JP6997302B2

JP6997302B2 - 摩擦部材

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Publication number: JP6997302B2
Application number: JP2020519306A
Authority: JP
Inventors: アドリアンマルツェル; シュトーペファビアン; チェセクマルクス
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: US20200408263A1; JP2020536209A; DE102017128403A1; DE112018006116A5; CN111279091A; WO2019105500A1

Description

本発明は、湿式の摩擦クラッチまたは摩擦ブレーキのような、特に摩擦接続によって動作する湿式の装置のための摩擦部材であって、摩擦部材は、少なくとも１つの摩擦面を有しており、少なくとも１つの摩擦面は、複数の摩擦ゾーンを有しており、複数の摩擦ゾーンは、周方向に延在する溝帯域の介在によって半径方向で相互に分離されている、摩擦部材に関する。本発明はさらに、少なくとも１つのそのような摩擦部材を有する湿式の多板クラッチまたは多板ブレーキに関する。

米国特許第４９９５５００号明細書からは、複数の半径方向で相互に分離された摩擦ゾーンを有し、これらの摩擦ゾーンの間に複数の周方向に延在する溝が配置されているクラッチプレートが公知である。

本発明の課題は、湿式の摩擦クラッチまたは摩擦ブレーキのような、特に摩擦接続によって動作する湿式の装置のための摩擦部材であって、摩擦部材は、少なくとも１つの摩擦面を有しており、少なくとも１つの摩擦面は、複数の摩擦ゾーンを有しており、複数の摩擦ゾーンは、周方向に延在する溝帯域の介在によって半径方向で相互に分離されている、摩擦部材を、特に摩擦部材が装備された、摩擦接続によって動作する装置の冷却特性に鑑みて改善することである。

上記の課題は、湿式の摩擦クラッチまたは摩擦ブレーキのような、特に摩擦接続によって動作する湿式の装置のための摩擦部材であって、摩擦部材は、少なくとも１つの摩擦面を有しており、少なくとも１つの摩擦面は、複数の摩擦ゾーンを有しており、複数の摩擦ゾーンは、周方向に延在する溝帯域の介在によって半径方向で相互に分離されている、摩擦部材において、摩擦ゾーンおよび／または少なくとも１つの溝帯域の少なくとも１つの寸法が、摩擦部材が装備された、摩擦接続によって動作する装置の冷却特性に鑑みて最適化されていることによって解決される。摩擦ゾーンを、摩擦出力ゾーンと呼ぶこともできる。摩擦ゾーンまたは摩擦出力ゾーンは、好ましくは摩擦プレートとして構成されている摩擦部材が、例えばスチールプレート上に設けられている相手面と直接的に接触する領域に相当する。摩擦部材、摩擦プレートの摩擦設計を、特に以下で特許請求されるように構成することによって、好ましい半径方向寸法および位置を有する複数の半径方向で分離された摩擦ゾーンが得られ、このことは、摩擦部材が装備された、摩擦接続によって動作する装置の冷却特性、特に摩擦クラッチまたは多板クラッチの冷却特性に対して肯定的な影響を与える。摩擦接続によって動作する装置、特に摩擦クラッチまたは多板クラッチの動作時には、摩擦出力は、スリップ段階中、もはや半径方向に連続的に印加されるのではなく、介在する溝帯域によって相互に分離された、少なくとも２つの閉じた環状の摩擦出力ゾーンまたは摩擦ゾーンの内部に印加される。摩擦部材、特に摩擦プレートの摩擦設計は、半径にわたって、少なくとも２つの相互に分離された摩擦ゾーンまたは摩擦出力ゾーンが生成されるように構成される。局所的な出力の印加によって、摩擦部材の温度推移は、摩擦部材の表面、特にプレート表面と、冷却用に使用される流体との間の推進温度差が最大化されるように肯定的な影響を受けることができ、これによって流体によるエネルギ吸収も最大化される。摩擦部材のピーク温度、特にプレートのピーク温度が低下すると、流体の熱伝導率がより良好に活用される。

