JP2004169788A - 湿式クラッチ用摺動部材および湿式クラッチ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基材と、この基材表面に一体的に形成され少なくとも一部表面が湿式条件において摺動する摺動面となるSiを1〜50at%含有する非晶質硬質炭素膜と、を有することを特徴とする。ここで、非晶質硬質炭素膜は1〜50at%のHを含有し、また、3〜20at%のSiを含有することができる。この非晶質硬質炭素膜の硬度はHV800以上であり、摺動面の表面粗さは0.3〜10μmRzであることが望ましい。また、非晶質硬質炭素膜と摺動する相手材は繊維成分を含有するペーパ系摩擦材であることが好ましい。
本発明の湿式クラッチ装置は、本発明の湿式クラッチ用摺動部材を用いたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、湿式クラッチ用摺動部材および湿式クラッチ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動変速機に用いられれる変速クラッチおよびロックアップクラッチなどの湿式摩擦係合装置において、摩擦係数(μ)を増大することは、装置の伝達トルク容量の増大につながるとともに、摺動部材の枚数削減もしくは摺動部材面積の低減を通して、摩擦係合装置の小型化および軽量化につながる有効な手段である。
【0003】
摩擦係合装置の小型化、軽量化を目的とした高摩擦係数のクラッチとしては、表面にTiC,TiN,SiCなどのセラミックス処理を施した高μ特性を有するクラッチプレート(特許文献1)やニッケルメッキを施した高μ特性を有する湿式クラッチ用摩擦部材(特許文献2)など多くの提案がなされている。
【0004】
また、本発明者らは油を用いた湿式摺動条件において、高μ特性を示す非晶質硬質炭素膜を被覆した摺動部材について開示した(特願2001−297563号)。
【0005】
しかし、特許文献1には、10種類のセラミックス名が例示されているものの記載されているセラミックス組成の全てについて高μ特性が得られるわけではない。また、例示されているセラミック処理を施したクラッチプレートでは、高μ特性を有するセラミックス組成が特定されていないという問題がある。
【0006】
特許文献2のニッケルリンメッキや電解ニッケルメッキ、あるいは窒化処理などを施した摺動部材では、必ずしも所望の高μ特性を安定的に得ることができなかった。
【0007】
さらに、本発明者らの先願である特願2001−297563号では、有用な用途部品を提案開示するまでには至らなかった。
【0008】
【特許文献1】
特開平4−366029号公報
【特許文献2】
特開平4−181022号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、基材との密着性に優れ、かつ耐摩耗性を有し、相手攻撃性が低い、湿式条件下で高摩擦特性と良好なμ−v特性とを有する湿式クラッチ用摺動部材とこの摺動部材を用いた湿式クラッチ装置を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは乾燥条件において低μ特性を示す非晶質硬質炭素膜が、自動変速機などの潤滑油が存在する湿式摩擦係合装置の湿式摩擦条件においては、優れた高μ特性を発現することを見出した。
【0011】
この高μ特性発現の要因は未だ明らかではないが、以下のように推測される。すなわち、非晶質硬質炭素膜は、金属材に比べて摩擦調整剤やリン系添加剤などの潤滑油添加剤に対する活性が低く、境界摩擦を低減させる有機吸着膜や無機反応皮膜などの境界膜を形成しにくいために、摺動時の剪断抵抗が高まって、摩擦係数が向上するものと考えられる。
【0012】
本発明の湿式クラッチ用摺動部材は、油を用いた湿式摺動条件において、摩擦によってトルクを伝達する湿式クラッチ用摺動部材であって、基材と、この基材表面に一体的に形成され少なくとも一部表面が湿式条件において摺動する摺動面となるSiを1〜50at%含有する非晶質硬質炭素膜と、を有することを特徴とする。
【0013】
ここで、非晶質硬質炭素膜は1〜50at%のHを含有し、また、3〜20at%のSiを含有することができる。
【0014】
この非晶質硬質炭素膜の硬度はHV800以上であり、摺動面の表面粗さは0.3〜10μmRzであることが望ましい。
