JP4790610B2 - シンクロナイザーリング - Google Patents

Description

本発明は、円錐摩擦表面を有し、金属からなる支持本体と、前記摩擦表面に設けられたカーボンファイバーを有する材料からなる摩擦層とを備えたシンクロナイザーリングに関する。

シンクロナイザーリングは、機械的な変速機、特に自動車の変速機において、ギアチェンジを行う際に歯車と変速シャフトとの間に発生する相対速度を合わせるために用いられる。この場合における調整は、対応する摩擦パートナー間の摩擦によって行われる。強力なエンジンを有する乗り物に用いられる変速機においては、シンクロナイザーリングは大きな摩擦負荷のために、大きく摩耗する。同様のことが、例えば強力なギアシフト力がかかる商業的な乗り物の変速機、又は乗用車といった自動変速機にも当てはまる。シンクロナイザーリングは、金属から製造されることが通例であり、真鍮から製造されることが好ましい。導入部で記載されたタイプのシンクロナイザーリングは、摩擦から保護するための付加的な摩擦層を有し、とても強い力のかかるシンクロナイザーリングと、結果として変速機の耐用年数を延ばすために、従来から用いられている。

米国特許番号ＵＳ４,２６７,９１２には、セルロースファイバーによって強化された合成樹脂からなる摩擦層を有するシンクロナイザーリングが開示されている。しかしながら不都合なことに、この摩擦層は、強い力が働く場合に発生する熱状態に耐えることができない。変速機オイルを十分に分配することもできないため、摩擦パートナーが浮かび上がり、摩擦が減る。

この問題を解決するため、米国特許番号ＵＳ４,８７８,２８２には摩擦層に溝が設けることが提案されている。

この目的のため、米国特許番号ＵＳ５,６１５,７５８、米国特許番号ＵＳ５,８４２,５５１及び米国特許番号ＵＳ５,９９８,３１１にはカーボンファイバー繊維の構造と製造方法が開示されている。このタイプの繊維は、摩擦層としてシンクロナイザーリングを用いたものとして米国特許番号ＵＳ６,０６５,５７９に示されている。縦糸と十分な糸の織り方や配置によって明白な、山と谷の三次元構造が作り出されている。固定するために、繊維は樹脂に浸され、調整される。三次元構造によって、変速機オイルは冷却するために流入及び流出することができ、摩擦層に圧力がかかっても容易に移動することができる。しかしながら、織り方が非常に複雑であり、このタイプの摩擦層は製造するのに費用がかかってしまう。

米国特許番号ＵＳ４,７００,８２３では、ディスクを把持したり止めたりするために、カーボンファイバー強化プラスチックからなる摩擦層が使用されている。この摩擦層は、かなり複雑で、それゆえ費用のかかる化学気相堆積（ＣＡＤ）法によって製造される。

米国特許番号ＵＳ５,８５１,５８８には、カーボンファイバー強化プラスチックからなり、クラッチやブレーキのような広い面積を有する平面摩擦装置に用いられる目の粗い摩擦層が示されており、この場合には、摩擦層は液相充填法（ＬＰＩ）によって製造される。

米国特許番号ＵＳ５,９５２,２４９には、クラッチやブレーキにおいて、広い面積の平らな摩擦パートナーとして、ＬＰＩ法によって製造されるカーボンファイバー強化摩擦層を使用することが開示されている。

不都合なことに、クラッチやブレーキの場合よりも小さな円錐摩擦表面のために、記載されている摩擦層の全てが、シンクロナイザーリング内に発生する圧縮力によって圧縮されている。軸方向に予備的に移動できないため、耐用年数が短くなったり、初期故障が発生する危険がある。

本発明の目的は、カーボンファイバーを有する材料からなる摩擦層を有する耐摩耗性を有し、従来技術と比べ長い耐用年数を有し、費用のかからないシンクロナイザーリングを提供することにある。

本発明によるとこの目的は、導入部で記載されたタイプのシンクロナイザーに関して、その材料を圧縮されたカーボンファイバー強化プラスチックとすることによって達成される。

