KR100268520B1 - 습식 마찰 접촉장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면 비구동 부재; 비구동 부재에 대하여 구동하는 구동 부재; 비구동 부재와 구동 부재 사이에 개재되는 유체를 포함하여 이루어지고; 비구동 부재와 구동 부재 사이의 접촉면의 운동 마찰계수가 0.2 이상인 습식 마찰 접촉 장치가 제공된다. 그러므로, 본 발명은 유닛을 대형화하지 않고 종래의 습식 마찰 접촉장치에 비하여 큰 토오크 용량을 확보하면서 분해 및 교환이 불필요한 습식 마찰 접촉장치를 제공한다.
Description
본 발명은 차량이나 산업 기계의 클러치 및 브레이크 등에 적용될 수 있는 습식 마찰 접촉장치에 관한 것이다.
습식 마찰 접촉 장치의 예로서, 차량의 자동 변속기에 이용되고 있는 습식 클러치에서는: 구동 부재로서 다수의 플라이휠이 엔진의 클랭크 샤프트에 연결되어 있고; 이들 플라이휠에는 다수의 클러치 플레이트가 이동가능하게 대면되어 있다. 각 클러치 플레이트에는 비구동 부재로서 마찰재(클러치 페이싱)가 부착되어 있고; 클러치 플레이트는 압력 플레이트에 의하여 플라이휠측으로 가압하도록 구성되어 있다. 또한, 플라이휠과 클러치 플레이트 사이에는 유체로서 윤활유가 개재되어 있다. 이 습식 클러치에서는 마찰재(비구동 부재)와 그 상대재로서 플라이휠(구동부재)의 접촉면의 마찰력에 의하여 플라이휠의 구동력이 토오크 컨버터측으로 전달되게 된다.
한편, 건식 마찰 접촉장치의 예로서 차량에 이용되고 있는 디스크 브레이크에서는: 구동 부재로서의 디스크가 차륜과 일체가 되어 회전하고 있고; 이 디스크에는 패드가 이동가능하게 대면되어 있다. 이 패드에는 마찰재(브레이크 라이닝)가 부착되어 있고, 패드는 캐리퍼 등에 의하여 디스크 측으로 가압하도록 구성되어 있다. 이 디스크 브레이크에서는 마찰재(비구동 부재)와 그 상대재로서의 디스크(구동 부재)의 접촉면의 마찰력에 의하여 디스크가 제동되게 된다. 드럼 브레이크에서도 상기와 같은 방식으로, 드럼과 슈에 부착된 마찰재(브레이크 라이닝)의 접촉면의 마찰력에 의하여 드럼을 제동한다. 또한, 일반적인 건식 클러치에서는, 구동 부재로서의 플라이휠이 엔진의 클랭크 샤프트에 연결되어 있고, 이 플라이휠에는 클러치 플레이트가 이동가능하게 대면되어 있다. 이 클러치 플레이트에는, 비구동 부재로서의 마찰재(클러치 페이싱)가 부착되어 있고, 클러치 플레이트는 압력 플레이트에 의하여 플라이휠측으로 가압하도록 구성되어 있다. 이 건식 클러치에서는 마찰재(비구동 부재)와 그 상대재로서의 플라이휠(구동 부재)의 접촉면의 마찰력에 의하여 플라이휠의 구동력이 전달되게 된다.
종래의 습식 마찰 접촉장치는 윤활유 등의 유체의 냉각효과에 의하여 내마모성이 우수하고, 교환할 필요가 거의 없으나, 다음과 같은 단점을 갖는다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상대재로서의 강철에 대한 페이퍼재의 운동 마찰계수(μ)는 0.14이고, 이 운동 마찰계수는 그레파이트 수지재, 콜크재, 소결합금재, 반금속재와 같은 기존재에 비하여 가장 높은 운동 마찰계수(μ)이다. 상대재로서의 강철에 대한 기존재의 운동 마찰계수(μ)는 0.05 ~ 0.14 범위로 비교적 낮다. 이것은 액체로서의 윤활유가 비구동부재로서의 마찰재와 그 상대재로서의 구동부재 사이의 각 접촉면에 개재함에 따라 고체간의 접촉 비율이 감소하기 때문이라고 생각된다. 따라서, 종래의 습식 마찰 접촉장치로서 큰 토오크 용량을 확보하기 위해서는 구동 부재와 비구동 부재를 복수화하거나 이의 직경을 크게 하여, 이의 유닛을 대형화할 필요가 있다. 예를 들어, 습식 클러치의 경우, 상기와 같이 플라이휠의 다판 때문에 클러치 유닛이 대형화되는 것이 사실이다. 따라서, 승용차의 자동 변속기 및 차동 제한 장치에서는 고성능화, 소형화, 경량화 등의 요구에 대하여 상기 단점이 큰 장해가 된다.
