JP3522780B2 - 摩擦材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はクラッチフェ−ジングや
ブレ−キパッド等に用いられる摩擦材に関する。

【０００２】

【従来の技術】アスベストの人体への悪影響が公知とな
ってからは、摩擦材におけるアスベストの使用が規制さ
れている。そこで、近年、炭素繊維を用いた摩擦材が開
発されている。炭素繊維を用いた摩擦材は、耐フェ−ド
性に優れ、特に高速回転域で使用される摩擦材として有
望であり、しかも軽量化にも有利である。

【０００３】ところで、従来より、炭素繊維を用いた摩
擦材としては次の様なものが開示されている。即ち、特
開平３−１９４２２７号公報には、樹脂を含浸した炭素
繊維フィラメント束を短く切断したプリプレグを用い、
そのプリプレグを雌型のキャビティに装填した状態で、
雌型に雄型を嵌入することにより、炭素繊維を摩擦面に
対して角度をもって流動配向させ、その状態でプリプレ
グを型成形した成形品を用いた摩擦材が開示されてい
る。

【０００４】また特開昭５８−３０５３７号公報には、
長い繊維を摩擦面と平行に配向すると共に、炭素短繊維
を摩擦面に対してランダムな向きに配向したブレーキデ
ィスクが開示されている。また特開昭５８−２９８５０
号公報には、炭素繊維チップとフェノール樹脂とを混合
した混合材を押出機で線状に押出し、この線材を渦巻き
状に巻き、型成形した摩擦材が開示されている。

【０００５】ところで、炭素繊維は自己潤滑性をもつの
で、炭素系部材同士を摺動させない限り、摩擦係数が低
下する。そこで、特開平３−２８８０２９号公報に開示
されている様に、高摩擦係数化のために、セラミックス
粒子を分散させた炭素系摩擦材も開発されているが、セ
ラミックス粒子を均一に分散せねばならず、工程、価格
の面でも不利である。また、高摩擦係数化が行われてい
ない炭素系摩擦材では、相手材も炭素系に限られ、実用
化の妨げとなっている。かかる点から、相手材が炭素系
以外の鉄系等の金属の場合にも適用でき、高摩擦係数が
得られる摩擦材が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑みなされたものであり、炭素長繊維及び炭素短繊維
を含む炭素繊維系撚紐を用いることにより、炭素繊維の
利点を生かしつつ、高摩擦係数化、摩擦係数の安定化を
図り得る摩擦材を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の摩擦材は、基材
繊維束に結合剤を含浸させたのち型成形した摩擦材であ
って、基材繊維束は少なくとも炭素長繊維と炭素短繊維
とを含む撚紐で構成されていることを特徴とするもので
ある。長繊維とは所定長さ連続する繊維をいう。短繊維
とは長繊維よりも短いものをいい、例えば長さ１〜５０
ｍｍ程度のものを採用できる。炭素長繊維は、バースト
強度の向上にも寄与するが、多すぎると炭素短繊維の割
合が減り、結合剤の含浸性が低下し、耐フェード性が著
しく低下する。従って、基材繊維束に占める炭素長繊維
の割合は、基材繊維束全体を１００重量％としたとき、
例えば２０〜８０重量％にできる。但し、これに限定さ
れるものではない。

【０００８】摩擦材全体の体積を１００体積％としたと
き、基材繊維束が２０〜８０体積％、樹脂が５〜２５体
積％、残部がＳＢＲ、カーボンブラック、添加剤からな
る構成にできる。ここで樹脂率を高くすると樹脂のガス
化が増し、耐フェード性が低下する。逆に基材繊維が多
ければ耐摩耗性、バースト強度が向上するが、多すぎる
と摩擦材にそりが発生し易くなるとともに基材繊維束間
のクラック発生を招く。

【０００９】基材繊維束を構成する撚紐は、撚り数が５
０回／ｍ〜２００回／ｍ、みかけの径が３．５ｍｍ以
下、重量が１．５ｇ／ｍ以下に撚られているものを採用
できる。ここで径や重量が大きすぎると樹脂含浸性が低
下する。また、径が細い方が、撚り角が同じでも撚りピ
ッチが短くなるので、摩擦面に対して立つ向きに配向す
る繊維の割合が増し、少ない撚り数で済む。