本発明において、シンクロナイザーリングは、外部リング、内部リング及び中間リングを包囲するものであってもよい。このタイプのリングは、マルチコーンシンクロナイザー機構において用いられる。円錐摩擦の傾斜角度は約６°から１０°の間である。

本発明において、カーボンファイバー強化プラスチックは、強化するために組み込まれたカーボンファイバーと、所定の比率のプラスチックとを有する材料を意味している。特許請求の範囲及び明細書の内容において、カーボンファイバーが、低い比率のプラスチックと高い比率の他の材料で組み込まれている材料もまたカーボンファイバー強化プラスチックである。

カーボンファイバーを組み込むことによって、材料は、好ましい摩擦特性と、好ましい耐摩耗性を有することができる。

驚くべきことに、カーボンファイバープラスチックが圧縮されると、カーボンファイバープラスチックによってシンクロナイザーリングの耐用年数が増加する。圧縮は製造工程の間、又は製造工程の最後に行われる。材料がこのように圧縮されると、ギアシフトや、同調操作の際に更に圧縮されることを防ぐことができる。このため、軸方向のギャップは、材料が互いに圧迫されることによっても小さくならない。専門分野において以前から抱かれている常識に反して、このタイプの圧縮された材料は、摩擦パートナーが浮かびあがるため摩擦によって劣化しない。驚くべきことに、摩擦層がシンクロナイザーリングの円錐摩擦表面に使用されて、材料が圧迫されたとしても、変速機オイルは摩擦表面から十分に押し出される。摩擦係数はすぐに形成される。結果として、ファイバー構造が維持されることと、周りの材料の中で残った多孔率とによって、これを十分に達成することができる。

摩擦層の厚みが、０．２ｍｍから０．６ｍｍであり、１０Ｎ/ｍｍ^２の表面圧力下で摩擦層が０．０１５ｍｍ以下、好ましくは０．０１ｍｍ以下の厚みに変化するよう、材料が圧縮されることが好ましい。

このように圧縮された材料は、上述された摩擦層の厚みにおいて、特にすばらしく、摩擦耐久性において優れている。

材料は、カーボンファイバー繊維と樹脂とから製造されることが好ましい。本発明において、樹脂は硬化性樹脂を意味する単一繊維層を用いることが好ましい。寸法安定性は、樹脂によって固定された圧縮繊維によってより良くなる。耐オイル性であって、熱的に安定な樹脂が好ましく、フェノール樹脂が特に好ましい。単一繊維層を用いることが最適である。

製造の最初の段階は、カーボンファイバー繊維を準備することである。カーボンファイバー繊維は樹脂に浸され、次に硬化するために加熱される。材料の圧縮は硬化している間又は硬化した後に行われる。この圧縮によって、材料に５バール以上の圧力が加えられる。

次に、材料は、樹脂の一部がカーボン内で加工されるよう、加熱処理されることが好ましく、このカーボンはアモルファス及び／又はグラファイトを形成している。加熱処理の温度は９００℃から１２００℃の間である。加熱処理は、不活性ガス雰囲気で行われることが好ましい。樹脂内にカーボンを含有させることによって、摩擦特性が良くなる。予備的な移動ができないことも減る。熱処理をした後で、より多くの樹脂が浸透又は注入されることによって供給されたり、熱処理の作用工程が繰り返されると、カーボンの比率を増加させることができる。

カーボンは摩擦層を使用し終わったら洗い流される。このこため、摩擦層の耐摩耗性は減少する。好ましいことにこの問題は、最終的には樹脂によって固定される加工カーボンによって解決される。

摩擦層は、例えばフェノール樹脂やエポキシ樹脂接着剤といった、熱的に安定し、耐オイル性の接着剤を用いることによって、摩擦層に粘着して接着されていることが好ましい。接着剤は、プラスチックに接着されるか、残った孔や開口に浸透するため、摩擦層を支持本体に永久的に結合させることができる。