한편, 고체간의 접촉비율이 비교적 큰 종래의 건식 마찰 접촉장치의 경우에는, 상대재로서의 강철에 대한 마찰재의 운동 마찰계수(μ)가 0.3 ~ 0.5로 비교적 높다. 따라서, 비교적 큰 토오크 용량을 확보할 수 있으나, 윤활유 등의 유체에 의한 냉각효과가 없다. 그러므로, 종래의 장치는 각 접촉면의 온도상승에 의하여 내마모성이 떨어지고; 마찰재의 분해 및 교환이 필요하다는 결점이 있다.
본 발명은 상기 종래의 현실을 감안하여 개발되었다. 그러므로, 본 발명의 목적은 유닛을 대형화시키지 않고 종래의 습식 마찰 접촉장치에 비하여 큰 토오크 용량을 확보하면서 분해 및 교환이 불필요한 습식 마찰 접촉장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 실시예에 사용되는 마찰 시험 기기의 개략적인 구성을 나타내는 설명도이고,
도 2는 종래의 마찰재의 슬라이딩 속도와 운동 마찰 계수와의 관계를 나타내는 그래프이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 하기와 같이 연구를 행하였다: 종래의 구동력 전달, 제어 등을 행하기 위하여 종래의 습식 마찰 접촉 장치에 나타나는 범위 내에서의 마찰력을 이용하는 기술적 사상을 버리고; 습식 마찰 접촉 장치에서, 고체간의 접촉비율을 건식에서의 접촉비율에 근접시키고, 비구동 부재와 구동 부재 사이에서 응착이나 굴삭을 일으키면, 상기 목적을 달성할 수 있다는 기술적 사상 아래 예의 연구를 행하였다. 또한, 이들 접촉면을 청정하게 하고, 이들 접촉면에서 산화 및 가공 경화를 행하지 않으면, 이들 접촉면에서 응착이나 굴삭이 생기기 쉬울것으로 보고 연구를 계속하였다. 이와 같은 연구에 기초하여 청구항 1 ~ 3의 습식 마찰 접촉장치가 얻어졌다.
청구항 1의 습식 마찰 접촉장치는 : 비구동 부재; 상기 비구동 부재에 대하여 구동하는 구동 부재; 상기 비구동 부재 및 상기 구동 부재사이에 개재되는 유체로 이루어지고; 상기 비구동 부재와 상기 구동 부재 사이의 접촉면의 운동 마찰계수가 0.2이상인 것을 특징으로 한다.
유체로서는 윤활유 또는 물을 채용할 수 있다.
청구항 1의 습식 마찰 접촉장치에서는, 비구동 부재와 구동 부재 사이의 접촉면의 운동 마찰계수가 건식 마찰 접촉장치의 보통 수준인 0.2이상이기 때문에, 유닛의 대형화를 일으키지 않고, 종래의 습식 마찰 접촉장치에 비하여 큰 토오크 용량을 확보할 수 있다. 또한, 청구항 1에 따른 습식 마찰 접촉장치에서는, 유체의 냉각효과에 의하여 접촉면의 온도상승이 억제되어, 내마모성이 우수하며, 또한 분해 및 교환이 필요하지 않다.
따라서, 청구항 1의 습식 마찰 접촉장치를 승용차의 자동변속기나 차동제한 장치에 채용하면, 고성능화, 소형화, 경량화를 달성할 수 있다.
청구항 1에 따른 청구항 2의 습식 마찰 접촉장치는, 비구동 부재 및 구동 부재 중의 한쪽 부재의 접촉면은 주성분 원소를 1종 이상을 포함하고; 다른 쪽 부재의 접촉면은 상기 주성분 원소 1종 이상과, 상기 주성분 원소의 자유 에너지 절대치보다 작은 자유 에너지의 절대치를 가지는 1종 이상의 부성분 원소와의 혼합물 또는 합금을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
주성분 원소 및 부성분 원소는 자유 에너지의 절대치에 기초하여 선택할 수 있다. 즉, 물질이 산소와 반응하는 성향은 산화반응에 요구되는 에너지를 실측함으로써 정량화될 수 있다. 이와 같은 반응은 하기와 같이 나타낼 수 있다.
물질 + 산소 + 에너지→산화물
습식에서도 오일속에 녹아 있는 공기, 기포중의 공기 또는 다공재에 포함되어 있는 공기속에 산소가 존재하므로, 산소의 반응은 마찰현상의 경우와 같이 고온에 이르는 표면에서는 건식과 동일하게 발생하고 있다고 생각된다. 에너지가 양인 경우는 물질이 안정되고, 에너지가 음인 경우에는 물질이 산화한다. 공업용 재료에 있어서 공지된, 273K에 있어서의 산소 1몰 당 산화물의 생성 에너지를 하기 표 1에 나타낸다.
