WO2015070857A1

WO2015070857A1 - Reibring

Info

Publication number: WO2015070857A1
Application number: PCT/DE2014/200576
Authority: WO
Inventors: Pascal Kohtes; Reinhard Ammon; Heinrich Sauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-05-21
Also published as: DE102013223065A1; DE102013223065B4

Abstract

Ein Reibring (1) umfasst einen metallischen Grundkörper (2) sowie einen aus einer duroplastischen Schüttpressmasse gebildeten Reibbelag (3), welcher sich nahtfrei auf einer konischen Oberfläche (4) des Grundkörpers (2) befindet. Der Grundkörper (2) weist durchgehende Aussparungen (5), beispielsweise in Form von Bohrungen oder einer kammförmigen Struktur, auf, in welche der Reibbelag (3) formschlüssig eingreift.

Description

Reibring

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen insbesondere für eine Synchronisationsvorrichtung eines Stufengetriebes geeigneten Reibring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reibrings.

Hintergrund der Erfindung Aus der DE 10 2007 041 218 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Belags auf eine Funktionsfläche eines zu einer Reibpaarung gehörenden Körpers bekannt. Der auf den Körper, nämlich Synchronring oder Zwischenring, aufgebrachte Belag wird hierbei durch Verwendung einer spritzgieß- und/oder spritz- pressfähigen Kunststoffmasse hergestellt. Das Verfahren beinhaltet das Einle- gen des unbeschichteten Körpers in ein zum Spritzgießen und/oder Spritzpressen geeignetes Werkzeug sowie eine Beaufschlagung der Kunststoffmasse mit Druck und Temperatur. Als Kunststoffmasse zum Ausbilden des Belags wird ein Duroplast verwendet. Die Duroplastmasse kann zerkleinerte Carbonfasern als Zuschlagsstoffe enthalten. Die Länge der Carbonfasern soll hierbei ausrei- chend gering sein, um den Formprozess nicht zu beeinträchtigen.

Aus der DE 39 07 443 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Reiblamelle bekannt, welche eben oder konisch geformt sein kann. Auch in diesem Fall wird der Reibbelag unter Druck- und Temperatureinwirkung direkt auf einem metallischen Rohling erzeugt. Das Reibmaterial kann unter anderem Epoxidharz und Graphit enthalten.

Die DE 10 2007 058 573 A1 offenbart einen Synchronring eines Wechselge- triebes, welcher mit einem Kunststoffmaterial umspritzt ist, das als Reibbelag dient. Hierbei kann eine Innenfläche des Synchronrings mit einem anderen Kunststoffmaterial umspritzt sein als eine Außenfläche des Synchronrings. Zur Zusammensetzung des Kunststoffmaterials enthält die DE 10 2007 058 573 A1 keine Angaben. Durch das Umspritzen des Synchronrings mit dem Reibbelag können Anschlagflächen ausgebildet werden, welche unter anderem zum Anschlag eines Vorsynchronisationselements verwendet werden können.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Reibringe mit metallischem Grundkörper und hierauf direkt erzeugtem Reibbelag gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich Dauerhaltbarkeit bei gleichzeitig rationeller Herstellbarkeit weiterzuentwickeln.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Reibring mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Reibrings mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Reibring erläuterte Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.

Der Reibring weist in an sich bekanntem Grundaufbau einen metallischen Grundkörper sowie einen aus einer duroplastischen Schüttpressmasse direkt hierauf erzeugten Reibbelag auf. Der Reibbelag bedeckt nahtfrei eine konische Oberfläche des Grundkörpers. Erfindungsgemäß weist der Grundkörper als Durchgangsöffnungen ausgebildete Aussparungen auf, in welche der Reibbelag formschlüssig eingreift. Hierdurch ist eine dauerhaft feste Verbindung zwi- sehen dem Grundkörper und dem Reibbelag selbst ohne zusätzliche Klebemittel gegeben. Die Aufbringung eines Klebstoffs auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers kann jedoch optional, in Abhängigkeit von den Eigenschaften der den Reibbelag bildenden Schüttpressmasse, vorgesehen sein. Die Aussparungen im Grundkörper können beispielsweise als durchgehende Bohrungen gestaltet sein. Ebenso können Aussparungen durch eine kammför- mige Kontur des Grundkörpers gebildet sein. In beiden Fällen ist durch die Aussparungen eine mechanische Verankerung des Reibbelags im Grundkörper gegeben. Ein zusätzlicher Nutzen der Aussparungen liegt darin, dass bei der Formung des Reibbelags überschüssige Schüttpressmasse zu einem nicht exakt festgelegten Anteil in die Aussparungen eindringen kann, sodass diese auch ein Ausgleichsvolumen darstellen, welches im Rahmen der Serienferti- gung unvermeidbare Toleranzen, insbesondere was die Menge der verwendeten Schüttpressmasse betrifft, ausgleicht.