支持本体に用いる適切な材料としては、特に真鍮、スチール、特に、焼結して作られるスチール又は真鍮とスチールから作られる合金を挙げることができる。

本発明の具体的な実施の形態が図面を参照として詳細に記載される。

図１はシンクロナイザーリング１０の平面図を示し、その外周１１は変速機の歯車（図示せず）と機械的に係合する歯１２を有する。シンクロナイザーリング１０の内周１３には、円周摩擦表面９が設けられ、当該円周摩擦表面９には摩擦層１４が取り付けられている。摩擦層１４は摩擦パートナー（図示せず）に対向して配置され、摩擦パートナーは、シンクロナイザーリング１０に対して回転速度を有している。ギアシフトする際には、摩擦層１４は、摩擦パートナーと接触して、摩擦により摩擦パートナー間の相対速度を減少させ、摩擦パートナーを同調させる。シンクロナイザーリング１０は真鍮から作られている。

別の実施の形態（図示せず）としては、摩擦層１４がシンクロナイザーリング１０の外周１１に配置され、歯１２が内周１３に配置されても良い。

図２は、図１において、摩擦層１４を有するシンクロナイザーリング１０を通過する横断面を示している。図示されたシンクロナイザーリング１０は円周摩擦表面９を有している。円周摩擦表面９は内周１３において示されており、この内周１３は実際の大きさではないが傾斜する様子が示されている。摩擦表面の傾斜は８°になっている。

シンクロナイザーリング１０の摩擦層１４は、圧縮されたカーボンファイバー強化プラスチックを有し、０．５ｍｍの厚みになっている。カーボンファイバーは、単層繊維を形成しているものが示されている。製造するには、カーボンファイバー繊維は、フェノール樹脂に浸され、保存される。次に、その材料は不活性ガス雰囲気で、約１１００℃で熱処理され、大方の樹脂がアモルファスカーボンによって覆われる。

次に、その材料は、樹脂に再び浸され、熱処理が繰り返される。更にその後、その材料は樹脂にもう一度浸され、繊維、特に樹脂内に形成されたカーボンを固定する。

製造の最終工程として、その材料は圧縮される。このように、摩擦層１４は、シンクロナイザーリング１０に対する厚みにおいて、１０Ｎ／ｍｍ^２の表面圧力下で、０．０１５ｍｍよりも小さな厚みにまで減少する。摩擦層１４はフェノール樹脂接着剤を用いてシンクロナイザーリングの摩擦表面に接着されている。

摩擦層１４に必要な形状は、摩擦表面１４の円錐形状を考慮して、材料の大きなユニット（マット）から切り出される。

図３は、図１及び図２に示された摩擦層１４を図式的に示している。この場合の摩擦層１４は、単層のカーボンファイバー繊維８を有している。この場合の繊維８は多くのカーボンファイバーを有するファイバーストランド７から編み込まれている。繊維頂点１５は、後述する圧縮によって平らにされる。しかしながら、場合によっては、連続的な残余孔１６が残ってしまう。繊維８自体は、樹脂及びアモルファスカーボンの基盤６に埋め込まれている。

材料として、例えば、綾織、亜麻糸又は繻子織物といった繊維を用いることができる。

相対的に幅が広く、連続的な溝を有する綾織繊維と比較して、亜麻糸繊維は、対角線上に連続した溝を有しないが、頂点における縦糸の交点と頂点における横糸の交点とによっ、てチェッカー盤のような配置を有している。比較的、繻子繊維は個々の交点に特徴があり、この場合には、あらゆる連続的な対角線状のキー溝及び尾根を形成することができる。

明白な溝構造を有する綾織繊維を用いることが好ましい。

繊維表面上の縦糸及び横糸に対して対角線状に走る織物線が、綾織織物の特徴になっている。このように製造される繊維は、連続的な、例えば、溝又はチャンネルのような凹みと呼ばれる下方に位置する領域と、尾根と呼ばれる高い領域の対角線状に延びる細長い一片の配置に特徴がある。このため、オイルチャンネルを形成する溝にあるオイルを表面に沿ってスムーズに流すことによって、摩擦熱を消すことができるので有益である。例えばシンクロナイザーリングのような基盤に摩擦材料を取り付ける場合には特に、チャンネルのような溝又は凹みを、あらゆる方向に向けることができ、オイルが隣接する領域に流れたり、隣接する領域から流れ込んだり特にしやすく、とても利用しやすい方向に向けることもできる。特に、チャンネルのような溝又は凹みは、クラッチケースや変速機ケース内の予め定まったオイルの流れに従って配向される。