摩擦部材の好ましい実施例は、合計で３つの摩擦ゾーンのうちの半径方向で最も内側の摩擦ゾーンの半径方向寸法が、他の２つの半径方向外側の摩擦ゾーンの半径方向寸法の合計の約１～２倍であることを特徴とする。軸線方向、半径方向、周方向という用語は、摩擦部材の回転軸線に関連している。軸線方向とは、回転軸線の方向または回転軸線に対して平行な方向を意味する。半径方向とは、回転軸線を横断する方向を意味する。３つの摩擦ゾーンは、それぞれ同心円状に配置された円形リング面の形状を有している。第１の摩擦ゾーンと第２の摩擦ゾーンとの間には、第１の溝帯域が配置されている。第２の摩擦ゾーンと第３の摩擦ゾーンとの間には、第２の溝帯域が配置されている。摩擦ゾーンには、摩擦フェーシングが配置されている。摩擦フェーシングは、１つのパーツまたは複数のパーツで構成することができる。摩擦フェーシングは、有利にはパッドとも呼ばれる多数の摩擦フェーシング片を含む。摩擦フェーシング片またはパッドは、有利には相互に離間されており、これによって摩擦ゾーンには、流体の通過を可能にする溝が形成される。２つの摩擦ゾーンの間の境界ゾーンは、溝帯域と呼ばれる。溝帯域は、半径方向内側では内側の摩擦ゾーンの外径によって画定され、半径方向外側では外側の摩擦ゾーンの内径によって画定される。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、合計で４つの摩擦ゾーンのうちの半径方向で最も内側の摩擦ゾーンの半径方向寸法が、他の３つの半径方向外側の摩擦ゾーンの半径方向寸法の合計の約０．５～１倍であることを特徴とする。４つの摩擦ゾーンは、同心円状に配置された円形リング面の形状を有している。それぞれ２つの摩擦ゾーンの間には、１つの溝帯域が配置されている。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、半径方向で最も外側の摩擦ゾーンの半径方向寸法が、半径方向で最も外側の溝帯域の半径方向寸法の約０．７５～２倍であることを特徴とする。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、合計で２つまたは３つの摩擦ゾーンのうちの半径方向で最も内側の摩擦ゾーンの半径方向寸法が、半径方向で最も内側の溝帯域の半径方向寸法の約０．５～３倍であることを特徴とする。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、接触領域全体の半径方向寸法に対する、全ての摩擦ゾーンの半径方向寸法の合計の比率が、約５０～８０％であることを特徴とする。半径方向の接触領域は、全ての摩擦ゾーンと、これらの摩擦ゾーンの間に配置された溝帯域とを含む。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、合計で３つの摩擦ゾーンおよび合計で４つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も外側の溝帯域が、半径方向で、１つの接触領域全体または上記接触領域全体の半径方向寸法の約５０～７５％の間のところで開始することを特徴とする。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、合計で２つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も外側の溝帯域が、半径方向で、１つの接触領域全体または上記接触領域全体の半径方向寸法の約４０～５０％の間のところで開始することを特徴とする。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

摩擦部材のさらなる好ましい実施例は、半径方向で最も内側の溝帯域が、半径方向で、１つの接触領域全体または上記接触領域全体の半径方向寸法の約３０～６０％の間のところで開始することを特徴とする。本発明の枠内で実施された実験および調査において、特許請求されるに値する非常に良好な結果が達成された。

本発明はさらに、少なくとも１つの上述した摩擦部材を有する湿式の多板クラッチまたは多板ブレーキに関する。摩擦部材の有利には両方の側に、上述した摩擦ゾーンおよび溝帯域が装備されている。摩擦ゾーンにおける溝の設計は、従来の摩擦プレートのように、または従来の摩擦プレートに類似するように構成することができる。

本発明のさらなる利点、特徴、および詳細が、以下の説明から明らかとなる。以下の説明では、図面を参照しながら複数の異なる実施例が詳細に説明されている。

第１の実施例による、摩擦プレートとして構成された摩擦部材の平面図であり、摩擦部材は摩擦面を有しており、摩擦面は２つの摩擦ゾーンを含み、２つの摩擦ゾーンは、周方向に延在する溝帯域によって相互に分離されている。図１の摩擦部材の摩擦ゾーンにおける摩擦出力推移と、関連する温度プロファイルとが、摩擦部材の半径にわたって示されている直交座標図である。第２の実施例による、図１に類似した摩擦部材の平面図である。第３の実施例による、摩擦面を有する摩擦部材の平面図であり、摩擦部材は、３つの摩擦ゾーンと２つの溝帯域とを有している。摩擦出力推移と温度プロファイルとが、図４の摩擦部分の半径にわたって示されている直交座標図である。棒グラフであり、この棒グラフでは、合計で２０の実施形態による、図１、３、および４に示されるような摩擦部材の摩擦ゾーンおよび溝帯域の寸法が、そのような摩擦部材が装備された、摩擦接続によって動作する装置の冷却特性に鑑みて最適化されている。