【0015】
本発明の湿式クラッチ用摺動部材は自動変速機に用いられる変速機用の湿式クラッチおよび湿式ブレーキ、発進クラッチならびにロックアップクラッチのいずれかに使用される摺動部材であり、非晶質硬質炭素膜と摺動する相手材は繊維成分を含有するペーパ系摩擦材であることが好ましい。
【0016】
本発明の湿式クラッチ装置は、本発明の湿式クラッチ用摺動部材を用いたことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の湿式クラッチ用摺動部材の摺動面に形成された非晶質硬質炭素膜は、炭素および水素に加えて珪素を含有する。炭素膜が、非晶質の炭素膜であることは、X線回折試験等の結果から判定できる。また、この非晶質硬質炭素膜は、ラマン分光分析等により非晶質炭素が硬質の擬似ダイヤモンドを主成分としていることが確認できる。従ってこの非晶質硬質炭素膜はビッカース硬度が800以上を有するものである。
【0018】
非晶質硬質炭素膜中の水素の含有量は、製造方法や成膜条件等によって異なるが、1〜50at%が望ましい。さらに好ましくは、20〜40at%である。この範囲であれば、HV800以上の硬質な非晶質炭素膜が得られる。
【0019】
非晶質硬質炭素膜中のSiの含有量は、良好な密着性と耐摩耗性および湿式条件下で高μ特性を得るという観点から決められる。このような観点から、Siの含有量は1〜50at%が適当である。Si含有量が1at%未満では均一な膜とならずに粉体化するため耐摩耗性が得られない。また、50at%を越えると硬質な膜が得られず耐摩耗性が不足することがあり好ましくない。より好ましくは3〜20at%である。
【0020】
本発明の湿式クラッチ用摺動部材は、基材である金属板などを設置した蒸着室内に炭素原料と珪素原料とを導入して、Siを含有する非晶質硬質炭素膜を基材上に蒸着させることで作製することができる。
【0021】
炭素原料としては、例えば炭化水素を挙げることができ、炭化水素としてはメタン、アセチレン、エチレン等を例示することができる。特に好ましい炭素原料はメタンである。珪素原料としては、例えばテトラメチルシラン(TMS)、SiH4、Si2H6、SiCl4、SiH2F2等を挙げることが出来る。なかでもテトラメチルシランは、毒性および腐食性が低くかつ操作性が良好であることから、珪素原料としては好適である。
【0022】
炭素原料と珪素原料とは、一般にガス状のものを、蒸着室に導入する。従って、常温で気体でないものは、適当なキャリアガスを用いて蒸着室に導入するとよい。例えば、珪素原料であるテトラメチルシラン(TMS)の場合には、一定温度に維持したテトラメチルシランに、キャリアガスとして、例えば水素ガスを使用し、テトラメチルシランと水素との混合ガスとして蒸着室に導入することができる。また、上記原料を蒸着室内に導入するに際しては、キャリアガスとしてヘリウムやアルゴン等の不活性ガスを用いることもできる。さらに、原料化合物のガスと不活性ガスとの混合物をキャリアガスとして用いることもできる。
【0023】
本発明の湿式クラッチ用摺動部材は、基材を設置した蒸着室内に炭素と珪素の各原料を導入して、非晶質硬質炭素膜を基材上に蒸着させることにより製作される。蒸着方法には特に制限はなく、例えば、プラズマCVD、スパッタリング、イオンプレーティング、イオン化蒸着等のドライプロセスを適宜用いることができる。
【0024】
本発明において基材としては、金属系、セラミックス系および樹脂系の摺動部材を挙げることができる。ただし、これらに限定されるものではなく、湿式摺動部材として使用されるものであれば、そのほかの材料をも基材とすることができる。なお、金属系としては鉄合金の、例えばSUS440CやS45C等を挙げることができ、アルミニウム系合金としてはA2000系、AC4C等を、さらに、セラミックス系としてはSi3N4、Al2O3等を例示することができる。また、樹脂系の基材としてはフェノールやポリイミドなどを挙げることができる。
【0025】
ところで、非晶質硬質炭素膜は、HV800以上と硬質であるため、部材の耐摩耗性が向上するとともに、相手材との凝着が生じにくく相手攻撃性も低い。このように、高い耐摩耗性と低い相手攻撃性とを有するために、双方の摺動面の形状変化が少なくなる。したがって、摩擦特性の変化を長期にわたって抑制することができ、安定して高い摩擦係数を維持することが出来る。
