DE19946706C2 - Reibbelag - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reibbelag gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Reibbeläge, die in naßlaufenden Kupplungen und Bremsen sowie Reibungsdämpfern eingesetzt werden, sollten eine möglichst hohe und von der Gleitgeschwindigkeit, der Flächenpressung, der Reibbelagstemperatur und dem eingesetzten Schmierstoff un­ abhängige Reibungszahl besitzen. Zudem müssen sie einen genü­ gend großen Verschleißwiderstand und ausreichende Freßtragfä­ higkeit aufweisen.

Derzeit werden dabei im wesentlichen drei unterschiedliche Reibbelagsysteme eingesetzt:
Zum einen Reibbeläge bestehend aus organischen, harzgebundenen Fasern, die teilweise mit Mineralfasern gemischt sind. Diese Beläge werden als "Papierbeläge" bezeichnet. Sie zeichnen sich durch hohe Reibungszahlen aus, die nur mäßig von der Gleitge­ schwindigkeit, der Flächenpressung und dem eingesetzten Schmierstoff abhängen. Die übertragbare flächenspezifische Reibleistung ist bei länger andauernden oder sich schnell wie­ derholenden Brems-, Kupplungs- oder Dämpfungsvorgängen jedoch durch die ertragbaren Belagtemperaturen auf ca. 2,5 W/mm² Reibleistung begrenzt.

Ähnlich verhält es sich bei der zweiten Belaggruppe auf Car­ bonfaserbasis, die entweder rein oder mit weiteren Fasern ge­ mischt ist, und deren Temperaturbereich bei einer Harzbindung ebenfalls begrenzt ist. Andere bekannte Bindungstechniken für die Fasern untereinander und auf den Belagträger verhindern aus Kostengründen derzeit eine großtechnische Anwendung.

Bei der dritten Gruppe handelt es sich um Reibbeläge auf Basis pulvergesinterter oder aufgespritzter Metalle. Diese zeichnen sich durch ihre gute Temperaturbeständigkeit aus und erlauben damit hohe flächenspezifische Reibleistungen bis etwa 6 W/mm². Jedoch werden nicht so hohe Reibzahlen wie bei den anderen Be­ laggruppen erreicht und der Einfluß der Gleitgeschwindigkeit und des eingesetzten Schmierstoffes ist stärker ausgeprägt als bei diesen.

Aus dem druckschriftlichen Stand der Technik ist beispiels­ weise aus der DE 34 17 813 C1 ein metallischer Streusinterbe­ lag bekannt, der hinsichtlich des Verschleißverhaltens und der Freßtragfähigkeit aufgrund seiner Struktur und des eingesetz­ ten Materials gute Ergebnisse zeitigt. Jedoch ist die Elasti­ zität senkrecht zur Reibfläche noch nicht hoch genug, obwohl sie gegenüber Preßsinterbelägen verbessert ist, um eine aus­ reichend große Anzahl von Berührungspunkten zu erhalten. Da­ durch ist der Flächenanteil an Engstellen im Schmierspalt noch nicht groß genug, um an die hohen Reibzahlen von Papierbelägen heranzukommen. Ein weiterer Nachteil von pulvermetallurgisch hergestellten Sinterbelägen gegenüber Faserbelägen besteht darin, daß durch Verschleiß oder sonstige Einflüsse, wie z. B. die elastische oder plastische Verformung, sich einzelne Pul­ verpartikel aus dem Verbund lösen können und damit in den Schmierkreislauf gelangen. Verglichen mit Fasern können diese Partikel nur schwer ausgefiltert werden und führen unter Um­ ständen bei Hydrauliksystemen, die mit engen Spalten arbeiten, zu Betriebsstörungen.

