KR20040045333A - 향상된 열 성능을 위한 최대화된 스틸-대-오일 면을 갖는다중 세그먼트 마찰판 - Google Patents

Abstract

복수의 마찰재 세그먼트를 예열된 코어판에 접착하는 단계를 포함하는 마찰판의 제조 방법. 각 마찰재 세그먼트는 그 하부면에 접착되는 한 층의 접착제를 가지고 있어, 이 접착제가 예열된 코어판과 접촉한다.

Description

향상된 열 성능을 위한 최대화된 스틸-대-오일 면을 갖는 다중 세그먼트 마찰판{MULTI-SEGMENTED FRICTION PLATE WITH MAXIMIZED STEEL-TO-OIL SURFACE AREA FOR IMPROVED THERMAL CAPACITY}

본 발명은 일반적으로 마찰재 면을 가지는 마찰판의 제조방법과 장치 및 그에 의한 마찰재에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 코어판(core plate)의 한면 또는 양면에 마찰재를 가지는 마찰판 제조를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 방법은 마찰재의 바로 아래를 제외하고는 마찰판의 전체 영역에서 아교 또는 접착제 필름(film)의 필요성을 제거한다. 결과적으로 마찰판은 코어 또는 분리판에서 오일(oil)로 종래의 마찰재보다 더 효과적으로 열을 전달한다.

본 발명은 또한 일반적으로 자동 변속기 클러치판에 관한 것으로, 더 상세하게는 접착된 마찰재를 가지는 클러치판에 관한 것이다.

종래의 다중판 클러치는 일반적으로 복수의 교차 끼워진 클러치 디스크와 구동 엔진에서 구동 휠로 에너지의 전달을 제공하기 위하여 결합되는 반대판으로 구성된다. 습식 클러치는 또한 클러치 마모를 감소시키고, 클러치 디스크의 마찰면을 냉각하며, 클러치 판과 클러치 디스크 사이에 필요한 유체정역학적 힘을 제공하기 위하여 오일과 같은 윤활제를 사용한다.

마찰재는 일반적으로 보통 페놀 수지(phenolic resin)가 주입된 섬유형 페이퍼(paper)로 구성된다. 또한, 마찰재는 보통 다이(die) 또는 절단 장치를 통하여 공급되는 마찰재로 이루어지는 사각 시트(sheet)의 연속 스트립(strip)에서 잘라낸다. 마찰재는 비교적 비싸고, 따라서 제조과정에서의 쓰레기의 제거를 최소화하는 것이 바람직하다.

일단 마찰재에 페놀 열경화성 수지가 주입되면, 이는 경제적으로 재활용될 수 없다. 따라서, 제조과정에서 쓰레기 및/또는 폐품의 제거는 산업 환경적 필요 기준을 만족하도록 돕는다. 폐지처리는 현재 환경적 규정에 의한 규제 증가의 초점이므로 이는 특히 중요하다. 절단과정에서의 폐품은 적절한 방법으로 처리되어야 하고, 이러한 처리는 점점 더 비용을 증가시킨다.

또한, 클러치 수명, 순조로운 작동 및 마찰면의 냉각 효과의 최적화를 위하여, 다양한 마찰면의 재질과 마찰면 재질의 형상을 포함하여 다양한 클러치 형상이 개발되었다. 현재 사용가능 한 보통의 마찰면이 클러치에 사용을 위한 마찰 디스크를 개시한 미국 특허 제4,260,047호 및 제4,674,616호에 나타나 있으며, 이는 복수의 분리된 아치형 세그먼트(segment)의 결합으로부터 만들어진 마찰재로 형성된 것이다. 이 아치형 세그먼트는 클러치 작동 중 마찰면을 통하여 냉각 오일을 흐르게 할 수 있도록 미리 홈이 형성되어 있다.

미국 특허 제5,094,331호, 제5,460,255 호, 제5,571,372호, 제5,776,288호, 제5,897,737호 및 제6,019,205호는 플레이트에 각각 위치된 다수의 마찰재 세그먼트를 가지는 클러치 마찰판을 개시하고 있다. 세그먼트는 서로 떨어져 있어, 매 인접 세그먼트 사이에는 오일홈이 제공된다.

미국 특허 제3,871,934호 및 제4,002,225호는 마찰재 외부 가장자리 디스크 둘레로 감겨진 마찰재를 나타내고 있는데, 따라서 마찰재는 디스크 양면에 겹쳐진다. 겹쳐진 재료는 가장자리 둘레의 간격에서 잘라지고, 디스크 면으로 접혀진다.