Die entweder eine geschlossene Kontur aufweisenden, als Bohrungen ausgebildeten, oder eine offene Kontur aufweisenden, beispielsweise bogenförmig gestalteten, Ausnehmungen weisen in bevorzugter Ausgestaltung eine in Tan- getialrichtung des im wesentlichen ringförmigen Grundkörpers gemessene Weite auf, welche mehr als die Wandstärke des Grundkörpers in einem eine Aussparung begrenzenden, das heißt in Umfangsrichtung zwischen zwei Aussparungen liegenden, Bereich beträgt. Beispielsweise beträgt die Weite jeder Aussparung mehr als das Doppelte der Wandstärke des Grundkörpers.

Eine orthogonal zur Weite, längs einer die konische Oberfläche des Grundkörpers tangierenden, dessen Symmetrieachse schneidenden Gerade gemessene Tiefe der Aussparung ist in bevorzugter Ausgestaltung mindestens so groß wie die Weite der Aussparung. Im Fall von kreisrunden Aussparungen ist die Weite jeder Aussparung, das heißt deren Durchmesser, gleich groß wie deren Tiefe. Bei Aussparungen ohne geschlossenen Rand, beispielsweise Aussparungen, die eine kammförmige Kontur bilden, ist die im Wesentlichen in Axialrichtung des Grundkörpers gemessene Tiefe der Aussparungen vorzugsweise größer als deren in Tangentialrichtung des im Wesentlichen ringförmigen Grundkörpers gemessene Weite. In bevorzugter Ausgestaltung weisen offene Aussparungen eine sich zur ihrer Öffnung hin verjüngende Kontur. Benachbarte Aussparungen voneinander trennende, die Kammstruktur beschreibende Zähne des Grundkörpers weisen dementsprechend eine nach vorne zunehmende Breite auf.

Sowohl im Fall kreisrunder Aussparungen als auch bei sonstigen Aussparun- gen ist aus der konischen, durch den Reibbelag bedeckten Oberfläche des Grundkörpers durch die Ausnehmungen vorzugsweise ein Flächenanteil von mindestens 20 % herausgenommen.

Die Oberfläche des auf dem Grundkörper befindlichen Reibbelags kann ent- weder glatt oder strukturiert sein. Eine Strukturierung kann entweder nach der Herstellung des Reibbelags in einem gesonderten Verfahrensschritt oder unmittelbar bei der Formung des Reibbelags aus der Schüttpressmasse erfolgen. Im letztgenannten Fall weist ein zur Herstellung des Reibbelags auf dem Grundkörper verwendetes Werkzeug eine Strukturierung auf, welche die Ober- flächenstrukturierung des späteren Reibbelags vorgibt. Die Oberflächenstruktu- rierung kann beispielsweise in Form einer Axialnutung gegeben sein. Ebenso können ringförmige Nuten oder Gewinde, sogenannte Waffelmuster oder eine Rändelstruktur in die Oberfläche des Reibbelags eingebracht sein. Durch derartige Strukturen wird in an sich bekannter Weise der Abfluss von Öl im Reib- kontakt begünstigt.

