JP6945636B2 - 増大した圧力サイクル寿命を有する湿式摩擦材 - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
本願は、２０１７年３月１６日に出願された米国特許出願第１５／４６０５８８号に対する優先権を主張し、その開示内容は、参照によりその全体が本明細書に引用される。

技術分野
本開示は、摩擦材、より具体的にはパワートレイン用の摩擦材、さらにより具体的には、圧力サイクル疲労寿命を増大しつつ摩擦材の性能を高めるように配置された複数の層を有するパワートレイン用の摩擦材に関する。

摩擦材、特に車両パワートレインにおいて使用される摩擦材は、多くの場合、基材、例えば繊維質の紙から形成されており、基材は、樹脂、例えばフェノール樹脂が含侵され、その後、硬化する。硬化した摩擦材は、基材自体よりも耐久性が高い。なぜならば、樹脂が、繊維質の紙をまとめて保持する糊状の材料として作用するからである。組み合わされたものは、かなり強度が高い可能性がある。例えば、このような摩擦材が、車両トランスミッションにおいて使用されてもよい。車両トランスミッションにおいては、摩擦材は、典型的に１８０℃〜２００℃の高温のような過酷な環境的条件に曝される。約２２０℃よりも高い温度に曝される結果、一部のフェノール樹脂の分解が生じる可能性がある。

キリ油がフェノール樹脂に添加される。なぜならば、キリ油は、硬化した樹脂の柔軟性を高め、より高い温度での圧力サイクルにおける摩擦材の耐久性を改善するからである。しかしながら、キリ油が添加されると、摩擦材の性能が低下する。すなわち、低速時摩擦係数および静止摩擦係数が増加し、動的摩擦係数が低下し、その結果、より高い作動温度を生じる。上記の結果、クラッチ用途における性能が低下する。

過酷な条件下では、幾つかの既知の摩擦材が層間剥離する。例えば、層のせん断が生じる。加えて、幾つかの既知の摩擦材は亀裂を生じるかまたは摩耗する。

本明細書に示す態様によれば、繊維材料およびフィラー材料を含む摩擦材が提供される。繊維材料は、第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面と、第１および第２の面の間の厚さとを有する。フィラー材料は、キリ油およびフェノール樹脂を含む。キリ油は、第１の面から厚さの第１の部分を通して繊維材料内に浸み込まされるのに対し、フェノール樹脂は、第２の面から厚さの第２の部分を通して繊維材料内に浸み込まされる。

本明細書に示す態様によれば、繊維材料と、フィラー材料と、摩擦層とを含む摩擦材が提供される。繊維材料は、第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面と、第１および第２の面の間の厚さとを有する。フィラー材料は、第１の面から厚さの第１の部分を通して繊維材料内に浸み込まされたキリ油を含む。摩擦層は、第２の面から厚さの第２の部分を通して繊維材料内に浸み込まされたフェノール樹脂を含む。

本明細書に示す態様によれば、カバーと、カバーに接続されたインペラと、インペラと流体連通したタービンと、トランスミッション用の入力軸に相対回動不能に接続されるように配置された出力ハブと、トルクコンバータクラッチとを備える、トルクコンバータが提供される。トルクコンバータクラッチは、繊維材料と、フィラー材料と、ピストンとを含む。繊維材料は、第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面と、第１および第２の面の間の厚さとを有する。フィラー材料は、キリ油とフェノール樹脂とを含む。キリ油は、第１の面から厚さの第１の部分を通して繊維材料内に浸み込まされるのに対し、フェノール樹脂は、第２の面から厚さの第２の部分を通して繊維材料内に浸み込まされる。ピストンは、摩擦材をピストンおよびカバーと係合させて、摩擦材およびピストンを介してカバーから出力ハブへトルクを伝達するように変位可能である。

添付の概略的な図面を参照して、様々な実施の形態が例として開示される。図面では、対応する参照符号は対応する部材を示している。

キリ油およびフェノール樹脂を含む摩擦材の例示的な実施形態の概略断面図である。 図１に示した摩擦材を含むトルクコンバータの一例の部分断面図である。 既知の摩擦材と、キリ油およびフェノール樹脂を含む摩擦材とについて、サイクルに対する厚さ損失のそれぞれの割合をプロットしたグラフである。

最初に、異なる図面における同じ図面番号は、本開示の同一の、または機能的に類似の構造要素を識別していることが認識されるべきである。請求の範囲に記載する開示は、開示された態様に限定されないということが理解されるべきである。