【0026】
高μ特性を有する部材として望ましい摺動面の粗さは、0.3μmRz〜10μmRzである。表面粗さが0.3μmRz未満では、油膜が厚くなる高すべり速度条件において固体接触割合が減少し、高μ特性を確保できないことや、μ−v特性の正勾配傾向が維持できない。一方、10μmRzを越えると、相手材への攻撃性が過度に高くなるので適当ではない。
【0027】
本発明の非晶質硬質炭素膜被覆摺動部材は、潤滑油が用いられる湿式状態において、摩擦力によって動力を伝達する部品である。より具体的には、自動変速機に用いられる変速用の湿式クラッチおよび湿式ブレーキ、発進クラッチおよびロックアップクラッチなどの、多板ならびに単板の湿式摩擦係合装置用の非晶質硬質炭素膜被覆プレートである。変速用の湿式クラッチおよび湿式ブレーキは、概ね同様の構造を有する。以後、両者を併せて、変速用多板クラッチと略称する。
【0028】
変速用多板クラッチの概略図の一例を図1に示す。変速用多板クラッチは、リング形状のクラッチプレートを複数枚組み合わせた形で構成される。これらのプレート形状は、図1の1で示す外周側に歯面を有するクラッチプレート(以後、クラッチプレート1と称する)と、2で示す内周側に歯面を有するもの(以後、クラッチプレート2と称する)との、少なくとも2種類のものが組み合わされそれらが交互に接するように配置して用いられる。これらのクラッチプレート群のうち、少なくとも一方のプレート群の基材を、炭素鋼、ステンレス鋼などの金属材とし、これらの金属プレート(例えばクラッチプレート1)の相手プレートと摺動する面に非晶質硬質炭素膜被覆を施す。そして、相手プレート(例えばクラッチプレート2)の摺動面にはペーパなどの湿式摩擦材を貼着する。このように、非晶質硬質炭素膜被覆を施したクラッチプレートを用いた変速用多板クラッチは、高μ特性ならびに良好なμ−v特性を有する。
【0029】
なお、発進クラッチに関しても、上記の変速多板クラッチと同様に、多板構造のものが用いられ、少なくとも一方の金属プレート群に非晶質硬質炭素膜被覆を施したクラッチプレートを用いた場合に、高μ特性ならびに良好なμ−v特性を付与できる。
【0030】
ロックアップクラッチの断面概略図の一例を図2および図3に示す。ロックアップクラッチ20は、フロントカバ21をエンジン出力軸(図示せず)と接合し、もう一方のロックアップピストン22を変速機出力軸23と接合して用いられる。ここで、フロントカバ21とロックアップピストン22とを摩擦係合することで、エンジン出力を直接的に変速機に伝達する構造となっている。
【0031】
図3は図2のX部を拡大して示したものである。ここでは、金属材(熱間圧延鋼板など)のフロントカバ21とロックアップピストン22に貼着されたペーパ摩擦材24とが摩擦面25で摺動することによって動力伝達が行われる。なお、図3にはフロントカバ21の摩擦面が金属材となっている構造を示しているが、フロントカバ側にペーパ摩擦材を貼り付けて、ロックアップピストン側の摩擦面を金属材とすることもできる。さらに、図2および図3は単板構造を示しているが、変速用湿式多板クラッチと同様に多板構造とすることも可能である。
【0032】
以上のロックアップクラッチ20において、相手材と接する面(例えば図3の25)にSiを含有する非晶質硬質炭素膜被覆を施すことによって、良好なμ−v特性を確保しながら、高μ特性を付与することができる。この非晶質硬質炭素膜被覆を施した金属摺動部材は、シャダー防止にも有効であり、例えばスリップ制御ロックアップクラッチなどにも適用することができる。
【0033】
本発明の非晶質硬質炭素膜被覆を施した摺動部材の相手材としは、ペーパ摩擦材のほかにも金属材、セラミックス材、樹脂系材などを好適に使用することができる。
【0034】
本発明の湿式クラッチ装置は、本発明の湿式クラッチ用摺動部材を用いたことを特徴とする。すなわち、本発明の湿式クラッチ用摺動部材を用いた自動変速機用湿式クラッチ装置、ロックアップクラッチ装置などを例示することができる。
【0035】
【試験例】
以下、本発明を試験例により更に詳細に説明する。
【0036】