미국 특허 제5,335,765호는 방사상 평면에 놓여지고, 회전 방향에 대하여 하류로 비스듬히 기울어진 한 세트의 제 1 홈과 제 2 홈을 가지는 마찰부재를 개시한다.

미국 특허 제5,615,758호 및 제5,998,311호는 홈을 가지지 않으나, 씨실과 날실이 유체의 흐름을 허용하는 채널을 형성하는 마찰 실 면 재질(friction yarn facing material)을 개시하고 있다.

이러한 많은 마찰재의 제조는 많은 양의 사용되지 않은 폐품은 생성한다. 따라서, 본 발명의 기본적 목적은 마찰재의 절단 후 폐품의 양을 효과적으로 줄이는 것이다.

또한, 마찰재와 클러치판의 충분한 냉각과 윤활을 달성하여, 클러치와 마찰면 재료의 부재에 초과 마모를 일으킴 없이, 클러치의 유연한 결합과 해제가 유지되는 것 또한 바람직하다. 다양한 종래의 마찰재 형상은 마찰면 재료 내에 홈과 구멍 유형을 사용하는 것과 관련된 것으로, 마찰면을 통하여 오일과 같은 유체의 통로를 허용함으로써 필요한 냉각과 윤활을 달성한다. 그러한 냉각홈은 일반적으로 노동력을 필요로 하는 세가지 방법 중 하나로부터 얻어진다. 하나의 방법은 마찰재가 컷팅되기 전에 홈이 형성되고, 미국 특허 제4,260,047호에 나타난 것과 같은 방법으로 클러치판에 적용된다. 홈 형성의 다른 방법은 뜨거운 압력 결합 과정 중 마찰재의 압축기 부분에 만들어진 도구를 이용한다. 세번째 방법은 판을 고정물에 올려놓고 다중 밀링 및 그라인딩 휠을 마찰재를 통하여 통과시킴으로써 필요한 깊이와 범위의 특정 홈을 잘라내는, 완성된 마찰판에 잘라진 홈을 형성하는 것에 관한 것이다.

종래의 마찰재 형상의 공통적 단점은 제작의 어려움, 비용의 증가, 폐품의 증가를 가져오는 복잡한 형상의 형성에 있으며, 그 결과로 폐품의 적절한 처리가 문제된다. 또한, 종래의 마찰재들은 모두 각각 특정 유형의 마찰 클러치로 만들어지고, 일반적으로 말해서, 넓은 범위에서 사용될 수 없었다.

본 발명의 목적은 제조를 위하여 2차 조작과 부수 장비를 필요로 하지 않고 요구되는 깊이와 범위의 특정 홈 유형을 가지는 마찰 클러치판을 제조하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 그 제조에 있어 거의 쓰레기를 형성하지 않는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 복수의 필요한 홈을 가지는 마찰재을 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 향상된 성능, 및 특히 향상된 열 성능과 감소된 "브레이크-인(break-in)" 및 초기 수명 중 마찰성능 변화의 감소를 달성하기 위한 형상상의 장점을 가지는 마찰재를 제조하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 결합된 클러치 디스크와 클러치판의 작동 중 마찰재의 홈 내에 정적 압력을 유지하고 동적 유체 흐름을 지지하는 성능을 가진 마찰재의 제조를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전체적으로 클러치 사용의 유형을 달리할 수 있는 마찰재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유도 접착, 또는 다른 적절한 방법으로 마찰재를 코어판에 접착하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 유한 요소 메쉬(인접한 판들에서 정열된 페이퍼 세그먼트)를 나타낸 그래프,