[표 1]
| 재료 | 산화물 | 에너지(/kJ) |
| 베릴륨 | BeO | -1182 |
| 마그네슘 | MgO | -1162 |
| 알루미늄 | Al2O3 | -1045 |
| 지르코늄 | ZrO2 | -1028 |
| 우라늄 | U2O5 | -1000 |
| 티타늄 | TiO | -848 |
| 규소 | SiO2 | -863 |
| 탄탈 | Ta2O5 | -764 |
| 니오브 | Nb2O3 | -757 |
| 크롬 | Cr2O3 | -701 |
| 아연 | ZnO | -636 |
| 질화 규소 | 3SiO2 + 2N2 | -629 |
| 탄화 규소 | SiO2 + CO2 | -580 |
| 몰리브덴 | MoO2 | -534 |
| 텅스텐 | WO2 | -510 |
| 철 | Fe3O4 | -508 |
| 주석 | SnO | -500 |
| 니켈 | NiO | -439 |
| 코발트 | CoO | -422 |
| 목재, 다수의 폴리머, CFRP | -400 | |
| 다이아몬드, 흑연 | CO2 | -389 |
| WC 서어멧 | WO2 + CO2 | -349 |
| 납 | Pb3O4 | -309 |
| 동 | CuO | -254 |
| GFRP | -200 | |
| 백금 | PtO2 | -160 |
| 은 | Ag2O | -5 |
| 불소 함유 수지 | 0 | |
| 금 | Au2O3 | +80 |
| 알칼리 할라이드(NaCl 등) | +400∼+1400 | |
| 마그네시아(MgO), 실리카(SiO2)알루미나(Al2O3), 베릴리아(BeO) | 고차 산화물 | 양의 값 |
자유 에너지의 절대치는 반응 방향을 나타낸다. 즉, 자유 에너지의 절대치가 작은 재료일수록 산화되기 쉽다. 산화되기 쉬운 재료가 존재하면, 다른 재료는 산화가 억제된다. 그리고, 산화막을 가지지 않는 재료는 이의 분자간 결합 또는 원자간 결합을 일으키기 쉬운 것으로 여겨진다. 그러므로, 주성분 원소 및 부성분 원소를 산화물의 생성 에너지의 대소관계를 고려하여 표 1에 나타낸 재료로부터 다양하게 선택한다. 예를 들어, 주성분 원소로서 동(Cu)을 채용하고, 부성분 원소로서 Cu보다 자유 에너지의 절대치(산화물의 생성 에너지)가 작은 아연(Zn)을 채용하면, Zn은 산화되기 쉽고, Cu는 산화가 억제되기 때문에 산화막을 발생하기 어려운 Cu는 이의 분자간 또는 원자간 결합을 발생하기 쉬우므로, 상기 현상이 응착에 이르는 것으로 여겨진다. 이 응착이 운동 마찰계수의 향상에 기여하는 것으로 여겨진다.
따라서, 청구항 2의 습식 마찰 접촉장치에서는, 다른 쪽 부재의 접촉면이 주성분 원소와 부성분 원소를 가지며, 주성분 원소의 자유 에너지의 절대치보다도 부성분 원소의 자유 에너지의 절대치 쪽이 작기 때문에 주성분 원소의 산화가 억제된다. 그리고, 한쪽 부재의 주성분 원소와, 다른 쪽 부재의 산화막이 없는 주성분 원소가 접촉하여, 주성분 원소가 서로 응착하기 때문에 운동 마찰계수가 상당히 향상된다.
여기서, 다른 쪽 부재의 접촉면이 주성분 원소와 부성분 원소의 혼합물 또는 합금이면, 주성분 원소의 산화 억제 효과가 우수하고, 접촉한 경우에 응착이 발생하기 쉬워 운동 마찰계수 향상의 효과가 증가하는 것으로 여겨진다. 합금을 채용하는 경우, 한쪽 부재와 다른 쪽 부재 사이에서 마찰력을 일으키는, 슬라이딩 전후 표면의 경화 변화는 약 0 ~ +30% 정도인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 경화 변화가 상기 범위 이내이면 가공 경화에 의한 응착 저해를 억제하기 쉽기 때문이다.