さらに、本開示は、説明される特定の方法、材料および変更に限定されるのではなく、したがって、もちろん変更されてよいことが理解される。ここで使用される用語は、特定の態様を説明する目的のためだけのものであり、本開示の範囲を限定することを意図したものではないことも理解される。

別段の定めがない限り、ここで使用される全ての技術的および科学的用語は、本開示が属する技術分野における当業者に一般的に理解されるのと同じ意味を有する。「実質的に」という用語は、「ほとんど」、「極めてほとんど」、「約」、「ほぼ」、「付近」、「近接する」、「近い」、「事実上」、「近隣」「近傍」などの用語と同義であり、このような用語は、明細書および請求項内に現れるときは互換的に使用されてもよいことが認められるべきである。「近位」という用語は、「近傍」、「近い」、「隣接」、「近隣」、「すぐ隣り」、「近接」などの用語と同義であり、このような用語は、明細書および請求項に現れるときは互換的に使用されてもよいことが認められるべきである。ここで説明されるものと類似または均等なあらゆる方法、装置または材料を、本開示の実用または試験において使用できることが理解されるべきである。

「相対回動不能に接続された」第１および第２の構成部材とは、第１の構成部材が回転するときはいつでも、第２の構成部材が第１の構成部材と共に回転し、第２の構成部材が回転するときはいつでも、第１の構成部材が第２の構成部材と共に回転するように、第１の構成部材が第２の構成部材に接続されていることを意味する。第１および第２の構成部材間の軸方向変位は可能である。

図１は、キリ油およびフェノール樹脂を含む摩擦材１００の概略断面図である。摩擦材１００は、当分野において既知のあらゆるクラッチプレート１０２において使用することができる。例示的な実施形態では、摩擦材１００はプレート１０２に固定して取り付けられている。摩擦材１００は、繊維材料１０４およびフィラー材料１０６を含み、フィラー材料１０６は、キリ油およびフェノール樹脂を含む。繊維材料１０４は、例えばセルロース繊維または炭素繊維を含むがこれらに限定されない、当分野において既知のあらゆる有機繊維または無機繊維であってよい。

例示的な実施形態では、摩擦材１００は、繊維材料１０４を含む。繊維材料１０４は、第１の面１０８と、第１の面１０８とは反対側の第２の面１１０と、第１の面１０８および第２の面１１０の間の厚さ１１２とをそれぞれ有している。フィラー材料１０６は、キリ油およびフェノール樹脂を含む。キリ油は、第１の面１０８から、厚さ１１２の第１の部分１１４を通して繊維材料１０４内に浸み込まされるのに対し、フェノール樹脂は、第２の面１１０から、厚さ１１２の第２の部分１１６を通して繊維材料１０４内に浸み込まされる。

例示的な実施形態では、摩擦材１００は、第１の面１０８と、第１の面１０８とは反対側の第２の面１１０と、第１の面１０８および第２の面１１０の間の厚さ１１２とをそれぞれ有する繊維材料１０４を含む。フィラー層１１８は、第１の面１０８から厚さ１１２の第１の部分１１４を通して繊維材料１０４内に浸み込まされたキリ油を含む。摩擦層１２０は、第２の面１１０から厚さ１１２の第２の部分１１６を通して繊維材料１０４内に浸み込まされたフェノール樹脂を含む。

例示的な実施形態では、フェノール樹脂へのキリ油の導入を回避するために、キリ油は第１の面１０８のみに塗布される。フェノール樹脂は、後述のように、その後の操作において塗布される。しかしながら、キリ油およびフェノール樹脂の混合またはブレンディングは、より高い温度における圧力サイクル寿命に悪影響を及ぼさず、また、フェノール樹脂の露出面、すなわち第２の面１１０がキリ油とブレンドまたは混合しなければ、摩擦材１００の性能損失を生じることはない。すなわち、例示的な実施形態では、キリ油は、第１の面１０８に塗布され、繊維材料１０４の第１の部分１１４の特性のみに影響する。例示的な実施形態では、第１の面１０８は、キリ油から成る。言い換えれば、第１の面１０８においてキリ油とフェノール樹脂との混合またはブレンディングは生じない。例示的な実施形態では、厚さ１１２の第１の部分１１４は、厚さ１１２の２５％〜９９％である。キリ油を含む厚さ１１２の割合が高いほど、摩擦材１００の強度が高くなることが分かった。しかしながら、キリ油の量、すなわちキリ油を含む厚さ１１２の割合は、キリ油が全ての厚さ１１２にわたって存在する、すなわち第２の面１１０に存在するほど高くなることはできない。