도 2는 유한 요소 메쉬(인접한 판들에서 오프셋(offset)된 페이퍼 세그먼트)와 경계 상태를 나타낸 그래프,

도 3은 온도 분포(정열된 페이퍼 세그먼트, 전체 접착제 코팅)를 나타낸 그래프,

도 4는 열 흐름율 분포(정열된 페이퍼 세그먼트, 전체 접착제 코팅)를 나타낸 그래프,

도 5은 온도 분포(정열된 페이퍼 세그먼트, 부분 접착제 코팅)을 나타낸 그래프,

도 6은 열 흐름율 분포(정열된 페이퍼 세그먼트, 부분 접착제 코팅)을 타낸 그래프,

도 7은 온도 분포(오프셋된 페이퍼 세그먼트, 전체 접착제 코팅)을 나타낸 그래프,

도 8은 열 흐름율 분포(오프섹된 페이퍼 세그먼트, 전체 접착제 코팅)을 나타낸 그래프,

도 9는 온도 분포(오프셋된 페이퍼 세그먼트, 부분 접착제 코팅)을 나타낸 그래프,

도 10은 열 흐름율 분포(오프셋된 페이퍼 세그먼트, 부분 접착제 코팅)을 나타낸 그래프,

도 11은 일체로 접착된 마찰재 세그먼트를 가진 코어판의 평면도,

도 12는 도 11의 선 12-12에 따른 단면도,

도 13은 도 11의 선 13-13에 따른 단면도이다.

습식 마찰 클러치 판을 만들기 위한 마찰재와 방법 및 장치가 개시된다. 도 11 내지 13을 먼저 참조하여, 상기 클러치 판(10)은 그 하부면의 접착제(18)로 일체로 접착된 복수의 마찰재 세그먼트(16)를 가지는 코어판(14)을 포함한다. 마찰재 세그먼트(16)는 코어판(14)에 위치해 있어, 코어판에 복수의 홈(20) 또는 개구들이 형성된다. 즉, 홈(20)은, 인접한 그러나 떨어져 있는 마찰재 세그먼트(16) 사이에 형성된다. 도 12는 도 11에서 선 12-12를 따라 취한 개략도로서, 코어판(12), 마찰재 세그먼트(16) 및 마찰재(16)의 일면에 고착된 한 층의 접착제(18)를 도시하고 있다. 도 13은 도 11에서 선 13-13을 따라 취한 개략도로서, 홈(20)에는 접착제가보이지 않는다.

자동차를 위한 성능 요건이 더 엄격해져 감에 따라, 클러치는 고RPM에서 높은 토크를 제공할 수 있어야 하며, 즉 고온에서 효율적으로 작동하여야 한다. 이러한 성능 요건은 따라서 더 높은 비용과 마찰재로 사용하기 위한 고성능의 재료를 필요로 한다. 따라서, 재료비용이 증가함에 따라, 본 발명은 냉각과 윤활 요건의 유지를 위해 애쓰는 동시에 필요한 마찰면 영역을 최적화하는 마찰판을 생성하기 위한 효율적 방법을 제공한다. 일체로 접착된 분할된 마찰재는 클러치 내에서 일어나는 더 큰 열 발생과 더 큰 열 분산에 민감하다. 오늘날의 자동차에 흔한 고RPM/작은 엔진을 위한 성능기준을 만족하기 위하여 그러한 마찰재를 가지는 것이 필요하다.

오늘날 자동차 클러치의 다른 중요한 성능 요건은, 클러치가 적용되지 않을 때, 예컨대 고속도로에서 순행할 때 순환하나 적용되지 않는 오픈된 역 클러치에서 최소 드래그를 생성하는 마찰재의 성능이다. 낮은 오픈 클러치 "팩 드래그"는 차량의 고연료 효율로 전환된다. 본 발명은 마찰판의 종래의 형상(홈이 없거나, 컷 홈, 몰드 홈)보다 낮은 오픈 팩 드래그를 형성한다.

마찰재는 형성된 전체 깊이의 오일 채널을 통하여 필요한 윤활과 냉각 펌핑 기능을 형성하기 위하여 클러치 판에서 방향성을 갖는다. 마찰재의 이러한 방향성은 클러치 판의 방사상 내부 또는 외부로 오일의 필요한 경로를 형성하고, 또한 판을 통하여 필요한 양의 유체정역학적 압력을 생성한다. 각각의 마찰재 세그먼트의 크기와, 마찰재의 형상, 간격, 방향은 유체 펌핑의 정도, 유체정역학적 압력 및 마찰 클러치 판의 냉각량에 영향을 끼친다.

특히, 본 발명은 일체로 부착된 마찰재 세그먼트를 가진 클러치 판을 만들기 위한 방법 및 장치를 기술한다. 각각의 마찰재 세그먼트는 마찰재의 하부면에 필요한 양의 접착제를 가진다. 각 세그먼트는 코어판의 면에 위치된다. 일체로 부착된 세그먼트는 코어판의 최대량이 클러치의 오일에 직접 노출 되도록 한다. 이러한 증가된 "스틸과 오일"의 직접적 접촉은 코어(또는 분리판)로부터 오일로 열을 더 효율적으로 전달한다.