또한, 다른 구성요소로서는 청구항 1의 구성요소를 채용할 수 있다. 그리고, 청구항 2의 습식 마찰 접촉장치는 청구항 1의 것과 동일하게 그 효과를 발휘할 수 있다. 본 습식 마찰 접촉장치는 압입 부재, 미끄럼 방지 부재, 그리고, 구동부재와 비구동 부재를 실제적으로 록(시즈)시키는 장치와 같이 일회만 사용할 수 있는 장치 등에 구체화할 수 있다. 특히, 압입 부재로서 채용하면, 오일 레벨이 남는 일반적으로 불리한 조건하에서도 응력에 견딜 수만 있다면 채용가능하므로, 실용적 가치가 높이 평가된다.
청구항 1에 따른, 청구항 3의 습식 마찰 접촉장치는 비구동 부재 및 구동 부재의 적어도 한쪽이 다공질재이고; 한쪽 부재의 접촉면은 Hv150 이상의 경질재를 포함하며; 다른 쪽 부재의 접촉면은 상기 주성분 원소 1종 이상과 상기 주성분 원소의 자유 에너지의 절대치보다 작은 자유에너지의 절대치를 가지는 1종 이상의 부성분 원소의 혼합물 또는 합금을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다공질재로서는 금속입자의 소결체를 채용할 수 있다. 상기 금속 입자로서 주성분 원소 또는 부성분 원소를 채용할 수도 있다.
경질재가 Hv 150이상이기만 하면, 다른 제한은 필요없으나, 경질제는 Hv 150 내지 4000인 것이 바람직하다.
경질제는 마찰 계수가 상대적으로 높고, 마모비율이 낮기 때문에, Hv 170 내지 3500이 바람직하며, 특히 Hv 170 내지 2000이 바람직하다.
경질재로서는, SiO2, Al2O3, Al2O3·SiO2, CaF2 등의 입자상 물질 또는 섬유상물질을 채용할 수 있다.
한쪽 부재의 접촉면은 주성분 원소를 처음부터 포함할 수 있다.
부성분 원소에 의하여 산화가 억제되더라도, 주성분 원소가 장기 사용 등에 의하여 산화되는 것을 완전히 방지할 수는 없다. 이와 같은 점을 고려하면, 청구항 3의 습식 마찰 접촉장치가 유효하다.
즉, 청구항 3의 습식 마찰 접촉장치에서는 비구동 부재와 구동 부재의 압착 하중의 대부분을 한쪽 부재의 경질재가 받으므로, 한쪽 부재가 비구동 부재와 구동 부재의 각 접촉면 사이의 유체막을 관통하여, 다른 쪽 부재로 잠식하므로 굴삭되는 것으로 여겨진다. 이때, 굴삭에 대한 저항력이 발생하고, 접촉면적이 증가될 수 있으므로 운동 마찰계수가 향상한다.
또한, 청구항 3의 습식 마찰 접촉장치에서는, 한쪽 부재의 경질재가 다른 쪽 부재의 주성분 원소를 굴삭하기 때문에, 다른 쪽 부재의 주성분 원소가 산화막을 잃게 된다. 이와 같은 현상은 한쪽 부재의 경질재가 각 접촉면간의 유체막을 관통하거나, 다른 쪽 부재를 굴삭한 마모분 자체의 돌출부에서 유체면을 관통함으로써 조장되는 것으로 여겨진다. 그리고, 비구동 부재 및 구동 부재의 적어도 한쪽이 다공질재이기 때문에 상대측의 주성분 원소가 마모분으로서 그 다공질재의 기공내에 부착한다. 즉, 한쪽 부재가 다공질재이면, 그 한쪽 부재에 다른 쪽 부재의 주성분 원소가 부착한다. 또한, 한쪽 부재 및 다른 쪽 부재가 모두 다공질재이면, 한쪽 부재에는 다른 쪽 부재의 주성분 원소가 부착하고, 다른 쪽 부재에는 그 한쪽 부재에 부착한 주성분 원소가 부착되게 된다. 또한, 다른 쪽 부재만이 다공질재인 경우에는 한쪽 부재의 접촉면에 미리 주성분 원소를 포함시킴으로써, 그 다른쪽 부재에 한쪽 부재의 주성분 원소가 부착한다. 그러므로, 장기 사용 후에도, 한쪽 부재의 주성분 원소와 다른 쪽 부재의 산화막이 없는 주성분 원소가 접촉하여, 주성분 원소가 서로 응착하고, 운동 마찰계수가 안정되어 향상된다.
또한, 청구항 3의 다른 구성요소로서 청구항 1, 2의 구성요소를 사용할 수 있다. 그리고, 청구항 3의 습식 마찰 접촉장치는 청구항 1의 장치와 동일한 효과를 발휘할 수 있다. 이 습식 마찰 접촉장치는 유체 존재하에서의 클러치 및 브레이크와 같이 반복 사용에 제공할 수 있는 장치로 구체화할 수 있다.
