JP2023136867A - 湿式摩擦材、および湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板 - Google Patents

Abstract

【課題】適用される環境から受ける影響を低減することができる湿式摩擦材、および当該湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板を提供すること。【解決手段】基材ペーパーは、セルロースナノファイバーの内、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーの全量に対して１～１０重量％の割合で含有され、且つセルロースナノファイバーの内、２０μｍ以上の繊維幅を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーの全量に対して５～４０重量％の割合で含有されると共に、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーのフィブリル面積比が１０～６０面積％となるように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等の自動変速機に組み込まれる湿式クラッチ或いは湿式ブレーキに用いられる湿式摩擦材、および当該湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板に関する。

自動車等の駆動装置のひとつである自動変速機の構成部品として、湿式摩擦板を用いた湿式クラッチ或いは湿式ブレーキがある。近年、自動車の動力の変化において電動化への適用要求がある。電動化の動力源として、例えば電動モータを用いた場合、従来の動力源と比較すると高速回転の環境となる場合がある。高速回転下においては振動が大きく影響するため、変速時における湿式クラッチ或いは湿式ブレーキの性能の低下、すなわち湿式摩擦板に用いられている湿式摩擦材の性能が低下することへの懸念がある。

特許文献１には、湿式摩擦材のベース材における材質表面へフィブリル化ナノファイバーを成分配合させることによる摩擦材自体の耐熱耐久性や摩擦性能の向上についての効果が記載されている。

特開２０１７－１７１９２１号公報

従来の解決法では、湿式摩擦材の強度を向上させる場合に気孔性がトレードオフとなり、強度は製品の継続使用に直結し、一方気孔性は耐熱耐久性や摩擦性能といった製品性能に直結するため、製品としての必要強度を維持しつつ製品性能を向上させるには限界があり、更なる性能向上の要求に対応することができない。
さらに、湿式摩擦材に関しては適用される環境から受ける影響を低減するための性能向上の要求がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、自動変速機内の湿式クラッチ或いは湿式ブレーキに用いられる湿式摩擦材であって、適用される環境から受ける影響を低減することができる湿式摩擦材、および当該湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る湿式摩擦材は、
繊維基材を用いて形成された基材ペーパーと、
前記基材ペーパーを硬化させるための結合材とを含む湿式摩擦材であって、
前記基材ペーパーには適度に外部フィブリル化したセルロースナノファイバーが配合され、
前記基材ペーパーは、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維が、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバー内の含有割合として１～１０重量％の割合で含有され、且つ２０μｍ以上の繊維幅を有する繊維が、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバー内の含有割合として５～４０重量％の割合で含有されると共に、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバーのフィブリル面積比が１０～６０面積％となるように構成されていることを特徴とする。
尚、ここで説明する前記フィブリル面積比は、JIS P 8226-2:2011に規定の繊維長測定装置で試料を撮影し、画像解析することにより得られる数値で、１本の繊維から枝分かれしたフィブリルの面積を、フィブリルを含めた繊維全体の面積で除した値について、長さ加重平均として算出したものである。
また、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバーは、市場に流通しているセルロースナノファイバー製品のように、繊維幅が１μｍ以下レベルまで解繊されたナノ繊維に加え、繊維幅が１μｍ以上でナノ繊維までは解繊されていない繊維も含有している、適度に外部フィブリル化した集合体を示すものである。

本発明によれば、自動変速機内の湿式クラッチ或いは湿式ブレーキに用いられる湿式摩擦材であって、適用される環境から受ける影響を低減することができる湿式摩擦材、および当該湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板を提供することができる。

図１は本実施形態に係る湿式摩擦材および湿式摩擦板を用いた湿式摩擦係合装置の軸方向に沿った部分断面図である。 図２は本実施形態に係る湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板を模式的に示す正面図である。