特に好ましい変形例は片面繊維を使用し、すなわち尾根及び溝構造が、繊維の他方より一方の側面で明白に現れている。この場合、繊維のより強い構造の側面が摩擦面となり、滑らかな側面が基盤と接着するのに適しているが、これは、滑らかな側面が溝構造及び尾根構造を有する表面よりも広くて連続的な粘着表面を有するためである。構造化された表面と滑らかな表面を有するこのタイプの繊維の例としては、綾織織物繊維が挙げられる。

繊維を作るためのファイバーストランド７は、既に熱的に安定化処理されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）フィラメントからなるか、又は炭化工程より前に熱的に安定化処理されたＰＡＮフィラメントから作られる繊維からなる。熱的に安定化させる際、ＰＡＮフィラメントは、伸びた状態で、好ましくは２００〜４００℃の空気による酸化によって非溶性になるよう加工される。伸びて破損した酸化ポリアクリロニトリルフィラメントから紡がれた糸が上述した繊維を製造するには特に適している。糸線密度は１２０テックスと１７０テックスの間である。ねじれた糸、特に好ましくは、逆方向にねじれた二つのファイバーをねじることによって得られるねじれた糸、又はねじれたファイバーを複数一緒にねじることによって得られるファイバーストランド７を用いることが好ましい。これらのねじれたファイバーストランド７の重要な利点は、圧力が作用する状態において、個々のフィラメントが互いに平面状態になっていないため、ファイバーストランド７が常に所定の三次元構造を有していることである。

炭化する間、ファイバーストランド７の炭素の含有量は上昇し、ファイバーストランド７内の炭化基盤における歪みも大きくなる。１０００℃に調整することによって、炭素の含有量は約８０％に到達し、より高温ではこの含有量は更に上昇する。

例えば、１８００℃で熱処理されると、質量ベースで９５％の炭素含有量が得られる。以下の記載、すなわち、熱処理している間の温度が高くなればなるほど、ファイバーの炭素含有量は大きくなり、材料の熱的安定性と、材料の弾力係数が高くなることは、炭化温度以上の領域で概ね当てはまる。

樹脂は材料において多くの機能を果たす。まず第一に、繊維のファイバーをつなげ、繊維の所定の位置にそれらを固定する結合剤として作用する。樹脂の含有量が低いと、ファイバーストランド７は、樹脂の表面フィルムによって希にしか覆われまいが、他方で、樹脂の含有量が高いと、ファイバーストランド７は厚い樹脂基盤に埋め込まれ、摩擦のような機械的な力から保護される。更に、結合剤を加えることによって、機械的に繊維を強化することができ、すなわち織物を堅くするとともに、その圧縮性を減らすことができる。

樹脂の含有量を増やすことによって、樹脂に浸したり、圧縮したりした後であっても、元々の織物の好ましい構造を維持することができる。一方で、材料の機械的な安定性と、剛性を確実にし、圧縮性を減らし、摩擦層１４のオイル浸透性を低くするために樹脂の含有量を十分に高くしなければならないが、他方で、樹脂の含有量を多くしすぎて、厚い樹脂層に尾根構造や溝構造が完全に覆われて、完全に平らな状態にならないようにしなければならない。

摩擦材料は、質量ベースで、２５％から５０％の範囲の樹脂断片を有しているので、上述した条件の下で圧迫してもオイルの流れに適した溝構造を有することができる。これらの表面の粗さＲｚは約３０から５０μｍになっているため、本発明による摩擦材料は、湿った摩擦部材にとっては好ましくない流体フィルムの形成に比較的影響を受けない。