Aus der US-A 3,390,750 bzw. der DE-AS 1 625 680 ist ein Reibbelag der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art bekannt. Bei diesem aus Stahlfasern hergestellten Reibbelag können nur dann ausreichende Reibeigenschaften erreicht werden, wenn die Fasern mit Chemiesorptionsverfahren beschichtet sind. Die Belastbarkeit dieses bekannten Belags liegt jedoch weit unter den heute gestellten Anforderungen, da dieser Belag immer noch in hohem Maße zum Fressen neigt, sofern keine Gegenlaufflächen eingesetzt werden, deren Oberflächenhärte größer ist als die des eingesetzten Fasermaterials. Als Beispiel hierfür wird eine Keramikbeschichtung aufgeführt. Generell führen Beschichtungsverfahren zu hohen Kosten. Wegen der Nachteile dieses bekannten Belages ist eine technische Umsetzung bisher nicht bekannt geworden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Belag der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaf­ fen, der die Vorteile der Beläge auf Basis von organi­ schen/anorganischen Fasern und Carbonfasern auf der einen Seite mit denen von pulvergesinterten oder aufgespritzten me­ tallischen Belagsystemen auf der anderen Seite verbindet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des An­ spruches 1.

Der erfindungsgemäße Belag weißt vorteilhafterweise eine über seine Lebensdauer konstante, ausreichend hohe Elastizität auf, um eine gleichmäßige Druckverteilung, sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch, zwischen dem Reibbelag und der Gegenfläche zu realisieren.

Ferner ergibt sich der Vorteil, daß eine über die Lebensdauer des Belages ausreichend hohe Scher- und Reißfestigkeit er­ reichbar ist, damit die auftretenden Tangentialkräfte übertra­ gen werden können.

Als weiterer Vorteil ist hervorzuheben, daß der erfindungsge­ mäße Belag möglichst viele, flächenmäßig kleine Tragpunkte zwischen sich und der Gegenlauffläche aufweist, die im Mischreibungsgebiet summiert eine große Fläche an Engstellen im Schmierspalt bedeuten und zu hohen Reibungszahlen führen.

Ferner ergeben möglichst viele, flächenmäßig kleine Tragpunkte zwischen Belag und Gegenfläche den Vorteil, daß Sie aus umlie­ genden Gebieten heraus gut mit Schmierstoff zur Schmierung und Kühlung versorgt werden können, um eine ausreichend hohe Freß­ tragfähigkeit zu gewährleisten. Hierfür weist der erfindungs­ gemäße Belag vorteilhafterweise eine große offene Porosität auf.

Schließlich kann der erfindungsgemäße Belag aus einem Grund­ werkstoff hergestellt sein, der eine ausreichend große Festig­ keit (Härte) aufweist, damit er im Mischreibungsgebiet bei Be­ triebszuständen mit hohem Festkörperanteil einen ausreichend großen Verschleißwiderstand besitzt.

Durch den Einsatz eines Faservlieses, das sehr dünne und ex­ trem lange Fasern mit einer Querschnittsfläche von einem be­ vorzugtem Bereich von 1 bis 300 µm², vorzugsweise 1 bis 200 µm², aufweist, was einem Durchmesserbereich bei kreisförmigem Querschnitt von ca. 1 bis 20 µm bzw. 1 bis 16 µm entspricht, ist es mit der Erfindung gelungen, die Freßneigung überraschenderweise auch bei Fasern, die vorzugsweise aus austenitischem Stahl bestehen, bei Gegenlaufflächen aus vergü­ tetem Stahl, wie sie derzeit z. B. üblicherweise bei Lamellen­ kupplungen eingesetzt werden, zu unterdrücken. Neben dem ge­ ringen Faserquerschnitt, der zu vielen kleinen Tragpunkten und damit hohen Reibungszahlen im Mischreibungsgebiet führt, hat dieses Verhalten auch der Einsatz extrem langer Fasern von bis zu 150 mm Länge herbeigeführt. Durch den Einsatz von sehr lan­ gen Fasern, bezogen auf den Faserdurchmesser, erhält man ein Vlies mit vielen Kreuzungspunkten, das nur mit geringen Drüc­ ken versintert werden muß, um eine ausreichende Eigenfestig­ keit des Vlieses zu erhalten. Dieses Vlies zeichnet sich, be­ zogen auf seine Dicke, durch eine ausgezeichnete progressive Federungscharakteristik aus, weist jedoch kein Setzen auch über eine sehr lange Betriebszeit auf, wie dies bei organi­ schen Faserbelägen auftritt und sorgt damit für eine gleich­ mäßige Anpressung der vielen Tragpunkte zur Gegenlauffläche. Dadurch steht auch dem Einsatz von Fasern aus austenitischem Stahl, trotz dessen bekannter Freßneigung, nichts mehr im Wege. Der Einsatz von austenitischem Stahl hat den Vorteil, daß der Einfluß unterschiedlicher Additive auf die Reibungs­ zahl gering bleibt. Zudem würden bei Verwendung von nicht inerten Metallen zur Herstellung eines Vlieses aus feinsten Fasern, durch die extrem große freie Oberfläche dieses Vlieses, vorhandene Öladditive in großen Mengen gebunden werden. Dies hätte eine Ausmagerung der notwendigen Additive im Öl und höheren Korrosionsverschleiß der Fasern zur Folge.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung zum Inhalt.