以下、本発明の実施形態に係る湿式摩擦材および当該湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板について説明する。
本実施形態の湿式摩擦材および湿式摩擦板は、車両等の自動変速機内の湿式摩擦係合装置すなわち湿式多板クラッチ或いは湿式多板ブレーキに用いられるものである。以下の説明においては、湿式摩擦材および湿式摩擦板を、それぞれ「摩擦材」および「摩擦板」と略記する場合がある。また、本明細書において軸方向は湿式摩擦係合装置の軸方向とし、湿式摩擦係合装置の軸線と直交する方向を径方向とする。

図１は、本実施形態に係る湿式摩擦材および湿式摩擦板を用いた湿式摩擦係合装置の例である湿式多板クラッチの軸方向に沿った部分断面図である。
湿式多板クラッチ１は、軸方向の一方の端部で開放した略円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内周側にハウジング２と同心に配置され、ハウジング２と相対回転可能なハブ３とを備えている。ハウジング２の内周面に設けられたスプライン４には、環状のセパレータプレート５が軸方向に移動可能に複数嵌合されている。セパレータプレート５はスプライン４に嵌合するスプライン部８を備えている。ハブ３の外周面に設けられたスプライン６には、環状の湿式摩擦板７が軸方向に移動可能に複数嵌合されている。湿式摩擦板７はスプライン６に嵌合するスプライン部９を備えている。摩擦板７とセパレータプレート５とは軸方向に交互に配置されている。

摩擦板７は、その軸方向の両面に所定の摩擦係数を有する湿式摩擦材１９が接着剤により固定されている。なお、湿式摩擦材１９は、摩擦板７の片面のみに設けることもできる。セパレータプレート５は摩擦板７の摩擦係合相手部材である。

湿式多板クラッチ１はさらに、セパレータプレート５と摩擦板７とを軸方向に押圧し締結させるピストン１０と、ハウジング２の内周側部分に設けられ、セパレータプレート５および摩擦板７を軸方向の一端で固定状態に保持するためのエンドプレート１１と、エンドプレート１１をハウジング２の内周側部分に保持するための止め輪１２とを備えている。また、ハブ３には径方向に貫通した潤滑油供給口１５が設けられ、この潤滑油供給口１５を介して湿式多板クラッチ１の内径側から外径側へと潤滑油が供給されている。

ピストン１０は、ハウジング２の閉口端側の内周面において、該内周面に対して軸方向摺動自在に配置されている。ピストン１０の外周面とハウジング２の内周面との間にはＯリング１３が介装されている。ピストン１０の内周面と、ハウジング２の内筒部（不図示）の外周面との間にもシール部材（不図示）が介装され、これによりハウジング２の閉口端側の内周面とピストン１０との間に油密状態の油圧室１４が画成される。

このように構成された湿式多板クラッチ１は、次のように係合すなわち締結および解除をする。図１の状態は、クラッチ解除状態を示しており、セパレータプレート５と摩擦板７とはそれぞれ離れている。クラッチ解除状態では、不図示のリターンスプリングの付勢力により、ピストン１０はハウジング２の閉口端に当接している。

この状態で湿式多板クラッチ１を係合させるには、油圧室１４に油圧を供給する。油圧の上昇に伴い、図示しないリターンスプリングの付勢力に抗して、ピストン１０は、図１において右方に移動し、セパレータプレート５と摩擦板７とを密着させる。これにより湿式多板クラッチ１が係合される。

湿式多板クラッチ１の係合後、湿式多板クラッチ１を再度解除するには、油圧室１４の油圧を解除する。油圧が解除されると、ピストン１０は図示しないリターンスプリングの付勢力により、ハウジング２の閉口端に当接する位置まで移動する。すなわち、湿式多板クラッチ１が解除される。