例示的な実施形態では、キリ油へのフェノール樹脂の導入を回避するために、フェノール樹脂は、第２の面１１０のみに塗布される。キリ油は、上述したように、かつ以下でさらに詳しく説明するように、前の操作において塗布されている。すなわち、例示的な実施形態では、第２の面１１０はフェノール樹脂から成る。フェノール樹脂は、厚さ１１２の第２の部分１１６に浸み込んでおり、完全に硬化した後、摩擦材１００に対して、特に温度、せん断および圧力における強度を提供する。適切なフェノール樹脂の一例は、Ashland Chemical社（ケンタッキー州コヴィントン）によってArofene 1166の名称で販売されているニトリルフェノリック材料を含む。

例示的な実施形態では、第１の面１０８はキリ油から成り、第２の面１１０はフェノール樹脂から成る。例示的な実施形態では、キリ油とフェノール樹脂とのブレンディングは、厚さ１１２の第１の部分１１４および第２の部分１１６それぞれの間の境界面１２２の近傍においてのみ生じる。

上述の摩擦材の実施形態に加え、この摩擦材を形成する方法の様々な実施形態が以下で説明される。例示的な実施形態では、摩擦材１００は、繊維材料１０４にキリ油を部分的に浸み込ませることによって形成される。繊維材料１０４には、様々な方法によってキリ油を浸み込ませてもよい。例示的な実施形態では、キリ油は、エタノール、またはキリ油の密度を低下させるかまたはキリ油を希薄化させる能力を有するあらゆるその他の適切な揮発性溶剤、例えばメタノール、に溶解または希薄化される。その後、希薄化されたキリ油は、第１の面１０８に塗布され、繊維材料１０４の第１の部分１１４内に導かれ、繊維材料１０４の第１の部分１１４に浸み込む。例示的な実施形態では、希薄化されたキリ油は、噴霧、ローラ塗り、ナイフ塗りによって塗布されるか、代替的に希薄化されたキリ油の浴に繊維材料を接触させることによって塗布されるか、または当分野において既知のあらゆるその他のコーティング手段によって塗布される。含侵の浸透の深さを様々な技術によって制御してもよいことが分かった。例示的な実施形態では、キリ油が浸み込まされる厚さ１１２の割合は、キリ油の密度を調節することによって制御され、すなわち密度が低いほど、含侵の割合が高くなる。例示的な実施形態では、約２０質量％〜約５５質量％のキリ油を含み、残りがエタノールなどの溶剤である溶液が、キリ油が第２の面１１０に存在することを防止しながら、キリ油が浸み込んだ、許容できる厚さ１１２の割合を提供することが分かった。しかしながら、適切な構成量は、キリ油だけに依存するわけではないことが認識されるべきである。例えば、同じ割合の含侵を結果として生じるために、第１のタイプの繊維材料は、約２５質量％のキリ油を含む溶液を必要とするのに対し、第２のタイプの繊維材料は、３５質量％のキリ油を含む溶液を必要とすることがある。さらに、キリ油は、材料が元の状態にあるとき、例えば繊維材料の未切断のロールであるときに繊維材料１０４に塗布されてもよいし、または、材料が最終的な状態、例えばディスクに切断された後に塗布されてもよい。例示的な実施形態では、繊維材料１０４にキリ油溶液を塗布した後、溶剤は、周囲温度または高温での空気乾燥によって、選択的に対流空気流を用いて、蒸発させられる。フェノール樹脂を導入する後続の工程を行う前に溶剤を完全に蒸発させる必要はないことが認識されるべきである。