In Anspruch 2 ist ein besonders bevorzugtes Längen-Dicken-Ver­ hältnis der verwendeten Fasern angegeben.

Zur leichteren Handhabung des Vlieses hat es sich entsprechend der bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 3 oft als vor­ teilhaft herausgestellt, das eigentliche Vlies, das üblicher­ weise eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm aufweist, bei der Vliesherstellung auf einer Metallfolie im Dickenbereich von 0,05 bis 0,2 mm aufzubringen, vorzugsweise aufzusintern. Die Metallfolie gestattet eine größere Auswahl an Befesti­ gungsarten zwischen Vlies und Belagträger. Beim Löten z. B. verhindert die Folie, daß sich das Vlies mit Lot oder Flußmit­ tel vollsaugt und dadurch seine offenporige Struktur verliert. Nur durch den Einsatz der Folie kann das Buckelschweißen als Befestigungsmethode eingesetzt werden. Auch Laserschweißen wird mit Folie deutlich erleichtert.

Gemäß Anspruch 4 kann der Reibbelag vorteilhafterweise zur Öl­ führung geeignete Drainagen im Faservlies aufweisen. Diese Drainagen können neben den bisher üblichen Preßverfahren beispielsweise beim Aufbringen des Reibbelages auf einen Belagträger durch Preßschweißverfahren oder ein Laserschweißverfahren eingebracht werden, wobei beim Preß­ schweißen die Elektrodenform bzw. beim Laserschweißen die Schweißbahn so gewählt werden kann, daß die Drainagen im Fa­ servlies entstehen.

Durch Aufsintern des Metallfaservlieses auf eine Metallfolie kann erreicht werden, daß die durch die Reibung entstehenden Tangentialkräfte alleine durch Formschluß oder durch Form- und Reibschluß zwischen Metallfolie und dem Belagträger, auf dem der Reibbelag aufgebracht werden kann, übertragen werden.

Als besonders bevorzugtes Stahlmaterial ist austenitischer Stahl vorgesehen.

In den Ansprüchen 6 bis 11 ist ein erfindungsgemäßes Reibele­ ment definiert, das beispielsweise eine Lamelle für naßlau­ fende Kupplungen, Bremsen oder Reibungsdämpfer sein kann. Das erfindungsgemäße Reibelement weist den zuvor beschriebenen Reibbelag zur Übertragung von Reibungskräften in zumindest ei­ ner der zuvor erläuterten Ausführungsformen auf.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung er­ geben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht eines Teiles ei­ nes erfindungsgemäßen Reibelementes, das mit dem er­ findungsgemäßen Reibbelag versehen ist,

Fig. 2 einen Graph zur Darstellung von Vergleichsversuchen zwischen bekannten Belägen und dem erfindungsgemäßen Reibbelag,

Fig. 3 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung ei­ ner Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Reibbelag mit Nuten zur Ölführung, und

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht einer besonders be­ vorzugten Ausführungsform eines Belagträgers.

In Fig. 1 ist ein Teilbereich eines erfindungsgemäßen Reibele­ mentes 1 in perspektivischer und geschnittener Darstellung ge­ zeigt. Zum Nachweis der Eignung des beim erfindungsgemäßen Reibbelags verwendeten Vlieses in naßlaufenden Kupplungen und Bremsen ist das in Fig. 1 gezeigte Reibelement 1 als Standard­ lamelle für eine Standardkupplung mit 150 mm Außendurchmesser ausgebildet worden. Das Reibelement 1 weist im Beispielsfalle einen Belagträger 5 aus Kohlenstoffstahl auf. Auf dem Belag­ träger 5 ist im Beispielsfalle auf beiden Seiten eine Metall­ folie 2, 2' mit zuvor aufgesintertem Faservlies 3 bzw. 3' aufgebracht. Die in Fig. 1 ferner sichtbare Verzahnung 4 dient zur Einleitung des Drehmoments.