첨부한 도면, 상세한 설명, 기재된 모든 것과 연관지어 고려하면, 본 발명의 더욱 완전한 평가 및 이의 다양한 장점을 하기의 상세한 설명을 참조하여 더 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
제 1 실시형태
제 1 실시형태에서는, 청구항 1 및 3항의 발명을 구체화하고, 습식 클러치에 적용가능한 실시예 1 내지 14 및 비교예 1 내지 10에 관하여 하기에 설명한다.
[표 2]
| 마찰재(비구동 부재) | ||||||
| 매트릭스 | 기공율(vol%) | 경질재 | ||||
| 종류 | 경도(Hv) | 추가량(vol%) | ||||
| 실시예 | 1 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 |
| 2 | Al 합금 | 20 | Al2O3 ˙SiO2-F | 730 | 10 | |
| 3 | Cu 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 4 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 30 | |
| 5 | Al 합금 | 20 | CaF2-P | 170 | 20 | |
| 6 | Al 합금 | 20 | CaF2-P | 170 | 20 | |
| 7 | Al 합금 | 20 | CaF2-P | 170 | 20 | |
| 8 | Al 합금 | 20 | CaF2-P | 170 | 20 | |
| 9 | Al 합금 | 20 | CaF2-P | 170 | 20 | |
| 10 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 11 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 5 | |
| 12 | Al 합금 | 20 | Al2O3-P | 2000 | 10 | |
| 13 | Al 합금 | 20 | Si3N4-P | 3300 | 10 | |
| 14 | Al 합금 | 20 | SiC-P | 2700 | 10 | |
| 비교예 | 1 | 페이퍼재 | ||||
| 2 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 3 | Al 합금 | 20 | 없음 | - | 0 | |
| 4 | Al 합금 | 5 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 5 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 6 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 7 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 8 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 9 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 | |
| 10 | Al 합금 | 20 | SiO2-P | 1300 | 10 |
먼저, 매트릭스를 구성할 Al합금 분말 및 Cu합금 분말을 준비한다. 여기서, Al합금은 Al-1 Si-0.5 Cu-1 Mg이고, Cu합금은 Cu-10 Ni이다.
경질재로서는, SiO2-P, Al2O3·SiO2-F, Al2O3-P, CaF2-P, Si3N4-P 및 SiC-P를 준비한다. 여기서, SiO2-P는 평균 입경 50 내지 100㎛의 SiO2 분말이고; Al2O3·SiO2-F는 평균 길이 10 내지 50㎛의 Al2O3·SiO2 섬유이고; Al2O3-P는 평균 입경 50 내지 100㎛의 Al2O3 분말이고; CaF2-P는 평균 입경 50 내지 150㎛의 CaF2 분말이고; Si3N4-P는 평균 입경 30 내지 70㎛의 Si3N4 분말이고; SiC-P는 평균 입경 30 내지 50㎛의 SiC 분말이다.
표 2에 나타낸 비율로 이들의 재료를 이용하고; 왁스나 금속 비누 등의 금형 윤활 성분을 도포한 금형내에 이들 재료를 충전하고; 200MPa의 압력으로 성형하여 성형품을 얻었다. 모든 성형품에는, 경질재와 함께 인조 흑연 입자(평균 입경 20 내지 100㎛)를 첨가하였다. 이 성형품을 질소 대기 하에 300 내지 500℃에 가열하여 금형 윤활성분을 제거한 후, 500 내지 650℃로 약 1시간 가열하여 소결하고, 비구동 부재로서의 각 마찰재(비교예 1은 제외함)를 제조하였다. 단, Cu 합금 분말을 매트릭스로 이용한 소결재는 소결 온도fmf 950 내지 1000℃로 하였다. 각 기공율(%)도 표 2에 나타낸다. 또한 기공율은 오일 함침에 의하여 구하였다.
