (Vergleichsbeispiel 1) besteht nur aus Baumwolle und Celit. Diese beiden Bestandteile wurden aufgrund ihrer Ölabsorptionsfähigkeiten und wirtschaftlichen Vorteile ausgewählt.
Bei dem Material von Beispiel A findet eine Baumwoll- und Celitbasis mit Aramidfasern als obere Schicht Verwendung, um diese ziemlich teure Faser auf den Kontaktpunkt zu konzentrieren. Die mit der Verwendung von Aramidfasern verbundenen Vorteile sind eine inhärente hohe Hitzefestigkeit, eine Kostenreduzierung pro Platte und die Schaffung einer oberen Schicht des zweischichtigen Papiers, die eine offene Struktur besitzt, welche eine Ölretention ermöglicht.
Beispiel B umfasst eine Faser- und Partikelkombination, um die Vorteile der vorstehend erwähnte Aramidfasern auszunutzen sowie von den günstigen Verhaltenseigenschaften von Siliciumnitrid Gebrauch zu machen, das zu einem erhöhten Reibungskoeffizienten beiträgt. Die Verwendung dieser Bestandteile in der sekundären Schicht ist aufgrund ihrer relativ hohen Kosten besonders geeignet.
Die in der nachfolgenden Tabelle 3 gezeigten Tests mit einer Reibvorrichtung mit niedriger Geschwindigkeit (LVFA) wurden durchgeführt, um das Reibungsverhalten der zwei schichtigen Materialien auszuwerten und einzustufen. Beispiel B besaß im Vergleich zu Beispiel A nur eine geringfügige Veränderung der Reibungsgröße. Die Tests ergaben im wesentlichen eine Veränderung des Verhaltens in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Materialien. Die Beispiele A und B führten jedoch nur zu einem geringfügig schlechteren Belagverschleiß als Vergleichsbeispiel 2.
Tabelle 3 LVFA-Daten – 120 psi Exxon 1975-Schmierung kugelpolierte Stahltrennplatten
Die aus dem Full Pack-Test erhaltenen Daten zeigen ein verbessertes Verhalten an, wenn zweischichtige Reibmaterialien verwendet werden, die Siliciumnitridpartikel enthalten.
Durch die Zugabe von Siliciumnitridpartikeln zur sekundären Schicht wird die dynamische Reibung von 0,119 auf 0,128 erhöht, ohne dass der Belagverschleiß ansteigt. Eine Zusammenfassung der Reibungs- und Vergleichsergebnisse ist in der nachfolgenden Tabelle 4 aufgeführt.
Tabelle 4 Full Pack-Labordaten Exxon 1975-Schmierung
Es wurden LVFA-Tests durchgeführt, um das Reibungsverhalten von zweischichtigen Materialien auszuwerten und einzustufen. Eine Zusammenfassung der Reibungs- und Verschleißdaten ist in der nachfolgenden Tabelle 5 aufgeführt.
Tabelle 5 LVFA-Daten – 120 psi Exxon 1975-Schmierung kugelstrahlpolierte Stahlplatten
Die Beispiel C und A (siehe Tabelle 3) mit einer oberen Schicht aus Aramidfasern wiesen dynamische Reibungskoeffizienten von 0,134 und 0,147 auf. Die höhere und gleichmäßigere Konzentration der Aramidfasern gemäß Beispiel C führt zu einem niedrigeren dynamischen Reibungskoeffizienten als bei Vergleichsprobe 2. Durch die Einführung von Siliciumnitridpartikeln in die Formulierung der sekundären Schicht wird die dynamische Reibung geringfügig von 0,134 auf 0,139 erhöht. Tests mit der Zugabe von Siliciumnitrid und Carbonfasern zeigten ähnliche Ergebnisse. Für sämtliche Beispiele A, B, C, D, E und F war der Belagverschleiß gering.
Im in der nachfolgenden Tabelle 6 gezeigten Full Pack-Test durchlief Beispiel C die gesamten 1.050 Zyklen. Alle Materialien zeigten Verschleiß.
Tabelle 6 Full Pack-Labordaten Exxon 1975-Schmierung
Es ist vorteilhaft, von der Perspektive zum Kostensparen her und als Werkzeug zur Herstellung von gebräuchlichen Papieren zweischichtige Reibmaterialien zu verwenden. Die gesättigten zweischichtigen Reibmaterialien führen zu keinen Problemen, was die Trennung der Schichten anbetrifft.
Zweischichtige Reibmaterialien bilden ein Mittel zur Auswertung des Reib- und Verschleißverhaltens von speziellen Bestandteilen, die sich in der oberen Schicht befinden.
Durch das Vorhandensein von Siliciumnitrid wird der dynamische Reibungskoeffizient erhöht, ohne dass der Verschleiß der Einheit vergrößert wird. Die LVFA-Daten zeigen an, dass die obere Schicht mit der Formulierung #1 einen geringeren Belagverschleiß und eine geringere Reibung aufweist als das Material von Vergleichsbeispiel 2.
Beispiel II

Beispiel II zeigt, dass das zweischichtige Reibmaterial mit zwei Schichten aus unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt werden kann, die während des Nasspapierherstellungsprozesses miteinander verbunden werden. Es wurde festgestellt, dass sich die Bestandteile jeder Schicht miteinander verflechten, um ein zweischichtiges Material auf Faserbasis zu erzeugen, das eine ausreichende Grenzflächenfestigkeit zur Verwendung als Reibmaterial besitzt. Die nachfolgenden Beispiele waren mit einem Phenolharz gesättigt, wie in der nachfolgenden Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7

Beispiel G	Erste Schicht aus Baumwolle 10 %,
	Celit 40 %
	zweite Schicht aus Formulierung #1
	(40 % tatsächliche Aufnahme)
	Primärbasisgewicht = ~160, Sekun
	därbasisgewicht = ~45, Gesamtbasisgewicht = 193–196, Dicke =
	0,032 Zoll
Beispiel H	Erste Schicht aus Baumwolle 45 %,
	Celit 40 %, Glasfasern 15 %
	zweite Schicht aus Formulierung #1
	(40 % tatsächliche Aufnahme)
	Primärbasisgewicht = ~160, Sekundärbasisgewicht = ~45, Gesamtbasisgewicht = 190–201, Dicke =
	0,033–0,035 Zoll
Beispiel I	Erste Schicht aus Baumwolle 60 %,
	Celit 40 %
	zweite Schicht aus Formulierung #1
	(41 % tatsächliche Aufnahme)
	Primärbasisgewicht = ~89, Sekundärbasisgewicht = ~41, Gesamtbasisgewicht = 130–140, Dicke =
	0,0220–0,0235 Zoll