Das Reibungsverhalten dieser Lamelle 1 im Vergleich zu bekann­ ten Belagsystemen ist in Fig. 2 dargestellt worden. Diese Fi­ gur verdeutlicht Versuchsergebnisse, die mit einem ATF Dexron III als Schmierstoff bei einer Ölsumpftemperatur von 80°C durchgeführt wurden. Die flächenspezifische Reibarbeit pro Schaltung beträgt 1,7 J/mm², die Flächenpressung 2 N/mm². Die aus Fig. 2 entnehmbaren Kurven P, S, M zeigen das Reibungsver­ halten nach 1000 Schaltungen am Prüfstand von einem Papierbe­ lag P, einem Sinterbelag S und einem erfindungsgemäßen Stahlvliesbelag M.

Es ist zu erkennen, daß der erfindungsgemäße Belag hinsicht­ lich seines Reibungsverhaltens dem Sinterbelag deutlich über­ legen ist, während er dem Papierbelag hinsichtlich des Rei­ bungsverhaltens zumindest ebenbürtig ist. Die bei einer La­ melle mit Papierbelag maximal mögliche spezifische Reibarbeit pro Schaltung von ca. 1,7 J/mm², bei einer Schalthäufigkeit von 4 Schaltungen pro Minute, wird jedoch um mindestens 80% von der erfindungsgemäßen Lamelle 1 mit Stahl- bzw. Metallvliesbe­ lag übertroffen.

Zum Aufbringen des erfindungsgemäßen Reibbelages 3, 3' auf den Belagträger 5 gibt es verschiedene Möglichkeiten. Wird das Me­ tallfaservlies des Reibbelages 3 direkt auf den Belagträger 5 aufgebracht, was Vorteile verspricht, wenn z. B. insgesamt nur wenig Bauhöhe zur Verfügung steht, oder abwickelbare und nicht abwickelbare Geometrien mit dem, bereits mit Vlies beschichte­ ten Belagträger über einen Umformprozeß hergestellt werden, bieten sich als wirtschaftliche Verbindungstechnik das direkte Aufsintern, das Preßschweißen oder das Laserschweißen an. Bei Einsatz dieser Verfahren ist die ertragbare Belagtemperatur nicht durch die eingesetzte Verbindungstechnik begrenzt. Wer­ den beim direkten Aufsintern durch die hierfür benötigten Tem­ peraturen die Festigkeit und die Form des Belagträgers 5 unzu­ lässig verändert, ist eine anschließende Wärmebehandlung mög­ lich. Wie im Rahmen der Erfindung durchgeführte Versuche an Synchronringen gezeigt haben, ist es jedoch auch möglich, mit geklebtem Vlies höhere Schaltleistungen als mit Papierbelägen zu realisieren, was auf die gute Wärmeleitfähigkeit des Me­ tallvlieses zurückzuführen ist.

Da es vorteilhaft sein kann, in Reibbelägen Nuten zur Öldrainage zu verwenden, kann auch der erfindungsgemäße Reibbelag mit derartigen Nuten versehen werden. Neben dem sogenannten Buckelschweißen kann auch ein Preßschweißverfahrnen als Verbindungstechnik gewählt werden, bei dem sich das Faservlies an den Stellen, an denen die Elektrode aufgesetzt wird, unter Einwirkung des Druckes und der Temperatur verdichtet, da an diesen Stellen die Porosität des Vlieses verschwindet. Die Elektrode (n) kann (können) nun so ausgebildet werden, daß diese verdichteten Stellen Nuten zur Ölführung bilden. Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 3 dargestellt. Ein vergleichbarer Effekt wird beim Laserschweißen mit senkrecht auf die Oberfläche gerichtetem Strahl durch eine entsprechende Bahnsteuerung des Laserstrahls erreicht. Selbstverständlich können auch unabhängig von der Befestigungstechnik derartige Nuten in das Vlies, wie z. B. beim direkten Aufsintern, eingeprägt werden.