일 실시예에서, 분리된 마찰재는 이상의 재료 사용을 제공하는 따라서 폐품량을 크게 줄이는, 사각의 또는 "종석(keystone)" 형상의 세그먼트를 가진다. 본 발명의 방법의 하나의 실시예에 따르면, 코어 또는 분리판은 마찰재 세그먼트를 수용하기 전에 미리 예열된다.

접착제와 마찰재는 바람직한 세그먼트 크기와 너비로 절단될 수 있다. 이러한 세그먼트는 예컨대, 매거진(magazine) 또는 컨베이어 벨트(conveyor belt) 등을 이용하여 코어판으로 이동된다. 일체로 부착된 세그먼트는 코어판에 배치되어 접착된다.

일 특정 실시예에서, 상기 코어판은 유도 예열을 위하여 필요한 히팅 영역으로 이전된다. 예열된 코어판은 예컨대 캠 또는 서보 피동 교차 스플라인(spline)과 같은 수용 영역으로 전달되고, 여기서 일체의 세그먼트는 코어판에 배치된다. 일 실시예에서, 세그먼트는 코어판에서 약 180°떨어져 두개가 동시에 배치된다. 이때 코어판은 추가 세그먼트를 수용하기 위하여 인덱스(index)된다. 마찰 세그먼트, 즉일체로 부착된 마찰 세그먼트를 가진 코어판은 세그먼트와 판의 최종 접착을 위하여 예컨대 뜨거운 압반 정립기와 같은 접착 영역으로 이전된다. 접착 영역에서, 접착제를 "활성화"하고 마찰재를 코어판에 견고하게 부착하기 위하여 코어판과 마찰 세그먼트에 열 및/또는 압력이 적용된다.

단일면 클러치 요소(마찰재 세그먼트와의 접촉면에만 접착제가 코팅된 것과 대조적으로 전체면에 접착제가 코팅됨)를 위한 열 전달 특성이 평가되었다.

다음의 변수들은 마찰재의 접착제 코팅의 다른 적용 영역을 가지는 단일면 클러치판의 열전달 분석에 사용된다. 첫번째, 또는 기선, 비교 재료는 마찰 라이닝의 내부 반경에서 그 외부 반경으로 코어판의 한 측면을 덮는 하나의 링 접착제 수지 재료를 가진다. 본 발명 재료에서, 한 층의 접착제 수지 재료는 코어판의 한 면에서 단지 마찰재 세그먼트 아래에만 놓여진다. 두개의 접착제 예들의 재료를 위한 결과의 비교는 각 재료를 위한 상대적 열전달 성능을 보여준다.

접착제의 균일한 및 단속적인 분배 모두에 의한 열적 효과가 두개의 다른 클러치 팩 형상을 위하여 도시된다. 하나의 형상에서는, 클러치의 각 판에서 마찰재 세그먼트는 완벽하게 정열된다. 두번째 형상에서는, 인접 판의 마찰 패드는 절반의 홈 패턴 각도로 오프셋(offset)된다.

두 예는 두개의 다른 페이퍼 배열 형상을 표시하기 위하여 사용된다. 양 유한 요소 예들은 약 5000개의 2차, 열적, 평면-고체 요소를 가진다. 2-D 예들은 클러치 조립체의 축 및 주면의 축을 포함하는 평면으로 구성되고, (즉, 예들은 방향성을 가지고 있어, 그 부분의 방사상 축은 즉, Z 방향을 가리킨다). 이 예들은 클러치 팩으로부터 가장 작은 반복가능한 유닛을 형성한다. 코어판은 2mm 두께이고, 마찰 라이닝은 1mm 두께이며, 지면 너비의 홈에 대한 비는 4:1이다. 접착제 코팅은 0.01mm의 두께를 가진다.

세개의 재료는 판-대-판 페이퍼 정열 및 비정열 상태 모두를 위한 유한 요소 모델에 포함된다. 이러한 재료는 스틸(열 전도성 = .0458W/mm-℃), 마찰 페이퍼(열 전도성 = .000167W/mm-℃), 접착제 수지(열 전도성 = .000055W/mm-℃) 이다. 전체 접착제 도포에서 부분 접착제 도포로 전환하기 위하여, 접착제 수지의 열 전도성 상수는 코어판 면에서 적절한 요소를 위한 스틸의 것으로 대체된다.

각 판의 마찰재 세그먼트가 정열된 예가 도 1에 도시되어 있다. 인접판에 정열된 페이퍼 세그먼트를 위한 유한 요소 메쉬가 도시되고, 페이퍼-스틸-"접착제" 층으로 분류된다.

