JP4229313B2 - 湿式クラッチ用摺動部材および湿式クラッチ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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μ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と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、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Ｈを０．１〜５０ａｔ％含有する炭素および水素からなる非晶質硬質炭素膜と、を有し、８０℃の潤滑油中でペーパ摩擦材を相手材とし、面圧１ＭＰａ、すべり速度５０〜２０００ｍｍ／ｓのスラスト・カラー型摩擦試験において、前記非晶質硬質炭素膜の摩擦係数μが０．１７以上であることを特徴とする。
このような湿式クラッチ用摺動部材において、非晶質硬質炭素膜は、すべり速度ｖの増加に伴って摩擦係数μが増加するμ−ｖ特性の正勾配傾向を有することが望ましい。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【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、炭素と水素とを含有する。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。
【００１７】
本発明の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、０．１〜５０ａｔ％である。Ｈの含有量が０．１ａｔ％未満では非晶質構造の炭素膜が得られない。また、５０ａｔ％を越えると非晶質硬質炭素膜の硬さが低下して摩耗量が増大するので好ましくない。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。
【００１８】
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を導入して、Ｈ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。
【００１９】
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。特に、基材と非晶質硬質炭素膜の密着性を確保するために中間層を設ける場合などには、マグネトロンスパッタリング法を用いることが望ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
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μを維持することが出来る。
【００２２】
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うえに、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。
【００２３】
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材である。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
【試験例】
以下、本発明を試験例により更に詳細に説明する。
【００３２】
基材としてＳＵＳ４４０Ｃ材（ステンレス鋼）に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］
プレート基材をアセトンにて脱脂し、２０分間超音波洗浄した後乾燥した。脱脂洗浄後の基材をスパッタチャンバ内にセットして、３×１０^-6Ｔｏｒｒまで真空引きした。その後高周波スパッタリングによる基板表面エッチングを高周波出力２００Ｗにて５分間行った。上記処理を施した基板に対して、２５０ｎｍ厚さのＣｒ中間層を形成し、さらにその上の最表面層となる部位に厚さ１．５μｍの非晶質硬質炭素膜を形成した。
【００３３】
ここでＣｒ中間層は、Ｃｒターゲットを用い、流量比でＡｒガスを５％含むメタンガスをスパッタリングガスとして、ガス圧：３ｍＴｏｒｒ、成膜出力：５００Ｗの条件で形成した。また、非晶質硬質炭素膜は、スパッタリングガスの種類、ガス圧、ガス流量などはＣｒ中間層形成と同様の条件とし、カーボンターゲットを用いて、成膜出力を１ｋＷの条件Ｃｒ中間層の上に形成した。
【００３４】
なお、得られた非晶質硬質炭素膜の組成は、８５ａｔ％Ｃ、１５ａｔ％Ｈであり、表面硬さはＨＶ１５００であった。
［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。
【００３５】
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。
【００３６】
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１に示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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５に示す。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、非晶質硬質炭素膜被覆品の測定結果である。また、Ｒ（○）は参考例の処理無し品の結果である。なお、非晶質硬質炭素膜被覆品および処理無し品の表面粗さは、約２μｍＲｚで概ね同一であった。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、参考例の処理無し品に比べて、高いμ値を示している。
【００４１】
なお、非晶質硬質炭素膜処理品は、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。
【００４２】
以上の結果から、試験例の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った。
【００４３】
【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を提供するものである。
【００４４】
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非晶質硬質炭素膜被覆品と処理無し品のμ−ｖ特性を示す図である。
【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 (6)

1. 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Ｈを０．１〜５０ａｔ％含有する炭素と水素とからなる非晶質硬質炭素膜と、を有し、
   ８０℃の潤滑油中でペーパ摩擦材を相手材とし、面圧１ＭＰａ、すべり速度５０〜２０００ｍｍ／ｓのスラスト・カラー型摩擦試験において、前記非晶質硬質炭素膜の摩擦係数μが０．１７以上であることを特徴とする湿式クラッチ用摺動部材。
2. 前記非晶質硬質炭素膜は、前記すべり速度ｖの増加に伴って摩擦係数μが増加するμ−ｖ特性の正勾配傾向を有する請求項１に記載の湿式クラッチ用摺動部材。
3. 前記非晶質硬質炭素膜の硬度がＨＶ８００以上である請求項１又は２のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材。
4. 前記摺動面の表面粗さが０．３〜１０μｍＲｚ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。
5. 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１〜４のいずれかに記載の湿式クラッチ用摺動部材。
6. 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を用いたことを特徴とする湿式クラッチ装置。

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