Vergleichsbeispiel 3	Einzige Schicht aus Formulierung
	#1 (43 % tatsächliche Aufnahme)
	Gesamtbasisgewicht = 205–225,
	Dicke = 0,032–0,040 Zoll
Vergleichsbeispiel 4	Einzige Schicht aus Formulierung
	#1 (35 % tatsächliche Aufnahme)
	Gesamtbasisgewicht = 135
Vergleichsbeispiel 5	Einzige Schicht aus Formulierung
	#1 (40 % tatsächliche Aufnahme)
	Gesamtbasisgewicht = 135

Sämtliche Testproben wurden mit einem Phenolharz auf ein Aufnahmeniveau von 40 % gesättigt, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben. Es wurde eine Reibungs- und Verschleißauswertung unter Verwendung einer Kupplungseinheit durchgeführt. Ein Full Pack-Test wurde gemäß Verfahren 528A oder 428 C ausgeführt. Das 528A-Verfahren spezifiziert nicht die Aufzeichnung von statischen Reibungswerten gemäß dem in der Zeichnung #95407 definierten 45°-Verfahren. Sonst sind die beiden Full Pack-Verfahren identisch.
Es wurden Nass- und Trockenzugtests mit Rohpapier in (a) Maschinenrichtung und (b) Richtung quer zur Maschine durchgeführt. Die Querkopfgeschwindigkeit wurde auf 0,5 Zoll pro Minute eingestellt, während die Chart-Geschwindigkeit auf 1 Zoll pro Minute eingestellt wurde.
Es wurden Kapillarfluss- und Flüssigkeitspermeabilitätstests mit dem Reibmaterial durchgeführt. Diese Messungen geben die Fähigkeit des Reibmateriales wieder, Schmiermittel zu enthalten und Wärme zu übertragen.
(A) Zweischicht-Reibmaterial gegenüber Einschicht-Reibmaterial:
Auswertung der dynamischen Reibung (200 lb Basisgewicht).
Full Pack-Tests #528
Aus Tests mit Einschicht- und Zweischichteinheiten resultiert ein ähnliches Reibungs- und Verschleißverhalten. Die durchschnittliche dynamische Reibung nach 1.050 Zyklen betrug etwa 0,14. Labormäßig ermittelte dynamische Reibungskoeffizienten sind in der nachfolgenden Tabelle 8 aufgeführt. Der Prozentsatz des Reibungsfadings zwischen Zyklen 200 und 1.050 betrug für alle getesteten drei Materialien durchschnittlich etwa 8 %. Beispiel G, das Baumwolle und Celit in der unteren Schicht enthält, besaß den geringsten Prozentsatz des dynamischen Reibungsfadings (5,3 %). Einheiten, bei denen der unteren Baumwoll- und Celitschicht Glasfasern zugesetzt wurden (Beispiel H), führten zu einem geringfügig höheren Reibungsfading (8,6 %). Das höchste Fading wurde mit Vergleichsbeispiel 3 gemessen (10,5 %). 3 gibt die Änderung der dynamischen Reibung bei einem Anstieg der Zyklen für Vergleichsbeispiel 3, Beispiel G und Beispiel H wieder.
Verschleiß der Packungseinheit (200 lb Basisgewicht)
Full Pack-Tests #528
Wie man der nachfolgenden Tabelle 8 entnehmen kann, besaßen Einheiten mit zweischichtigem Material einen geringfügig höheren Belagverschleiß. Das Einschichtmaterial von Vergleichsbeispiel 3 führte zu einem Verschleißwert von +0,7 mils. Der Verschleiß der zweischichtigen Papiere mit und ohne Glasfasern (Beispiel G und H) in der unteren Schicht betrug 7,5 mils und 12,0 mils. Die Glasfasern in der unteren Schicht versteiften die Papiermatrix geringfügig. Die Menge des entfernten Reibmateriales gegenüber der Kompression wurde nicht festgestellt. Nach dem Testen besaßen jedoch die Einschicht- und Zweischicht-Einheiten eine ähnliche physikalische Erscheinungsform.
Die nachfolgende Tabelle 9 enthält eine Einstufung in bezug auf die Abrasion, das Ausbrechen, das Verschmieren und die Delamination. Allen drei Reibmaterialien wurde eine Verschmiernote von „1" verliehen. Die Einheiten von Beispiel H, die Glasfasern in der unteren Schicht aufwiesen, besaßen eine geringfügig höhere Oberflächenabrasion.
Tabelle 8 Full Pack-Labordaten/1.050 Zyklen Verfahren 528/Phenolharz 40 % P.U. Exxon 1975 AFT
Tabelle 9 Einstufung des Belagaussehens 100 lb Basisgewicht/nach 528 Full Pack-Test
(B) Material mit hohem Basisgewicht gegenüber Material mit niedrigem Basisgewicht.
Papier mit niedrigerem Baisgewicht (135 lb Basisgewicht)
Wie aus der obigen Tabelle 8 hervorgeht, wurden die Tests mit einschichtigen Reibmaterialien bei einem niedrigerem Basisgewicht von 135 lb (Vergleichsbeispiel 4 und Vergleichsbeispiel 5) nach 600 Zyklen eines Tests gemäß dem 528-Verfahren unterbrochen. Der Test mit Papier mit niedrigerem Basisgewicht bei einer Harzaufnahme von 35 % und 40 % wurde aufgrund von fehlerhaften Reibungskoeffizienten gestoppt. 4 zeigt die Veränderung des Reibungsverhaltens in Abhängigkeit von der Zykluszahl der Reibmaterialien mit einem Basisgewicht von 200 lb und 135 lb für Vergleichsbeispiel 3, Vergleichsbeispiel 4, Vergleichsbeispiel 5 und Beispiel I.
Es wurde ferner ein zweischichtiges Reibmaterial mit einem Basisgewicht von 135 lb hergestellt. Dieses Material besaß die Formulierung #1 in der oberen Schicht und eine Schicht aus Baumwolle und Celit (Beispiel I). Dieses Material war in der Lage, den Test mit einem dynamischen Reibungskoeffizienten von 0,131 und 9 mils Verschleiß zu beenden. Das Reibmaterial mit geringerem Basisgewicht besaß geringere dynamische Reibungskoeffizienten.
Die Dichte von beiden Materialien mit einem Basisgewicht von 135 lb und 200 lb wurde unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung berechnet. Aus den Materialien mit hohem und niedrigen Basisgewicht wurden Einheiten mit einer endgültigen Dichte von 43 hergestellt. D = BW·1/FLT·(1 + PU)·0,004worin bedeuten:

D: = Dichte des Belages
BW: = Basisgewicht des Rohmateriales in Lb/3.000 ft²
FLT: = endgültige Belagdicke in Zoll (nach Sättigung, Aushärtung und Kompression)
PU: = Harzaufnahme

(C) Papierkapillarfluss
Sämtliche Reibmaterialien besitzen mittlere Porengrößendurchmesser, die ansteigen, nachdem das Rohpapier mit Harz gesättigt und ausgehärtet worden war, wie aus der nachfolgenden Tabelle 10 hervorgeht. Die zweischichtigen Materialien besitzen größere mittlere Porengrößendurchmesser als einschichtige Materialien. Diese größeren mittleren Porengrößendurchmesser tragen dazu bei, die Schmiermittelverfügbarkeit am Kontaktbereich zu verbessern.
Das Material mit einem höheren Basisgewicht von 200 lb besitzt im rohen Zustand oder nach der Harzsättigung und Aushärtung im Vergleich zum gleichen Material mit einem niedrigeren Basisgewicht von 135 lb einen größeren mittleren Porengrößendurchmesser. Das Basisgewicht des Rohmateriales von Vergleichsbeispiel 3 besaß einen mittleren Porendurchmesser von 3,0016 μm. Als das Basisgewicht auf 135 lb reduzierte wurde (Vergleichsbeispiel 4), nahm die mittlere Porengröße auf 2,6170 μm ab. Im komprimierten Zustand besitzen jedoch beide Materialien entsprechende mittlere Porengrößendurchmesser von 2,45 μm.
Zweischichtmaterialien mit und ohne Glasfasern in der unteren Schicht (Beispiele G und H) haben auf konsistente Weise größere mittlere Porengrößendurchmesser als die einschichtigen Materialien. Die Änderung der Glasfaserkonzentration in der Zusammensetzung der unteren Schicht besitzt keinen Einfluss auf den Porendurchmesser. Die verschiedenartige Anordnung der beiden Schichten mit unterschiedlichen mittleren Porengrößendurchmessern stellt jedoch ein wirksames Verfahren zum Änderung der mittleren Porengröße der kombinierten zwei Schichten dar.
Die Daten für den Kapillarfluss zeigen Anstiege des mittleren Porengrößendurchmessers, wenn (a) das Material mit Harz gesättigt und ausgehärtet ist und (b) zweischichtiges Material anstelle von einschichtigem Material verwendet wird. Die mittlere Porengröße nimmt ab, wenn das Material nach der Sättigung mit Harz und nach der Aushärtung komprimiert wird.
Tabelle 10 Kapillarflussanalyse Fünf Messungen pro Reibmaterial Mittlere Porengröße: A) Rohpapier, B) gesättigtes (40 %) und ausgehärtetes Papier, C) gesättigtes (40 %), ausgehärtetes und komprimiertes Papier
(D) Untere Schicht mit und ohne Glasfasern Druckverformungstest
Druckverformungstests wurden durchgeführt, um das Vorhandensein eines „k"-Faktors in den Versuchsmaterialien zu verifizieren. Bei dem „k"-Faktor handelt es sich um eine Kraftkonstante, die in der Gleichung F(x) = –kx enthalten ist, wobei x die Strecke ist, über die eine Feder komprimiert wird oder sich ausdehnt (D. Halliday und R. Resnick, „Fundamentals of Physics", John Wiley and Sons, Inc., 1974). Die Verwendung von Glasfasern in der Zusammensetzung der unteren Schicht verändert den „k"-Faktor eines zweischichtigen Materiales.
Zugtests auf Rohpapier-Instron
Die Trocken- und Nasszugfestigkeit eines Reibmateriales ist während der Handhabung und der Harzsättigung wichtig. Ein Reibmaterial mit niedriger Zugfestigkeit wird im Harzsättigungsbad zerkleinert. Die nachfolgende Tabelle 11 zeigt die relative Festigkeit eines Einschicht- und Zweischichtmateriales. Ein 30%–40%iger Zugfestigkeitsverlust wird gemessen, wenn das Reibmaterial mit Alkohol befeuchtet wird.
Das Reibmaterial von Vergleichsbeispiel 3 mit einem Basisgewicht von 200 lb besitzt eine um 50 % höhere Zugfestigkeit in Maschinen- und X-Maschinenrichtung als das Material mit einem Basisgewicht von 135 lb. Das zweischichtige Ma terial mit einem Basisgewicht von 200 lb mit Baumwolle und Celit in der unteren Schicht (Beispiel G) hat eine Zugfestigkeit, die der des Einschichtmateriales entspricht.
Wenn Zweischichtmaterial Glasfasern aufweist, die in der unteren Schicht enthalten sind (Beispiel H), wird die Zugfestigkeit um 40 % reduziert. Dieses Material besitzt eine wesentlich niedrigere Zugfestigkeit (66 %) in X-Maschinenrichtung im Vergleich zur Maschinenrichtung.
Tabelle 11 Instron-Zugtestdaten/Rohpapier Durchschnitt von fünf Werten-Trocken- und Nasstests Zugfestigkeit (lbs) Std. Dev.
(E) Schichtadhäsion des Rohpapiers
Als Schichtadhäsion eines Zweischichtpapiers wird der Widerstand der Schichten gegenüber Spaltung definiert, wenn eine Kraft unter rechten Winkeln auf die Seiten der Lage aufgebracht wird. Dieser Parameter ist besonders geeignet für das Ranking der Rohreibmaterialien. Die Schichtadhäsion kann durch Sättigung einer Lage mit nahezu jedem Polymermaterial erhöht werden. Drei Faktoren können die Schichtadhäsion von latexgesättigten Papieren beeinflussen: (1) die Menge und Art des Polymers in der Lage, (2) die Adhäsion des Polymers an den Fasern und (3) die Anordnung der Fasern in der Lage. Die Latexsubstanz kann dem Zweischichtmaterial eine zusätzliche Schichtadhäsion verleihen, bis das Phenolharz ausgehärtet ist.
Das obige Beispiel II zeigt, dass Einschicht- und Zweischichtmaterialien zu ähnlichem Full Pack-Reibungsverhalten führten. Reibmaterialien mit geringerem Basisgewicht führen jedoch zu niedrigeren dynamischen Reibungskoeffizienten.
Wenn das Basisgewicht eines Reibmateriales verringert wird, wird die Haltbarkeit reduziert. Bei einem Test bei niedrigerem Basisgewicht ist Zweischichtmaterial haltbarer als das Einschichtmaterial.
Der mittlere Porendurchmesser wird geändert, wenn die Reibmaterialzusammensetzung verändert wird. Durch die Veränderung der Zusammensetzung der primären Schicht in einem Zweischichtmaterial wird die Porengröße erhöht und die Schmierung der Kupplungseinheit verbessert.
Die Kostenersparnis beruht auf der Verwendung des Zweischichtmateriales anstelle eines Einschichtmateriales. In der sekundären Schicht können mehr exotische und teure Materialien verwendet werden, die bei bevorzugten Ausführungsformen relativ dünn sein kann. Bestandteile, die die Kupplungsreibung und/oder das Verschleißverhalten in signifikanter Weise verbessern, können in der sekundären Schicht konzentriert werden.
Beispiel III