【００１０】本発明に係る摩擦材では、撚紐を構成する
長繊維や短繊維として、炭素繊維の他にレーヨン等の有
機繊維、黄銅線等の無機繊維を添加することもできる。

【００１１】

【作用】本発明に係る摩擦材では、撚紐を構成する炭素
長繊維及び炭素短繊維が、摩擦面に対して立つ向きに配
向する割合が多くなるので、高摩擦係数化に貢献でき
る。一般的には、撚数が多いと、撚紐を構成する繊維が
摩擦面に対して立つ向きに配向する割合が増し、高摩擦
係数化、摩擦係数の安定化に寄与できる。但し、撚数が
多すぎると、撚紐の密度が高くなりすぎ、結合剤の含浸
性が低下する傾向にある。

【００１２】本発明に係る摩擦材では、撚紐を構成する
繊維の径を小さくすれば、前述した様に、撚り角が同じ
でも、撚りピッチが小さくなるので、摩擦面に対して立
つ向きに配向する繊維の割合が増すことを期待できる。
また本発明に係る摩擦材では、撚紐は炭素長繊維の他に
炭素短繊維を含むので、基材繊維束の空隙が確保され易
くなり、樹脂等の結合剤の含浸性が確保され、結合剤が
奥方まで含浸し易い。この意味でも、摩擦係数の安定化
に寄与できる。また、繊維径を小さくすれば、樹脂等の
結合剤の含浸性が一層確保される。

【００１３】更に本発明に係る摩擦材では、炭素短繊維
の保持性は、樹脂等の結合剤による他に、炭素長繊維に
よっても得られるので、炭素短繊維の分離、脱離が規制
される。

【００１４】

【実施例】摩擦材としてのクラッチフェーシングに適用
した実施例を、試験例に基づき説明する。 （試験例１）以下、試験例１を説明する。炭素長繊維１
（東レ株式会社、トレカ Ｔー３００）の１本と、炭素
短繊維２（大阪ガス、ドナカーボＳ２１０、長さ３０〜
４０ｍｍ）を綿状にした紡績糸３の４本とを用い、これ
らを図２に示す様に撚り合せ、１本の撚紐４とする。こ
こで、炭素長繊維１は、引張強度３６０ｋｇ／ｍｍ²、
弾性率２３５００ｋｇ／ｍｍ² 、伸び１．５％である。
なお弾性率は引張弾性率を意味する。炭素短繊維２は、
引張強度８０ｋｇ／ｍｍ² 、弾性率４０００ｋｇ／ｍｍ
² 、伸び２％である。撚紐４は、撚糸条件が撚数９０回
／ｍ程度、みかけ太さ（引張をかけない状態での太さ）
が直径１．５ｍｍ、重量が０．６ｇ／ｍである。撚紐４
に含まれる長繊維１の割合は、基材繊維を１００重量％
としたとき、３０重量％である。

【００１５】そしてその撚紐４を基材繊維として用い、
その撚紐４に結合剤としてフェノ−ル樹脂を含浸後、１
００°Ｃで５分間硬化させる。その後、ＳＢＲ、カーボ
ンブラック、ＢａＳＯ₄ を含む有機溶媒（トルエン）に
含浸し、１００°Ｃで１０分間硬化させる。そして、そ
の撚紐４をスパイラル状に多重に巻き取り、穴開き円板
状の巻取品を形成する。

【００１６】更に、上記した巻取品を、型温が１６０
℃、圧縮面圧が１００ｋｇ／ｃｍ² に設定された熱成形
型のキャビティに配置し、５分間保持して、加熱成形
後、研磨して摩擦面を形成し、試験例１に係るクラッチ
フェーシングを得る。このクラッチフェーシングを図８
に示す。図８に示す様にクラッチフェーシングは円形リ
ング状をなし、摩擦面５をもつ。

【００１７】なお、試験例１に係るクラッチフェーシン
グの組成は、クラッチフェーシング全体を１００体積％
としたとき、基材繊維３０体積％、フェノ−ル樹脂１０
体積％、その他がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳＯ
₄ である。なおクラッチフェーシング中の樹脂率が高い
と、摩擦時に樹脂のガス化が進み、耐フェード性が低下
する傾向にあり、逆に、基材繊維の割合が多過ぎると、
クラッチフェーシングにそりが発生し易くなると共に、
繊維間のクラックを招来する傾向にある。