基材としてSUS440C材(ステンレス鋼)にSi含有量および表面粗さの異なる非晶質硬質炭素膜を被覆したプレート試片(厚さ2mm×幅30mm×長さ30mm、以下、非晶質硬質炭素膜被覆品と略記する)を摩擦試験に供した。また、表面処理を施していないS45C材(炭素鋼)のプレート試片(厚さ2mm×幅30mm×長さ30mm、以下、処理無し品と略記する)も参考例として同様に摩擦試験に供した。
[成膜方法]
プラズマCVD法を用いて、メタンガスを炭素原料とし、珪素原料としては、テトラメチルシラン(TMS)を、水素とアルゴンの混合ガスをキャリヤガスとしてプラズマ中に導入した。非晶質硬質炭素膜の被覆処理条件を表1に示す。すなわち、メタンガスとTMSの流量を変化させてSi含有量が4at%、12at%、および16at%の3水準の非晶質硬質炭素膜被覆品を作成した。なお、その他の成膜条件は、反応圧力が5torr、成膜温度は100℃より低いと放電が不安定になって膜密度が低下するので、500℃とし、成膜速度は6μm/hrであった。この条件で30分間成膜を行い、膜厚3μmのSi含有非晶質硬質炭素膜を得た。非晶質硬質炭素膜の組成および試験片の表面粗さを表1に併記した。
【0037】
【表1】
【0038】
[評価方法]
評価試験方法を図4に模式的に示す。すなわち、供試プレート試片31と、相手材として摺動面にペーパ摩擦材32を貼り付けたリング試片33を用いたスラスト・カラー型摩擦試験30によって、湿式クラッチのμ特性を評価した。
【0039】
相手材のペーパ摩擦材32には、セルロース繊維からなる抄紙体にケイソウ土およびカシューダストなどの摩擦調整材を含有したペーパ基材を用いて、結合材としてフェノール樹脂を含浸し、結合材を熱硬化させたものを用いた。なお、ペーパ摩擦材中のフェノール樹脂含浸量はペーパ摩擦材を100重量%として60重量%程度であった。このペーパ摩擦材32の表面粗さは10〜15μmRzであった。このペーパ摩擦材32を外径25.6mm、内径20.0mm、高さ28mmのリング試片33の断面(摩擦面積:200mm2)に貼付けて試験機の回転軸に取付けた。さらにプレート試片31を挿入した固定ホルダを試験機の固定軸に取付けて評価試験を実施した。
【0040】
本評価試験はオイルバス34の潤滑油中で行われた。潤滑油は市販の自動変速機用フルード(AFT)のキャッスルオートフルードタイプT−IVを200ml使用した。試験条件を表2に示す。
【0041】
【表2】
【0042】
まず、ペーパ摩擦材32を貼着したリング試片33を試験機油槽34の所定の位置に固定する。次に、プレート試片31の処理面をペーパ摩擦材32に当接させ、プレート試片31に面圧が1MPaとなるように荷重W(200N)を負荷して、すべり速度1000mm/sで30分間回転させ、ペーパ摩擦材32とプレート試片31の非晶質硬質炭素膜面とをなじませる。しかる後に、1MPaの面圧は一定ですべり速度を10段階に変化させて、各すべり速度条件における摩擦係数を測定した。
【0043】
すべり速度は、50mm/s、100mm/s、300mm/s、500mm/s、700mm/s、1000mm/s、1300mm/s、1500mm/s、1700mm/s、2000mm/sとし、1分ごとに段階的に変化させた。
【0044】
この間、オイルバス34の潤滑油の油温は80℃一定とした。
[評価結果]
摩擦試験によって得られた各試料のμ−v特性を図2にまとめて示す。縦軸はμ値(摩擦係数)を示し、横軸はすべり速度:v(m/s)を示す。A(■)は試料No.1、B(△)は試料No.2、C(▼)は試料No.3の非晶質硬質炭素膜被覆品の測定結果である。また、R(○)は試料No.6(参考例)の処理無し品の結果である。なお、試料No.1〜3および試料No.6の表面粗さは、表1に記したように、約2μmRzで概ね同一であった。試料No.1〜試料No.3の非晶質硬質炭素膜被覆品は、いずれのすべり速度条件においても、試料No.6の処理無し品に比べて、高いμ値を示している。
【0045】
なお、試料No.1〜試料No.3の非晶質硬質炭素膜処理品は、いずれも試料No.6の処理無し品と同様に、すべり速度の増加に伴うμの増加傾向、すなわち、μ−v特性の正勾配傾向が維持されている。
【0046】
以上の結果から、試験例のSi含有非晶質硬質炭素膜処理品は、高μ特性および良好なμ−v特性を両立できることが分かる。
【0047】
次に、非晶質硬質炭素膜被覆材のμ特性に及ぼす表面粗さの影響について検討する。
【0048】