次に、例示的な実施形態では、フェノール樹脂が繊維材料１０４に塗布される。繊維材料１０４には、様々な方法によってフェノール樹脂を浸み込ませてもよい。例示的な実施形態では、フェノール樹脂は、エタノール、またはフェノール樹脂の密度を低下させるかまたはフェノール樹脂を希薄化させる能力を有するあらゆるその他の適切な揮発性溶剤、例えばメタノール、に溶解または希薄化される。その後、希薄化されたフェノール樹脂は、第２の面１１０に塗布され、繊維材料１０４の第２の部分１１６内に導入され、繊維材料１０４の第２の部分１１６に浸み込む。例示的な実施形態では、希薄化されたフェノール樹脂は、噴霧、ローラ塗り、ナイフ塗りによって塗布されるか、代替的に希薄化されたフェノール樹脂の浴に繊維材料を接触させることによって塗布されるか、希薄化されたフェノール樹脂内に繊維材料１０４を浸漬することによって塗布されるか、または当分野において既知のあらゆるその他のコーティング手段によって塗布される。含侵の浸透の深さを様々な技術によって制御してもよいことが分かった。例示的な実施形態では、フェノール樹脂が浸み込まされる厚さ１１２の割合は、フェノール樹脂の密度を調節することによって制御され、すなわち密度が低いほど、含侵の割合が高くなる。例示的な実施形態では、約１５質量％〜約４０質量％のフェノール樹脂を含み、残りがエタノールなどの溶剤である溶液が、フェノール樹脂が浸み込んだ、許容できる厚さ１１２の割合を提供することが分かった。すなわち、フェノール樹脂は第２の部分１１６の厚さ全体に完全に浸み込む。しかしながら、適切な構成量は、フェノール樹脂だけに依存するわけではないことが認識されるべきである。例えば、同じ割合の含侵を結果として生じるために、第１のタイプの繊維材料は、約２５質量％のフェノール樹脂を含む溶液を必要とするのに対し、第２のタイプの繊維材料は、３５質量％のフェノール樹脂を含む溶液を必要とすることがある。例示的な実施形態では、繊維材料１０４にフェノール樹脂溶液を塗布した後、溶剤は、周囲温度または高温での空気乾燥によって、選択的に対流空気流を用いて、蒸発させられる。後続の工程を行う前に溶剤を完全に蒸発させる必要はないことが認識されるべきである。

例示的な実施形態では、キリ油およびフェノール樹脂を含む繊維材料１０４は、例えば、コーティングされた繊維材料１０４を乾燥オーブンに通過させることによって、部分的に硬化する。部分的な硬化は、キリ油およびフェノール樹脂溶液の両方から溶剤および粘着性を除去する。フェノール樹脂は、この作業の間に部分的に硬化する。

上述のように、繊維材料１０４には、変更されていない状態、例えば大きなロールのときにキリ油およびフェノール樹脂を浸み込ませてもよいし、または、変更後、例えばディスク状に打ち抜かれた後に浸み込ませてもよい。これにより、例示的な実施形態では、部分的に硬化した繊維材料１０４は、代替的な形態、例えばディスク形状に変更される。

その後、例示的な実施形態では、部分的に硬化しかつ変更された繊維材料１０４は、裏当て構造、例えばプレート１０２に接合される。第１の面１０８およびプレート１０２の面１２４の一方または両方に接着剤が塗布される。この作業のために、様々な接着剤タイプ、例えばフェノール系接着剤が使用されてもよい。フェノール系接着剤は、フィラー材料および摩擦層において使用される同じフェノール樹脂ではないことが認識されるべきである。例示的な実施形態では、部分的に硬化しかつ変更された繊維材料１０４を裏当て構造に固定した後、アセンブリは、ホットプレス内に配置される。ホットプレスにおいて、アセンブリに圧力および熱が加えられ、これにより、キリ油を硬化させ、フェノール樹脂を溶融および硬化させ、摩擦材１００をプレート１０２に完全に接合、すなわち接着剤を完全に硬化させる。例示的な実施形態では、ホットプレスは、華氏約４００度〜華氏約４２５度の温度に維持される。例示的な実施形態では、アセンブリは、硬化作業のために、約３０秒〜約３分間、ホットプレス内に保持される。

図２は、図１に示した摩擦材１００を含むトルクコンバータ２００の例の部分的な断面図である。トルクコンバータ２００は、カバー２０２と、カバーに接続されたインペラ２０４と、インペラと流体連通したタービン２０６と、ステータ２０８と、トランスミッション用の入力軸（図示せず）に相対回動不能に接続されるように配置された出力ハブ２１０と、トルクコンバータクラッチ２１２と、振動ダンパ２１４とを有する。クラッチ２１２は、摩擦材１００およびピストン２１６を有する。当分野において既知のように、ピストン２１６は、摩擦材１００をピストン２１６およびカバー２０２に係合させて、摩擦材１００およびピストン２１６を介してトルクをカバー２０２から出力ハブ２１０へ伝達するように、変位可能である。流体２１８は、クラッチ２１２を作動させるために使用される。