도 2에 주어진 예는 한 판에서 다음판으로 오프셋된 마찰재 세그먼트를 가지는 형상을 설정한다.

또한 도 2에 도시된 것은 실시예에서 작용하는 경계 상태이고, 동일 입력은 도 1의 실시예에 적용된 것과 같다. 도 2는 따라서 유한 요소 메쉬와 경계 상태를 나타낸다: (1)단열; (2)대류; (3)열 유속; 및,(4)결합된 온도 DOF(degrees of freedom,자유도). 단열면은 완전히 절연되고, 이는 반사 대칭이 이루어진 경계의 예들에서 일어난다.

대류 경계 상태는 유닛의 열 반응에서 홈을 통한 유체 흐름의 효과를 추측한다. 대류 경계 상태는 두개의 변수 -유체의 벌크(bulk) 온도와 자유 대류 필름 계수에 의하여 특정된다. 모든 분석이 수행될 때, 전달 유체 온도는 일정한 85.0C이고, 대류 계수는 0.001850W/mm²로 가정된다.

열 유속은 클러치의 결합면에서 발생한다. 모든 실시예는 두개의 그러한 면을 가지고, 그 각각에 적용되는 열 유속은 0.0611W/mm²이다.

결국, 결합 온도의 자유도(DOF's)는 주기적으로 대칭인 경계의 마디에 할당된다.

상기 특정된 재료에 대한 결과가 도 3 내지 10에 주어져 있다. 두개의 출력 변수 -온도와 열 유속율(결과값)이 각각의 분석 경우에 대하여 표시되어 있다. 온도와 열 유속율에 대한 단위는 각각 ℃와 W/mm²이다.

도 3과 도 4에서, 첫번째 두개의 분포 플레이트는 페이퍼 세그먼트가 인접한 코어판에 정열되고 접착제 수지가 전체면에 대하여 적용된 종래의 예들에 관한 것이다. 도 5와 도 6에 도시된 다음 세트의 데이터에 나타난 본 발명의 실시예들은 클러치 팩에 정열되나 유체 홈에는 접착제 층을 갖지 않는 페이퍼 세그먼트이다. 정렬되지 않고 전체에 접착제가 도포된 마찰 페이퍼 세그먼트에 대한 종래 기술의 실시예들은 도 7과 도 8에 도시되어 있다. 마지막으로, 도 9과 도 10은 페이퍼 세그먼트가 정렬되지 않고 홈에 접착제 수지가 없는 본 발명의 실시예에 대한 온도와 열 흐름율 분포를 도시한 것이다.

본 발명의 재료와 방법의 결과로서 최대 온도의 감소는 4.5% 와 5%사이이다.

본 발명의 다른 장점은 전달 유체가 판의 홈을 완전히 채우는 것이다. 또한, 대류 계수는 비신속한 흐름 상태에 부합한다. 일 실시예에서 접착제 층의 두께는 그 최대값에 설정되어 흐름 홈을 가로질러 최대 절연 상태를 제공한다. 본 발명의 또 다른 장점은 마찰 라이닝에서 떨어진 면에서의 열전달은 결합면에서의 접착제 도포의 변화에 의하여 영향을 받지 않는 것이다.

본 발명의 상기한 상세 기술은 설명의 목적으로 주어진 것이다. 관련 기술 분야에서 본 발명을 벗어남없이 다양한 변화와 수정이 가능함은 명확하다. 따라서, 상기한 모든 설명은 실시예로서 해석되어야 하고, 이에 의하여 한정되어서는 안되며, 본 발명의 범위는 이하의 첨부된 청구항에 의하여만 한정된다.

Claims (5)

1. 복수의 마찰재 세그먼트가 예열된 코어판에 접착되는 단계를 포함하고, 각 마찰재 세그먼트는 그 하부면에 한 층의 접착제를 가지고 있어, 이 접착제가 예열된 코어판과 접촉하는 것을 특징으로 하는 마찰판 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 마찰재 세그먼트는 코어판에 위치되어, 인접한 세그먼트는 상기 코어판의 적어도 한 면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 접착된 마찰재 세그먼트를 구비한 코어판은 세그먼트를 코어판에 접착하기 위하여 적어도 하나의 열 및/또는 압력이 주어지는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 코어판의 홈에는 어떤 접착제도 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항의 방법에 따라 제조된 마찰판.