Der Reibring kann entweder als einseitig beschichteter Ein-Konus-Ring oder als beidseitig beschichteter Doppel-Konus-Ring gestaltet sein. Im Fall eines doppelseitig auf den Grundkörper aufgebrachten Reibbelags bildet dieser vor- zugsweise eine unterbrechungsfreie Beschichtung, welche sich von einer Seite des metallischen Grundkörpers auf die andere Seite des metallischen Grundkörpers erstreckt und hierbei auch eine Stirnseite des Grundkörpers bedeckt. Diese Beschichtung ist in einem einzigen Arbeitsgang herstellbar. Der Grundkörper des Reibrings ist besonders rationell spanlos als Blechteil herstellbar. Alternativ ist auch eine Herstellung des Grundkörpers als Sinterteil oder durch spanabhebende Bearbeitungsverfahren möglich. Ebenso sind Fertigungsverfahren realisierbar, die eine spanlose Metallumformung und eine Zerspanung kombinieren. In allen Fällen handelt es sich bei dem Grundkörper vorzugsweise um ein einstückiges Metallteil, welches beispielsweise an seinem Außenumfang eine Verzahnung und/oder Mitnehmerkontur aufweisen kann. Als Schüttpressmasse, aus welcher der Reibbelag gebildet wird, ist ein Material verwendbar, wie es beispielsweise auch bei sogenannten Friction-Pad- Systemen zum Einsatz kommt. Eine Reibpaarung einer Synchronisationseinrichtung mit einem Friction-Pad-System ist beispielsweise aus der DE 10 2010 022 347 A1 bekannt. Die Schüttpressmasse ist eine duroplasti- sehe Masse, welche beispielsweise Epoxidharz oder ein Phenol-Novolak als duroplastisches Bindemittel enthält. Ein Novolak ist ein Phenolharz mit einem Formaldehyd-Phenol-Verhältnis kleiner als 1 :1 .

Der aus der Schüttpressmasse gebildete Reibbelag enthält vorzugsweise 5 - 15 % Fasern eines ersten Typs und 50 - 70 % Kohlenstoffpartikel, etwa in der Form von Ruß und/oder Graphit. Prozentangaben sind stets als Gewichtsprozent zu verstehen. Bei den Fasern des ersten Typs kann es sich beispielsweise um Kohlenstofffasern oder um PAN (Polyacrylnitril)-Fasern handeln. Die Verwendung solcher Fasern in Reibungsmaterialien ist prinzipiell bekannt; bei- spielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die EP 1 394 438 B1 sowie auf die EP 0 647 793 B1 verwiesen. Der Reibbelag enthält in bevorzugter Ausgestaltung weiterhin jeweils bis zu 10 % Wolframpulver und/oder Kupferpulver. Die Verwendung von Wolfram und Kupfer in einem Reibbelag ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 1 202 076 B bekannt. Ferner können in dem Reibbelag Aramidfasern in einer Konzentration von bis zu 5 % enthalten sein. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die DE 39 30 402 C2 verwiesen.

Der Reibring ist nicht nur als Komponente einer Synchronisationsvorrichtung eines Stufengetriebes, sondern beispielsweise auch als Komponente einer Kupplung oder Bremse gestaltbar. Im Vergleich zu Friction-Pad-Systemen hat der erfindungsgemäße Reibring zum einen den Vorteil einer wesentlich größeren Reibfläche. Zum anderen ist aufgrund des einstufigen Fertigungsverfahrens des Reibbelags und der drastisch verkürzten Toleranzketten eine wesent- lieh höhere geometrische Präzision, insbesondere unter Bedingungen der Serienfertigung, erreichbar.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand ei- ner Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise in schematisierter Darstellung:

Kurze Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Reibrings einer

Synchronisationsvorrichtung,

Fig. 3 bis 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Reibrings. Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbei- spiele.

Ein in den Figuren in zwei verschiedenen Ausgestaltungen dargestellter Reibring 1 ist in jedem Fall Teil einer nicht weiter dargestellten Synchronisationseinrichtung, hinsichtlich deren Funktion auf den genannten Stand der Technik, insbesondere auf die Dokumente DE 10 2010 022 347 A1 und DE 10 2007 058 573 A1 , verwiesen wird. Der Reibring 1 setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, nämlich einem metallischen Grundkörper 2 und einem mit diesem fest verbundenen Reibbelag 3, wobei in Figur 1 sowie in den Figuren 3 und 4 lediglich der Grundkörper 2 dargestellt ist.

Der Reibbelag 3 befindet sich in beiden Ausführungsbeispielen auf einer konischen Oberfläche 4 des Grundkörpers 2. In der konischen Oberfläche 4 befinden sich Aussparungen 5, welche im ersten Ausführungsbeispiel eine kämm- förmige Kontur an einer Stirnseite des Grundkörpers 2 bilden und im zweiten Ausführungsbeispiel in Form von Bohrungen vorliegen, die den Grundkörper 2 durchdringen. In beiden Ausführungsbeispielen ist der Grundkörper 2 einschließlich der jeweiligen Aussparungen 5 durch einen Umformprozess aus Blech hergestellt.