【００１８】（試験例２）試験例１で用いたのと同様の
炭素長繊維１と炭素短繊維２を用いる。そして、図３に
示す様に、短繊維２を紡績する際に、短繊維２の中央寄
りに長繊維１を芯糸として合糸し、原糸６とした。この
原糸６を２本撚り合わせることで、長繊維２本と短繊維
２本とからなる撚紐７を得る。

【００１９】ここで、撚紐７は、撚糸条件が撚数１００
回／ｍ程度、みかけ太さが直径２．０ｍｍ、重量が１．
０ｇ／ｍである。撚紐７に含まれる長繊維の割合は、６
０重量％である。そしてその撚紐７を基材繊維として用
い、試験例１と同様な手順で、試験例２に係るクラッチ
フェーシングを得る。試験例２に係るクラッチフェーシ
ングの組成は、基材繊維４０体積％、フェノ−ル樹脂１
２体積％、その他がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳ
Ｏ₄ である。

【００２０】（試験例３）試験例１で用いた炭素長繊維
１を用いると共に、炭素短繊維２とレーヨン短繊維（３
０〜４０ｍｍ）とを混紡した紡績糸８を用いる。そし
て、図４に示す様に、長繊維１の３本と、紡績糸８の４
本とを撚り、撚紐９とする。撚り紐は、長繊維３本がま
とまったものが１本と、短繊維４本とが組紐となってい
る。ここで、撚紐９は、撚糸条件が撚数１１０回／ｍ程
度、みかけ太さが直径３．２ｍｍ、重量が１．３ｇ／ｍ
である。基材繊維を１００重量％としたとき、撚紐９に
含まれる長繊維１の割合は、５０重量％、レーヨンの割
合は５重量％である。

【００２１】そしてその撚紐９を基材繊維として用い、
試験例１と同様な手順で、試験例３に係るクラッチフェ
ーシングを得る。この例では、レーヨン繊維が含まれて
いるので、炭素繊維と樹脂とのなじみ性がよくなり、撚
紐９への樹脂含浸性が一層向上する。試験例３に係るク
ラッチフェーシングの組成は、基材繊維（レーヨン短繊
維も含む）３０体積％、フェノ−ル樹脂１０体積％、そ
の他がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳＯ₄ である。

【００２２】（試験例４）試験例１で用いたのと同様の
撚紐４を基材繊維として用い、試験例１と同様な手順
で、試験例４に係るクラッチフェーシングを得る。但
し、試験例４に係るクラッチフェーシングの組成は、基
材繊維６０体積％、フェノ−ル樹脂１８体積％、その他
がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳＯ₄ である。な
お、この例では、クラッチフェーシングに占める基材繊
維の割合が多いため、クラッチフェーシングのそりが若
干認められる。

【００２３】（試験例５）試験例１で用いたのと同様の
炭素長繊維１と、炭素短繊維２を綿状にした紡績糸３と
を用いる。そして、図５に示す様に、１本の長繊維１を
撚らずに芯糸とし、その長繊維１の回りに、２本の紡績
糸３を撚り合わせることで、撚紐１１を得る。

【００２４】ここで、撚紐１１は、撚糸条件が撚数１６
０回／ｍ程度、みかけ太さが直径２．６ｍｍ、重量が
１．４ｇ／ｍである。撚紐１１に含まれる長繊維の割合
は、１５重量％である。なお長繊維１は撚られていない
ため、添加率は低い。そしてその撚紐１１を基材繊維と
して用い、試験例１と同様な手順で、試験例５に係るク
ラッチフェーシングを得る。試験例５に係るクラッチフ
ェーシングの組成は、基材繊維３０体積％、フェノ−ル
樹脂１０体積％、その他がＳＢＲ、カーボンブラック、
ＢａＳＯ₄ である。