Bei einigen Kupplungsanwendungsfällen werden Materialien mit hoher Energiekapazität benötigt. Typischerweise ist ein hoher Reibungskoeffizient nicht so wichtig wie eine hohe Hitzefestigkeit von einem derartigen Material. Die Energiekapazität der Reibmaterialien kann vergrößert werden, indem elastomere Partikel in den Formulierungen verwendet werden. Ferner wird durch die Verwendung des Zweischichtreibmateriales mit Silicon als gesättigtem Harz der Reibungskoeffizient erhöht und der Verschleiß verringert. Die Formulierungen der Vergleichsbeispiele und von Beispiel I sind in der nachfolgenden Tabelle 12 aufgeführt. Tabelle 12

Vergleichsbeispiel 6	Eine Schicht der Formulierung #2
	Baumwolle 46 $, Celit 17 %,
	Aramid-faser 6 %, Siliciumnitridpartikel 6 %; Reibpartikel:
	Elastomerpolymer vom Nitrilkautschuktyp 5 %, CNSL-5 %, sehr
	hart CNSL-15 %, Latex 2 % Verarbeitungshilfe
	Gesamtbasisgewicht 133–135, Dicke
	= 0,025 Zoll
Vergleichsbeispiel 6a	Gesättigt mit 43 % Phenol
Vergleichsbeispiel 6b	Gesättigt mit 35 % Phenol
Vergleichsbeispiel 7	Einschichtformulierung #1A: wie
	bei Formulierung 1 mit der Ausnahme, dass Elastomerreibpartikel
	vom Nitriltyp anstelle von
	Partikeln vom Isoprentyp vorhanden
	sind
	Gesamtbasisgewicht 135, Dicke =
	0,021–0,022 Zoll
Vergleichsbeispiel 7a	Gesättigt mit 45 % Phenol
Vergleichsbeispiel 7b	Gesättigt mit 34 % Phenol

Vergleichsbeispiel 7c	Gesättigt mit 47 % Silicon
Beispiel I	Erste Schicht Baumwolle 60 %,
	Celit 40
	zweite Schicht Formulierung #1
	Gesamtbasisgewicht 130–140, Dicke
	= 0,022–0,0235 Zoll
Beispiel Ia	Gesättigt mit 56 % Silicon
Beispiel Ib	Gesättigt mit 43 % Silicon
Vergleichsbeispiel 3	Eine Schicht der Formulierung #1
	Gesamtbasisgewicht 135, Dicke
	0,021–0,023 Zoll

Die Formulierungen von Vergleichsbeispiel 7 wurden getrennt mit Phenolharz (Vergleichsbeispiele 7a, 7b) und einem Siliconharz (Vergleichsbeispiel 7c) gesättigt. Vergleichsbeispiel 3 und die Beispiele Ia und Ib wurden mit einem Siliconharz gesättigt.
Es wurde das Hochenergie-Reibmaterial gemäß Vergleichsbeispiel 6 hergestellt, das drei unterschiedliche Arten von Reibpartikeln enthielt. Dieses Material wurde mit Phenolharz gesättigt.
Sämtliche Materialien besaßen ein Basisgewicht von 135 lb und wurden zur Herstellung von Kupplungseinheiten verwendet. Die Einheiten wurden in bezug auf die Reibungs- und Verschleißeigenschaften gemäß den Verfahren 528C oder 527C ausgewertet.
Full Pack-Test – Verfahren mit moderater Energie 528C
(A) Phenolharz
Wenn das Einschichtmaterial mit den Nitrilreibungspartikeln, die die Isoprenreibungspartikel ersetzen (wie in Vergleichsbeispiel 7), versehen wird, wird die Haltbarkeit geringfügig erhöht. Das Material von Vergleichsbeispiel 3 (mit den Isoprenpartikeln) bei einer Aufnahme von 35 % hielt 600 Zyklen, während das Material von Vergleichsbeispiel 7 mit der gleichen Aufnahme 850 Zyklen hielt. Eine Zusammenfassung der Reibungs- und Verschleißdaten ist in der nachfolgenden Tabelle 13 angegeben. Oberflächenerscheinungsdaten und dynamische Reibungsdaten in Prozent können der nachfolgenden Tabelle 14 entnommen werden.
Tabelle 13 Full Pack-Test – Labordaten mit Zyklus 1.050 Verfahren 528C – Material mit 135 lb Basisgewicht Exxon 1975 Typ „H" Schmierung

* Niedriggeschwindigkeitsdynamik (Statik), aufgezeichnet nach dem 45°-Verfahren in Zeichnung #95407
** Hochgeschwindigkeitsdynamik, aufgezeichnet 0,2 sec nach Angriff

Tabelle 14 Full Pack-Test-Daten der Packungsoberflächenerscheinungsform Verfahren 528C – Material mit 135 lb Basisgewicht Exxon 1975 Typ „H" Schmierung