Die in Umfangsrichtung gemessene Weite der Aussparungen 5, welche im ersten Ausführungsbeispiel dem maximalen Abstand zwischen einzelnen Zähnen 6 der kammförmigen Kontur an der Stirnseite des Grundkörpers 2 und im zweiten Ausführungsbeispiel dem Bohrungsdurchmesser entspricht, ist mit W bezeichnet. Die Wandstärke des Grundkörpers 2 in dessen konisch geformtem, die Aussparungen 5 aufweisenden Bereich ist mit D bezeichnet und beträgt weniger als die Weite W der Aussparungen 5. Wie aus Figur 1 hervorgeht, verbreitern sich die Zähne 6 nach vorne, das heißt zur Stirnseite des Grund- körpers 2 hin, so dass sich jede Aussparung 5 zu ihrer Öffnung hin verjüngt. Die mit T bezeichnete Tiefe jeder Aussparung 5 wird senkrecht zur Weite W, längs einer die konische Oberfläche 4 tangierenden, die Symmetrieachse S schneidenden Gerade gemessen und ist im ersten Ausführungsbeispiel größer als die Weite W.

Durch die relativ großflächigen Aussparungen 5 im Grundkörper 2 sind Hohlräume bereitgestellt, welche sowohl der Verankerung des Reibbelags 3 im Grundkörper 2 dienen, als auch ein Ausgleichsvolumen bereitstellen, welches beim Aufbringen einer den Reibbelag bildenden duroplastischen Masse auf den Grundkörper zwar weitgehend, aber nicht notwendigerweise vollständig ausgefüllt wird. Die duroplastische Masse enthält ein Phenol-Novolak als Bindemittel sowie Kohlenstoffpartikel und Fasern, nämlich Kohlenstofffasern und/oder PAN-Fasern als weitere Bestandteile. Eine feste, formschlüssige Verankerung des Reibbelags 3 im Grundkörper ist auch dann gegeben, wenn die- ser nicht alle Aussparungen 5 vollständig ausfüllt. Wesentlich bedeutsamer als der Grad der Ausfüllung der Aussparungen 5 durch den Reibbelag 3 ist die Lage und Struktur seiner Reiboberfläche. Hierbei spielt ein im Rahmen der Herstellung des Reibbelags 3 verwendetes Werkzeug eine Rolle, auf welches noch näher eingegangen werden wird.

Verschiedene mögliche Strukturierungen 7 der Oberfläche des Reibbelags 3 sind in Figur 2 anhand des ersten Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Ober- flächenstrukturierungen 7 dieser Art sind auch beim zweiten Ausführungsbeispiel denkbar. Bei beiden Ausführungsbeispielen sind an den Grundkörper 2 Mitnehmernocken 8 angeformt.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen liegt, neben der unterschiedlichen Gestaltung der Aussparungen 5, darin, dass im ersten Ausführungsbeispiel der Reibbelag 3 den Grundkörper 2 beidseitig bedeckt, während beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 bis 5 der Reibbelag 3 nur einseitig, nämlich auf der Innenseite, auf den Grundkörper 2 aufgebracht ist. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Verzahnung 9 des Grund- körpers 2 erkennbar, mit welcher der Reibring 1 in ein weiteres Bauteil der nicht weiter dargestellten Synchronisationsvorrichtung eingreifen kann.

In beiden Fällen wird der Reibring 1 hergestellt, indem der jeweilige Grundkörper 2 in ein vorgeheiztes Werkzeug eingelegt wird, das die Gestalt des späte- ren Reibbelags 3 bestimmt. Zur Herstellung des Reibbelags 3 wird die duroplastische Masse in Form einer Schüttpressmasse verwendet, welche in eine durch das Werkzeug zusammen mit dem Grundkörper 2 gebildete Kavität eindosiert wird. Ist die Kavität mit der Schüttpressmasse befüllt, so wird diese unter Einwirkung von Druck und Temperatur verfestigt, wobei die einzustellenden Prozessparameter von den Bestandteilen der Schüttpressmasse abhängen. Die bei der Verfestigung der Schüttpressmasse in der Kavität anzuwendende Temperatur liegt beispielsweise zwischen 150°C und 200°C.