図２は本実施形態に係る湿式摩擦材１９を用いた湿式摩擦板７を模式的に示す正面図である。
本実施形態に係る湿式摩擦材１９および湿式摩擦板７の製法は次のとおりである。すなわち摩擦材１９は、繊維基材を抄紙して基材ペーパーを作製し、得られた基材ペーパーに結合材として、例えば熱硬化性樹脂等を含浸させ、硬化させることにより作製される。摩擦板７は、上記製法によって造られた摩擦材１９を所定の形状に打ち抜き、芯金である金属製の円環状のコアプレート１７に接着することにより造られる。

繊維基材としては、天然パルプ繊維、有機合成繊維、無機化合物を含む繊維の一種又は複数を用いることができる。

本実施形態の湿式摩擦材１９は、基材ペーパーを構成する主な繊維基材としてアラミド繊維を用いている。これを抄紙して基材ペーパーを作製する際、他の繊維基材として所定量のセルロースナノファイバーを配合している。
尚、前記セルロースナノファイバーは、市場に流通しているセルロースナノファイバー製品のように、繊維幅が１μｍ以下レベルまで解繊されたナノ繊維に加え、繊維幅が１μｍ以上でナノ繊維までは解繊されていない繊維も含有している、適度に外部フィブリル化した集合体を示すものである。

外部フィブリル化とは繊維の叩解状態であり、これにより繊維同士の絡み合いが増え、ペーパー材としたときに強度が向上する。一方で外部フィブリル化が過度になると微細な繊維同士が凝集し、ペーパー材とした際に繊維と繊維との間の空間が埋められ気孔性が損なわれる。適度に外部フィブリル化されたセルロースナノファイバーは、抄紙時に、水中において繊維同士が凝集することを防止し、水中に均一に分散するようにし、ペーパー材としたときに繊維と繊維との間に適度な空間が保持される。このような抄紙工程を経て得られた基材ペーパーは、成分が均一化されると共に、繊維間の空間が保持されることによって気孔性が確保される。したがって、適度に外部フィブリル化したセルロースナノファイバーが配合された基材ペーパーに、結合材として熱硬化性樹脂を含浸させて湿式摩擦材１９としたとき、当該湿式摩擦材１９は強度および油保持性の向上を図ることができる。

本願の発明者は、セルロースナノファイバーの性状について研究した結果、所定以上の繊維長を所定範囲内で含有するセルロースナノファイバーが、抄紙の際に水中において繊維同士が凝集しにくく、より均一に分散されるという知見を得た。本願の発明者は更に、所定以上の繊維幅を所定範囲内で含有するセルロースナノファイバーが、抄紙の際に水中において繊維同士が凝集しにくく、より均一に分散されるという知見を得た。本願の発明者は更に、フィブリル面積比が所定範囲内となるセルロースナノファイバーが、抄紙の際に水中において繊維同士が凝集しにくく、より均一に分散されるという知見を得た。本実施形態の摩擦材１９は、これらの知見に基き、更に上記の繊維長或いは繊維幅或いはフィブリル面積比を有するセルロースナノファイバーについて検討を重ねて構成されたものである。以下に、本実施形態の摩擦材１９に配合されるセルロースナノファイバーの性状等について説明する。

本実施形態の摩擦材１９は、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーについて、以下の繊維長に関する条件を満たしている。すなわち、本実施形態の摩擦材１９の基材ペーパーは、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー内の含有割合として１～１０重量％の割合で含有されている。更に、本実施形態の摩擦材１９は、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーについて、以下の繊維幅に関する条件を満たしている。すなわち、本実施形態の摩擦材１９の基材ペーパーは、２０μｍ（マイクロメートル）以上の繊維幅を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー内の含有割合として５～４０重量％の割合で含有されている。

本実施形態の摩擦材１９は更に、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーについて、以下の面積に関する条件を満たしている。すなわち、本実施形態の摩擦材１９の基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーは、フィブリル面積比が１０～６０面積％となるように構成されている。