[표 3]
| 상대재(구동 부재) | 마찰 접촉 특성 | |||||
| 종류 | 초기 경도(Hv) | 슬라이딩 후의 경도 변화율(%) | 운동마찰계수 (μ) | 마모율(mm3/J) | ||
| 실시예 | 1 | Cu-10Zn | 54 | +15 | 0.30 | 5×10-4 |
| 2 | Cu-10Zn | 54 | +18 | 0.30 | 5×10-4 | |
| 3 | Cu-10Zn | 54 | +20 | 0.30 | 4×10-4 | |
| 4 | Cu-10Zn | 54 | +25 | 0.32 | 6×10-4 | |
| 5 | Cu-10Zn | 54 | +15 | 0.25 | 5×10-4 | |
| 6 | Cu-5Zn | 43 | +20 | 0.24 | 3×10-4 | |
| 7 | Cu-25Zn | 110 | +5 | 0.24 | 6×10-4 | |
| 8 | AC4 | 70 | +28 | 0.22 | 5×10-4 | |
| 9 | A390 | 110 | +20 | 0.22 | 4×10-4 | |
| 10 | Cu-10Sn-2Zn | 78 | +22 | 0.22 | 4×10-4 | |
| 11 | Cu-10Zn | 54 | +15 | 0.22 | 4×10-4 | |
| 12 | Cu-10Zn | 54 | +35 | 0.20 | 8×10-4 | |
| 13 | Cu-10Zn | 54 | +35 | 0.24 | 4×10-4 | |
| 14 | Cu-10Zn | 54 | +35 | 0.25 | 8×10-4 | |
| 비교예 | 1 | Fe-0.35C | 230 | -10 | 0.15 | 4×10-4 |
| 2 | Fe-0.35C | 230 | -10 | 0.15 | 5×10-5 | |
| 3 | Cu-10Zn | 54 | 0 | 0.04 | 1×10-4 | |
| 4 | Cu-10Zn | 54 | 0 | 0.15 | 5×10-5 | |
| 5 | SUS304 | 360 | +50 | 0.20 | 1×10-3 | |
| 6 | Cu-30Zn | 185 | -20 | 0.17 | 5×10-5 | |
| 7 | Cu-10Zn-2Zn | 210 | -20 | 0.17 | 5×10-5 | |
| 8 | Al | 35 | +5 | 0.15 | 2×10-3 | |
| 9 | AC3 | 70 | +5 | 0.15 | 8×10-4 | |
| 10 | Cu | 80 | +5 | 0.16 | 1×10-3 |
한편, 표 3에 나타낸 바와 같이, 구동 부재로서의 상대재를 준비한다. 여기서, AC4는 Al-7 Si-0.6 Mg이고; A390은 Al-17 Si-0.5 Mg이고; SUS304는 Fe-18 Cr-8 Ni이고; AC3은 Al-12 Si이다. 이들 상대재는 금속 판재를 원판상으로 가공하여 얻었다.
다음, 각 마찰재를 시료로 하고, 각 상대재를 회전자로서 도 1에 나타낸 마찰 시험 기기에 장착하여, 운동 마찰계수(μ)와 마찰율(㎣/J)을 측정한다. 이때의 조건을 하기 표 4에 나타낸다.
[표 4]
| 시료 크기 | ø11.3 × 1.5mm (2개) |
| 슬라이딩 속도 | 1m/초 |
| 슬라이딩 시간 | 1분간 |
| 반복 횟수 | 30회 |
| 급유 | 정상급유 : 120 cc/분 |
| 사용 오일 | ATF(덱스트론 II, 에소 오일사 제) |
| 압착력 | 0.2KN |
| 시료간 거리 | 100mm |
| 하중 측정 | 스트레인 게이지, 레코더 |
| 온도 측정 | 열전대 |
여기서, 마모율은 하기와 같이 구하였다.: 마이크로미터에 의하여 측정한 마찰재의 마모 손실량을 에너지로 나누고; 면조도 측정장치로 측정한 상대재의 마모손실량을 에너지로 나누어; 상기 두 몫을 합하여 마모율을 얻었다. 슬라이딩 후 경도 변화율(%)은 슬라이딩 전의 상대재 접촉면의 경도(비커스경도 : Hv1 내지 5kg)와, 슬라이딩 후의 접촉면의 경도를 비교하여 얻었다. 이들 마찰 특성도 표 3에 나타내었다.
표 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 14에서는, 마찰재의 매트릭스로 Al합금을 선택하든지, Cu합금을 선택하든지 차이점이 거의 없다. 그러나, 경질재를 첨가하고, 상대재로 Hv 40 내지 110의 경도를 가지는 Cu합금 및 Al합금을 사용하면, 실시예 1 내지 14의 운동 마찰계수(μ)가 0.20 내지 0.32범위로, 비교예 1 내지 10에 비하여 월등히 높다. 또한, 실시예 1 내지 14에서는 마모율이 비교예 1의 페이퍼재와 같거나 최대 1.5배의 범위로 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 경질재는 첨가량이 5vol% 이상이면, 운동 마찰계수(μ)가 0.22이상을 나타내었다; 그러나, 실시예 1, 4 및 11과 비교예 3의 결과에서는 경질재의 첨가량이 30vol%을 초과하여도 운동 마찰계수(μ)는 그다지 변화하지 않고, 마모가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 슬라이딩 후의 상대재의 경도는 가공면 자체의 초기 경도에 비하여 35% 증가하고, 가공 경화를 초래하는 것을 알 수 있다.