Nach der Verfestigung der Schüttpressmasse innerhalb des Werkzeugs wird der Grundkörper 2, auf welchem sich die Schüttpressmasse nunmehr formstabil befindet, aus dem Werkzeug entnommen und in einem abschließenden Verfahrensschritt in einem Ofen gehärtet. Bei diesem Härtevorgang, bei welchem aus der Schüttpressmasse endgültig der Reibbelag 3 entsteht, herrscht eine Temperatur, die um einige 10 K über der bei der Verdichtung innerhalb des Werkzeugs angewandten Temperatur liegt.

Eine Nachbearbeitung des aus der Schüttpressmasse gebildeten Reibbelags 3 ist in typischen Anwendungsfällen nicht erforderlich. Durch die feste, formschlüssige Verbindung zwischen dem Reibbelag 3 und dem Grundkörper 2, welche in einem einzigen Verfahrensschritt im Zuge der Formung des Reibbelags 3 hergestellt wird, ist eine äußerst kurze Toleranzkette gegeben. Der Reibring 1 ist damit mit geringsten Toleranzen großtechnisch fertigbar.

Bezugszahlenliste

1 Reibring

2 Grundkörper

3 Reibbelag

4 konische Oberfläche

5 Aussparung

6 Zahn

7 Oberflächenstruktunerung

8 Mitnehmernocke

9 Verzahnung

D Wandstärke des Grundkörpers

S Symmetrieachse

T Tiefe einer Aussparung

W Weite einer Aussparung

Claims

Patentansprüche

1 . Reibring (1 ), aufweisend einen metallischen Grundkörper (2) sowie einen aus einer duroplastischen Schüttpressmasse gebildeten Reibbelag (3), welcher sich nahtfrei auf einer konischen Oberfläche (4) des Grundkörpers (2) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) durchgehende Aussparungen (5) aufweist, in welche der Reibbelag (3) formschlüssig eingreift.

2. Reibring (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) Bohrungen als Aussparungen (5) aufweist.

3. Reibring (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Aussparungen (5) im Grundkörper (2) durch eine kammförmige Kontur gebildet sind.

4. Reibring (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (5) eine in Tangentialrichtung des Grundkörpers (2) gemessene Weite (W) aufweisen, welche mehr als die Wandstärke (D) des Grundkörpers (2) in einem zwischen zwei Aussparungen (5) liegenden Bereich beträgt.

5. Reibring (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (5) eine orthogonal zur Weite (W), längs einer die konische Oberfläche (4) des Grundkörpers (2) tangierenden Gerade gemessene Tiefe (T) aufweisen, welche mindestens so groß wie die Weite (W) ist.

6. Reibring (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (3) eine Oberflächenstrukturierung (7) aufweist.

7. Reibring (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (3) den Grundkörper (2) beidseitig umschließt.

8. Reibring (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) als spanlos umgeformtes Blechteil ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Reibrings (1 ), mit folgenden Schritten:

- Ein metallischer Grundkörper (2), welche eine von einer Anzahl an

Aussparungen (5) durchbrochene konische Oberfläche (4) aufweist, wird bereitgestellt,

- unter Verwendung eines Werkzeugs wird eine Kavität hergestellt, in welcher sich die konische Oberfläche (4) des Grundkörpers (2) befindet,

- in die Kavität wird eine duroplastische Schüttgutmasse eingefüllt, wobei diese zumindest teilweise auch die Aussparungen (5) im Grundkörper (2) ausfüllt,

- die Schüttgutmasse wird in der Kavität unter Druck- und

Temperatureinwirkung verdichtet,

- das Werkzeug wird von der verdichteten Schüttgutmasse abgenommen,

- der Grundkörper (2) einschließlich der auf der konischen Oberfläche (4) befindlichen und formschlüssig in die Aussparungen (5) ragenden, einen Reibbelag (3) bildenden Schüttgutmasse wird in einem Ofen gehärtet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) in einem einzigen Verfahrensschritt beidseitig mit der innen- und außenseitige Reibbeläge (3) bildenden Schüttgutmasse bedeckt wird.