本実施形態の摩擦材１９は、基材ペーパーをこのような構成とすることにより、後述するように優れた性能を発揮することができる。

なお、セルロースナノファイバーの内、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維の含有割合が基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量の１重量％を下回ると、繊維長が０．２ｍｍよりも小さい繊維同士が凝集した状態のものが多数存在する状態となり、摩擦材としての気孔性が損なわれてしまい、摩擦性能が不十分となってしまう。また、セルロースナノファイバーの内、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維の含有割合が基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量の１０重量％を上回ると、気孔性は十分に確保されるが、摩擦材全体の強度が不十分となり、耐久性が不十分となってしまう。

また、セルロースナノファイバーの内、２０μｍ以上の繊維幅を有する繊維の含有割合が基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量の５重量％を下回ると、繊維幅が２０μｍよりも小さい繊維同士が凝集した状態のものが多数存在する状態となり、摩擦材としての気孔性が損なわれてしまい、摩擦性能が不十分となってしまう。また、セルロースナノファイバーの内、２０μｍ以上の繊維幅を有する繊維の含有割合が基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量の４０重量％を上回ると、気孔性は十分に確保されるが、摩擦材全体の強度が不十分となり、耐久性が不十分となってしまう。

また、フィブリル面積比とは、JIS P 8226-2:2011に規定の繊維長測定装置で試料を撮影し、画像解析することにより得られる数値で、１本の繊維から枝分かれしたフィブリルの面積を、フィブリルを含めた繊維全体の面積で除した値について、長さ加重平均として算出したものであるが、この値が６０面積％を上回ると、強度には有利であるがペーパー材とした時に繊維間の空隙が埋められ、摩擦性能の低下を招く恐れがある。また、フィブリル面積比が１０面積％を下回ると、摩擦材全体の強度が不十分となり、耐久性が不十分となってしまう。尚、フィブリル面積比は、３５～５５面積％であることが好ましい。

（実施例）
以下、本実施形態に係る湿式摩擦材１９の実施例と、当該実施例および比較例を用いた評価について説明する。なお、以下の評価は、本実施形態に係る湿式摩擦材１９を湿式クラッチとして用いた場合の評価であるが、本実施形態に係る湿式摩擦材１９を湿式ブレーキとして用いても同様である。

上述した製法によって、実施例１に係る湿式摩擦材を得た。実施例１の湿式摩擦材は、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーについて、繊維長分布の含有割合に関する条件、繊維幅分布の含有割合に関する条件、およびフィブリル面積比に関する条件の全てを満たすものである。具体的には、実施例１の湿式摩擦材は、セルロースナノファイバーの内、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量に対して３重量％の割合で含有され、また、セルロースナノファイバーの内、２０μｍ（マイクロメートル）以上の繊維幅を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量に対して２２重量％の割合で含有され、また、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーのフィブリル面積比が４０面積％となるように構成されている。

比較例１に係る湿式摩擦材は、従来の一般的な構成の湿式摩擦材であり、基材ペーパーにセルロースナノファイバーが配合されてないものである。具体的には、比較例１に係る湿式摩擦材は、アラミド繊維を主材料とする繊維基材に充填剤或いは摩擦調整剤として珪藻土等を配合したものを抄紙して基材ペーパーとし、これに結合材として熱硬化性樹脂を含浸させ、硬化させることにより作製されたものである。

比較例２に係る湿式摩擦材は、実施例１と同様の製法によって作製されたものであるが、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーについて、繊維長分布の含有割合に関する条件を満足していないが、繊維幅分布の含有割合に関する条件およびフィブリル面積比に関する条件は満たしているものである。具体的には、比較例２の湿式摩擦材は、セルロースナノファイバーの内、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量に対して０．３重量％の割合で含有され、セルロースナノファイバーの内、２０μｍ（マイクロメートル）以上の繊維幅を有する繊維が、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバー全量に対して６重量％の割合で含有され、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーのフィブリル面積比が２７面積％となるように構成されている。