摩擦層の荒さＲｚは、圧力をかけたり、樹脂の含有量を増加させることによって減少させることができる。更に、樹脂の含有量を増加させることによって、材料の空気への浸透性を減らし、特に、小さな孔を減らすことによって、孔の大きさの分布範囲を小さくすることができる。孔の大きさの分布範囲は圧力をかけることによっても小さくすることができ、特に、樹脂の含有量が増加させることによって、材料のミクロ構造における個々のフィラメント間の小さな孔や空間が閉ざされるものの、マクロ構造はほとんど影響を受けない。

孔が材料で満たされている孔の割合を変化させる別の手段として、グラファイトやカーボンブラックの粒子を樹脂に加えることができ、こららの粒子は炭化している際、小さくならない。

別の好ましい実施の形態としては、圧力をかけている間、摩擦層１４にエンボス加工が施されたり、及び／又は表面層が設けられてもよい。

別の好ましい実施の形態によると、材料の樹脂断片が部分的又は完全に炭化され、例えば、８００−１５００℃の不活性雰囲気下で固体層が熱分解されることによって、材料の樹脂断片が炭素で覆われる。結果として、基盤がカーボンからなり、カーボンファイバー繊維によって強化されている合成材料（カーボンファイバー強化カーボン“ＣＦＣ”）を得ることができる。炭化している間、揮発性成分が揮発することによって重量が減るため、樹脂層は小さくなっていく。

摩擦層を有するシンクロナイザーリングの平面図。 取り付けられた摩擦層を有するシンクロナイザーリングを通過する横断面図。 シンクロナイザーリングに取り付けられた摩擦層の拡大図。

Claims (8)

1. 円錐摩擦表面（９）を有し、金属からなる支持本体（５）と、前記摩擦表面（９）に設けられたカーボンファイバーを有する材料からなる摩擦層（１４）とを備えたシンクロナイザーリング（１０）において、
   前記材料が圧縮されたファイバー強化プラスチックであり、
   摩擦層（１４）の厚みは、０．２ｍｍから０．６ｍｍであり、
   カーボンファイバー（８）強化プラスチックは、１０Ｎ/ｍｍ^２の表面圧力下で摩擦層（１４）が０．０１５ｍｍ以下の厚みに変化するよう圧縮され、
   前記材料は、質量ベースで、２５％から５０％の範囲の樹脂を有し、
   前記摩擦層（１４）の表面の粗さＲｚは３０から５０μｍになっていることを特徴とするシンクロナイザーリング（１０）。
2. 円錐摩擦表面（９）を有し、金属からなる支持本体（５）と、前記摩擦表面（９）に設けられたカーボンファイバーを有する材料からなる摩擦層（１４）とを備えたシンクロナイザーリング（１０）において、
   前記材料が圧縮されたファイバー強化プラスチックであり、
   摩擦層（１４）の厚みは、０．２ｍｍから０．６ｍｍであり、
   カーボンファイバー（８）強化プラスチックは、１０Ｎ/ｍｍ^２の表面圧力下で摩擦層（１４）が０．０１ｍｍ以下の厚みに変化するよう圧縮され、
   前記材料は、質量ベースで、２５％から５０％の範囲の樹脂を有し、
   前記摩擦層（１４）の表面の粗さＲｚは３０から５０μｍになっていることを特徴とするシンクロナイザーリング（１０）。
3. 前記材料がカーボンファイバー繊維（８）と、樹脂、特にフェノール樹脂とから製造されることを特徴とする請求項１または２に記載のシンクロナイザーリング（１０）。
4. 前記材料は、樹脂断片がカーボン内で加工されるよう熱処理されることを特徴とする請求項３に記載のシンクロナイザーリング（１０）。
5. カーボンはアモルファス及び/又はグラファイトからなることを特徴とする請求項４に記載シンクロナイザーリング（１０）。
6. 加工されたカーボンは、樹脂によって固定されることを特徴とする請求項４又は５に記載のシンクロナイザーリング（１０）。
7. 摩擦層（１４）は、摩擦表面（９）に接着されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシンクロナイザーリング（１０）。
8. 支持本体（５）は、真鍮、スチール又は真鍮とスチールの合金からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシンクロナイザーリング（１０）。

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