** Prozent Hochgeschwindigkeitsdynamik-Reibfläche von Zyklus 200 bis 1.050

Einheiten, die mit dem Material von Vergleichsbeispiel 7 mit einer höheren 45%-Aufnahme hergestellt wurden, waren in der Lage, den 5280-Test erfolgreich zu bestehen. Dieses Material, das die Elastomerreibpartikel vom Nitriltyp enthält, besaß eine endgültige dynamische Reibung von 0,123 und einen Packungsverlust von nur 4,0 mils. Das Material von Vergleichsbeispiel 7 wurde mit einem dynamischen Reib fading von 8,1 % getestet. Die Abrasion und der Glanz wurden mit „2" eingestuft, während das Ausbrechen „1" und die Delamination „0" betrugen. Im Vergleich dazu wurde das Einschichtmaterial (Vergleichsbeispiel 3) mit einer Phenolharzaufnahme von 44 % nach 550 Zyklen gestoppt. Es gibt im wesentlichen keine Verbesserung, wenn die Harzaufnahme bei dem Einschichtmaterial von 35 % auf 44 % übergeht. Durch einen Austausch der Isoprenelastomerreibpartikel durch die Nitrilelastomerreibpartikel in der Formulierung #1A und durch die Erhöhung der Harzaufnahme erhält das Material eine zusätzliche Energiekapazität.
Das Material von Vergleichsbeispiel 7 wurde mit Siliconharz bei einer Aufnahme von 47 % gesättigt. Dieses Material hatte einen endgültigen dynamischen Reibungskoeffizienten von 0,151 mit einem dynamischen Reibfading von 16,1 %. Der Packungsverlust betrug 0,0 mils. Die Oberflächenerscheinungsform war nach dem Test exzellent. Die Abrasion, das Ausbrechen und die Delamination wurden jeweils mit „0" eingestuft, während der Glanz mit „1" eingestuft wurde. Durch die Verwendung von Siliconharz in Verbindung mit Nitrilelastomerreibpartikeln in der Formulierung #1A werden die Belagverschleißfestigkeit und der Reibungskoeffizient erhöht und die Oberflächenerscheinung der Einheit verbessert.
Das Einschichtmaterial (Vergleichsbeispiel 3) bei einem Basisgewicht von 135 lb war nicht in der Lage, den 528C-Test mit 40 % oder 35 % Phenolharzaufnahme erfolgreich zu beenden, wie aus der obigen Tabelle 13 deutlich wird. Diese Tests wurden nach etwa 600 Zyklen gestoppt.
Das Zweischichtmaterial mit der Formulierung #1 als obere Schicht (Beispiel I) und einer Phenolharzaufnahme von 41 % war jedoch in der Lage, den Test mit einem endgültigen dynamischen Reibungskoeffizienten von 0,131, einem Reibungsfading von 5,8 % und einem Packungsverlust von 9,0 mils erfolgreich zu beenden, wie aus der obigen Tabelle 13 deutlich wird.
Wenn das Einschichtmaterial (Vergleichsbeispiel 3) mit Siliconharz bei einer Aufnahme von 45 % gesättigt wird, nimmt der endgültige dynamische Reibungskoeffizient auf 0,155 mit einem Reibungsfading von 10,4 % und einem Packungsverlust von 0 mils zu, wie aus der obigen Tabelle 13 hervorgeht. Der Oberflächenglanz der Einheit wurde mit „1" eingestuft, und die Abrasion, das Ausbrechen sowie die Delamination wurden alle mit „0" eingestuft. Durch die Verwendung des Siliconharzes wurde das Reibungs- und Verschleißverhalten des Einschichtreibmateriales unter diesen Testbedingungen verbessert.
Das Zweischichtmaterial (Beispiel I), das die Formulierung #1 oben aufweist, wurde mit einem Siliconharz bei einer Aufnahme von 43 % und 56 % gesättigt. Beide Tests ergaben einen endgültigen dynamischen Reibungskoeffizienten von etwa 0,174 mit etwa 5,5 mils Packungsverlust und 8,2 % Reibungsfading. Der Oberflächenzustand des Belages war nach dem Testen ausgezeichnet. Nur der Glanz wurde mit „1" eingestuft, während die Abrasion, das Ausbrechen und die Delamination alle mit „0" eingestuft wurden. Das Zweischichtmaterial führte zu einer höheren Reibung als das Ein schichtmaterial. Wiederum hatte das Material der Formulierung #1 mit Silicon eine höhere Reibung als das mit Phenolharz gesättigte Material.
5 zeigt die Reibungskurven in Abhängigkeit von der Anzahl der Zyklen für eine Formulierung mit durchgeführten Änderungen zur Erhöhung der Haltbarkeit und Reibung in bezug auf Vergleichsbeispiel 3 und Beispiel I. Die Unterschiede in den Kurven geben den Effekt der Elastomerpartikel 4198, des Siliconharzes und des Zweischichtmateriales wieder.
Beispiel IV
Eine Veränderung der Reibmaterialdichte beeinflusst das Reibungs- und Verschleißverhalten einer Einheit. Es wurden das Einschichtmaterial und das Zweischichtmaterial mit unterschiedlichen Dichtekombinationen ausgewertet. Die ausgewerteten Zweischichtmaterialdichtekombinationen waren primäre und sekundäre Schichten mit der gleichen Dichte (Beispiel J), eine primäre Schicht mit einer hohen Dichte und eine sekundäre Schicht mit einer niedrigen Dichte (Beispiel K), und eine primäre Schicht mit einer niedrigen Dichte und eine sekundäre Schicht mit einer hohen Dichte (Beispiel L), wie in der nachfolgenden Tabelle 15 angeführt.
Die gleiche Materialformulierung wurde sowohl für die primäre (untere) als auch für die sekundäre (obere) Schicht des Zweischichtmateriales verwendet. Die Beispiele, die die Schichten mit hoher Dichte enthielten, besaßen jedoch mehr „mechanisch" aufgearbeitetes Baumwollmaterial. Durch die Aufarbeitung der Baumwollfasern wird die Fibrillation der Fasern erhöht und die Canadian Standard Freeness Zahl (CFN) erniedrigt. Die CFN (getestet durch das T227om-94-Testverfahren, genehmigt von der TAPPI) wird gering, wenn der Umfang der Aufarbeitung oder Fibrillation des Fasermateriales zunimmt. Die Dichte steigt an, wenn der Umfang der Fibrillation zunimmt (d.h. wenn die CFN abnimmt). Es versteht sich, dass „normale" oder standardmäßige Baumwollfasern eine durchschnittliche CFN von etwa 550 besitzen, während extra „aufgearbeitete" Baumwollfasern eine durchschnittliche CFN von etwa 450 aufweisen. Somit erzeugen die standardmäßigen Baumwollfasern (etwa 550 CFN) Lagen oder Schichten aus Faserbasismaterial mit relativ geringer Dichte, während die aufgearbeiteten Baumwollfasern (etwa 450 CFN) Lagen oder Schichten aus Faserbasismaterial mit relativ hoher Dichte erzeugen.
In sämtlichen Fällen wurde das Gesamtpapierbasisgewicht auf etwa 200 lbs gesetzt, wobei die primäre Schicht 160 lbs und die sekundäre Schicht 40 lbs wogen. Ein Phenolsättigungsharz wurde verwendet, um eine Aufnahme von 50–55 % zu erzielen. Die Tests wurden gemäß Verfahren 498 mit einer Exxon 1975 Typ „H" Schmierung durchgeführt.
Die nachfolgenden Reibmaterialien enthalten Formulierung #3: Baumwolle 36,8 %, Aramidpulpe 4,8 %, Celit 13,6 %, Siliciumnitridpartikel 4,8 %, Reibpartikel: Nitril, Elastomerpolymerpartikel: 4,0 %, CNSL 4,0 %, sehr harte CNSL 12,0 %; Novoloidfasern: 3 mm Länge 10 %, 0,20 mm Länge 10 %.
Die in der nachfolgenden Tabelle 15 aufgeführten Porositätsdaten geben ein Maß für die Länge der Zeit an, die erforderlich ist, um ein spezielles Luftvolumen durch eine Papierlage unter Verwendung eines Gurley-Densometers zu leiten.
Die in der nachfolgenden Tabelle 15 wiedergegebenen Mullen-Daten entsprechen einem Testverfahren, das die Zerreißfestigkeit von Papier misst, wenn Druck mit einer konstanten Rate auf eine Flüssigkeit aufgebracht wird, und zwar unter Steuerung einer Gummimembran unter einer Standardöffnung, die mit einer Testprobe bedeckt ist. Dieses Testverfahren stellt eine Extrapolation des TAPPI-Verfahrens T-403 dar.
Tabelle 15
Das Zweischichtmaterial mit der gleichen Dichte und Materialformulierung in beiden Schichten wurde mit einer entsprechenden dynamischen Reibungsgröße sowohl bei 2.000 UpM (von 0 bis 100 Zyklen) und 4.800 UpM (von 101-2.100 Zyklen) Eingriffsgeschwindigkeiten (Beispiel J) getestet. 6 zeigt die Reibungskurven in Abhängigkeit von der Zahl der Zyklen aus Tests mit Zweischichteinheiten für Beispiel J. Der Gesamtpackungsverlust betrug 2,8 mils.
Die 7 und 8 zeigen Zweischichtmaterial mit Veränderungen der Dichte. 7 zeigt die statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten für Beispiel K. Der Gesamtpackungsverlust betrug 0,2 mils.
8 zeigt die statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten für Beispiel L. Der Gesamtpackungsverlust betrug 2,2 mils. Durch Veränderung der Dichte der primären oder sekundären Schicht des Zweischichtmateriales wird das Reibungs- und Verschleißverhalten verändert. Das günstigste Verhalten, wie durch die Porositätsdaten wiedergegeben, ergab sich mit der primären Schicht mit niedriger Dichte und der sekundären Schicht mit hoher Dichte (siehe Beispiel L in 8).
Beispiel L zeigt verbesserte statische und dynamische Reibungskoeffizienten während des Eingriffes bei 2.000 UpM und geringfügig höhere Reibungskoeffizienten. Die Verschleißfestigkeit der Einheit ist ebenfalls bei diesem Material sehr gut. Die 6–8 zeigen die Reibungskurven in Ab hängigkeit von der Zahl der Zyklen der drei Zweischichtmaterialdichtekombinationen, die ausgewertet wurden (Beispiele J, K und L).
Zweischichtmaterialien verhalten sich besser als Einschichtmaterialien. Das beste Zweischichtmaterial besaß eine primäre Schicht mit geringer Dichte und eine sekundäre Schicht mit einer hohen Dichte. Die Zweischichtmaterialien hatten eine geringfügig größere Verschleißfestigkeit als das Einschichtmaterial. Die dynamischen Reibungskoeffizienten aus diesen Tests mit Zweischichtmaterialien schwankten etwas weniger bei unterschiedlichen Eingriffsgeschwindigkeiten im Vergleich zu denen des Einschichtmateriales.
Beispiel V