Ein kostengünstiges Verfahren zum Aufbringen des Belages, bei dem zudem keine Einschränkungen des Materials des Belagträgers hinsichtlich der Verbindungstechnik vorliegen, ist das Aufsin­ tern des Metallfaservlieses auf eine Metallfolie. Wird das Me­ tallfaservlies bei der Herstellung auf die Metallfolie in aus­ reichender Dicke aufgesintert, kann auf eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Belagträger 5 und der Metallfolie ver­ zichtet werden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 4 darge­ stellt, die ein Reibelement 1' zeigt. Das Reibelement 1' weist wiederum einen Belagträger 5' auf, der Aussparungen oder Ein­ prägungen aufweist, von denen eine beispielhaft mit der Be­ zugsziffer 7 gekennzeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform wird in den Aussparungen oder Einprägungen 7 des Belagträgers 5' durch plastische Verformung der Metallfolie mit ihrer Vliesschicht eine form- und reibschlüssige Verbindung herge­ stellt, die es erlaubt, die auftretenden Tangentialkräfte auf den Belagträger 5' zu übertragen und ein Abheben des Belages 3" im unbelasteten Zustand zu verhindern.

Aufgrund der hervorragenden Elastizität des Vlieses ist es möglich, ohne Einbußen hinsichtlich des tribologischen Verhal­ tens entweder die Trägerfolie mit Vlies alleine oder bereits auf den Belagträger 5' aufgebracht, durch einen Prägevorgang oder andere geeignete Methoden der Umformtechnik, ausgehend vom ebenen Zustand, in eine räumlich gekrümmte Form zu brin­ gen. Diese Umformverfahren sind natürlich auch auf einen Be­ lagträger mit direkt aufgesintertem Vlies anwendbar.

Claims (12)

1. Reibbelag zur Übertragung von Reibungskräften in naßlaufenden Kupplungen, Bremsen oder Reibungsdämpfern, mit einem gesinterten Metallfaservlies (3, 3', 3"), konstanter Fasergeometrie und Porosität, dadurch gekennzeichnet, dass die Belagdicke des Metallfaservlieses (3, 3', 3") 0,1 bis 0,5 mm beträgt, wobei das Metallfaservlies Fasern aus Stahl mit einer Querschnittsfläche im Wesentlichen zwischen 1 und 300 µm², vorzugsweise 1 und 200 µm², aufweist.

2. Reibbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies im wesentlichen aus Fasern besteht, die ein Längen- Dicken-Verhältnis größer als 10³ besitzen.

3. Reibbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfaservlies (3, 3') auf eine Metallfolie (2, 2') aufgesintert ist.

4. Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ölführung geeignete Drainagen im Me­ tallfaservlies (3, 3'; 3") vorgesehen sind.

5. Reibbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fasern aus nichtrostendem bzw. korrosionsbeständigem, vorzugsweise austenitischem, Stahl bestehen.

6. Reibelement (1, 1') zur Übertragung von Reibungskräften in naßlaufenden Kupplungen, Bremsen oder Reibungsdämpfern mit einem Belagträger (5; 5'), gekennzeichnet durch wenigstens eines der Merkmale der Ansprüche 1 bis 5.

7. Reibelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Metallfaservlies (3, 3') versehene Metallfo­ lie (2, 2') stoffschlüssig durch Preßschweißen, Löten oder Laserstrahlschweißen mit dem Belagträger (5) verbunden ist.

8. Reibelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die auf dem Belagträger (5) aufgebrachte Folie (2, 2') mit oder ohne dem Belagträger (5) durch plasti­ sches Umformen auf eine abwickelbare oder nicht abwickel­ bare Reibflächenform, vorzugsweise Kegel- oder Kugelkalot­ tenform, gebracht ist.

9. Reibelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfaservlies direkt auf den Belagträger (5) aufgesintert, geschweißt oder geklebt ist.

10. Reibelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Belagträger (5) mit dem aufgebrachten Metallfaservlies durch plastisches Umformen auf eine abwickelbare oder nicht abwickelbare Reibflächenform, insbesondere Kegel- oder Kugelkalottenform, gebracht ist.

11. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie mit dem Vlies formschlüssig mit dem Belagträger (5; 5') verbunden ist.

12. Reibelement nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Belagträger (5; 5') ein- oder beid­ seitig mit dem Reibbelag belegt ist.