トルクコンバータ２００の特定の構成例が図２に示されているが、トルクコンバータにおける摩擦材１００の使用は、図２に構成されているようなトルクコンバータに限定されないことが理解されるべきである。すなわち、材料１００は、当分野において既知のあらゆるトルクコンバータ構成のための、摩擦材を使用する、あらゆるクラッチ装置において使用可能である。さらに、摩擦材１００は、あらゆる湿式クラッチシステムまたは用途、例えばクラッチパック、トランスミッション等において使用されてもよい。さらに、摩擦材１００は、プレート、例えばクラッチプレートの一方または両方の側に接着されてもよい。

図３は、既知の摩擦材と、本開示によるキリ油およびフェノール樹脂を含む摩擦材とについて、サイクルの回数（Ｘ軸）に対する厚さ損失（Ｙ軸）のそれぞれの割合をプロットしたグラフである。各サンプルは、周期的な圧力サイクル試験を受ける。各サイクルは、９．９ＭＰａの圧力を加える２秒間と、それに続く、圧力が加えられない３秒間とから成る。試験は、１２０℃において行われた。サンプルは、圧力を加える間に圧縮される。圧縮の程度が測定され、厚さ損失の割合を決定するために使用される。より低い厚さ損失割合は、サンプルがその一体性を維持したことを示し、維持された性能を示している。線３００は、既知の摩擦材の複数の例の性能を示しているのに対し、線３０２は、本開示による、キリ油およびフェノール樹脂を含む摩擦材の複数の例の性能を示している。この摩擦材は、既知の摩擦材よりも、改善された周期的圧力サイクル試験結果を示すことが分かった。例えば、幾つかの試験の結果、既知の材料は、本発明の材料よりも５倍および６倍大きな厚さ損失割合を有していた。

ここに開示された摩擦材および摩擦材を製造する方法は、性能損失という欠点なしに、より高い温度における圧力サイクルを改善する。外面または露出面、すなわちフェノール樹脂のみを有する面が、摩擦材の性能レベルを左右することが分かった。なぜならば、この面が、隣接するリアクションプレートに曝されかつこれと接触する唯一の面であるからである。内面、すなわちキリ油のみを有する面は、プレート、例えばクラッチプレートに接合され、性能に影響しない。しかしながら、繊維材料に存在するキリ油は、繊維材料を結合し、これにより、繊維材料の強度を高め、特に、より高い温度における圧力サイクル下での摩擦材強度を高める。さらに、摩擦材内のキリ油の存在は、摩擦材の柔軟性を高め、これにより、露出面または外面にフェノール樹脂のみを有するという性能の利点を維持しつつ、より高い温度での圧力サイクルをさらに改善する。

上に開示された特徴および機能ならびにその他の特徴および機能、またはそれらの代替は、望ましくは多くのその他の異なるシステムまたは用途に組み合わされてよいことが認められるであろう。現時点では予想または予期されない様々な代替、修正、変更または改良が、引き続き当業者によってなされてよく、これらも、以下の請求の範囲によって包含されることが意図されている。

Claims (3)

1. プレートに固定して取り付けられる面である第１の面と、該第１の面とは反対側の露出面である第２の面と、を有し、前記第１の面と前記第２の面との間に所定の厚さを有する繊維材料と、
   キリ油およびフェノール樹脂を含むフィラー材料であって、前記キリ油は、前記第１の面から第１の厚さを有する前記繊維材料の第１の部分内に浸み込まされており、前記フェノール樹脂は、前記第２の面から第２の厚さを有する前記繊維材料の第２の部分内に浸み込まされている、フィラー材料と、
   を備える摩擦材であって、
   前記第１の厚さは前記第１の面と前記第２の面との間の前記所定の厚さよりも小さく、前記第２の面は、前記フェノール樹脂のみが浸み込んだ前記繊維材料から成る、摩擦材。
2. 前記第２の厚さは前記第１の面と前記第２の面との間の前記所定の厚さよりも小さく、前記第１の面は、前記キリ油のみが浸み込んだ前記繊維材料から成る、請求項１記載の摩擦材。
3. 前記第１の厚さは、前記所定の厚さの２５％〜９９％である、請求項１または２記載の摩擦材。

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