図１、３、および４には、支持要素２；２２；４２を有する摩擦部材１；２１；４１の３つの実施例が、摩擦面３；２３；４３を上から見たときの平面図で示されている。支持要素２は、例えば支持薄板であり、この支持薄板の上には、摩擦面３；２３；４３を形成するために摩擦フェーシング片４，５；２４，２５；４４～４６が接着されている。摩擦フェーシング片４，５；２４，２５；４４～４６は、規定された溝パターンで配置されていて相互に離間されており、これによって溝とも呼ばれる流体通流領域６～８；２６～２８；４７～５０が形成されている。

図１に示した摩擦部材１では、摩擦フェーシング片４，５は、正方形の形状を有しており、これらの摩擦フェーシング片４，５は、図１では、流体通流領域６が垂直方向に延在しかつ流体通流領域７が水平方向に延在するように、ワッフルパターンで配置されている。摩擦面３は、２つの摩擦ゾーン１１，１２を備えており、これら２つの摩擦ゾーン１１，１２は、溝帯域１５である流体通流領域８によって相互に分離されている。

図１、３、および４では、図示されていないスチールプレートの外径および内径が円弧ｒ２およびｒ７によって示されており、このスチールプレートには、摩擦部材１；２１；４１が装備された多板クラッチの動作中に摩擦面３；２３；４３が接触する。スチールプレートと、摩擦プレートとして構成された摩擦部材１；２１；４１との間の接触領域は、半径方向内側では内径または内半径ｒ６によって画定される。スチールプレートと、摩擦プレート１；２１；４１との間の接触領域は、半径方向外側では外径または外半径ｒ５によって画定される。

溝帯域を有さない従来の摩擦部材の構成の場合、すなわち、摩擦プレートとスチールプレートとの間の摩擦ゾーンに中断部が設けられていない従来の摩擦部材の構成の場合には、摩擦出力ゾーンまたは摩擦ゾーンは、接触領域全体に相当する。本発明の枠内で実施された実験および調査において、ピーク温度とも呼ばれる摩擦プレートの最高温度が、望ましくないほど高くなる可能性があることが判明した。

摩擦プレートと、冷却用に使用される流体との間の熱交換は、一般的に以下の式によって記述される：
Ｑ＝αＡ（Ｔ_{プレート表面}－Ｔ_流体）

ここで、αは、熱係数であり、Ａは、熱交換のために有効な面積であり、２つの温度は、プレート表面と流体との間の温度差である。クラッチと流体との間の熱交換を最大化し、これによってプレートの熱負荷を低く抑えるためには、３つの項の積を最大化する必要がある。特に本発明は、プレートの局所的なピーク温度を増大させることなく最後の項、すなわち温度差をいかにして最大化することができるか、に貢献するものである。

このために、プレートの摩擦設計は、３６０度の全周にわたって環状の溝帯域１５；３５；５５，５６によって相互に分離された、少なくとも２つの摩擦ゾーンまたは摩擦出力ゾーン１１，１２；３１，３２；５１～５３に分割される。

図１に示した摩擦部材１では、閉じた環状の第１の摩擦ゾーンまたは摩擦出力ゾーン１１が、直径ｒ６から第１の部分直径ｒ_{ｔ１，ＲＬ}まで延在している。第２の摩擦ゾーンまたは摩擦出力ゾーン１２は、第２の部分直径ｒ_{ｔ２，ＲＬ}から直径ｒ５まで延在している。部分直径ｒ_{ｔ１，ＲＬ}とｒ_{ｔ２，ＲＬ}との間には、溝帯域１５と呼ばれる、流体が通流する溝が全周にわたって形成されており、したがって、ここではスチールプレートと摩擦プレート１との間の接触が生じない。

この結果、利用可能な摩擦面３が溝帯域１５の分だけ縮小されていることに基づき、摩擦出力ゾーンまたは摩擦ゾーン１１，１２では、従来の摩擦部材と比較してより高い摩擦出力密度がもたらされることとなる。それと同時に、摩擦出力ゾーンまたは摩擦ゾーン１１，１２の間の溝帯域１５によって摩擦出力のない領域が設けられており、これによって摩擦プレート１と流体との間の温度差は、ピーク温度を増大させることなく全体として拡大されることとなる。