Die Reibungs- und Verschleißtests wurden gemäß Verfahren 5004A mit Exxon 1975 Typ „H" ATF durchgeführt. Sämtliche Ergebnisse wurden unter Verwendung des Einschichtreibmateriales oder eines Zweischichtreibmateriales erhalten. Ausgewählte modifizierte und nichtmodifizierte Siliconharze wurden mit diesen beiden Reibmaterialien ausgewertet. Die getesteten Materialien sind in der nachfolgenden Tabelle 16 aufgeführt. Beide Beispiele M und N enthalten Formulierung #4 wie folgt: Aramidpulpe – 32 %, Celit – 26 %, Silica – 16 %, Reibpartikel: Elastomerpartikel vom Nitriltyp – 16 %, Glasfasern 10 %. Tabelle 16

Beispiel M	Einschichtmaterial aus Formulierung #4
	Basisgewicht 115–125
Beispiel N	Zweischichtmaterial aus Formulierung #4
	Basisgewicht 115–125
	Primäre Schicht Basisgewicht 80 –
	niedrige Dichte
	Sekundäre Schicht Basisgewicht 40 –
	hohe Dichte

Mit den modifizierten Siliconharzen gesättigte Proben besitzen nahezu eine doppelt so große Scherfestigkeit wie Proben, die mit einem nichtmodifizierten Siliconharz gesättigt sind. Mit den modifizierten Siliconharzen gesättigte Proben weisen eine zunehmende Scherfestigkeit auf, wenn sie mit einem Phenolharz oder einem anderen spröden Harz vermischt werden.
Obwohl die modifizierten Siliconharze eine höhere Scherfestigkeit als die nichtmodifizierten Harze besitzen, führen sie zu entsprechenden oder geringfügig höheren Verformungswerten als die nichtmodifizierten Siliconharze. Es scheint eine geringe Korrelation zwischen einer hohen Scherfestigkeit und einer hohen Druckverformungsfestigkeit von nichtmodifiziertem Siliconharz mit diesen Reibmaterialformulierungen zu geben. Der mittlere Porengrößendurchmesser neigt dazu, bei Proben, die mit gering vernetzten Har zen gesättigt sind, geringfügig größer zu werden als bei stark vernetzten Harzen.
Ein eindruckvolles Reibungs- und Verschleißverhalten wies ein Zweischichtmaterial auf, das mit einem bei 450 °F ausgehärteten Siliconharz gesättigt war. Dieses Material hatte nur einen Packungsverlust von 0,8 mils sowie ein Reibungsfading von 9 %. Das gleiche Material, das bei 400 °F aushärtete, wurde mit einem Packungsverschleiß von 21,0 mils und einem Reibungsfading von 13 % getestet. Bei der Verwendung von Siliconharz ergab sich daher ein besseres Packungsverlustverhalten und Reibverhalten, was das richtige Aushärten des Harzes wiedergibt.