Si含有量が16%で一定で、表面粗さが異なる試料No.3〜試料No.5のSi含有非晶質硬質炭素膜被覆材のμ−v特性を図3に示す。図2と同様に縦軸はμ値(摩擦係数)を示し、横軸はすべり速度:v(m/s)を示す。C(▼)は試料No.3、D(□)は試料No.4、E(◆)は試料No.5の非晶質硬質炭素膜被覆品の測定結果である。比較のために、表面粗さ2.0μmRzの処理無し品の結果もR(○)として図3に併記した。
【0049】
試料No.3〜試料No.5のSi含有非晶質硬質炭素膜被覆品は、表面粗さによらず、いずれのすべり速度条件においても、参考例の処理無し品に比べて、高いμ値を示している。Si含有量が16at%の非晶質硬質炭素膜被覆品に着目すると、4.3μmRz品(試料No.5)>2.1μmRz品(試料No.3)>0.8μmRz品(試料No.4)の粗さの順に、μ値が高くなっている。
【0050】
従って、Si含有非晶質硬質炭素膜被覆品では、表面粗さが大きいほど、高μ化に有効であることが分かる。
【0051】
【発明の効果】
本発明は、潤滑油を用いた湿式摺動条件において、安定した高い摩擦係数(μ)と良好なμ−v特性とを有し、かつ耐摩耗性に優れ、相手攻撃性の低い湿式クラッチ用摺動部材とこの摺動部材を用いた湿式クラッチ装置とを提供するものである。
【0052】
本発明の湿式クラッチ用摺動部材を、自動変速機に用いられる変速用の湿式クラッチおよび湿式ブレーキ、発進クラッチ、ロックアップクラッチなどに用いることによって、湿式クラッチ装置のトルク容量を増大し、摺動部材の枚数削減、もしくは摺動部材面積の低減を通して、クラッチ装置の小型化および軽量化に顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】変速用多板クラッチの概略を示す斜視図である。
【図2】ロックアップクラッチの断面概略図である。
【図3】図2のX部分を拡大した説明図である。
【図4】スラスト・カラー型摩擦試験の概略を示す説明図である。
【図5】湿式クラッチにおけるSi含有非晶質硬質炭素膜のSi含有量によるμ−v特性の変化を示す図である。
【図6】湿式クラッチにおけるSi含有非晶質硬質炭素膜の表面粗さによるμ−v特性の変化を示す図である。
【符号の説明】
1:クラッチプレート1 2:クラッチプレート2 21:フロントカバ 22:ロックアップピストン 24:相手摩擦面(ペーパ摩擦材) 25:摩擦面 31:プレート試片 32:ペーパ摩擦材 33:リング試片 34:オイルバス
Claims (8)
- 油を用いた湿式摺動条件において摩擦によりトルクを伝達する湿式クラッチ用摺動部材であって、
基材と、該基材表面に一体的に形成され、少なくとも一部表面が湿式条件において摺動する摺動面となるSiを1〜50at%含有する非晶質硬質炭素膜と、
を有することを特徴とする湿式クラッチ用摺動部材。 - 前記非晶質硬質炭素膜は1〜50at%のHを含有する請求項1に記載の湿式クラッチ用摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜は3〜20at%のSiを含有する請求項1又は2に記載の湿式クラッチ用摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜の硬度がHV800以上である請求項1〜3のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材。
- 前記摺動面の表面粗さが0.3〜10μmRzである請求項1〜4のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材。
- 前記湿式クラッチ用摺動部材は自動変速機に用いられる変速機用の湿式クラッチ、湿式ブレーキ、発進クラッチならびにロックアップクラッチのいずれかに使用される摺動部材である請求項1〜5のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材。
- 前記非晶質硬質炭素膜と摺動する相手材は繊維成分を含有するペーパ系摩擦材である請求項1〜6のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材を用いたことを特徴とする湿式クラッチ装置。
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