ここで、実施例１と同様の製法によって作製された湿式摩擦材であるが、基材ペーパーに含まれるセルロースナノファイバーについて、繊維長分布の含有割合に関する条件、繊維幅分布の含有割合に関する条件、およびフィブリル面積比に関する条件のうち、何れか１つ又は２つを満足しないもの、或いは３つ全てを満足しないものは、本発明の範囲外となる。

次に、実施例１、比較例１および比較例２に係る湿式摩擦材を用いた、強度及び気孔性の評価について説明する。強度については摩擦材製品のせん断強度測定によって、気孔性については摩擦材製品の油浸透速度測定によって評価を行った。表１に、各実施例および比較例のせん断強度、油浸透速度における評価結果の値を示す。せん断強度及び油浸透速度の評価結果に関しては、比較例１の値を１００とした場合の相対値で示しており、評価値が１００より大きい場合は性能が向上していると判断される。表１より、実施例１はせん断強度及び油浸透速度の評価値が１００より大きくなり、かつ比較例１及び比較例２に対して最も高いことがわかる、したがって実施例１に係る湿式摩擦材は、強度及び気孔性を向上させることができる。

次に、実施例１、比較例１および比較例２に係る湿式摩擦材を用いた、車両の自動変速機における変速時の振動特性、すなわちジャダー特性に関する評価について説明する。振動特性に関する評価はまず、各実施例および比較例に係る摩擦材を用いて、表２に示す評価条件にてすべり摩擦性能評価を行った。すべり摩擦性能評価は、油温が４０℃と１２０℃のそれぞれの条件について、面圧を０．２ＭＰａとした場合と２．０ＭＰａとした場合とについて行った。したがって４つの試験環境において評価を行った。なお、回転数は、段階的に２００ｒｐｍまで上げていった。

すべり摩擦性能評価の結果は、振動特性に関する指標であるΔμ－Ｖを用いて示す。本すべり摩擦性能評価についてのΔμ－Ｖの値は、回転数が２００ｒｐｍ時の摩擦係数（μ）から回転数が５０ｒｐｍ時の摩擦係数（μ）を引いた値とした。Δμ－Ｖの値は、正の値になれば、摩擦材としての性能が良いという指標になる。表３に、各実施例および比較例のすべり摩擦性能評価の結果としてΔμ－Ｖの値を示す。

表３より、実施例１は、比較例よりも多くの条件でΔμ－Ｖの値が正の値になることから、適用される環境に依存することなく優れた摩擦性能を発揮していることがわかる。したがって実施例１に係る湿式摩擦材は、適用される環境から受ける影響を低減することができ、製品としての必要強度を維持しつつ製品性能を向上させることができた。

以上説明したように、本実施形態によれば、自動変速機内の湿式クラッチ或いは湿式ブレーキに用いられる湿式摩擦材であって、適用される環境から受ける影響を低減することができ、製品としての必要強度を維持しつつ製品性能を向上させる湿式摩擦材、および当該湿式摩擦材を用いた湿式摩擦板を提供することができる。

１ 湿式多板クラッチ
２ ハウジング
３ ハブ
５ セパレータプレート
７ 湿式摩擦板
１０ ピストン
１４ 油圧室
１７ コアプレート
１９ 湿式摩擦材

Claims (2)

1. 繊維基材を用いて形成された基材ペーパーと、
   前記基材ペーパーを硬化させるための結合材とを含む湿式摩擦材であって、
   前記基材ペーパーには適度に外部フィブリル化したセルロースナノファイバーが配合され、
   前記基材ペーパーは、０．２ｍｍ以上の繊維長を有する繊維が、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバー内の含有割合として１～１０重量％の割合で含有され、且つ２０μｍ以上の繊維幅を有する繊維が、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバー内の含有割合として５～４０重量％の割合で含有されると共に、前記基材ペーパーに含まれる前記セルロースナノファイバーのフィブリル面積比が１０～６０面積％となるように構成されていることを特徴とする。
2. 請求項１に記載の湿式摩擦材を有することを特徴とする湿式摩擦板。

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