【００２５】（試験例６）試験例１で用いたのと同様の
撚紐４を基材繊維として用い、試験例１と同様な手順
で、試験例６に係るクラッチフェーシングを得る。但
し、試験例６に係るクラッチフェーシングの組成は、樹
脂率が高く、基材繊維３０体積％、フェノ−ル樹脂２４
体積％、その他がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳＯ
₄ である。 （比較例１）試験例１で用いた炭素短繊維２（大阪ガ
ス、ドナカーボＳ２１０、長さ３０〜４０ｍｍ）を綿状
にした紡績糸３を３本を用い、これを図６に示す様に撚
り合せ、１本の撚紐２０とする。ここで、撚紐２０は、
撚糸条件が撚数１６０回／ｍ程度、みかけ太さが直径
３．３ｍｍ、重量が１．９ｇ／ｍである。

【００２６】そしてその撚紐２０を基材繊維として用
い、試験例１と同様な手順で、比較例１に係るクラッチ
フェーシングを得る。比較例１に係るクラッチフェーシ
ングの組成は、基材繊維３０体積％、フェノ−ル樹脂１
０体積％、その他がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳ
Ｏ₄ である。 （比較例２）炭素長繊維（新日鉄株式会社、ＮＧ−０４
Ｃ−０３Ｋ−０００）を用い、これを図７に示す様に４
本撚り合せ、１本の撚紐２１とする。この炭素長繊維
は、引張強度９０ｋｇ／ｍｍ² 、弾性率５０００ｋｇ／
ｍｍ² 、伸び１．８％である。ここで、撚紐２１は、撚
糸条件が撚数２００回／ｍ程度、みかけ太さが直径３．
３ｍｍ、重量が３．０ｇ／ｍである。

【００２７】そしてその撚紐２１を基材繊維として用
い、試験例１と同様な手順で、比較例１に係るクラッチ
フェーシングを得る。比較例１に係るクラッチフェーシ
ングの組成は、基材繊維４０体積％、フェノ−ル樹脂１
０体積％、その他がＳＢＲ、カーボンブラック、ＢａＳ
Ｏ₄ である。 （評価）上記した各例に係るクラッチフェーシングをフ
ルサイズダイナモ試験機に装着し、回転数２５００ｒｐ
ｍ、イナーシヤ０．１２ｋｇｆ・ｍｓ² 、試験温度２０
０℃、係合回数２０００回の条件で運転して、摩擦係
数、摩耗率を測定する。

【００２８】摩耗率（ｍｍ³ ／ｋｇ・ｍ）は、（摩耗体
積／仕事量）＝〔（Ｓ×ｔ）／｛（１／２）・Ｉ・ｗ²
・Ｎ）｝〕で算出する。Ｓはクラッチフェーシングの面
積（ｍｍ² ）、ｔはクラッチフェーシングの厚さ変化量
（ｍｍ）、Ｉは慣性モーメント（ｋｇ・ｍ・ｓ² ）、ｗ
は回転数（ｒａｄ／ｓ² ）、Ｎは係合回数（回）を示
す。この試験では、相手材としてはいずれも鋳鉄材（Ｆ
Ｃ２０）を用いる。更に、試験温度２００°Ｃにてクラ
ッチフェーシングを高速回転させ、最高破壊回転数（バ
ースト強度）を測定する。

【００２９】試験結果を表１、図１に示す。表１は摩耗
率、バースト強度、摩擦係数の安定度、最低摩擦係数を
試験条件と共に示す。図１は摩擦係数と係合回数との関
係を示す。クラッチフェーシングでは、摩擦係数が高い
方が好ましいが、一般に０．２５以上あればよいと考え
られている。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１、図１の特性線に示す様に、試験例１
〜５では、良好な摩擦係数が得られ、摩耗率も小さい。
しかし、炭素短繊維のみからなる撚紐を用いた比較例１
では摩耗率が９．０と大きく、しかも短繊維の分離、脱
離がめだち、更に最低摩擦係数が０．１５程度と低い。
また、炭素長繊維のみからなる撚紐を用いた比較例２で
も最低摩擦係数は０．１０程度と低い。即ち、比較例
１、２ともに最低摩擦係数は小さく、摩擦係数の安定度
も悪い。