その理由は、冷却された状態の流体が、基本的に内径ｒ６またはｒ７を介して摩擦空間へと供給され、次いで、外径ｒ５またはｒ２に向かう途中で上記の式に従って熱エネルギを吸収するからである。摩擦空間とは、半径方向内側では内側プレート支持体によって画定され、半径方向外側では外側プレート支持体によって画定されるリング状空間のことである。摩擦空間では、摩擦部材または摩擦プレートがスチールプレートと交互に配置されている。半径方向で最も内側の摩擦出力ゾーン１１において局所的により多くの出力が伝達されると、プレート温度がさらに上昇して、流体温度との差が増加する。

図２では、ｘ軸上に半径ｒが適切な長さ単位でプロットされている直交座標図において、線１９によって、図１の摩擦プレート１のその時々の負荷状況に依存する例示的な温度プロファイルが概略的に示されており、２つの線１６，１７によって、分割された摩擦出力推移が示されている。環状の溝帯域１５に対応する２つの摩擦出力ゾーン１１，１２が設けられていることが見て取れる。ここでも、接触領域１８は、摩擦プレートとスチールプレートとの接触の境界を画定している。摩擦プレート１は、参照符号２０において最高温度またはピーク温度を有している。

図３に示した摩擦部材２１では、摩擦フェーシング片２４，２５は、図１の摩擦部材１とは異なる形状で構成されている。しかしながら、本発明の核となる思想は、摩擦フェーシング片の設計とは無関係である。本発明はさらに、２つの摩擦出力ゾーン１１，１２；３１，３２のみに限定されているわけではなく、むしろ、３つ以上の摩擦出力ゾーンに分割することも可能である。

クラッチから流体に放出される熱エネルギを最大化し、それによってプレートのピーク温度を最小化するために、本発明の枠内で実施された実験および調査において、摩擦ゾーンと環状の溝帯域とが、幅とも呼ばれる各自の半径方向寸法と各自の位置とに関して相互に採用すべき、好ましい比率が発見された。

図４に示した摩擦部材４１は、それぞれ異なる半径方向寸法または幅を有する３つの摩擦出力ゾーンまたは摩擦ゾーン５１～５３に関する一例を例示的に示している。最も内側の摩擦出力ゾーンは、ｒ６からｒ_{ｔ１，ＲＬ}まで延在しており、中央の摩擦出力ゾーンは、ｒ_{ｔ２，ＲＬ}からｒ_{ｔ３，ＲＬ}まで延在しており、最も外側の摩擦出力ゾーンは、ｒ_{ｔ４，ＲＬ}からｒ５まで延在している。それぞれの間の領域は、環状の溝として構成されており、この環状の溝は、溝帯域５５，５６と呼ばれ、流体のための流れ領域である。

図５には、３つの摩擦出力ゾーンまたは摩擦ゾーン５１～５３と、２つの環状の溝帯域５５，５６とを有する図４の摩擦部材４１にわたる温度推移が、図２と同様の方法で概略的に示されている。線６１～６３は、３つに分割された摩擦出力推移を示している。線６５は、摩擦プレート４１の関連する温度プロファイルを示している。参照符号６６によって、摩擦プレート４１のピーク温度が示されている。

図６には、本発明による摩擦プレートの断面プロファイルＦ０１～Ｆ２０の選択肢が示されており、これらの断面プロファイルＦ０１～Ｆ２０は、特許請求される本発明の意味での好ましい実施形態を示している。プロファイルＦ０１～Ｆ２０は、本発明の枠内で実施される実験および調査において、技術的に一般的な走行状況に基づいて作成されたものであり、従来の摩擦プレートと比較してより低減されたピークプレート温度と、それに伴ってより低減された熱負荷とを有している。

図６の断面プロファイルは、それぞれ同じ長さに正規化されている。半径ｒ６とｒ５との間には、摩擦プレートと、クラッチプレートまたはスチールプレートとの接触領域８０が延在している。ハッチングした横棒７１および７２によって、摩擦プレートとスチールプレートとの間の接触がない領域が示されている。横棒７３～７６によって摩擦ゾーンが示されており、これらの摩擦ゾーンは、溝帯域７７～７９によって相互に分離されている。

プロファイルＦ０１およびＦ０２は、２つの相互に分離された摩擦ゾーン７３，７４を有する２つの可能な実施形態を示す。プロファイルＦ０３～Ｆ１７は、３つの相互に分離された摩擦ゾーン７３～７５を有する実施形態を示す。プロファイルＦ１８～Ｆ２０は、４つの半径方向で相互に分離された摩擦ゾーン７３～７６を有する実施形態を示す。