또한, 상대재의 경도는 Hv35의 순수 Al에서는 유연하나, 저강도에 의하여 마모가 현저하게 되는 것을 알 수 있다. 그리고, 비교예 1 내지 10의 운동 마찰계수(μ)는 실시예 1 내지 14에 비하여 낮다. 실시예 10에서 상대재로 사용한 Cu합금은 Hv210의 JIS규격 BC3이고, 상용의 합금판을 830℃에서 1시간 동안 어닐링하여 얻었다. 합금판을 그대로 사용한 비교예 7에 비하여, 경도가 Hv78까지 감소된다. 상대재의 경도가 Hv40 내지 110인 Cu합금 및 Al합금에서는, 높은 운동 마찰계수(μ)가 얻어진다. 실시예 1 내지 14의 특징은 슬라이딩 전후의 경도변화율이 +5 내지 +30% 범위라는 것이다. 실시예 1 내지 14에서 가공 경화가 약간 나타났으나, 슬라이딩 전후의 경도 변화율이 +50%이고, 현저한 가공 경화가 나타나는 비교예 5에 비하면 실시예 1 내지 14의 가공경화는 적게 나타난다. 비교예 2, 6 및 7에서 알 수 있듯이, 연화(변화율이 음)함을 알 수 있고, 이들의 마모가 양호하더라도, 운동 마찰계수(μ)의 면에서 만족할 수 없다.
따라서, 실시예 1 내지 14에서 마찰 발생작용은 경질재의 첨가와, 상대재에 의해 크게 영향을 받는다. 경질재는 접촉면의 오일막을 관통하여, 상대재에 접촉하고, 또한 오일은 다공질재의 기공내로 침투하기 때문에 상기 현상의 결과로서 고체간의 접촉이 이루어진다고 추정된다. 그러나, 건조 상태에서의 마찰에 비해, 오일막에 의하여 접촉면이 냉각되기 때문에 실시예 1 내지 14에 비하여 마모율이 낮아, 부품을 교환하지 않는 습식 마찰 접촉장치로서 극히 높은 실용성을 기대할 수 있다.
다음으로, 상대재 구성원소의 산화물의 자유 에너지를 하기 표 5에 나타낸다.
[표 5]
| 주성분 원소 | 부성분 원소 | 기타 첨가 원소 | |||||
| 종류 | ΔG | 종류 | ΔG | 종류 | ΔG | ||
| 실시예 | 1내지 7,11 내지 14 | Cu | -254 | Zn | -636 | - | - |
| 8 | Al | -1045 | Mg | -1162 | Si | -836 | |
| 9 | Al | -1045 | Mg | -1162 | Si | -836 | |
| 10 | Cu | -254 | Sn | -500 | Zn | -636 | |
| 비교예 | 2 | Fe | -508 | C | -389 | - | - |
| 5 | Fe | -508 | Cr | -701 | Ni | -439 | |
| 8 | Al | -1045 | 없음 | - | - | - | |
| 9 | Al | -1045 | Si | -836 | - | - | |
| 10 | Cu | -254 | 없음 | - | - | - |
표 5에 명확하게 나타나 듯이, 실시예 1 내지 14에서, 부성분 원소 산화물의 자유 에너지의 절대치는 모두 주성분 원소에 비하여 작다. 실시예의 부성분 원소는 주성분 원소에 비해 산화하기 쉬운 경향에 있어, 금속 표면에서 주성분 원소의 산화를 어느 정도 방지하고 있다고 추정된다. 그 결과, 슬라이딩 시에 활성이 높은 금속면이 나타나는 경향이 있으므로 마찰력이 증가되는 것으로 생각된다. 한편, 비교예에서는 비교예 5만이 실시예 1 내지 14와 동일한 경향을 가지나, 상기한 바와 같이 슬라이딩 시에 현저하게 가공 경화되므로 바람직하지 않다. 표 5에 나타낸 다른 비교예는 실시예 1 내지 14와는 반대의 경향이고, 주성분 원소와 부성분 원소의 조합으로서 바람직하지 않다.
여기서, 상대재의 재질은 특히 한정되지 않는다. Al합금 또는 Cu합금이 사용되면, 열전도도가 높고, 슬라이딩 시 마찰면의 온도 상승을 저하할 수 있기 때문에 높은 운동 마찰계수가 안정되고, 마모율도 약 3 내지 8×10-4(㎣/J)로 마찰재에 이용할 수 있는 범위 이내이다.