【００３２】またバースト強度は、試験例１〜６では引
張強度が大きな炭素長繊維を用いているため、良好であ
るが、比較例１では、バースト強度が９０００ｒｐｍと
著しく小さい。更に比較例２では、長繊維を用いている
にもかかわらず、バースト強度は１１０００ｒｐｍとあ
まり大きくなく、更に長繊維と樹脂との分離が目立つ。

【００３３】この様に本発明に係る試験例において高い
摩擦係数が得られる理由は、炭素長繊維と炭素短繊維と
で形成した撚紐を基材繊維としているため、炭素短繊維
の分離、脱離が規制されると共に、炭素長繊維及び炭素
短繊維が摩擦面に対して立つ向きに配向する割合が増
し、この結果、摩擦面におけるせん断抵抗が増加し、摩
擦係数が高くなると考えられる。

【００３４】以上のように、炭素長繊維と炭素短繊維と
で形成された撚紐を用いて基材繊維束を形成すれば、高
摩擦係数が得られ、摩擦係数の安定化も図り得る。特
に、相手材が鉄系金属材（ＦＣ２０）にも関わらず、こ
のように良好な摩擦磨耗特性が得られる意義は大きい。 （他の試験）さらに、撚紐の撚数がクラッチフェーシン
グの摩擦特性に及ぼす影響を調べるために、試験例１で
用いたクラッチフェーシングにおいて、撚紐を構成する
撚数を９０ｍ／回以外に、４０ｍ／回、１２０ｍ／回に
変化させた撚紐を得、試験例１と同様な手順にてクラッ
チフェーシングを形成し、その摩擦特性を調べる。試験
結果を図９に示す。図９の特性線に示す様に、撚数が増
すにつれて最低摩擦係数が高まる。これは、撚紐の増加
に伴い、摩擦面に対する炭素繊維の垂直配向性が高まっ
たことに起因すると考えられる。但し、撚数が多すぎる
と、最低摩擦係数が低下する傾向にある。その理由は、
基材繊維束が高密度化するため樹脂含浸性が低下するた
めと考えられる。

【００３５】

【発明の効果】本発明に係る摩擦材によれば、炭素長繊
維と炭素短繊維とを含む撚紐を用いて基材繊維束を形成
しているので、高摩擦係数が得られ、摩擦係数の安定化
も図り得る。特に、相手材が鉄系等の金属材であって
も、良好な摩擦磨耗特性が得られる。 更に本発明に係
る摩擦材によれば、撚紐を構成する炭素長繊維によりバ
ースト強度も確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】係合回数と摩擦係数との関係を示すグラフであ
る。

【図２】試験例１に係る撚紐を示す模式図である。

【図３】試験例２に係る撚紐を示す模式図である。

【図４】試験例３に係る撚紐を示す模式図である。

【図５】試験例５に係る撚紐を示す模式図である。

【図６】比較例１に係る撚紐を示す模式図である。

【図７】比較例２に係る撚紐を示す模式図である。

【図８】クラッチフェーシングの平面図である。

【図９】最低摩擦係数と撚数との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

図中、１は炭素長繊維、２は炭素短繊維、３は紡績糸、
４は撚紐を示す。

フロントページの続き (72)発明者 可児 春伸 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 中川 喜照 大阪市中央区平野町４丁目１番２号 大 阪瓦斯株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−247233（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C09K 3/14 C08J 5/14 F16D 69/00 - 69/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基材繊維束に結合剤を含浸させたのち型成
   形した摩擦材であって、 前記基材繊維束は少なくとも炭素長繊維と炭素短繊維と
   を含む撚紐で構成されていることを特徴とする摩擦材。
2. 【請求項２】基材繊維束全体の重量を１００重量％とし
   たとき、炭素長繊維の比率が２０〜８０重量％であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
3. 【請求項３】全体の体積を１００体積％としたとき、基
   材繊維束が２０〜８０体積％、樹脂が５〜２５体積％、
   残部がＳＢＲ、カーボンブラック、添加剤からなること
   を特徴とする請求項１または２に記載の摩擦材。
4. 【請求項４】基材繊維束の撚紐は、撚り数が５０回／ｍ
   〜２００回／ｍ、みかけの径が３．５ｍｍ以下、重量が
   １．５ｇ／ｍ以下に撚られていることを特徴とする請求
   項１ないし３に記載の摩擦材。