本発明の枠内で実施された実験および調査において、従来の摩擦プレートと比較してプレートのピーク温度がより低減されているという意味で、以下の関係が有利であることが判明した。

３つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も内側の摩擦ゾーンの半径方向の長さは、他の２つの半径方向外側の摩擦ゾーンの合計の約１～２倍であるべきである。４つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も内側の摩擦ゾーンの半径方向の長さは、他の３つの半径方向外側の摩擦ゾーンの合計の約０．５～１倍であるべきである。

半径方向で最も外側の摩擦ゾーンの半径方向の長さは、半径方向で最も外側の溝帯域の半径方向の長さの約０．７５～２倍であるべきである。２つまたは３つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も内側の摩擦ゾーンの半径方向の長さは、半径方向で最も内側の溝帯域の半径方向の長さの約０．５～３倍であるべきである。

接触領域全体の半径方向の長さに対する、全ての摩擦ゾーンの半径方向の長さの合計の比率は、約５０～８０％であるべきである。３つおよび４つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も外側の溝帯域は、半径方向で、接触領域全体の半径方向の長さの約５０～７５％の間において開始すべきである。

２つの摩擦ゾーンの場合、半径方向で最も外側の溝帯域は、半径方向で、接触領域全体の半径方向の長さの約４０～５０％の間において開始すべきである。半径方向で最も内側の溝帯域は、半径方向で、接触領域全体の半径方向の長さの約３０～６０％の間において開始すべきである。

１摩擦部材
２支持要素
３摩擦面
４摩擦フェーシング片
５摩擦フェーシング片
６流体通流領域
７流体通流領域
８流体通流領域
１１摩擦ゾーン
１２摩擦ゾーン
１５溝帯域
１６線
１７線
１８接触領域
１９線
２０ピーク温度
２１摩擦部材
２２支持要素
２３摩擦面
２４摩擦フェーシング片
２５摩擦フェーシング片
２６流体通流領域
２７流体通流領域
２８流体通流領域
３１摩擦ゾーン
３２摩擦ゾーン
３５溝帯域
４１摩擦部材
４２支持要素
４３摩擦面
４４摩擦フェーシング片
４５摩擦フェーシング片
４６摩擦フェーシング片
４７流体通流領域
４８流体通流領域
４９流体通流領域
５０流体通流領域
５１摩擦ゾーン
５２摩擦ゾーン
５３摩擦ゾーン
５５溝帯域
５６溝帯域
５８接触領域
６１線
６２線
６３線
６５線
６６ピーク温度
７１ハッチングした横棒
７２ハッチングした横棒
７３摩擦ゾーン
７４摩擦ゾーン
７５摩擦ゾーン
７６摩擦ゾーン
７７溝帯域
７８溝帯域
７９溝帯域
８０半径方向の接触領域

Claims

湿式の装置のための摩擦部材（１；２１）であって、
当該摩擦部材（１；２１）は、少なくとも１つの摩擦面（３；２３）を有しており、
前記少なくとも１つの摩擦面（３；２３）は、合計で２つの摩擦ゾーン（１１，１２；３１，３２）を有しており、
前記２つの摩擦ゾーン（１１，１２；３１，３２）は、周方向に延在する溝帯域（１５；３５）の介在によって半径方向で相互に分離されている、摩擦部材（１；２１）において、
前記２つの摩擦ゾーン（１１，１２；３１，３２）のうちの半径方向で内側の摩擦ゾーン（１１；３１）の半径方向寸法は、前記溝帯域（１５；３５）の半径方向寸法の０．５～３倍であり、
前記２つの摩擦ゾーン（１１，１２；３１，３２）の間の前記溝帯域（１５；３５）は、接触領域（８０）全体の半径方向寸法の、半径方向内向きに４０～５０％の間のところで開始し、
スチールプレートが前記摩擦面（３；２３）に接触し摩擦接続する際、前記溝帯域（１５；３５）では前記スチールプレートとの接触が生じないことを特徴とする、摩擦部材（１；２１）。
請求項１記載の少なくとも１つの摩擦部材（１；２１）を有する、湿式の多板クラッチ。
請求項１記載の少なくとも１つの摩擦部材（１；２１）を有する、湿式の多板ブレーキ。