Ein Zweischichtmaterial auf Faserbasis wurde mit den nachfolgend aufgeführten unterschiedlichen Siliconharzen gesättigt. Das Material besaß seinen ersten TGA-Peak bei etwa 592 °C und einen Rest von 55,46 Gew.%, wie in 9 gezeigt. Alle Materialien wurde bei einer Gewichtsaufnahme von 60 %–65 % mit den in der nachfolgenden Tabelle 17 aufgeführten Harzen gesättigt. Tabelle 17

Harz 1)	MTV Siliconkautschuk, Harz/Polymerverhältnis =
	50:50 – 30 min @ 400 °F – Silicon
Harz 2)	30 min @ 450 °F – modifiziertes Silicon gewichtsgemitteltes Molekulargewicht = 10.000, Vernetzungsgrad = 1,3

Harz 3)	30 min @ 450 °F – modifiziertes Silicon gewichtsgemitteltes Molekulargewicht = 10.000, Vernetzungsgrad = 1,4
Harz 4)	30 min @ 450 °F – 20:80 – Silicon/Phenolharzmischung
Harz 5)	MTV Siliconkautschuk, Harz/Polymerverhältnis =
	50:50 – 30 min @ 450 °F – Silicon
Harz 6)	30 min @ 450 °F – modifiziertes Silicon gewichtsgemitteltes Molekulargewicht = 10.000, Vernetzungsgrad = 1,4
Harz 7)	30 min @ 400 °F – modifiziertes Silicon gewichtsgemitteltes Molekulargewicht = 5.000.000, Vernetzungsgrad = 1,4
Harz 8)	30 min @ 450 °F – modifiziertes Silicon gewichtsgemitteltes Molekulargewicht = 5.000.000, Vernetzungsgrad = 1,4
Harz 9)	Siliconkautschuk, Harz/Polymerverhältnis = 70:30
Harz 10)	Siliconkautschuk, Harz/Polymerverhältnis = 90:10
Harz 11)	Siliconkautschuk, Harz/Polymerverhältnis = 5:95

Die physikalischen Testdaten für die Hochtemperaturreibmaterialien Beispiel M – Einschichtmaterial der Formulierung #4 und Beispiel N – Zweischichtmaterial der Formulierung 4, die mit Variationen von Silicon und einem Silicon/Phenolharzgemisch gesättigt wurden, sind in der nachfolgenden Tabelle 18 aufgeführt.
Tabelle 18 Physikalische Materialeigenschaften Siliconharzvergleich
Die Reibungs- und Verschleißdaten wurden gemäß dem SAE-Verfahren 5004A unter Verwendung einer Exxon 19875 Typ „H" ATF Schmierung erhalten. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse ist in der nachfolgenden Tabelle 19 aufgeführt.
Tabelle 19 Testverfahren 5004A – Exxon 1975 Typ „H" ATF Siliconharzvergleich
Die Zweischichtmaterialtests wurden unter Verwendung von unterschiedlichen Harzen, dem Siliconharz und dem Silicon/Phenolharz ausgewertet. Das Siliconmaterial, das bei 450 °F und nicht bei 400 °F aushärtete, führte zu einem Packungsverlust von 0,8 mils im Vergleich zu einem Packungsverlust von 21,0 mils des gleichen Materiales, das bei 400 °F ausgehärtet wurde. Das Zweischichtmaterial, das mit einem Silicon/Phenolharzgemisch ausgehärtet wurde, führte zu einem Verschleiß von 5,9 mils.
Es wurden zwei TMA(thermisch mechanische Analyse)-Tests durchgeführt: der erste Test enthielt das Erhitzen der Materialien in Schritten von 10 °C/min auf 750 °F (Verfahren „A"), während die Dimensionsverschiebung gemessen wurde. Der zweite Test enthielt fünf thermische Zyklen von Raumtemperatur auf 500 °C und schließlich einen endgültigen Temperaturanstieg auf 750 °C (Verfahren „B").
Tabelle 20 Thermischer Materialvergleich Silikonharzvergleich

* Niveau A: ui = Reibung bei 3.600 UpM, um = 1.850 UpM, uf = 740 UpM und us = 0,72 UpM.
Niveau B: ui = Reibung bei 3.600 UpM, um = 1.850 UpM, uf = 740 UpM und us = 0,72 UpM.
Niveau C: ui = Reibung bei 3.600 UpM, um = 1.850 UpM, uf = 740 UpM und us = 0,72 UpM.

9 zeigt eine thermogravimetrische Analyse (TGA) von Beispiel N. Die TGA-Kurve zeigt höhere Temperaturen an, was einen Anstieg der Hitzefestigkeit andeutet. Die Gewichtsprozentveränderung betrug 35,15 %. Je weniger schnell der Gewichtsverlust war, desto größer ist die Hitzefestigkeit, die das Reibmaterial besitzt.
Beispiel VI
Ein Hochleistungs-Zweischichtpapierverbund-Nasskupplungsreibbelagmaterial besitzt eine sekundäre Schicht aus einer Hochtemperatur-Hochenergie-Materialformulierung mit geringer bleibender Verformung bei Druckbeanspruchung und eine primäre Schicht, die eine nichtlinear elastische poröse Formulierung enthält. Das Zweischichtverbundmaterial ist stark porös, nichtlinear elastisch und hat eine geringe bleibende Verformung bei Druckbelastung. Reibmaterialien, die beispielsweise Zweischichtverbund-Nasskupplungsbeläge umfassen, besitzen eine beträchtliche Verbesserung des Reibverhaltens gegenüber einem Einschichtmaterial aus dem Material der sekundären Schicht.

Die sekundäre Schicht weist eine Formulierung #5 auf, die etwa 10 % bis etwa 40 % poröse aktivierte Carbonpartikel, etwa 10 % bis etwa 30 % Baumwollfasern, etwa 5 % bis etwa 30 % präzisionsgeschnittene Aramidfasern, etwa 0-20 % synthetischen Graphit und etwa 0-40 % Füllermaterialien enthält. Die primäre Schicht umfasst Formulierung #6, die etwa 5 % bis etwa 30 % nichtlinear elastische PET-Fasern, etwa 20 % bis etwa 60 % Baumwollfasern, etwa 10 % bis etwa 40 % Füllermaterialien enthält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die primäre Schicht etwa 55 % Baumwolle, etwa 10 % nichtlinear elastische PET-Fasern, 35 % Celit und etwa 2 % Latex, Verarbeitungshilfen, während die sekundäre Schicht etwa 30 % aktivierte Carbonpartikel, etwa 25 % Baumwolle, etwa 10 % Aramidfasern, etwa 10 % Aramidpulpe, etwa 25 % Celit und etwa 2 % Latexprozesshilfen enthält. Die sekundäre Schicht umfasst etwa 5 % bis etwa 30 % und am bevorzugtesten etwa 20 % der Gesamtdicke des Zweischichtverbundmateriales. Das entstandene Zweischichtverbundmaterial ist stark porös un nichtlinear elastisch. Das Zweischichtverbundmaterial stellt eine beträchtliche Verbesserung im Reibungsverhalten gegenüber einem Einschicht-Hochtemperaturmaterial dar, wenn es in Nasskupplungsbelägen verwendet wird. Tabelle 21