실시예 1 내지 14의 접촉면의 조합에서, 상기 표에 나타낸 바와 같이, 유체막이 개재하는 조건하에서 운동 마찰계수(μ)가 0.20 내지 0.32이므로, 현저하게 높은 마찰력을 나타낸다. 그러나, 유체막이 없는 조건하에서는, 예를 들어, 건식으로 슬라이딩시키면, 일반 현상과는 달리 운동 마찰계수(μ)가 0.2로 마찰력이 저하된다. 건식에서는 유체막이 없기 때문에, 접촉면에서 산화가 진행되기 쉽고, 본 접촉면에서는 응착 효과가 그 만큼 감소한다.
제 2 실시형태
제 2 실시형태에서는 청구항 1 및 청구항 2의 발명을 구체화하고, 습식 클러치에 적용가능한 실시예 15 및 비교예 11에 관하여 설명한다.
실시예 15는 제 1 실시형태에서 사용한 Al합금만으로 이루어지는 마찰재(비구동 부재); 상기 실시예 1에서 채용한 Cu-10Zn만으로 이루어지는 상대재(구동 부재); 제 1 실시형태에서 사용한 사용 오일을 포함하여 이루어진다.
한편, 비교예 11은 제 1 실시형태에서 사용한 Al합금으로 이루어지는 마찰재(비구동 부재); 순수 Cu로 이루어지는 상대재(구동 부재); 제 1 실시형태에서 사용한 사용 오일을 포함하여 이루어진다.
실시예 15 및 비교예 11에서, 마찰시험 후 각 접촉면의 표면을 EPMA분석하였다. 운동 마찰계수(μ)와 함께 결과를 하기 표 6에 나타낸다. 여기서, ○은 원소가 각 접촉면에 강하게 존재하는 것을 나타내고, △는 원소가 각 접촉면에 약하게 존재하는 것을 나타낸다.
[표 6]
| 운동마찰계수 | 접촉면 | Al | Cu | Zn | O | C | S | |
| 실시예 15 | 0.3 | 마찰재 | ○ | ○ | ○ | ○ | △ | △ |
| 상대재 | - | ○ | ○ | - | - | - | ||
| 비교예 11 | 0.15 | 마찰재 | ○ | ○ | - | ○ | △ | △ |
| 상대재 | - | ○ | - | ○ | - | - |
표 6에 나타낸 바와 같이, 실시예 15에서는 상대재 접촉면의 표면에 산소가 존재하지 않지만, 비교예 11에서는 상대재 접촉면의 표면에 산소가 존재한다. 이것은 실시예 15에서 이용한 Cu-10Zn이 산화하기 어렵기 때문이다.
이상 본 발명을 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허 청구의 범위를 포함하는 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않으면서 이에 여러 가지 변형이나 변경을 가할 수 있다.
1996년 8월 6일 출원된 일본국 특허 출원 제 8-707468호의 상세한 설명, 청구 범위, 도면 및 요약서를 포함하는 전체 기재 내용이 참조로 본 명세서에 온전히 병합되어 있다.
본 발명에 의하면 유닛의 대형화를 발생하지 않고 종래의 습식 마찰 접촉장치에 비하여 큰 토오크 용량을 확보하면서 분해 및 교환이 불필요한 습식 마찰 접촉장치가 제공된다.
Claims (3)
- 비구동 부재; 상기 비구동 부재에 대하여 구동하는 구동 부재; 및 상기 비구동 부재와 상기 구동 부재 사이에 개재되는 유체를 포함하여 이루어지고,상기 비구동 부재와 상기 구동부재 사이의 접촉면의 운동 마찰계수가 0.2 이상임을 특징으로 하는 습식 마찰 접촉장치.
- 제 1항에 있어서,상기 비구동 부재 및 상기 구동 부재 중의 한쪽 부재의 접촉면은 하나 이상의 주성분 원소를 포함하고, 다른 쪽 부재의 접촉면은 상기 하나 이상의 주성분 원소와, 상기 하나 이상의 주성분 원소의 자유 에너지의 절대치보다 작은 자유 에너지의 절대치를 가지는 하나 이상의 부성분 원소의 혼합물 또는 합금을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 습식 마찰 접촉장치.
- 제 1항에 있어서,상기 비구동 부재 및 상기 구동 부재의 적어도 한쪽이 다공질재이고; 한쪽 부재의 접촉면은 Hv150 이상인 경질재를 포함하고; 다른 쪽 부재의 접촉면은 상기 하나 이상의 주성분 원소와, 상기 하나 이상의 주성분 원소의 자유 에너지의 절대치보다 작은 자유 에너지의 절대치를 가지는 하나 이상의 부성분 원소의 혼합물 또는 합금을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 습식 마찰 접촉장치.
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