Vergleichsbeispiel 8	Formulierung #5
	45 % Phenolharz PU
	Endgültige Dichte 47,4 lb/ft³
Vergleichsbeispiel 9	Formulierung #6
Beispiel O	Sekundärschicht der Formulierung #5
	Primäre Schicht der Forlulierrung #6
	44 % Phenolharz PU
	Endgültige Dichte 44,4 lb/ft³

Die Proben wurden mit einem Phenolharz mit den angegebenen Aufnahmepegeln gesättigt. Die in Tabelle 22 aufgeführten Daten geben den durchschnittlichen Porendurchmesser in μm für Vergleichsbeispiel 8, Vergleichsbeispiel 9 und Beispiel O wieder. Man erkennt, dass das Zweischichtmaterial von Beispiel O einen durchschnittlichen Porendurchmesser besitzt, der größer ist als der von Vergleichsbeispiel 8 oder Vergleichsbeispiel 9. Sämtliche Proben wurden ausgehärtet und auf eine endgültige Dichte von 45–47 lb/ft³ komprimiert. Tabelle 22

Durchschnittlicher Porendurchmesser (μm)

Vergleichsbeispiel 8 2,599

Vergleichsbeispiel 9 3,845

Beispiel O 3,894
Die Kompressions-Relaxations-Tests wurden unter Verwendung von Vergleichsbeispiel 8, Vergleichsbeispiel 9 und Beispiel O durchgeführt. Die Kompressibilität ist die Eigenschaft eines Materiales, nach der Kompression auf seine ursprüngliche Größe zurückzukehren.
Der dynamische Hochgeschwindigkeitsreibungskoeffizient in Abhängigkeit von Zyklusdaten für Vergleichsbeispiel 8 und Beispiel O bei Durchführung eines Vollpackungs(527C)-Hochenergietests ist in 13 wiedergegeben.
Das Zweischichtreibmaterial ist stark porös und nichtlinear elastisch. Es wird eine wesentliche Verbesserung des Reibungsverhaltens gegenüber dem Einschichtmaterial der Vergleichsbeispiele 8 oder 9 erreicht. Es gibt einen 10–25%-igen Anstieg des dynamischen Reibungskoeffizienten und einen etwa 20–50%igen Anstieg der Verschleißfestigkeit.
Des weiteren ist ein Anstieg der Hitzefestigkeit und ein geringeres statisches/dynamisches Verhältnis vorhanden. Das Zweischichtreibmaterial besitzt eine erhöhte Porengröße, eine geringe Kompression-Relaxation und einen Gesamtanstieg der Harzaufnahme gegenüber den Einschichtmaterialien.
10 zeigt die Kompression und die bleibende Verformung bei Druckbelastung für Vergleichsbeispiel 8. 11 zeigt die Kompressions- und Druckverformungsdaten für Vergleichsbeispiel 9. 12 zeigt die Kompression und die bleibende Verformung bei Druckbeanspruchung für Beispiel O.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiereibmaterial zur Verwendung mit Kupplungsscheiben, Getriebebändern, Bremsschuhen, Synchronisationsringen, Reibscheiben oder Systemplatten und Drehmomentwandlern.

Claims

Zweischichtiges Material (24) auf Faserbasis zur Verwendung in einem asbestfreien Reibmaterial, das eine sekundäre oder obere Schicht aufweist, die mit einer primären oder unteren Schicht (12) haftend verbunden ist, wobei die primäre Schicht (12) nicht lineare elastische Fasern, Baumwollfasern und Füllermaterial aufweist; die sekundäre Schicht (22) Aramidfasern, wahlweise synthetischen Graphit, wahlweise Füllermaterial und wahlweise Verarbeitungshilfen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Schicht (22) ferner Baumwollfasern und poröse Kohlenstoffteilchen aufweist.
Zweischichtiges Material (24) auf Faserbasis nach Anspruch 1, bei dem die sekundäre Schicht von ungefähr 2% bis ungefähr 50% der gesamten kombinierten Zweischichtdicke ausmacht.
Zweischichtiges Material (24) auf Faserbasis gemäß Anspruch 1, bei dem die primäre Schicht (12), in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der primären Schicht (12), aufweist: ungefähr 5% bis ungefähr 30% nichtlineare elastische Fasern, ungefähr 0% bis ungefähr 60% Baumwollfasern, ungefähr 10% bis 40% Füllermaterial, ungefähr 0% bis ungefähr 20% Reibteilchen, und ungefähr 0% bis ungefähr 3% Verarbeitungshilfen vom Latextyp.
Zweischichtiges Material (24) auf Faserbasis nach Anspruch 1, bei dem die sekundäre Schicht (22), in Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der sekundären Schicht (22), aufweist: ungefähr 10% bis 55% Baumwollfasern, ungefähr 5% bis ungefähr 45% Aramidfasern, ungefähr 10% bis ungefähr 40% poröse Kohlenstoffteilchen, ungefähr 0% bis ungefähr 40% Füllermaterial, und ungefähr 0% bis ungefähr 20% synthetisches Graphit.
Asbestfreies Reibmaterial, das ein zweischichtiges Material (24) auf Faserbasis des Anspruchs 1 aufweist, welches mit einem Phenolharz oder mo difizierten Phenolharz, einem Siliconharz oder modifizierten Siliconharz, oder einem Gemisch aus einem Phenolharz oder modifizierten Phenolharz mit einem Siliconharz oder modifizierten Siliconharz imprägniert ist.
Asbestfreies Reibmaterial, das ein zweischichtiges Material (24) auf Faserbasis des Anspruchs 5 aufweist, welches mit einem epoxy-phenolmodifizierten Harz imprägniert ist.
Asbestfreies Reibmaterial nach Anspruch 5, bei dem das Reibmaterial ungefähr 30 bis ungefähr 65 Gew.-% Harz aufweist.
Asbestfreies Reibmaterial nach Anspruch 6 in Form eines Kupplungsbelages.
Asbestfreies Reibmaterial nach Anspruch 6 in Form eines Bremsbackenbelages.
Verfahren zum Herstellen eines asbestfreien Reibmaterials mit folgenden Schritten: Formen einer primären Schicht (12), die nichtlineare elastische Fasern, Baumwollfasern und Füllermaterial aufweist; und Haftverbinden einer sekundären Schicht (22) mit der primären Schicht (12), wobei die sekundäre Schicht (22) Aramidfasern, wahlweise Füllermaterial, und wahlweise synthetisches Graphit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Schicht (22) ferner Baumwollfasern und poröse Kohlenstoffteilchen aufweist.